Artigo de método

Detecção Eletroquímica de Micro/Nanopoliestireno Baseada em Polímeros com Impressão Molecular (MIP)

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DOI:

10.3791/70811

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6 de outubro de 2026

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1NanoBioTech Laboratory, Department of Chemistry, Florida Polytechnic University

Neste artigo

Resumo

Este artigo descreve um método de detecção eletroquímica de poliestireno (de tamanho micro e nano) utilizando uma abordagem de sensores baseada em polímeros impressos molecularmente (MIP).

Resumo

Este artigo baseia-se na detecção eletroquímica de poliestireno micro e/ou nanoestruturado (m/n-PS). Neste artigo, demonstra-se uma detecção eletroquímica baseada em polímero molecularmente impresso (MIP) para poliestireno nanoestruturado (nPS) com tamanhos de 100 nm e 500 nm. O poli-o-fenilenodiamina (PoPD) é utilizado como material MIP e fabricado eletroquimicamente (ou seja, por eletropolimerização) na superfície do eletrodo de carbono impresso em tela (SPCE), empregando o-fenilenodiamina (oPD) como monômero. Para fabricar o MIP seletivo ao m/n-PS, utilizaram-se partículas de PS de 100 e 500 nm como material molde. A fabricação do sistema PoPD@MIP@SPCE direcionado ao m/n-PS foi caracterizada por meio de técnicas eletroquímicas para compreensão das propriedades eletroquímicas e da detecção eletroquímica. Por fim, esses chips de detecção MIPs@PoPD/SPCE otimizados foram utilizados para demonstrar a detecção eletroquímica de uma faixa de concentrações de soluções de nPS (PS com tamanhos de 100 e 500 nm), variando de 4,2 x 10-9 a 2,1 x 10-4 g/L em água. A menor concentração detectada pelo chip de detecção desenvolvido é tão baixa quanto 4,2 x 10-9 g/L, e o tempo de operação correspondente é de 11 minutos. Esses sensores também foram utilizados para detectar nPS em amostras de água coletadas do lago da Florida Polytechnic University. Esse método de detecção proposto pode ser empregado na detecção de nPS em sistemas de detecção point-of-care (POC), o que é de grande importância para aplicações de vigilância ambiental.

Introdução

Micro/nanoplásticos, ou seja, plásticos degradados ou corroídos, cuja produção e posterior incorporação ao ciclo humano aumentam a cada dia. Ao mesmo tempo, o efeito dos micro/nanoplásticos sobre o meio ambiente, a água e a saúde humana é alarmante e afeta os ecossistemas1. Portanto, a necessidade de gerenciar as graves consequências associadas tem recebido atenção global por parte de agências1. Essa situação é grave porque a produção de plástico está aumentando (390 milhões de toneladas métricas somente em 2023) para atender à demanda por crescimento econômico (um mercado com valor de 700 bilhões de dólares em 2023) e para ampliar suas aplicações sob diversas condições operacionais (calor, umidade e interações com outros produtos químicos). Além disso, a situação é agravada pelo descarte inadequado de plásticos usados, devido à falta de regulamentações globais consistentes. Todas essas circunstâncias são responsáveis pela maior produção de micro e/ou nanoplásticos, que foram integrados ao ciclo humano e estão afetando negativamente a saúde. Diante disso, há necessidade de estratégias para captura, detecção e degradação de micro/nanoplásticos1,2,3.

Entre vários micro/nanoplásticos (com tamanho variando de µm a nm), o poliestireno em micro ou nanoescala (m/n-PS) é um dos poluentes preocupantes, sendo um produto de degradação do poliestireno, amplamente utilizado em diversas aplicações, como embalagens, serviços de alimentação, eletrodomésticos, isolamento térmico e desenvolvimento de outros produtos. Esses m/n-PS precisam de milhares de anos para se degradarem completamente, mas, nesse período, podem interagir com alimentos, água e ar, ingressando no ciclo humano e entrando no corpo. Recentemente, diversos estudos confirmaram que o m/n-PS (em níveis de ppb) está associado a (1) toxicidade celular1,2, (2) disfunção tireoidiana, (3) atravessar a barreira hematoencefálica (BHE)2, (4) alterar a função de células cerebrais2, (5) neurotoxicidade2 e (6) doenças neurodegenerativas1,4. Portanto, é fundamental investigar metodologias para detecção seletiva de m/n-PS em níveis muito baixos. Considerando a associação do m/n-PS com fatores ambientais e de saúde, recomenda-se realizar a detecção em ambientes de cuidado pontual (PoC) e uso pontual (PoU)3. Essa abordagem pode ser explorada e adotada para aplicações de vigilância. Ao mesmo tempo, essas estratégias de detecção em PoC e PoU podem ser integradas a métodos de inteligência artificial (AI) para análise rápida e tomada de decisões4. Para alcançar esses objetivos, sugere-se tecnologicamente o desenvolvimento de um sensor miniaturizado para detecção seletiva de m/n-PS. A seletividade é um parâmetro crucial, pois o m/n-PS pode ter afinidade com outros poluentes aquáticos, como substâncias perfluoradas e polifluoradas (PFAS), resíduos orgânicos naturais, entre outros4.

Atualmente, existem diversas abordagens para a detecção de PS-m/n, incluindo espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), microscopia eletrônica de varredura (SEM) e microscopia de fluorescência de alta resolução3. Essas técnicas são eficazes, mas não são economicamente viáveis e apresentam limitações na realização de detecção em níveis de ppb e ppt. Outros métodos, como a pirólise cromatografia gasosa/espectrometria de massas (Py-GC/MS), também são altamente eficientes, mas possuem limitações relacionadas ao alto custo, necessidade de instrumentação sofisticada e operação baseada em especialização e intensiva em mão de obra1,3. A detecção de PS exige o uso do método analítico adequado, compatível com o tamanho e as propriedades estruturais das partículas-alvo. Embora os métodos tradicionais de bancada ofereçam profundidade analítica incomparável, a detecção eletroquímica de poliestireno representa uma mudança de paradigma distinta, proporcionando monitoramento rápido, econômico e portátil em campo de partículas plásticas submicrométricas e em escala nanométrica diretamente em matrizes líquidas. Técnicas laboratoriais convencionais, como FTIR e espectroscopia Raman, baseiam-se em assinaturas únicas (químicas ou vibracionais) para identificação precisa e visualização de formas e tamanhos de partículas desconhecidas até cerca de 1 µm. No entanto, essas ferramentas espectroscópicas são caras, possuem velocidades de varredura lentas e exigem secagem intensiva da amostra3. Para conformidade legal ou regulatória, a Py-GC/MS é considerada o padrão-ouro para o cálculo das frações mássicas totais de PS em matrizes altamente complexas, como solo e lodo, embora destrua a amostra e elimine todos os dados morfológicos3. Em contraste, abordagens de detecção eletroquímica que utilizam interfaces de eletrodos especificamente modificados, por exemplo, polímeros molecularmente impressos (MIPs) ou grafeno funcionalizado com peptídeos, podem capturar PS via adsorção física ou afinidade eletrostática, provocando variações instantâneas na corrente elétrica ou na resistência1,3. Um desempenho comparativo da detecção eletroquímica de poliestireno em comparação com outras técnicas adotadas para a detecção de poliestireno é resumido na Tabela 1.

Ao mesmo tempo, essas abordagens de detecção são mais seletivas para PS micro e submicro em concentrações um pouco mais altas (mM). No entanto, essas técnicas não são adequadas para PS em escala nanométrica (abaixo de 100 nm) e baixas concentrações de nPS. Essa limitação está relacionada a (1) as propriedades e natureza dos materiais selecionados, que não conseguem amplificar o sinal de resposta, e (2) à microeletrônica, que pode não ser capaz de processar um sinal de resposta fraco. Além disso, a maioria das ferramentas de detecção de PS não é adequada para detecção em ponto de cuidado (PoC) e em ponto de uso (PoU) de m/n-PS. Recentemente, esforços foram feitos para desenvolver a detecção eletroquímica de m/n-PS, na qual é necessário um material sensor para realizar a detecção4,5,6,7,8,9. Sabe-se que sensores eletroquímicos são sistemas portáteis de baixo custo capazes de detectar limites de detecção subnanomolares rapidamente (em minutos). Esses sistemas podem ser uma solução ideal para triagem ambiental em ponto de necessidade (PoN), onde ferramentas analíticas convencionais e infraestrutura laboratorial não estão disponíveis. Portanto, um sistema eletroquímico portátil para detecção de PS pode ser desenvolvido mediante a seleção de um transdutor apropriado, materiais sensores e abordagens analíticas e de processamento de dados1,2,3. Um sensor otimizado com alta sensibilidade pode detectar m/n-PS em ambientes PoU e PoN por meio da medição de sinais elétricos, dispensando a necessidade de instrumentação sofisticada e laboratórios.

Existem alguns tipos desse sensor, e a detecção demonstrada atende à demanda de aplicações de vigilância1,4. No entanto, o mecanismo de detecção e a razão para a seletividade não são bem discutidos devido à falta de elementos de reconhecimento seletivo ou afinidade. Portanto, há uma necessidade urgente de explorar sensores eletroquímicos miniaturizados para a detecção seletiva de m/n-PS. Nesse sentido, este relatório propõe um sensor eletroquímico baseado em MIP capaz de detectar seletivamente m/n-PS. Sabe-se que os MIPs são capazes de aprisionar seletivamente um analito-alvo, o qual é utilizado como material modelo10,11,12,13. Esse modelo é definido pelo tamanho, orientação e forma do analito, gerando cavidades onde o analito-alvo pode se ligar seletivamente à superfície do eletrodo sensor. Devido a essas especificidades, os MIPs têm sido considerados anticorpos artificiais necessários para aplicações biomédicas avançadas e têm sido adotados em diversos tipos de aplicações de detecção seletiva. Devido à produção em massa, controle sobre as propriedades elétricas e facilidade de modificação da superfície, as abordagens baseadas em MIP possuem aspectos translacionais1,14.

Para integrar as capacidades da detecção baseada em MIP com as características da detecção eletroquímica, este artigo apresenta um método para detecção de m/n-PS utilizando um MIP baseado em poli-o-fenilenodiamina (PoPD). As características do PoPD como MIP para aplicações de detecção já foram discutidas em publicações científicas anteriores. A fabricação do MIP de PoPD foi realizada eletroquimicamente sobre um eletrodo de carbono impresso em tela (SPCE), um sistema personalizado de três eletrodos adequado para a realização de eletroquímica. O processo de fabricação do MIP foi realizado utilizando partículas de m/n-PS de 100 nm e 500 nm (dois chips separados) como materiais modelo. Ambos os chips MIP@PoPD (modelo de 100 nm)@SPCE e MIP@PoPD (modelo de 500 nm)@SPCE conseguem detectar m/n-PS por cronopotenciometria (CA) e voltametria com pulso diferencial (DPV) na faixa de concentração de 4,2 x 10-9 a 2,1 x 10-4 g/L. Os resultados desta pesquisa indicam que o MIP-PoPD (fabricado utilizando um modelo de 500 nm) apresenta um modelo matemático mais adequado relacionado à detecção de nPS (500 nm), em comparação ao nPS de 100 nm, em amostras de água. A descrição detalhada deste artigo relacionado ao método foi publicada por Sanchez-Almirola et al.1 e concedida como patente nos Estados Unidos15.

Protocolo

Os autores declaram que esta pesquisa foi conduzida em conformidade com as normas regulatórias e a supervisão institucional. Os resíduos associados a esta pesquisa foram armazenados de acordo com as diretrizes do departamento de segurança ambiental e de saúde (EHS) da universidade. Posteriormente, os resíduos foram coletados e descartados por especialistas em intervalos regulares. Os autores concluíram todo o treinamento de segurança laboratorial recomendado pelo departamento EHS da universidade e seguiram todas as regulamentações durante a realização da pesquisa proposta. Os reagentes e o equipamento utilizados estão listados na Tabela de Materiais.

1. Materiais

  1. Obtenha eletrodos de carbono impressos por serigrafia (SPCEs) utilizados para a fabricação de MIPs a partir de fontes comerciais.
    NOTA: Os SPCEs são sistemas eletroquímicos compostos por três eletrodos: um eletrodo de trabalho (WE), um eletrodo auxiliar (CE) e um eletrodo de referência (RE). O WE do SPCE (diâmetro de 3 mm) é composto de grafite, o CE do SPCE é composto de carbono e o RE do SPCE é composto de prata.
  2. Prepare uma solução estoque de PS (tanto de 100 nm quanto de 500 nm) utilizando água desionizada (DI) como solvente.

2. Eletroquímica e caracterização

  1. Prepare uma solução de polimerização de partículas de PS (partículas de nPS de 100 nm e 500 nm, separadamente) e o-fenilenodiamina suspensas em água desionizada.
  2. Após a eletropolimerização, realize a eluição submergindo o SPCE em uma solução contendo partes iguais de água desionizada e metanol.
    NOTA: Todos os experimentos e caracterizações eletroquímicos foram realizados utilizando um potenciostato.
  3. Realize estudos eletroquímicos utilizando solução salina tamponada com fosfato (PBS) como eletrólito redox, contendo 5 mM de ferricianeto de potássio K3[Fe(CN)6] e ferrocianeto de potássio K4[Fe(CN)6]. Prepare a solução de PBS dissolvendo um comprimido-tampão (para pH = 7) em 200 mL de água desionizada, depois misture até que o comprimido se dissolva. Os parâmetros operacionais dos estudos de voltametria cíclica (CV) são discutidos posteriormente.
  4. Investigue a fabricação, caracterização e características sensoriais do MIP@PoPD utilizando técnicas eletroquímicas como CV e voltametria de pulso diferencial (DPV). Os parâmetros operacionais dos estudos de CV e DPV são discutidos posteriormente.
  5. Realize eletroquímica utilizando analisadores eletroquímicos e opere o analisador com o software PSTrace 5.9.
    NOTA: Os detalhes da fabricação do MIP@PoPD são discutidos em publicações anteriores relacionadas1,13.

3. Limpeza do eletrodo

  1. Submergir o SPCE em uma solução 1 M de ácido clorídrico (HCl) para garantir uma superfície limpa para a polimerização. O HCl foi armazenado e manipulado de acordo com as diretrizes1.
  2. Para limpar o eletrodo, conectar o SPCE ao potenciostato e realizar voltametria cíclica (CV) com uma faixa de potencial de -1 V a 1 V, a uma taxa de varredura de 100 mV/s, por 10 ciclos.
  3. Posteriormente, lavar a superfície do SPCE com água desionizada e deixá-lo secar ao ar.
  4. Caracterizar o sistema SPCE realizando CV de -1 V a 1 V, a uma taxa de varredura de 50 mV/s, por 3 ciclos, e DPV de -1 V a 1 V, com potencial de pulso de 0,01 V e tempo de pulso de 0,01 s.

4. Fabricação do MIP@PoPD

  1. Para preparar a solução de polimerização, combine 1 mM de o-fenilenodiamina (oPD) e 10 µL do analito alvo [partículas de nPS com tamanho de 500 nm (2,1 × 10-4 g/L) ou 100 nm (2,1 × 10-4 g/L)] em 15 mL de água desionizada. Aqui, são mencionados dois tipos diferentes de soluções de polimerização.
  2. Utilizando uma micropipeta, adicione 100 µL da solução de polimerização ao eletrodo de trabalho do sistema SPCE.
  3. Para fabricar o MIP baseado em PoPD, após conectar o SPCE ao potenciostato, realize voltametria cíclica (CV) com uma faixa de potencial de 0 V a 1 V, taxa de varredura de 50 mV/s, por 30 ciclos. Aqui, considera-se a fabricação de dois tipos diferentes de MIPs, um específico para um molde de 100 nm e outro específico para um molde de 500 nm.
  4. Como antes, lave o SPCE com água desionizada e deixe secar ao ar.
  5. Como antes, caracterize o sistema SPCE realizando CV de -1 V a 1 V com taxa de varredura de 50 mV/s por 3 ciclos, e DPV de -1 V a 1 V com potencial de pulso de 0,01 V e tempo de pulso de 0,01 s.
  6. Elua (a 25 °C) o sistema PoPD@SPCE suspendendo o eletrodo em uma solução 50/50 de metanol e água desionizada por 30 minutos.
  7. Novamente, enxágue o SPCE eluído com água desionizada e seque ao ar.
  8. Como antes, caracterize o sistema SPCE realizando CV de -1 V a 1 V com taxa de varredura de 50 mV/s por três ciclos, e DPV de -1 V a 1 V com potencial de pulso de 0,01 V e tempo de pulso de 0,01 s.

5. Detecção eletroquímica de nPS

  1. Usando uma micropipeta, adicione 100 µL da solução do analito desejado (referindo-se a nPS de 100 nm e 500 nm) sobre o eletrodo de trabalho, permitindo um tempo de incubação de 10 min (a 25 °C) para que o analito se ligue à camada de MIP.
    NOTA: As soluções selecionadas para a realização da detecção foram as seguintes: 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 e 0 g/L.
  2. Após o período de incubação, lave o sistema SPCE com água DI para remover qualquer nPS não ligado da camada de MIP.
  3. Após reconectar o sistema SPCE ao potenciostato, caracterize o eletrodo por CV de -1 V a 1 V a 50 mV/s por três ciclos, DPV de -1 V a 1 V com potencial de pulso de 0,01 V e tempo de pulso de 0,01 s por três ciclos, e realize três ciclos de cronopotenciometria (CA) a 10 V por 30 min. Os estudos de CA foram conduzidos em diferentes tensões, mas o sinal amplificado foi obtido a 10 V.
    NOTA: Todas as medidas eletroquímicas foram realizadas em triplicata (n=3), e gráficos de magnitude idêntica foram utilizados para a análise.

6. Análise de dados

  1. Analise todos os dados gerados no MATLAB (versão R2022b).
    NOTA: Na DPV, os eletrodos geram sinais eletroquímicos em diferentes níveis de base. Portanto, a proeminência é selecionada para analisar o comportamento eletroquímico e traçar a curva de calibração. O cálculo da proeminência é realizado diretamente usando o software PSTrace 5.9, que é um processo automático. Os dados de DPV coletados usando o software PSTrace 5.9 foram posteriormente representados graficamente usando o MATLAB. O PSTrace 5.9 é um software de fácil utilização que opera o potenciostato eletroquímico para realizar experimentos eletroquímicos, incluindo estudos de CV e DPV. Os parâmetros para realização dos estudos de CV e DPV foram relatados nos locais apropriados acima. Os dados gerados usando o PSTrace 5.9 foram utilizados para traçar gráficos usando o MATLAB, permitindo uma melhor apresentação.

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.

figure-results-3
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.

figure-results-4
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.

Discussão

Nesta pesquisa, são demonstrados o projeto e o desenvolvimento de um sensor eletroquímico baseado em MIP para nPS em amostras de água. Dois chips separados foram utilizados, incluindo (1) MIP@PoPD@SPCE com referência a nPS de 100 nm como material molde e (2) MIP@PoPD@SPCE com referência a nPS de 500 nm como material molde. No processo, a caracterização passo a passo de cada etapa de fabricação do MIP e detecção de nPS foi realizada por meio de estudos eletroquímicos baseados em CV e DPV. Nesse processo, uma das áreas de atenção concentra-se na exploração da natureza eletroquímica do SPCE, PoPD e nPS. Os resultados dos estudos de CV e DPV mostram que a magnitude do SPCE aumenta ao adicionar nPS ao eletrólito. Isso confirma a natureza eletroativa do nPS. Microplásticos (MPs) são, em geral, considerados materiais isolantes; no entanto, para m/n-PS, observa-se que sua presença aumenta, ao invés disso, a magnitude do sinal eletroquímico, com referência ao sistema MIP@PoPD@SPCE. Esse comportamento pode ser correlacionado com as propriedades aprimoradas do nPS quando um campo elétrico é aplicado, o que se baseia em uma análise e discussão cuidadosas da literatura. Esses nPS (nPS de 100 nm e 500 nm) exibem propriedades diferentes, como carga superficial ajustável e radicalização sob diferentes condições (como um campo elétrico), e aumentam o transporte de elétrons. Observa-se nos estudos eletroquímicos baseados em CV de nPS@PBS@MIP@SPCE que ocorre um deslocamento na posição do pico e um incremento na magnitude da corrente. Além disso, nos estudos eletroquímicos baseados em DPV, a magnitude do sinal eletroquímico de nPS@PBS@MIP@SPCE aumenta aproximadamente 4 vezes em relação ao PBS sem nPS. Esses resultados confirmam que o nPS está se comportando como um material eletroativo na presença de uma diferença de potencial e de uma solução eletrolítica.

A eletropolimerização do oPD cria uma rede polimérica, PoPD. A mesma eletropolimerização do oPD, juntamente com nPS, produz um sistema polimérico com nPS (partículas de 100 nm e 500 nm) incorporadas nele. Além disso, a remoção do nPS do sistema PoPD mais nPS por meio do processo de eluição resulta na fabricação de cavidades específicas dentro do PoPD. Essas cavidades são específicas em relação ao tamanho, orientação e forma geral das partículas de nPS. Após a eluição, o MIP de PoPD (que tem como alvo especificamente as moléculas molde originais de partículas de nPS de 100 nm e 500 nm) é fabricado sobre o SPCE. Para confirmar que a fabricação do sistema de eletrodo sensor MIP@PoPD@SPCE foi bem-sucedida, diversos estudos eletroquímicos foram realizados de forma sistemática. Os resultados desses experimentos foram analisados com referência ao SPCE virgem. A avaliação analítica sugeriu que há uma alteração na resposta eletroquímica em cada etapa da fabricação do MIP@PoPD@SPCE. Como principal observação, a magnitude da resposta eletroquímica do PoPD (com nPS)@SPCE aumenta devido à presença do nPS na superfície do eletrodo. Além disso, a magnitude da resposta eletroquímica do MIP@PoPD@SPCE diminuiu um pouco em comparação com o PoPD (com nPS)@SPCE, causada pela remoção do nPS eletroativo da matriz polimérica (PoPD). Esse comportamento eletroquímico observado confirmou a fabricação do chip MIP@PoPD@SPCE, que será utilizado para a detecção eletroquímica de nPS em amostras de água.

Um processo completo de fabricação dos sistemas PoPD e MIP@PoPD envolve diversas alterações e modificações superficiais, e essas variações foram confirmadas com base nos resultados da espectroscopia Raman e da imagem Raman. No caso do PoPD, as curvas espectroscópicas Raman mostraram todos os picos associados aos grupos funcionais dos sistemas poliméricos de PoPD e concordaram com a literatura sobre PoPD (dados não mostrados). A curva espectroscópica Raman do MIP@PoPD exibiu todos os picos associados à funcionalidade do PoPD e do nPS (dados não mostrados). Isso confirma que todas as partículas de nPS incorporadas na matriz de PoPD não foram removidas pelo processo de eluição. A natureza do nPS foi investigada, conforme iluminado sob exposição à luz. Esse recurso também foi observado durante a imagem Raman do MIP@PoPD e na localização do nPS dentro do MIP@PoPD, o que confirmou a presença do nPS no chip sensor.

Neste estudo, ao realizar a detecção de PS utilizando a plataforma MIP@PoPD com as abordagens CA e DPV, observa-se que a magnitude do sinal elétrico aumenta com o aumento da concentração de nPS na superfície do chip. Esse sinal eletroquímico observado está relacionado à presença de nPS em PBS, o que gera um microambiente que facilita o transporte, aumentando a magnitude do sinal SPCE. Ao mesmo tempo, durante a detecção eletroquímica de nPS (partículas de nPS com tamanhos de 100 nm e 500 nm) utilizando o chip sensorial MIP@PoPD@SPCE correspondente, também foi observado um aumento na magnitude do sinal elétrico do chip MIP@PoPS@SPCE após a incubação do nPS na rede MIP@PoPD.

Para fornecer uma explicação que justifique essa resposta eletroquímica aprimorada, revisamos cuidadosamente a literatura. Observa-se que os nPS tornam-se eletroativos quando um campo elétrico é aplicado. É observado um aumento no sinal elétrico em relação ao MIP@PoPD, o que está relacionado ao alinhamento dos nPS dentro das cavidades do MIP e à possibilidade de interação dos nPS com o PoPD também. Como discutido anteriormente, o campo elétrico aplicado pode gerar sítios eletroativos nos nPS, o que pode facilitar o transporte de elétrons durante uma medição eletroquímica. Além disso, diversos fatores também podem justificar o papel dos nPS associados ao aumento na magnitude do sinal elétrico do chip MIP@PoPD@SPCE. Ao mesmo tempo, a interação dos nPS com uma matriz polimérica também desempenha um papel significativo na compreensão do raciocínio científico de um processo eletroquímico. Nesse sentido, a mistura de nPS e PoPD cria interações do tipo empilhamento π-π que podem aumentar o transporte de elétrons. Essa rede π-π estendida resulta em oxidação facilitada quando um campo elétrico é aplicado durante um processo eletroquímico. Adicionalmente, o campo elétrico aplicado gera diversos sítios eletroativos nos nPS e no nPS@MIP@PoPD, podendo, no geral, favorecer o transporte de elétrons.

A detecção eletroquímica de nPS (partículas de nPS com tamanho de 500 nm) utilizando MIP@PoPD@SPCE, fabricado com partículas de nPS de 500 nm como material molde, exibiu um modelo matemático aceitável (em termos do valor do coeficiente de regressão) com base em faixas de concentração de 4,2 x 10-9 a 2,1 x 10-4 g/L. Ao mesmo tempo, a detecção eletroquímica de nPS (partículas de nPS com tamanho de 100 nm) utilizando MIP@PoPD@SPCE, fabricado com partículas de nPS de 100 nm como material molde, exibiu uma mudança distinta no sinal como função da concentração variando de 4,2 x 10-9 a 2,1 x 10-4 g/L. No entanto, o modelo matemático gerado não é aceitável devido aos baixos coeficientes de regressão. A seletividade dos dois tipos de sensores gerados foi avaliada das seguintes duas maneiras: 1) o efeito de PS de 100 nm e nPS de 500 nm foi avaliado em cada chip sensor por meio de técnicas DPV. Os resultados confirmaram que o chip sensorial MIP@PoPD@SPCE, específico para cavidades de nPS com tamanho de 500 nm, exibiu uma resposta muito boa ao nPS com tamanho de 500 nm e uma mudança no sinal eletroquímico em relação ao nPS com tamanho de 100 nm. Essas observações sugerem que um MIP@PoPD@SPCE contra nPS de 500 nm é um bom chip sensorial para detecção seletiva de nPS de 500 nm e triagem de nPS com tamanho de 100 nm.

Nesta abordagem, a detecção de nPS é seletiva devido às cavidades específicas geradas dentro do PoPD, principalmente, e não está relacionada à interação entre o nPS e o PoPD. Portanto, um polímero não-impresso (NIP), ou seja, apenas PoPD depositado sobre o SPCE, foi avaliado quanto ao seu comportamento eletroquímico em função da concentração de nPS (concentração de 2,1 x 10-4 g/L de partículas de nPS com tamanho de 500 nm). Os resultados dos estudos de DPV (em termos de intensidade) confirmaram que o MIP@PoPD é mais sensível ao nPS do que o NIP. Isso significa que a abordagem por MIP é mais seletiva e adaptável, permitindo a detecção seletiva de nPS devido ao aprisionamento específico do nPS dentro das cavidades específicas, que são fabricadas com base na forma, tamanho e orientação do nPS.

Para projetar uma aplicação no mundo real, como prova de conceito, os sensores fabricados foram testados usando amostras de água de lago que continham 2,1 × 10-4 g/L de partículas de nPS com tamanho de 100 nm. Os resultados dos estudos de VC e DPV confirmaram que toda amostra afeta o sinal eletroquímico, mas as amostras com nPS afetam significativamente o sinal eletroquímico, o que confirma a seletividade dos sensores desenvolvidos em relação ao nPS. O método proposto baseia-se em pesquisas publicadas com protótipos, e a validação dos sistemas sensores desenvolvidos ainda está em andamento e faz parte de uma segunda fase da pesquisa do projeto. Os resultados da segunda fase do projeto serão publicados em outro lugar no futuro.

Em conclusão, este método demonstra com sucesso a detecção eletroquímica de partículas de nPS com tamanhos de 100 nm e 500 nm utilizando a abordagem de sensores eletroquímicos baseados em MIP. Neste método de detecção, um MIP de PoPD foi fabricado eletroquimicamente sobre um SPCE personalizado, utilizando oPD como monômero e nPS (com tamanhos de 100 nm e 500 nm) como materiais molde. Cada etapa relacionada à fabricação do MIP@PoPD foi realizada de forma sistemática e caracterizada por meio de técnicas analíticas avançadas, incluindo CV, DPV, CA e espectroscopia Raman. Os resultados desses estudos exploram as propriedades elétricas do chip sensor, as alterações superficiais associadas e o mecanismo de detecção. Ambos os eletrodos sensores, ou seja, o MIP@PoPD@SPCE (específico para partículas de nPS de 100 nm e 500 nm), são utilizados para a detecção seletiva de partículas específicas de nPS na faixa de concentração de 4,2 × 10-9 – 2,1 × 10-4 g/L, com tempo de operação de apenas alguns minutos. A análise dos resultados de detecção sugere que o sistema MIP@PoPD@SPCE, específico para nPS de 500 nm, é matematicamente mais aceitável. Em comparação, o chip sensor específico para partículas de nPS de 100 nm pode ser adotado para a triagem de nPS de 100 nm.

Os resultados de detecção obtidos com CA e DPV estão de acordo entre si, e qualquer uma das técnicas pode ser adotada para aplicações reais. Ao mesmo tempo, a detecção eletroquímica do MIP é distinta do sinal observado no caso do NIP. Portanto, a detecção baseada em MIP é aceitável, conforme esperado quanto à seletividade. Para explorar a aplicação no mundo real, como prova de conceito, esta detecção eletroquímica baseada em MIP@PoPD é realizada utilizando amostras artificiais preparadas com nPS conhecidos e água do lago da Florida Polytechnic University. O sinal observado é muito distinto, o que sugere a seletividade dos eletrodos de detecção desenvolvidos.

Aqui, a detecção eletroquímica descrita pode ser realizada usando uma estação portátil de eletroquímica que pode ser operada por meio de um smartphone ou tablet; portanto, o sistema proposto pode ser adotado para aplicações de diagnóstico na ponta (PoC) e uso pontual (PoU). No futuro, esforços serão feitos para estabelecer essa metodologia de detecção utilizando um MEP ultrafino. Tal MEP portátil pode ser operado por meio de um smartphone, o que pode viabilizar a detecção em tempo real (POC), na ponta da rede (PoN) ou no ponto de uso (PoU), coleta de dados desejada, análises rápidas e políticas de tomada de decisão14,15.

Divulgações

Os autores deste artigo declaram não haver conflito de interesses.

Agradecimentos

Agradecemos o financiamento, ou seja, AW-2000022, GR-23SUMR-AK e GR-24SUMR-AK, recebido da Universidade Politécnica da Flórida e do Conselho de Bolsas Estrangeiras Fulbright para o Prêmio do Programa Especialista Fulbright. Os autores declaram que este método é baseado em um artigo de pesquisa publicado e em uma patente dos EUA concedida (US 12,523,590B1). Os autores também agradecem a contribuição do Sr. Mustapha Achoubane, Oficial Sênior de Assuntos Globais da Universidade Politécnica da Flórida, pelo auxílio na obtenção do Prêmio Especialista Fulbright.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Análise de DadosMATLAB
Água DesionizadaMilipore localizada na Florida Polytechnic University
Analisador EletroquímicoPotenciostato PalmSens4 (Houten, Países Baixos)
EtanolSigma Aldrich459836
Ácido Clorídrico (HCl)Sigma Aldrich7647-01-0
MetanolSigma Aldrich423950010
o-fenilenodiamina (oPD)Sigma Aldrich615-28-1
Comprimidos de tampão salino fosfato (PBS)Sigma AldrichMFCD00131855
Poliestireno como microplástico (100 nm)Sigma Aldrich43302
Poliestireno como microplástico (tamanho de 500 nm)Sigma Aldrich59769
Ferricianeto de PotássioSigma Aldrich13746-66-2
Ferrocianeto de PotássioSigma Aldrich14459-95-1
Espectrofotômetros e Microscópio RamanLabRAM HR Evolution, Horiba Scientific
Eletródo de Carbono Impresso em TelaBASi Instrumetation Eletrodos de Carbono PALM-IS-C U/M EA - ItalSens 

Referências

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