Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

Summary

Описаны системы водных и органических растворителей для электрополимеризации поли(3,4-этилендиокситиофена) для создания тонких слоев на поверхности микроэлектродов золота, которые используются для зондирования низкомолекулярных аналитов.

Abstract

Описаны два различных способа синтеза поли(3,4-этилендиокситиофена) (PEDOT) на золотых электродах с использованием электрополимеризации мономера 3,4-этилендиокситиофена (EDOT) в водном и органическом растворе. Циклическая вольтамперометрия (CV) использовалась при синтезе тонких слоев PEDOT. Перхлорат лития (LiClO₄) использовался в качестве легирующего вещества как в водных (водных/ацетонитриловых (ACN)), так и в органических (пропиленкарбонат (PC)) системах растворителей. После того, как слой PEDOT был создан в органической системе, поверхность электрода акклиматизировали путем последовательного циклирования в водном растворе для использования в качестве датчика для водных образцов.

Использование метода электрополимеризации на водной основе имеет потенциальное преимущество удаления стадии акклиматизации, чтобы иметь более короткое время подготовки датчика. Хотя водный метод является более экономичным и экологически чистым, чем метод органических растворителей, в органическом растворе получается превосходное образование PEDOT. Полученные поверхности электродов PEDOT были охарактеризованы сканирующей электронной микроскопией (SEM), которая показала постоянный рост PEDOT при электрополимеризации из органического раствора ПК, с быстрым ростом фрактального типа на микроэлектродах золота (Au).

Introduction

Электропроводящие полимеры представляют собой органические материалы, широко используемые в биоэлектронных устройствах для улучшения интерфейсов. Подобно обычным полимерам, проводящие полимеры легко синтезируются и являются гибкими во время обработки¹. Проводящие полимеры могут быть синтезированы с помощью химических и электрохимических методов; однако подходы к электрохимическому синтезу особенно благоприятны. В основном это связано с их способностью образовывать тонкие пленки, позволять одновременно легировать, захватывать молекулы в проводящем полимере, а главное, простотой процесса синтеза¹. Кроме того, проводящие полимеры образуют однородные, волокнистые и бугристые наноструктуры, прочно прилипшие к поверхности электрода, что увеличивает площадь активной поверхности электрода².

В 1980-х годах были разработаны некоторые полигетероциклы, такие как полипиррол, полианилин, политиофен и PEDOT, которые показали хорошую проводимость, легкость синтеза и стабильность ^3,4. Хотя полипиррол лучше изучен, чем другие полимеры (например, производные политиофена), он склонен к необратимому окислению⁵. Таким образом, PEDOT имеет определенные преимущества перед остальными, поскольку он имеет гораздо более стабильное окислительное состояние и сохраняет 89% своей проводимости по сравнению с полипирролом в аналогичных условиях⁶. Кроме того, PEDOT известен высокой электропроводимостью (~500 См/см) и умеренной запрещенной зоной (т.е. зазоры или энергетические зазоры являются областями без заряда и относятся к разнице энергий между верхней частью валентной зоны и нижней частью зоны проводимости)⁷.

Кроме того, PEDOT обладает электрохимическими свойствами, нуждается в более низких потенциалах для окисления и более стабилен с течением времени, чем полипиррол после синтеза⁷. Он также обладает хорошей оптической прозрачностью, что означает его коэффициент оптического поглощения, особенно в виде PEDOT-полистиролсульфоната (PEDOT-PSS), находится в видимой области электромагнитного спектра при 400-700 нм⁷. При образовании PEDOT электрохимически мономеры EDOT окисляются на рабочем электроде с образованием радикальных катионов, которые реагируют с другими радикальными катионами или мономерами для создания цепей PEDOT, которые осаждаются на поверхности электрода¹.

Различные управляющие факторы участвуют в электрохимическом образовании пленок PEDOT, такие как электролит, тип электролита, установка электрода, время осаждения, тип легирующего вещества и температура растворителя¹ PEDOT может быть получен электрохимически путем пропускания тока через соответствующий раствор электролита. Различные электролиты, такие как водные (например, PEDOT-PSS), органические (например, PC, ацетонитрил) и ионные жидкости (например, 1-бутил-3-метилимидазолия тетрафторборат (BMIMBF₄)) могут быть использованы⁸.

Одним из преимуществ покрытий PEDOT является то, что они могут значительно снизить импеданс электрода Au в диапазоне частот 1 кГц на два-три порядка, что делает полезным повышение чувствительности прямого электрохимического детектирования нейронной активности⁹. Кроме того, емкость хранения заряда электродов, модифицированных PEDOT, увеличивается и приводит к более быстрым и более низким потенциальным реакциям при передаче стимулирующего заряда через PEDOT¹⁰. Кроме того, когда полистиролсульфонат (PSS) используется в качестве легирующего вещества для образования PEDOT на микроэлектродных массивах Au, он создает шероховатую, пористую поверхность с высокой площадью активной поверхности, более низким сопротивлением границы раздела и более высокой емкостью впрыска заряда¹¹. Для стадии электрополимеризации EDOT-PSS обычно производит дисперсию в водном электролите.

Однако ЭДОТ растворим в хлороформе, ацетоне, ACN и других органических растворителях, таких как ПК. Поэтому в данном исследовании смесь воды использовали с небольшим объемом ACN в соотношении 10:1 для получения растворимого раствора EDOT до начала электрополимеризации. Целью использования этого водного электролита является опущение стадии акклиматизации при получении PEDOT-модифицированного микроэлектрода и сокращение этапов. Другим органическим электролитом, используемым для сравнения с водным электролитом / электролитом ACN, является PC. Оба электролита содержат LiClO₄ в качестве легирующего вещества, помогающего в окислении мономера EDOT и формировании полимера PEDOT.

Микроэлектроды представляют собой вольтамперметрические рабочие электроды с меньшим диаметром, чем макроэлектроды, размером примерно в десятки микрометров или меньше. Их преимущества перед макроэлектродами включают улучшенный перенос массы от раствора к поверхности электрода, генерацию стационарного сигнала, более низкое падение омического потенциала, более низкую двухслойную емкость и повышенное отношение сигнал/шум¹². Как и все твердые электроды, микроэлектроды должны быть кондиционированы перед анализом. Соответствующий метод предварительной обработки или активации представляет собой механическую полировку для получения гладкой поверхности с последующей стадией электрохимического или химического кондиционирования, такой как потенциальная цикличность в определенном диапазоне в подходящем электролите¹³.

CV очень часто используется в электрохимической полимеризации PEDOT путем введения электродов в раствор мономера, который включает подходящий растворитель и легирующий электролит. Этот электрохимический метод полезен для предоставления информации о направлении, такой как обратимость процессов легирования полимеров и количество передаваемых электронов, коэффициенты диффузии аналитов и образование продуктов реакции. В этой статье описывается, как два разных электролита, используемых для электрополимеризации PEDOT, могут генерировать тонкие наноструктурные пленки с потенциальным чувствительным применением, которое зависит от морфологии и других внутренних свойств.

Protocol

1. Подготовка аналитических решений Приготовление 0,1 М ЭДОТ в органическом растворе Взвесьте 0,213 г LiClO4 и переложите его в объемную колбу объемом 20 мл. Используйте измерительный цилиндр, чтобы взять 20 мл ПК из бутылки. Добавьте ПК в объемную колбу объемом 20 мл, содержащую LiClO4. Перемешайте раствор, поместив колбу в ультразвуковую ванну на 30 мин. Переложите раствор на стеклянный флакон объемом 20 мл. Накройте флакон алюминиевой фольгой и вставьте длинную иглу, прикрепленную к азотной трубе, в раствор для дегазации в течение 10 минут. Затем снимите алюминиевую фольгу и плотно закройте флакон.ПРИМЕЧАНИЕ: Приготовьте LiClO4 свежим в день эксперимента. Перед электрохимическим испытанием переложить 1 мл приготовленного раствора LiClO4 (0,1 М) в электрохимическую ячейку (см. Таблицу материалов). Используйте микропипетку (10-100 мкл) для добавления 10,68 мкл мономера EDOT (плотность: 1,331 г/мл) в электрохимическую ячейку, содержащую приготовленный раствор LiClO4 . Запустите метод CV (см. раздел 3.4 для параметров CV), чтобы начать электрополимеризацию EDOT на голой поверхности микроэлектрода Au после вставки всех электродных установок в раствор. Используйте этот модифицированный электрод для характеристики поверхности с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). Чтобы использовать этот модифицированный электрод для зондирования, сначала акклиматизируйте его поверхность к водному раствору, выполнив сканирование CV в растворе перхлората натрия (NaClO4) (см. раздел 3.4 для параметров CV). Используйте этот органически PEDOT-модифицированный и акклиматизированный микроэлектрод (из 1.1.8) для запуска CV (см. раздел 3.4 для его параметров CV) фосфатного буферного раствора, который будет использоваться в качестве фонового сканирования.ПРИМЕЧАНИЕ: Промывайте электрод после каждого шага. Наконец, извлеките электрод из буферного раствора без промывки и немедленно вставьте его в растворы мочевой кислоты или образцы молока для проведения сканирования CV (см. раздел 3.4 для параметров CV). Приготовление 0,01 М ЭДОТ в водном растворе Используйте микропипетку, чтобы взять 10,68 мкл EDOT и добавить к 1 мл ACN в стеклянный флакон. Добавьте 9 мл деионизированной воды (18,2 МОм/см при 25 °C) во флакон для приготовления 10 мл 0,01 М раствора EDOT. Добавьте 0,11 г порошка LiClO4 в приготовленный раствор EDOT для получения 0,1 M раствора LiClO4 и аккуратно перемешайте.ПРИМЕЧАНИЕ: Приготовьте растворы электролитов заново в день эксперимента. Перенесут приготовленный раствор в электрохимическую ячейку и начнут электрополимеризацию 0,01 М ЭДОТ на поверхности электрода методом CV (см. раздел 3.4 для параметров CV) после введения электрода в водный/ACN раствор. Охарактеризуйте поверхность этого модифицированного электрода по SEM. Приготовление 0,1 М раствора перхлората натрия Взвесьте 0,245 г NaClO4 и переложите его в стеклянный флакон, содержащий 20 мл деионизированной воды (18,2 МОм/см при 25 °C). Используйте этот раствор для акклиматизации поверхности органически изготовленного PEDOT-модифицированного микроэлектрода Au к водному раствору и удаления избытка ЭДОТ. Для этого промыть электрод и вставить его в раствор NaClO4 ; затем запустите CV в течение 10 циклов (см. раздел 3.4 для параметров CV). Подготовка буферного раствора Взвесьте 13,8 г дигидрофосфата натрия (NaH2PO4. 1H2O) в весовой лодке. Переложите его в объемную колбу объемом 500 мл (т.е. требуемый конечный объем) и залейте до линии деионизированной водой (18,2 МОм/см при 25 °C). Поместите колбу в ультразвуковую ванну до тех пор, пока порошок полностью не растворится в воде, в результате чего получится раствор 0,2 М. В новой весовой лодке взвесьте 17,8 г динатрия гидрофосфата (Na2HPO4. 2H2O) и переложите его в еще одну объемную колбу объемом 500 мл. Долить его деионизированной водой для получения раствора 0,2 М. Поместите колбу в ультразвуковую ванну, чтобы она правильно растворилась. Смешайте 62,5 мл раствора дигидрофосфата натрия с 37,5 мл раствора динатрия гидрофосфата в измерительном цилиндре и переложите смесь в стеклянную бутылку емкостью 250 мл (см. Таблицу материалов). Долить еще 100 мл деионизированной воды для получения 200 мл 0,1 М фосфатного буферного раствора, рН 6,6. Охладите фосфатный буфер для длительного использования.ПРИМЕЧАНИЕ: Доведите буфер до комнатной температуры перед каждым экспериментом. Подготовка растворов целевых аналитов Взвесьте 0,0084 г мочевой кислоты (UA) в весовой лодке и растворите ее в 50 мл фосфатного буфера (рН 6,6) в объемной колбе для получения раствора UA 1 мМ. Дегазация раствора азотной продувкой в течение 10 мин.ПРИМЕЧАНИЕ: Желательно готовить раствор UA свежим в день эксперимента. Подготовка образцов молока к анализу Получите образец цельного молока и несколько образцов молока с различными вкусами (например, молоко эспрессо, молоко карамельного / белого шоколада и бельгийское шоколадное молоко) в местном супермаркете для электроанализа. Не следует предварительно обрабатывать и не разбавлять образцы молока. Используйте микропипетку 5 мл, чтобы взять 5 мл каждого образца молока из свежеоткрытых бутылок. Во-первых, запустите CV фосфатного буфера, рН 6,6, в качестве фонового сигнала. Затем добавьте образец молока объемом 5 мл в электрохимическую ячейку, а также вставьте свеже- и органически изготовленный микроэлектрод Au-модифицированный PEDOT и другие электроды в образцы молока и запустите CV. См. раздел 4 протокола, чтобы узнать, как анализировать собранные данные. Приготовление растворов для предварительной обработки электродов Взвесьте 0,2 г порошка гидроксида натрия (NaOH) и переложите его в объемную колбу объемом 50 мл для приготовления раствора 0,1 мл. Используйте раствор NaOH 0,1 М для удаления остатков PEDOT, образующихся на поверхности микроэлектрода после каждого прогона. Используйте стеклянную пипетку для извлечения 27,2 мл из бутылки с 98% серной кислотой (H2SO4). Добавляйте его очень медленно в объемную колбу объемом 1 л, наполовину заполненную деионизированной водой. Долить колбу до линии деионизированной водой для приготовления 1 л раствора 0,5 M H2SO4 .ПРИМЕЧАНИЕ: Подготовьте раствор H2SO4 под вытяжным кожухом для обеспечения безопасности. Используйте раствор H2SO4 на заключительной стадии электрохимической очистки микроэлектрода. 2. Предварительная обработка микроэлектрода золота Отполируйте микроэлектрод Au (диаметр 10 мкм, ширина 3,5 мм x длина 7 см) на полировальной площадке из глинозема, размещенной на стеклянной полировальной пластине (размеры: 3″ x 3″ квадраты), используя глиноземную суспензию в течение 30 с круглыми и восьмиобразными движениями рук во время полировки. Микроэлектрод Au промыть деионизированной водой, вставить его в стеклянный флакон, содержащий 15 мл абсолютного этанола (марка LR), и ультразвук в течение 2 мин. Промыть микроэлектрод Au этанолом и водой и снова ультразвуком в течение 4 мин в деионизированной воде, чтобы удалить избыток глинозема с поверхности электрода. Наконец, удалите дополнительные примеси путем циклического включения в 0,5 М H2SO4 для 20 сегментов между потенциалами от 0,4 до 1,6 В (по сравнению с Ag/AgCl) со скоростью сканирования 50 мВ/с. Убедитесь, что есть два четких пика из-за образования и восстановления оксида золота при последовательных анодных и катодных потенциалах каждый раз, когда электрод очищается в H2SO4. 3. Техника циклической вольтамперометрии Используйте подходящий потенциостат для запуска CV в качестве электрохимического метода, представляющего интерес. Включите потенциостат и подключенный к нему компьютер. Убедитесь, что система подключена. Чтобы проверить связь между компьютером и прибором, запустите программное обеспечение и включите прибор. Используйте команду Проверка оборудования в меню Настройка . Если появляется ошибка Ошибка соединения , проверьте параметры подключения и порта. Откройте программное обеспечение potentiostat на компьютере и в меню Настройка выберите Техника. В открывшемся окне выберите циклическую вольтамперметрию (CV). Опять же, вернитесь в меню «Настройка» и нажмите « Параметры», чтобы ввести экспериментальные параметры для запуска CV. Используйте следующие параметры CV для запуска электрополимеризации PEDOT в органическом электролите на голом микроэлектроде Au: начальный потенциал: -0,3 В, конечный потенциал: -0,3 В, высокий потенциал: 1,2 В, количество сегментов: 8, скорость сканирования: 100 мВ/с, направление: положительное. Используйте следующие параметры CV для запуска электрополимеризации PEDOT в водном/ACN электролите на голом микроэлектроде Au: начальный потенциал: -0,3 В, конечный потенциал: -0,3 В, высокий потенциал: 1,2 В, количество сегментов: 20, скорость сканирования: 100 мВ/с, направление: положительное. Используйте следующие параметры CV для запуска стадии акклиматизации органически изготовленного PEDOT-модифицированного микроэлектрода Au: начальный потенциал: -0,2 В, конечный потенциал: -0,2 В, высокий потенциал: 0,8 В, количество сегментов: 20, скорость сканирования: 100 мВ/с, направление: положительное. Используйте следующие параметры CV для стандартных растворов UA и фосфатного буфера (рН 6,6) с голым микроэлектродом Au: начальный потенциал: 0 В, конечный потенциал: 0 В, высокий потенциал: 1 В, количество сегментов: 2, скорость сканирования: 100 мВ/с и направление: положительное. Используйте следующие параметры CV для стандартных растворов UA и фосфатного буфера (рН 6,6) на органически изготовленном, PEDOT-модифицированном микроэлектроде Au: начальный потенциал: 0 В, конечный потенциал: 0 В, высокий потенциал: 0,6 В, количество сегментов: 2, скорость сканирования: 100 мВ/с и направление: положительное. Используйте следующие параметры CV для образцов молока и фосфатного буфера (рН 6,6) на органически изготовленном, PEDOT-модифицированном микроэлектроде Au: начальный потенциал: 0 В, конечный потенциал: 0 В, высокий потенциал: 0,8 В, количество сегментов: 2, скорость сканирования: 100 мВ/с, направление: положительное. Подготовьте три электродные установки в стеклянной электрохимической ячейке, включая рабочий электрод (Au микроэлектрод (диаметр 10 мкм)), электрод сравнения (например, хлорид серебра / серебра (Ag / AgCl) в 3 М хлорида натрия (NaCl) и противоэлектрод из платиновой проволоки. Пропустите эти чистые и высушенные электроды через отверстия держателя электрода, прикрепленного к подставке. Затем поместите держатель над электрохимической ячейкой, чтобы вставить электроды в целевой раствор или образец. Убедитесь, что на поверхностях электродов нет пузырьков. Если есть пузырьки, удалите электроды, снова промойте деионизированной водой и вытрите насухо салфеткой. Поместите электроды обратно в держатель подставки и в раствор. Если вокруг опорного электрода есть пузырьки, осторожно постучите по наконечнику. Если после начала работы вокруг контрэлектрода есть пузырьки, очистите контрэлектрод. Если сканирование CV становится шумным, очистите поверхность электрода и проверьте соединения системы, провода и зажимы. Убедитесь, что все три проводных соединения для эталонных, рабочих и встречных электродов подключены правильно, а затем начните эксперимент, щелкнув Выполнить внизу. Проводите все эксперименты при комнатной температуре. Для образцов молока пусть температура образцов молока достигнет температуры окружающей среды перед запуском CV. 4. Сбор и анализ данных После запуска CV сохраните данные в нужном формате (CSV или Bin) в папке, а затем используйте USB-накопитель для их сбора. Анализируйте данные с помощью соответствующего программного обеспечения. Конвертируйте CSV-файлы в электронные таблицы для облегчения анализа.ПРИМЕЧАНИЕ: Если данные сохранены в формате двоичного файла, преобразуйте их в формат текстовой запятой перед сбором данных на USB-накопитель. Чтобы проанализировать CV образцов молока, вычтите CV молока из фонового CV (т.е. CV фосфатного буфера (рН 6,6), взятого перед запуском каждого образца молока), чтобы получить кривые из-за окисления молочного профиля. 5. Методы характеристики PEDOT Используйте определенный тип высокоэффективных SEM для характеристики слоев PEDOT, изготовленных из разных электролитов.ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь использовался FEI Quanta 200 ESEM FEG; он оснащен полевой эмиссионной пушкой Шоттки (FEG) для лучшего пространственного разрешения. Этот прибор обеспечивает различные режимы работы, такие как режимы высокого вакуума, низкого вакуума и окружающей среды SEM, и оснащен детектором SiLi (Lithium drifted) Super Ultra-Thin Window EDS. Проверить морфологию поверхности как голых, так и PEDOT-модифицированных Микроэлектродов Au (PEDOT-Au) Сем после электрополимеризации PEDOT в органических и водных растворах. Выполняйте электрополимеризацию PEDOT на голых микроэлектродах Au в водных/ ACN и органических растворах непосредственно перед их проверкой SEM. Поместите свежеприготовленные электроды (голый микроэлектрод Au и два микроэлектрода PEDOT-Au) на ступень SEM горизонтально, с головкой над сценой под определенным углом.

Representative Results

Циклическая вольтамперометрия – это простой метод формирования тонкого слоя PEDOT на поверхности микроэлектрода Au для повышения электродной проводимости и чувствительности во время электрохимического зондирования целевых аналитов. Данный протокол демонстрирует способ электрополиме?…

Discussion

Метод CV позволяет быстро и просто измерять различные аналиты в пищевых продуктах, вине и напитках, растительных экстрактах и даже биологических образцах. Этот метод дает широкий спектр данных, включая пиковые потенциалы окисления/восстановления, пиковые значения тока целевого анализ?…

Materials

Acetonitrile	Baker Analyzed HPLC Ultra Gradient Solvent	75-05-8	HPLC grade
Alumina polishing pad	BASi, USA	MF-1040	tan/velvet color
Belgian chocolate milk	Puhoi Valley dairy company, Auckland, NZ	_	Buy from local supermarket
Caramel/white chocolate milk	Puhoi Valley dairy company, Auckland, NZ	_	Buy from local supermarket
CH instrument	CH instruments, Inc. USA	_	Model CHI660E
Counter electrode	BASi, USA	MW-1032	7.5 cm long platinum wire (0.5 mm diameter) auxiliary/counter electrode, 99.95% purity
Disodium hydrogen phosphate (Na2HPO4, 2H2O)	Scharlau Chemie SA, Barcelona, Spain	10028-24-7	Weigh 17.8 g
DURAN bottle	University of Auckland	_	The glasswares were made locally at the University of Auckland
Electrochemical cell	BASi, USA	MF-1208	5-15 mL volume, glass
Electrode Polishing Alumina Suspension	BASi, USA	CF-1050	7 mL of 0.05 µm particle size alumina polish
Espresso milk	Puhoi Valley dairy company, Auckland, NZ	_	Buy from local supermarket
3,4-Ethylenedioxythiophene (EDOT), 97%	Sigma-Aldrich	126213-50-1	Take 10.68 μL from bottle
FEI ESEM Quanta 200 FEG	USA	_	SEM equipped with a Schottky field emission gun (FEG) for optimal spatial resolution. The instrument can be used in high vacuum mode (HV), low-vacuum mode (LV) and the so called ESEM (Environmental SEM) mode.
Gold microelectrode	BASi, USA	MF-2006	Working electrode (10 μm diameter)
Lithium perchlorate, ACS reagent, ≥95%	Sigma-Aldrich	7791-03-9	Make 0.1 M solution
Micropipettes	Eppendorf	_	10-100 μL and 100-1000 volumes
MilliQ water	Thermo Scientific, USA	_	18.2 MΩ/cm at 25°C, Barnstead Nanopure Diamond Water Purification System
Propylene carbonate, Anhydrous, 99.7%	Sigma-Aldrich	108-32-7	Take 20 mL from bottle
Reference electrode	BASi, USA	MF-2052	Silver/silver chloride (Ag/AgCl) electrode to be kept in 3 M sodium chloride
Replacement glass polishing plate	BASi, USA	MF-2128	Glass plate as a stand to attach the polishing pad on it
Sodium dihydrogen phosphate  (NaH2PO4, 1H2O)	Sigma-Aldrich	10049-21-5	Weigh 13.8 g
Sodium hydroxide pearls, AR	ECP-Analytical Reagent	1310-73-2	Make 0.1 M solution
Sodium perchlorate, ACS reagent, ≥98%	Sigma-Aldrich	7601-89-0	Make 0.1 M solution
Sulfuric acid (98%)	Merck	7664-93-9	Make 0.5 M solution
Uric acid	Sigma-Aldrich	69-93-2	Make 1 mM solution
Whole milk	Anchor dairy company, Auckland, NZ		Blue cap milk, buy from local supermarket