Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Электрохимическое получение слоев поли(3,4-этилендиокситиофена) на микроэлектродах золота для применения в мочевыводящей кислоте

Published: July 28, 2021 doi: 10.3791/62707
Automatic Translation
1, 2,3, 1
1School of Chemical Sciences, The University of Auckland, 2School of Biological Sciences, The University of Auckland, 3Surgical and Translational Research Center, The University of Auckland

Summary

Описаны системы водных и органических растворителей для электрополимеризации поли(3,4-этилендиокситиофена) для создания тонких слоев на поверхности микроэлектродов золота, которые используются для зондирования низкомолекулярных аналитов.

Abstract

Описаны два различных способа синтеза поли(3,4-этилендиокситиофена) (PEDOT) на золотых электродах с использованием электрополимеризации мономера 3,4-этилендиокситиофена (EDOT) в водном и органическом растворе. Циклическая вольтамперометрия (CV) использовалась при синтезе тонких слоев PEDOT. Перхлорат лития (LiClO4) использовался в качестве легирующего вещества как в водных (водных/ацетонитриловых (ACN)), так и в органических (пропиленкарбонат (PC)) системах растворителей. После того, как слой PEDOT был создан в органической системе, поверхность электрода акклиматизировали путем последовательного циклирования в водном растворе для использования в качестве датчика для водных образцов.

Использование метода электрополимеризации на водной основе имеет потенциальное преимущество удаления стадии акклиматизации, чтобы иметь более короткое время подготовки датчика. Хотя водный метод является более экономичным и экологически чистым, чем метод органических растворителей, в органическом растворе получается превосходное образование PEDOT. Полученные поверхности электродов PEDOT были охарактеризованы сканирующей электронной микроскопией (SEM), которая показала постоянный рост PEDOT при электрополимеризации из органического раствора ПК, с быстрым ростом фрактального типа на микроэлектродах золота (Au).

Introduction

Электропроводящие полимеры представляют собой органические материалы, широко используемые в биоэлектронных устройствах для улучшения интерфейсов. Подобно обычным полимерам, проводящие полимеры легко синтезируются и являются гибкими во время обработки1. Проводящие полимеры могут быть синтезированы с помощью химических и электрохимических методов; однако подходы к электрохимическому синтезу особенно благоприятны. В основном это связано с их способностью образовывать тонкие пленки, позволять одновременно легировать, захватывать молекулы в проводящем полимере, а главное, простотой процесса синтеза1. Кроме того, проводящие полимеры образуют однородные, волокнистые и бугристые наноструктуры, прочно прилипшие к поверхности электрода, что увеличивает площадь активной поверхности электрода2.

В 1980-х годах были разработаны некоторые полигетероциклы, такие как полипиррол, полианилин, политиофен и PEDOT, которые показали хорошую проводимость, легкость синтеза и стабильность 3,4. Хотя полипиррол лучше изучен, чем другие полимеры (например, производные политиофена), он склонен к необратимому окислению5. Таким образом, PEDOT имеет определенные преимущества перед остальными, поскольку он имеет гораздо более стабильное окислительное состояние и сохраняет 89% своей проводимости по сравнению с полипирролом в аналогичных условиях6. Кроме того, PEDOT известен высокой электропроводимостью (~500 См/см) и умеренной запрещенной зоной (т.е. зазоры или энергетические зазоры являются областями без заряда и относятся к разнице энергий между верхней частью валентной зоны и нижней частью зоны проводимости)7.

Кроме того, PEDOT обладает электрохимическими свойствами, нуждается в более низких потенциалах для окисления и более стабилен с течением времени, чем полипиррол после синтеза7. Он также обладает хорошей оптической прозрачностью, что означает его коэффициент оптического поглощения, особенно в виде PEDOT-полистиролсульфоната (PEDOT-PSS), находится в видимой области электромагнитного спектра при 400-700 нм7. При образовании PEDOT электрохимически мономеры EDOT окисляются на рабочем электроде с образованием радикальных катионов, которые реагируют с другими радикальными катионами или мономерами для создания цепей PEDOT, которые осаждаются на поверхности электрода1.

Различные управляющие факторы участвуют в электрохимическом образовании пленок PEDOT, такие как электролит, тип электролита, установка электрода, время осаждения, тип легирующего вещества и температура растворителя1 PEDOT может быть получен электрохимически путем пропускания тока через соответствующий раствор электролита. Различные электролиты, такие как водные (например, PEDOT-PSS), органические (например, PC, ацетонитрил) и ионные жидкости (например, 1-бутил-3-метилимидазолия тетрафторборат (BMIMBF4)) могут быть использованы8.

Одним из преимуществ покрытий PEDOT является то, что они могут значительно снизить импеданс электрода Au в диапазоне частот 1 кГц на два-три порядка, что делает полезным повышение чувствительности прямого электрохимического детектирования нейронной активности9. Кроме того, емкость хранения заряда электродов, модифицированных PEDOT, увеличивается и приводит к более быстрым и более низким потенциальным реакциям при передаче стимулирующего заряда через PEDOT10. Кроме того, когда полистиролсульфонат (PSS) используется в качестве легирующего вещества для образования PEDOT на микроэлектродных массивах Au, он создает шероховатую, пористую поверхность с высокой площадью активной поверхности, более низким сопротивлением границы раздела и более высокой емкостью впрыска заряда11. Для стадии электрополимеризации EDOT-PSS обычно производит дисперсию в водном электролите.

Однако ЭДОТ растворим в хлороформе, ацетоне, ACN и других органических растворителях, таких как ПК. Поэтому в данном исследовании смесь воды использовали с небольшим объемом ACN в соотношении 10:1 для получения растворимого раствора EDOT до начала электрополимеризации. Целью использования этого водного электролита является опущение стадии акклиматизации при получении PEDOT-модифицированного микроэлектрода и сокращение этапов. Другим органическим электролитом, используемым для сравнения с водным электролитом / электролитом ACN, является PC. Оба электролита содержат LiClO4 в качестве легирующего вещества, помогающего в окислении мономера EDOT и формировании полимера PEDOT.

Микроэлектроды представляют собой вольтамперметрические рабочие электроды с меньшим диаметром, чем макроэлектроды, размером примерно в десятки микрометров или меньше. Их преимущества перед макроэлектродами включают улучшенный перенос массы от раствора к поверхности электрода, генерацию стационарного сигнала, более низкое падение омического потенциала, более низкую двухслойную емкость и повышенное отношение сигнал/шум12. Как и все твердые электроды, микроэлектроды должны быть кондиционированы перед анализом. Соответствующий метод предварительной обработки или активации представляет собой механическую полировку для получения гладкой поверхности с последующей стадией электрохимического или химического кондиционирования, такой как потенциальная цикличность в определенном диапазоне в подходящем электролите13.

CV очень часто используется в электрохимической полимеризации PEDOT путем введения электродов в раствор мономера, который включает подходящий растворитель и легирующий электролит. Этот электрохимический метод полезен для предоставления информации о направлении, такой как обратимость процессов легирования полимеров и количество передаваемых электронов, коэффициенты диффузии аналитов и образование продуктов реакции. В этой статье описывается, как два разных электролита, используемых для электрополимеризации PEDOT, могут генерировать тонкие наноструктурные пленки с потенциальным чувствительным применением, которое зависит от морфологии и других внутренних свойств.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Подготовка аналитических решений

  1. Приготовление 0,1 М ЭДОТ в органическом растворе
    1. Взвесьте 0,213 г LiClO4 и переложите его в объемную колбу объемом 20 мл.
    2. Используйте измерительный цилиндр, чтобы взять 20 мл ПК из бутылки.
    3. Добавьте ПК в объемную колбу объемом 20 мл, содержащую LiClO4. Перемешайте раствор, поместив колбу в ультразвуковую ванну на 30 мин. Переложите раствор на стеклянный флакон объемом 20 мл.
    4. Накройте флакон алюминиевой фольгой и вставьте длинную иглу, прикрепленную к азотной трубе, в раствор для дегазации в течение 10 минут. Затем снимите алюминиевую фольгу и плотно закройте флакон.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Приготовьте LiClO4 свежим в день эксперимента.
    5. Перед электрохимическим испытанием переложить 1 мл приготовленного раствора LiClO4 (0,1 М) в электрохимическую ячейку (см. Таблицу материалов).
    6. Используйте микропипетку (10-100 мкл) для добавления 10,68 мкл мономера EDOT (плотность: 1,331 г/мл) в электрохимическую ячейку, содержащую приготовленный раствор LiClO4 .
    7. Запустите метод CV (см. раздел 3.4 для параметров CV), чтобы начать электрополимеризацию EDOT на голой поверхности микроэлектрода Au после вставки всех электродных установок в раствор. Используйте этот модифицированный электрод для характеристики поверхности с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM).
    8. Чтобы использовать этот модифицированный электрод для зондирования, сначала акклиматизируйте его поверхность к водному раствору, выполнив сканирование CV в растворе перхлората натрия (NaClO4) (см. раздел 3.4 для параметров CV).
    9. Используйте этот органически PEDOT-модифицированный и акклиматизированный микроэлектрод (из 1.1.8) для запуска CV (см. раздел 3.4 для его параметров CV) фосфатного буферного раствора, который будет использоваться в качестве фонового сканирования.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Промывайте электрод после каждого шага.
    10. Наконец, извлеките электрод из буферного раствора без промывки и немедленно вставьте его в растворы мочевой кислоты или образцы молока для проведения сканирования CV (см. раздел 3.4 для параметров CV).
  2. Приготовление 0,01 М ЭДОТ в водном растворе
    1. Используйте микропипетку, чтобы взять 10,68 мкл EDOT и добавить к 1 мл ACN в стеклянный флакон.
    2. Добавьте 9 мл деионизированной воды (18,2 МОм/см при 25 °C) во флакон для приготовления 10 мл 0,01 М раствора EDOT.
    3. Добавьте 0,11 г порошка LiClO4 в приготовленный раствор EDOT для получения 0,1 M раствора LiClO4 и аккуратно перемешайте.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Приготовьте растворы электролитов заново в день эксперимента.
    4. Перенесут приготовленный раствор в электрохимическую ячейку и начнут электрополимеризацию 0,01 М ЭДОТ на поверхности электрода методом CV (см. раздел 3.4 для параметров CV) после введения электрода в водный/ACN раствор.
    5. Охарактеризуйте поверхность этого модифицированного электрода по SEM.
  3. Приготовление 0,1 М раствора перхлората натрия
    1. Взвесьте 0,245 г NaClO4 и переложите его в стеклянный флакон, содержащий 20 мл деионизированной воды (18,2 МОм/см при 25 °C).
    2. Используйте этот раствор для акклиматизации поверхности органически изготовленного PEDOT-модифицированного микроэлектрода Au к водному раствору и удаления избытка ЭДОТ. Для этого промыть электрод и вставить его в раствор NaClO4 ; затем запустите CV в течение 10 циклов (см. раздел 3.4 для параметров CV).
  4. Подготовка буферного раствора
    1. Взвесьте 13,8 г дигидрофосфата натрия (NaH2PO4. 1H2O) в весовой лодке. Переложите его в объемную колбу объемом 500 мл (т.е. требуемый конечный объем) и залейте до линии деионизированной водой (18,2 МОм/см при 25 °C).
    2. Поместите колбу в ультразвуковую ванну до тех пор, пока порошок полностью не растворится в воде, в результате чего получится раствор 0,2 М.
    3. В новой весовой лодке взвесьте 17,8 г динатрия гидрофосфата (Na2HPO4. 2H2O) и переложите его в еще одну объемную колбу объемом 500 мл. Долить его деионизированной водой для получения раствора 0,2 М. Поместите колбу в ультразвуковую ванну, чтобы она правильно растворилась.
    4. Смешайте 62,5 мл раствора дигидрофосфата натрия с 37,5 мл раствора динатрия гидрофосфата в измерительном цилиндре и переложите смесь в стеклянную бутылку емкостью 250 мл (см. Таблицу материалов). Долить еще 100 мл деионизированной воды для получения 200 мл 0,1 М фосфатного буферного раствора, рН 6,6. Охладите фосфатный буфер для длительного использования.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Доведите буфер до комнатной температуры перед каждым экспериментом.
  5. Подготовка растворов целевых аналитов
    1. Взвесьте 0,0084 г мочевой кислоты (UA) в весовой лодке и растворите ее в 50 мл фосфатного буфера (рН 6,6) в объемной колбе для получения раствора UA 1 мМ.
    2. Дегазация раствора азотной продувкой в течение 10 мин.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Желательно готовить раствор UA свежим в день эксперимента.
  6. Подготовка образцов молока к анализу
    1. Получите образец цельного молока и несколько образцов молока с различными вкусами (например, молоко эспрессо, молоко карамельного / белого шоколада и бельгийское шоколадное молоко) в местном супермаркете для электроанализа. Не следует предварительно обрабатывать и не разбавлять образцы молока.
    2. Используйте микропипетку 5 мл, чтобы взять 5 мл каждого образца молока из свежеоткрытых бутылок.
    3. Во-первых, запустите CV фосфатного буфера, рН 6,6, в качестве фонового сигнала. Затем добавьте образец молока объемом 5 мл в электрохимическую ячейку, а также вставьте свеже- и органически изготовленный микроэлектрод Au-модифицированный PEDOT и другие электроды в образцы молока и запустите CV. См. раздел 4 протокола, чтобы узнать, как анализировать собранные данные.
  7. Приготовление растворов для предварительной обработки электродов
    1. Взвесьте 0,2 г порошка гидроксида натрия (NaOH) и переложите его в объемную колбу объемом 50 мл для приготовления раствора 0,1 мл.
    2. Используйте раствор NaOH 0,1 М для удаления остатков PEDOT, образующихся на поверхности микроэлектрода после каждого прогона.
    3. Используйте стеклянную пипетку для извлечения 27,2 мл из бутылки с 98% серной кислотой (H2SO4). Добавляйте его очень медленно в объемную колбу объемом 1 л, наполовину заполненную деионизированной водой.
    4. Долить колбу до линии деионизированной водой для приготовления 1 л раствора 0,5 M H2SO4 .
      ПРИМЕЧАНИЕ: Подготовьте раствор H2SO4 под вытяжным кожухом для обеспечения безопасности. Используйте раствор H2SO4 на заключительной стадии электрохимической очистки микроэлектрода.

2. Предварительная обработка микроэлектрода золота

  1. Отполируйте микроэлектрод Au (диаметр 10 мкм, ширина 3,5 мм x длина 7 см) на полировальной площадке из глинозема, размещенной на стеклянной полировальной пластине (размеры: 3" x 3" квадраты), используя глиноземную суспензию в течение 30 с круглыми и восьмиобразными движениями рук во время полировки.
  2. Микроэлектрод Au промыть деионизированной водой, вставить его в стеклянный флакон, содержащий 15 мл абсолютного этанола (марка LR), и ультразвук в течение 2 мин.
  3. Промыть микроэлектрод Au этанолом и водой и снова ультразвуком в течение 4 мин в деионизированной воде, чтобы удалить избыток глинозема с поверхности электрода.
  4. Наконец, удалите дополнительные примеси путем циклического включения в 0,5 М H2SO4 для 20 сегментов между потенциалами от 0,4 до 1,6 В (по сравнению с Ag/AgCl) со скоростью сканирования 50 мВ/с. Убедитесь, что есть два четких пика из-за образования и восстановления оксида золота при последовательных анодных и катодных потенциалах каждый раз, когда электрод очищается в H2SO4.

3. Техника циклической вольтамперометрии

  1. Используйте подходящий потенциостат для запуска CV в качестве электрохимического метода, представляющего интерес.
  2. Включите потенциостат и подключенный к нему компьютер. Убедитесь, что система подключена.
  3. Чтобы проверить связь между компьютером и прибором, запустите программное обеспечение и включите прибор. Используйте команду Проверка оборудования в меню Настройка . Если появляется ошибка Ошибка соединения , проверьте параметры подключения и порта.
  4. Откройте программное обеспечение potentiostat на компьютере и в меню Настройка выберите Техника. В открывшемся окне выберите циклическую вольтамперметрию (CV). Опять же, вернитесь в меню «Настройка» и нажмите « Параметры», чтобы ввести экспериментальные параметры для запуска CV.
    1. Используйте следующие параметры CV для запуска электрополимеризации PEDOT в органическом электролите на голом микроэлектроде Au: начальный потенциал: -0,3 В, конечный потенциал: -0,3 В, высокий потенциал: 1,2 В, количество сегментов: 8, скорость сканирования: 100 мВ/с, направление: положительное.
    2. Используйте следующие параметры CV для запуска электрополимеризации PEDOT в водном/ACN электролите на голом микроэлектроде Au: начальный потенциал: -0,3 В, конечный потенциал: -0,3 В, высокий потенциал: 1,2 В, количество сегментов: 20, скорость сканирования: 100 мВ/с, направление: положительное.
    3. Используйте следующие параметры CV для запуска стадии акклиматизации органически изготовленного PEDOT-модифицированного микроэлектрода Au: начальный потенциал: -0,2 В, конечный потенциал: -0,2 В, высокий потенциал: 0,8 В, количество сегментов: 20, скорость сканирования: 100 мВ/с, направление: положительное.
    4. Используйте следующие параметры CV для стандартных растворов UA и фосфатного буфера (рН 6,6) с голым микроэлектродом Au: начальный потенциал: 0 В, конечный потенциал: 0 В, высокий потенциал: 1 В, количество сегментов: 2, скорость сканирования: 100 мВ/с и направление: положительное.
    5. Используйте следующие параметры CV для стандартных растворов UA и фосфатного буфера (рН 6,6) на органически изготовленном, PEDOT-модифицированном микроэлектроде Au: начальный потенциал: 0 В, конечный потенциал: 0 В, высокий потенциал: 0,6 В, количество сегментов: 2, скорость сканирования: 100 мВ/с и направление: положительное.
    6. Используйте следующие параметры CV для образцов молока и фосфатного буфера (рН 6,6) на органически изготовленном, PEDOT-модифицированном микроэлектроде Au: начальный потенциал: 0 В, конечный потенциал: 0 В, высокий потенциал: 0,8 В, количество сегментов: 2, скорость сканирования: 100 мВ/с, направление: положительное.
  5. Подготовьте три электродные установки в стеклянной электрохимической ячейке, включая рабочий электрод (Au микроэлектрод (диаметр 10 мкм)), электрод сравнения (например, хлорид серебра / серебра (Ag / AgCl) в 3 М хлорида натрия (NaCl) и противоэлектрод из платиновой проволоки.
  6. Пропустите эти чистые и высушенные электроды через отверстия держателя электрода, прикрепленного к подставке. Затем поместите держатель над электрохимической ячейкой, чтобы вставить электроды в целевой раствор или образец.
  7. Убедитесь, что на поверхностях электродов нет пузырьков.
    1. Если есть пузырьки, удалите электроды, снова промойте деионизированной водой и вытрите насухо салфеткой. Поместите электроды обратно в держатель подставки и в раствор.
    2. Если вокруг опорного электрода есть пузырьки, осторожно постучите по наконечнику.
    3. Если после начала работы вокруг контрэлектрода есть пузырьки, очистите контрэлектрод. Если сканирование CV становится шумным, очистите поверхность электрода и проверьте соединения системы, провода и зажимы.
  8. Убедитесь, что все три проводных соединения для эталонных, рабочих и встречных электродов подключены правильно, а затем начните эксперимент, щелкнув Выполнить внизу.
  9. Проводите все эксперименты при комнатной температуре. Для образцов молока пусть температура образцов молока достигнет температуры окружающей среды перед запуском CV.

4. Сбор и анализ данных

  1. После запуска CV сохраните данные в нужном формате (CSV или Bin) в папке, а затем используйте USB-накопитель для их сбора. Анализируйте данные с помощью соответствующего программного обеспечения. Конвертируйте CSV-файлы в электронные таблицы для облегчения анализа.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если данные сохранены в формате двоичного файла, преобразуйте их в формат текстовой запятой перед сбором данных на USB-накопитель.
  2. Чтобы проанализировать CV образцов молока, вычтите CV молока из фонового CV (т.е. CV фосфатного буфера (рН 6,6), взятого перед запуском каждого образца молока), чтобы получить кривые из-за окисления молочного профиля.

5. Методы характеристики PEDOT

  1. Используйте определенный тип высокоэффективных SEM для характеристики слоев PEDOT, изготовленных из разных электролитов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь использовался FEI Quanta 200 ESEM FEG; он оснащен полевой эмиссионной пушкой Шоттки (FEG) для лучшего пространственного разрешения. Этот прибор обеспечивает различные режимы работы, такие как режимы высокого вакуума, низкого вакуума и окружающей среды SEM, и оснащен детектором SiLi (Lithium drifted) Super Ultra-Thin Window EDS.
  2. Проверить морфологию поверхности как голых, так и PEDOT-модифицированных Микроэлектродов Au (PEDOT-Au) Сем после электрополимеризации PEDOT в органических и водных растворах. Выполняйте электрополимеризацию PEDOT на голых микроэлектродах Au в водных/ ACN и органических растворах непосредственно перед их проверкой SEM.
  3. Поместите свежеприготовленные электроды (голый микроэлектрод Au и два микроэлектрода PEDOT-Au) на ступень SEM горизонтально, с головкой над сценой под определенным углом.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Циклическая вольтамперометрия - это простой метод формирования тонкого слоя PEDOT на поверхности микроэлектрода Au для повышения электродной проводимости и чувствительности во время электрохимического зондирования целевых аналитов. Данный протокол демонстрирует способ электрополимеризации 0,1 М ЭДОТ из органического раствора по сравнению с 0,01 М ЭДОТ из водного раствора электролита. Выполнение 10 циклов в водном растворе / ACN приводит к умеренному росту PEDOT, сопоставимому с 4 циклами в растворе LiClO4 / PC. На рисунке 1 показано четкое различие между электрополимеризованным EDOT в водных/ACN и органических растворах, с последующими слоями PEDOT, образованными путем нанесения CV. Очевидно, что при циклическом цикле от -0,3 до +1,2 В (по сравнению с Ag/AgCl в 3 М NaCl) при скорости сканирования 100 мВ/с полимер начал окисляться при 0,9 В в обоих растворах электролитов (рис. 1А и рисунок 1С), причем пик окисления наблюдался при 1 В в водном растворе/растворе ACN.

При ближайшем рассмотрении слои PEDOT, изготовленные в органическом растворе после 4 циклов, показывают более высокие значения тока (~2,9 мкА) при 1,2 В по сравнению с текущим значением (0,23 мкА), наблюдаемым для слоев PEDOT, образующихся при этом потенциале в водном растворе / ACN. Когда количество циклов электрополимеризации увеличивается во время CV-прогонов, новые слои PEDOT постепенно вносятся на поверхность электрода для увеличения толщины слоев. Это может быть связано с окислительно-восстановительными реакциями, происходящими во внутреннем PEDOT в диапазоне потенциалов от 0 до 0,7 В (рисунок 1B и рисунок 1D). На рисунках 1B и 1D показан более узкий диапазон потенциальных возможностей, чтобы правильно показать рост PEDOT. Значения плотности тока в правой части каждого графика рассчитывали путем деления текущих значений в левой части графика на геометрическую площадь поверхности немодифицированного микроэлектрода Au (78,5 × 10-8 см2, r = 5 × 10-4 см).

SEM-анализ проводили для подтверждения эффективности формирования слоя PEDOT методом электрополимеризации в двух растворах электролитов (рис. 2A-F). Изображения, сделанные SEM, были выбраны с различным увеличением (4000x, 30000x и 60000x). Геометрическая площадь поверхности голых микроэлектродов и микроэлектродов PEDOT-Au может быть установлена с помощью этих изображений. Рисунок 2А подтверждает диаметр ~10 мкм для голого микроэлектрода золота; следовательно, площадь поверхности рассчитывается как ~78,5 × 10-8 см2. Диаметр наноструктуры PEDOT, образовавшейся в органическом растворе после 4 циклов на поверхности микроэлектрода Au, составил ~40 мкм (рис. 2C,D). Напротив, рост PEDOT на поверхности электрода был ниже после 10 циклов электрополимеризации. Он виден как гористые полимерные особенности на окружности электрода с углублением в центре (рисунок 2E,F).

Изображения SEM свидетельствуют о превосходстве роста PEDOT в органическом растворе по сравнению с водной системой / ACN и создании очень пористой наноструктуры, выходящей из микроэлектрода в форме цветной капусты. Этот микроэлектрод PEDOT, приготовленный в органическом растворе, использовался для зондирования, в частности, для обнаружения UA в стандартных растворах и образцах молока. На рисунке 3 показан CV для обнаружения UA в стандартном растворе на голом микроэлектроде Au и датчике PEDOT. Производительность голого микроэлектрода Au для детектирования UA характеризуется стационарными токами, получаемыми при потенциалах выше 0,8 В за счет радиальной диффузии UA к поверхности электрода (рисунок 3A). Линейная калибровочная кривая была построена на основе средних токов при 0,8 В для диапазона концентраций UA от 62,5 до 1000 мкМ после трех повторяющихся CV-прогонов (рисунок 3B).

Сравнивая наклон уравнений калибровочной кривой, было обнаружено, что микроэлектрод PEDOT имеет в 100 раз более высокую чувствительность, чем голый микроэлектрод. Интересно, что обнаруженный диапазон UA с помощью датчика PEDOT, выполненного в органическом растворе, был ниже, от 6,25 до 200 мкМ, рассчитанный путем измерения текущего значения на кончике резкого анодного пика (рисунок 3C,D). Данные калибровочной кривой для электрода PEDOT использовались для измерения предела обнаружения (LOD) и предела количественной оценки (LOQ) UA для модифицированного электрода. Наклон уравнения калибровочной кривой (b) и оцененная стандартная погрешность перехвата (s) использовались для измерения значений LOD и LOQ (95% доверительный уровень) - 7 мкМ и 24 мкМ14 соответственно - с использованием уравнений (1) и (2).

LOD= 3s/b (1)

LOQ= 10с/б (2)

Чувствительность органически изготовленного PEDOT-модифицированного датчика является важным фактором. Это рассчитывается путем деления наклона калибровочной кривой на геометрическую площадь поверхности рабочего электрода, которая составляет 397 мкА мкМ-1 см-2.

Другим применением датчика PEDOT, синтезированного в органическом растворе, был анализ содержания UA в реальных образцах, например, обычном свежем молоке и отобранных образцах ароматизированного молока (рисунок 4). Преимущество этого метода заключается в том, что уровни UA в образцах молока могут быть измерены без какой-либо предварительной обработки или разбавления. Производительность этого микроэлектродного датчика PEDOT-Au сравнивали с PEDOT-модифицированным стекловидным углеродным макроэлектродом (PEDOT-GC), полученным тем же методом в органическом растворе15. Анодный пиковый ток для UA в обычном молоке при 0,35 В (по сравнению с Ag/AgCl) с использованием микроэлектрода PEDOT составил ~28,4 нА, что эквивалентно 82,7 мкМ с использованием уравнения калибровочной кривой на рисунке 3D (y = 0,3x + 2,6, R2 = 0,993). Это значение составило ~83,4 мкМ для UA в обычном молоке, определенном с использованием PEDOT-GC15. Второй большой пик окисления в CV-сканировании обычного молока при 0,65 В (рисунок 4A) связан с окисляемыми соединениями, включая электроактивные аминокислоты, такие как цистеин, триптофан и тирозин15,16. Текущая плотность этого пика из обычного молока более чем в 200 раз больше, чем полученная с использованием ранее сообщенного PEDOT-GC15. Это показывает более чувствительный отклик микроэлектрода, покрытого слоями PEDOT, по сравнению с PEDOT-модифицированным макроэлектродом.

Cv-сканы, полученные для образцов молока карамели и белого шоколада, можно увидеть на рисунке 4A. Он показывает четкий пик в 0,36 В для UA, а также дополнительный пиковый ток ~ 42 нА при 0,56 В, который сливается с пиком на 0,66 В. Этот дополнительный пик при 0,56 В может быть связан с присутствием ванильной кислоты, одного из ингредиентов ароматизированного молока. Cv образца бельгийского шоколадного молока указывает на новый набор анодных пиков при 0,26 В, 0,36 В и 0,66 В и катодный пик при 0,22 В. Шоколадный профиль напоминает катехиновый окислительно-восстановительный профиль вместе с другими полифенольными антиоксидантами, присутствующими в шоколаде или какао15. Таким образом, пики окисления и восстановления катехина появляются при 0,26 В и 0,22 В соответственно. Пиковый ток 0,36 В, который появляется как резкий пик в хвосте пика катехина, обусловлен окислением UA. На рисунке 4B показан cv образца колумбийского эспрессо-молока, который демонстрирует широкие анодные и катодные пиковые токи при 0,35 В и 0,23 В, соответственно, на PEDOT-Au, которые обусловлены основными фенольными антиоксидантами в кофе, а именно хлорогеновой и кофейной кислотами. Поскольку геометрическая площадь поверхности микроэлектрода PEDOT выше, чем у макроэлектрода PEDOT, текущие плотности пиков UA в этих образцах молока в 150-500 раз больше на PEDOT-Au15.

Figure 1
Рисунок 1: Электрополимеризация PEDOT на микроэлектроде золота. PEDOT получают путем (A, B) 10 CV-сканирований в водном растворе (0,01 M EDOT в 1 мл ACN + 9 мл деионизированной воды + 0,1 M LiClO4); и (C, D) с использованием 4 CV-сканов в растворе органического электролита (0,1 M EDOT в 1 мл 0,1 M LiClO4/PC). B и D являются расширенными версиями A и C для четкой визуализации токов PEDOT. Скорость сканирования = 100 мВ/с. Эта цифра была изменена с15. Сокращения: PEDOT = поли(3,4-этилендиокситиофен); CV = циклическая вольтамперометрия; ЭДОТ = 3,4-этилендиокситиофен; ACN = ацетонитрил; LiClO4 = перхлорат лития; Ag = серебро; AgCl = хлорид серебра. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Изображения SEM. (A и B) Микроэлектрод голого золота (Au). PEDOT-модифицированные микроэлектроды золота получают в (C и D) органическом растворе после 4 циклов электрополимеризации и (E и F) водном растворе после 10 циклов электрополимеризации при различных увеличениях. Эта цифра была изменена с15. Сокращения: SEM = сканирующая электронная микроскопия; PEDOT = поли(3,4-этилендиокситиофен). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Циклические вольтаммограммы для различных концентраций UA в фосфатном буфере, рН 6,6. (A) Микроэлектрод голого золота (фон вычитается) и (C) модифицированный PEDOT микроэлектрод золота (фон вычитается), измерения, проведенные сразу после введения электрода в раствор со скоростью сканирования 100 мВ/с. (B) График предельного тока при 0,8 В против концентрации UA на голом микроэлектроде золота. D) График анодного пикового тока (Iп.а/мкА) в сравнении с концентрацией UA на микроэлектроде золота, модифицированном PEDOT. (n=3). Эта цифра была изменена с15. Сокращения: UA = мочевая кислота; PEDOT = поли(3,4-этилендиокситиофен). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4: Циклические вольтаммограммы (фон вычитается). (A) Обычное молоко, бельгийское шоколадное молоко, карамельное и белое шоколадное молоко и (B) обычное молоко и колумбийское молоко эспрессо на микроэлектроде PEDOT-модифицированного золота (диаметр 10 мкм) со скоростью 100 мВ/с. Эта цифра была изменена с15. Аббревиатура: PEDOT = поли(3,4-этилендиокситиофен). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Метод CV позволяет быстро и просто измерять различные аналиты в пищевых продуктах, вине и напитках, растительных экстрактах и даже биологических образцах. Этот метод дает широкий спектр данных, включая пиковые потенциалы окисления/восстановления, пиковые значения тока целевого анализируемого вещества (пропорциональные концентрации) и все другие значения тока и потенциала после каждого пробега CV. Хотя использование CV относительно легко, собранные данные иногда необходимо преобразовать из двоичных файлов в формат текстовой запятой, в зависимости от используемой системы potentiostat. Например, в случае инструмента CH данные могут быть сохранены в форматах Text Comma или CSV непосредственно после каждого запуска. Это облегчает анализ данных в электронной таблице после преобразования текстов в столбцы. После того, как CV-сканы стандартных образцов молока или UA были получены в тех же потенциальных диапазонах, они были нанесены на один график для прямого сравнения. Чтобы представить данные для публикаций, графики также могут быть построены в Origin или SigmaPlot, а затем экспортированы в виде TIF или требуемых графических типов файлов.

Распространенными проблемами с этим методом могут быть артефакты в трассировке CV. Они могут возникнуть из-за ошибок электрического соединения, вероятно, из-за соединительных зажимов (то есть зажимов, которые прикрепляют провода к каждому электроду), которые проржавели, или из-за того, что золотые микроэлектроды не очищаются должным образом. Использование наждачной бумаги для удаления ржавчины с зажимов или их замена, а также повторная очистка микроэлектрода и повторный запуск циклов CV после вставки его в раствор H2SO4 могут решить проблему.

Очистка микроэлектрода является важным шагом в этом эксперименте, который в противном случае может привести к низкому току сигнала или шума. Очистка микроэлектрода также очень важна, так как пузырьки могут образовываться, когда микроэлектрод не очень чист. Когда места пиков окисления и восстановления золота и полученные пиковые высоты являются последовательными и правильными, электрод готов к проведению электрополимеризации. Когда соединения потенциостата или электрода неисправны, в сканировании CV будет шум, или выход будет выглядеть как раскидистые точки. Перед запуском важно дважды проверить, что все соединения электродов подключены правильно, что рядом с наконечником опорного электрода Ag/AgCl нет газового пузырька и что электроды не соприкасаются с электрохимической ячейкой. Замена зажимов и соединительных проводов или постукивание пальцем по кончику опорного электрода может быть полезным подходом к устранению неполадок.

Во время образования электрода PEDOT, в качестве выбранного проводящего полимера, органический электролит (LiClO4 в ПК) и водные растворы NaClO4 должны быть дегазированы перед запуском электрополимеризации. Крайне важно использовать химическое вещество EDOT, которое не просрочено, не окислилось или не было загрязнено другими химическими веществами аналитического класса. Свежие слои PEDOT, которые образуются каждый раз на поверхности электрода, отличаются с точки зрения роста тока. Если процедура поддерживается постоянной и электрод достаточно очищается, циклы электрополимеризации CV будут каждый раз увеличиваться на одно и то же значение тока, подтверждая точность и согласованность метода. Также стоит отметить, что количество мономера EDOT, используемого в органическом растворе, было в 10 раз выше, чем мономера EDOT в водном растворе / ACN. Хотя это может показаться несопоставимым, это было сочтено предпочтительным, поскольку наши предварительные эксперименты показали, что водный раствор EDOT 0,1 M не образует стабильный слой PEDOT из-за более низкой растворимости в водном растворе электролита. Напротив, слой PEDOT, сформированный с использованием 0,01 M EDOT в органическом растворе, не имел достаточного роста на поверхности электрода по сравнению с водным раствором EDOT 0,1 M. Следовательно, для этого исследования были отобраны те количества ЭДОТ, которые использовались для органической и водной электрополимеризации.

Одним из ограничений метода CV при использовании голых электродов является сложность разделения пиков при наличии интерферирующих агентов. Однако эта проблема была решена, когда PEDOT был использован для модификации поверхности электрода. Например, когда UA был целевым анализируемым веществом, подлежащим обнаружению в молоке, он был идентифицирован отдельно от его интерферирующего агента, аскорбиновой кислоты, из-за окислительно-восстановительной роли PEDOT, что привело к более раннему и хорошо разделенному пику аскорбиновой кислоты. В то же время, даже с электродом PEDOT при анализе ароматизированного молока может быть сложно правильно отделить пик UA от других ингредиентов, которые имеют близкие окислительные потенциалы к UA, что приводит к слиянию пиков.

В заключение, хотя устранение неисправностей может потребоваться периодически, использование нанослоев CV и PEDOT на поверхности электрода является преимуществом для обнаружения целевых аналитов, таких как UA, в стандартных растворах и сложных матричных решениях, таких как образцы молока, без каких-либо предварительных обработок. По сравнению с высокоэффективной техникой жидкостной хроматографии, этот метод CV является быстрым и не требует трудоемких этапов предварительной обработки для удаления жира или белков из образцов молока. Кроме того, PEDOT делает микроэлектрод очень селективным и чувствительным, давая резкий пик для анализа UA.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Благодаря финансированию, предоставленному Министерством бизнеса, инноваций и занятости Новой Зеландии (MBIE) в рамках программы «Высокопроизводительные датчики».

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetonitrile Baker Analyzed HPLC Ultra Gradient Solvent 75-05-8 HPLC grade
Alumina polishing pad BASi, USA MF-1040 tan/velvet color
Belgian chocolate milk Puhoi Valley dairy company, Auckland, NZ _ Buy from local supermarket
Caramel/white chocolate milk Puhoi Valley dairy company, Auckland, NZ _ Buy from local supermarket
CH instrument CH instruments, Inc. USA _ Model CHI660E
Counter electrode BASi, USA MW-1032 7.5 cm long platinum wire (0.5 mm diameter) auxiliary/counter electrode, 99.95% purity
Disodium hydrogen phosphate (Na2HPO4, 2H2O) Scharlau Chemie SA, Barcelona, Spain 10028-24-7 Weigh 17.8 g
DURAN bottle University of Auckland _ The glasswares were made locally at the University of Auckland
Electrochemical cell BASi, USA MF-1208  5-15 mL volume, glass
Electrode Polishing Alumina Suspension BASi, USA CF-1050 7 mL of 0.05 µm particle size alumina polish
Espresso milk Puhoi Valley dairy company, Auckland, NZ _ Buy from local supermarket
3,4-Ethylenedioxythiophene (EDOT), 97% Sigma-Aldrich 126213-50-1 Take 10.68 μL from bottle
FEI ESEM Quanta 200 FEG USA _ SEM equipped with a Schottky field emission gun (FEG) for optimal spatial resolution. The instrument can be used in high vacuum mode (HV), low-vacuum mode (LV) and the so called ESEM (Environmental SEM) mode. 
Gold microelectrode BASi, USA MF-2006 Working electrode (10 μm diameter)
Lithium perchlorate, ACS reagent, ≥95% Sigma-Aldrich 7791-03-9 Make 0.1 M solution
Micropipettes Eppendorf _ 10-100 μL and 100-1000 volumes
MilliQ water Thermo Scientific, USA _ 18.2 MΩ/cm at 25°C, Barnstead Nanopure Diamond Water Purification System
Propylene carbonate, Anhydrous, 99.7% Sigma-Aldrich 108-32-7 Take 20 mL from bottle
Reference electrode BASi, USA MF-2052 Silver/silver chloride (Ag/AgCl) electrode to be kept in 3 M sodium chloride
Replacement glass polishing plate BASi, USA MF-2128 Glass plate as a stand to attach the polishing pad on it
Sodium dihydrogen phosphate  (NaH2PO4, 1H2O) Sigma-Aldrich 10049-21-5 Weigh 13.8 g
Sodium hydroxide pearls, AR ECP-Analytical Reagent 1310-73-2 Make 0.1 M solution
Sodium perchlorate, ACS reagent, ≥98% Sigma-Aldrich 7601-89-0 Make 0.1 M solution
Sulfuric acid (98%) Merck 7664-93-9 Make 0.5 M solution
Uric acid Sigma-Aldrich 69-93-2 Make 1 mM solution
Whole milk Anchor dairy company, Auckland, NZ Blue cap milk, buy from local supermarket

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Guimard, N. K., Gomez, N., Schmidt, C. E. Conducting polymers in biomedical engineering. Progress in Polymer Science. 32 (8), 876-921 (2007).
  2. Cui, X., Martin, D. C. Electrochemical deposition and characterization of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) on neural microelectrode arrays. Sensors and Actuators B: Chemical. 89 (1), 92-102 (2003).
  3. Hong, S. Y., Marynick, D. S. Understanding the conformational stability and electronic structures of modified polymers based on polythiophene. Macromolecules. 25 (18), 4652-4657 (1992).
  4. Kundu, K., Giri, D. Evolution of the electronic structure of cyclic polythiophene upon bipolaron doping. Journal of Chemical Physics. 105 (24), 11075-11080 (1996).
  5. Thomas, C. A., Zong, K., Schottland, P., Reynolds, J. R. Poly(3,4-alkylenedioxypyrrole)s as highly stable aqueous-compatible conducting polymers with biomedical implications. Advanced Materials. 12 (3), 222-225 (2000).
  6. Yamato, H., Ohwa, M., Wernet, W. Stability of polypyrrole and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) for biosensor application. Journal of Electroanalytical Chemistry. 397 (1-2), 163-170 (1995).
  7. Latonen, R. -M., et al. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) based enzyme-electrode configuration for enhanced direct electron transfer type biocatalysis of oxygen reduction. Electrochimica Acta. 68, 25-31 (2012).
  8. Liu, K., Xue, R., Hu, Z., Zhang, J., Zhu, J. J. Electrochemical synthesis of acetonitrile-soluble poly(3,4-ethylenedioxythiophene) in ionic liquids and its characterizations. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 9 (4), 2364-2367 (2009).
  9. Cui, X., Martin, D. C. Fuzzy gold electrodes for lowering impedance and improving adhesion with electrodeposited conducting polymer films. Sensors and Actuators A: Physical. 103 (3), 384-394 (2003).
  10. Wilks, S. J., Richardson-Burn, S. M., Hendricks, J. L., Martin, D., Otto, K. J. Poly(3,4-ethylene dioxythiophene) (PEDOT) as a micro-neural interface material for electrostimulation. Frontiers in Neuroengineering. 2, 7 (2009).
  11. Pranti, A. S., Schander, A., Bödecker, A., Lang, W. Highly stable PEDOT:PSS coating on gold microelectrodes with improved charge injection capacity for chronic neural stimulation. Proceedings. 1 (4), 492 (2017).
  12. Štulík, K., Amatore, C., Holub, K., Marecek, V., Kutner, W. Microelectrodes: Definitions, characterization, and applications (Technical report). Pure and Applied Chemistry. 72 (8), 1483-1492 (2000).
  13. Štulík, K. Activation of solid electrodes. Electroanalysis. 4 (9), 829-834 (1992).
  14. Motshakeri, M., Travas-Sejdic, J., Phillips, A. R. J., Kilmartin, P. A. Rapid electroanalysis of uric acid and ascorbic acid using a poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-modified sensor with application to milk. Electrochimica Acta. 265, 184-193 (2018).
  15. Motshakeri, M., Phillips, A. R. J., Travas-Sejdic, J., Kilmartin, P. A. Electrochemical study of gold microelectrodes modified with PEDOT to quantify uric acid in milk samples. Electroanalysis. 32 (9), 2101-2111 (2020).
  16. Motshakeri, M., Phillips, A. R. J., Kilmartin, P. A. Application of cyclic voltammetry to analyse uric acid and reducing agents in commercial milks. Food Chemistry. 293, 23-31 (2019).

Tags

Химия выпуск 173 Поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT) циклическая вольтамперометрия перхлорат лития микроэлектрод золота пропиленкарбонат сканирующая электронная микроскопия ароматизированное молоко электроосаждение
Электрохимическое получение слоев поли(3,4-этилендиокситиофена) на микроэлектродах золота для применения в мочевыводящей кислоте
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Motshakeri, M., Phillips, A. R. J.,… More

Motshakeri, M., Phillips, A. R. J., Kilmartin, P. A. Electrochemical Preparation of Poly(3,4-Ethylenedioxythiophene) Layers on Gold Microelectrodes for Uric Acid-Sensing Applications. J. Vis. Exp. (173), e62707, doi:10.3791/62707 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter