Elektrochemische Herstellung von Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-Schichten auf Gold-Mikroelektroden für Harnsäure-Sensoranwendungen

Elektrisch leitende Polymere sind organische Materialien, die in bioelektronischen Geräten zur Verbesserung von Grenzflächen weit verbreitet sind. Ähnlich wie herkömmliche Polymere sind leitende Polymere leicht zu synthetisieren und während^{der Verarbeitung flexibel} 1. Leitfähige Polymere können mit chemischen und elektrochemischen Methoden synthetisiert werden; Besonders günstig sind jedoch elektrochemische Syntheseansätze. Dies ist hauptsächlich auf ihre Fähigkeit zurückzuführen, dünne Filme zu bilden, gleichzeitige Dotierung zu ermöglichen, Moleküle im leitenden Polymer einzufangen und vor allem auf die Einfachheit des Syntheseprozesses¹. Darüber hinaus bilden leitende Polymere einheitliche, faserige und holprige Nanostrukturen, die fest an der Elektrodenoberfläche haften, wodurch die aktive Oberfläche der Elektrode 2 vergrößert^wird.

In den 1980er Jahren wurden bestimmte Polyheterocyclen wie Polypyrrol, Polyanilin, Polythiophen und PEDOT entwickelt, die eine gute Leitfähigkeit, einfache Synthese und Stabilität^{aufwiesen 3,4}. Obwohl Polypyrrol besser verstanden wird als andere Polymere (z. B. Polythiophenderivate), ist es anfällig für irreversible Oxidation⁵. Somit hat PEDOT bestimmte Vorteile gegenüber dem Rest, da es einen viel stabileren oxidativen Zustand aufweist und 89% seiner Leitfähigkeit im Vergleich zu Polypyrrol unter ähnlichen Bedingungen beibehält⁶. Darüber hinaus ist PEDOT für eine hohe elektrische Leitfähigkeit (~ 500 S / cm) und eine moderate Bandlücke bekannt (dh Bandlücken oder Energielücken sind Regionen ohne Ladung und beziehen sich auf die Energiedifferenz zwischen der Oberseite eines Valenzbandes und der Unterseite eines Leitungsbandes)⁷.

Darüber hinaus hat PEDOT elektrochemische Eigenschaften, benötigt geringere Potentiale, um oxidiert zu werden, und ist im Laufe der Zeit stabiler als Polypyrrol nach der Synthese⁷. Es hat auch eine gute optische Transparenz, was bedeutet, dass sein optischer Absorptionskoeffizient, insbesondere in Form von PEDOT-Polystyrolsulfonat (PEDOT-PSS), im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums bei 400-700 nm⁷ liegt. Bei der elektrochemischen Bildung von PEDOT oxidieren EDOT-Monomere an der Arbeitselektrode zu radikalischen Kationen, die mit anderen radikalen Kationen oder Monomeren zu PEDOT-Ketten reagieren, die sich auf der Elektrodenoberfläche^{ablagern 1}.

Verschiedene Kontrollfaktoren sind an der elektrochemischen Bildung von PEDOT-Filmen beteiligt, wie Elektrolyt, Elektrolyttyp, Elektrodenaufbau, Abscheidezeit, Dotierstofftyp und Lösungsmitteltemperatur¹ PEDOT kann elektrochemisch erzeugt werden, indem Strom durch eine geeignete Elektrolytlösung geleitet wird. Verschiedene Elektrolyte wie wässrige (z. B. PEDOT-PSS), organische (z. B. PC, Acetonitril) und ionische Flüssigkeiten (z. B. 1-Butyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat (BMIMBF₄)) können verwendet werden⁸.

Einer der Vorteile von PEDOT-Beschichtungen besteht darin, dass sie die Impedanz einer Au-Elektrode im Frequenzbereich von 1 kHz um zwei oder drei Größenordnungen deutlich verringern können, was es hilfreich macht, die Empfindlichkeit der direkten elektrochemischen Detektion der neuronalen Aktivität^{zu erhöhen 9}. Darüber hinaus erhöht sich die Ladungsspeicherkapazität der PEDOT-modifizierten Elektroden und führt zu schnelleren und geringeren Potentialreaktionen, wenn die Stimulationsladung durch^{PEDOT 10} übertragen wird. Wenn Polystyrolsulfonat (PSS) als Dotierstoff für die PEDOT-Bildung auf Au-Mikroelektrodenarrays verwendet wird, entsteht außerdem eine raue, poröse Oberfläche mit einer hohen aktiven Oberfläche, einer niedrigeren Grenzflächenimpedanz und einer höheren Ladungsinjektionskapazität¹¹. Für den Elektropolymerisationsschritt macht EDOT-PSS normalerweise eine Dispersion in einem wässrigen Elektrolyten.

EDOT ist jedoch löslich in Chloroform, Aceton, ACN und anderen organischen Lösungsmitteln wie PC. Daher wurde in dieser Studie eine Mischung aus Wasser mit einem kleinen Volumen von ACN im Verhältnis 10: 1 verwendet, um eine lösliche EDOT-Lösung herzustellen, bevor die Elektropolymerisation beginnt. Der Zweck der Verwendung dieses wässrigen Elektrolyten besteht darin, den Akklimatisierungsschritt bei der Herstellung einer PEDOT-modifizierten Mikroelektrode wegzulassen und die Schritte zu verkürzen. Der andere organische Elektrolyt, der zum Vergleich mit dem wässrigen / ACN-Elektrolyten verwendet wird, ist PC. Beide Elektrolyte enthalten_LiClO4 als Dotierstoff, um bei der Oxidation des ETOT-Monomers und der Bildung des PEDOT-Polymers zu helfen.

Mikroelektroden sind voltammetrische Arbeitselektroden mit kleineren Durchmessern als Makroelektroden, etwa zehn Mikrometer oder weniger in der Dimension. Zu ihren Vorteilen gegenüber Makroelektroden gehören ein verbesserter Massentransport von der Lösung zur Elektrodenoberfläche, die Erzeugung eines stationären Signals, ein geringerer ohmscher Potentialabfall, eine geringere Doppelschichtkapazität und ein erhöhtes Signal-Rausch-Verhältnis¹². Wie bei allen Festkörperelektroden müssen Mikroelektroden vor der Analyse konditioniert werden. Die geeignete Vorbehandlungs- oder Aktivierungstechnik ist das mechanische Polieren, um eine glatte Oberfläche zu erhalten, gefolgt von einem elektrochemischen oder chemischen Konditionierungsschritt, z. B. einem Potentialzyklus über einen bestimmten Bereich in einem geeigneten^{Elektrolyten 13}.

CV wird sehr häufig bei der elektrochemischen Polymerisation von PEDOT verwendet, indem Elektroden in eine Monomerlösung eingeführt werden, die ein geeignetes Lösungsmittel und Dotierelektrolyt beinhaltet. Diese elektrochemische Technik ist vorteilhaft bei der Bereitstellung von Richtungsinformationen wie der Reversibilität von leitenden Polymerdotierungsprozessen und der Anzahl der übertragenen Elektronen, Diffusionskoeffizienten von Analyten und der Bildung von Reaktionsprodukten. Dieses Papier beschreibt, wie zwei verschiedene Elektrolyte, die für die Elektropolymerisation von PEDOT verwendet werden, dünne Nanostrukturfilme mit einer potenziellen Sensoranwendung erzeugen können, die von der Morphologie und anderen intrinsischen Eigenschaften abhängt.

1. Aufbereitung analytischer Lösungen

1. Herstellung von 0,1 Mio. EDOT in einer organischen Lösung
   1. 0,213 g_{LiClO 4} abwägen und in einen 20 ml Meßkolben geben.
   2. Verwenden Sie einen Messzylinder, um 20 ml PC aus der Flasche zu nehmen.
   3. Fügen Sie dem 20-ml-Messkolben mit_{LiClO 4} einen PC hinzu. Mischen Sie die Lösung, indem Sie den Kolben 30 min lang in ein Ultraschallbad legen. Übertragen Sie die Lösung auf ein 20-ml-Glasfläschchen.
   4. Decken Sie die Durchstechflasche mit Aluminiumfolie ab und führen Sie eine lange Nadel ein, die an einem Stickstoffrohr befestigt ist, in die Lösung, um sie 10 min lang zu entgasen. Entfernen Sie dann die Aluminiumfolie und verschließen Sie die Durchstechflasche fest.
      HINWEIS:_{Bereiten Sie LiClO 4} am Tag des Experiments frisch vor.
   5. Vor der elektrochemischen Prüfung werden 1 ml der hergestellten_{LiClO4-Lösung} (0,1 M) in eine elektrochemische Zelle übertragen (siehe Materialtabelle).
   6. Verwenden Sie eine Mikropipette (10-100 μL), um 10,68 μL EDOT-Monomer (Dichte: 1,331 g/ml) in die elektrochemische Zelle zu geben, die die vorbereitete_{LiClO4-Lösung} enthält.
   7. Führen Sie die CV-Methode aus (CV-Parameter siehe Abschnitt 3.4), um die Elektropolymerisation von EDOT auf der nackten Au-Mikroelektrodenoberfläche zu starten, nachdem alle Elektrodeneinstellungen in die Lösung eingefügt wurden. Verwenden Sie diese modifizierte Elektrode, um die Oberfläche durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) zu charakterisieren.
   8. Um diese modifizierte Elektrode für Sensorzwecke zu verwenden, akklimatisieren Sie zunächst ihre Oberfläche an eine wässrige Lösung, indem Sie CV-Scans in der Natriumperchloratlösung (_NaClO4) durchführen (CV-Parameter siehe Abschnitt 3.4).
   9. Verwenden Sie diese organisch PEDOT-modifizierte und akklimatisierte Mikroelektrode (ab 1.1.8), um CV (siehe Abschnitt 3.4 für seine CV-Parameter) einer Phosphatpufferlösung auszuführen, die als Hintergrundscan verwendet werden soll.
      HINWEIS: Spülen Sie die Elektrode nach jedem Schritt ab.
   10. Nehmen Sie schließlich die Elektrode aus der Pufferlösung heraus, ohne sie zu spülen, und legen Sie sie sofort in Harnsäurelösungen oder Milchproben ein, um CV-Scans durchzuführen (CV-Parameter siehe Abschnitt 3.4).
2. Aufbereitung von 0,01 Mio. EDOT in wässriger Lösung
   1. Verwenden Sie eine Mikropipette, um 10,68 μL EDOT zu entnehmen und zu 1 ml ACN in einer Glasdurchstechflasche hinzuzufügen.
   2. 9 ml entionisiertes Wasser (18,2 MΩ/cm bei 25 °C) in die Durchstechflasche geben, um 10 ml 0,01 m EDOT-Lösung herzustellen.
   3. 0,11 g LiClO4-Pulver in die vorbereitete EPOT-Lösung geben, um 0,1 M_{LiClO4-Lösung} zu erhalten, und vorsichtig mischen.
      HINWEIS: Bereiten Sie die Elektrolytlösungen am Tag des Experiments frisch vor.
   4. Die vorbereitete Lösung wird in die elektrochemische Zelle überführt und mit der Elektropolymerisation von 0,01 M EDOT auf der Elektrodenoberfläche nach dem CV-Verfahren (CV-Parameter siehe Abschnitt 3.4) begonnen, nachdem die Elektrode in die wässrige/ACN-Lösung eingeführt wurde.
   5. Charakterisieren Sie die Oberfläche dieser modifizierten Elektrode durch REM.
3. Herstellung von 0,1 M Natriumperchloratlösung
   1. 0,245 g_NaClO4 werden abgewogen und in eine Durchstechflasche aus Glas mit 20 ml entionisiertem Wasser (18,2 MΩ/cm bei 25 °C) überführt.
   2. Verwenden Sie diese Lösung, um die Oberfläche der organisch hergestellten PEDOT-modifizierten Au-Mikroelektrode an eine wässrige Lösung zu akklimatisieren und überschüssiges EDOT zu entfernen. Spülen Sie dazu die Elektrode aus und legen Sie sie in die_{NaClO4-Lösung} ein; Führen Sie dann CV für 10 Zyklen aus (siehe Abschnitt 3.4 für CV-Parameter).
4. Vorbereiten der Pufferlösung
   1. 13,8 g Natriumdihydrogenphosphat (NaH2PO₄. 1H₂O) werden in einem Wiegeboot abgewogen. In einen 500-ml-Messkolben (d. h. das erforderliche Endvolumen) geben und mit deionisiertem Wasser (18,2 MΩ/cm bei 25 °C) bis zur Leitung füllen.
   2. Stellen Sie den Kolben in ein Ultraschallbad, bis sich das Pulver vollständig im Wasser auflöst, was zu einer 0,2 M Lösung führt.
   3. Wiegen Sie in einem neuen Wiegeboot 17,8 g Dinatriumhydrogenphosphat (Na 2 HPO₄. 2H₂O) ab und geben Sie es in einen anderen 500 ml Messkolben_. Füllen Sie es mit deionisiertem Wasser auf, um eine 0,2 M Lösung zu erhalten. Legen Sie den Kolben in ein Ultraschallbad, um sich richtig aufzulösen.
   4. Mischen Sie 62,5 ml Natriumdihydrogenphosphatlösung mit 37,5 ml Dinatriumhydrogenphosphatlösung in einem Messzylinder und geben Sie das Gemisch in eine 250 ml Glasflasche (siehe Materialtabelle). Füllen Sie es mit weiteren 100 ml entionisiertem Wasser auf, um 200 ml 0,1 m Phosphatpufferlösung, pH 6,6, zu erhalten. Kühlen Sie den Phosphatpuffer für den Langzeitgebrauch.
      HINWEIS: Bringen Sie den Puffer vor jedem Experiment auf Raumtemperatur.
5. Vorbereiten von Zielanalytlösungen
   1. 0,0084 g Harnsäure (UA) werden in einem Wiegeboot abgewogen und in 50 ml Phosphatpuffer (pH 6,6) in einem Messkolben gelöst, um eine 1 mM UA-Lösung zu erhalten.
   2. Entgasen Sie die Lösung durch Stickstoffspülung für 10 min.
      HINWEIS: Es ist ratsam, die UA-Lösung am Tag des Experiments frisch vorzubereiten.
6. Vorbereitung von Milchproben für die Analyse
   1. Erhalten Sie eine Vollmilchprobe und einige Milchproben mit verschiedenen Geschmacksrichtungen (z. B. Espressomilch, Karamell / weiße Schokoladenmilch und belgische Schokoladenmilch) von einem örtlichen Supermarkt für die Elektroanalyse. Die Milchproben nicht vorbehandeln oder verdünnen.
   2. Verwenden Sie eine 5-ml-Mikropipette, um 5 ml jeder Milchprobe aus den frisch geöffneten Flaschen zu entnehmen.
   3. Führen Sie zunächst CV des Phosphatpuffers, pH 6,6, als Hintergrundsignal aus. Dann fügen Sie die 5-ml-Milchprobe in die elektrochemische Zelle hinzu und führen Sie frisch und organisch hergestellte, PEDOT-modifizierte Au-Mikroelektroden und andere Elektroden in die Milchproben ein und führen Sie CV aus. Informationen zur Analyse der gesammelten Daten finden Sie in Abschnitt 4 des Protokolls.
7. Vorbereitung von Elektrodenvorbehandlungslösungen
   1. Wiegen Sie 0,2 g Natriumhydroxid (NaOH) -Pulver ab und geben Sie es in einen 50-ml-Messkolben, um eine 0,1-m-Lösung herzustellen.
   2. Verwenden Sie die 0,1 M NaOH-Lösung, um den Rückstand von PEDOT zu entfernen, der sich nach jedem Durchlauf auf der Mikroelektrodenoberfläche gebildet hat.
   3. Verwenden Sie eine Glaspipette, um 27,2 ml aus einer Flasche mit 98% Schwefelsäure (H₂SO₄) zu entnehmen. Geben Sie es sehr langsam in einen 1-Liter-Messkolben, der halb mit deionisiertem Wasser gefüllt ist.
   4. Füllen Sie den Kolben mit deionisiertem Wasser in die Leitung auf, um 1 L einer 0,5 M H₂SO_{4-Lösung vorzubereiten.}
      HINWEIS: Bereiten Sie H₂SO₄ Lösung unter einem Abzug zur Sicherheit vor. Verwenden Sie die_{H2SO4-Lösung} im abschließenden elektrochemischen Reinigungsschritt der Mikroelektrode.

2. Vorbehandlung der Gold-Mikroelektrode

1. Polieren Sie die Au-Mikroelektrode (10 μm Durchmesser, 3,5 mm Breite x 7 cm lang) auf einem Aluminiumoxid-Politurpad, das auf einer Glaspolierplatte (Abmessungen: 3" x 3" Quadrate) mit einer Aluminiumoxid-Aufschlämmung für 30 s mit kreisförmigen und achtförmigen Handbewegungen während des Polierens platziert wird.
2. Spülen Sie die Au-Mikroelektrode mit entionisiertem Wasser ab, legen Sie sie in eine Glasdurchstechflasche mit 15 ml absolutem Ethanol (LR-Qualität) und Ultraschall für 2 min.
3. Spülen Sie die Au-Mikroelektrode mit Ethanol und Wasser ab und ultraschallen Sie sie erneut für 4 min in entionisiertem Wasser, um überschüssiges Aluminiumoxid von der Elektrodenoberfläche zu entfernen.
4. Entfernen Sie schließlich zusätzliche Verunreinigungen, indem Sie 0,5 M H₂SO 4 für 20 Segmente zwischen_0,4 und 1,6 V Potentialen (vs. Ag/AgCl) mit einer Abtastrate von 50 mV/s durchlaufen. Stellen Sie sicher, dass es aufgrund der Bildung und Reduktion von Goldoxid bei konsistenten anodischen und kathodischen Potentialen jedes Mal, wenn die Elektrode in_{H2 SO4} gereinigt wird, zwei klare Spitzen gibt.

3. Zyklische Voltammetrie-Technik

1. Verwenden Sie ein geeignetes Potentiost, um CV als die elektrochemische Technik von Interesse auszuführen.
2. Schalten Sie den potentiostat und den daran angeschlossenen Computer ein. Stellen Sie sicher, dass das System angeschlossen ist.
3. Um die Kommunikation zwischen dem Computer und dem Gerät zu testen, starten Sie die Software und schalten Sie das Gerät ein. Verwenden Sie den Befehl Hardwaretest im Menü Setup . Wenn der Fehler "Link fehlgeschlagen " angezeigt wird, überprüfen Sie die Verbindungs- und Porteinstellungen.
4. Öffnen Sie die Software potentiostat auf dem Computer und wählen Sie im Menü Setup die Option Technik. Wählen Sie im sich öffnenden Fenster die zyklische Voltammetrie (CV) aus. Gehen Sie wieder zurück zum Setup-Menü und klicken Sie auf Parameter, um die experimentellen Parameter für den CV-Lauf einzugeben.
   1. Verwenden Sie die folgenden CV-Parameter, um die PEDOT-Elektropolymerisation in einem organischen Elektrolyten auf der blanken Au-Mikroelektrode durchzuführen: Anfangspotential: -0,3 V, Endpotential: -0,3 V, hohes Potential: 1,2 V, Anzahl der Segmente: 8, Abtastraten: 100 mV/s, Richtung: positiv.
   2. Verwenden Sie die folgenden CV-Parameter, um die PEDOT-Elektropolymerisation in einem wässrigen / ACN-Elektrolyten auf der blanken Au-Mikroelektrode durchzuführen: Anfangspotential: -0,3 V, Endpotential: -0,3 V, hohes Potential: 1,2 V, Anzahl der Segmente: 20, Abtastraten: 100 mV/s, Richtung: positiv.
   3. Verwenden Sie die folgenden CV-Parameter, um den Akklimatisierungsschritt der organisch hergestellten PEDOT-modifizierten Au-Mikroelektrode durchzuführen: Anfangspotential: -0,2 V, Endpotential: -0,2 V, hohes Potential: 0,8 V, Anzahl der Segmente: 20, Abtastraten: 100 mV/s, Richtung: positiv.
   4. Verwenden Sie die folgenden CV-Parameter für UA-Standardlösungen und Phosphatpuffer (pH 6,6) mit der blanken Au-Mikroelektrode: Anfangspotential: 0 V, Endpotential: 0 V, hohes Potential: 1 V, Anzahl der Segmente: 2, Abtastraten: 100 mV/s und Richtung: positiv.
   5. Verwenden Sie die folgenden CV-Parameter für UA-Standardlösungen und Phosphatpuffer (pH 6,6) auf der organisch hergestellten, PEDOT-modifizierten Au-Mikroelektrode: Anfangspotential: 0 V, Endpotential: 0 V, hohes Potential: 0,6 V, Anzahl der Segmente: 2, Abtastraten: 100 mV/s und Richtung: positiv.
   6. Verwenden Sie die folgenden CV-Parameter für die Milchproben und den Phosphatpuffer (pH 6,6) auf der organisch hergestellten, PEDOT-modifizierten Au-Mikroelektrode: Anfangspotential: 0 V, Endpotential: 0 V, hohes Potential: 0,8 V, Anzahl der Segmente: 2, Abtastraten: 100 mV/s, Richtung: positiv.
5. Bereiten Sie drei Elektrodenaufbauten in einer elektrochemischen Glaszelle vor, einschließlich einer Arbeitselektrode (Au-Mikroelektrode (10 μm Durchmesser)), einer Referenzelektrode (z. B. Silber / Silberchlorid (Ag / AgCl) in 3 M Natriumchlorid (NaCl) und einer Platindrahtzählerelektrode.
6. Führen Sie diese sauberen und getrockneten Elektroden durch die Löcher eines Elektrodenhalters, der an einem Ständer befestigt ist. Legen Sie dann den Halter über die elektrochemische Zelle, um die Elektroden in die Ziellösung oder -probe einzulegen.
7. Stellen Sie sicher, dass sich keine Blasen auf den Elektrodenoberflächen befinden.
   1. Wenn Blasen vorhanden sind, entfernen Sie die Elektroden, spülen Sie sie erneut mit deionisiertem Wasser ab und tupfen Sie sie mit einem Tuch trocken. Setzen Sie die Elektroden wieder in den Stativhalter und in die Lösung ein.
   2. Wenn sich Blasen um die Referenzelektrode befinden, tippen Sie vorsichtig auf die Spitze.
   3. Wenn sich Blasen um die Gegenelektrode befinden, nachdem sie zu laufen beginnt, reinigen Sie die Gegenelektrode. Wenn der CV-Scan verrauscht wird, reinigen Sie die Elektrodenoberfläche und überprüfen Sie die Systemanschlüsse, Drähte und Clips.
8. Stellen Sie sicher, dass alle drei Drahtverbindungen für Referenz-, Arbeits- und Gegenelektroden korrekt angeschlossen sind, und starten Sie dann das Experiment, indem Sie unten auf Ausführen klicken.
9. Führen Sie alle Experimente bei Raumtemperatur aus. Lassen Sie bei Milchproben die Temperatur der Milchproben die Umgebungstemperatur erreichen, bevor Sie CV ausführen.

4. Datenerhebung und -analyse

1. Nachdem Sie CV ausgeführt haben, speichern Sie die Daten im gewünschten Format (CSV oder Bin) in einem Ordner und verwenden Sie dann einen USB-Speicherstick, um sie zu sammeln. Analysieren Sie die Daten mit entsprechender Software. Konvertieren Sie CSV-Dateien zur einfacheren Analyse in Tabellenkalkulationen.
   HINWEIS: Wenn Daten im Format einer Binärdatei gespeichert werden, konvertieren Sie sie vor der Datenerfassung auf einem USB-Speicherstick in das Format Textkomma .
2. Um den Lebenslauf von Milchproben zu analysieren, subtrahieren Sie den Lebenslauf der Milch von der Hintergrund-CV (d. h. CV des Phosphatpuffers (pH 6,6), der vor dem Ausführen jeder Milchprobe entnommen wird), um Kurven aufgrund der Oxidation des Milchprofils zu erzeugen.

5. Techniken zur Charakterisierung von PEDOT

1. Verwenden Sie eine bestimmte Art von Hochleistungs-REM, um die PEDOT-Schichten aus verschiedenen Elektrolyten zu charakterisieren.
   HINWEIS: Hier wurde FEI Quanta 200 ESEM FEG verwendet; Es ist mit einer Schottky Field Emission Gun (FEG) für eine bessere räumliche Auflösung ausgestattet. Dieses Gerät bietet verschiedene Arbeitsmodi wie Hochvakuum, Niedervakuum und Umgebungs-REM-Modi und ist mit einem SiLi (Lithium drifted) Super Ultra-Thin Window EDS-Detektor ausgestattet.
2. Überprüfen Sie die Oberflächenmorphologie von blanken und PEDOT-modifizierten Au-Mikroelektroden (PEDOT-Au) durch REM nach PEDOT-Elektropolymerisation in organischen und wässrigen Lösungen. Führen Sie die PEDOT-Elektropolymerisation auf blanken Au-Mikroelektroden in wässrigen/ACN- und organischen Lösungen unmittelbar vor der Überprüfung durch REM durch.
3. Legen Sie die frisch zubereiteten Elektroden (eine blanke Au-Mikroelektrode und zwei der PEDOT-Au-Mikroelektroden) horizontal auf den REM-Tisch, wobei ihr Kopf in einem bestimmten Winkel über dem Tisch liegt.

Die zyklische Voltammetrie ist eine einfache Technik, um eine dünne PEDOT-Schicht auf einer Au-Mikroelektrodenoberfläche zu bilden, um die Elektrodenleitfähigkeit und -empfindlichkeit während der elektrochemischen Erfassung von Zielanalyten zu erhöhen. Dieses Protokoll demonstriert die Methode der Elektropolymerisation von 0,1 M EDOT aus einer organischen Lösung im Vergleich zu 0,01 M EDOT aus einer wässrigen Elektrolytlösung. Die Ausführung von 10 Zyklen in wässriger / ACN-Lösung führt zu einem moderaten Wachstum von PEDOT, das mit dem der 4 Zyklen in LiClO4 / PC-Lösung vergleichbar ist. Abbildung 1 zeigt einen deutlichen Unterschied zwischen EDOT, das in wässrigen/ACN-Lösungen elektropolymerisiert wird, und organischen Lösungen, wobei die nachfolgenden PEDOT-Schichten durch Anwendung von CV gebildet werden. Es ist offensichtlich, dass das Polymer bei einem Zyklus von -0,3 bis +1,2 V (vs. Ag/AgCl in 3 M NaCl) bei einer Abtastrate von 100 mV/s bei 0,9 V in beiden Elektrolytlösungen (Abbildung 1A und Abbildung 1C) zu oxidieren begann, wobei ein Oxidationspeak bei 1 V in der wässrigen/ACN-Lösung beobachtet wurde.

Bei näherer Betrachtung zeigen die PEDOT-Schichten, die in der organischen Lösung nach 4 Zyklen hergestellt werden, höhere Stromwerte (~ 2,9 μA) bei 1,2 V als der aktuelle Wert (0,23 μA), der für PEDOT-Schichten beobachtet wurde, die bei diesem Potential in der wässrigen / ACN-Lösung gebildet wurden. Wenn die Anzahl der Elektropolymerisationszyklen während der CV-Läufe zunimmt, werden die neuen PEDOT-Schichten allmählich auf der Elektrodenoberfläche hergestellt, um die Dicke der Schichten zu erhöhen. Dies könnte auf die Redoxreaktionen zurückzuführen sein, die im internen PEDOT zwischen dem potenziellen Bereich von 0 bis 0,7 V auftreten (Abbildung 1B und Abbildung 1D). Abbildung 1B und Abbildung 1D zeigen einen engeren Potenzialbereich, um das PEDOT-Wachstum korrekt darzustellen. Die aktuellen Dichtewerte auf der rechten Seite jedes Graphen wurden berechnet, indem die aktuellen Werte auf der linken Seite des Graphen durch die geometrische Oberfläche der unmodifizierten Au-Mikroelektrode (78,5 × 10-8 cm2, r = 5 × 10-4 cm) dividiert wurden.

Es wurde eine REM-Analyse durchgeführt, um die Effizienz der PEDOT-Schichtbildung durch Elektropolymerisation in den beiden Elektrolytlösungen zu bestätigen (Abbildung 2A-F). Die von SEM aufgenommenen Bilder wurden in verschiedenen Vergrößerungen ausgewählt (4000x, 30000x und 60000x). Mit diesen Bildern kann die geometrische Oberfläche von blanken und PEDOT-Au-Mikroelektroden ermittelt werden. Abbildung 2A bestätigt einen Durchmesser von ~10 μm für die blanke Goldmikroelektrode; Daher wird die Oberfläche mit ~ 78,5 × 10-8 cm2 berechnet. Der Durchmesser der PEDOT-Nanostruktur, die sich in der organischen Lösung nach 4 Zyklen an der Oberfläche der Au-Mikroelektrode bildete, betrug ~40 μm (Abbildung 2C,D). Im Gegensatz dazu war das PEDOT-Wachstum auf der Elektrodenoberfläche nach 10 Zyklen der Elektropolymerisation geringer. Es wird als gebirgige polymere Merkmale auf dem Elektrodenumfang mit einer Vertiefung in der Mitte gesehen (Abbildung 2E, F).

Die REM-Bilder belegen die Überlegenheit des PEDOT-Wachstums in der organischen Lösung im Vergleich zum wässrigen / ACN-System und die Bildung einer sehr porösen Nanostruktur, die sich in einer blumenkohlartigen Form aus der Mikroelektrode erstreckt. Diese in einer organischen Lösung hergestellte PEDOT-Mikroelektrode wurde für Sensoranwendungen verwendet, insbesondere für die UA-Detektion in Standardlösungen und Milchproben. Abbildung 3 zeigt das CV zur Detektion von UA in einer Standardlösung an einer blanken Au-Mikroelektrode und dem PEDOT-Sensor. Die Leistung der blanken Au-Mikroelektrode für die UA-Detektion ist gekennzeichnet durch stationäre Ströme, die bei Potentialen von mehr als 0,8 V aufgrund der radialen Diffusion von UA auf die Elektrodenoberfläche erhalten werden (Abbildung 3A). Basierend auf den durchschnittlichen Strömen bei 0,8 V für den UA-Konzentrationsbereich von 62,5 bis 1000 μM nach drei Replikationsläufen wurde eine lineare Kalibrierkurve dargestellt (Abbildung 3B).

Durch den Vergleich der Steigung der Kalibrierkurvengleichungen wurde festgestellt, dass die PEDOT-Mikroelektrode eine 100-mal höhere Empfindlichkeit aufweist als die blanke Mikroelektrode. Interessanterweise war der erkannte UA-Bereich mit dem PEDOT-Sensor, der in einer organischen Lösung hergestellt wurde, von 6,25 auf 200 μM, berechnet durch Messung des aktuellen Wertes an der Spitze des scharfen anodischen Peaks (Abbildung 3C, D). Die Kalibrierkurvendaten für die PEDOT-Elektrode wurden verwendet, um die Nachweisgrenze (LOD) und die Quantifizierungsgrenze (LOQ) der UA für die modifizierte Elektrode zu messen. Die Steigung der Kalibrierkurvengleichung (b) und der ausgewertete Standardfehler des Intercepts (s) wurden verwendet, um die LOD- und LOQ-Werte (95% Konfidenzniveau) - 7 μM bzw. 24 μM14 - unter Verwendung der Gleichungen (1) und (2) zu messen.

LOD= 3s/b (1)

LAGEZUSTAND = 10s/b (2)

Die Empfindlichkeit des organisch hergestellten PEDOT-modifizierten Sensors ist ein wichtiger Faktor. Dies wird berechnet, indem die Steigung der Kalibrierkurve durch die geometrische Oberfläche der Arbeitselektrode dividiert wird, die 397 μA μM-1 cm-2 beträgt.

Eine weitere Anwendung des in der organischen Lösung synthetisierten PEDOT-Sensors war die Analyse des UA-Gehalts in realen Proben, z. B. normaler Frischmilch und ausgewählten aromatisierten Milchproben (Abbildung 4). Der Vorteil dieser Technik ist, dass UA-Gehalte in Milchproben ohne Vorbehandlung oder Verdünnung gemessen werden können. Die Leistung dieses PEDOT-Au-Mikroelektrodensensors wurde mit der PEDOT-modifizierten glasartigen Kohlenstoffmakroelektrode (PEDOT-GC) verglichen, die nach der gleichen Methode in der organischen Lösung15 hergestellt wurde. Der anodische Spitzenstrom für UA in normaler Milch bei 0,35 V (vs. Ag/AgCl) unter Verwendung der PEDOT-Mikroelektrode betrug ~28,4 nA, was 82,7 μM unter Verwendung der Gleichung der Kalibrierkurve in Abbildung 3D entspricht (y = 0,3x + 2,6, R2 = 0,993). Dieser Wert betrug ~83,4 μM für UA in der regulären Milch, die mit dem PEDOT-GC15 bestimmt wurde. Der zweite große Oxidationspeak im CV-Scan von normaler Milch bei 0,65 V (Abbildung 4A) hängt mit oxidierbaren Verbindungen zusammen, einschließlich elektroaktiver Aminosäuren wie Cystein, Tryptophan und Tyrosin15,16. Die Stromdichte dieses Peaks aus der normalen Milch ist über 200-mal größer als die, die mit einem zuvor berichtetenPEDOT-GC 15 erhalten wurde. Dies zeigt eine empfindlichere Reaktion der von PEDOT-Schichten bedeckten Mikroelektrode im Vergleich zur PEDOT-modifizierten Makroelektrode.

Die CV-Scans für Karamell- und weiße Schokoladenmilchproben sind in Abbildung 4A zu sehen. Es zeigt einen klaren Peak bei 0,36 V für UA, zusammen mit einem zusätzlichen Spitzenstrom von ~ 42 nA bei 0,56 V, der mit dem Peak bei 0,66 V verschmolzen ist. Diese zusätzliche Spitze bei 0,56 V kann mit dem Vorhandensein von Vanillinsäure, einem der Bestandteile aromatisierter Milch, in Verbindung gebracht werden. Der CV der belgischen Schokoladenmilchprobe zeigt einen neuen Satz anodischer Spitzen bei 0,26 V, 0,36 V und 0,66 V und einen kathodischen Peak bei 0,22 V. Das Schokoladenprofil ähnelt dem Catechin-Redox-Profil zusammen mit den anderen polyphenolischen Antioxidantien, die in Schokolade oder Kakao15 vorhanden sind. Somit erscheinen die Oxidations- und Reduktionsspitzen von Catechin bei 0,26 V bzw. 0,22 V. Der Spitzenstrom von 0,36 V, der als scharfer Höhepunkt am Ende des Catechin-Peaks erscheint, ist auf die UA-Oxidation zurückzuführen. Abbildung 4B zeigt eine CV der kolumbianischen Espressomilchprobe, die breite anodische und kathodische Spitzenströme bei 0,35 V bzw. 0,23 V am PEDOT-Au aufweist, die auf die wichtigsten phenolischen Antioxidantien im Kaffee, nämlich Chlorogen- und Kaffeesäuren, zurückzuführen sind. Da die geometrische Oberfläche der PEDOT-Mikroelektrode höher ist als die der PEDOT-Makroelektrode, sind die Stromdichten der UA-Spitzen in diesen Milchproben amPEDOT-Au 15 ~150- bis 500-mal größer.

Abbildung 1: Elektropolymerisation von PEDOT auf einer Goldmikroelektrode. PEDOT, hergestellt durch (A, B) 10 CV-Scans in einer wässrigen Lösung (0,01 M EDOT in 1 mL ACN + 9 mL deionisiertem Wasser + 0,1 MLiClO4); und (C, D) mit 4 CV-Scans in einer organischen Elektrolytlösung (0,1 M EDOT in 1 ml 0,1 M LiClO4/PC). B und D sind erweiterte Versionen von A und C , um die PEDOT-Ströme übersichtlich zu visualisieren. Abtastrate = 100 mV/s. Diese Zahl wurde von15 geändert. Abkürzungen: PEDOT = Poly(3,4-ethylendioxythiophen); CV = zyklische Voltammetrie; EDOT = 3,4-Ethylendioxythiophen; ACN = Acetonitril; LiClO4 = Lithiumperchlorat; Ag = Silber; AgCl = Silberchlorid. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2: SEM-Bilder. (A und B) Mikroelektrode aus blankem Gold (Au). PEDOT-modifizierte Goldmikroelektroden, die in (C und D) organischer Lösung nach 4 Zyklen der Elektropolymerisation und (E und F) wässriger Lösung nach 10 Zyklen der Elektropolymerisation bei verschiedenen Vergrößerungen hergestellt werden. Diese Zahl wurde von15 geändert. Abkürzungen: SEM = Rasterelektronenmikroskopie; PEDOT = Poly(3,4-ethylendioxythiophen). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3: Zyklische Voltammogramme für verschiedene Konzentrationen von UA im Phosphatpuffer, pH 6,6. (A) blanke Goldmikroelektrode (Hintergrund subtrahiert) und (C) PEDOT-modifizierte Goldmikroelektrode (Hintergrund subtrahiert), Messungen, die unmittelbar nach dem Einsetzen der Elektrode in die Lösung mit einer Abtastrate von 100 mV/s durchgeführt werden. (B) Diagramm des Grenzstroms bei 0,8 V gegenüber der UA-Konzentration auf der blanken Goldmikroelektrode. (D) Diagramm des anodischen Spitzenstroms (Ip.a/μA) im Vergleich zur UA-Konzentration auf der PEDOT-modifizierten Goldmikroelektrode. (n=3). Diese Zahl wurde von15 geändert. Abkürzungen: UA = Harnsäure; PEDOT = Poly(3,4-ethylendioxythiophen). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4: Zyklische Voltammogramme (Hintergrund subtrahiert). (A) normale Milch, belgische Schokoladenmilch, Karamell und weiße Schokoladenmilch und (B) normale Milch und kolumbianische Espressomilch auf einer PEDOT-modifizierten Goldmikroelektrode (10 μm Durchmesser) bei 100 mV/s. Diese Zahl wurde von15 geändert. Abkürzung: PEDOT = Poly(3,4-ethylendioxythiophen). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

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