Summary
We beschrijven waterige en organische oplosmiddelsystemen voor de elektropolymerisatie van poly(3,4-ethyleendioxythiofeen) om dunne lagen op het oppervlak van gouden micro-elektroden te creëren, die worden gebruikt voor het detecteren van analyten met een laag molecuulgewicht.
Abstract
Twee verschillende methoden voor de synthese van poly(3,4-ethyleendioxythiofeen) (PEDOT) op goudelektroden worden beschreven, met behulp van elektropolymerisatie van 3,4-ethyleendioxythiofeen (EDOT) monomeer in een waterige en een organische oplossing. Cyclische voltammetrie (CV) werd gebruikt bij de synthese van PEDOT dunne lagen. Lithiumperchloraat (LiClO4) werd gebruikt als dopant in zowel waterige (waterige /acetonitril (ACN)) als organische (propyleencarbonaat (PC)) oplosmiddelsystemen. Nadat de PEDOT-laag in het organische systeem was gemaakt, werd het elektrodeoppervlak geacclimatiseerd door opeenvolgende cycli in een waterige oplossing voor gebruik als sensor voor waterige monsters.
Het gebruik van een op water gebaseerde elektropolymerisatiemethode heeft het potentiële voordeel dat de acclimatisatiestap wordt verwijderd om een kortere sensorvoorbereidingstijd te hebben. Hoewel de waterige methode zuiniger en milieuvriendelijker is dan de organische oplosmiddelmethode, wordt superieure PEDOT-vorming verkregen in de organische oplossing. De resulterende PEDOT-elektrodeoppervlakken werden gekenmerkt door scanning elektronenmicroscopie (SEM), die de constante groei van PEDOT liet zien tijdens elektropolymerisatie van de organische PC-oplossing, met snelle fractal-achtige groei op goud (Au) micro-elektroden.
Introduction
Elektrisch geleidende polymeren zijn organische materialen die veel worden gebruikt in bio-elektronische apparaten om interfaces te verbeteren. Net als conventionele polymeren zijn geleidende polymeren gemakkelijk te synthetiseren en flexibel tijdens de verwerking1. Geleidende polymeren kunnen worden gesynthetiseerd met behulp van chemische en elektrochemische methoden; elektrochemische synthesebenaderingen zijn echter bijzonder gunstig. Dit komt voornamelijk door hun vermogen om dunne films te vormen, gelijktijdige doping mogelijk te maken, moleculen in het geleidende polymeer te vangen en vooral de eenvoud van het syntheseproces1. Bovendien vormen geleidende polymeren uniforme, vezelige en hobbelige nanostructuren, stevig hechtend aan het elektrodeoppervlak, waardoor het actieve oppervlak van de elektrode2 toeneemt.
In de jaren 1980 werden bepaalde polyheterocycli, zoals polypyrrol, polyaniline, polythiofeen en PEDOT, ontwikkeld die een goede geleidbaarheid, synthesegemak en stabiliteit vertoonden 3,4. Hoewel polypyrrool beter wordt begrepen dan andere polymeren (bijv. Polythiofeenderivaten), is het gevoelig voor onomkeerbare oxidatie5. PEDOT heeft dus bepaalde voordelen ten opzichte van de rest, omdat het een veel stabielere oxidatieve toestand heeft en 89% van zijn geleidbaarheid behoudt in vergelijking met polypyrrol onder vergelijkbare omstandigheden6. Bovendien staat PEDOT bekend om hoge elektrogeleiding (~ 500 S / cm) en een matige bandkloof (d.w.z. bandhiaten of energiekloven zijn gebieden zonder lading en verwijzen naar het energieverschil tussen de bovenkant van een valentieband en de onderkant van een geleidingsband)7.
Bovendien heeft PEDOT elektrochemische eigenschappen, heeft het lagere potentialen nodig om te worden geoxideerd en is het stabieler in de loop van de tijd dan polypyrrol nadat het is gesynthetiseerd7. Het heeft ook een goede optische transparantie, wat betekent dat de optische absorptiecoëfficiënt, vooral in de vorm van PEDOT-polystyreensulfonaat (PEDOT-PSS), zich in het zichtbare gebied van het elektromagnetische spectrum bevindt bij 400-700 nm7. Bij de vorming van PEDOT elektrochemisch oxideren EDOT-monomeren aan de werkende elektrode om radicale kationen te vormen, die reageren met andere radicale kationen of monomeren om PEDOT-ketens te creëren die zich op het elektrodeoppervlak afzetten1.
Verschillende controlerende factoren zijn betrokken bij de elektrochemische vorming van PEDOT-films, zoals elektrolyt, elektrolyttype, elektrolytopstelling, afzettingstijd, dopanttype en oplosmiddeltemperatuur1 PEDOT kan elektrochemisch worden gegenereerd door stroom door een geschikte elektrolytoplossing te leiden. Verschillende elektrolyten zoals waterige (bijv. PEDOT-PSS), organische (bijv. PC, acetonitril) en ionische vloeistoffen (bijv. 1-butyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroboraat (BMIMBF4)) kunnen worden gebruikt8.
Een van de voordelen van PEDOT-coatings is dat het de impedantie van een Au-elektrode in het 1 kHz-frequentiebereik met twee of drie ordes van grootte aanzienlijk kan verminderen, waardoor het nuttig is om de gevoeligheid van directe elektrochemische detectie van neurale activiteit te verhogen9. Bovendien neemt de laadopslagcapaciteit van de PEDOT-gemodificeerde elektroden toe en resulteert dit in snellere en lagere potentiële reacties wanneer stimulatielading wordt overgedragen via PEDOT10. Bovendien, wanneer polystyreensulfonaat (PSS) wordt gebruikt als een dopant voor PEDOT-vorming op Au micro-elektrode-arrays, creëert het een ruw, poreus oppervlak met een hoog actief oppervlak, lagere interface-impedantie en hogere ladingsinjectiecapaciteit11. Voor de elektropolymerisatiestap maakt EDOT-PSS meestal een dispersie in een waterige elektrolyt.
EDOT is echter oplosbaar in chloroform, aceton, ACN en andere organische oplosmiddelen zoals PC. Daarom werd in deze studie een mengsel van water gebruikt met een klein volume ACN in een verhouding van 10: 1 om een oplosbare EDOT-oplossing te maken voordat elektropolymerisatie begint. Het doel van het gebruik van deze waterige elektrolyt is om de acclimatisatiestap in de bereiding van PEDOT-gemodificeerde micro-elektrode weg te laten en de stappen te verkorten. De andere organische elektrolyt die wordt gebruikt om te vergelijken met de waterige/ACN-elektrolyt is PC. Beide elektrolyten bevatten LiClO4 als een dopant om te helpen bij het oxideren van het EDOT-monomeer en het vormen van het PEDOT-polymeer.
Micro-elektroden zijn voltammetrische werkelektroden met kleinere diameters dan macro-elektroden, ongeveer tientallen micrometers of minder in afmeting. Hun voordelen ten opzichte van macro-elektroden zijn onder meer een verbeterd massatransport van de oplossing naar het elektrodeoppervlak, het genereren van een steady-state signaal, een lagere ohmse potentiaalval, een lagere dubbellaagse capaciteit en een verhoogde signaal-ruisverhouding12. Net als bij alle vaste elektroden moeten micro-elektroden vóór de analyse worden geconditioneerd. De geschikte voorbehandelings- of activeringstechniek is mechanisch polijsten om een glad oppervlak te verkrijgen, gevolgd door een elektrochemische of chemische conditioneringsstap, zoals potentiaalcycli over een bepaald bereik in een geschikt elektrolyt13.
CV wordt zeer vaak gebruikt bij de elektrochemische polymerisatie van PEDOT door elektroden in te brengen in een monomeeroplossing met een geschikt oplosmiddel en dopant-elektrolyt. Deze elektrochemische techniek is nuttig bij het verstrekken van richtingsinformatie zoals de omkeerbaarheid van het uitvoeren van polymeerdopingprocessen en het aantal overgedragen elektronen, diffusiecoëfficiënten van analyten en de vorming van reactieproducten. Dit artikel beschrijft hoe twee verschillende elektrolyten die worden gebruikt voor de elektropolymerisatie van PEDOT dunne nanostructuurfilms kunnen genereren met een potentiële detectietoepassing die afhankelijk is van de morfologie en andere intrinsieke eigenschappen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Analytische oplossingen voorbereiden
- Bereiding van 0,1 M EDOT in een organische oplossing
- Weeg 0,213 g LiClO4 af en breng dit over in een maatkolf van 20 ml.
- Gebruik een maatcilinder om 20 ml pc uit de fles te halen.
- Voeg PC toe aan de maatkolf van 20 ml die LiClO4 bevat. Meng de oplossing door de kolf gedurende 30 minuten in een ultrasoon bad te plaatsen. Breng de oplossing over in een glazen injectieflacon van 20 ml.
- Bedek de injectieflacon met aluminiumfolie en steek een lange naald bevestigd aan een stikstofpijp in de oplossing om gedurende 10 minuten te ontgassen. Verwijder vervolgens de aluminiumfolie en sluit de injectieflacon goed af.
OPMERKING: Bereid LiClO4 vers op de dag van het experiment. - Breng vóór de elektrochemische test 1 ml van de bereide LiClO4-oplossing (0,1 M) over in een elektrochemische cel (zie de tabel met materialen).
- Gebruik een micropipette (10-100 μL) om 10,68 μL EDOT-monomeer (dichtheid: 1,331 g/ml) toe te voegen aan de elektrochemische cel die de bereide LiClO4-oplossing bevat.
- Voer de CV-methode uit (zie paragraaf 3.4 voor CV-parameters) om de elektropolymerisatie van EDOT op het kale Au-micro-elektrodeoppervlak te starten na het inbrengen van alle elektrode-opstellingen in de oplossing. Gebruik deze gemodificeerde elektrode om het oppervlak te karakteriseren door scanning elektronenmicroscopie (SEM).
- Om deze gemodificeerde elektrode voor detectiedoeleinden te gebruiken, moet u eerst het oppervlak acclimatiseren aan een waterige oplossing door CV-scans uit te voeren in de natriumperchloraatoplossing (NaClO4) (zie rubriek 3.4 voor CV-parameters).
- Gebruik deze organisch PEDOT-gemodificeerde en geacclimatiseerde micro-elektrode (vanaf 1.1.8) om CV (zie rubriek 3.4 voor de CV-parameters) van een fosfaatbufferoplossing uit te voeren die als achtergrondscan kan worden gebruikt.
OPMERKING: Spoel de elektrode na elke stap af. - Haal ten slotte de elektrode zonder te spoelen uit de bufferoplossing en breng deze onmiddellijk in urinezuuroplossingen of melkmonsters voor het uitvoeren van CV-scans (zie rubriek 3.4 voor CV-parameters).
- 0,01 M EDOT bereiden in een waterige oplossing
- Gebruik een micropipette om 10,68 μL EDOT in te nemen en voeg toe aan 1 ml ACN in een glazen injectieflacon.
- Voeg 9 ml gedeïoniseerd water (18,2 MΩ/cm bij 25 °C) toe aan de injectieflacon om 10 ml 0,01 M EDOT-oplossing te bereiden.
- Voeg 0,11 g LiClO4-poeder toe aan de bereide EDOT-oplossing om 0,1 M LiClO4-oplossing te verkrijgen en meng voorzichtig.
OPMERKING: Bereid de elektrolytoplossingen vers voor op de dag van het experiment. - Breng de bereide oplossing over naar de elektrochemische cel en start de elektropolymerisatie van 0,01 M EDOT op het elektrodeoppervlak volgens de CV-methode (zie rubriek 3.4 voor CV-parameters) na het inbrengen van de elektrode in de waterige/ACN-oplossing.
- Karakteriseer het oppervlak van deze gemodificeerde elektrode door SEM.
- Bereiding van 0,1 M natriumperchloraatoplossing
- Weeg 0,245 g NaClO4 af en breng deze over in een glazen injectieflacon met 20 ml gedeïoniseerd water (18,2 MΩ/cm bij 25 °C).
- Gebruik deze oplossing om het oppervlak van de organisch gemaakte PEDOT-gemodificeerde Au micro-elektrode te acclimatiseren tot een waterige oplossing en om overtollige EDOT te verwijderen. Spoel hiervoor de elektrode en plaats deze in de NaClO4-oplossing ; voer vervolgens CV uit gedurende 10 cycli (zie rubriek 3.4 voor CV-parameters).
- Bufferoplossing voorbereiden
- Weeg 13,8 g natriumdiwaterstoffosfaat (NaH2PO4. 1H2O) af in een weegboot. Breng het over in een maatkolf van 500 ml (d.w.z. het vereiste eindvolume) en vul het aan de lijn met gedeïoniseerd water (18,2 MΩ/cm bij 25 °C).
- Plaats de kolf in een ultrasoon bad totdat het poeder volledig is opgelost in het water, wat resulteert in een oplossing van 0,2 M.
- Weeg in een nieuwe weegboot 17,8 g dinatriumwaterstoffosfaat (Na2HPO4. 2H2O) af en breng dit over in een andere volumetrische kolf van 500 ml. Vul het aan met gedeïoniseerd water om een oplossing van 0,2 M te verkrijgen. Plaats de kolf in een ultrasoon bad om goed op te lossen.
- Meng 62,5 ml natriumdiwaterstoffosfaatoplossing met 37,5 ml dinatriumwaterstoffosfaatoplossing in een maatcilinder en breng het mengsel over in een glazen fles van 250 ml (zie de tabel met materialen). Vul het aan met nog eens 100 ml gedeïoniseerd water om 200 ml 0,1 m fosfaatbufferoplossing, pH 6,6, te verkrijgen. Koel de fosfaatbuffer voor langdurig gebruik.
OPMERKING: Breng de buffer vóór elk experiment op kamertemperatuur.
- Doelanalyseoplossingen voorbereiden
- Weeg 0,0084 g urinezuur (UA) af in een weegboot en los dit op in 50 ml fosfaatbuffer (pH 6,6) in een maatkolf om een 1 mM UA-oplossing te verkrijgen.
- Ontgas de oplossing door stikstofzuivering gedurende 10 minuten.
OPMERKING: Het is raadzaam om de UA-oplossing vers te bereiden op de dag van het experiment.
- Melkmonsters voorbereiden voor analyse
- Verkrijg een volle melkmonster en enkele melkmonsters met verschillende smaken (bijv. Espressomelk, Karamel / witte chocolademelk en Belgische chocolademelk) van een lokale supermarkt voor elektroanalyse. De melkmonsters niet voorbehandelen of verdunnen.
- Gebruik een micropipette van 5 ml om 5 ml van elk melkmonster uit de vers geopende flessen te nemen.
- Voer eerst CV van fosfaatbuffer, pH 6,6, uit als achtergrondsignaal. Voeg vervolgens het melkmonster van 5 ml toe aan de elektrochemische cel en plaats vers en biologisch gemaakt, PEDOT-gemodificeerd Au micro-elektrode en andere elektroden in de melkmonsters en voer CV uit. Zie paragraaf 4 van het protocol voor het analyseren van de verzamelde gegevens.
- Voorbereiden van elektrodevoorbehandelingsoplossingen
- Weeg 0,2 g natriumhydroxidepoeder (NaOH) af en breng dit over in een maatkolf van 50 ml om een oplossing van 0,1 M te bereiden.
- Gebruik de 0,1 M NaOH-oplossing om het residu van PEDOT dat na elke run op het micro-elektrodeoppervlak is gevormd, te verwijderen.
- Gebruik een glazen pipet om 27,2 ml op te zuigen uit een fles met 98% zwavelzuur (H2SO4). Voeg het heel langzaam toe aan een maatkolf van 1 L die half gevuld is met gedeïoniseerd water.
- Vul de kolf aan de lijn aan met gedeïoniseerd water om 1 L van een 0,5 M H2SO4-oplossing te bereiden.
OPMERKING: Bereid H2SO4-oplossing voor de veiligheid onder een zuurkast. Gebruik de H2SO4-oplossing in de laatste elektrochemische reinigingsstap van de micro-elektrode.
2. Voorbehandeling van de gouden micro-elektrode
- Polijst de Au microelectrode (10 μm diameter, 3,5 mm breedte x 7 cm lang) op een aluminiumoxide polijstkussen geplaatst op een glazen polijstplaat (afmetingen: 3" x 3" vierkanten) met behulp van een aluminiumoxide slurry gedurende 30 s met cirkelvormige en achtvormige handbewegingen tijdens het polijsten.
- Spoel de Au micro-elektrode af met gedeïoniseerd water, plaats het in een glazen injectieflacon met 15 ml absolute ethanol (LR-kwaliteit) en ultrasoon gedurende 2 minuten.
- Spoel de Au micro-elektrode af met ethanol en water en ultrasoon opnieuw gedurende 4 minuten in gedeïoniseerd water om overtollig aluminiumoxide van het elektrodeoppervlak te verwijderen.
- Verwijder ten slotte extra onzuiverheden door te fietsen in 0,5 M H2SO4 voor 20 segmenten tussen 0,4 en 1,6 V potentialen (vs. Ag/ AgCl) met een scansnelheid van 50 mV / s. Zorg ervoor dat er twee duidelijke pieken zijn als gevolg van de vorming en vermindering van goudoxide bij consistente anodische en kathodische potentialen telkens wanneer de elektrode wordt gereinigd in H2SO4.
3. Cyclische voltammetrie techniek
- Gebruik een geschikte potentiostaat om CV uit te voeren als de elektrochemische techniek van belang.
- Schakel de potentiostaat en de aangesloten computer in. Zorg ervoor dat het systeem is aangesloten.
- Om de communicatie tussen de computer en het instrument te testen, start u de software en schakelt u het instrument in. Gebruik de opdracht Hardwaretest in het menu Setup . Als er een fout link mislukt wordt weergegeven, controleert u de verbindings- en poortinstellingen.
- Open de potentiostat-software op de computer en kies techniek in het menu Setup. Kies in het openingsvenster de cyclische voltammetrie (CV). Ga nogmaals terug naar het menu Setup en klik op Parameters om de experimentele parameters voor de CV-run in te voeren.
- Gebruik de volgende CV-parameters om PEDOT-elektropolymerisatie uit te voeren in een organisch elektrolyt op de kale Au-micro-elektrolytrode: initiële potentiaal: -0,3 V, eindpotentiaal: -0,3 V, hoge potentiaal: 1,2 V, aantal segmenten: 8, scansnelheden: 100 mV/s, richting: positief.
- Gebruik de volgende CV-parameters om PEDOT-elektropolymerisatie uit te voeren in een waterige/ACN-elektrolyt op de kale Au-micro-elektrolyt: initiële potentiaal: -0,3 V, eindpotentiaal: -0,3 V, hoge potentiaal: 1,2 V, aantal segmenten: 20, scansnelheden: 100 mV/s, richting: positief.
- Gebruik de volgende CV-parameters om de acclimatisatiestap van de organisch gemaakte PEDOT-gemodificeerde Au-micro-elektrode uit te voeren: initiële potentiaal: -0,2 V, eindpotentiaal: -0,2 V, hoog potentiaal: 0,8 V, aantal segmenten: 20, scansnelheden: 100 mV/s, richting: positief.
- Gebruik de volgende CV-parameters voor UA-standaardoplossingen en fosfaatbuffer (pH 6,6) met de kale Au-micro-elektrode: initiële potentiaal: 0 V, eindpotentiaal: 0 V, hoog potentiaal: 1 V, aantal segmenten: 2, scansnelheden: 100 mV/s en richting: positief.
- Gebruik de volgende CV-parameters voor UA-standaardoplossingen en fosfaatbuffer (pH 6,6) op de organisch gemaakte, PEDOT-gemodificeerde Au-micro-elektrode: initiële potentiaal: 0 V, eindpotentiaal: 0 V, hoog potentieel: 0,6 V, aantal segmenten: 2, scansnelheden: 100 mV/s en richting: positief.
- Gebruik de volgende CV-parameters voor de melkmonsters en fosfaatbuffer (pH 6,6) op de biologisch gemaakte, PEDOT-gemodificeerde Au micro-elektrode: initiële potentiaal: 0 V, eindpotentiaal: 0 V, hoog potentiaal: 0,8 V, aantal segmenten: 2, scansnelheden: 100 mV/s, richting: positief.
- Bereid drie elektrodeopstellingen voor in een glas elektrochemische cel, waaronder een werkelektrode (Au-microelectrode (diameter 10 μm)), een referentie-elektrode (bijv. zilver/zilverchloride (Ag/AgCl) in 3 M natriumchloride (NaCl) en een platinadraadtellerelektrode.
- Breng deze schone en gedroogde elektroden door de gaten van een elektrodehouder die aan een standaard is bevestigd. Plaats vervolgens de houder boven de elektrochemische cel om de elektroden in de doeloplossing of het doelmonster in te brengen.
- Zorg ervoor dat er geen belletjes op de elektrodeoppervlakken zitten.
- Als er bubbels zijn, verwijder dan de elektroden, spoel opnieuw met gedeïoniseerd water en dep droog met een tissue. Plaats de elektroden terug in de standaardhouder en in de oplossing.
- Als er bubbels rond de referentie-elektrode zitten, tikt u zachtjes op de punt.
- Als er bellen rond de toonbankelektrode zitten nadat deze is gaan lopen, reinigt u de toonbankelektrode. Als de CV-scan luidruchtig wordt, reinigt u het elektrodeoppervlak en controleert u de systeemaansluitingen, draden en clips.
- Zorg ervoor dat alle drie de draadverbindingen voor referentie-, werk- en tellerelektroden correct zijn aangesloten en start het experiment door onderaan op Uitvoeren te klikken.
- Voer alle experimenten uit op kamertemperatuur. Voor melkmonsters, laat de temperatuur van de melkmonsters de omgevingstemperatuur bereiken voordat u CV uitvoert.
4. Gegevensverzameling en -analyse
- Sla na het uitvoeren van CV de gegevens in het gewenste formaat (CSV of Bin) op in een map en gebruik vervolgens een USB-geheugenstick om deze te verzamelen. Analyseer de gegevens met behulp van de juiste software. Converteer CSV-bestanden naar spreadsheets voor eenvoudigere analyse.
OPMERKING: Als gegevens worden opgeslagen in de indeling van een binair bestand, converteert u deze naar de indeling Tekstkomma voordat gegevens worden verzameld op een USB-geheugenstick. - Om het CV van melkmonsters te analyseren, trekt u het CV van melk af van het achtergrond-CV (d.w.z. CV van fosfaatbuffer (pH 6,6) genomen voordat elk melkmonster wordt uitgevoerd) om curven te produceren als gevolg van oxidatie van het melkprofiel.
5. Technieken om PEDOT te karakteriseren
- Gebruik een specifiek type high-performance SEM om de PEDOT-lagen in verschillende elektrolyten te karakteriseren.
OPMERKING: Hier werd FEI Quanta 200 ESEM FEG gebruikt; het is uitgerust met een Schottky field emission gun (FEG) voor een betere ruimtelijke resolutie. Dit instrument biedt verschillende werkmodi zoals hoogvacuüm, laag vacuüm en omgeving SEM-modi en is uitgerust met een SiLi (Lithium drifted) Super Ultra-Thin Window EDS-detector. - Controleer de oppervlaktemorfologie van zowel kale als PEDOT-gemodificeerde Au (PEDOT-Au) micro-elektrolytroden door SEM na PEDOT-elektropolymerisatie in organische en waterige oplossingen. Voer de PEDOT-elektropolymerisatie uit op kale Au-micro-elektroden in waterige/ACN- en organische oplossingen onmiddellijk voordat u ze door SEM controleert.
- Plaats de vers bereide elektroden (een kale Au-micro-elektrode en twee van de PEDOT-Au micro-elektroden) horizontaal op het SEM-podium, met hun kop boven het podium onder een bepaalde hoek.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Cyclische voltammetrie is een eenvoudige techniek om een dunne PEDOT-laag op een Au micro-elektrodeoppervlak te vormen om de elektrodegeleiding en gevoeligheid te verhogen tijdens elektrochemische detectie van doelanalyten. Dit protocol demonstreert de methode van elektropolymerisatie van 0,1 M EDOT uit een organische oplossing in vergelijking met 0,01 M EDOT uit een waterige elektrolytoplossing. Het uitvoeren van 10 cycli in een waterige/ACN-oplossing resulteert in een gematigde groei van PEDOT die vergelijkbaar is met die waargenomen met de 4 cycli in LiClO4/PC-oplossing. Figuur 1 toont een duidelijk verschil tussen EDOT-elektropolymeriseerd in waterige/ACN en organische oplossingen, waarbij de daaropvolgende PEDOT-lagen worden gevormd door het aanbrengen van CV. Het is duidelijk dat bij het fietsen van -0,3 tot +1,2 V (vs. Ag/AgCl in 3 M NaCl) bij een scansnelheid van 100 mV/s, het polymeer begon te oxideren bij 0,9 V in beide elektrolytoplossingen (figuur 1A en figuur 1C), met een oxidatiepiek bij 1 V in de waterige/ACN-oplossing.
Bij nadere inspectie vertonen de PEDOT-lagen die na 4 cycli in de organische oplossing zijn gemaakt, hogere stroomwaarden (~ 2,9 μA) bij 1,2 V in vergelijking met de huidige waarde (0,23 μA) die wordt waargenomen voor PEDOT-lagen die bij deze potentiaal in de waterige / ACN-oplossing zijn gevormd. Wanneer het aantal elektropolymerisatiecycli tijdens CV-runs toeneemt, worden de nieuwe lagen PEDOT geleidelijk op het elektrodeoppervlak gemaakt om de dikte van de lagen te vergroten. Dit kan te wijten zijn aan de redoxreacties die optreden in de interne PEDOT tussen het potentiaalbereik van 0 tot 0,7 V (figuur 1B en figuur 1D). Figuur 1B en figuur 1D tonen een smaller potentiaalbereik om de PEDOT-groei correct weer te geven. De huidige dichtheidswaarden aan de rechterkant van elke grafiek werden berekend door de stroomwaarden aan de linkerkant van de grafiek te delen door het geometrische oppervlak van de ongewijzigde Au-micro-elektrode (78,5 × 10-8 cm2, r = 5 × 10-4 cm).
SEM-analyse werd uitgevoerd om de efficiëntie van PEDOT-laagvorming door elektropolymerisatie in de twee elektrolytoplossingen te bevestigen (figuur 2A-F). De foto's gemaakt door SEM zijn gekozen met verschillende vergrotingen (4000x, 30000x en 60000x). Het geometrische oppervlak van kale en PEDOT-Au micro-elektroden kan met behulp van deze afbeeldingen worden vastgesteld. Figuur 2A bevestigt een diameter van ~10 μm voor de kale gouden micro-elektrode; daarom wordt het oppervlak berekend op ~ 78,5 × 10-8 cm2. De diameter van de PEDOT-nanostructuur gevormd in de organische oplossing na 4 cycli aan het oppervlak van de Au-micro-elektrode was ~ 40 μm (figuur 2C,D). Daarentegen was de PEDOT-groei op het elektrodeoppervlak lager na 10 cycli van elektropolymerisatie. Het wordt gezien als bergachtige polymere kenmerken op de elektrodeomtrek met een depressie in het midden (figuur 2E,F).
De SEM-beelden leveren bewijs voor de superioriteit van de PEDOT-groei in de organische oplossing in vergelijking met het waterige /ACN-systeem en de creatie van een zeer poreuze nanostructuur die zich uitstrekt van de micro-elektrode in een bloemkoolachtige vorm. Deze PEDOT-micro-elektrode bereid in een organische oplossing werd gebruikt voor detectietoepassingen, met name voor UA-detectie in standaardoplossingen en melkmonsters. Figuur 3 toont het CV voor de detectie van UA in een standaardoplossing bij een kale Au micro-elektrode en de PEDOT-sensor. De prestaties van de kale Au-micro-elektrode voor UA-detectie worden gekenmerkt door steady-state stromen verkregen bij potentialen hoger dan 0,8 V als gevolg van radiale diffusie van UA naar het elektrodeoppervlak (figuur 3A). Een lineaire kalibratiecurve werd uitgezet op basis van de gemiddelde stromen bij 0,8 V voor het UA-concentratiebereik van 62,5 tot 1000 μM na drie replicatie-CV-runs (figuur 3B).
Door de helling van de kalibratiecurvevergelijkingen te vergelijken, bleek de PEDOT-micro-elektrode 100 keer hogere gevoeligheid te hebben dan de kale micro-elektrode. Interessant is dat het gedetecteerde UA-bereik met behulp van de PEDOT-sensor gemaakt in een organische oplossing lager was, van 6,25 tot 200 μM, berekend door de stroomwaarde te meten aan de punt van de scherpe anodische piek (figuur 3C, D). De kalibratiecurvegegevens voor de PEDOT-elektrode werden gebruikt om de detectiegrens (LOD) en de kwantificeringsgrens (LOQ) van de UA voor de gemodificeerde elektrode te meten. De helling van de kalibratiecurvevergelijking (b) en de geëvalueerde standaardfout van de intercept(s) werden gebruikt om de LOD- en LOQ-waarden (95% betrouwbaarheidsniveau) - respectievelijk 7 μM en 24 μM14 - te meten met behulp van vergelijkingen (1) en (2).
LOD= 3s/b (1)
LOQ= 10s/b (2)
De gevoeligheid van de organisch gemaakte PEDOT-gemodificeerde sensor is een belangrijke factor. Dit wordt berekend door de helling van de kalibratiecurve te delen door het geometrische oppervlak van de werkelektrode, dat 397 μA μM-1 cm-2 is.
Een andere toepassing van de PEDOT-sensor gesynthetiseerd in de organische oplossing was het analyseren van UA-inhoud in echte monsters, bijvoorbeeld gewone verse melk en geselecteerde gearomatiseerde melkmonsters (figuur 4). Het voordeel van deze techniek is dat UA-niveaus in melkmonsters kunnen worden gemeten zonder enige voorbehandeling of verdunning. De prestaties van deze PEDOT-Au micro-elektrodesensor werden vergeleken met de PEDOT-gemodificeerde glasachtige koolstof macro-elektrode (PEDOT-GC) bereid met dezelfde methode in de organische oplossing15. De anodische piekstroom voor UA in gewone melk bij 0,35 V (vs. Ag/AgCl) met behulp van de PEDOT-micro-elektrode was ~28,4 nA, wat overeenkomt met 82,7 μM met behulp van de vergelijking van de kalibratiecurve in figuur 3D (y = 0,3x + 2,6, R2 = 0,993). Deze waarde was ~83,4 μM voor UA in de reguliere melk bepaald met behulp van de PEDOT-GC15. De tweede grote oxidatiepiek in de CV-scan van gewone melk bij 0,65 V (figuur 4A) is gerelateerd aan oxideerbare verbindingen, waaronder elektroactieve aminozuren zoals cysteïne, tryptofaan en tyrosine15,16. De huidige dichtheid van deze piek van de reguliere melk is meer dan 200 keer groter dan die verkregen met behulp van een eerder gerapporteerde PEDOT-GC15. Dit toont een gevoeligere respons van de micro-elektrode bedekt door PEDOT-lagen in vergelijking met de PEDOT-gemodificeerde macro-elektrode.
De cv-scans verkregen voor karamel- en witte chocolademelkmonsters zijn te zien in figuur 4A. Het toont een duidelijke piek op 0,36 V voor UA, samen met een extra piekstroom van ~ 42 nA bij 0,56 V die is samengevoegd met de piek op 0,66 V. Deze extra piek bij 0,56 V kan worden gerelateerd aan de aanwezigheid van vanillic acid, een van de ingrediënten van gearomatiseerde melk. De CV van het Belgische chocolademelkmonster geeft een nieuwe reeks anodische pieken aan bij 0,26 V, 0,36 V en 0,66 V en een kathodische piek bij 0,22 V. Het chocoladeprofiel lijkt op het catechine redoxprofiel samen met de andere polyfenolische antioxidanten die aanwezig zijn in chocolade of cacao15. Zo verschijnen de catechine-oxidatie- en reductiepieken bij respectievelijk 0,26 V en 0,22 V. De piekstroom van 0,36 V, die verschijnt als een scherpe piek aan de staart van de catechinepiek, is te wijten aan UA-oxidatie. Figuur 4B toont een CV van Colombiaans espressomelkmonster, dat brede anodische en kathodische piekstromen vertoont bij respectievelijk 0,35 V en 0,23 V bij de PEDOT-Au, die te wijten zijn aan de belangrijkste fenolische antioxidanten in koffie, namelijk chlorogeen en cafeïnezuur. Omdat het geometrische oppervlak van de PEDOT-micro-elektrode hoger is dan dat van de PEDOT-macro-elektrode, zijn de huidige dichtheden van de UA-pieken in deze melkmonsters ~ 150 tot 500 keer groter bij de PEDOT-Au15.
Figuur 1: Elektropolymerisatie van PEDOT op een gouden micro-elektrode. PEDOT bereid door (A, B) 10 CV scans in een waterige oplossing (0,01 M EDOT in 1 ml ACN + 9 ml gedeïoniseerd water + 0,1 M LiClO4); en (C, D) met behulp van 4 CV-scans in een organische elektrolytoplossing (0,1 M EDOT in 1 ml van 0,1 M LiClO4/PC). B en D zijn uitgebreide versies van A en C om de PEDOT-stromen duidelijk te visualiseren. Scansnelheid = 100 mV/s. Dit cijfer is gewijzigd van15. Afkortingen: PEDOT = poly(3,4-ethyleendioxythiofeen); CV = cyclische voltammetrie; EDOT = 3,4-ethyleendioxythiofeen; ACN = acetonitril; LiClO4 = lithiumperchloraat; Ag = zilver; AgCl = zilverchloride. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: SEM-beelden. (A en B) Bare gold micro-elektrode (Au). PEDOT-gemodificeerde gouden micro-elektroden bereid in (C en D) organische oplossing na 4 cycli van elektropolymerisatie en (E en F) waterige oplossing na 10 cycli van elektropolymerisatie bij verschillende vergrotingen. Dit cijfer is gewijzigd van15. Afkortingen: SEM = scanning electron microscopy; PEDOT = poly(3,4-ethyleendioxythiofeen). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Cyclische voltammogrammen voor verschillende concentraties UA in fosfaatbuffer, pH 6,6. (A) Bare gold microelectrode (achtergrond afgetrokken) en (C) PEDOT-gemodificeerde goudmicro-elektrode (achtergrond afgetrokken), metingen onmiddellijk na het inbrengen van de elektrode in de oplossing met een scansnelheid van 100 mV/s. (B) Plot van beperkende stroom bij 0,8 V versus UA-concentratie op de kale goudmicro-elektrode. (D) Plot van anodische piekstroom (Ip.a/μA) versus UA-concentratie op de PEDOT-gemodificeerde goudmicro-elektrode. (n=3). Dit cijfer is gewijzigd van15. Afkortingen: UA = urinezuur; PEDOT = poly(3,4-ethyleendioxythiofeen). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Cyclische voltammogrammen (achtergrond afgetrokken). (A) Gewone melk, Belgische chocolademelk, karamel en witte chocolademelk, en (B) gewone melk en Colombiaanse espressomelk op een PEDOT-gemodificeerde gouden micro-elektrode (10 μm diameter) bij 100 mV/s. Dit cijfer is gewijzigd van15. Afkorting: PEDOT = poly(3,4-ethyleendioxythiofeen). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De CV-methode maakt een snelle en eenvoudige meting van verschillende analyten in voedingsmiddelen, wijn en dranken, plantenextracten en zelfs biologische monsters mogelijk. Deze techniek produceert een breed scala aan gegevens, waaronder oxidatie/reductiepiekpotentialen, piekstroomwaarden van de doelanalyt (evenredig met de concentratie) en alle andere stroom- en potentiaalwaarden na elke CV-run. Hoewel het gebruik van CV relatief eenvoudig is, moeten de verzamelde gegevens soms worden geconverteerd van binaire bestanden naar tekstkomma-indeling, afhankelijk van het gebruikte potentiostat-systeem. In het geval van het CH-instrument kunnen de gegevens bijvoorbeeld direct na elke run worden opgeslagen in tekstkomma- of CSV-indelingen. Dit maakt de data-analyse eenvoudiger in een spreadsheet na het converteren van teksten naar kolommen. Nadat de CV-scans van de melk- of UA-standaardmonsters werden verkregen op dezelfde potentiële bereiken, werden ze uitgezet op een enkele grafiek voor directe vergelijking. Om de gegevens voor publicaties te presenteren, kunnen grafieken ook worden uitgezet in Origin of SigmaPlot en vervolgens worden geëxporteerd als TIF of de vereiste grafische bestandstypen.
Veelvoorkomende problemen met deze methode kunnen artefacten in het CV-spoor zijn. Deze kunnen het gevolg zijn van elektrische verbindingsfouten, waarschijnlijk als gevolg van de verbindingsclips (d.w.z. clips die draden aan elke elektrode bevestigen) die verroest zijn geraakt of als gevolg van gouden micro-elektroden die niet goed worden gereinigd. Het gebruik van schuurpapier om roest van de clips te verwijderen of te vervangen, en het opnieuw reinigen van de micro-elektrode en het opnieuw uitvoeren van CV-cycli na het plaatsen ervan in de H2SO4-oplossing kan het probleem oplossen.
Het reinigen van de micro-elektrode is een belangrijke stap in dit experiment, wat anders kan resulteren in een signaal of ruis met een lage stroomsterkte. Het reinigen van de micro-elektrode is ook erg belangrijk omdat er bubbels kunnen ontstaan wanneer de micro-elektrode niet erg schoon is. Wanneer de locaties van de goudoxidatie- en reductiepieken en de verkregen piekhoogten consistent en correct zijn, is de elektrode klaar om de elektropolymerisatie uit te voeren. Wanneer de potentiostaat- of elektrodeverbindingen defect zijn, zal er ruis in de CV-scan zijn of zal de uitvoer eruitzien als spreidpunten. Voor een run is het belangrijk om te controleren of alle elektrodeverbindingen correct zijn aangesloten, of er geen gasbel is in de buurt van de punt van de Ag / AgCl-referentie-elektrode en dat de elektroden de elektrochemische cel niet raken. Het vervangen van de clips en aansluitdraden of het tikken op de referentie-elektrodetop met een vinger kan een nuttige aanpak zijn om problemen op te lossen.
Tijdens de vorming van een PEDOT-elektrode, als het gekozen geleidende polymeer, moeten de organische elektrolyt (LiClO4 in PC) en de waterige NaClO4-oplossingen worden ontgast voordat de elektropolymerisatie wordt uitgevoerd. Het is absoluut noodzakelijk om een EDOT-chemische stof te gebruiken die niet is verlopen of geoxideerd of verontreinigd door andere chemicaliën van analytische kwaliteit. De verse PEDOT-lagen die elke keer op het elektrodeoppervlak worden gevormd, zijn anders in termen van huidige groei. Als de procedure constant wordt gehouden en de elektrode voldoende wordt gereinigd, zouden de CV-cycli van elektropolymerisatie elke keer met dezelfde stroomwaarde groeien, wat de nauwkeurigheid en consistentie van de methode bevestigt. Het is ook vermeldenswaard dat de hoeveelheid EDOT-monomeer die in de organische oplossing werd gebruikt 10 keer hoger was dan het EDOT-monomeer in de waterige / ACN-oplossing. Hoewel dit misschien niet vergelijkbaar lijkt, werd het als de voorkeur beschouwd omdat onze voorlopige experimenten aantoonden dat een waterige 0,1 M EDOT-oplossing geen stabiele PEDOT-laag vormde vanwege de lagere oplosbaarheid in een waterige elektrolytoplossing. Daarentegen had de PEDOT-laag gevormd met behulp van 0,01 M EDOT in een organische oplossing onvoldoende groei op het elektrodeoppervlak in vergelijking met de waterige 0,1 M EDOT-oplossing. Vandaar dat die EDOT-hoeveelheden die worden gebruikt voor organische en waterige elektropolymerisatie voor deze studie werden geselecteerd.
Een van de beperkingen van de CV-methode bij het gebruik van kale elektroden is de moeilijkheid om pieken te scheiden wanneer er storende middelen bestaan. Dit probleem werd echter opgelost toen PEDOT werd gebruikt om het elektrodeoppervlak te wijzigen. Toen UA bijvoorbeeld de doelanalyt was die in melk moest worden gedetecteerd, werd het afzonderlijk van zijn interfererende middel, ascorbinezuur, geïdentificeerd vanwege de redoxbemiddelende rol van PEDOT, wat leidde tot een eerdere en goed gescheiden piek voor ascorbinezuur. Tegelijkertijd kan het, zelfs met de PEDOT-elektrode, bij het analyseren van gearomatiseerde melk, een uitdaging zijn om de UA-piek goed te scheiden van de andere ingrediënten die nauwe oxidatiepotentialen hebben voor UA, wat leidt tot een samensmelting van pieken.
Tot slot, hoewel probleemoplossing met tussenpozen vereist kan zijn, is het gebruik van de CV- en PEDOT-nanolagen op het elektrodeoppervlak voordelig voor het detecteren van doelanalyten zoals UA in standaardoplossingen en complexe matrixoplossingen, zoals melkmonsters, zonder voorbehandeling. Vergeleken met de hoogwaardige vloeistofchromatografietechniek is deze CV-methode snel en heeft deze geen tijdrovende voorbehandelingsstappen nodig om vet of eiwitten uit melkmonsters te verwijderen. Verder maakt PEDOT de micro-elektrode zeer selectief en gevoelig, wat een scherpe piek geeft voor UA-analyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dankzij de financiering van het Nieuw-Zeelandse ministerie van Business, Innovatie en Werkgelegenheid (MBIE) binnen het programma "High Performance Sensors".
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 |
References
- Guimard, N. K., Gomez, N., Schmidt, C. E.
- 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).
- 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).
- Kundu, K., Giri, D. Evolution of the electronic structure of cyclic polythiophene upon bipolaron doping. Journal of Chemical Physics. 105 (24), 11075-11080 (1996).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Štulík, K.
- 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).
- 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).
- 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).
