Elektrochemiczne przygotowanie warstw poli(3,4-etylenodioksytiofenu) na mikroelektrodach złota do zastosowań związanych z wykrywaniem kwasu moczowego
28 lipca 2021
Opisujemy wodne i organiczne systemy rozpuszczalnikowe do elektropolimeryzacji poli(3,4-etylenodioksytiofenu) do tworzenia cienkich warstw na powierzchni złotych mikroelektrod, które są używane do wykrywania analitów o niskiej masie cząsteczkowej.
Modyfikując powierzchnię złotej mikroelektrody cienką warstwą PEDOT wykonaną w rozpuszczalniku organicznym, możemy uzyskać większą powierzchnię i zwiększyć czułość czujnika. Procedura mikroelektrody polega na szybkiej analizie przeciwutleniaczy w różnych mediach. Można to zastosować w różnych kontekstach, począwszy od monitorowania napojów, a skończywszy na natychmiastowej ocenie stanu hospitalizowanych pacjentów.
Użyj odpowiedniego potencjostatu do przeprowadzenia cyklicznej woltamperometrii jako techniki elektrochemicznej będącej przedmiotem zainteresowania. Włącz potencjostat i podłączony do niego komputer. Aby przetestować komunikację między komputerem a urządzeniem, uruchom oprogramowanie, a następnie w menu ustawień wybierz polecenie testu sprzętu.
Po usłyszeniu kilku dźwięków z potencjostatu, wyniki testów sprzętowych są wyświetlane w osobnym oknie. Kliknij przycisk OK i kontynuuj przeprowadzanie eksperymentu. Czasami po kliknięciu polecenia testu sprzętu pojawia się błąd niepowodzenia łącza.
Sprawdź ustawienia połączenia i portu. Po przetestowaniu połączeń kliknij w menu ustawień, wybierz technikę, a następnie z otwierającego się okna wybierz metodę woltamperometrii cyklicznej. Następnie wróć do menu ustawień i kliknij parametry, aby wprowadzić odpowiednie parametry eksperymentalne.
Na przykład, aby przeprowadzić elektropolimeryzację EDOT o natężeniu 0,1 mola w elektrolicie organicznym na mikroelektrodzie z gołego złota, ustaw potencjał początkowy na minus 0,3 wolta, potencjał końcowy na minus 0,3 wolta, wysoki potencjał na 1,2 wolta, liczbę segmentów na osiem, szybkość skanowania na 100 miliwoltów na sekundę i kierunek na dodatni. Po wprowadzeniu odpowiednich parametrów woltamperometrii cyklicznej należy przygotować trzy zestawy elektrod w szklanym ogniwie elektrochemicznym, w tym elektrodę roboczą, elektrodę odniesienia i przeciwelektrodę z drutu platynowego. Przełóż te czyste i wysuszone elektrody przez otwory uchwytu elektrody przymocowanego do stojaka, a następnie umieść uchwyt nad ogniwem elektrochemicznym, aby wprowadzić elektrody do docelowego roztworu lub próbki.
Upewnij się, że na powierzchniach elektrod nie ma pęcherzyków. Jeśli są bąbelki, wyjmij elektrody, ponownie spłucz je wodą dejonizowaną i osusz chusteczką. Następnie umieść elektrody z powrotem w uchwycie stojaka i w roztworze.
Jeśli wokół elektrody odniesienia znajdują się pęcherzyki, delikatnie postukaj w końcówkę. Jeśli po rozpoczęciu skanowania wokół przeciwelektrody pojawią się pęcherzyki, wyczyść przeciwelektrodę. Jeśli skanowanie cyklicznego woltamperometrii stanie się głośne, wyczyść powierzchnię elektrody i sprawdź połączenia systemowe, przewody i zaciski.
Po upewnieniu się, że wszystkie trzy połączenia przewodów dla elektrod referencyjnych, roboczych i przeciwelektrod są prawidłowo połączone, rozpocznij eksperyment, klikając uruchom. Aby wstępnie poddać złotej mikroelektrodzie, poleruj ją przez 30 sekund zawiesiną tlenku glinu na gąbce polerskiej z tlenku glinu umieszczonej na szklanej płycie polerskiej, wykonując okrężne i ośmiokątne ruchy dłoni, a następnie spłucz mikroelektrodę wodą dejonizowaną. Włóż go do szklanego naczynia zawierającego 15 mililitrów absolutnego etanolu i ultra sonikate na dwie minuty.
Następnie przepłucz mikroelektrodę etanolem i wodą i ponownie poddaj ją ultrasonizacji przez cztery minuty w wodzie dejonizowanej, aby usunąć nadmiar tlenku glinu z powierzchni elektrody. Na koniec usuń dodatkowe zanieczyszczenia, wprowadzając cyklicznie 0,5 molowy kwas siarkowy przez 20 segmentów między ujemnym potencjałem 0,4 a dodatnim 1,6 V z szybkością skanowania 50 miliwoltów na sekundę. Upewnij się, że są dwa wyraźne piki spowodowane tworzeniem i redukcją tlenku złota przy stałych potencjałach anodowych i katodowych za każdym razem, gdy elektroda jest czyszczona kwasem siarkowym.
Aby przygotować 0,1 mola EDOT w roztworze organicznym, najpierw przenieś jeden mililitr przygotowanego 0,1 molowego roztworu nadchloranu litu do ogniwa elektrochemicznego. Następnie za pomocą mikropipety dodaj 10,68 mikrolitra monomeru EDOT do ogniwa elektrochemicznego. Aby przeprowadzić elektropolimeryzację EDOT na powierzchni mikroelektrody z gołego złota, należy włożyć wszystkie zestawy elektrod do roztworu i uruchomić cykliczną woltamperometrię.
Następnie za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej scharakteryzuj powierzchnię tej zmodyfikowanej elektrody. Opłucz elektrody wodą dejonizowaną i osusz je chusteczką. Następnie, aby użyć tej zmodyfikowanej złotej mikroelektrody PEDOT do celów detekcyjnych, zaaklimatyzuj jej powierzchnię do roztworu wodnego, zanurzając elektrodę w 0,1-molowym roztworze nadchloranu sodu i przeprowadzając cykliczne skany woltamperologiczne.
Następnie, po spłukaniu wodą dejonizowaną, zanurz tę organicznie zmodyfikowaną i zaaklimatyzowaną mikroelektrodę PEDOT w roztworze buforu fosforanowego i uruchom cykliczną woltamperometrię, aby wygenerować skan tła. Na koniec wyjmij elektrodę z roztworu buforowego i bez spłukiwania natychmiast włóż ją do roztworów kwasu moczowego lub mleka w celu przeprowadzenia cyklicznych skanów woltamperometrycznych. Następnie, aby przygotować 0,01 mola EDOT w wodnym roztworze acetonitrylu, użyj mikropipety i dodaj 10,68 mikrolitra EDOT do jednego mililitra acetonitrylu w szklanej fiolce, a następnie dodaj dziewięć mililitrów dejonizowanej wody do fiolki, aby przygotować 10 mililitrów 0,01 molowego roztworu EDOT.
Dodać 110 miligramów nadchloranu litu w proszku do przygotowanego roztworu EDOT, aby uzyskać 0,1 molowy roztwór nadchloranu litu i delikatnie wymieszać. Przenieś przygotowany roztwór do ogniwa elektrochemicznego. Umieść elektrody w wodnym roztworze acetonitrylu i elektropolimeryzuj 0,01 mola EDOT na powierzchni elektrody, przeprowadzając cykliczną woltamperometrię, a następnie scharakteryzuj powierzchnię tej zmodyfikowanej elektrody za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej.
Analiza zawartości kwasu moczowego w zwykłym świeżym mleku przy użyciu czujnika PEDOT zsyntetyzowanego w roztworze organicznym wykazała szczytowy prąd anodowy o natężeniu 28,4 nanoampera przy napięciu 0,35 wolta, co odpowiada stężeniu 82,7 mikromoli. Drugi duży pik utleniania w cyklicznym skanowaniu woltamperometrycznym zwykłego mleka o napięciu 0,65 V jest związany ze związkami ulegającymi utlenieniu, w tym elektroaktywnymi aminokwasami, takimi jak cysteina, tryptofan i tyrozyna. Cykliczne skany woltamperometryczne uzyskane dla próbek mleka karmelowego i białej czekolady wykazują wyraźny pik przy 0,36 V dla kwasu moczowego, wraz z dodatkowym pikiem przy 0,5 V, który może być związany z obecnością kwasu wanilinowego, jednego ze składników mleka smakowego.
Cykliczna woltamperometria próbki belgijskiego mleka czekoladowego wykazuje pik utleniania katechiny przy 0,26 V i pik redukcji katechiny przy 0,22 wolta. Prąd szczytowy 0,3 V pojawiający się jako ostry szczyt na końcu piku katechiny jest spowodowany utlenianiem kwasu moczowego. Cykliczna woltamperometria próbki kolumbijskiego mleka espresso wykazuje szerokie anodowe i katodowe prądy szczytowe odpowiednio o napięciu 0,35 V i 0,23 V ze względu na główne przeciwutleniacze fenolowe w kawie, a mianowicie kwas chlorogenowy i kawowy.
Czyszczenie i perturyzacja elektrody jest najważniejszą częścią tego eksperymentu, która może wpływać na uzyskiwane sygnały prądowe. Potrzebna jest bardziej szczegółowa analiza związków przeciwutleniających, wtedy możemy zwrócić się do metod chromatograficznych, takich jak LCMS. Jest to jednak czasochłonne i nie jest potrzebne dla każdej próbki.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie opisuje elektropolimeryzację poli(3,4-etylenodioxytiofenu) (PEDOT) na mikroelektrodach złotych w celu zwiększenia czułości czujnika w odniesieniu do analitów o niskiej masie cząsteczkowej. Zastosowanie organicznych układów rozpuszczalników pozwala na utworzenie cienkich warstw, które zwiększają powierzchnię właściwą elektrod.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Elektrochemia
- Technologia czujników
- Chemia analityczna
Wstęp
- Złote mikroelektrody są szeroko stosowane w detekcji elektrochemicznej.
- PEDOT jest polimerem przewodzącym, który poprawia właściwości elektrod.
- Zwiększenie czułości czujnika jest kluczowe dla wykrywania analitów o niskiej masie cząsteczkowej.
- Techniki elektropolimeryzacji mogą różnić się w zależności od zastosowanych układów rozpuszczalników.
Cel badania
- Opracowanie metody tworzenia cienkich warstw PEDOT na złotych mikroelektronodach.
- Ocena wpływu różnych układów rozpuszczalników na wydajność czujników.
- Wykazanie zastosowania tych czujników w różnych kontekstach, w tym w monitorowaniu stanu zdrowia.
Zastosowane metody
- Elektropolimeryzacja PEDOT na mikroelektrodach złotych.
- Wykorzystanie woltamperometrii cyklicznej jako techniki elektrochemicznej.
- Testowanie komunikacji pomiędzy potencjostatem a komputerem.
- Szybka analiza przeciwutleniaczy w różnych mediach.
Główne wyniki
- Wyższa powierzchnia właściwa uzyskana dzięki warstwom PEDOT poprawia czułość czujnika.
- Skuteczna detekcja przeciwutleniaczy w różnych roztworach.
- Wykazana możliwość zastosowania w monitorowaniu napojów oraz stanu zdrowia pacjentów.
- Nawiązano poprawną komunikację pomiędzy potencjostatem a oprogramowaniem.
Wnioski
- Metoda ta zwiększa wydajność złotych mikroelektrod w zastosowaniach sensorycznych.
- Układy rozpuszczalników organicznych są skuteczne w procesie elektropolimeryzacji PEDOT.
- Podejście to może być zastosowane w różnych dziedzinach, w tym w diagnostyce klinicznej.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Elektrochemiczna modyfikacja mikroelektrod złotych polimerami przewodzącymi, takimi jak PEDOT, zwiększa czułość czujnika w odniesieniu do analitów o niskiej masie cząsteczkowej, co wspiera wykrywanie biomarkerów we wczesnym stadium w złożonych macierzach biologicznych. Podejście to umożliwia szybkie, beznacznikowe profilowanie przeciwutleniaczy w napojach i próbkach klinicznych, ułatwiając podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań w ramach procesów walidacji celów terapeutycznych. Adaptowalność tej metody do wodnych i organicznych układów rozpuszczalników zapewnia elastyczność w standaryzacji testów na etapach odkrywania leków oraz w fazie przedklinicznej.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesna faza odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie biomarkerów aktywnych redoks, takich jak kwas moczowy i przeciwutleniacze fenolowe, w próbkach istotnych dla przebiegu chorób.
- Wartość operacyjna: Zapewnia szybki, elektrochemiczny odczyt funkcjonalnego zaangażowania celu bez konieczności stosowania znaczników lub etapów rozdzielania.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Pozwala na wygenerowanie ilościowych prądów szczytowych w woltamperometrii cyklicznej, które korelują z stężeniem analitycznym, co wspiera badania przesiewowe zależności dawka-odpowiedź.
- Wartość operacyjna: Wykorzystuje zestandaryzowane parametry sterowane potencjostatem w celu zapewnienia powtarzalności przygotowania czujnika i pomiarów.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wykazuje ciągłość procesu od wykonania elektrody do detekcji w płynach istotnych biologicznie, takich jak mleko, analogi osocza oraz matryce napojów.
- Wartość operacyjna: Etap aklimatyzacji zapewnia stabilne działanie w środowiskach wodnych, co umożliwia niezawodne monitorowanie podłużne.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta znajduje zastosowanie na etapach od wczesnego odkrywania do identyfikacji wiodących związków, gdzie szybkie profilowanie przeciwutleniające wspiera ograniczanie ryzyka mechanistycznego kandydatów terapeutycznych celujących w szlaki stresu oksydacyjnego.
- Biologia odkryć: Wspiera testowanie hipotez poprzez bezpośrednią detekcję metabolitów aktywnych redoks w złożonych mieszaninach.
- Przesiewanie: Umożliwia uzyskanie powtarzalnych powierzchni elektrod gotowych do analizy z mierzalnym sygnałem wyjściowym do oceny bibliotek związków.
- Analityka: Dostarcza pomiary prądu szczytowego i potencjału, które pozwalają na porównania między próbkami i warunkami.
- Badania translacyjne: Łączy odpowiedź sensora ze znanymi przeciwutleniaczami w płynach biologicznych, wspierając dopasowanie biomarkerów.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Protokół modyfikacji elektrod jest możliwy do zastosowania w wielu klasach analitów i typach próbek.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Poprawia pewność predykcyjną poprzez umożliwienie bezpośredniej, bezetykietowej detekcji biomarkerów mechanistycznych.
- Wartość operacyjna: Ustandaryzowane etapy elektropolimeryzacji i aklimatyzacji zwiększają powtarzalność między laboratoriami i platformami.
- Wartość strategiczna: Zmniejsza zależność od czasochłonnych metod chromatograficznych podczas wstępnego przesiewania przeciwutleniaczy.
- Wpływ na portfolio: Wspiera dostosowaną do ryzyka priorytetyzację związków w oparciu o aktywność przeciwutleniającą we wczesnej fazie odkrywania.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza z zakresu elektrochemii oraz obsługi potencjostatu w celu zapewnienia powtarzalnego tworzenia warstwy PEDOT.
- Metoda zależy od dostępu do potencjostatu, ogniwa elektrochemicznego, złotych mikroelektrod oraz SEM w celu przeprowadzenia charakterystyki.
- Konieczna jest standaryzacja systemów rozpuszczalników, parametrów cykliczności oraz protokołów aklimatyzacji pomiędzy zespołami.
- Wydajność może różnić się w zależności od macierzy biologicznej ze względu na fouling lub obecność interferujących gatunków elektroaktywnych.
- Metoda z użyciem rozpuszczalnika organicznego zapewnia lepszy wzrost PEDOT, ale wymaga aklimatyzacji w środowisku wodnym dla zapewnienia kompatybilności z próbkami wodnymi.
