Artículo de método

Detección electroquímica de poliestireno micro/nanométrico basada en polímeros de impronta molecular (MIP)

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DOI:

10.3791/70811

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6 de octubre de 2026

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1NanoBioTech Laboratory, Department of Chemistry, Florida Polytechnic University

En este artículo

Resumen

Este artículo describe un método de detección electroquímica de poliestireno (de tamaño micro y nano) mediante un enfoque de detección basado en polímeros impresos molecularmente (MIP).

Resumen

Este artículo se basa en la detección electroquímica de poliestireno micro y/o nano (m/n-PS). En este artículo se demuestra una detección electroquímica basada en polímeros molecularmente impresos (MIP) para poliestireno nano (nPS) de tamaños 100 nm y 500 nm. Se utiliza poli-o-fenilendiamina (PoPD) como material MIP, que se fabrica electroquímicamente (es decir, mediante electro-polimerización) sobre la superficie del electrodo de carbono impreso (SPCE), empleando o-fenilendiamina (oPD) como monómero. Para fabricar el MIP selectivo a m/n-PS, se utilizaron partículas de PS de 100 y 500 nm como material molde. La fabricación del sistema PoPD@MIP@SPCE dirigido a m/n-PS se caracterizó mediante técnicas electroquímicas para comprender sus propiedades electroquímicas y su capacidad de detección. Finalmente, se utilizaron estos chips sensores MIPs@PoPD/SPCE optimizados para demostrar la detección electroquímica de diversas concentraciones de soluciones de nPS (PS de 100 y 500 nm), en un rango de 4,2 × 10-9 a 2,1 × 10-4 g/L en agua. La concentración más baja detectada por el chip sensor desarrollado es tan baja como 4,2 × 10-9 g/L, y el tiempo de operación correspondiente es de 11 minutos. Estos sensores también se utilizaron para detectar nPS en muestras de agua recolectadas del lago de la Florida Polytechnic University. Este método de detección propuesto puede emplearse para la detección de nPS en dispositivos de diagnóstico en el punto de atención (POC), lo cual es de gran importancia para aplicaciones de vigilancia ambiental.

Introducción

Los micro/nanoplásticos, es decir, plásticos degradados o erosionados, cuya producción e incorporación adicional al ciclo humano aumenta cada día. Al mismo tiempo, el efecto de los micro/nanoplásticos sobre el medio ambiente, el agua y la salud humana es alarmante y afecta a los ecosistemas1. Por ello, la necesidad de gestionar las graves consecuencias asociadas ha recibido atención global por parte de agencias1. Esta situación es grave porque la producción de plásticos está en aumento (390 millones de toneladas métricas solo en 2023) para satisfacer la demanda de crecimiento económico (un tamaño de mercado de 700 mil millones de dólares en 2023) y para ampliar sus aplicaciones bajo diversas condiciones operativas (calor, humedad e interacciones con otras sustancias químicas). Además, la situación se agrava por la eliminación inadecuada de plásticos usados debido a la falta de regulaciones globales consistentes. Todas estas circunstancias son responsables del mayor nivel de producción de microplásticos y/o nanoplasticos, que se han integrado al ciclo humano y están afectando negativamente la salud. En tales circunstancias, se requieren estrategias para atrapar, detectar y degradar los micro/nanoplásticos1,2,3.

Entre varios micro/nanoplásticos (de tamaño que varía desde µm hasta nm), el poliestireno de tamaño micro y/o nano (m/n-PS) es uno de los contaminantes de preocupación, producto de la degradación del poliestireno que se utiliza en diversas aplicaciones, como empaques, servicios alimentarios, electrodomésticos, aislamiento y otros desarrollos de productos. Estos m/n-PS requieren miles de años para degradarse por completo, pero durante este periodo pueden interactuar con alimentos, agua y aire, ingresando así al ciclo humano y al cuerpo humano. Recientemente, diversos informes han confirmado que el m/n-PS (a niveles de ppb) se asocia con (1) toxicidad celular1,2, (2) disfunción tiroidea, (3) traspaso de la barrera hematoencefálica (BHE)2, (4) alteración de la función de las células cerebrales2, (5) neurotoxicidad2 y (6) enfermedades neurodegenerativas1,4. Por lo tanto, es fundamental investigar metodologías para la detección selectiva del m/n-PS a niveles muy bajos. Considerando la relación del m/n-PS con factores ambientales y de salud, se recomienda realizar la detección en entornos de atención primaria (PoC) y de uso (PoU)3. Dicho enfoque puede explorarse y adoptarse para aplicaciones de vigilancia. Al mismo tiempo, estos enfoques de detección en PoC y PoU pueden integrarse con métodos de inteligencia artificial (AI) para análisis y toma de decisiones rápidos4. Para lograr estas tareas, se sugiere tecnológicamente desarrollar un sensor miniaturizado para la detección selectiva del m/n-PS. La selectividad es un parámetro crucial porque el m/n-PS puede tener afinidad con otros contaminantes del agua, como sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS), residuos orgánicos naturales, etc.4

Actualmente, existen muchos enfoques para la detección de PS-m/n, incluyendo espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía de fluorescencia de alta resolución3. Estas técnicas son efectivas, pero no son rentables, y presentan limitaciones para realizar detecciones a niveles de ppb y ppt. Otros métodos, como la pirólisis cromatografía de gases/espectrometría de masas (Py-GC/MS), también son altamente eficientes, pero tienen limitaciones relacionadas con su alto costo, la necesidad de instrumentación sofisticada y operaciones intensivas en mano de obra que requieren experiencia especializada1,3. La detección de PS requiere seleccionar el método analítico adecuado según el tamaño y las propiedades estructurales de las partículas objetivo. Aunque los métodos tradicionales de banco de trabajo ofrecen una profundidad analítica insuperable, la detección electroquímica de poliestireno representa un cambio de paradigma al permitir un monitoreo rápido, rentable y portátil en campo de partículas plásticas submicrónicas y a escala nanométrica directamente en matrices líquidas. Las técnicas convencionales de laboratorio, como la espectroscopía FTIR y Raman, se basan en firmas únicas (químicas o vibratorias) para identificar con precisión y visualizar formas y tamaños desconocidos de partículas hasta aproximadamente 1 µm. Sin embargo, estas herramientas espectroscópicas son costosas, tienen velocidades de escaneo lentas y requieren un secado intensivo de las muestras3. Para cumplir con normativas legales o regulatorias, la Py-GC/MS se considera el estándar de oro para calcular fracciones totales de masa de PS en matrices altamente complejas como suelo y lodos, aunque destruye la muestra y elimina todos los datos morfológicos3. En contraste, los enfoques de detección electroquímica que utilizan interfaces de electrodos modificados específicamente, por ejemplo, polímeros molecularmente impresos (MIPs) o grafeno funcionalizado con péptidos, pueden capturar PS mediante adsorción física o afinidad electrostática y provocar variaciones instantáneas en la corriente eléctrica o en la resistencia1,3. Un resumen del rendimiento comparativo de la detección electroquímica de poliestireno frente a otras técnicas empleadas para la detección de poliestireno se presenta en Tabla 1.

Al mismo tiempo, estos enfoques de detección son más selectivos para PS micro y submicroscópicos a concentraciones ligeramente más altas (mM). Sin embargo, estas técnicas no son adecuadas para PS de tamaño nanométrico (por debajo de 100 nm) ni para concentraciones bajas de nPS. Esta limitación está relacionada con (1) las propiedades y la naturaleza de los materiales seleccionados, que no pueden amplificar la señal de respuesta, y (2) la microelectrónica, que podría no ser capaz de procesar una señal de respuesta débil. Además, la mayoría de las herramientas de detección de PS no son adecuadas para la detección en el punto de atención (PoC) ni en el punto de uso (PoU) de m/n-PS. Recientemente, se han realizado esfuerzos para desarrollar la detección electroquímica de m/n-PS, en la cual se requiere un material sensor para realizar la detección4,5,6,7,8,9. Se sabe que los sensores electroquímicos son sistemas portátiles de bajo costo que permiten alcanzar límites de detección subnanomolares rápidamente (en cuestión de minutos). Estos sistemas pueden ser una solución ideal para el cribado ambiental de alto rendimiento en el punto de necesidad (PoN), donde no se dispone de herramientas analíticas convencionales ni de infraestructura de laboratorio. Por lo tanto, se puede desarrollar un sistema electroquímico portátil para la detección de PS mediante la selección de un transductor adecuado, materiales sensores y enfoques analíticos y de procesamiento de datos1,2,3. Un sensor optimizado de alta sensibilidad puede detectar m/n-PS en entornos de PoU y PoN mediante la medición de señales eléctricas, evitando así la necesidad de instrumentación sofisticada y laboratorios.

Existen algunos tipos de sensores de este tipo, y la detección demostrada satisface las necesidades de aplicaciones de vigilancia1,4. Sin embargo, el mecanismo de detección y la razón de la selectividad no se discuten ampliamente debido a la falta de elementos de reconocimiento selectivo o de afinidad. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de explorar sensores electroquímicos miniaturizados para la detección selectiva de m/n-PS. En este sentido, este informe propone un sensor electroquímico basado en MIP capaz de detectar selectivamente m/n-PS. Se sabe que los MIP atrapan selectivamente un analito objetivo, el cual se utiliza como material molde10,11,12,13. Este molde está definido por el tamaño, la orientación y la forma del analito, lo que genera cavidades donde el analito objetivo puede unirse selectivamente a la superficie del electrodo de detección. Debido a estas especificidades, los MIP se consideran anticuerpos artificiales necesarios para aplicaciones biomédicas avanzadas y se han adoptado en diversos tipos de aplicaciones de detección selectiva. Debido a la producción masiva, el control sobre las propiedades eléctricas y la facilidad de modificación de superficie, los enfoques basados en MIP presentan aspectos traslacionales1,14.

Para integrar las capacidades del sensor basado en MIP con las características del sensor electroquímico, este artículo presenta un método para la detección de m/n-PS utilizando un MIP basado en poli-o-fenilendiamina (PoPD). Las características del PoPD como MIP para aplicaciones de detección han sido discutidas en publicaciones científicas previas. La fabricación del MIP de PoPD se realizó electroquímicamente sobre un electrodo de carbono impreso en pantalla (SPCE), un sistema personalizado de tres electrodos adecuado para realizar experimentos electroquímicos. El proceso de fabricación del MIP se llevó a cabo utilizando partículas de m/n-PS de 100 nm y 500 nm (dos chips separados) como materiales molde. Ambos chips, MIP@PoPD (molde de tamaño 100 nm)@SPCE y MIP@PoPD (molde de tamaño 500 nm)@SPCE, pueden detectar m/n-PS mediante cronamperometría (CA) y voltametría con pulso diferencial (DPV) dentro del rango de concentración de 4,2 × 10-9 a 2,1 × 10-4 g/L. Los resultados de esta investigación indican que el MIP-PoPD (fabricado utilizando un molde de 500 nm) presenta un modelo matemático más adecuado relacionado con la detección de nPS (500 nm), en comparación con nPS de 100 nm, en muestras de agua. La descripción detallada de este artículo relacionado con el método ha sido publicada por Sanchez-Almirola et al.1 y concedida una Patente de EE. UU.15.

Protocolo

Los autores declaran que esta investigación se realizó cumpliendo con los estándares regulatorios y la supervisión institucional. Los desechos asociados con esta investigación se almacenaron de acuerdo con las directrices del departamento de seguridad ambiental y de salud (EHS) de la universidad. Posteriormente, los desechos fueron recogidos y eliminados por expertos a intervalos regulares. Los autores completaron toda la capacitación en seguridad de laboratorio recomendada por el departamento EHS de la universidad y cumplieron con todas las regulaciones durante la realización de la investigación propuesta. Los reactivos y el equipo utilizados se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. Materiales

  1. Obtenga electrodos de carbono impresos por serigrafía (SPCE) utilizados para la fabricación de MIP a partir de fuentes comerciales.
    NOTA: Los SPCE son sistemas electroquímicos que constan de tres electrodos: un electrodo de trabajo (WE), un electrodo contador (CE) y un electrodo de referencia (RE). El WE del SPCE (diámetro de 3 mm) está compuesto de grafito, el CE del SPCE está compuesto de carbono, y el RE del SPCE está compuesto de plata.
  2. Prepare una solución stock de PS (tanto de 100 nm como de 500 nm) utilizando agua desionizada (DI) como disolvente.

2. Electroquímica y caracterización

  1. Prepare una solución de polimerización de partículas de PS (partículas de nPS de 100 nm y 500 nm, por separado) y o-fenilendiamina suspendidas en agua desionizada.
  2. Después de la electro-polimerización, realice la elución sumergiendo el SPCE en una solución de partes iguales de agua desionizada y metanol.
    NOTA: Todos los experimentos y caracterizaciones electroquímicos se realizaron utilizando un potenciostato.
  3. Realice estudios electroquímicos utilizando solución salina tamponada con fosfatos (PBS) como electrolito redox, que contenga 5 mM de ferricianuro de potasio K3[Fe(CN)6] y ferrocianuro de potasio K4[Fe(CN)6]. Prepare la solución de PBS disolviendo una tableta tampón (para pH = 7) en 200 mL de agua desionizada, luego mezcle hasta que la tableta se disuelva. Los parámetros operativos de los estudios de voltametría cíclica (CV) se discuten más adelante.
  4. Investigue la fabricación, caracterización y características sensoras de MIP@PoPD utilizando técnicas electroquímicas como CV y voltametría de pulso diferencial (DPV). Los parámetros operativos de los estudios de CV y DPV se discuten más adelante.
  5. Realice electroquímica utilizando analizadores electroquímicos, y opere el analizador con el software PSTrace 5.9.
    NOTA: Los detalles sobre la fabricación de MIP@PoPD se discuten en publicaciones previas relacionadas1,13.

3. Limpieza del electrodo

  1. Sumerja el SPCE en una solución 1 M de ácido clorhídrico (HCl) para asegurar una superficie limpia para la polimerización. El HCl se almacenó y manipuló según las pautas1.
  2. Para limpiar el electrodo, conecte el SPCE al potenciostato y realice voltametría cíclica (CV) con un rango de potencial de -1 V a 1 V a una velocidad de barrido de 100 mV/s durante 10 ciclos.
  3. Posteriormente, lave la superficie del SPCE con agua desionizada (DI) y déjelo secar al aire.
  4. Caracterice el sistema SPCE realizando CV de -1 V a 1 V a una velocidad de barrido de 50 mV/s durante 3 ciclos, y DPV de -1 V a 1 V con un potencial de pulso de 0.01 V y un tiempo de pulso de 0.01 s.

4. Fabricación de MIP@PoPD

  1. Para preparar la solución de polimerización, combine 1 mM de o-fenilendiamina (oPD) y 10 µL del analito diana [partículas de nPS de tamaño 500 nm (2.1 × 10-4 g/L) o 100 nm (2.1 × 10-4 g/L)] en 15 mL de agua desionizada. Aquí se mencionan dos tipos diferentes de soluciones de polimerización.
  2. Mediante un micropipeta, añada 100 µL de la solución de polimerización al electrodo de trabajo del sistema SPCE.
  3. Para fabricar el MIP basado en PoPD, tras conectar el SPCE al potenciostato, realice voltametría cíclica (CV) con un rango de potencial de 0 V a 1 V, una velocidad de barrido de 50 mV/s y durante 30 ciclos. Aquí se considera la fabricación de dos tipos diferentes de MIP, uno específico para una plantilla de 100 nm y otro específico para una plantilla de 500 nm.
  4. Como antes, lave el SPCE con agua desionizada y déjelo secar al aire.
  5. Como antes, caracterice el sistema SPCE realizando CV desde -1 V hasta 1 V a una velocidad de barrido de 50 mV/s durante 3 ciclos, y voltametría de pulso diferencial (DPV) desde -1 V hasta 1 V con un potencial de pulso de 0.01 V y un tiempo de pulso de 0.01 s.
  6. Eluya (a 25 °C) el sistema PoPD@SPCE sumergiendo el electrodo en una solución al 50/50 de metanol y agua desionizada durante 30 minutos.
  7. Nuevamente, enjuague el SPCE eluido con agua desionizada y séquelo al aire.
  8. Como antes, caracterice el sistema SPCE realizando CV desde -1 V hasta 1 V a una velocidad de barrido de 50 mV/s durante tres ciclos, y DPV desde -1 V hasta 1 V con un potencial de pulso de 0.01 V y un tiempo de pulso de 0.01 s.

5. Detección electroquímica de nPS

  1. Mediante una micropipeta, depositar 100 µL de la solución del analito deseado (refiriéndose a nPS de 100 nm y de 500 nm) sobre el electrodo de trabajo, permitiendo un tiempo de incubación de 10 min (a 25 °C) para que el analito se una a la capa de MIP.
    NOTA: Las soluciones seleccionadas para realizar la detección fueron las siguientes: 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 y 0 g/L.
  2. Una vez finalizado el periodo de incubación, enjuagar el sistema SPCE con agua DI para eliminar cualquier nPS no unido de la capa de MIP.
  3. Tras reconectar el sistema SPCE al potenciostato, caracterizar el electrodo mediante CV desde -1 V hasta 1 V a 50 mV/s durante tres ciclos, DPV desde -1 V hasta 1 V con potencial de pulso de 0.01 V y tiempo de pulso de 0.01 s durante tres ciclos, y realizar tres ciclos de cronopotenciometría (CA) a 10 V durante 30 min. Los estudios de CA se realizaron a diferentes voltajes, pero la señal amplificada se obtuvo a 10 V.
    NOTA: Todas las mediciones electroquímicas se realizaron por triplicado (n=3), y se utilizaron gráficos de magnitud idéntica para el análisis.

6. Análisis de datos

  1. Analice todos los datos generados en MATLAB (versión R2022b).
    NOTA: En la DPV, los electrodos generan señales electroquímicas en diferentes niveles de base. Por lo tanto, se selecciona la prominencia para analizar el comportamiento electroquímico y trazar la curva de calibración. El cálculo de la prominencia se realiza directamente utilizando el software PSTrace 5.9, el cual es un proceso automático. Los datos de DPV recopilados mediante el software PSTrace 5.9 se graficaron posteriormente usando MATLAB. PSTrace 5.9 es un software de fácil uso que opera el potenciostato electroquímico para realizar experimentos electroquímicos, incluidos estudios de CV y DPV. Los parámetros para realizar estudios de CV y DPV se han reportado en las secciones correspondientes anteriores. Los datos generados con PSTrace 5.9 se utilizaron para trazar gráficos mediante MATLAB con el fin de obtener una mejor presentación.

Resultados

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.

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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.

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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.

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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.

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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-results-5
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.

MetricElectrochemical SensingFTIR SpectroscopyRaman SpectroscopyPyrolysis-GC/MS
Data OutputConcentration / Particle CountParticle Count, Size, & Chemical IDParticle Count, Size, & Chemical IDTotal Polymeric Mass & Additives
Target Size LimitSub-micronMicro-scaleMicro-scale Independent of size (mass-dependent)
<100 nm>10 µm>1 µm
Analysis SpeedMinutes (Real-Time)Hours (Scanning + Processing)Hours (Mapping + Processing)Hours (Thermal Extraction)
Equipment CostLow 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.

Discusión

En esta investigación, se demuestra el diseño y desarrollo de un sensor electroquímico basado en MIP para nPS en muestras de agua. Se utilizaron dos chips separados, incluyendo (1) MIP@PoPD@SPCE haciendo referencia a nPS de 100 nm como material molde, y (2) MIP@PoPD@SPCE haciendo referencia a nPS de 500 nm como material molde. En el proceso, se realizó la caracterización paso a paso de cada fabricación de MIP y detección de nPS mediante estudios electroquímicos basados en CV y en DPV. En este proceso, uno de los aspectos de interés se centra en explorar la naturaleza electroquímica de SPCE, PoPD y nPS. Los resultados de los estudios de CV y DPV muestran que la magnitud de SPCE aumenta al añadir nPS al electrolito. Esto confirma la naturaleza electroactiva de nPS. Se considera, en general, que los microplásticos (MPs) son materiales aislantes; sin embargo, para m/n-PS, se observa que su presencia aumenta en cambio la magnitud de la señal electroquímica, en referencia al sistema MIP@PoPD@SPCE. Este comportamiento puede correlacionarse con las propiedades mejoradas de nPS cuando se aplica un campo eléctrico, lo cual se basa en una discusión y análisis cuidadosos de la literatura. Estos nPS (nPS de 100 nm y de 500 nm) exhiben propiedades diferentes, como carga superficial ajustable y radicalización bajo distintas condiciones (como un campo eléctrico), y mejoran el transporte de electrones. Se observa en los estudios electroquímicos basados en CV de nPS@PBS@MIP@SPCE que ocurre un desplazamiento en la posición del pico y un incremento en la magnitud de la corriente. Además, en los estudios electroquímicos basados en DPV, la magnitud de la señal electroquímica de nPS@PBS@MIP@SPCE aumenta aproximadamente 4 veces en comparación con PBS sin nPS. Estos resultados confirman que nPS se comporta como un material electroactivo en presencia de una diferencia de potencial y una solución electrolítica.

La electro-poliimerización de oPD crea una red polimérica, PoPD. La misma electro-poliimerización de oPD, junto con nPS, produce un sistema polimérico con nPS (partículas de 100 nm y 500 nm) incrustadas en su interior. Además, la eliminación de nPS del sistema PoPD más nPS mediante el proceso de elución da como resultado la fabricación de cavidades específicas dentro de PoPD. Estas cavidades son específicas en cuanto al tamaño, orientación y forma general de las partículas de nPS. Tras la elución, se fabrica sobre el SPCE el MIP de PoPD (que se dirige específicamente a las moléculas molde originales de partículas nPS de tamaño 100 nm y 500 nm). Para confirmar que la fabricación del sistema de electrodo sensor MIP@PoPD@SPCE ha sido exitosa, se realizaron sistemáticamente diversos estudios electroquímicos. Los resultados de estos experimentos se analizaron en referencia al SPCE desnudo. La evaluación analítica sugirió que existe un cambio en la respuesta electroquímica en cada etapa de la fabricación del MIP@PoPD@SPCE. Como observación principal, la magnitud de la respuesta electroquímica de PoPD (con nPS)@SPCE aumenta debido a la presencia de nPS sobre la superficie del electrodo. Además, la magnitud de la respuesta electroquímica de MIP@PoPD@SPCE disminuye ligeramente en comparación con PoPD (con nPS)@SPCE, causado por la eliminación de nPS electroactivas de la matriz polimérica (PoPD). Este comportamiento electroquímico observado confirmó la fabricación del chip MIP@PoPD@SPCE que se utilizará para la detección electroquímica de nPS en muestras de agua.

Un proceso completo de fabricación de los sistemas PoPD y MIP@PoPD implica diversos cambios y modificaciones superficiales, y dichas variaciones se confirmaron según los resultados de la espectroscopía Raman y la imagen Raman. En el caso de PoPD, las curvas espectroscópicas Raman mostraron todos los picos asociados con los grupos funcionales de los sistemas poliméricos de PoPD y coincidieron con la literatura sobre PoPD (datos no mostrados). La curva espectroscópica Raman de MIP@PoPD exhibió todos los picos asociados con la funcionalidad de PoPD y de nPS (datos no mostrados). Esto confirma que todas las nPS incrustadas en la matriz de PoPD no fueron eliminadas mediante el proceso de elución. Se ha investigado la naturaleza de las nPS, tal como se ilumina bajo exposición a la luz. Esta característica también se observó durante la imagen Raman de MIP@PoPD y la localización de las nPS dentro de MIP@PoPD, lo que confirmó la presencia de nPS en el chip sensor.

En este estudio, al realizar la detección de PS mediante la plataforma MIP@PoPD con los enfoques CA y DPV, se observa que la magnitud de la señal eléctrica aumenta conforme incrementa la concentración de nPS en la superficie del chip. Esta señal electroquímica observada está relacionada con la presencia de nPS en PBS, lo que genera un microambiente que facilita el transporte, aumentando así la magnitud de la señal SPCE. Al mismo tiempo, durante la detección electroquímica de nPS (partículas de nPS de 100 nm y 500 nm de tamaño) utilizando el chip sensor MIP@PoPD@SPCE correspondiente, también se observó un incremento en la magnitud de la señal eléctrica del chip MIP@PoPS@SPCE una vez que las nPS fueron incubadas dentro de la red MIP@PoPD.

Para proporcionar una explicación que justifique dicha respuesta electroquímica mejorada, hemos revisado cuidadosamente la literatura. Se observa que las nPS se vuelven electroactivas cuando se aplica un campo eléctrico. Se registra un aumento en la señal eléctrica con respecto a MIP@PoPD, lo cual está relacionado con la alineación de las nPS dentro de las cavidades del MIP y también con la posibilidad de interacción entre las nPS y el PoPD. Como se discutió anteriormente, el campo eléctrico aplicado puede generar sitios electroactivos en las nPS, lo que puede facilitar el transporte de electrones durante una medición electroquímica. Además, varios factores también pueden justificar el papel de las nPS asociadas con el incremento en la magnitud de la señal eléctrica del dispositivo MIP@PoPD@SPCE. Al mismo tiempo, la interacción de las nPS con una matriz polimérica desempeña un papel importante para comprender el fundamento científico de un proceso electroquímico. En este sentido, la mezcla de nPS y PoPD crea interacciones de apilamiento π-π que pueden mejorar el transporte de electrones. Esta red extendida de apilamiento π-π resulta en una oxidación más fácil cuando se aplica un campo eléctrico durante un proceso electroquímico. Adicionalmente, el campo eléctrico aplicado genera diversos sitios electroactivos en las nPS y en nPS@MIP@PoPD, lo que en conjunto podría favorecer el transporte de electrones.

La detección electroquímica de nPS (partículas de nPS de tamaño 500 nm) mediante MIP@PoPD@SPCE, fabricado utilizando partículas de nPS de 500 nm como material molde, mostró un modelo matemático aceptable (en términos del valor del coeficiente de regresión) en un rango de concentraciones de 4,2 × 10-9 a 2,1 × 10-4 g/L. Al mismo tiempo, la detección electroquímica de nPS (partículas de nPS de tamaño 100 nm) mediante MIP@PoPD@SPCE, fabricado utilizando partículas de nPS de 100 nm como material molde, mostró un cambio de señal distinto en función de la concentración en el rango de 4,2 × 10-9 a 2,1 × 10-4 g/L. Sin embargo, el modelo matemático generado no es aceptable debido a coeficientes de regresión deficientes. La selectividad de ambos tipos de detección generados se evaluó de las siguientes dos maneras: 1) se evaluó el efecto de PS de 100 nm y nPS de 500 nm sobre cada chip de detección utilizando técnicas DPV. Los resultados confirmaron que el chip de detección MIP@PoPD@SPCE, específico para cavidades de nPS de 500 nm, exhibió una respuesta muy buena frente a nPS de tamaño 500 nm y un cambio en la señal electroquímica con respecto a nPS de tamaño 100 nm. Estas observaciones sugieren que un MIP@PoPD@SPCE frente a nPS de 500 nm es un buen chip de detección para la detección selectiva de nPS de 500 nm y el tamizado de nPS de tamaño 100 nm.

En este enfoque, la detección de nPS es selectiva debido a las cavidades específicas generadas dentro de PoPD, principalmente, y no se relaciona con la interacción entre nPS y PoPD. Por lo tanto, se evaluó un polímero no impreso (NIP), lo que significa que solo PoPD se depositó sobre el SPCE, en cuanto a su comportamiento electroquímico en función de la concentración de nPS (concentración de 2.1 x 10-4 g/L de partículas de nPS de tamaño 500 nm). Los resultados de los estudios de DPV (en términos de prominencia) confirmaron que MIP@PoPD es más sensible al nPS que el NIP. Esto indica que el enfoque con MIP es más selectivo y adaptable, permitiendo la detección selectiva de nPS gracias al atrapamiento específico del nPS dentro de cavidades particulares, que se fabrican según la forma, tamaño y orientación del nPS.

Para proyectar una aplicación en el mundo real, como prueba de concepto, los sensores fabricados se probaron utilizando muestras de agua de lago que contienen 2,1 × 10-4 g/L de partículas de nPS de 100 nm de tamaño. Los resultados de los estudios de CV y DPV confirmaron que cada muestra afecta la señal electroquímica, pero las muestras con nPS afectan significativamente la señal electroquímica, lo que confirma la selectividad de los sensores desarrollados respecto al nPS. El método propuesto se basa en investigaciones previas publicadas, y la validación de los sistemas de detección desarrollados aún está en proceso y forma parte de una segunda fase de investigación del proyecto. Los resultados de la segunda fase del proyecto se publicarán en otro lugar en el futuro.

En conclusión, este método demuestra con éxito la detección electroquímica de partículas de nPS de 100 nm y 500 nm mediante el enfoque de detección electroquímica basado en MIP. En este método de detección, se fabricó electroquímicamente un MIP de PoPD sobre un SPCE personalizado utilizando oPD como monómero y nPS (de 100 nm y 500 nm) como materiales molde. Cada etapa relacionada con la fabricación del MIP@PoPD se realizó de forma sistemática y se caracterizó mediante técnicas analíticas avanzadas, incluyendo CV, DPV, CA y espectroscopía Raman. Los resultados de estos estudios exploran las propiedades eléctricas del chip sensor, los cambios superficiales asociados y el mecanismo de detección. Ambos electrodos de detección, es decir, el MIP@PoPD@SPCE (específico para partículas de nPS de 100 nm y 500 nm), se utilizan para la detección selectiva de partículas específicas de nPS en un rango de concentración de 4,2 x 10-9 – 2,1 x 10-4 g/L, con un tiempo de operación de solo unos minutos. El análisis de los resultados de detección sugiere que el sistema MIP@PoPD@SPCE, específico para nPS de 500 nm, es matemáticamente más aceptable. En comparación, el chip sensor específico para partículas de nPS de 100 nm puede adoptarse para el tamizaje de nPS de 100 nm.

Los resultados de detección obtenidos mediante CA y DPV coinciden entre sí, y cualquiera de estas técnicas puede adoptarse para aplicaciones reales. Al mismo tiempo, la detección electroquímica del MIP es distinta a la señal observada en el caso del NIP. Por lo tanto, la detección basada en MIP es aceptable, tal como se esperaba en cuanto a selectividad. Para explorar la aplicación en el mundo real, como prueba de concepto, se realiza esta detección electroquímica basada en MIP@PoPD utilizando muestras artificiales preparadas con nPS conocidas y agua del lago de la Florida Polytechnic University. La señal observada es muy distinta, lo que sugiere la selectividad de los electrodos de detección desarrollados.

Aquí se informa que la detección electroquímica puede realizarse utilizando una estación de trabajo electroquímica portátil que puede operarse mediante un teléfono inteligente o una tableta; por lo tanto, el sistema propuesto puede adoptarse para aplicaciones de diagnóstico en el punto de atención (PoC) y en el punto de uso (PoU). En el futuro, se realizarán esfuerzos para establecer esta metodología de detección utilizando un MEP ultrapequeño. Dicho MEP portátil puede operarse mediante un teléfono inteligente, lo que permitiría la detección en el punto de atención (POC), en el punto de necesidad (PoN) o en el punto de uso (PoU), la recolección deseada de datos, análisis rápidos y políticas de toma de decisiones14,15.

Divulgaciones

Los autores de este artículo declaran que no tienen ningún conflicto de intereses.

Agradecimientos

Se agradece el financiamiento, es decir, AW-2000022, GR-23SUMR-AK y GR-24SUMR-AK, recibido de la Universidad Politécnica de Florida y del Consejo de Becas Extranjeras Fulbright para el Premio del Programa de Especialistas Fulbright. Los autores declaran que este método se basa en un artículo de investigación publicado y en una patente estadounidense concedida (US 12,523,590B1). Los autores también agradecen la contribución del Sr. Mustapha Achoubane, Oficial Principal de Asuntos Globales de la Universidad Politécnica de Florida, por su ayuda para obtener el Premio de Especialista Fulbright.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Análisis de datosMATLAB
Agua desionizadaMilipore ubicado en la Universidad Politécnica de Florida
Analizador electroquímicoPotenciostato PalmSens4 (Houten, Países Bajos)
EthanolSigma Aldrich459836
Ácido clorhídrico (HCL)Sigma Aldrich7647-01-0
MetanolSigma Aldrich423950010
o-fenilendiamina (oPD)Sigma Aldrich615-28-1
Tabletas de tampón salino fosfato (PBS)Sigma AldrichMFCD00131855
Poliestireno como microplástico (100 nm)Sigma Aldrich43302
Poliestireno como microplástico (tamaño de 500 nm)Sigma Aldrich59769
Ferricianuro de potasioSigma Aldrich13746-66-2
Ferrocianuro de potasioSigam Aldrich14459-95-1
Espectrofotómetros y microscopio RamanLabRAM HR Evolution, Horiba Scientific
Electrodo de carbono impreso en pantallaBASi Instrumetation PALM-IS-C U/M EA - ItalSens Carbon Electrodes 

Referencias

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  15. Kaushik AK, Almirola JSS. Sensing plastics with electrode sensor to monitor fluid environments. United States Patent US 12,523,590. 2026.

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