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

Durch Modifikation der Gold-Mikroelektrodenoberfläche mit einer dünnen PEDOT-Schicht aus einem organischen Lösungsmittel können wir eine höhere Oberfläche erhalten und die Sensorempfindlichkeit erhöhen. Das Mikroelektrodenverfahren ist eine schnelle Analyse von Antioxidantien in verschiedenen Medien. Dies kann auf verschiedene Kontexte angewendet werden, die von der Überwachung von Getränken bis hin zu einer sofortigen Beurteilung des Status von hospitalisierten Patienten reichen.

Verwenden Sie ein geeignetes Potentiost, um die zyklische Voltammetrie als die elektrochemische Technik von Interesse durchzuführen. Schalten Sie den potentiostat und den daran angeschlossenen Computer ein. Um die Kommunikation zwischen dem Computer und dem Gerät zu testen, starten Sie die Software, und wählen Sie dann im Setup-Menü den Hardwaretestbefehl aus.

Nachdem Sie einige Töne vom Potentiostaten gehört haben, werden die Hardware-Testergebnisse in einem separaten Fenster angezeigt. Klicken Sie auf OK, und führen Sie den Test weiter aus. Manchmal wird durch Klicken auf den Hardwaretestbefehl ein Link fehlgeschlagener Fehler angezeigt.

Überprüfen Sie die Verbindungs- und Porteinstellungen. Nachdem Sie die Verbindungen getestet haben, klicken Sie auf das Setup-Menü, wählen Sie Technik und wählen Sie im sich öffnenden Fenster die zyklische Voltammetrie-Methode. Gehen Sie dann zurück zum Setup-Menü und klicken Sie auf Parameter, um die entsprechenden experimentellen Parameter einzugeben.

Um beispielsweise eine molare ETOT-Elektropolymerisation von 0,1 in einem organischen Elektrolyten auf der blanken Goldmikroelektrode durchzuführen, setzen Sie das Anfangspotential auf negative 0,3 Volt, das Endpotential auf negative 0,3 Volt, das hohe Potential auf 1,2 Volt, die Anzahl der Segmente auf acht, die Abtastraten auf 100 Millivolt pro Sekunde und die Richtung auf positiv. Nach Eingabe der entsprechenden zyklischen Voltammetrieparameter bereiten Sie drei Elektrodenaufbauten in einer elektrochemischen Glaszelle vor, darunter eine Arbeitselektrode, eine Referenzelektrode und eine Platindraht-Gegenelektrode. Führen Sie diese sauberen und getrockneten Elektroden durch die Löcher eines Elektrodenhalters, der an einem Ständer befestigt ist, und legen Sie den Halter dann über die elektrochemische Zelle, um die Elektroden in die Ziellösung oder -probe einzuführen.

Stellen Sie sicher, dass sich keine Blasen auf den Elektrodenoberflächen befinden. Wenn Blasen vorhanden sind, entfernen Sie die Elektroden, spülen Sie sie erneut mit deionisiertem Wasser ab und tupfen Sie sie mit einem Gewebe trocken. Legen Sie dann die Elektroden wieder in den Standhalter und in die Lösung.

Wenn sich Blasen um die Referenzelektrode befinden, tippen Sie vorsichtig auf die Spitze. Wenn sich nach dem Start des Scans Blasen um die Gegenelektrode befinden, reinigen Sie die Gegenelektrode. Wenn der zyklische Voltammetrie-Scan laut wird, reinigen Sie die Elektrodenoberfläche und überprüfen Sie die Systemanschlüsse, Drähte und Clips.

Nachdem Sie sichergestellt haben, dass alle drei Drahtverbindungen für Referenz-, Arbeits- und Gegenelektroden korrekt angeschlossen sind, starten Sie das Experiment, indem Sie auf Ausführen klicken. Um die Gold-Mikroelektrode vorzubehandeln, polieren Sie sie 30 Sekunden lang mit Aluminiumoxid-Aufschlämmung auf einem Aluminiumoxid-Polierpad, das auf eine Glaspolierplatte gelegt wird, indem Sie kreisförmige und achtförmige Handbewegungen anwenden, und spülen Sie dann die Mikroelektrode mit deionisiertem Wasser ab. Legen Sie es zwei Minuten lang in ein Glas ein, das 15 Milliliter absolutes Ethanol und Ultraschall enthält.

Als nächstes spülen Sie die Mikroelektrode mit Ethanol und Wasser ab und beschallen Sie sie erneut vier Minuten lang in entionisiertem Wasser, um überschüssiges Aluminiumoxid von der Elektrodenoberfläche zu entfernen. Entfernen Sie schließlich zusätzliche Verunreinigungen, indem Sie 0,5 molare Schwefelsäure für 20 Segmente zwischen negativen 0,4 und positiven 1,6 Volt Potentialen mit einer Abtastrate von 50 Millivolt pro Sekunde einkreisen. Stellen Sie sicher, dass es zwei klare Spitzen aufgrund der Bildung und Reduktion von Goldoxid bei konsistenten anodischen und kathodischen Potentialen gibt, jedes Mal, wenn die Elektrode in Schwefelsäure gereinigt wird.

Um 0,1 molare EDOT in einer organischen Lösung herzustellen, wird zunächst ein Milliliter der hergestellten 0,1 molaren Lithiumperchloratlösung in eine elektrochemische Zelle übertragen. Fügen Sie dann mit einer Mikropipette 10,68 Mikroliter des ETOT-Monomers in die elektrochemische Zelle ein. Um EDOT auf der blanken Goldmikroelektrodenoberfläche zu elektropolymerisieren, setzen Sie alle Elektrodenaufbauten in die Lösung ein und führen Sie eine zyklische Voltammetrie durch.

Charakterisieren Sie dann mithilfe der Rasterelektronenmikroskopie die Oberfläche dieser modifizierten Elektrode. Spülen Sie die Elektroden mit entionisiertem Wasser ab und trocknen Sie sie mit einem Taschentuch ab. Um dann diese PEDOT-modifizierte Goldmikroelektrode für Sensorzwecke zu verwenden, akklimatisieren Sie ihre Oberfläche an eine wässrige Lösung, indem Sie die Elektrode in eine 0,1-molare Natriumperchloratlösung eintauchen und zyklische Voltammetrie-Scans durchführen.

Tauchen Sie diese organisch PEDOT-modifizierte und akklimatisierte Mikroelektrode nach dem Spülen mit deionisiertem Wasser in eine Phosphatpufferlösung und führen Sie eine zyklische Voltammetrie durch, um einen Hintergrundscan zu erzeugen. Nehmen Sie schließlich die Elektrode aus der Pufferlösung und führen Sie sie ohne Spülen sofort in Harnsäure- oder Milchlösungen ein, um zyklische Voltammetrie-Scans durchzuführen. Als nächstes, um 0,01 molare EDOT in einer wässrigen Acetonitrillösung herzustellen, verwenden Sie eine Mikropipette und fügen Sie 10,68 Mikroliter EDOT zu einem Milliliter Acetonitril in einer Glasdurchstechflasche hinzu, dann fügen Sie neun Milliliter deionisiertes Wasser in die Durchstechflasche hinzu, um 10 Milliliter 0,01 molare EDOT-Lösung herzustellen.

Fügen Sie 110 Milligramm Lithiumperchloratpulver zu der vorbereiteten EPOT-Lösung hinzu, um eine 0,1 molare Lithiumperchloratlösung zu erhalten, und mischen Sie sie vorsichtig. Überführen Sie die vorbereitete Lösung in die elektrochemische Zelle. Setzen Sie die Elektroden in die wässrige Acetonitrillösung ein und elektropolymerisieren Sie 0,01 molare EDOT auf der Elektrodenoberfläche durch zyklische Voltammetrie, dann charakterisieren Sie die Oberfläche dieser modifizierten Elektrode durch Rasterelektronenmikroskopie.

Die Analyse des Harnsäuregehalts in normaler Frischmilch unter Verwendung des in der organischen Lösung synthetisierten PEDOT-Sensors ergab einen anodischen Spitzenstrom von 28,4 Nanoampere bei 0,35 Volt, was einer Konzentration von 82,7 Mikromol entspricht. Der zweite große Oxidationspeak im zyklischen Voltammetrie-Scan von normaler Milch bei 0,65 Volt hängt mit oxidierbaren Verbindungen zusammen, einschließlich elektroaktiver Aminosäuren wie Cystein, Tryptophan und Tyrosin. Die zyklischen Voltammetrie-Scans, die für Karamell- und weiße Schokoladenmilchproben erhalten wurden, zeigen einen klaren Peak bei 0,36 Volt für Harnsäure, zusammen mit einem zusätzlichen Peak bei 0,5 Volt, der mit dem Vorhandensein von Vanillsäure, einem der Bestandteile aromatisierter Milch, in Verbindung gebracht werden kann.

Die zyklische Voltammetrie der belgischen Schokoladenmilchprobe zeigt einen Catechinoxidationspeak bei 0,26 Volt und einen Catechin-Reduktionspeak bei 0,22 Volt. Der Spitzenstrom von 0,3 Volt, der als scharfer Peak am Ende des Catechin-Peaks erscheint, ist auf die Harnsäureoxidation zurückzuführen. Die zyklische Voltammetrie der kolumbianischen Espressomilchprobe zeigt breite anodische und kathodische Spitzenströme bei 0,35 Volt bzw. 0,23 Volt aufgrund der wichtigsten phenolischen Antioxidantien im Kaffee, nämlich Chlorogen- und Kaffeesäuren.

Das Reinigen und Stören der Elektrode ist der wichtigste Teil dieses Experiments, der die erhaltenen Stromsignale beeinflussen kann. Die detailliertere Analyse von antioxidativen Verbindungen ist erforderlich, dann können wir uns chromatographischen Methoden wie LCMS zuwenden. Dies ist jedoch zeitaufwendig und wird nicht für jede Probe benötigt.