我々は、低分子量分析物の検出に使用される金微小電極の表面に薄層を作成するためのポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)の電気重合のための水性および有機溶媒系について説明する。
我々は、低分子量分析物の検出に使用される金微小電極の表面に薄層を作成するためのポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)の電気重合のための水性および有機溶媒系について説明する。
3,4-エチレンジオキシチオフェン(EDOT)モノマーを水性および有機溶液中で電気重合して、金電極上でポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)を合成するための2つの異なる方法が記載されている。サイクリックボルタンメトリー(CV)は、PEDOT薄層の合成に使用した。過塩素酸リチウム(LiClO4)は、水性(水性/アセトニトリル(ACN))および有機(プロピレンカーボネート(PC))溶媒系の両方でドーパントとして使用された。有機系でPEDOT層を作成した後、電極表面を水溶液中で連続してサイクリングして順応させ、水性試料のセンサーとして用いた。
水性ベースの電気重合法の使用は、より短いセンサ調製時間を有するために馴化工程を除去するという潜在的な利点を有する。水性法は有機溶媒法よりも経済的で環境にやさしいが、有機溶液中では優れたPEDOT形成が得られる。得られたPEDOT電極表面は、有機PC溶液からの電気重合中のPEDOTの一定の成長を示し、金(Au)微小電極上での急速なフラクタル型成長を示した走査型電子顕微鏡(SEM)によって特徴付けられた。
導電性ポリマーは、界面を改善するために生体電子デバイスに広く使用されている有機材料です。従来のポリマーと同様に、導電性ポリマーは合成が容易であり、加工中に柔軟性がある1。導電性ポリマーは、化学的および電気化学的方法を使用して合成することができる。しかし、電気化学合成アプローチは特に有利である。これは主に、薄膜を形成する能力、同時ドーピングを可能にする能力、導電性ポリマー中の分子の捕捉、および最も重要なことに、合成プロセス1の単純さによる。加えて、導電性ポリマーは、均一で繊維状で、でこぼこしたナノ構造を形成し、電極表面に強固に接着し、電極2の活性表面積を増加させる。
1980年代には、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、PEDOTなどの特定のポリ複素環が開発され、良好な導電性、合成の容易さ、安定性を示しました3,4。ポリピロールは他のポリマー(例えば、ポリチオフェン誘導体)よりもよく理解されているが、不可逆的な酸化を受けやすい5。したがって、PEDOTは、はるかに安定した酸化状態を有し、同様の条件下でのポリピロールと比較してその導電率の89%を保持するため、他のものよりも一定の利点を有する6。さらに、PEDOTは高い導電性(〜500 S/cm)と適度なバンドギャップ(すなわち、バンドギャップまたはエネルギーギャップは電荷のない領域であり、価電子帯の上部と伝導帯の下部との間のエネルギー差を指す)7で知られている。
さらに、PEDOTは電気化学的性質を有し、酸化されるのに低い電位を必要とし、合成後のポリピロールよりも経時的に安定である7。それはまた、その光吸収係数、特にPEDOT-ポリスチレンスルホン酸塩(PEDOT-PSS)の形態で、400-700nm7における電磁スペクトルの可視領域にあることを意味する良好な光透過性を有する7。電気化学的にPEDOTを形成する際に、EDOTモノマーは作用電極で酸化してラジカルカチオンを形成し、これが他のラジカルカチオンまたはモノマーと反応して電極表面1に堆積するPEDOT鎖を生成する。
PEDOT膜の電気化学的形成には、電解質、電解質タイプ、電極セットアップ、成膜時間、ドーパントタイプ、溶媒温度など、さまざまな制御因子が関与しており、適切な電解質溶液に電流を流すことによってPEDOTを電気化学的に生成することができる。異なる電解質、例えば、水性(例えば、PEDOT−PSS)、有機(例えば、PC、アセトニトリル)、およびイオン液体(例えば、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(BMIMBF4))8を使用することができる。
PEDOTコーティングの利点の1つは、1kHzの周波数範囲におけるAu電極のインピーダンスを2〜3桁大幅に減少させることができることであり、これは神経活動の直接電気化学的検出の感度を高めるのに役立つ9。さらに、PEDOT修飾電極の電荷蓄積容量は増加し、刺激電荷がPEDOT10を介して伝達されるときに、より速くおよびより低い電位応答をもたらす。さらに、ポリスチレンスルホン酸塩(PSS)をAu微小電極アレイ上のPEDOT形成のためのドーパントとして使用すると、高い活性表面積、低い界面インピーダンス、およびより高い電荷注入能力11を有する粗い多孔質表面を作り出す。電気重合工程のために、EDOT−PSSは、通常、水性電解質中に分散液を作る。
しかしながら、EDOTはクロロホルム、アセトン、ACN、およびPCなどの他の有機溶媒に可溶である。したがって、この研究では、電気重合を開始する前に、少量のACNと水の混合物を10:1の比率で使用して可溶性EDOT溶液を作製した。この水電解質を用いる目的は、PEDOT修飾微小電極の作製における馴化工程を省略し、工程を短縮することにある。水性/ACN電解質と比較するために使用される他の有機電解質はPCである。両方の電解質は、EDOT モノマーを酸化し、PEDOTポリマーを形成するのに役立つドーパントとしてLiClO4を含有する。
微小電極は、マクロ電極よりも直径が小さく、寸法が約数十マイクロメートル以下のボルタンメトリック作用電極です。マクロ電極に対するそれらの利点には、溶液から電極表面への物質輸送の強化、定常状態信号の生成、オーミック電位降下の低下、二重層容量の低下、および信号対雑音比の増加が含まれる12。すべての固体電極と同様に、微小電極は分析前に条件付けする必要があります。適切な前処理または活性化技術は、平滑な表面を得るための機械的研磨であり、続いて、適切な電解質13において特定の範囲にわたる電位サイクルなどの電気化学的または化学的コンディショニングステップが続く。
CVは、適切な溶媒およびドーパント電解質を含むモノマー溶液中に電極を挿入することによってPEDOTの電気化学重合において非常に一般的に使用される。この電気化学的手法は、伝導ポリマードーピングプロセスの可逆性、移動電子の数、分析物の拡散係数、反応生成物の形成などの方向情報を提供するのに有益です。この論文では、PEDOTの電気重合に使用される2つの異なる電解質が、形態やその他の固有の特性に依存する潜在的なセンシングアプリケーションを備えた薄いナノ構造膜を生成する方法について説明します。
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1. 分析ソリューションの準備
2. 金微小電極の前処理
3. サイクリックボルタンメトリー法
4. データの収集と分析
5. PEDOTを特徴付けるテクニック
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サイクリックボルタンメトリーは、Auマイクロ電極表面に薄いPEDOT層を形成して、ターゲット分析物の電気化学的検出中の電極導電性と感度を高める簡単な技術です。このプロトコルは、水性電解質溶液からの0.01M EDOTと比較して、有機溶液からの0.1M EDOTの電気重合の方法を実証する。水性/ACN溶液中で10サイクルを実行すると、LiClO4/PC溶液中で4サイクルで観察されたものに匹敵するPEDOTの適度な成長をもたらす。図1は、水性/ACNで電気重合されたEDOTと有機溶液との明確な違いを示しており、その後のPEDOT層はCVを適用して形成されています。100 mV/sのスキャン速度で-0.3~+1.2 V(3 M NaClのAg/AgClに対して)にサイクルすると、ポリマーは両方の電解質溶液で0.9 Vで酸化し始め(図1Aと図1C)、水性/ACN溶液では1 Vに酸化ピークが見られました。
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CV法は、食品、ワインおよび飲料、植物抽出物、さらには生物学的サンプル中の異なる分析物を迅速かつ容易に測定することを可能にする。この技術は、酸化/還元ピーク電位、ターゲット分析物のピーク電流値(濃度に比例)、および各CV実行後の他のすべての電流および電位値を含む、多種多様なデータを生成します。CVの使用は比較的簡単ですが、使用されるポテンショスタットシステムによっては、収集されたデータをバイナリファイルからテキストカンマ形式に変換する必要がある場合があります。たとえば、CH計測器の場合、各実行の直後にテキストカンマまたはCSV形式でデータを保存できます。これにより、テキストを列に変換した後のスプレッドシートでのデータ分析が容易になります。牛乳またはUA標準サンプルのCVスキャンが同じ電位範囲で得られた後、それらは直接比較のために単一のグラフにプロットされた。パブリケーションのデータを表示するために、グラフを Origin または SigmaPlot にプロットし、TIF または必要なグラフィック ファイルの種類としてエクスポートすることもできます。
このメソッドの一般的な問題は、C...
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著者らは開示するものは何もありません。
ニュージーランドのビジネス・イノベーション・雇用省(MBIE)が「高性能センサー」プログラムに提供した資金のおかげです。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アセトニトリル | ベイカー分析 HPLCウルトラグラジエント溶媒 | 75-05-8 | HPLCグレード |
| アルミナ研磨パッド | BASi、米国 | MF-1040 | タン/ベルベットカラー |
| ベルギーチョコレートミルク | プホイバレー乳製品会社、オークランド、NZ | _ | 地元のスーパーマーケットから購入 |
| キャラメル/ホワイトチョコレートミルク | プホイバレー乳製品会社、オークランド、NZ | から | 購入_から購入地元のスーパーマーケット |
| CH | 機器 CHインスツルメンツ株式会社 USA | _ | Model CHI660E |
| 対電極 | BASi, USA | MW-1032 | 長さ7.5 cmのプラチナ線(直径0.5 mm)補助/対向電極、純度99.95% |
| リン酸水素二ナトリウム(Na2HPO4、2H2O) | Scharlau Chemie SA、 バルセロナ、スペイン | 10028-24-7 | 重量 17.8 g |
| DURAN ボトル | オークランド大学 | _ | ガラス製品は、オークランド大学の |
| 電気化学セル | BASi、米国 | MF-1208 | 5-15 mLの容量、ガラス |
| 電極研磨アルミナ懸濁液 | BASi、USA | CF-1050 | 7 mL of 0.05 & micro;m粒度アルミナポリッシュ |
| エスプレッソミルク | プホイバレー乳製品会社、オークランド、NZ | _ | 地元のスーパーマーケットから購入 |
| 3,4-エチレンジオキシチオフェン(EDOT)、97% | シグマ-アルドリッチ | 126213-50-1 | 10.68 μボトル |
| FEI ESEM Quanta 200 FEG | USA_ | SEMのLは、最適な空間分解能のためのショットキー電界放出型電子銃(FEG)を装備しています。この装置は、高真空モード(HV)、低真空モード(LV)、およびいわゆるESEM(環境SEM)モードで使用できます。 | |
| 金微小電極 | BASi, USA | MF-2006 | 作用電極 (10 μm diameter) |
| 過塩素酸リチウム、ACS試薬、≥95% | Sigma-Aldrich | 7791-03-9 | 0.1 M溶液マイクロ |
| ピペット | Eppendorf | _ | 10-100 μL and 100-1000 volumes |
| MilliQ water | Thermo Scientific, USA | _ | 18.2 MΩ/cm at 25°C、バーンステッド ナノピュア ダイヤモンド 浄水システム |
| プロピレンカーボネート、無水、99.7% | Sigma-Aldrich | 108-32-7 | ボトルから 20 mL ボトルから 20 mL |
| を取る 参照電極 | BASi、USA | MF-2052 | /塩化銀 (Ag/AgCl) 電極を 3 M 塩化ナトリウムに保持する |
| 交換用ガラス研磨プレート | BASi、USA | MF-2128 | ガラスプレートを研磨パッドを取り付けるためのスタンドとして |
| リン酸二水素ナトリウム (NaH2PO4、1H2O) | Sigma-Aldrich | 10049-21-5 | 13.8 g |
| 水酸化ナトリウム真珠、AR | ECP-分析試薬 | 1310-73-2 | 0.1 M 溶液過 |
| 塩素酸ナトリウム、ACS 試薬、≥98% | Sigma-Aldrich | 7601-89-0 | 0.1 M溶液を作る |
| 硫酸(98%) | Merck | 7664-93-9 | 0.5 M溶液を作る |
| 尿酸 | Sigma-Aldrich | 69-93-2 | 1 mM溶液を作る |
| 全乳 | アンカー乳製品会社、オークランド、NZ | ブルーキャップミルク、地元のスーパーマーケットから購入 |
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