Elektrochemischer Nachweis von Mikro-/Nanopolystyrol auf Basis von molekular geprägten Polymeren (MIP)

Zusammenfassung

Dieser Artikel beschreibt eine elektrochemische Methode zur Detektion von Polystyrol (in mikro- und nanoskaliger Größe) unter Verwendung eines molekular geprägten Polymers (MIP) als Sensormethode.

Zusammenfassung

Dieser Artikel basiert auf der elektrochemischen Detektion von mikro- und/oder nanostrukturiertem Polystyrol (m/n-PS). In diesem Artikel wird eine elektrochemische Sensorik auf Basis molekular geprägter Polymere (MIP) für nanostrukturiertes Polystyrol (nPS) mit Größen von 100 nm und 500 nm vorgestellt. Poly-o-phenylendiamin (PoPD) wird als MIP-Material verwendet und elektrochemisch (d. h. durch Elektropolymerisation) auf der Oberfläche einer bedruckten Kohlenstoffelektrode (SPCE) unter Verwendung von o-Phenylendiamin (oPD) als Monomer hergestellt. Zur Herstellung von MIP, das gegenüber m/n-PS selektiv ist, wurden PS-Partikel mit 100 nm und 500 nm als Template-Material eingesetzt. Die Herstellung des PoPD@MIP@SPCE-Systems, das auf m/n-PS abzielt, wurde mittels elektrochemischer Methoden charakterisiert, um die elektrochemischen Eigenschaften und die elektrochemische Sensorik zu verstehen. Schließlich wurden diese optimierten MIPs@PoPD/SPCE-Sensoren zur Demonstration der elektrochemischen Detektion einer Reihe von Konzentrationen von nPS-Lösungen (PS mit 100 nm und 500 nm) im Bereich von 4,2 × 10^-9 bis 2,1 × 10^-4 g/L in Wasser eingesetzt. Die niedrigste von dem entwickelten Sensor nachgewiesene Konzentration beträgt lediglich 4,2 × 10^-9 g/L, und die entsprechende Messdauer liegt bei 11 Minuten. Diese Sensoren wurden ebenfalls zur Detektion von nPS in Wasserproben eingesetzt, die aus dem See der Florida Polytechnic University entnommen wurden. Ein solches vorgeschlagenes Detektionsverfahren kann für die nPS-Analytik in der Point-of-Care-(POC-)Diagnostik verwendet werden, was für Anwendungen in der Umweltüberwachung von großer Bedeutung ist.

Einleitung

Mikro-/Nanokunststoffe, also abgebaute oder geätzte Kunststoffe, deren Produktion und weitere Einbindung in den menschlichen Kreislauf nehmen täglich zu. Gleichzeitig sind die Auswirkungen von Mikro-/Nanokunststoffen auf die Umwelt, das Wasser und die menschliche Gesundheit beunruhigend und betreffen Ökosysteme¹. Daher hat die Notwendigkeit, die damit verbundenen schwerwiegenden Folgen zu bewältigen, weltweit Aufmerksamkeit bei Behörden gefunden¹. Die Lage ist ernst, da die Kunststoffproduktion weiter steigt (allein 2023 auf 390 Millionen Tonnen), um der Nachfrage nach wirtschaftlichem Wachstum gerecht zu werden (Marktvolumen von 700 Milliarden Dollar im Jahr 2023) und um die Anwendung unter verschiedenen Betriebsbedingungen (Hitze, Luftfeuchtigkeit und Wechselwirkungen mit anderen Chemikalien) auszuweiten. Zudem verschärft sich die Situation durch die unzureichende Entsorgung gebrauchter Kunststoffe infolge fehlender einheitlicher globaler Vorschriften. All diese Umstände führen zu einer erhöhten Bildung von Mikro- und/oder Nanokunststoffen, die bereits in den menschlichen Kreislauf gelangt sind und die Gesundheit negativ beeinflussen. Vor diesem Hintergrund besteht die Notwendigkeit für Strategien zur Abscheidung, Detektion und Zersetzung von Mikro-/Nanokunststoffen^1,2,3.

Unter mehreren Mikro-/Nanoplastikarten (mit einer Größe im Bereich von µm bis nm) ist mikro- und/oder nanostrukturierter Polystyrol (m/n-PS) ein Schadstoff von besonderer Bedeutung, der durch die Zersetzung von Polystyrol entsteht, das in zahlreichen Anwendungen wie Verpackungen, Lebensmittelverpackungen, Haushaltsgeräten, Dämmstoffen und anderen Produktentwicklungen eingesetzt wird. Diese m/n-PS-Partikel benötigen Tausende von Jahren für eine vollständige Zersetzung, doch innerhalb dieses Zeitraums können sie mit Nahrung, Wasser und Luft interagieren, in den menschlichen Kreislauf gelangen und in den menschlichen Körper eindringen. Kürzlich haben verschiedene Studien bestätigt, dass m/n-PS (im ppb-Bereich) mit (1) zellulärer Toxizität^1,2, (2) Schilddrüsenfunktionsstörungen, (3) der Durchquerung der Blut-Hirn-Schranke (BBB)², (4) der Beeinträchtigung der Funktion von Gehirnzellen², (5) Neurotoxizität² und (6) neurodegenerativen Erkrankungen^1,4 assoziiert ist. Daher ist es entscheidend, Methoden zur selektiven Detektion von m/n-PS auf sehr niedrigem Niveau zu untersuchen. Angesichts der Verbindung von m/n-PS mit Umwelt- und Gesundheitsfaktoren wird empfohlen, die Detektion unter Bedingungen der Point-of-Care-(PoC)- und Point-of-Use-(PoU)-Anwendung durchzuführen³. Ein solcher Ansatz könnte für Überwachungsanwendungen erforscht und übernommen werden. Gleichzeitig können diese PoC- und PoU-Detektionsverfahren mit Ansätzen der künstlichen Intelligenz (KI) kombiniert werden, um eine schnelle Analyse und Entscheidungsfindung zu ermöglichen⁴. Um diese Aufgaben zu bewältigen, wird technologisch die Entwicklung eines miniaturisierten Sensors zur selektiven Erfassung von m/n-PS empfohlen. Selektivität ist ein entscheidender Parameter, da m/n-PS eine Affinität zu anderen Wasser Schadstoffen wie per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS), natürlichem organischem Abfall usw. aufweisen kann⁴.

Derzeit gibt es zahlreiche Ansätze zur Detektion von m/n-PS, darunter die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR), die Rasterelektronenmikroskopie (REM) und die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie.³Diese Techniken sind wirksam, weisen jedoch keine kosteneffiziente Alternative dar und zeigen Einschränkungen hinsichtlich der Detektion im ppb- und ppt-Bereich. Andere Methoden, wie die Pyrolyse-Gaschromatographie/Massenspektrometrie (Py-GC/MS), sind ebenfalls äußerst effizient, haben jedoch Nachteile wie hohe Kosten, den Bedarf an aufwendiger Instrumentierung sowie eine auf Expertenwissen basierende, arbeitsintensive Handhabung.^1,3. Der Nachweis von Polystyrol (PS) erfordert die Auswahl der geeigneten analytischen Methode entsprechend der Ziel-Partikelgröße und den strukturellen Eigenschaften. Während herkömmliche Methoden am Laborarbeitsplatz eine beispiellose analytische Tiefe bieten, stellt die elektrochemische Polystyrol-Sensorik einen deutlichen Paradigmenwechsel dar, da sie einen schnellen, kostengünstigen und vor-Ort-einsetzbaren Nachweis von submikronen und nanoskaligen Kunststoffpartikeln direkt in flüssigen Matrizes ermöglicht. Zu den Standardlaborverfahren zählen die FTIR- und Raman-Spektroskopie, die auf einzigartigen Fingerabdrücken (chemisch oder vibrationsbasiert) basieren, um eine genaue Identifizierung und Visualisierung unbekannter Partikelformen und -größen bis zu etwa 1 µm. Diese spektroskopischen Methoden sind jedoch teuer, weisen eine geringe Abtastgeschwindigkeit auf und erfordern eine intensive Probentrocknung³Für die Einhaltung gesetzlicher oder behördlicher Vorschriften gilt Py-GC/MS als Goldstandard zur Bestimmung der gesamten Massenanteile von PS in hochkomplexen Matrizes wie Boden und Schlamm, obwohl dabei die Probe zerstört und sämtliche morphologischen Daten verloren gehen.³Im Gegensatz dazu können elektrochemische Sensormethoden, die spezifisch modifizierte Elektrodenoberflächen verwenden, beispielsweise molekular geprägte Polymere (MIPs) oder peptidfunktionalisiertes Graphen, PS erfassen über physikalische Adsorption oder elektrostatische Affinität und verursachen sofortige Änderungen des elektrischen Stroms oder des Widerstands^1,3. Eine vergleichende Übersicht zur sensorischen Leistung der elektrochemischen Polystyrol-Detektion im Vergleich zu anderen für die Polystyrol-Erkennung verwendeten Techniken ist zusammengefasst in Tabelle 1.

Gleichzeitig sind diese Nachweismethoden etwas selektiver für mikro- und submikroskalige PS bei leicht höherer Konzentration (mM). Diese Techniken eignen sich jedoch nicht für nanostrukturierte PS (unter 100 nm) und niedrige Konzentrationen von nPS. Diese Einschränkung hängt zusammen mit (1) den Eigenschaften und der Beschaffenheit der ausgewählten Materialien, die das Antwortsignal nicht verstärken können, und (2) der Mikroelektronik, die möglicherweise nicht in der Lage ist, ein schwaches Antwortsignal zu verarbeiten. Zudem eignen sich die meisten PS-Nachweisinstrumente nicht für den PoC- und PoU-Nachweis von m/n-PS. Kürzlich wurden Anstrengungen unternommen, elektrochemische Nachweismethoden für m/n-PS zu entwickeln, wozu ein Sensormaterial erforderlich ist, um die Detektion durchzuführen^4,5,6,7,8,9. Bekanntermaßen handelt es sich bei elektrochemischen Sensoren um kostengünstige, tragbare Gerätesysteme, die subnanomolare Nachweisgrenzen innerhalb weniger Minuten schnell erfassen können. Solche Systeme können eine ideale Lösung für Hochdurchsatz-Untersuchungen in Umweltproben am Bedarfsort (PoN) darstellen, wo herkömmliche analytische Werkzeuge und Laborinfrastruktur nicht verfügbar sind. Daher kann ein tragbares elektrochemisches System für den PS-Nachweis entwickelt werden, indem ein geeigneter Wandler, geeignete Sensormaterialien sowie geeignete Datenverarbeitungs- und Analyseverfahren ausgewählt werden^1,2,3. Ein derart optimierter Sensor mit hoher Empfindlichkeit kann m/n-PS in einer PoU- und PoN-Umgebung durch Messung elektrischer Signale nachweisen und macht den Einsatz aufwändiger Instrumente und Labore überflüssig.

Es gibt einige derartige Sensortypen, und die demonstrierte Detektion erfüllt die Anforderungen von Überwachungsanwendungen^1,4. Allerdings werden der Sensiermechanismus und der Grund für die Selektivität aufgrund fehlender selektiver Erkennungs- oder Affinitätskomponenten bisher wenig diskutiert. Daher besteht ein dringender Bedarf, miniaturisierte elektrochemische Sensoren zur selektiven Detektion von m/n-PS zu erforschen. In dieser Hinsicht schlägt der vorliegende Bericht einen MIP-basierten elektrochemischen Sensor vor, der in der Lage ist, m/n-PS selektiv nachzuweisen. MIPs sind bekannt dafür, gezielt ein bestimmtes Analyt zu binden, das dabei als Template-Material verwendet wird^10,11,12,13. Dieses Template wird durch Größe, Orientierung und Form des Analyts definiert und erzeugt Hohlräume, an denen das Zielanalyt selektiv an der Oberfläche der Sensorelektrode binden kann. Aufgrund dieser Spezifität gelten MIPs als künstliche Antikörper, die für fortschrittliche biomedizinische Anwendungen benötigt werden, und wurden bereits in verschiedenen Arten selektiver Sensoranwendungen eingesetzt. Aufgrund der Massenproduktion, der Kontrolle über elektrische Eigenschaften und der einfachen Oberflächenmodifizierung weisen MIP-basierte Ansätze translative Aspekte auf^1,14.

Um die Fähigkeiten der MIP-basierten Sensorik mit den Merkmalen der elektrochemischen Sensorik zu kombinieren, stellt dieser Artikel eine Methode zur m/n-PS-Sensorik unter Verwendung eines auf Poly-o-Phenylenediamin (PoPD) basierenden MIPs vor. Die Eigenschaften von PoPD als MIP für Sensoranwendungen wurden bereits in früheren Forschungsveröffentlichungen diskutiert. Das MIP aus PoPD wurde elektrochemisch auf einer Siebdruck-Kohlenstoffelektrode (SPCE) hergestellt, einem angepassten Dreielektrodensystem, das für die Durchführung elektrochemischer Messungen geeignet ist. Der Herstellungsprozess des MIPs wurde unter Verwendung von sowohl 100 nm als auch 500 nm großen m/n-PS-Partikeln (zwei separate Chips) als Vorlagematerialien durchgeführt. Sowohl die MIP@PoPD-(100 nm-Vorlage)@SPCE- als auch die MIP@PoPD-(500 nm-Vorlage)@SPCE-Chips können m/n-PS mittels Chronoamperometrie (CA) und differentieller Pulsvoltammetrie (DPV) im Konzentrationsbereich von 4,2 × 10^-9 bis 2,1 × 10^-4 g/L nachweisen. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass das MIP-PoPD (hergestellt mit einer 500 nm-Vorlage) ein besseres mathematisches Modell für die nPS-(500 nm-)Sensorik im Vergleich zu 100 nm großen nPS in Wasserproben aufweist. Die ausführliche Beschreibung dieses methodenbezogenen Artikels wurde von Sanchez-Almirola et al.¹ veröffentlicht und erhielt ein US-Patent¹⁵.

Protokoll

Die Autoren erklären, dass diese Forschung in Übereinstimmung mit den behördlichen Vorschriften und der institutionellen Aufsicht durchgeführt wurde. Der mit dieser Forschung verbundene Abfall wurde gemäß den Richtlinien der Abteilung für Umwelt- und Gesundheitssicherheit (EHS) der Universität gelagert. Anschließend wurde der Abfall in regelmäßigen Abständen von Experten eingesammelt und entsorgt. Die Autoren haben alle vom EHS-Department der Universität empfohlenen Laborsicherheitsschulungen abgeschlossen und alle Vorschriften während der Durchführung der vorgeschlagenen Forschung befolgt. Die verwendeten Reagenzien und Geräte sind in der Tabelle der Materialien aufgeführt.

1. Materialien

1. Beziehen Sie screen-printete Kohlenstoffelektroden (SPCEs), die für die Herstellung von MIPs verwendet werden, aus kommerziellen Quellen.
   ANMERKUNG: SPCEs sind elektrochemische Systeme, die aus drei Elektroden bestehen: einer Arbeitselektrode (WE), einer Gegenelektrode (CE) und einer Referenzelektrode (RE). Die WE der SPCE (3 mm Durchmesser) besteht aus Graphit, die CE der SPCE besteht aus Kohlenstoff, und die RE der SPCE besteht aus Silber.
2. Stellen Sie eine Stammlösung von PS (sowohl 100 nm als auch 500 nm) unter Verwendung von deionisiertem (DI) Wasser als Lösungsmittel her.

2. Elektrochemie und Charakterisierung

1. Stellen Sie eine Polymerisationslösung aus PS-Partikeln (100 nm und 500 nm große nPS-Partikel separat) und o-Phenylenediamin her, die in entionisiertem Wasser suspendiert sind.
2. Führen Sie nach der Elektropolymerisation eine Elution durch, indem Sie die SPCE in eine Lösung aus gleichen Teilen entionisiertem Wasser und Methanol eintauchen.
   HINWEIS: Alle elektrochemischen Experimente und Charakterisierungen wurden mit einem Potentiostaten durchgeführt.
3. Führen Sie elektrochemische Untersuchungen unter Verwendung von phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) als Redoxelektrolyt durch, die 5 mM Kaliumferricyanid K₃[Fe(CN)₆] und Kaliumferrocyanid K₄[Fe(CN)₆] enthält. Bereiten Sie die PBS-Lösung vor, indem Sie eine Puffertablette (für pH = 7) in 200 mL entionisiertem Wasser auflösen und so lange mischen, bis die Tablette vollständig gelöst ist. Die Betriebsparameter der zyklischen Voltammetrie (CV) werden später erläutert.
4. Untersuchen Sie die Herstellung, Charakterisierung und Sensoreigenschaften von MIP@PoPD mittels elektrochemischer Techniken wie CV und differentieller Pulsvoltammetrie (DPV). Die Betriebsparameter der CV- und DPV-Untersuchungen werden später erläutert.
5. Führen Sie die Elektrochemie mit elektrochemischen Analysatoren durch und betreiben Sie den Analysator mit der Software PSTrace 5.9.
   HINWEIS: Die Einzelheiten zur Herstellung von MIP@PoPD werden in verwandten früheren Veröffentlichungen beschrieben^1,13.

3. Reinigung der Elektrode

1. Das SPCE in eine 1 M Lösung von Salzsäure (HCl) eintauchen, um eine saubere Oberfläche für die Polymerisation zu gewährleisten. Das HCl wurde gemäß den Richtlinien¹ aufbewahrt und behandelt.
2. Um die Elektrode zu reinigen, das SPCE mit dem Potentiostaten verbinden und eine zyklische Voltammetrie (CV) mit einem Potentialbereich von -1 V bis 1 V und einer Scanrate von 100 mV/s über 10 Zyklen durchführen.
3. Anschließend die SPCE-Oberfläche mit entionisiertem Wasser abwaschen und zur Lufttrocknung beiseitestellen.
4. Das SPCE-System charakterisieren, indem CV von -1 V bis 1 V bei einer Scanrate von 50 mV/s über 3 Zyklen und DPV von -1 V bis 1 V mit einer Impulsamplitude von 0,01 V und einer Impulszeit von 0,01 s durchgeführt wird.

4. Herstellung von MIP@PoPD

1. Zur Herstellung der Polymerisationslösung 1 mM o-Phenylendiamin (oPD) und 10 µL des Zielanalyten [500 nm (2,1 × 10^-4 g/L) oder 100 nm (2,1 × 10^-4 g/L)] große Partikel von nPS in 15 mL entionisiertem Wasser (DI-Wasser) mischen. Hier werden zwei verschiedene Arten von Polymerisationslösungen erwähnt.
2. Mit einer Mikropipette 100 µL der Polymerisationslösung auf die Arbeitselektrode des SPCE-Systems geben.
3. Zur Herstellung des PoPD-basierten MIPs nach Anschluss des SPCEs an das Potentiostat zyklische Voltammetrie (CV) im Potentialbereich von 0 V bis 1 V, mit einer Scanrate von 50 mV/s über 30 Zyklen durchführen. Hierbei werden zwei verschiedene Arten von MIPs hergestellt, eine spezifisch für eine 100 nm große Vorlage und eine andere spezifisch für eine 500 nm große Vorlage.
4. Wie zuvor das SPCE mit DI-Wasser waschen und an der Luft trocknen lassen.
5. Wie zuvor das SPCE-System charakterisieren, indem CV von -1 V bis 1 V bei einer Scanrate von 50 mV/s über 3 Zyklen und DPV von -1 V bis 1 V mit einer Pulsamplitude von 0,01 V und einer Pulszeit von 0,01 s durchgeführt wird.
6. Das PoPD@SPCE-System durch Einlegen der Elektrode in eine 50/50-Lösung aus Methanol und DI-Wasser für 30 min bei 25 °C eluieren.
7. Das eluierte SPCE erneut mit DI-Wasser spülen und an der Luft trocknen.
8. Wie zuvor das SPCE-System charakterisieren, indem CV von -1 V bis 1 V bei einer Scanrate von 50 mV/s über drei Zyklen und DPV von -1 V bis 1 V mit einer Pulsamplitude von 0,01 V und einer Pulszeit von 0,01 s durchgeführt wird.

5. Elektrochemische nPS-Detektion

1. Tragen Sie mit einer Mikropipette 100 µL der gewünschten Analytlösung (bezogen auf 100 nm- und 500 nm-große nPS) auf die Arbeitselektrode auf und lassen Sie 10 min Inkubationszeit (bei 25 °C) verstreichen, damit das Analyt an die MIP-Schicht binden kann.
   ANMERKUNG: Die für die Detektion ausgewählten Lösungen waren wie folgt: 2,1 × 10^-4 g/L, 4,2 × 10^-6 g/L, 2,1 × 10^-7 g/L, 4,2 × 10^-8 g/L, 4,2 × 10^-9 g/L und 0 g/L.
2. Nach Ablauf der Inkubationszeit spülen Sie das SPCE-System mit entsalztem Wasser, um nicht gebundene nPS aus der MIP-Schicht zu entfernen.
3. Stellen Sie nach dem Wiederanschluss des SPCE-Systems an das Potentiostat die Elektrode mittels CV von -1 V bis 1 V bei 50 mV/s über drei Zyklen, DPV von -1 V bis 1 V mit Pulsspannung 0,01 V und Pulszeit 0,01 s über drei Zyklen charakterisieren und führen Sie drei Zyklen der Chronoamperometrie (CA) bei 10 V über 30 min durch. Die CA-Untersuchungen wurden bei verschiedenen Spannungen durchgeführt, jedoch wurde das verstärkte Signal bei 10 V erzielt.
   ANMERKUNG: Alle elektrochemischen Messungen wurden dreifach durchgeführt (n=3), und Graphen gleicher Größe wurden für die Analyse verwendet.

6. Datenauswertung

1. Analysieren Sie alle in MATLAB (Version R2022b) generierten Daten.
   HINWEIS: Bei DPV erzeugen Elektroden elektrochemische Signale auf unterschiedlichen Grundlinien. Daher wird die Prominenz zur Analyse des elektrochemischen Verhaltens und zur Erstellung der Kalibrierungskurve ausgewählt. Die Berechnung der Prominenz erfolgt direkt mit der Software PSTrace 5.9, was ein automatischer Prozess ist. Die mit der Software PSTrace 5.9 gesammelten DPV-Daten wurden anschließend mit MATLAB dargestellt. PSTrace 5.9 ist eine benutzerfreundliche Software, die den elektrochemischen Potentiostaten zur Durchführung elektrochemischer Experimente, einschließlich CV- und DPV-Studien, steuert. Die Parameter für die Durchführung von CV- und DPV-Studien wurden an den entsprechenden Stellen oben angegeben. Die mit PSTrace 5.9 generierten Daten wurden zur besseren Darstellung verwendet, um Diagramme mit MATLAB zu erstellen.

Ergebnisse

The MIP@PoPD@SPCE is a sensing electrode system, which is discussed in this article, wherein the two MIPs of PoPD were fabricated on SPCE using 100 nm and 500 nm-sized nPS as a template material. Regarding this study, two types of MIP@PoPD@SPCE sensing chips were developed: one fabricated using nPS of 100 nm as the template material, and the other with reference to nPS of 500 nm as the template material. These MIP@PoPD@SPCE systems were used to detect specific sizes of nPS (for example, 100 nm and 500 nm nPS, separately) in representative water samples, using the proposed method.

During the process of sensing, it is important to know the electrochemical behavior of the sensing electrode, electrolyte, and the nPS at various stages and conditions. Therefore, the nature of SPCE and nPS is investigated using electrochemical studies, including CV and DPV. To understand the influence of nPS on the electrochemical outcomes, we performed CV and DPV of SPCE using PBS as the electrolyte, as well as in a combination of PBS and nPS. The understanding of the surface properties of SPCE and MIP@SPCE is also very important, which was evaluated using Raman spectroscopy.

Cleaned and optimized SPCEs were utilized for both MIP@PoPD@SPCE systems fabrication, using both 100 nm and 500 nm-sized nPS as template materials. Surface functional characteristics of SPCEs were well explored; all SPCEs were processed for MIP@PoPD fabrication using electrochemical techniques. All the MIP@PoPD/SPCE sensing chips were fabricated using an identical polymerization solution, diluted samples, cleaning solution, and electrolyte solution. The CV technique was utilized for the electrochemical cleaning of the SPCE electrode, as presented in Figure 1A. Once cleaned, these SPCE electrodes were utilized for the fabrication of MIP on the WE of SPCE via electro-polymerization of PoPD using CV techniques, as presented in Figure 1B. The CV (Figure 1C) and DPV (Figure 1D) techniques were also utilized to understand the electrochemical behavior of SPCE at various stages, for example, post-cleaning, post-polymerization, and post-elution.

MIP@PoPD@SPCE chips were fabricated using 500 nm-sized nPS as template material for the electrochemical sensing of nPS (500 nm-sized nPS) concentrations (ranging from 4.2 x 10^-9 to 2.1 x 10^-4 g/L). In this approach, electrochemical techniques, including DPV (Figure 2) and CA (Figure 3), were utilized for performing the selective sensing of nPS. In this process, several MIP@PoPD@SPCE sensing chips, specific to 500 nm-sized nPS, were utilized for a single use. This means a new sensing electrode should be utilized for the sensing of each concentration of nPS (500 nm-sized) using the DPV technique (Figure 2A). As expected, the DPV-based electrochemical signal was found to increase as a function of nPS concentration. The magnitude of the electrochemical signal as a function of each concentration was utilized to establish a calibration graph plotted between the nPS concentrations and peak current response, in terms of prominence (Figure 2B). Thus, the plotted calibration graph seems acceptable mathematically and exhibited a sensitivity of 0.037169 µA/log(g/L), a regression coefficient (R²) of 0.902, a limit of detection of 4.2 × 10^-9 g/L, and a significance p-value of < 0.015

To explore multi-mode electrochemical sensing of nPS (500 nm), these MIP@PoPD@SPCE sensing chips were utilized for sensing of nPS (500 nm, ranging from 4.2 x 10^-9 to 2.1 x 10^-4 g/L) using the CA technique (Figure 3), at a constant 10 V for 30 min. The magnitude of the current response of each sensor stabilized after approximately 3 min. Therefore, the first 180 s of each recording were plotted and used for sensing-data analysis. Therefore, only the first 180 s were plotted and selected for sensing data analysis (Figure 3A). The results of CA studies also showed that the current flowing through each sensing chip steadily drops for the first 70 s, followed by a steep decline before the current stagnates. The rate of current change (Figure 3B) was processed through a low-pass filter. Further, the rates of current change for each concentration tested were averaged and plotted against the logarithm of each concentration. These outcomes were utilized to plot a calibration curve (Figure 3C). The outcomes of the CA-based electrochemical signal as a function of nPS concentrations exhibited a very promising method. This is reflected by a very well-fitted calibration curve that exhibited an R² of 0.994 and a very high correlation between the average rate of current change and nPS concentration. Additionally, a wide detection range from 4.2 x 10^-9 to 2.1 x 10^-4 g/L, the lowest concentration detected at 4.2 × 10^-9 g/L, and a statistically significant result at the p < 0.001 level were also observed.

Following the same process, the MIP@PoPD@SPCE sensing electrode, fabricated using 100 nm nPS as template material, has been utilized for the electrochemical sensing of nPS (100 nm-sized) using DPV (Figure 4) and CA (Figure 5) techniques in the concentration range from 4.2 x 10^-9 to 2.1 x 10^-4 g/L. An increase in the magnitude of MIP@PoPD@SPCE chip was observed as the concentration of 100 nm-sized nPS increases, as illustrated in Figure 4A. The outcomes of this study (Figure 4A) were utilized to plot a calibration curve (Figure 4B), the magnitude of the electrical signal with reference to a specific concentration. Thus, the plotted calibration curve exhibited a linear regression R² of 0.738, a sensitivity of 0.0533 µA/log(g/L), a wide detection range (from 4.2 x 10^-9 to 2.1 x 10^-4 g/L), a limit of detection of 4.2 × 10^-9 g/L, and statistical significance (p < 0.05). A CA-based electrochemical approach was also explored for multi-mode electrochemical sensing of nPS (100 nm-sized) using the MIP@PoPD@SPCE sensing electrode chip, as illustrated in Figure 5. To perform CA studies here, the identical parameters were adopted as applied in the case of nPS (500 nm-sized particle of nPS) sensing using the CA approach.

Figure 5A,B represent the sensing outcomes related to CA-based sensing of nPS (100 nm-sized particle of nPS) using MIP@PoPD@SPCE sensing electrode specific to 100 nm-sized nPS. Further, the outcomes of these experiments were utilized to establish a calibration curve (Figure 5C) between the rate of change of current and the varied concentration of nPS (100 nm). This calibration plot showed a good fit of the CA-based calibration curve (i.e., R² = 0.746) and correlation (p-value < 0.05). This calibration curve also exhibited a sensitivity of 5.09 × 10^-4 dA/dt /log(g/L), a wide detection range from 4.2 x 10^-9 to 2.1 x 10^-4 g/L, and a limit of detection of 4.2 × 10^-9 g/L. Both DPV and CA studies related to the sensing of 100-nm-sized nPS are not acceptable due to a poor r² value. But the MIP@PoPD@SPCE chips, fabricated using nPS of 100 nm as template material, can be utilized for the screening of 100 nm nPS in water samples.

To evaluate the selectivity of sensing electrodes, DPV studies were performed using a specific MIP@PoPD@SPCE sensing chip with reference to 100 nm and 500 nm-sized particles of nPS. In this process, two MIP@PoPD matrices were fabricated using 100 nm and 500 nm-sized nPS as template material to generate specific cavities. These chips were utilized for DPV-based sensing of nPS with reference to nPS (2.1 × 10^-4 g/L) of both 100 nm and 500 nm PS in water (data not shown). In this cross-reactivity study, MIP@PoPD (fabricated using 500 nm PS) exhibited a difference in prominence when incubated with 100 nm and 500 nm nPS. It is observed that the MIP@PoPD@SPCE, fabricated using the 500 nm template, is responsive to 500 nm. In this case, the signal change, i.e., the difference in prominence between the sensing electrode and the sensing electrode with the targeted sample, was observed to be significantly higher. At the same time, the selectivity of MIP@PoPD-based sensing chips was also evaluated when a non-imprinted polymer (NIP) of PoPD was selected as the sensing chip. The NIP@PoPD@SPCE electrodes were fabricated using identical experimental conditions as optimized for the fabrication of MIP@PoPD@SPCE sensing electrodes. For the DPV-based sensing experiment, a 2.1 x 10^-4 g/L concentration of 500 nm-sized nPS was selected to incubate in NIP@PoPD@SPCE and MIP@PoPD@SPCE sensing electrode systems (data not shown). The outcomes of this study suggest that the NIP@PoPD@SPCE system did not show any significant electrochemical change (in terms of prominence) at a low concentration of the 500 nm-sized nPS particles. However, the MIP@PoPD@SPCE-based sensing electrode showed a significant change in response current (in terms of prominence, from 4.155–4.492 µA).

To explore the aspects of real applications, the proposed MIP@PoPD@SPCE sensing electrodes (specific to 100 nm-sized particles of nPS) were utilized to detect 100 nm-sized nPS particles in the artificially prepared water samples. To prepare testing samples, lake water from Florida Polytechnic University in Lakeland, Florida, USA, was utilized. This test was performed using CV and DPV techniques and lake water samples containing 2.1 × 10^-4 g/L of 100 nm-sized nPS and sensing chips that were specific to 100 nm-sized nPS particles (data not shown). These experiments were performed in PBS (pH = 7) only and PBS containing 5 mM of ferricyanide/ferrocyanide mixture (Fe (II)/Fe (III)) (data not shown). Such a performance, mediator-free and with mediator sensing, presents the broad applicability of the proposed sensors. An observed specific signal spike only in the case of adding nPS suggested the selectivity of the sensing chip. The magnitude of the current increase in both PBS and Fe (II)/Fe (III) is nearly identical, which suggests that either solution could be used for sensing applications. In summary, the proposed MIP@PoPD@SPCE chips can be transformed for the sensing of nPS in water samples in the POC setting.

Figure 1: Electrochemical fabrication of MIP@PoPD@SPCE sensing electrode chip. (A) CV-based cleaning process, (B) CV-based electro-polymerization of oPD to PoPD, in the presence of nPS, onto SPCE, (C) CV-based characterization of PoPD@SPCE at various stages, including post-cleaning, post-polymerization, and post-elution, and (D) DPV-based characterization of the chip, including post-elution, polymerization, and cleaning stages. All the measurements were performed in triplicate (n = 3), and the graphs of identical signals were utilized in the analysis. Please click here to view a larger version of this figure.

This figure is adapted from Sanchez-Almirola et al.¹.

Figure 2: DPV-based electrochemical sensing of nPS (with reference to a 500 nm-sized template). (A) DPV-based electrochemical studies as a function of 500 nm concentrations in the presence of PBS containing 5 mM redox moieties, i.e., Fe(II)/Fe(III). (B) A calibration curve plotted between peak response current (prominence) and the log of nPS concentration. All the measurements were performed in triplicate (n = 3), and the graphs of identical signals were utilized in the analysis. The DPV scan peak prominence is plotted against the log of concentration with a linear regression fit (R² = 0.902, p-value = 0.0135, RMSE = 0.0596). The data display a sensitivity of 0.037169 µA/log(g/L), a detection range from 4.2 × 10-9 to 2.1 × 10-4 g/L, a 5% error bar, and a limit of detection of 4.2 × 10^-9 g/L. This figure is adapted from Sanchez-Almirola et al.¹. Please click here to view a larger version of this figure.

Figure 3: CA-based studies related to electrochemical sensing of nPS (with reference to 500 nm-sized particles of nPS). (A) CA pattern as a function of nPS (500 nm-sized) concentrations (at 10 V for 180 s) in the presence of PBS containing 5 mM redox moieties [Fe(II)/Fe(III)], (B) rate of current response change with reference to each concentration tested, and (C) a calibration curve plotted between the mean of change in current change for each concentration of nPS (500 nm-sized). All the measurements were performed in triplicate (n = 3), and the graphs of identical signals were utilized in the analysis. The mean rate of change of current for each concentration of 500 nm-sized nPS tested alongside a linear regression fit (R² = 0.994, p-value = 0.000177, RSME = 9.05 × 10^-5) with a sensitivity of – 5.09 × 10^-4 dA/dt /log(g/L), a wide detection ranges from 4.2 × 10^-9 - 2.1 × 10^-4 g/L, and a limit of detection of 4.2 × 10^-9 g/L. This figure is adapted from Sanchez-Almirola et al.¹. Please click here to view a larger version of this figure.

Figure 4: DPV-based electrochemical sensing of nPS (with reference to 100 nm-sized particles of nPS). (A) DPV-based electrochemical studies as a function of 100 nm-sized of nPS concentrations in the presence of PBS containing 5 mM redox moieties, i.e., Fe(II)/Fe(III). (B) A calibration curve plotted between peak response current (prominence) and the log of nPS concentration. All the measurements were performed in triplicate (n = 3), and the graphs of identical signals were utilized in the analysis. Calibration curve: DPV scan prominence plotted against the log of concentration with a linear regression fit (R² = 0.738, p-value = 0.0284, RMSE = 0.081) using a 100 nm-sized template MIP. Thus, the plotted calibration graph shows a sensitivity of 0.0533 µA/log(g/L), a wide detection range from 4.2 × 10-9 to 2.1 × 10-4 g/L, a 5% error bar, and a limit of detection of 4.2 × 10^-9 g/L. This figure is adapted from Sanchez-Almirola et al.¹. Please click here to view a larger version of this figure.

Figure 5: CA-based studies related to electrochemical sensing of nPS (with reference to 100 nm-sized particles of nPS). (A) CA pattern is as a function of nPS (100 nm-sized particles of nPS) concentrations (recorded at 10 V for 180 s) in the presence of PBS containing 5 mM redox moieties [Fe(II)/Fe(III)], (B) rate of current response change with reference to each concentrations tested, and (C) a calibration curve plotted between the mean of change in current change for each concentration of nPS (100 nm-sized particles of nPS). All the measurements were performed in triplicate (n = 3), and the graphs of identical signals were utilized in the analysis. Mean rate of change of current for each concentration of 100 nm tested alongside a linear regression fit (R² = 0.746, p-value = 0.0266, RMSE = 0.00281) with a sensitivity of 5.09 × 10^-4 dA dt /log(g/L), a detection range from 4.2 × 10^-9 g/L to 2.1 × 10^-4 g/L, error bar of 5%, and a limit of detection of 4.2 × 10^-9 g/L. This figure is adapted from Sanchez-Almirola et al.¹. Please click here to view a larger version of this figure.

Metric	Electrochemical Sensing	FTIR Spectroscopy	Raman Spectroscopy	Pyrolysis-GC/MS
Data Output	Concentration / Particle Count	Particle Count, Size, & Chemical ID	Particle Count, Size, & Chemical ID	Total Polymeric Mass & Additives
Target Size Limit	Sub-micron	Micro-scale	Micro-scale	Independent of size (mass-dependent)
	<100 nm	>10 µm	>1 µm
Analysis Speed	Minutes (Real-Time)	Hours (Scanning + Processing)	Hours (Mapping + Processing)	Hours (Thermal Extraction)
Equipment Cost	Low	High	High	Extremely High
	<$1,000	$40k - $150k	$50k - $200k	$150k - $300k

Table 1: A comparative sensing performance of electrochemical polystyrene sensing in comparison with the other techniques adopted for polystyrene detection.

Diskussion

In dieser Studie werden die Konstruktion und Entwicklung eines auf MIP basierenden elektrochemischen Sensors für nPS in Wasserproben vorgestellt. Zwei getrennte Chips wurden verwendet, darunter (1) MIP@PoPD@SPCE unter Bezugnahme auf 100 nm große nPS als Template-Materialien und (2) MIP@PoPD@SPCE unter Bezugnahme auf 500 nm große nPS als Template-Materialien. Dabei erfolgte die schrittweise Charakterisierung der jeweiligen MIP-Herstellung und Detektion von nPS mittels CV- und DPV-basierter elektrochemischer Untersuchungen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Erforschung der elektrochemischen Eigenschaften von SPCE, PoPD und nPS. Die Ergebnisse der CV- und DPV-Studien zeigen, dass die Signalstärke von SPCE zunimmt, wenn nPS zum Elektrolyten hinzugefügt wird. Dies bestätigt den elektroaktiven Charakter von nPS. Mikroplastik (MPs) gilt im Allgemeinen als isolierendes Material; bei m/n-PS wird jedoch beobachtet, dass dessen Anwesenheit die elektrochemische Signalstärke im Vergleich zum MIP@PoPD@SPCE-System erhöht. Dieses Verhalten kann mit den verbesserten Eigenschaften von nPS unter Einwirkung eines elektrischen Feldes in Verbindung gebracht werden, basierend auf einer sorgfältigen Diskussion und Analyse der Literatur. Diese nPS (100 nm und 500 nm große nPS) weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, wie beispielsweise eine einstellbare Oberflächenladung und Radikalbildung unter verschiedenen Bedingungen (z. B. einem elektrischen Feld), und fördern den Elektronentransport. In den CV-basierten elektrochemischen Untersuchungen von nPS@PBS@MIP@SPCE wird beobachtet, dass sich die Peakposition verschiebt und die Stromstärke zunimmt. Zusätzlich zeigt die DPV-basierte elektrochemische Untersuchung, dass die Signalstärke von nPS@PBS@MIP@SPCE etwa das Vierfache der von PBS ohne nPS erreicht. Diese Ergebnisse bestätigen, dass nPS in Gegenwart einer Potentialdifferenz und einer Elektrolytlösung als elektroaktives Material wirkt.

Die Elektropolymerisation von oPD erzeugt ein polymers Netzwerk, PoPD. Dieselbe Elektropolymerisation von oPD zusammen mit nPS erzeugt ein polymers System, in das nPS (Partikel mit 100 nm und 500 nm) eingebettet sind. Außerdem führt die Entfernung von nPS aus dem PoPD-Plus-nPS-System durch den Elutionsprozess zur Herstellung spezifischer Hohlräume innerhalb von PoPD. Diese Hohlräume sind hinsichtlich Größe, Orientierung und Gesamtform der nPS-Partikel spezifisch. Nach der Elution wird das MIP aus PoPD (das gezielt die ursprünglichen Template-Moleküle der 100 nm- und 500 nm-großen nPS-Partikel erkennt) auf der SPCE hergestellt. Um zu bestätigen, dass die Herstellung des MIP@PoPD@SPCE-Sensorelektrodensystems erfolgreich war, wurden systematisch verschiedene elektrochemische Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Experimente wurden im Vergleich zur blanken SPCE analysiert. Die analytische Bewertung zeigte, dass sich die elektrochemische Antwort bei jedem Schritt der MIP@PoPD@SPCE-Herstellung verändert. Als Hauptbeobachtung nimmt die Stärke der elektrochemischen Antwort von PoPD (mit nPS)@SPCE aufgrund der Anwesenheit von nPS auf der Elektrodenoberfläche zu. Danach verringert sich die Stärke der elektrochemischen Antwort von MIP@PoPD@SPCE im Vergleich zu PoPD (mit nPS)@SPCE leicht, verursacht durch die Entfernung der elektroaktiven nPS aus der polymeren Matrix (PoPD). Dieses beobachtete elektrochemische Verhalten bestätigt die Herstellung des MIP@PoPD@SPCE-Chips, der für die elektrochemische Detektion von nPS in Wasserproben verwendet wird.

Ein vollständiger Herstellungsprozess der PoPD- und MIP@PoPD-Systeme umfasst verschiedene Oberflächenveränderungen und -modifikationen, und solche Variationen wurden anhand der Ergebnisse der Raman-Spektroskopie und Raman-Bildgebung bestätigt. Im Fall von PoPD zeigten die Raman-Spektren alle mit den funktionellen Gruppen der PoPD-Polymersysteme assoziierten Peaks und stimmten mit der Literatur zu PoPD überein (Daten nicht gezeigt). Das Raman-Spektroskopiekurvenmuster von MIP@PoPD wies alle den funktionellen Eigenschaften von PoPD und nPS zugeordneten Peaks auf (Daten nicht gezeigt). Dies bestätigt, dass alle in der PoPD-Matrix eingebetteten nPS während des Elutionsprozesses nicht entfernt wurden. Die Beschaffenheit der nPS wurde untersucht, wie sie sich bei Beleuchtung zeigt. Ein solches Merkmal wurde ebenfalls bei der Raman-Bildgebung von MIP@PoPD und der Positionierung der nPS innerhalb von MIP@PoPD beobachtet, was das Vorhandensein von nPS auf dem Sensorchip bestätigt.

In dieser Studie wurde bei der Durchführung der PS-Detektion mittels der MIP@PoPD-Plattform mit den Ansätzen CA und DPV beobachtet, dass die Stärke des elektrischen Signals mit steigender nPS-Konzentration auf der Chipoberfläche zunimmt. Dieses beobachtete elektrochemische Signal hängt mit der Anwesenheit von nPS in PBS zusammen, wodurch ein Mikromilieu entsteht, das den Transport begünstigt und die Stärke des SPCE-Signals erhöht. Gleichzeitig wurde bei der elektrochemischen Detektion von nPS (nPS-Partikel mit einer Größe von 100 nm und 500 nm) unter Verwendung des jeweiligen MIP@PoPD@SPCE-Sensorschips ebenfalls ein Anstieg der Stärke des elektrischen Signals des MIP@PoPS@SPCE-Chips festgestellt, nachdem die nPS in das MIP@PoPD-Netzwerk inkubiert worden waren.

Um eine Erklärung zu liefern, die eine derart verbesserte elektrochemische Reaktion rechtfertigen kann, haben wir die Literatur sorgfältig überprüft. Es wurde beobachtet, dass nPS elektroaktiv wird, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Im Vergleich zu MIP@PoPD zeigt sich eine Zunahme des elektrischen Signals, die mit der Ausrichtung der nPS innerhalb der Hohlräume des MIP sowie mit der Möglichkeit einer Wechselwirkung der nPS mit dem PoPD zusammenhängt. Wie oben erörtert, kann das angelegte elektrische Feld elektroaktive Stellen auf nPS erzeugen, die den Elektronentransport während einer elektrochemischen Messung erleichtern. Außerdem können mehrere Faktoren die Rolle von nPS im Zusammenhang mit der Verstärkung der elektrischen Signalstärke des MIP@PoPD@SPCE-Chips erklären. Gleichzeitig spielt die Wechselwirkung von nPS mit einer polymeren Matrix eine bedeutende Rolle bei der Aufklärung der wissenschaftlichen Grundlagen eines elektrochemischen Prozesses. In diesem Zusammenhang erzeugt die Mischung aus nPS und PoPD π-π-Stapelungswechselwirkungen, die den Elektronentransport verbessern können. Dieses erweiterte π-π-Netzwerk führt zu einer erleichterten Oxidation, wenn während eines elektrochemischen Prozesses ein elektrisches Feld angelegt wird. Zusätzlich erzeugt das angelegte elektrische Feld verschiedene elektroaktive Stellen in nPS und nPS@MIP@PoPD und könnte insgesamt den Elektronentransport unterstützen.

Die elektrochemische Detektion von nPS (Partikel mit einer Größe von 500 nm) mittels MIP@PoPD@SPCE, hergestellt unter Verwendung von 500 nm großen nPS als Template-Material, zeigte ein akzeptables mathematisches Modell (hinsichtlich des Regressionskoeffizientenwerts) im Konzentrationsbereich von 4,2 × 10^-9 bis 2,1 × 10^-4 g/L. Gleichzeitig zeigte die elektrochemische Detektion von nPS (Partikel mit einer Größe von 100 nm) mittels MIP@PoPD@SPCE, hergestellt unter Verwendung von 100 nm großen nPS als Template-Material, eine deutliche Signaländerung als Funktion der Konzentration im Bereich von 4,2 × 10^-9 bis 2,1 × 10^-4 g/L. Das resultierende mathematische Modell ist jedoch aufgrund schlechter Regressionskoeffizienten nicht akzeptabel. Die Selektivität beider erzeugter Sensortypen wurde auf folgende zwei Arten bewertet: 1) Der Einfluss von 100 nm großen PS und 500 nm großen nPS wurde auf jedem Sensorchip mittels DPV-Techniken untersucht. Die Ergebnisse bestätigten, dass der MIP@PoPD@SPCE-Sensorchip, spezifisch für Hohlräume von 500 nm großen nPS, eine sehr gute Reaktion auf 500 nm große nPS und eine elektrochemische Signaländerung im Vergleich zu 100 nm großen nPS zeigt. Diese Beobachtungen legen nahe, dass ein MIP@PoPD@SPCE, der gegen 500 nm große nPS gerichtet ist, ein guter Sensorchip zur selektiven Detektion von 500 nm großen nPS sowie zum Ausschluss von 100 nm großen nPS ist.

Bei diesem Ansatz ist die nPS-Detektion aufgrund spezifischer Hohlräume innerhalb von PoPD selektiv und hängt nicht von der Wechselwirkung zwischen nPS und PoPD ab. Daher wurde ein nicht geprägtes Polymer (NIP), bei dem lediglich PoPD auf die SPCE abgeschieden wurde, hinsichtlich seines elektrochemischen Verhaltens in Abhängigkeit von der nPS-Konzentration (2,1 × 10^-4 g/L Konzentration von 500 nm großen nPS-Partikeln) untersucht. Die Ergebnisse der DPV-Studien (hinsichtlich der Signalintensität) bestätigten, dass MIP@PoPD gegenüber nPS empfindlicher reagiert als das NIP. Dies bedeutet, dass der MIP-Ansatz selektiver und anpassungsfähiger ist und eine selektive Detektion von nPS durch die gezielte Einlagerung von nPS in spezifische Hohlräume ermöglicht, die entsprechend der Form, Größe und Orientierung von nPS hergestellt wurden.

Zur Darstellung einer realen Anwendung wurden die hergestellten Sensoren als Machbarkeitsnachweis mit Wasserproben aus einem See getestet, die 2,1 × 10^-4 g/L 100 nm große Partikel aus nPS enthielten. Die Ergebnisse der CV- und DPV-Studien bestätigten, dass jede Probe das elektrochemische Signal beeinflusst, jedoch die Proben mit nPS das elektrochemische Signal signifikant verändern, was die Selektivität der entwickelten Sensoren gegenüber nPS belegt. Die vorgeschlagene Methode basiert auf veröffentlichter Prototypenforschung, und die Validierung der entwickelten Sensorsysteme befindet sich noch in Bearbeitung und ist Teil einer zweiten Forschungsphase des Projekts. Die Ergebnisse dieser zweiten Projektphase werden zukünftig an anderer Stelle veröffentlicht werden.

Zusammenfassend demonstriert diese Methode erfolgreich die elektrochemische Detektion von 100 nm und 500 nm großen Partikeln aus nPS mittels eines MIP-basierten elektrochemischen Sensors. Bei diesem Nachweisverfahren wurde ein MIP aus PoPD elektrochemisch auf einer maßgeschneiderten SPCE unter Verwendung von oPD als Monomer und nPS (100 nm und 500 nm groß) als Template-Materialien hergestellt. Jeder Schritt im Zusammenhang mit der Herstellung von MIP@PoPD wurde systematisch durchgeführt und mittels fortschrittlicher analytischer Methoden charakterisiert, darunter CV, DPV, CA und Raman-Spektroskopie. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen beleuchten die elektrischen Eigenschaften des Sensors, die damit verbundenen Oberflächenveränderungen sowie den Nachweis-Mechanismus. Beide Sensorelektroden, d. h. die MIP@PoPD@SPCE (spezifisch für 100 nm und 500 nm große nPS-Partikel), werden zur selektiven Detektion spezifischer nPS-Partikel im Konzentrationsbereich von 4,2 × 10^-9 – 2,1 × 10^-4 g/L innerhalb weniger Minuten Messzeit eingesetzt. Die Analyse der Nachweisergebnisse legt nahe, dass das MIP@PoPD@SPCE-System, das auf 500 nm große nPS spezifisch ist, mathematisch günstiger ist. Im Vergleich dazu kann der Sensor, der auf 100 nm große nPS-Partikel spezifisch ist, für die Detektion von 100 nm nPS verwendet werden.

Die mit CA und DPV erzielten Sensierungsergebnisse stimmen überein, und beide Techniken können für reale Anwendungen verwendet werden. Gleichzeitig unterscheidet sich die elektrochemische Sensierung von MIP deutlich vom Signal, das im Fall von NIP beobachtet wird. Daher ist die MIP-basierte Sensierung hinsichtlich der Selektivität wie erwartet akzeptabel. Um die Anwendung im realen Umfeld zu untersuchen, dient als Machbarkeitsnachweis eine elektrochemische Sensierung auf Basis von MIP@PoPD, die an künstlichen Proben durchgeführt wird, die aus bekannten nPS und dem Seewasser der Florida Polytechnic University hergestellt wurden. Das beobachtete Signal ist sehr deutlich, was auf die Selektivität der entwickelten Sensorelektroden hindeutet.

Die hier beschriebene elektrochemische Detektion kann mit einem tragbaren elektrochemischen Messgerät durchgeführt werden, das über ein Smartphone oder Tablet bedient werden kann; daher eignet sich das vorgeschlagene System für Anwendungen am Point-of-Care (PoC) und Point-of-Use (PoU). In Zukunft werden Anstrengungen unternommen, um diese Detektionsmethode unter Verwendung eines ultrakleinen MEP zu etablieren. Ein solches handgehaltenes MEP kann über ein Smartphone betrieben werden, wodurch die Detektion am Point-of-Care (POC), Point-of-Need (PoN) oder Point-of-Use (PoU), die gewünschte Datenerfassung, schnelle Analysen sowie Entscheidungsfindungsstrategien ermöglicht werden^14,15.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Datenanalyse	MATLAB
Deionisiertes Wasser	Milipore, Standort Florida Polytechnic University
Elektrochemischer Analysator	PalmSens4 Potentiostat (Houten, Niederlande)
Äthanol	Sigma Aldrich	459836
Salzsäure (HCL)	Sigma Aldrich	7647-01-0
Methanol	Sigma Aldrich	423950010
O-Phenylendiamin (oPD)	Sigma Aldrich	615-28-1
Phosphat-gepufferte Kochsalzlösung (PBS), Tabletten	Sigma Aldrich	MFCD00131855
Polystyrol als Mikroplastik (100 nm)	Sigma Aldrich	43302
Polystyrol als Mikroplastik (500 nm Größe)	Sigma Aldrich	59769
Hexacyanoferrat(III)-ion (Kaliumferricyanid)	Sigma Aldrich	13746-66-2
Hexacyanoferrat(II)-ion (Kaliumferrocyanid)	Sigam Aldrich	14459-95-1
Raman-Spektrofotometer und Mikroskop	LabRAM HR Evolution, Horiba Scientific
Screen-Printed Carbon Electrode	BASi Instrumetation	PALM-IS-C U/M EA - ItalSens Carbon Electrodes