我们描述了用于聚（3,4-乙烯二氧噻吩）电化学聚合的水相和有机溶剂体系，以在金微电极表面形成薄层，该薄层用于小分子量分析物的检测。
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摘要
摘要
介绍了两种在金电极上合成聚(3,4-乙烯二氧噻吩)（PEDOT）的方法，分别采用3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT）单体在水相和有机相溶液中的电化学聚合。循环伏安法（CV）用于PEDOT薄膜的合成。高氯酸锂（LiClO4）被用作掺杂剂，应用于两种溶剂体系：水相体系（水/乙腈（ACN））和有机相体系（碳酸丙烯酯（PC））。在有机体系中形成PEDOT层后，通过在水溶液中连续循环使电极表面适应化，以便用于水相样品的传感检测。
采用水相电化学聚合法可能具有省去适应步骤、缩短传感器制备时间的优势。尽管水相方法相比有机溶剂法更经济且环境友好，但在有机溶液中可获得更优的PEDOT成膜效果。通过扫描电子显微镜（SEM）对所得PEDOT电极表面进行表征，结果显示在有机碳酸丙烯酯（PC）溶液中电化学聚合过程中PEDOT持续生长，并在金（Au）微电极上呈现快速的分形类型生长。
引言
导电聚合物是一类广泛用于生物电子器件以改善界面性能的有机材料。与传统聚合物类似，导电聚合物易于合成，并且在加工过程中具有良好的柔韧性1。导电聚合物可通过化学和电化学方法合成，但电化学合成方法尤为有利。这主要归因于其能够形成薄膜、实现同步掺杂、在聚合物基质中捕获分子，更重要的是，其合成过程简单便捷1。此外，导电聚合物可形成均匀、纤维状且表面粗糙的纳米结构，牢固地附着在电极表面，从而显著增加电极的活性表面积2。
20世纪80年代，人们开发出某些多杂环化合物，如聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩和PEDOT，这些材料表现出良好的导电性、易于合成且具有稳定性3,4。尽管聚吡咯相较于其他聚合物（例如聚噻吩衍生物）研究更为深入，但它容易发生不可逆氧化5。因此，PEDOT相较于其他材料具有一定优势，因其氧化态更加稳定，在相似条件下可保持高达聚吡咯导电性的89%6。此外，PEDOT以其高电导率（~500 S/cm）和适中的带隙（即带隙或能量隙是指无电荷区域，表示价带顶部与导带底部之间的能量差）而著称7。
此外，PEDOT 具有电化学特性，相较于聚吡咯，其合成后氧化所需的电位更低，且随时间推移更加稳定7。PEDOT 还具有良好的光学透明性，这意味着其光学吸收系数，特别是以聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT-PSS）形式存在时，在电磁波谱的可见光区域（400–700 nm）内具有吸收特性7。在电化学生成 PEDOT 的过程中，EDOT 单体在工作电极上被氧化形成自由基阳离子，这些自由基阳离子进一步与其他自由基阳离子或单体发生反应，生成 PEDOT 链并沉积在电极表面1。
PEDOT薄膜的电化学形成涉及多种控制因素，例如电解质、电解质类型、电极装置、沉积时间、掺杂剂类型和溶剂温度1。PEDOT可通过在适当的电解质溶液中通入电流而电化学生成。可使用不同类型的电解质，如水系（例如PEDOT-PSS）、有机溶剂（例如PC、乙腈）和离子液体（例如1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIMBF4））8。
PEDOT 涂层的优点之一是，它可将金电极在 1 kHz 频率范围内的阻抗显著降低两到三个数量级，从而有助于提高直接电化学检测神经活动的灵敏度9。此外，经 PEDOT 修饰的电极具有更高的电荷存储容量，使得在刺激电荷通过 PEDOT 传输时，产生更快且电位更低的响应10。另外，当使用聚苯乙烯磺酸盐（PSS）作为在金微电极阵列上形成 PEDOT 的掺杂剂时，会形成粗糙多孔的表面，具有较大的活性表面积、较低的界面阻抗以及更高的电荷注入容量11。在电聚合步骤中，EDOT-PSS 通常在水性电解质中形成分散液。
然而，EDOT可溶于氯仿、丙酮、乙腈（ACN）以及其他有机溶剂如碳酸丙烯酯（PC）。因此，在本研究中，在电聚合开始前，使用水与少量ACN按10:1的比例混合，以制备可溶性的EDOT溶液。采用这种水性电解质的目的是省去PEDOT修饰微电极制备过程中的平衡步骤，并缩短操作流程。用于与水/ACN电解质进行比较的另一种有机电解质是PC。两种电解质均含有高氯酸锂（LiClO4）作为掺杂剂，以促进EDOT单体的氧化并形成PEDOT聚合物。
微电极是一种伏安法工作电极，其直径小于宏观电极，尺寸通常在几十微米或更小。与宏观电极相比，微电极具有以下优势：增强了溶液向电极表面的传质能力，可产生稳态信号，欧姆电位降更低，双电层电容更小，信噪比更高12。与所有固体电极类似，微电极在分析前也需要进行预处理。适当的预处理或活化方法是先通过机械抛光获得光滑表面，随后进行电化学或化学处理步骤，例如在合适的电解质中对电极施加特定范围内的电位循环13。
循环伏安法（CV）在PEDOT的电化学聚合中被广泛使用，通过将电极插入含有合适溶剂和掺杂电解质的单体溶液中实现。这种电化学技术有助于提供有关导电聚合物掺杂过程可逆性、电子转移数量、分析物扩散系数以及反应产物形成等方面的信息。本文描述了在PEDOT电化学聚合过程中使用两种不同电解质可生成具有潜在传感应用的纳米结构薄膜，其性能取决于薄膜的形貌及其他本征特性。
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方案
1. 配制分析用溶液
- 配制0.1 M EDOT有机溶液
- 称取0.213 g LiClO4，转移至20 mL容量瓶中。
- 使用量筒从试剂瓶中量取20 mL PC。
- 将PC加入含有LiClO4的20 mL容量瓶中，将容量瓶置于超声波清洗器中搅拌30分钟。随后将溶液转移至20 mL玻璃小瓶中。
- 用铝箔覆盖小瓶，并将连接氮气管的长针插入溶液中，持续通氮气除氧10分钟。然后移除铝箔，立即盖紧瓶盖。
注意：LiClO4需在实验当天新鲜配制。 - 在进行电化学测试前，取1 mL已配制的LiClO4溶液（0.1 M）转移至电化学池中（参见材料表）。
- 使用微量移液器（10–100 µL）向含有已配制LiClO4溶液的电化学池中加入10.68 µL EDOT单体（密度：1.331 g/mL）。
- 将所有电极装置插入溶液后，运行循环伏安法（CV）（CV参数见第3.4节），在裸露的Au微电极表面启动EDOT的电化学聚合。使用该修饰电极通过扫描电子显微镜（SEM）对表面进行表征。
- 若将该修饰电极用于传感目的，需首先通过在高氯酸钠（NaClO4）溶液中运行CV扫描（CV参数见第3.4节），使电极表面适应水相环境。
- 使用经有机相PEDOT修饰并已适应水相环境的微电极（来自步骤1.1.8），对拟用作背景扫描的磷酸盐缓冲溶液进行CV测试（CV参数见第3.4节）。
注意：每一步操作后均需清洗电极。 - 最后，将电极从缓冲溶液中取出（不冲洗），立即插入尿酸溶液或牛奶样品中进行CV扫描（CV参数见第3.4节）。
- 配制0.01 M EDOT水溶液
- 使用微量移液器取10.68 µL EDOT，加入装有1 mL乙腈（ACN）的玻璃小瓶中。
- 向小瓶中加入9 mL去离子水（25 °C时电阻率为18.2 MΩ/cm），配制10 mL 0.01 M EDOT溶液。
- 向已配制的EDOT溶液中加入0.11 g LiClO4粉末 ，得到0.1 M LiClO4溶液，轻轻混匀。
注意：电解质溶液需在实验当天新鲜配制。 - 将配制好的溶液转移至电化学池中，将电极插入水相/乙腈混合溶液后，采用循环伏安法（CV）在电极表面启动0.01 M EDOT的电化学聚合（CV参数见第3.4节）。
- 通过扫描电子显微镜（SEM）对该修饰电极的表面进行表征。
- 配制0.1 M高氯酸钠溶液
- 称取0.245 g NaClO4，转移至含有20 mL去离子水（25 °C时电阻率为18.2 MΩ/cm）的玻璃小瓶中。
- 使用该溶液使经有机相制备的PEDOT修饰Au微电极表面适应水相环境，并去除多余的EDOT。具体操作为：清洗电极后将其插入NaClO4溶液中，运行10次循环伏安扫描（CV参数见第3.4节）。
- 配制缓冲溶液
- 在称量舟中称取13.8 g磷酸二氢钠（NaH2PO4·H2O），转移至500 mL容量瓶（即所需最终体积），用去离子水（25 °C时电阻率为18.2 MΩ/cm）定容至刻度线。
- 将容量瓶置于超声波清洗器中，直至粉末完全溶解，得到0.2 M溶液。
- 在新的称量舟中称取17.8 g磷酸氢二钠（Na2HPO4·2H2O），转移至另一个500 mL容量瓶中，用去离子水定容，得到0.2 M溶液。将容量瓶置于超声波清洗器中充分溶解。
- 在量筒中混合62.5 mL磷酸二氢钠溶液与37.5 mL磷酸氢二钠溶液，将混合液转移至250 mL玻璃瓶中（参见材料表），再加入100 mL去离子水，得到200 mL 0.1 M磷酸盐缓冲溶液（pH 6.6）。长期储存时需将缓冲液冷藏。
注意：每次实验前需将缓冲液恢复至室温。
- 配制目标分析物溶液
- 在称量舟中称取0.0084 g尿酸（UA），在容量瓶中用50 mL磷酸盐缓冲液（pH 6.6）溶解，得到1 mM UA溶液。
- 用氮气吹扫溶液10分钟以去除溶解氧。
注意：建议在实验当天新鲜配制UA溶液。
- 制备用于分析的牛奶样品
- 从当地超市购买全脂牛奶样品及若干不同风味的牛奶样品（如浓缩咖啡牛奶、焦糖/白巧克力牛奶、比利时巧克力牛奶）用于电化学分析。样品无需预处理或稀释。
- 使用5 mL微量移液器从新开封的瓶中取5 mL各牛奶样品。
- 首先对pH 6.6的磷酸盐缓冲液进行CV扫描，作为背景信号。然后将5 mL牛奶样品加入电化学池中，插入新制备的经有机相PEDOT修饰的Au微电极及其他电极，进行CV扫描。数据分析方法参见实验方案第4节。
- 配制电极预处理溶液
- 称取0.2 g氢氧化钠（NaOH）粉末，转移至50 mL容量瓶中，配制0.1 M溶液。
- 使用0.1 M NaOH溶液去除每次实验后微电极表面残留的PEDOT。
- 使用玻璃移液管从98%硫酸（H2SO4）试剂瓶中吸取27.2 mL，缓慢加入已装有约半瓶去离子水的1 L容量瓶中。
- 用去离子水定容至刻度线，配制1 L 0.5 M H2SO4溶液。
注意：为安全起见，H2SO4溶液应在通风橱中配制。该H2SO4溶液用于微电极的最终电化学清洗步骤。
2. 金微电极的预处理
- 将金微电极（直径10 µm，宽3.5 mm，长7 cm）置于玻璃抛光板（尺寸：3" × 3" 方块）上的氧化铝抛光垫上，使用氧化铝悬浮液，以圆形和“8”字形手动运动方式抛光30秒。
- 用去离子水冲洗金微电极，将其插入含有15 mL无水乙醇（分析纯级）的玻璃小瓶中，超声处理2分钟。
- 用乙醇和水再次冲洗金微电极，然后在去离子水中超声处理4分钟，以去除电极表面残留的氧化铝颗粒。
- 最后，在0.5 M H2SO4溶液中，以50 mV/s的扫描速率，在0.4 V至1.6 V电位范围（相对于Ag/AgCl参比电极）内循环20次，以去除额外杂质。每次在H2SO4中清洁电极时，应确保在阳极和阴极电位处出现两个清晰且稳定的峰，分别对应于金氧化物的形成与还原过程。
3. 循环伏安法技术
- 使用合适的电化学工作站运行循环伏安法（CV）作为目标电化学技术。
- 打开电化学工作站及其连接的计算机，确保系统已正确连接。
- 为测试计算机与仪器之间的通信，启动软件并打开仪器电源。在设置菜单下使用硬件测试命令。若出现连接失败错误，请检查连接和端口设置。
- 在计算机上打开电化学工作站软件，在设置 菜单中选择技术。在弹出窗口中选择循环伏安法（CV）。再次返回到 设置菜单， 点击参数以 输入CV实验的参数。
- 在裸金微电极上使用有机电解质进行PEDOT电化学聚合时，采用以下CV参数：初始电位：-0.3 V，终止电位：-0.3 V，高电位：1.2 V，扫描段数：8，扫描速率：100 mV/s，扫描方向：正向。
- 在裸金微电极上使用水/乙腈电解质进行PEDOT电化学聚合时，采用以下CV参数：初始电位：-0.3 V，终止电位：-0.3 V，高电位：1.2 V，扫描段数：20，扫描速率：100 mV/s，扫描方向：正向。
- 对有机法制备的PEDOT修饰金微电极进行适应性处理步骤时，采用以下CV参数：初始电位：-0.2 V，终止电位：-0.2 V，高电位：0.8 V，扫描段数：20，扫描速率：100 mV/s，扫描方向：正向。
- 使用裸金微电极检测尿酸标准溶液和磷酸盐缓冲液（pH 6.6）时，采用以下CV参数：初始电位：0 V，终止电位：0 V，高电位：1 V，扫描段数：2，扫描速率：100 mV/s，扫描方向：正向。
- 使用有机法制备的PEDOT修饰金微电极检测尿酸标准溶液和磷酸盐缓冲液（pH 6.6）时，采用以下CV参数：初始电位：0 V，终止电位：0 V，高电位：0.6 V，扫描段数：2，扫描速率：100 mV/s，扫描方向：正向。
- 使用有机法制备的PEDOT修饰金微电极检测牛奶样品和磷酸盐缓冲液（pH 6.6）时，采用以下CV参数：初始电位：0 V，终止电位：0 V，高电位：0.8 V，扫描段数：2，扫描速率：100 mV/s，扫描方向：正向。
- 在玻璃电化学池中准备三电极体系，包括工作电极（金微电极（直径10 µm））、参比电极（例如3 M氯化钠（NaCl）中的银/氯化银（Ag/AgCl）电极）和铂丝对电极。
- 将清洁并干燥的电极穿过固定在支架上的电极 holder 的孔洞，然后将 holder 置于电化学池上方，使电极插入目标溶液或样品中。
- 确保电极表面无气泡。
- 若存在气泡，取出电极，再次用去离子水冲洗，并用纸巾轻轻吸干。将电极重新插入支架并浸入溶液中。
- 若参比电极周围有气泡，可轻轻敲击其尖端以去除。
- 若对电极在运行过程中产生气泡，应清洁对电极。若CV扫描出现噪声，需清洁电极表面，并检查系统连接、导线和夹子。
- 确认参比、工作和对电极的三根导线连接正确后，点击底部的运行按钮开始实验。
- 所有实验均在室温下进行。对于牛奶样品，应在运行CV前使其温度达到环境温度。
4. 数据收集与分析
- 完成循环伏安法（CV）实验后，将数据以所需格式（CSV 或 Bin）保存至文件夹中，然后使用 U 盘收集数据。使用适当的软件分析数据。将 CSV 文件转换为电子表格以便于分析。
注意：如果数据以二进制文件格式保存，在使用 U 盘收集数据前，需先将其转换为文本逗号格式。 - 为分析牛奶样品的循环伏安图，需从牛奶的循环伏安图中减去背景循环伏安图（即每次运行牛奶样品前测得的磷酸盐缓冲液（pH 6.6）的循环伏安图），从而获得由牛奶组分氧化引起的伏安曲线。
5. PEDOT 的表征技术
- 使用特定类型的高性能扫描电子显微镜（SEM）来表征在不同电解质中制备的PEDOT层。
注意：此处使用了FEI Quanta 200 ESEM FEG，该设备配备肖特基场发射电子枪（FEG），可实现更高的空间分辨率。该仪器提供多种工作模式，如高真空、低真空和环境SEM模式，并配备SiLi（锂漂移）超薄窗EDS探测器。 - 通过SEM检测在有机溶液和水溶液中电化学聚合PEDOT后，裸金微电极及PEDOT修饰金微电极（PEDOT-Au）的表面形貌。在进行SEM检测前，应立即在裸金微电极上于水/乙腈混合溶液及有机溶液中完成PEDOT的电化学聚合。
- 将新制备的电极（一个裸金微电极和两个PEDOT-Au微电极）水平放置于SEM载物台上，使其头部以一定角度朝上置于载物台上方。
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结果
循环伏安法是一种简便的技术，可在金微电极表面形成一层薄的PEDOT膜，以提高电化学检测目标分析物时的电极导电性和灵敏度。本方案展示了从有机溶液中电聚合0.1 M EDOT的方法，并与从水性电解质溶液中电聚合0.01 M EDOT的方法进行比较。在水/乙腈溶液中运行10个循环所获得的PEDOT膜生长程度与在LiClO₄/乙腈溶液中运行4个循环相当。4/PC 溶液 图1 在采用循环伏安法（CV）施加电压形成后续PEDOT层时，EDOT在水/乙腈和有机溶液中电聚合表现出明显差异。显然，在100 mV/s的扫描速率下，于-0.3 V至+1.2 V（相对于3 M NaCl中的Ag/AgCl）范围内进行循环时，两种电解质溶液中聚合物均在0.9 V开始氧化图1A 和 图1C在水/乙腈溶液中观察到1 V处的氧化峰。
经过仔细观察发现，经过4个循环后，在有机溶液中制备...
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讨论
循环伏安法（CV）可用于快速、简便地测定食品、葡萄酒和饮料、植物提取物甚至生物样品中的多种分析物。该技术可产生多种数据，包括氧化/还原峰电位、目标分析物的峰电流值（与浓度成正比）以及每次CV扫描后所有其他电流和电位值。尽管CV操作相对简单，但根据所使用的电化学工作站系统不同，采集的数据有时需要从二进制文件转换为文本逗号格式。例如，使用CH仪器时，数据可在每次扫描后直接保存为文本逗号格式或CSV格式，这使得在电子表格中将文本转换为列后更便于数据分析。在相同电位范围内获得牛奶或尿酸标准样品的CV扫描曲线后，可将其绘制在同一张图中进行直接比较。为发表论文呈现数据时，也可使用Origin或SigmaPlot软件绘图，然后导出为TIF或其他所需的图形文件格式。
该方法常见的问题可能是在CV曲线中出现伪影。这可能是由于电路连接错误引起的，通常是因为连接夹（即用于将导线连接到各电极的夹子）生锈，或金微电极未正确清洗所致。可通过砂纸去除夹子上的锈迹或更换夹子，并将微电极重新清洗后，插入H2SO4溶液中重新运行CV循环，以解决此问题。
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
感谢新西兰商业、创新和就业部（MBIE）提供的资助 "高性能传感器" 程序
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 乙腈 | Baker 分析级 HPLC 超梯度溶剂 | 75-05-8 | HPLC 级 |
| 氧化铝抛光垫 | BASi，美国 | MF-1040 | 棕/丝绒色 |
| 比利时巧克力牛奶 | 新西兰奥克兰普霍伊谷乳品公司 | _ | 从当地超市购买 |
| 焦糖/白巧克力牛奶 | 新西兰奥克兰普霍伊谷乳品公司 | _ | 从当地超市购买 |
| CH仪器 | CH仪器公司，美国 | _ | Model CHI660E |
| 对电极 | BASi，美国 | MW-1032 | 7.5 cm长铂丝（直径0.5 mm）辅助/对电极，纯度99.95% |
| 磷酸氢二钠（Na2HPO4，2H2O | Scharlau Chemie SA，巴塞罗那，西班牙 | 10028-24-7 | 称取 17.8 g |
| DURAN 瓶 | 奥克兰大学 | _ | 玻璃器皿由奥克兰大学本地制作 |
| 电化学电池 | BASi，美国 | MF-1208 | 5-15 mL 体积，玻璃材质 |
| 电极抛光用氧化铝悬浮液 | BASi，美国 | CF-1050 | 0.05 的 7 mL µm 粒径氧化铝抛光剂 |
| 意式浓缩咖啡牛奶 | 新西兰奥克兰普霍伊谷乳品公司 | _ | 从当地超市购买 |
| 3,4-乙烯二氧基噻吩（EDOT），97% | Sigma-Aldrich | 126213-50-1 | 取10.68 μ瓶装L |
| FEI ESEM Quanta 200 FEG | 美国 | _ | 配备肖特基场发射电子枪（FEG）的扫描电子显微镜（SEM），可实现最佳空间分辨率。该仪器可在高真空模式（HV）、低真空模式（LV）以及所谓的环境扫描电镜模式（ESEM）下使用。 |
| 金微电极 | BASi，美国 | MF-2006 | 工作电极（10 μ微米直径） |
| 高氯酸锂，ACS 级试剂 ≥95% | Sigma-Aldrich | 7791-03-9 | 配制 0.1 M 溶液 |
| 微量移液器 | Eppendorf | _ | 10-100 μL 和 100-1000 体积 |
| MilliQ 水 | 赛默飞世尔科技，美国 | _ | 18.2 MΩ/cm，在 25°C，Barnstead Nanopure Diamond 水纯化系统 |
| 碳酸丙烯酯，无水，99.7% | Sigma-Aldrich | 108-32-7 | 从瓶中取出 20 mL |
| 参比电极 | BASi，美国 | MF-2052 | 银/氯化银（Ag/AgCl）电极应保存在 3 M 氯化钠溶液中 |
| 替换玻璃抛光板 | BASi，美国 | MF-2128 | 将抛光垫固定于其上的玻璃板支架 |
| 磷酸二氢钠 (NaH2PO4，1H2O | Sigma-Aldrich | 10049-21-5 | 称取13.8 g |
| 氢氧化钠珠粒，分析纯 | ECP-分析试剂 | 1310-73-2 | 配制 0.1 M 溶液 |
| 高氯酸钠，ACS 试剂 ≥98% | Sigma-Aldrich | 7601-89-0 | 配制 0.1 M 溶液 |
| 硫酸（98%） | 默克 | 7664-93-9 | 配制 0.5 M 溶液 |
| 尿酸 | Sigma-Aldrich | 69-93-2 | 配制1 mM溶液 |
| 全脂牛奶 | Anchor 乳业公司，奥克兰，新西兰 | 蓝盖牛奶，从当地超市购买 |
参考文献
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