Preparazione elettrochimica di strati di poli(3,4-etilenediossitiofene) su microelettrodi d'oro per applicazioni di rilevamento dell'acido urico
28 luglio 2021
Descriviamo sistemi a solvente acquoso e organico per l'elettropolimerizzazione del poli(3,4-etilendiaossitiofene) per creare strati sottili sulla superficie dei microelettrodi d'oro, che vengono utilizzati per rilevare analiti a basso peso molecolare.
Modificando la superficie del microelettrodo d'oro con un sottile strato di PEDOT realizzato in un solvente organico, possiamo ottenere una superficie più elevata e aumentare la sensibilità del sensore. La procedura del microelettrodo è una rapida analisi degli antiossidanti in vari mezzi. Questo può essere applicato a diversi contesti, che vanno dal monitoraggio delle bevande fino a una valutazione immediata dello stato dei pazienti ospedalizzati.
Utilizzare un potenziostato adatto per eseguire la voltammetria ciclica come tecnica elettrochimica di interesse. Accendere il potenziostato e il computer ad esso collegato. Per verificare la comunicazione tra il computer e lo strumento, avviare il software, quindi nel menu di configurazione selezionare il comando di test hardware.
Dopo aver sentito alcuni suoni dal potenziostato, i risultati del test hardware vengono mostrati in una finestra separata. Fare clic su OK e continuare a eseguire l'esperimento. A volte, facendo clic sul comando test hardware, viene visualizzato un errore di collegamento non riuscito.
Controllare le impostazioni di connessione e porta. Dopo aver testato le connessioni, fare clic sul menu di configurazione, scegliere la tecnica e, dalla finestra di apertura, scegliere il metodo di voltammetria ciclica. Quindi tornare al menu di configurazione e fare clic su parametri per inserire i parametri sperimentali appropriati.
Ad esempio, per eseguire l'elettropolimerizzazione EDOT molare 0,1 in un elettrolita organico sul microelettrodo in oro nudo, impostare il potenziale iniziale su negativo 0,3 volt, il potenziale finale su negativo 0,3 volt, alto potenziale a 1,2 volt, numero di segmenti a otto, velocità di scansione a 100 millivolt al secondo e direzione positiva. Dopo aver inserito i parametri di voltammetria ciclica appropriati, preparare tre configurazioni di elettrodi in una cella elettrochimica di vetro, tra cui un elettrodo funzionante, un elettrodo di riferimento e un elettrodo contatore di filo di platino. Passare questi elettrodi puliti e asciugati attraverso i fori di un supporto per elettrodi collegato a un supporto, quindi posizionare il supporto sopra la cella elettrochimica per inserire gli elettrodi nella soluzione o nel campione di destinazione.
Assicurarsi che non vi siano bolle sulle superfici dell'elettrodo. Se ci sono bolle, rimuovere gli elettrodi, sciacquarli nuovamente con acqua deionizzata e asciugare con un fazzoletto. Quindi riposizionare gli elettrodi nel supporto del supporto e nella soluzione.
Se ci sono bolle intorno all'elettrodo di riferimento, toccare delicatamente la punta. Se ci sono bolle intorno al controelettrodo dopo aver avviato la scansione, pulire il controelettrodo. Se la scansione voltammetrica ciclica diventa rumorosa, pulire la superficie dell'elettrodo e controllare le connessioni, i fili e le clip del sistema.
Dopo esserti assicurato che tutti e tre i collegamenti a filo per gli elettrodi di riferimento, di lavoro e di controelettrodi siano collegati correttamente, avvia l'esperimento facendo clic su Esegui. Per pretrattare il microelettrodo d'oro, lucidarlo per 30 secondi con Alumina Slurry su un tampone lucidante in allumina posto su una piastra di lucidatura del vetro applicando movimenti circolari e a forma di otto mani, quindi risciacquare il microelettrodo con acqua deionizzata. Inseriscilo in un vile di vetro contenente 15 millilitri di etanolo assoluto e ultrasuoni per due minuti.
Quindi, sciacquare il microelettrodo con etanolo e acqua e farlo nuovamente per quattro minuti in acqua deionizzata per rimuovere l'eccesso di allumina dalla superficie dell'elettrodo. Infine, rimuovere ulteriori impurità ciclicamente in acido solforico molare 0,5 per 20 segmenti tra potenziali negativi di 0,4 e positivi di 1,6 volt a una velocità di scansione di 50 millivolt al secondo. Assicurarsi che ci siano due picchi chiari dovuti alla formazione e alla riduzione dell'ossido d'oro a potenziali anodici e catodici coerenti ogni volta che l'elettrodo viene pulito in acido solforico.
Per preparare 0,1 EDOT molare in una soluzione organica, trasferire prima un millilitro della soluzione di perclorato di litio molare 0,1 preparata in una cella elettrochimica. Quindi, utilizzando una micropipetta, aggiungere 10,68 microlitri del monomero EDOT alla cella elettrochimica. Per elettropolimerizzare EDOT sulla superficie del microelettrodo in oro nudo, inserire tutte le configurazioni degli elettrodi nella soluzione ed eseguire la voltammetria ciclica.
Quindi utilizzando la microscopia elettronica a scansione, caratterizzare la superficie di questo elettrodo modificato. Risciacquare gli elettrodi con acqua deionizzata e asciugarli con un fazzoletto. Quindi, per utilizzare questo microelettrodo d'oro modificato PEDOT per scopi di rilevamento, acclimatare la sua superficie a una soluzione acquosa immergendo l'elettrodo in una soluzione di perclorato di sodio molare 0,1 ed eseguendo scansioni voltammetriche cicliche.
Quindi, dopo il risciacquo con acqua deionizzata, immergere questo microelettrodo organicamente modificato e acclimatato peDOT in una soluzione tampone fosfato ed eseguire la voltammetria ciclica per generare una scansione di fondo. Infine, estrarre l'elettrodo dalla soluzione tampone e senza risciacquare, inserirlo immediatamente in soluzioni di acido urico o latte per eseguire scansioni voltammetriche cicliche. Successivamente, per preparare 0,01 EDOT molare in una soluzione acquosa di acetonitrile, utilizzare una micropipetta e aggiungere 10,68 microlitri di EDOT a un millilitro di acetonitrile in una fiala di vetro, quindi aggiungere nove millilitri di acqua deionizzata al flaconcino per preparare 10 millilitri di soluzione EDOT molare 0,01.
Aggiungere 110 milligrammi di polvere di perclorato di litio alla soluzione EDOT preparata per ottenere una soluzione di perclorato di litio molare 0,1 e mescolare delicatamente. Trasferire la soluzione preparata nella cella elettrochimica. Inserire gli elettrodi nella soluzione acquosa di acetonitrile ed elettropolimerizzare 0,01 molare EDOT sulla superficie dell'elettrodo eseguendo voltammetria ciclica, quindi caratterizzare la superficie di questo elettrodo modificato mediante microscopia elettronica a scansione.
L'analisi del contenuto di acido urico nel latte fresco normale utilizzando il sensore PEDOT sintetizzato nella soluzione organica ha portato a una corrente di picco anodica di 28,4 nano ampere a 0,35 volt, che equivale a una concentrazione di 82,7 micromoli. Il secondo grande picco di ossidazione nella scansione voltammetrica ciclica del latte normale a 0,65 volt è correlato a composti ossidabili tra cui aminoacidi elettroattivi come cisteina, triptofano e tirosina. Le scansioni voltammetriche cicliche ottenute per campioni di latte al caramello e cioccolato bianco mostrano un chiaro picco a 0,36 volt per l'acido urico, insieme a un picco aggiuntivo a 0,5 volt che può essere correlato alla presenza di acido vanillico, uno degli ingredienti del latte aromatizzato.
La voltammetria ciclica del campione belga di latte al cioccolato mostra un picco di ossidazione della catechina a 0,26 volt e un picco di riduzione della catechina a 0,22 volt. La corrente di picco di 0,3 volt che appare come un picco acuto alla coda del picco di catechina è dovuta all'ossidazione dell'acido urico. La voltammetria ciclica del campione di latte espresso colombiano mostra ampie correnti di picco anodiche e catodiche rispettivamente a 0,35 volt e 0,23 volt a causa dei principali antiossidanti fenolici nel caffè, vale a dire gli acidi clorogenico e caffeico.
La pulizia e la perturazione dell'elettrodo è la parte più importante di questo esperimento che può influenzare i segnali di corrente ottenuti. È necessaria un'analisi più dettagliata dei composti antiossidanti, quindi possiamo rivolgerci a metodi cromatografici come LCMS. Tuttavia, questo richiede molto tempo e non è necessario per ogni campione.
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Panoramica
Questo studio descrive l'elettropolimerizzazione del poli(3,4-etilenediossitiofene) (PEDOT) su microelettrodi d'oro per aumentare la sensibilità del sensore nei confronti di analiti a basso peso molecolare. L'uso di sistemi a solvente organico consente la formazione di strati sottili che migliorano la superficie degli elettrodi.
Componenti Chiave dello Studio
Ambito Scientifico
- Chimica elettroanalitica
- Tecnologia dei sensori
- Chimica analitica
Sfondo
- Gli microelettrodi d'oro sono ampiamente utilizzati nella rilevazione elettrochimica.
- PEDOT è un polimero conduttivo che migliora le proprietà degli elettrodi.
- Migliorare la sensibilità del sensore è fondamentale per rilevare analiti a basso peso molecolare.
- Le tecniche di elettropolimerizzazione possono variare in base ai sistemi solventi.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo per creare strati sottili di PEDOT su microelettrodi d'oro.
- Valutare l'impatto di diversi sistemi solventi sulle prestazioni del sensore.
- Dimostrare l'applicazione di questi sensori in vari contesti, inclusi il monitoraggio della salute.
Metodi Utilizzati
- Electropolimerizzazione di PEDOT su microelettrodi d'oro.
- Utilizzo della voltammetria ciclica come tecnica elettrochimica.
- Verifica della comunicazione tra potenziostato e computer.
- Analisi rapida di antiossidanti in diversi mezzi.
Risultati principali
- Un'area superficiale maggiore ottenuta con strati di PEDOT migliora la sensibilità del sensore.
- Rilevamento efficace di antiossidanti in varie soluzioni.
- Applicabilità dimostrata nel monitoraggio di bevande e della salute del paziente.
- Comunicazione riuscita stabilita tra il potenziostato e il software.
Conclusioni
- Il metodo migliora le prestazioni dei microelettrodi d'oro per applicazioni di rilevamento.
- I sistemi a solvente organico sono efficaci per l'elettropolimerizzazione del PEDOT.
- Questo approccio può essere applicato in diversi campi, inclusa la diagnostica clinica.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La modifica elettrochimica di microelettrodi d'oro con polimeri conduttivi come il PEDOT migliora la sensibilità del sensore per analiti a basso peso molecolare, consentendo la rilevazione precoce di biomarcatori in matrici biologiche complesse. Questo approccio permette un profilo rapido e senza marcatura degli antiossidanti in bevande e campioni clinici, facilitando decisioni di tipo go/no-go nei flussi di lavoro di validazione degli obiettivi. L'adattabilità del metodo a sistemi di solventi acquosi e organici offre flessibilità per la standardizzazione dei saggi lungo i percorsi di scoperta e preclinici.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi di biomarcatori redox-attivi come l'acido urico e gli antiossidanti fenolici in campioni rilevanti per le malattie.
- Valore operativo: Fornisce un segnale elettrochimico rapido per la valutazione dell'interazione funzionale con il bersaglio, senza necessità di etichette o passaggi di separazione.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera correnti quantitative di picco in voltammetria ciclica correlate alla concentrazione dell'analita, supportando lo screening dose-risposta.
- Valore operativo: Utilizza parametri standardizzati controllati dal potenziostato per una preparazione e una misurazione del sensore riproducibili.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Dimostra la continuità dalla fabbricazione dell'elettrodo al rilevamento in fluidi biologicamente rilevanti come latte, analoghi del plasma e matrici di bevande.
- Valore operativo: Il passaggio di ambientamento garantisce prestazioni stabili in ambienti acquosi, consentendo un monitoraggio longitudinale affidabile.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nelle fasi iniziali della scoperta fino all'identificazione del capostipite, in cui un profilo antiossidante rapido supporta l'eliminazione dei rischi meccanicistici dei candidati terapeutici mirati alle vie dello stress ossidativo.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi mediante la rilevazione diretta di metaboliti redox-attivi in miscele complesse.
- Screening: Permette superfici elettrode pronte per saggi, riproducibili, con output quantificabili per la valutazione di librerie di composti.
- Analisi: Fornisce misurazioni di corrente e potenziale di picco che consentono il confronto tra campioni e condizioni diverse.
- Ricerca traslazionale: Collega la risposta del sensore a noti antiossidanti nei fluidi biologici, favorendo l'allineamento con biomarcatori.
- Riutilizzo aziendale: Il protocollo di modifica dell'elettrodo è riutilizzabile su diverse classi di analiti e tipi di campioni.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Migliora la fiducia predittiva consentendo il rilevamento diretto e senza etichette di biomarcatori meccanicistici.
- Valore operativo: Passaggi standardizzati di elettropolimerizzazione e acclimatizzazione migliorano la riproducibilità tra laboratori e piattaforme.
- Valore strategico: Riduce la dipendenza da metodi cromatografici che richiedono molto tempo per lo screening iniziale di antiossidanti.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione dei composti in base all'attività antiossidante nella fase iniziale della scoperta, adeguata al rischio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze in elettrochimica e nell'uso del potenziostato per una formazione consistente dello strato di PEDOT.
- Dipende dall'accesso a un potenziostato, una cella elettrochimica, microelettrodi d'oro e al microscopio elettronico a scansione (SEM) per la caratterizzazione.
- Necessita di una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro per i sistemi solventi, i parametri di ciclizzazione e i protocolli di adattamento.
- Le prestazioni possono variare in diverse matrici biologiche a causa di fenomeni di fouling o di specie elettroattive interferenti.
- Il metodo con solvente organico produce una crescita superiore di PEDOT, ma richiede un adattamento in ambiente acquoso per garantire la compatibilità con campioni acquosi.
