Artykuł metodologiczny

Elektrochemiczne wykrywanie mikro- i nanopolistyrenu z wykorzystaniem polimerów z nadrukiem molekularnym (MIP)

40 wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/70811

⸱

6 października 2026

 ,  ,  , 
1NanoBioTech Laboratory, Department of Chemistry, Florida Polytechnic University

W tym artykule

Podsumowanie

Niniejszy artykuł opisuje metodę elektrochemicznego wykrywania polistyrenu (o rozmiarach mikro- i nano-) z wykorzystaniem podejścia sensorycznego opartego na polimerach z nadrukiem molekularnym (MIP).

Streszczenie

Niniejszy artykuł opiera się na elektrochemicznym wykrywaniu mikro- i/lub nanostyrenu (m/n-PS). W artykule zaprezentowano elektrochemiczne wykrywanie nanopolistyrenu (nPS) o rozmiarach 100 nm i 500 nm z wykorzystaniem polimeru z nadrukiem molekularnym (MIP). Jako materiał MIP zastosowano poli-o-fenylenediamine (PoPD), który naniesiono elektrochemicznie (poprzez elektropolimeryzację) na powierzchnię sitodrukowej elektrody węglowej (SPCE), wykorzystując o-fenylenediamine (oPD) jako monomer. Aby wytworzyć MIP selektywny względem m/n-PS, jako materiał matrycowy wykorzystano PS o rozmiarach 100 i 500 nm. Proces wytwarzania systemu PoPD@MIP@SPCE skierowanego przeciwko m/n-PS scharakteryzowano za pomocą technik elektrochemicznych w celu zrozumienia właściwości elektrochemicznych oraz procesu detekcji. Ostatecznie zoptymalizowane chipy detekcyjne MIPs@PoPD/SPCE wykorzystano do wykazania elektrochemicznego wykrywania nPS w roztworach o różnych stężeniach (PS o rozmiarach 100 i 500 nm), w zakresie od 4.2 x 10-9 do 2.1 x 10-4 g/L w wodzie. Najniższe stężenie wykryte przez opracowany chip detekcyjny wyniosło 4.2 x 10-9 g/L, a czas analizy wyniósł 11 min. Czujniki te wykorzystano również do wykrywania nPS w próbkach wody pobranych z jeziora przy Florida Polytechnic University. Zaproponowana metoda detekcji może być wykorzystana do wykrywania nPS w diagnostyce przy łóżku pacjenta (point-of-care, POC), co ma ogromne znaczenie dla zastosowań w monitorowaniu środowiska.

Wprowadzenie

Produkcja mikro- i nanoplastików, czyli zdegradowanych lub trawionych tworzyw sztucznych, oraz ich dalsze włączanie w cykl ludzki każdego dnia rosną. Jednocześnie wpływ mikro- i nanoplastików na środowisko, wodę i zdrowie ludzi jest alarmujący i oddziałuje na ekosystemy1. W związku z tym potrzeba zarządzania związanymi z tym poważnymi konsekwencjami przyciągnęła globalną uwagę agencji1. Sytuacja ta jest poważna, ponieważ produkcja tworzyw sztucznych rośnie (same w 2023 roku 390 milionów ton metrycznych), aby sprostać zapotrzebowaniu wynikającemu ze wzrostu gospodarczego (wielkość rynku wyniosła 700 miliardów dolarów w 2023 roku) i rozszerzyć ich zastosowania w różnych warunkach operacyjnych (ciepło, wilgotność i oddziaływania z innymi chemikaliami). Ponadto sytuację pogarsza niewłaściwa utylizacja zużytych tworzyw sztucznych z powodu braku spójnych regulacji globalnych. Wszystkie te okoliczności odpowiadają za zwiększoną produkcję mikro- i/lub nanoplastików, które zostały włączone w cykl ludzki i niekorzystnie wpływają na zdrowie. W takich sytuacjach istnieje potrzeba opracowania strategii wychwytywania, detekcji i degradacji mikro- i nanoplastików1,2,3.

Wśród wielu tworzyw sztucznych w skali mikro/nano (o rozmiarach od µm do nm), polistyren w rozmiarze mikro- i/lub nano (m/n-PS) jest jednym z niepokojących zanieczyszczeń; stanowi on produkt degradacji polistyrenu wykorzystywanego w różnorodnych zastosowaniach, takich jak opakowania, usługi gastronomiczne, urządzenia AGD, izolacje oraz inne procesy rozwoju produktów. m/n-PS wymagają tysięcy lat do pełnej degradacji, jednak w tym czasie mogą wchodzić w interakcje z żywnością, wodą i powietrzem, przedostając się do cyklu ludzkiego i organizmu człowieka. Niedawne raporty potwierdziły, że m/n-PS (na poziomie ppb) wiążą się z (1) toksycznością komórkową1,2, (2) dysfunkcją tarczycy, (3) przekraczaniem bariery krew-mózg (BBB)2, (4) zmianą funkcji komórek mózgowych2, (5) neurotoksycznością2 oraz (6) chorobami neurodegeneracyjnymi1,4. Dlatego kluczowe jest zbadanie metodologii selektywnego wykrywania m/n-PS na bardzo niskim poziomie. Biorąc pod uwagę związek m/n-PS z czynnikami środowiskowymi i zdrowotnymi, zaleca się realizację pomiarów w systemach point-of-care (PoC) i point-of-use (PoU)3. Takie podejście można badać i wdrażać w aplikacjach nadzorczych. Jednocześnie te podejścia do detekcji PoC i PoU mogą być zintegrowane z metodami sztucznej inteligencji (AI) w celu szybkiej analizy i podejmowania decyzji4. Aby zrealizować te zadania, z technologicznego punktu widzenia sugeruje się opracowanie zminiaturyzowanego czujnika do selektywnego wykrywania m/n-PS. Selektywność jest parametrem krytycznym, ponieważ m/n-PS mogą wykazywać powinowactwo do innych zanieczyszczeń wody, takich jak substancje per- i polifluoroalkilowe (PFAS), naturalne odpady organiczne itp.4

Obecnie istnieje wiele podejść do wykrywania m/n-PS, w tym spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) oraz wysokorozdzielcza mikroskopia fluorescencyjna3. Techniki te są skuteczne, ale nie są opłacalne i wykazują ograniczenia w detekcji na poziomach ppb i ppt. Inne metody, takie jak piroliza połączona z chromatografią gazową i spektrometrią mas (Py-GC/MS), są również bardzo wydajne, ale charakteryzują się wysokimi kosztami, koniecznością stosowania zaawansowanej aparatury oraz wymagają czasochłonnej obsługi opartej na specjalistycznej wiedzy1,3. Wykrywanie PS wymaga dopasowania odpowiedniej metody analitycznej do docelowego rozmiaru cząstek i ich właściwości strukturalnych. Podczas gdy tradycyjne metody laboratoryjne zapewniają niezrównaną głębię analizy, elektrochemiczne wykrywanie polistyrenu oferuje wyraźną zmianę paradygmatu, umożliwiając szybkie, tanie i przenośne monitorowanie submikronowych i nanometrowych cząstek plastiku bezpośrednio w matrycach ciekłych. Standardowe techniki laboratoryjne, w tym spektroskopia FTIR i Ramana, opierają się na unikalnych „odciskach palców” (chemicznych lub wibracyjnych) w celu dokładnej identyfikacji oraz wizualizacji nieznanych kształtów i rozmiarów cząstek aż do około 1 µm. Jednak te narzędzia spektroskopowe są drogie, mają niską prędkość skanowania i wymagają intensywnego suszenia próbek3. W celach prawnych lub regulacyjnych Py-GC/MS jest uważane za złoty standard w obliczaniu całkowitych frakcji masy PS w bardzo złożonych matrycach, takich jak gleba i osady, choć niszczy ono próbkę i usuwa wszelkie dane morfologiczne3. W przeciwieństwie do nich, podejścia do detekcji elektrochemicznej wykorzystujące specjalnie modyfikowane interfejsy elektrod, na przykład polimery z nadrukiem molekularnym (MIPs) lub funkcjonalizowany peptydami grafen, mogą wychwytywać PS poprzez adsorpcję fizyczną lub powinowactwo elektrostatyczne, co powoduje natychmiastowe zmiany prądu elektrycznego lub oporności1,3. Porównanie wydajności elektrochemicznego wykrywania polistyrenu w zestawieniu z innymi technikami stosowanymi do detekcji polistyrenu przedstawiono w Tabeli 1.

Jednocześnie podejścia detekcyjne te wykazują większą selektywność wobec PS o rozmiarach mikro- i podmikronowych przy nieco wyższych stężeniach (mM). Techniki te nie nadają się jednak do wykrywania PS o rozmiarach nanometrycznych (poniżej 100 nm) oraz niskich stężeń nPS. Ograniczenie to wynika z (1) właściwości i natury wybranych materiałów, które nie są w stanie wzmocnić sygnału odpowiedzi oraz (2) mikroelektroniki, która może nie być zdolna do przetwarzania słabego sygnału odpowiedzi. Co więcej, większość narzędzi do detekcji PS nie nadaje się do analiz PoC i PoU w przypadku m/n-PS. W ostatnim czasie podjęto próby opracowania elektrochemicznej detekcji m/n-PS, w której do przeprowadzenia pomiaru niezbędny jest materiał sensorowy4,5,6,7,8,9. Wiadomo, że sensory elektrochemiczne są niskokosztowymi, przenośnymi systemami urządzeń pozwalającymi na szybkie (w ciągu kilku minut) wykrywanie granic subnanomolarnych. Systemy te mogą stanowić idealne rozwiązanie dla wysokoprzepustowego monitoringu środowiskowego w miejscu zapotrzebowania (PoN), gdzie konwencjonalne narzędzia analityczne i infrastruktura laboratoryjna są niedostępne. Zatem przenośny system elektrochemiczny do detekcji PS można opracować poprzez dobór odpowiedniego przetwornika, materiałów sensorowych oraz metod przetwarzania i analizy danych1,2,3. Taki zoptymalizowany sensor o wysokiej czułości może wykrywać m/n-PS w warunkach PoU i PoN poprzez pomiar sygnałów elektrycznych, eliminując potrzebę stosowania zaawansowanej aparatury i laboratoriów.

Istnieje kilka takich rodzajów czujników, a zaprezentowana metoda detekcji spełnia wymagania zastosowań nadzorczych1,4. Jednak mechanizm detekcji i przyczyny selektywności nie są dobrze omówione ze względu na brak selektywnych elementów rozpoznających lub powinowactwa. W związku z tym istnieje pilna potrzeba zbadania zminiaturyzowanych czujników elektrochemicznych do selektywnego wykrywania m/n-PS. W tym kontekście niniejszy raport proponuje czujnik elektrochemiczny oparty na polimerach z odciskami molekularnymi (MIP), który może selektywnie wykrywać m/n-PS. MIP-y są znane z selektywnego wychwytywania docelowego anality, który służy jako materiał matrycowy10,11,12,13. Matryca ta jest zdefiniowana przez rozmiar, orientację i kształt anality, co generuje kawerny, w których docelowy analyt może selektywnie wiązać się na powierzchni elektrody sensorycznej. Dzięki tym specyficznością MIP-y są uznawane za sztuczne przeciwciała niezbędne w zaawansowanych zastosowaniach biomedycznych i zostały wdrożone w różnych rodzajach selektywnych zastosowań detekcyjnych. Ze względu na możliwość masowej produkcji, kontrolę nad właściwościami elektrycznymi oraz łatwość modyfikacji powierzchni, podejścia oparte na MIP posiadają potencjał translacyjny1,14.

W celu zintegrowania możliwości detekcji opartej na polimerach z odciskami molekularnymi (MIP) z cechami detekcji elektrochemicznej, niniejszy artykuł przedstawia metodę detekcji m/n-PS przy użyciu MIP na bazie poli-o-fenylenediamine (PoPD). Właściwości PoPD jako MIP w zastosowaniach sensorycznych zostały omówione w poprzednich publikacjach badawczych. MIP z PoPD został wytworzony elektrochemicznie na sitodrukowanej elektrodzie węglowej (SPCE), która stanowi dostosowany trójelektrodowy system odpowiedni do prowadzenia pomiarów elektrochemicznych. Proces wytwarzania MIP przeprowadzono z wykorzystaniem cząstek m/n-PS o rozmiarach 100 nm oraz 500 nm (dwa oddzielne chipy) jako materiałów matrycowych. Oba chipy, MIP@PoPD (matryca 100 nm)@SPCE oraz MIP@PoPD (matryca 500 nm)@SPCE, mogą wykrywać m/n-PS przy użyciu chronoamperometrii (CA) i woltamperometrii impulsowej różnicowej (DPV) w zakresie stężeń od 4.2 x 10-9 do 2.1 x 10-4 g/L. Wyniki tych badań sugerują, że MIP-PoPD (wytworzony przy użyciu matrycy 500 nm) wykazuje lepszy model matematyczny w odniesieniu do detekcji nPS (500 nm) w próbkach wody w porównaniu do nPS o rozmiarze 100 nm. Szczegółowy opis tego artykułu metodologicznego został opublikowany przez Sanchez-Almirola i wsp.1 oraz objęty patentem USA15.

Protokół

Autorzy oświadczają, że niniejsze badanie zostało przeprowadzone zgodnie ze standardami regulacyjnymi oraz nadzorem instytucjonalnym. Odpady związane z tymi badaniami były przechowywane zgodnie z wytycznymi wydziału ochrony środowiska i bezpieczeństwa i higieny pracy (EHS) uniwersytetu. Następnie odpady były regularnie odbierane i utylizowane przez specjalistów. Autorzy przeszli wszystkie szkolenia z zakresu bezpieczeństwa w laboratorium sugerowane przez wydział EHS uniwersytetu i przestrzegali wszystkich przepisów podczas prowadzenia proponowanych badań. Odczynniki i sprzęt użyte w pracy są wymienione w Tabeli materiałów.

1. Materiały

  1. Nabyć z komercyjnych źródeł sitodrukowe elektrody węglowe (SPCEs) wykorzystywane do wytwarzania MIP.
    UWAGA: SPCEs to systemy elektrochemiczne składające się z trzech elektrod: elektrody pracującej (WE), elektrody pomocniczej (CE) oraz elektrody odniesienia (RE). WE w SPCE (średnica 3 mm) składa się z grafitu, CE w SPCE składa się z węgla, a RE w SPCE składa się ze srebra.
  2. Przygotować roztwór zapasowy PS (zarówno 100 nm, jak i 500 nm), używając wody dejonizowanej (DI) jako rozpuszczalnika.

2. Elektrochemia i charakterystyka

  1. Przygotować roztwór do polimeryzacji zawierający cząstki PS (osobno cząstki nPS o rozmiarach 100 nm i 500 nm) oraz o-fenylenodiaminę zawieszone w wodzie dejonizowanej (DI).
  2. Po elektropolimeryzacji przeprowadzić elucję poprzez zanurzenie SPCE w roztworze składającym się z równych części wody DI i metanolu.
    UWAGA: Wszystkie eksperymenty elektrochemiczne i analizy wykonano przy użyciu potencjostatu.
  3. Przeprowadzić badania elektrochemiczne, stosując fosforanowo-buforowy roztwór soli (PBS) jako elektrolit redoks, zawierający 5 mM żelazicyjanku potasu K3[Fe(CN)6] i ferrocyjanku potasu K4[Fe(CN)6]. Roztwór PBS przygotować poprzez rozpuszczenie jednej tabletki buforowej (dla pH = 7) w 200 mL wody DI, a następnie mieszać do całkowitego rozpuszczenia tabletki. Parametry operacyjne badań woltamperometrii cyklicznej (CV) zostaną omówione w dalszej części.
  4. Zbadać proces wytwarzania, charakterystykę oraz właściwości sensoryczne MIP@PoPD, wykorzystując techniki elektrochemiczne, takie jak CV i woltamperometria impulsowa różnicowa (DPV). Parametry operacyjne badań CV i DPV zostaną omówione w dalszej części.
  5. Analizy elektrochemiczne przeprowadzić przy użyciu analizatorów elektrochemicznych, sterowanych za pomocą oprogramowania PSTrace 5.9.
    UWAGA: Szczegóły dotyczące wytwarzania MIP@PoPD zostały omówione w powiązanych wcześniejszych publikacjach1,13.

3. Czyszczenie elektrody

  1. Zanurz SPCE w 1 M roztworze kwasu solnego (HCl), aby zapewnić czystą powierzchnię do polimeryzacji. HCl przechowywano i obchodzono zgodnie z wytycznymi1.
  2. W celu oczyszczenia elektrody podłącz SPCE do potencjostatu i przeprowadź CV w zakresie potencjałów od -1 V do 1 V przy prędkości skanowania 100 mV/s przez 10 cykli.
  3. Następnie przemyj powierzchnię SPCE wodą DI i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu.
  4. Przeprowadź charakterystykę układu SPCE, wykonując CV od -1 V do 1 V przy prędkości skanowania 50 mV/s przez 3 cykle oraz DPV od -1 V do 1 V z potencjałem impulsu 0,01 V i czasem impulsu 0,01 s.

4. Wytwarzanie MIP@PoPD

  1. Aby przygotować roztwór do polimeryzacji, połącz 1 mM o-fenylendiaminy (oPD) oraz 10 µL docelowego analitycznego roztworu cząsteczek nPS o rozmiarach [500 nm (2,1 × 10-4 g/L) lub 100 nm (2,1 × 10-4 g/L)] w 15 mL wody dejonizowanej (DI water). W tym miejscu wspomniano o dwóch różnych typach roztworów do polimeryzacji.
  2. Za pomocą mikropipety nanieś 100 µL roztworu do polimeryzacji na elektrodę roboczą systemu SPCE.
  3. Aby wytworzyć MIP na bazie PoPD, po podłączeniu SPCE do potencjostatu, przeprowadź CV w zakresie potencjałów od 0 V do 1 V, przy prędkości skanowania 50 mV/s, przez 30 cykli. Tutaj rozważono wytworzenie dwóch różnych typów MIP, jeden specyficzny dla matrycy o rozmiarze 100 nm, a drugi dla matrycy o rozmiarze 500 nm.
  4. Podobnie jak wcześniej, przemyj SPCE wodą DI i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu.
  5. Podobnie jak wcześniej, scharakteryzuj system SPCE, przeprowadzając CV od -1 V do 1 V przy prędkości skanowania 50 mV/s przez 3 cykle oraz DPV od -1 V do 1 V z potencjałem impulsu 0,01 V i czasem impulsu 0,01 s.
  6. Wymyj (w temperaturze 25 °C) system PoPD@SPCE, zanurzając elektrodę w roztworze metanolu i wody DI w proporcji 50/50 na 30 min.
  7. Ponownie opłucz wymyty SPCE wodą DI i wysusz na powietrzu.
  8. Podobnie jak wcześniej, scharakteryzuj system SPCE, przeprowadzając CV od -1 V do 1 V przy prędkości skanowania 50 mV/s przez trzy cykle oraz DPV od -1 V do 1 V z potencjałem impulsu 0,01 V i czasem impulsu 0,01 s.

5. Elektrochemiczne wykrywanie nPS

  1. Za pomocą mikropipety nanieś 100 µL odpowiedniego roztworu analitycznego (w odniesieniu do nPS o rozmiarach 100 nm i 500 nm) na elektrodę roboczą, pozostawiając 10 min czasu inkubacji (w 25 °C), aby anality wiązał się z warstwą MIP.
    UWAGA: Roztwory wybrane do pomiarów posiadały następujące stężenia: 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 oraz 0 g/L.
  2. Po upływie czasu inkubacji przepłucz system SPCE wodą DI, aby usunąć z warstwy MIP wszystkie niewiązane nPS.
  3. Po ponownym podłączeniu systemu SPCE do potencjostatu przeprowadź charakterystykę elektrody za pomocą CV w zakresie od -1 V do 1 V z prędkością 50 mV/s przez trzy cykle, DPV od -1 V do 1 V z potencjałem impulsu 0,01 V i czasem impulsu 0,01 s przez trzy cykle oraz wykonaj trzy cykle chronoamperometrii (CA) przy 10 V przez 30 min. Badania CA przeprowadzono przy różnych napięciach, jednak wzmocniony sygnał uzyskano przy 10 V.
    UWAGA: Wszystkie pomiary elektrochemiczne wykonano w trzech powtórzeniach (n=3), a do analizy wykorzystano wykresy o identycznej wielkości.

6. Analiza danych

  1. Przeanalizować wszystkie dane wygenerowane w programie MATLAB (wersja R2022b).
    UWAGA: W metodzie DPV elektrody generują sygnały elektrochemiczne przy różnych poziomach bazowych. Dlatego do analizy zachowania elektrochemicznego i wykreślenia krzywej kalibracyjnej wybierana jest wartość prominencji. Obliczenie prominencji jest wykonywane bezpośrednio za pomocą oprogramowania PSTrace 5.9 i jest to proces automatyczny. Dane DPV zebrane przy użyciu oprogramowania PSTrace 5.9 zostały następnie przedstawione graficznie w programie MATLAB. PSTrace 5.9 to przyjazne dla użytkownika oprogramowanie sterujące potencjostatem elektrochemicznym w celu przeprowadzania eksperymentów elektrochemicznych, w tym badań CV i DPV. Parametry przeprowadzania badań CV i DPV zostały podane w odpowiednich miejscach powyżej. Dane wygenerowane za pomocą PSTrace 5.9 zostały wykorzystane do sporządzenia wykresów w programie MATLAB w celu zapewnienia lepszej prezentacji.

Wyniki

MIP@PoPD@SPCE to system elektrod czujnikowych, omawiany w niniejszym artykule, w którym dwa MIPy PoPD zostały wytworzone na SPCE z wykorzystaniem nPS o rozmiarach 100 nm i 500 nm jako materiału wzorcowego. W ramach tego badania opracowano dwa typy chipów czujnikowych MIP@PoPD@SPCE: jeden wytworzony z użyciem nPS o wielkości 100 nm jako materiału wzorcowego, a drugi z użyciem nPS o wielkości 500 nm jako materiału wzorcowego. Systemy te zostały wykorzystane do wykrywania określonych rozmiarów nPS (np. oddzielnie nPS o wielkości 100 nm i 500 nm) w reprezentatywnych próbkach wody, przy zastosowaniu proponowanej metody.

Podczas procesu wykrywania istotne jest poznanie elektrochemicznego zachowania elektrody czujnikowej, elektrolitu oraz nPS na różnych etapach i w różnych warunkach. Dlatego charakterystykę SPCE i nPS zbadano za pomocą badań elektrochemicznych, w tym woltamperometrii cyklicznej (CV) i woltamperometrii różnicowej (DPV). Aby zrozumieć wpływ nPS na wyniki elektrochemiczne, przeprowadzono CV i DPV dla SPCE z zastosowaniem roztworu buforowego PBS jako elektrolitu, a także mieszaniny PBS i nPS. Zrozumienie właściwości powierzchniowych SPCE oraz MIP@SPCE jest również bardzo ważne i zostało ocenione za pomocą spektroskopii Ramana.

Oczyszczone i zoptymalizowane SPCE wykorzystano do wytwarzania układów MIP@PoPD@SPCE, stosując jako materiały formujące nPS o rozmiarach 100 nm oraz 500 nm. Szczegółowo przebadano powierzchniowe cechy funkcjonalne SPCE; wszystkie SPCE poddano procesowi wytwarzania MIP@PoPD przy użyciu technik elektrochemicznych. Wszystkie sensory MIP@PoPD/SPCE wyprodukowano z zastosowaniem identycznego roztworu polimeryzacyjnego, rozcieńczonych próbek, roztworu do czyszczenia oraz roztworu elektrolitu. Technikę CV zastosowano do elektrochemicznego czyszczenia elektrody SPCE, jak pokazano w Rycina 1A. Po oczyszczeniu te elektrody SPCE wykorzystano do wytwarzania polimerów imprezowanych (MIP) na elektrodzie roboczej (WE) SPCE poprzez elektropolimeryzacja PoPD przy użyciu technik CV, jak pokazano w Rycina 1B. Współczynnik zmienności (CV)Rycina 1C) i DPV (Rycina 1D) techniki zostały również wykorzystane do zrozumienia zachowania elektrochemicznego SPCE na różnych etapach, na przykład po czyszczeniu, po polimeryzacji i po elucji.

Mikromacierze MIP@PoPD@SPCE wytworzono z wykorzystaniem nPS o rozmiarze 500 nm jako materiału wzorcowego do elektrochemicznego oznaczania stężeń nPS (nPS o rozmiarze 500 nm) w zakresie od 4,2 × 10-9 do 2,1 x 10-4 g/L). W tym podejściu wykorzystuje się techniki elektrochemiczne, w tym DPV (Rycina 2) i CA (Rycina 3), zostały wykorzystane do przeprowadzenia selektywnego oznaczania nPS. W tym procesie zastosowano kilka jednorazowych czujników MIP@PoPD@SPCE specyficznych dla nPS o wielkości 500 nm. Oznacza to, że do oznaczania każdej stężenia nPS (o wielkości 500 nm) metodą DPV należy użyć nowego elektrody czujnikowejRycina 2A). Zgodnie z oczekiwaniami stwierdzono wzrost sygnału elektrochemicznego opartego na DPV w funkcji stężenia nPS. Wartości sygnału elektrochemicznego w funkcji poszczególnych stężeń wykorzystano do opracowania wykresu kalibracyjnego, sporządzonego na podstawie zależności między stężeniami nPS a odpowiedzią prądową szczytową, wyrażoną w kategoriach wyraźnościRycina 2B). Tak więc wykreślony wykres kalibracyjny wydaje się matematycznie akceptowalny i wykazuje czułość wynoszącą 0,037169 µA/log(g/L), współczynnik regresji (R2) wynoszący 0,902, granica wykrywalności 4,2 × 10-9 g/L oraz istotność pwartość < 0.015

Aby zbadać wielomodowe czucie elektrochemiczne nPS (500 nm), wykorzystano te czujniki MIP@PoPD@SPCE do wykrywania nPS (500 nm, w zakresie od 4,2 × 10-9 do 2,1 x 10-4 g/L) przy użyciu techniki CA (Rycina 3), przy stałym napięciu 10 V przez 30 min. Wartość odpowiedzi prądowej każdego czujnika ustabilizowała się po około 3 min. W związku z tym pierwsze 180 s każdego zapisu zostały naniesione na wykres i wykorzystane do analizy danych pomiarowych. Dlatego tylko pierwsze 180 s zostały naniesione na wykres i wybrane do analizy danych pomiarowych (Rycina 3A). Wyniki badań CA wykazały również, że prąd przepływający przez każdy chip pomiarowy stopniowo spada przez pierwsze 70 s, po czym obserwuje się gwałtowny spadek, zanim prąd się zastagnuje. Szybkość zmiany prądu (Rycina 3B) został przetworzony przez filtr dolnoprzepustowy. Następnie uśredniono szybkości zmian prądu dla każdej przetestowanej stężenia i wykreślono je w funkcji logarytmu każdego stężenia. Uzyskane wyniki wykorzystano do sporządzenia krzywej kalibracyjnej (Rycina 3C). Wyniki sygnału elektrochemicznego opartego na CA jako funkcji stężeń nPS wykazały bardzo obiecującą metodę. Odzwierciedla to dobrze dopasowana krzywa kalibracyjna, która wykazała wartość R2 0,994 oraz bardzo wysoką korelację między średnią szybkością zmian prądu a stężeniem nPS. Dodatkowo, szeroki zakres wykrywalności od 4,2 x 10-9 do 2,1 x 10-4 g/L, najniższe stężenie wykryte na poziomie 4,2 × 10-9 g/L, oraz wynik statystycznie istotny przy p < zaobserwowano również na poziomie 0,001.

Stosując ten sam proces, elektrodę czujnikową MIP@PoPD@SPCE, wytworzoną z wykorzystaniem nPS o wielkości 100 nm jako materiału formującego szablon, wykorzystano do elektrochemicznej detekcji nPS (o rozmiarze 100 nm) metodą DPVRycina 4) i CA (Rysunek 5) technik w zakresie stężenia od 4,2 x 10-9 do 2,1 x 10-4 g/L. Zaobserwowano wzrost wielkości sygnału z chipu MIP@PoPD@SPCE wraz ze zwiększaniem stężenia nPS o wielkości 100 nm, jak pokazano na Rycina 4A. Wyniki tego badania (Rycina 4A) wykorzystano do sporządzenia krzywej kalibracyjnej (Rycina 4B), wielkość sygnału elektrycznego w odniesieniu do określonego stężenia. W związku z tym wykreślona krzywa kalibracyjna wykazała liniową regresję R2 0,738, czułość 0,0533 µA/log(g/L), szeroki zakres wykrywania (od 4,2 x 10-9 do 2,1 x 10-4 g/L), granica wykrywalności wynosząca 4,2 × 10-9 g/L oraz istotność statystycznąp < 0,05). Podejście elektrochemiczne oparte na CA zostało również zbadane pod kątem wielomodowego elektrochemicznego wykrywania nPS (o rozmiarze 100 nm) przy użyciu czujnikowej płytki elektrodowej MIP@PoPD@SPCE, jak pokazano na Rysunek 5W celu przeprowadzenia badań CA przyjęto te same parametry, co w przypadku wykrywania nPS (cząstek nPS o wielkości 500 nm) przy użyciu metody CA.

Rycina 5A, B reprezentują wyniki pomiarów związane z detekcją nPS (cząstek nPS o wielkości 100 nm) za pomocą elektrody czujnikowej MIP@PoPD@SPCE specyficznej dla cząstek nPS o wielkości 100 nm. Ponadto, wyniki tych eksperymentów wykorzystano do opracowania krzywej kalibracyjnejRycina 5C) pomiędzy szybkością zmiany prądu a różną stężeniem nPS (100 nm). Wykres kalibracyjny wykazał dobre dopasowanie krzywej kalibracyjnej opartej na CA (tj. R)2 = 0,746) i korelacja (p-wartość < 0,05). Ta krzywa kalibracyjna wykazywała również czułość wynoszącą 5,09 × 10-4 dA/dt /log(g/L), szeroki zakres wykrywania od 4,2 x 10-9 do 2,1 x 10-4 g/L oraz granicę wykrywalności wynoszącą 4,2 × 10-9 g/L. Badania DPV i CA związane z wykrywaniem nPS o wielkości 100 nm są niedopuszczalne ze względu na słabe r2 wartość. Jednak chipy MIP@PoPD@SPCE, wytworzone z wykorzystaniem nPS o wielkości 100 nm jako materiału wzorcowego, mogą być stosowane do wykrywania nPS o wielkości 100 nm w próbkach wody.

W celu oceny selektywności elektrod czujnikowych przeprowadzono badania DPV za pomocą specyficznego czujnika MIP@PoPD@SPCE w odniesieniu do cząstek nPS o rozmiarach 100 nm i 500 nm. W tym procesie przygotowano dwie matryce MIP@PoPD, wykorzystując cząstki nPS o rozmiarach 100 nm i 500 nm jako materiał formujący wnęki, w celu wytworzenia specyficznych jam. Czujniki te wykorzystano do wykrywania nPS metodą DPV w odniesieniu do nPS (2,1 × 10-4 g/L) zarówno 100 nm, jak i 500 nm PS w wodzie (dane nie pokazane). W badaniu krzyżowej reaktywności stwierdzono różnicę w wyraźności sygnału dla MIP@PoPD (wytworzonego z użyciem 500 nm PS) po inkubacji z nPS o wielkości 100 nm i 500 nm. Obserwowano, że MIP@PoPD@SPCE, wytworzony z użyciem matrycy 500 nm, wykazuje odpowiedź na cząstki 500 nm. W tym przypadku zmiana sygnału, tj. różnica w wyraźności między elektrodą czujnikową a elektrodą czujnikową z dodatkiem docelowego próbki, była istotnie wyższa. Jednocześnie oceniono również selektywność chipów czujnikowych opartych na MIP@PoPD, wybierając jako czujnik niematomowy polimer (NIP) PoPD. Elektrody NIP@PoPD@SPCE wytworzono w identycznych warunkach eksperymentalnych, które zostały zoptymalizowane dla produkcji elektrod czujnikowych MIP@PoPD@SPCE. W eksperymencie czujnikowym opartym na DPV, 2,1 x 10-4 Stężenie 500 nm nPS o wartości g/L wybrano do inkubacji w systemach elektrod czujnikowych NIP@PoPD@SPCE i MIP@PoPD@SPCE (dane nie pokazane). Wyniki tego badania wskazują, że system NIP@PoPD@SPCE nie wykazał istotnej zmiany elektrochemicznej (pod względem wyraźności sygnału) przy niskim stężeniu cząstek nPS o wielkości 500 nm. Natomiast elektroda czujnikowa oparta na MIP@PoPD@SPCE wykazała istotną zmianę prądu odpowiedzi (pod względem wyraźności sygnału, od 4,155–4.492 µA).

W celu przeanalizowania aspektów rzeczywistych zastosowań, zastosowano proponowane elektrody czujnikowe MIP@PoPD@SPCE (specyficzne dla cząstek nPS o wielkości 100 nm) do wykrywania cząstek nPS o wielkości 100 nm w sztucznie przygotowanych próbkach wody. Do przygotowania próbek testowych wykorzystano wodę jeziorną z Florida Polytechnic University w Lakeland na Florydzie, USA. Badanie to przeprowadzono za pomocą technik CV i DPV przy użyciu próbek wody jeziornej zawierających 2,1 × 10-4 g/L cząstek nPS o wielkości 100 nm oraz chipów sensorycznych specyficznych dla cząstek nPS o wielkości 100 nm (dane nie pokazane). Te eksperymenty przeprowadzono wyłącznie w buforze PBS (pH = 7) oraz w PBS zawierającym 5 mM mieszaniny ferrycyjanu/ferocyjanu (Fe(II)/Fe(III)) (dane nie pokazane). Taka wydajność, czujniki bez udziału mediatora oraz z udziałem mediatora, co pokazuje szeroką przydatność proponowanych sensorów. Zaobserwowany specyficzny skok sygnału wyłącznie w przypadku dodania nPS sugeruje selektywność chipu sensorycznego. Wartość wzrostu natężenia prądu w roztworach PBS oraz Fe(II)/Fe(III) jest niemal identyczna, co wskazuje, że do zastosowań sensorycznych można użyć zarówno jednego, jak i drugiego roztworu. Podsumowując, proponowane czujniki MIP@PoPD@SPCE mogą zostać wykorzystane do wykrywania nPS w próbkach wody w warunkach diagnostyki punktu opieki zdrowotnej (POC).

figure-results-1
Rycina 1: Elektrochemiczna produkcja chipu elektrody czujnikowej MIP@PoPD@SPCE (A) proces czyszczenia oparty na CV, (B) Elektropolimeryzacja oPD do PoPD metodą woltamperometrii cyklicznej w obecności nPS na SPCE,C) Charakteryzacja oparta na woltamperometrii cyklicznej PoPD@SPCE na różnych etapach, w tym po oczyszczeniu, po polimeryzacji oraz po elucji, oraz (D) Charakteryzacja chipa metodą DPV, w tym etapy po elucji, polimeryzacji i czyszczenia. Wszystkie pomiary wykonano w trzech powtórzeniach (n = 3), a do analizy wykorzystano wykresy identycznych sygnałów. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Ten rysunek został zmodyfikowany na podstawie pracy Sanchez-Almirola i wsp.1.

figure-results-2
Rycina 2: Elektrochemiczne wykrywanie nPS metodą DPV (z odniesieniem do matrycy o wielkości 500 nm). (ABadania elektrochemiczne metodą DPV w funkcji stężeń 500 nm w obecności buforu PBS zawierającego 5 mM redoksowe formy, tj. Fe(II)/Fe(III).B) Krzywa kalibracyjna sporządzona na podstawie zależności między prądem szczytowym (wysokością szczytu) a logarytmem stężenia cząstek nPS. Wszystkie pomiary wykonano w trzech powtórzeniach (n = 3), a do analizy wykorzystano wykresy identycznych sygnałów. Wysokość szczytu uzyskanego w skanowaniu DPV przedstawiono w funkcji logarytmu stężenia, z dopasowaniem prostej regresji liniowej (R2 = 0.902, p– wartość = 0,0135, RMSE = 0,0596). Dane wykazują czułość 0,037169 µA/log(g/L), zakres wykrywania od 4,2 × 10-9 do 2,1 × 10-4 g/L, barwa błędu 5% oraz granica wykrywalności 4,2 × 10-9 g/L. Rycina została zmodyfikowana na podstawie pracy Sanchez-Almirola i wsp.1. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rycina 3: Badania oparte na CA związane z elektrochemicznym wykrywaniem nPS (z odniesieniem do cząstek nPS o wielkości 500 nm). (A) Wzorzec CA jako funkcja stężeń nPS (o rozmiarze 500 nm) (przy 10 V przez 180 s) w obecności PBS zawierającego 5 mM redoksowych składników [Fe(II)/Fe(III)], (B) szybkość zmiany odpowiedzi prądowej w odniesieniu do każdej przetestowanej stężenia, oraz (C) krzywa kalibracyjna sporządzona na podstawie średniej zmiany natężenia prądu dla każdej stężenia nPS (o rozmiarze 500 nm). Wszystkie pomiary wykonano w trzech powtórzeniach (n = 3), a do analizy wykorzystano wykresy identycznych sygnałów. Średnia szybkość zmiany natężenia prądu dla każdego stężenia testowanych nPS o rozmiarze 500 nm wraz z dopasowaniem regresji liniowej (R2 = 0.994, p-wartość = 0,000177, RSME = 9,05 × 10-5) z czułością – 5.09 × 10-4 dA/dt /log(g/L), szeroki zakres wykrywania od 4,2 × 10-9 - 2.1 × 10-4 g/L oraz granicę wykrywalności wynoszącą 4,2 × 10-9 g/L. Rycina została zmodyfikowana na podstawie pracy Sanchez-Almirola i wsp.1. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

figure-results-4
Rycina 4: Elektrochemiczne wykrywanie nPS metodą DPV (z odniesieniem do cząstek nPS o wielkości 100 nm). (ABadania elektrochemiczne metodą DPV w funkcji stężenia nPS o rozmiarze 100 nm w obecności buforu PBS zawierającego 5 mM redoksowych form żelaza, tj. Fe(II)/Fe(III).B) Krzywa kalibracyjna sporządzona na podstawie zależności prądu szczytowego (wysokości szczytu) od logarytmu stężenia cząstek nPS. Wszystkie pomiary wykonano w trzech powtórzeniach (n = 3), a do analizy wykorzystano wykresy identycznych sygnałów. Krzywa kalibracyjna: wysokość szczytu z pomiaru DPV przedstawiona w funkcji logarytmu stężenia z dopasowaniem regresji liniowej (R2 = 0.738, p– wartość = 0,0284, RMSE = 0,081) przy użyciu szablonu MIP o rozmiarze 100 nm. Wykres kalibracyjny przedstawiony na wykresie wykazuje czułość wynoszącą 0,0533 µA/log(g/L), szeroki zakres wykrywania od 4,2 × 10-9 do 2,1 × 10-4 g/L, barwa błędu 5% oraz granica wykrywalności 4,2 × 10-9 g/L. Rycina została zmodyfikowana na podstawie pracy Sanchez-Almirola i wsp.1. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

figure-results-5
Rycina 5: Badania oparte na CA dotyczące elektrochemicznego wykrywania nPS (z odniesieniem do cząstek nPS o wielkości 100 nm). (A) Wzorzec CA jako funkcja stężeń nPS (cząstek o rozmiarze 100 nm nPS) (zarejestrowany przy 10 V przez 180 s) w obecności PBS zawierającego 5 mM redoksowych składników [Fe(II)/Fe(III)], (B) szybkość zmiany odpowiedzi prądowej w odniesieniu do każdej przetestowanej stężenia, oraz (C) krzywa kalibracyjna sporządzona na podstawie średniej zmiany natężenia prądu dla każdej stężenia cząstek nPS (cząstki nPS o wielkości 100 nm). Wszystkie pomiary wykonano w trzech powtórzeniach (n = 3), a do analizy wykorzystano wykresy identycznych sygnałów. Średnia szybkość zmiany natężenia prądu dla każdego stężenia badanych cząstek o wielkości 100 nm przedstawiona wraz z dopasowaniem regresji liniowej (R2 = 0.746, p– wartość = 0,0266, RMSE = 0,00281) przy czułości równej 5,09 × 10-4 dA dt /log(g/L), zakres wykrywania od 4,2 × 10-9 g/L do 2,1 × 10-4 g/L, słupek błędu wynoszący 5% oraz granica wykrywalności 4,2 × 10-9 g/L. Rycina została zmodyfikowana na podstawie pracy Sanchez-Almirola i wsp.1. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

MetrykaCzułość elektrochemicznaSpektroskopia FTIRSpektroskopia RamanaPirolyza-GC/MS
Dane wyjścioweStężenie / Liczba cząstekLiczba cząstek, rozmiar & Identyfikator chemicznyLiczba cząstek, rozmiar & Identyfikator chemicznyCałkowita masa polimeru & Dodatki
Limit wielkości celusubmikronowyMikroskalaMikroskala Nie zależny od rozmiaru (niezależny od masy)
<100 nm>10 µm>1 µm
Szybkość analizyMinuty (w czasie rzeczywistym)Godziny (Skanowanie + Przetwarzanie)Godziny (mapowanie + przetwarzanie)Godziny (ekstrakcja termiczna)
Koszt wyposażeniaNiski Wysoki Wysoki Bardzo wysoki
<$1,00040 000 – 150 000 USD50 000–200 000 dolarów150 000 – 300 000 $

Tabela 1: Porównawcza wydajność sensoryczna elektrochemicznego wykrywania polistyrenu w porównaniu z innymi technikami stosowanymi do wykrywania polistyrenu.

Dyskusja

W niniejszej pracy zaprezentowano projekt i opracowanie elektrochemicznego czujnika opartego na MIP do wykrywania nPS w próbkach wody. Wykorzystano dwa oddzielne chipy: (1) MIP@PoPD@SPCE z nPS o rozmiarze 100 nm jako materiałem matrycowym oraz (2) MIP@PoPD@SPCE z nPS o rozmiarze 500 nm jako materiałem matrycowym. W ramach procesu przeprowadzono etapową charakterystykę każdej fabrykacji MIP oraz detekcję nPS z wykorzystaniem badań elektrochemicznych opartych na metodach CV i DPV. Jednym z głównych obszarów uwagi było zbadanie natury elektrochemicznej SPCE, PoPD oraz nPS. Wyniki badań CV i DPV wykazują, że amplituda sygnału SPCE wzrasta po dodaniu nPS do elektrolitu, co potwierdza elektroaktywny charakter nPS. Mikroplastiki (MPs) są zazwyczaj uważane za materiały izolacyjne; jednak w przypadku m/n-PS zaobserwowano, że ich obecność wręcz zwiększa amplitudę sygnału elektrochemicznego w systemie MIP@PoPD@SPCE. Zachowanie to, w oparciu o wnikliwą dyskusję i analizę literatury, można powiązać z poprawionymi właściwościami nPS pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Cząstki nPS (o rozmiarach 100 nm i 500 nm) wykazują różne właściwości, takie jak regulowany ładunek powierzchniowy i radykalizacja w różnych warunkach (np. w polu elektrycznym), co usprawnia transport elektronów. W badaniach elektrochemicznych nPS@PBS@MIP@SPCE metodą CV zaobserwowano przesunięcie położenia piku oraz wzrost amplitudy prądu. Dodatkowo, w badaniach elektrochemicznych metodą DPV, amplituda sygnału elektrochemicznego nPS@PBS@MIP@SPCE wzrosła około 4-krotnie w porównaniu do PBS bez nPS. Wyniki te potwierdzają, że nPS zachowuje się jak materiał elektroaktywny w obecności różnicy potencjałów i roztworu elektrolitu.

Elektropolimeryzacja oPD tworzy sieć polimerową, PoPD. Ta sama elektropolimeryzacja oPD, wraz z nPS, prowadzi do powstania układu polimerowego z zatopionymi w nim nPS (cząsteczkami o rozmiarach 100 nm i 500 nm). Co więcej, usunięcie nPS z układu PoPD plus nPS poprzez proces elucji skutkuje wytworzeniem specyficznych kawern wewnątrz PoPD. Kawerny te są specyficzne pod względem rozmiaru, orientacji i ogólnego kształtu cząsteczek nPS. Po elucji, na SPCE wytwarzany jest MIP z PoPD (który specyficznie celuje w oryginalne cząsteczki matrycy nPS o rozmiarach 100 nm i 500 nm). Aby potwierdzić, że wytworzenie systemu elektrody sensorycznej MIP@PoPD@SPCE przebiegło pomyślnie, przeprowadzono systematycznie szereg badań elektrochemicznych. Wyniki tych eksperymentów analizowano w odniesieniu do gołej elektrody SPCE. Ocena analityczna wykazała zmianę odpowiedzi elektrochemicznej na każdym etapie wytwarzania MIP@PoPD@SPCE. Jako główną obserwację odnotowano wzrost amplitudy odpowiedzi elektrochemicznej PoPD (z nPS)@SPCE ze względu na obecność nPS na powierzchni elektrody. Ponadto amplituda odpowiedzi elektrochemicznej MIP@PoPD@SPCE nieco spadła w porównaniu z MIP@PoPD@SPCE, co było spowodowane usunięciem elektroaktywnych nPS z matrycy polimerowej (PoPD). Takie zaobserwowane zachowanie elektrochemiczne potwierdziło wytworzenie chipa MIP@PoPD@SPCE, który zostanie wykorzystany do elektrochemicznego wykrywania nPS w próbkach wody.

Cały proces wytwarzania systemów PoPD oraz MIP@PoPD wiąże się z różnymi zmianami i modyfikacjami powierzchni, a wariacje te zostały potwierdzone na podstawie wyników spektroskopii Ramanowskiej oraz obrazowania Ramanowskiego. W przypadku PoPD krzywe spektroskopowe Raman wykazały wszystkie piki związane z grupami funkcyjnymi polimerowych systemów PoPD, co było zgodne z literaturą dotyczącą PoPD (dane nie przedstawiono). Krzywa spektroskopowa Raman dla MIP@PoPD wykazała wszystkie piki związane z funkcjonalnością PoPD oraz nPS (dane nie przedstawiono). Potwierdza to, że nPS osadzone w matrycy PoPD nie zostały usunięte w procesie elucji. Zbadano naturę nPS w warunkach ekspozycji na światło. Cechę tę zaobserwowano również podczas obrazowania Ramanowskiego MIP@PoPD oraz rozmieszczenia nPS w obrębie MIP@PoPD, co potwierdziło obecność nPS na chipie sensorycznym.

W niniejszym badaniu, podczas przeprowadzania detekcji PS z wykorzystaniem platformy MIP@PoPD przy zastosowaniu metod CA i DPV, zaobserwowano, że amplituda sygnału elektrycznego wzrasta wraz ze wzrostem stężenia nPS na powierzchni chipa. Zaobserwowany sygnał elektrochemiczny wiąże się z obecnością nPS w PBS, co generuje mikrośrodowisko ułatwiające transport, zwiększając tym samym amplitudę sygnału SPCE. Jednocześnie, podczas elektrochemicznej detekcji nPS (cząsteczki nPS o rozmiarach 100 nm i 500 nm) przy użyciu odpowiedniego chipa sensorycznego MIP@PoPD@SPCE, odnotowano wzrost amplitudy sygnału elektrycznego chipa MIP@PoPS@SPCE po inkubacji nPS w sieci MIP@PoPD.

Aby przedstawić wyjaśnienie uzasadniające tak wzmocnioną odpowiedź elektrochemiczną, dokładnie przeanalizowano literaturę przedmiotu. Zaobserwowano, że nPS staje się elektroaktywne pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Odnotowano wzrost sygnału elektrycznego w odniesieniu do MIP@PoPD, co wiąże się z uporządkowaniem nPS wewnątrz kawern MIP oraz możliwością oddziaływania nPS z PoPD. Jak omówiono powyżej, przyłożone pole elektryczne może generować centra elektroaktywne na nPS, co może ułatwiać transport elektronów podczas pomiaru elektrochemicznego. Ponadto kilka czynników może uzasadniać rolę nPS w związku ze wzrostem amplitudy sygnału elektrycznego chipa MIP@PoPD@SPCE. Jednocześnie oddziaływanie nPS z matrycą polimerową odgrywa istotną rolę w badaniu naukowych podstaw procesu elektrochemicznego. W tym kontekście mieszanie nPS i PoPD prowadzi do powstania oddziaływań typu π-π stacking, które mogą wzmocnić transport elektronów. Ta rozbudowana sieć oddziaływań π-π skutkuje łatwiejszym utlenianiem podczas przykładania pola elektrycznego w procesie elektrochemicznym. Dodatkowo przyłożone pole elektryczne generuje różne centra elektroaktywne w nPS oraz nPS@MIP@PoPD, co w ogólnym ujęciu może wspomagać transport elektronów.

Elektrochemiczne wykrywanie nPS (cząsteczek nPS o rozmiarze 500 nm) przy użyciu MIP@PoPD@SPCE, wytworzonego z użyciem nPS 500 nm jako materiału matrycowego, wykazało akceptowalny model matematyczny (pod względem wartości współczynnika regresji) dla zakresów stężeń od 4,2 x 10-9 do 2,1 x 10-4 g/L. Jednocześnie elektrochemiczne wykrywanie nPS (cząsteczek nPS o rozmiarze 100 nm) przy użyciu MIP@PoPD@SPCE, wytworzonego z użyciem nPS 100 nm jako materiału matrycowego, wykazało wyraźną zmianę sygnału w funkcji stężenia w zakresie od 4,2 x 10-9 do 2,1 x 10-4 g/L. Jednak wygenerowany model matematyczny nie jest akceptowalny ze względu na niskie współczynniki regresji. Selektywność obu rodzajów opracowanych czujników oceniono w następujący sposób: 1) wpływ PS 100 nm i nPS 500 nm oceniono na każdym chipie sensorycznym przy użyciu techniki DPV. Wyniki potwierdziły, że chip sensoryczny MIP@PoPD@SPCE, specyficzny dla kawern nPS o rozmiarze 500 nm, wykazał bardzo dobrą odpowiedź na nPS o rozmiarze 500 nm oraz zmianę sygnału elektrochemicznego w odniesieniu do nPS o rozmiarze 100 nm. Obserwacje te sugerują, że MIP@PoPD@SPCE skierowany przeciwko nPS 500 nm jest dobrym chipem sensorycznym do selektywnego wykrywania nPS 500 nm i przesiewowego badania nPS o rozmiarze 100 nm.

W tym podejściu detekcja nPS jest selektywna dzięki specyficznym kawernom utworzonym głównie wewnątrz PoPD i nie wynika z oddziaływania między nPS a PoPD. W związku z tym oceniono zachowanie elektrochemiczne polimeru nieimprintowanego (NIP), w którym na SPCE naniesiono wyłącznie PoPD, w funkcji stężenia nPS (stężenie 2,1 x 10-4 g/L cząstek nPS o rozmiarze 500 nm). Wyniki badań DPV (pod kątem intensywności sygnału) potwierdziły, że MIP@PoPD wykazuje większą odpowiedź na nPS niż NIP. Oznacza to, że podejście MIP jest bardziej selektywne i elastyczne, umożliwiając selektywną detekcję nPS dzięki specyficznemu uwięzieniu nPS w dedykowanych kawernach, które zostały wytworzone zgodnie z kształtem, rozmiarem i orientacją nPS.

W celu zaprezentowania praktycznego zastosowania w formie dowodu koncepcji (proof-of-concept), wykonane sensory przetestowano z wykorzystaniem próbek wody jeziornej zawierających 2,1 × 10-4 g/L cząstek nPS o rozmiarze 100 nm. Wyniki badań CV i DPV potwierdziły, że każda próbka wpływa na sygnał elektrochemiczny, jednak próbki z nPS wpływają na niego w sposób znaczący, co potwierdza selektywność opracowanych sensorów w odniesieniu do nPS. Zaproponowana metoda opiera się na opublikowanych badaniach prototypowych; walidacja opracowanych systemów detekcyjnych jest w toku i stanowi część drugiego etapu badań w ramach projektu. Wyniki drugiego etapu projektu zostaną opublikowane w przyszłości w innym opracowaniu.

Podsumowując, metoda ta skutecznie demonstruje elektrochemiczne wykrywanie cząsteczek nPS o rozmiarach 100 nm i 500 nm przy użyciu podejścia opartego na polimerach z nadrukiem molekularnym (MIP). W tej metodzie detekcji MIP z PoPD został wytworzony elektrochemicznie na dostosowanej elektrodzie węglowej pastowej (SPCE), wykorzystując oPD jako monomer oraz nPS (o rozmiarach 100 nm i 500 nm) jako materiały matrycowe. Każdy etap związany z wytwarzaniem MIP@PoPD był przeprowadzany systematycznie i charakteryzowany za pomocą zaawansowanych technik analitycznych, w tym CV, DPV, CA oraz spektroskopii Ramana. Wyniki tych badań pozwalają zgłębić właściwości elektryczne chipa sensorycznego, związane z nim zmiany powierzchniowe oraz mechanizm detekcji. Obie elektrody sensoryczne, tj. MIP@PoPD@SPCE (specyficzne dla cząsteczek nPS o rozmiarach 100 nm i 500 nm), są wykorzystywane do selektywnego wykrywania konkretnych cząsteczek nPS w zakresie stężeń od 4,2 x 10-9 do 2,1 x 10-4 g/L w czasie kilku minut pracy. Analiza wyników detekcji sugeruje, że system MIP@PoPD@SPCE specyficzny dla nPS o rozmiarach 500 nm jest bardziej korzystny pod względem matematycznym. W porównaniu z nim chip sensoryczny specyficzny dla cząsteczek nPS o rozmiarach 100 nm może być stosowany do przesiewowego wykrywania nPS o rozmiarze 100 nm.

Wyniki pomiarów uzyskane przy użyciu CA i DPV są ze sobą zgodne, a każdą z tych technik można zastosować w rzeczywistych aplikacjach. Jednocześnie sygnał z detekcji elektrochemicznej MIP różni się od sygnału obserwowanego w przypadku NIP. Zatem detekcja oparta na MIP wykazuje oczekiwaną selektywność. Aby zbadać zastosowanie w rzeczywistych warunkach, jako dowód koncepcji, przeprowadzono detekcję elektrochemiczną opartą na MIP@PoPD z wykorzystaniem próbek sztucznych przygotowanych ze znanym stężeniem nPS oraz wody jeziornej z Florida Polytechnic University. Zaobserwowany sygnał jest bardzo wyraźny, co sugeruje selektywność opracowanych elektrod sensorycznych.

Opisane tutaj detekcję elektrochemiczną można przeprowadzić przy użyciu przenośnej stacji roboczej do pomiarów elektrochemicznych, którą można obsługiwać za pomocą smartfona lub tabletu; w związku z tym proponowany system może zostać zastosowany w aplikacjach typu PoC (point-of-care) oraz PoU (point-of-use). W przyszłości podjęte zostaną próby wdrożenia tej metody detekcji z wykorzystaniem ultra-małej platformy MEP. Taka ręczna platforma MEP może być obsługiwana przez smartfon, co umożliwi detekcję typu POC, PoN lub PoU, pożądane gromadzenie danych, szybką analitykę oraz wdrażanie polityk podejmowania decyzji14,15.

Oświadczenia

Autorzy niniejszego artykułu deklarują brak konfliktu interesów.

Podziękowania

W niniejszym artykule podziękowano za finansowanie, tj. AW-2000022, GR-23SUMR-AK oraz GR-24SUMR-AK, otrzymane z Florida Polytechnic University oraz Fulbright Foreign Scholarship Board w ramach nagrody Fulbright Specialist Program Award. Autorzy oświadczają, że metoda ta opiera się na opublikowanym artykule badawczym oraz przyznanym patencie USA (US 12,523,590B1). Autorzy wyrażają również wdzięczność panu Mustaphy’emu Achoubane’owi, Senior Global Affairs Officer w Florida Polytechnic University, za pomoc w uzyskaniu nagrody Fulbright Specialist Award.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Analiza danychMATLAB
Woda destylowanaMillipore znajdujący się na Florida Polytechnic University
Analizator elektrochemicznypotencjostat PalmSens4 (Houten, Holandia)
EtanolSigma Aldrich459836
Kwas solny (HCl)Sigma Aldrich7647-01-0
MetanolSigma Aldrich423950010
O-fenylo-diamina (oPD)Sigma Aldrich615-28-1
tabletki buforu fosforanowo-solnego (PBS)Sigma AldrichMFCD00131855
Polistyren jako mikroplastik (100 nm)Sigma Aldrich43302
Polistyren jako mikroplastik (rozmiar 500 nm)Sigma Aldrich59769
żelazicyjanek potasuSigma Aldrich13746-66-2
żelazicyjanek potasuSigma Aldrich14459-95-1
Spektrofotometry i mikroskopy RamanowskieLabRAM HR Evolution, Horiba Scientific
Węglowa elektroda sitodrukowaInstrumentacja BASi PALM-IS-C U/M EA - elektrody węglowe ItalSens 

Bibliografia

  1. Sanchez-Almirola J, Orr R, Mujawar M, Casals-Terré J, Voronine DV, Kaushik A. MIP-assisted electrochemical sensing of micro/nano-microplastic (polystyrene) for environmental surveillance. Sens Actuators A Phys. 2026;398:117305.
  2. Kaushik A, Singh A, Gupta VK, Mishra YK. Nano/micro-plastic, an invisible threat getting into the brain. Chemosphere. 2024;361:142380.
  3. Sharma B, Mangla S, Aery S, Sharma C, Kaushik A, Kumar S, Chaudhary GR. Advanced tools and methodologies for identification, characterization, and quantification of micro/nano plastics in environmental matrices. Adv Colloid Interface Sci. 2026;347:103716.
  4. Lee A, Orr R, Sanchez-Almirola J, Casals-Terré J, Kaushik A. Can smart electrochemical sensors sustainably tackle PFAS-@microplastics? ECS Sens Plus. 2025;4(3):033402.
  5. Noumani A, Verma D, Kaushik A, Khosla A, Solanki PR. Electrochemically microplastic detection using chitosan-magnesium oxide nanosheet. Environ Res. 2024;252:118894.
  6. Motalebizadeh A, Fardindoost S, Hoorfar M. Selective on-site detection and quantification of polystyrene microplastics in water using fluorescence-tagged peptides and electrochemical impedance spectroscopy. J Hazard Mater. 2024;480:136004.
  7. Du H, Chen G, Wang J. Highly selective electrochemical impedance spectroscopy-based graphene electrode for rapid detection of microplastics. Sci Total Environ. 2023;862:160873.
  8. Xiao Z, Chen Y, Zhang Y. Self-powered portable photoelectrochemical sensor based on dual-photoelectrode for microplastics detection. Environ Res. 2025;271:121084.
  9. Surucu O. Electrochemical analysis of PET microplastics and detection of elements in PET bottles. Microchem J. 2025;208:112422.
  10. Ben Moussa F, Beduk T, Sena-Torralba A, Beduk D, Ait Lahcen A, Kutner W, Kaushik A. Beyond single-analyte detection: advancing molecularly imprinted polymers for simultaneous multi-target sensing. TrAC Trends Anal Chem. 2025;185:118177.
  11. Dixit CK, Bhakta S, Reza KK, Kaushik A. Exploring molecularly imprinted polymers as artificial antibodies for efficient diagnostics and commercialization: a critical overview. Hybrid Adv. 2022;1:100001.
  12. Ahmed S, Ansari A, Li Z, Mazumdar H, Siddiqui MA, Khan A, et al. Point-of-care health diagnostics and food quality monitoring by molecularly imprinted polymers-based histamine sensors. Adv Sens Res. 2024;4(2):2400132.
  13. Sanchez-Almirola J, Gage A, Lopez R, Yapell D, Mujawar M, Kamat V, Kaushik A. Label and bio-active free electrochemical detection of testosterone hormone using MIP-based sensing platform. Mater Sci Eng B. 2023;296:116670.
  14. Kaushik A, Soundappan T, Mujawar M, Bhansali S. Standing of electrochemical sensors on the 250th anniversary of the USA. J Electrochem Soc. 2026;173(9):097509.
  15. Kaushik AK, Almirola JSS. Sensing plastics with electrode sensor to monitor fluid environments. United States Patent US 12,523,590. 2026.

Przedruki i uprawnienia

Przeglądaj więcej artykułów

Mikropolistyrensitodrukowa elektroda węglowapoli-o-fenylenodiaminaelektropolimeryzacjamonitoring środowiskadiagnostyka w punkcie opieki (POC)detekcja w próbkach wody

Ten artykuł został opublikowany

Film wkrótce dostępny

Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.