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Chemistry

Préparation électrochimique de couches de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) sur des microélectrodes d’or pour des applications de détection de l’acide urique

Published: July 28, 2021 doi: 10.3791/62707
Automatic Translation
1, 2,3, 1
1School of Chemical Sciences, The University of Auckland, 2School of Biological Sciences, The University of Auckland, 3Surgical and Translational Research Center, The University of Auckland

Summary

Nous décrivons des systèmes de solvants aqueux et organiques pour l’électropolymérisation du poly(3,4-éthylènedioxythiophène) afin de créer de fines couches à la surface des microélectrodes d’or, qui sont utilisées pour détecter les analytes de faible poids moléculaire.

Abstract

Deux méthodes différentes de synthèse du poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) sur des électrodes en or sont décrites, en utilisant l’électropolymérisation du monomère de 3,4-éthylènedioxythiophène (EDOT) dans une solution aqueuse et une solution organique. La voltampérométrie cyclique (CV) a été utilisée dans la synthèse des couches minces de PEDOT. Le perchlorate de lithium (LiClO4) a été utilisé comme dopant dans les systèmes de solvants aqueux (aqueux/acétonitrile (ACN)) et organiques (carbonate de propylène (PC)). Après la création de la couche PEDOT dans le système organique, la surface de l’électrode a été acclimatée par des cycles successifs dans une solution aqueuse pour une utilisation comme capteur pour les échantillons aqueux.

L’utilisation d’une méthode d’électropolymérisation aqueuse présente l’avantage potentiel de supprimer l’étape d’acclimatation pour avoir un temps de préparation du capteur plus court. Bien que la méthode aqueuse soit plus économique et plus respectueuse de l’environnement que la méthode au solvant organique, une formation supérieure de PEDOT est obtenue dans la solution organique. Les surfaces d’électrode PEDOT résultantes ont été caractérisées par microscopie électronique à balayage (MEB), qui a montré la croissance constante de PEDOT pendant l’électropolymérisation à partir de la solution PC organique, avec une croissance rapide de type fractal sur des microélectrodes d’or (Au).

Introduction

Les polymères conducteurs d’électricité sont des matériaux organiques largement utilisés dans les dispositifs bioélectroniques pour améliorer les interfaces. Semblables aux polymères conventionnels, les polymères conducteurs sont faciles à synthétiser et sont flexibles pendant le traitement1. Les polymères conducteurs peuvent être synthétisés à l’aide de méthodes chimiques et électrochimiques; cependant, les approches de synthèse électrochimique sont particulièrement favorables. Cela est principalement dû à leur capacité à former des films minces, à permettre le dopage simultané, à capturer des molécules dans le polymère conducteur et, surtout, à la simplicité du processus de synthèse1. De plus, les polymères conducteurs forment des nanostructures uniformes, fibreuses et bosselées, adhérant fermement à la surface de l’électrode, ce qui augmente la surface active de l’électrode2.

Dans les années 1980, certains polyhétérocycles, tels que le polypyrrole, la polyaniline, le polythiophène et le PEDOT, ont été développés qui ont montré une bonne conductivité, une facilité de synthèse et une stabilité 3,4. Bien que le polypyrrole soit mieux compris que d’autres polymères (par exemple, les dérivés du polythiophène), il est sujet à une oxydation irréversible5. Ainsi, le PEDOT présente certains avantages par rapport au reste car il a un état oxydatif beaucoup plus stable et conserve 89% de sa conductivité par rapport au polypyrrole dans des conditions similaires6. De plus, le PEDOT est connu pour son électroconductivité élevée (~500 S/cm) et une bande interdite modérée (c.-à-d. que les écarts de bande ou les écarts d’énergie sont des régions sans frais et se réfèrent à la différence d’énergie entre le haut d’une bande de valence et le bas d’une bande de conduction)7.

De plus, le PEDOT a des propriétés électrochimiques, a besoin de potentiels plus faibles pour être oxydé et est plus stable dans le temps que le polypyrrole après avoir été synthétisé7. Il a également une bonne transparence optique, ce qui signifie que son coefficient d’absorption optique, en particulier sous forme de sulfonate de PEDOT-polystyrène (PEDOT-PSS), se trouve dans la région visible du spectre électromagnétique à 400-700 nm7. Dans la formation de PEDOT électrochimiquement, les monomères EDOT s’oxydent au niveau de l’électrode de travail pour former des cations radicaux, qui réagissent avec d’autres cations radicaux ou monomères pour créer des chaînes PEDOT qui se déposent sur la surface de l’électrode1.

Différents facteurs de contrôle sont impliqués dans la formation électrochimique des films PEDOT, tels que l’électrolyte, le type d’électrolyte, la configuration de l’électrode, le temps de dépôt, le type de dopant et la température du solvant1 PEDOT peut être généré électrochimiquement en faisant passer le courant à travers une solution d’électrolyte appropriée. Différents électrolytes tels que les liquides aqueux (p. ex. PEDOT-PSS), organiques (p. ex., PC, acétonitrile) et ioniques (p. ex., tétrafluoroborate de 1-butyl-3-méthylimidazolium (BMIMBF4)) peuvent être utilisés8.

L’un des avantages des revêtements PEDOT est qu’ils peuvent réduire considérablement l’impédance d’une électrode Au dans la gamme de fréquences 1 kHz de deux ou trois ordres de grandeur, ce qui rend utile d’augmenter la sensibilité de la détection électrochimique directe de l’activité neuronale9. De plus, la capacité de stockage de charge des électrodes modifiées par PEDOT augmente et entraîne des réponses potentielles plus rapides et plus faibles lorsque la charge de stimulation est transférée via PEDOT10. De plus, lorsque le sulfonate de polystyrène (PSS) est utilisé comme dopant pour la formation de PEDOT sur les réseaux de microélectrodes Au, il crée une surface rugueuse et poreuse avec une surface active élevée, une impédance d’interface plus faible et une capacité d’injection de charge plus élevée11. Pour l’étape d’électropolymérisation, EDOT-PSS effectue généralement une dispersion dans un électrolyte aqueux.

Cependant, l’EDOT est soluble dans le chloroforme, l’acétone, l’ACN et d’autres solvants organiques tels que le PC. Par conséquent, dans cette étude, un mélange d’eau a été utilisé avec un petit volume d’ACN dans un rapport de 10: 1 pour faire une solution soluble EDOT avant le début de l’électropolymérisation. Le but de l’utilisation de cet électrolyte aqueux est d’omettre l’étape d’acclimatation dans la préparation de la microélectrode modifiée par PEDOT et de raccourcir les étapes. L’autre électrolyte organique utilisé pour comparer avec l’électrolyte aqueux/ACN est le PC. Les deux électrolytes contiennent du LiClO4 comme dopant pour aider à oxyder le monomère EDOT et à former le polymère PEDOT.

Les microélectrodes sont des électrodes de travail voltammétriques de plus petit diamètre que les macroélectrodes, d’environ des dizaines de micromètres ou moins de dimension. Leurs avantages par rapport aux macroélectrodes comprennent un transport de masse amélioré de la solution vers la surface de l’électrode, générant un signal à l’état d’équilibre, une chute de potentiel ohmique plus faible, une capacité à double couche plus faible et un rapport signal/bruit accru12. Comme toutes les électrodes solides, les microélectrodes doivent être conditionnées avant l’analyse. La technique de prétraitement ou d’activation appropriée est le polissage mécanique pour obtenir une surface lisse, suivie d’une étape de conditionnement électrochimique ou chimique, telle que le cycle de potentiel sur une plage particulière dans un électrolyte approprié13.

CV est très couramment utilisé dans la polymérisation électrochimique du PEDOT en insérant des électrodes dans une solution monomère qui implique un solvant approprié et un électrolyte dopant. Cette technique électrochimique est bénéfique pour fournir des informations de direction telles que la réversibilité des processus de dopage des polymères conducteurs et le nombre d’électrons transférés, les coefficients de diffusion des analytes et la formation de produits de réaction. Cet article décrit comment deux électrolytes différents utilisés pour l’électropolymérisation du PEDOT peuvent générer de minces films de nanostructure avec une application de détection potentielle qui dépend de la morphologie et d’autres propriétés intrinsèques.

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Protocol

1. Préparation de solutions analytiques

  1. Préparation de 0,1 M EDOT dans une solution organique
    1. Peser 0,213 g de LiClO4 et le transférer dans une fiole jaugée de 20 mL.
    2. Utilisez un cylindre de mesure pour prélever 20 mL de PC de la bouteille.
    3. Ajouter le PC à la fiole jaugée de 20 mL contenant du LiClO4. Mélanger la solution en plaçant la fiole dans un bain à ultrasons pendant 30 min. Transférer la solution dans un flacon en verre de 20 mL.
    4. Couvrir le flacon avec du papier d’aluminium et insérer une longue aiguille attachée à un tuyau d’azote dans la solution pour dégazer pendant 10 min. Ensuite, retirez le papier d’aluminium et boucher le flacon hermétiquement.
      REMARQUE: Préparez LiClO4 frais le jour de l’expérience.
    5. Avant l’essai électrochimique, transférer 1 mL de la solution de LiClO4 préparée (0,1 M) dans une cellule électrochimique (voir le tableau des matériaux).
    6. Utiliser une micropipette (10-100 μL) pour ajouter 10,68 μL de monomère EDOT (densité : 1,331 g/mL) à la cellule électrochimique contenant la solution liClO4 préparée.
    7. Exécutez la méthode CV (voir rubrique 3.4 pour les paramètres CV) pour lancer l’électropolymérisation de l’EDOT sur la surface nue de la microélectrode Au après avoir inséré toutes les configurations d’électrodes dans la solution. Utilisez cette électrode modifiée pour caractériser la surface par microscopie électronique à balayage (MEB).
    8. Pour utiliser cette électrode modifiée à des fins de détection, acclimatez d’abord sa surface à une solution aqueuse en exécutant des scans CV dans la solution de perchlorate de sodium (NaClO4) (voir rubrique 3.4 pour les paramètres CV).
    9. Utilisez cette microélectrode organiquement modifiée et acclimatée par PEDOT (à partir du 1.1.8) pour exécuter CV (voir rubrique 3.4 pour ses paramètres CV) d’une solution tampon de phosphate à utiliser comme balayage de fond.
      REMARQUE: Rincez l’électrode après chaque étape.
    10. Enfin, retirez l’électrode de la solution tampon sans rinçage et insérez-la immédiatement dans des solutions d’acide urique ou des échantillons de lait pour l’exécution de scans CV (voir rubrique 3.4 pour les paramètres CV).
  2. Préparation de 0,01 M EDOT dans une solution aqueuse
    1. Utilisez une micropipette pour prendre 10,68 μL d’EDOT et ajouter à 1 mL d’ACN dans un flacon en verre.
    2. Ajouter 9 mL d’eau désionisée (18,2 MΩ/cm à 25 °C) au flacon pour préparer 10 mL de solution EDOT de 0,01 M.
    3. Ajouter 0,11 g de poudre de LiClO4 à la solution EDOT préparée pour obtenir 0,1 M de solution de LiClO4 et mélanger doucement.
      REMARQUE: Préparez les solutions d’électrolytes fraîchement le jour de l’expérience.
    4. Transférer la solution préparée dans la cellule électrochimique et commencer l’électropolymérisation de 0,01 M EDOT sur la surface de l’électrode par la méthode CV (voir rubrique 3.4 pour les paramètres CV) après insertion de l’électrode dans la solution aqueuse/ACN.
    5. Caractériser la surface de cette électrode modifiée par SEM.
  3. Préparation d’une solution de perchlorate de sodium de 0,1 M
    1. Peser 0,245 g de NaClO4 et le transférer dans un flacon en verre contenant 20 mL d’eau désionisée (18,2 MΩ/cm à 25 °C).
    2. Utilisez cette solution pour acclimater la surface de la microélectrode Au modifiée par PEDOT à une solution aqueuse et pour éliminer l’excès d’EDOT. À cette fin, rincez l’électrode et insérez-la dans la solution de NaClO4 ; puis exécutez CV pendant 10 cycles (voir section 3.4 pour les paramètres CV).
  4. Préparation de la solution tampon
    1. Peser 13,8 g de dihydrogénophosphate de sodium (NaH2PO4. 1H2O) dans un bateau de pesage. Transférez-le dans une fiole jaugée de 500 mL (c.-à-d. le volume final requis) et remplissez-le jusqu’à la ligne avec de l’eau désionisée (18,2 MΩ/cm à 25 °C).
    2. Placez la fiole dans un bain à ultrasons jusqu’à ce que la poudre se dissout complètement dans l’eau, ce qui donne une solution de 0,2 M.
    3. Dans un nouveau bateau de pesage, peser 17,8 g d’hydrogénophosphate disodique (Na2HPO4.2H 2O) et le transférer dans une autre fiole jaugée de 500 mL. Complétez-le avec de l’eau désionisée pour obtenir une solution de 0,2 M. Placez la fiole dans un bain à ultrasons pour qu’elle se dissolve correctement.
    4. Mélanger 62,5 mL de solution de dihydrogénophosphate de sodium avec 37,5 mL de solution d’hydrogénophosphate disodique dans un cylindre de mesure et transférer le mélange dans une bouteille en verre de 250 mL (voir le tableau des matériaux). Complétez avec 100 mL d’eau désionisée pour obtenir 200 mL de 0,1 M de solution tampon de phosphate, pH 6,6. Réfrigérer le tampon phosphate pour une utilisation à long terme.
      REMARQUE: Amenez le tampon à la température ambiante avant chaque expérience.
  5. Préparation des solutions d’analyte cible
    1. Peser 0,0084 g d’acide urique (UA) dans un bateau de pesage et le dissoudre dans 50 mL de tampon phosphate (pH 6,6) dans une fiole jaugée pour obtenir une solution d’UA de 1 mM.
    2. Dégazez la solution par purge d’azote pendant 10 min.
      REMARQUE: Il est conseillé de préparer la solution d’UA fraîche le jour de l’expérience.
  6. Préparation d’échantillons de lait pour analyse
    1. Obtenez un échantillon de lait entier et des échantillons de lait avec différentes saveurs (par exemple, du lait espresso, du lait caramel / chocolat blanc et du lait au chocolat belge) dans un supermarché local pour l’électroanalyse. Ne pas prétraiter ou diluer les échantillons de lait.
    2. Utilisez une micropipette de 5 mL pour prélever 5 mL de chaque échantillon de lait dans les bouteilles fraîchement ouvertes.
    3. Tout d’abord, exécutez CV de tampon phosphate, pH 6,6, comme signal de fond. Ensuite, ajoutez l’échantillon de lait de 5 mL dans la cellule électrochimique, insérez de la microélectrode Au fraîchement et biologiquement modifiée par PEDOT et d’autres électrodes dans les échantillons de lait et exécutez CV. Voir la section 4 du protocole pour savoir comment analyser les données collectées.
  7. Préparation de solutions de prétraitement d’électrodes
    1. Peser 0,2 g de poudre d’hydroxyde de sodium (NaOH) et le transférer dans une fiole jaugée de 50 mL pour préparer une solution de 0,1 M.
    2. Utilisez la solution de NaOH de 0,1 M pour éliminer le résidu de PEDOT formé sur la surface de la microélectrode après chaque exécution.
    3. Utilisez une pipette en verre pour retirer 27,2 mL d’une bouteille d’acide sulfurique à 98 % (H2 SO4). Ajoutez-le très lentement à une fiole jaugée de 1 L à moitié remplie d’eau désionisée.
    4. Compléter la fiole jusqu’à la ligne avec de l’eau désionisée pour préparer 1 L d’une solution de 0,5 M H2SO4 .
      REMARQUE: Préparer la solution H2SO4 sous une hotte pour des raisons de sécurité. Utilisez la solution H2SO4 dans l’étape finale de nettoyage électrochimique de la microélectrode.

2. Prétraitement de la microélectrode d’or

  1. Polir la microélectrode Au (10 μm de diamètre, 3,5 mm de largeur x 7 cm de long) sur un tampon de polissage d’alumine placé sur une plaque de polissage du verre (dimensions: 3 » x 3 » carrés) à l’aide d’une boue d’alumine pendant 30 s avec des mouvements circulaires et en forme de huit mains pendant le polissage.
  2. Rincez la microélectrode Au avec de l’eau désionisée, insérez-la dans un flacon en verre contenant 15 mL d’éthanol absolu (grade LR) et ultrasons pendant 2 min.
  3. Rincez la microélectrode Au avec de l’éthanol et de l’eau et vaporisez-la à nouveau par ultrasons pendant 4 min dans de l’eau désionisée pour éliminer l’excès d’alumine de la surface de l’électrode.
  4. Enfin, éliminez les impuretés supplémentaires en effectuant un cycle dans 0,5 M H2SO4 pour 20 segments entre des potentiels de 0,4 et 1,6 V (par rapport à Ag/AgCl) à une vitesse de balayage de 50 mV/s. Assurez-vous qu’il y a deux pics clairs en raison de la formation et de la réduction de l’oxyde d’or à des potentiels anodiques et cathodiques constants chaque fois que l’électrode est nettoyée enH2SO4.

3. Technique de voltampérométrie cyclique

  1. Utilisez un potentiostat approprié pour exécuter CV comme technique électrochimique d’intérêt.
  2. Allumez le potentiostat et l’ordinateur qui y est connecté. Assurez-vous que le système est connecté.
  3. Pour tester la communication entre l’ordinateur et l’instrument, démarrez le logiciel et allumez l’instrument. Utilisez la commande Test matériel sous le menu Configuration . Si une erreur Échec du lien s’affiche , vérifiez les paramètres de connexion et de port.
  4. Ouvrez le logiciel potentiostat sur l’ordinateur et, dans le menu Configuration, choisissez Technique. Dans la fenêtre d’ouverture, choisissez la voltampérométrie cyclique (CV). Encore une fois, revenez au menu Configuration et cliquez sur Paramètres pour entrer les paramètres expérimentaux pour l’exécution du CV.
    1. Utilisez les paramètres CV suivants pour exécuter l’électropolymérisation PEDOT dans un électrolyte organique sur la microélectrode Au nue : potentiel initial : -0,3 V, potentiel final : -0,3 V, potentiel élevé : 1,2 V, nombre de segments : 8, vitesses de balayage : 100 mV/s, direction : positif.
    2. Utilisez les paramètres CV suivants pour exécuter l’électropolymérisation PEDOT dans un électrolyte aqueux/ACN sur la microélectrode Au nue : potentiel initial : -0,3 V, potentiel final : -0,3 V, potentiel élevé : 1,2 V, nombre de segments : 20, vitesses de balayage : 100 mV/s, direction : positif.
    3. Utilisez les paramètres CV suivants pour exécuter l’étape d’acclimatation de la microélectrode Au modifiée par PEDOT de fabrication organique: potentiel initial: -0,2 V, potentiel final: -0,2 V, potentiel élevé: 0,8 V, nombre de segments: 20, taux de balayage: 100 mV / s, direction: positif.
    4. Utilisez les paramètres CV suivants pour les solutions étalons UA et le tampon phosphate (pH 6,6) avec la microélectrode Au nue : potentiel initial : 0 V, potentiel final : 0 V, potentiel élevé : 1 V, nombre de segments : 2, vitesses de balayage : 100 mV/s et direction : positif.
    5. Utilisez les paramètres CV suivants pour les solutions étalons UA et le tampon phosphate (pH 6,6) sur la microélectrode Au modifiée par PEDOT de fabrication organique: potentiel initial: 0 V, potentiel final: 0 V, potentiel élevé: 0,6 V, nombre de segments: 2, vitesses de balayage: 100 mV / s et direction: positif.
    6. Utilisez les paramètres CV suivants pour les échantillons de lait et le tampon phosphate (pH 6,6) sur la microélectrode Au modifiée par PEDOT de fabrication organique: potentiel initial: 0 V, potentiel final: 0 V, potentiel élevé: 0,8 V, nombre de segments: 2, vitesses de balayage: 100 mV / s, direction: positif.
  5. Préparer trois configurations d’électrodes dans une cellule électrochimique en verre, y compris une électrode de travail (microélectrode Au (10 μm de diamètre)), une électrode de référence (p. ex. argent/chlorure d’argent (Ag/AgCl) dans du chlorure de sodium 3 M (NaCl) et une contre-électrode en fil de platine.
  6. Passez ces électrodes propres et séchées à travers les trous d’un porte-électrode attaché à un support. Ensuite, placez le support au-dessus de la cellule électrochimique pour insérer les électrodes dans la solution ou l’échantillon cible.
  7. Assurez-vous qu’il n’y a pas de bulles sur les surfaces des électrodes.
    1. S’il y a des bulles, retirez les électrodes, rincez à nouveau à l’eau désionisée et séchez avec un mouchoir en papier. Replacez les électrodes dans le support du support et dans la solution.
    2. S’il y a des bulles autour de l’électrode de référence, appuyez doucement sur la pointe.
    3. S’il y a des bulles autour de la contre-électrode après qu’elle commence à fonctionner, nettoyez la contre-électrode. Si le scan CV devient bruyant, nettoyez la surface de l’électrode et vérifiez les connexions, les fils et les clips du système.
  8. Assurez-vous que les trois connexions filaires pour les électrodes de référence, de travail et de compteur sont correctement connectées, puis démarrez l’expérience en cliquant sur Exécuter en bas.
  9. Exécutez toutes les expériences à température ambiante. Pour les échantillons de lait, laissez la température des échantillons de lait atteindre la température ambiante avant d’exécuter CV.

4. Collecte et analyse des données

  1. Après avoir exécuté CV, enregistrez les données dans le format souhaité (CSV ou Bin) dans un dossier, puis utilisez une clé USB pour les collecter. Analysez les données à l’aide d’un logiciel approprié. Convertissez les fichiers CSV en feuilles de calcul pour faciliter l’analyse.
    REMARQUE: Si les données sont enregistrées au format d’un fichier binaire, convertissez-les au format De virgule de texte avant la collecte des données dans une clé USB.
  2. Pour analyser le CV des échantillons de lait, soustrayez le CV du lait du CV de fond (c.-à-d. CV du tampon phosphate (pH 6,6) prélevé avant l’exécution de chaque échantillon de lait) pour produire des courbes dues à l’oxydation du profil du lait.

5. Techniques pour caractériser PEDOT

  1. Utilisez un type spécifique de MEB haute performance pour caractériser les couches PEDOT fabriquées dans différents électrolytes.
    REMARQUE: Ici, FEI Quanta 200 ESEM FEG a été utilisé; il est équipé d’un pistolet Schottky field emission (FEG) pour une meilleure résolution spatiale. Cet instrument fournit différents modes de travail tels que le vide poussé, le vide faible et les modes SEM environnementaux et est équipé d’un détecteur SiLi (Lithium drifted) Super Ultra-Thin Window EDS.
  2. Vérifier la morphologie de surface des microélectrodes Au nues et modifiées par PEDOT (PEDOT-Au) par SEM après électropolymérisation PEDOT dans des solutions organiques et aqueuses. Effectuer l’électropolymérisation PEDOT sur des microélectrodes Au nues dans des solutions aqueuses/ACN et organiques immédiatement avant de les vérifier par SEM.
  3. Placez les électrodes fraîchement préparées (une microélectrode Au nue et deux des microélectrodes PEDOT-Au) sur l’étage SEM horizontalement, avec leur tête au-dessus de la scène à un certain angle.

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Representative Results

La voltampérométrie cyclique est une technique facile pour former une fine couche de PEDOT sur une surface de microélectrode Au afin d’augmenter la conductivité et la sensibilité de l’électrode lors de la détection électrochimique des analytes cibles. Ce protocole démontre la méthode d’électropolymérisation de 0,1 M EDOT à partir d’une solution organique par rapport à 0,01 M EDOT à partir d’une solution d’électrolyte aqueuse. L’exécution de 10 cycles en solution aqueuse/ACN entraîne une croissance modérée du PEDOT comparable à celle observée avec les 4 cycles en solution LiClO4/PC. La figure 1 montre une différence nette entre l’EDOT électropolymérisé dans des solutions aqueuses/ACN et organiques, les couches PEDOT suivantes étant formées par l’application de CV. Il est évident qu’en passant de -0,3 à +1,2 V (par rapport à Ag/AgCl dans 3 M NaCl) à une vitesse de balayage de 100 mV/s, le polymère a commencé à s’oxyder à 0,9 V dans les deux solutions d’électrolytes (Figure 1A et Figure 1C), avec un pic d’oxydation observé à 1 V dans la solution aqueuse/ACN.

En y regardant de plus près, les couches de PEDOT fabriquées dans la solution organique après 4 cycles affichent des valeurs de courant plus élevées (~2,9 μA) à 1,2 V par rapport à la valeur de courant (0,23 μA) observée pour les couches de PEDOT formées à ce potentiel dans la solution aqueuse/ACN. Lorsque le nombre de cycles d’électropolymérisation augmente pendant les cycles CV, les nouvelles couches de PEDOT sont fabriquées progressivement sur la surface de l’électrode pour augmenter l’épaisseur des couches. Cela pourrait être dû aux réactions redox qui se produisent dans le PEDOT interne entre la plage potentielle de 0 à 0,7 V (Figure 1B et Figure 1D). La figure 1B et la figure 1D représentent une plage de potentiel plus étroite pour montrer correctement la croissance du PEDOT. Les valeurs de densité de courant sur le côté droit de chaque graphique ont été calculées en divisant les valeurs de courant sur le côté gauche du graphique par la surface géométrique de la microélectrode Au non modifiée (78,5 × 10-8 cm2, r = 5 × 10-4 cm).

Une analyse SEM a été effectuée pour confirmer l’efficacité de la formation de couches peDOT par électropolymérisation dans les deux solutions d’électrolytes (figure 2A-F). Les images prises par SEM ont été choisies à différents grossissements (4000x, 30000x et 60000x). La surface géométrique des microélectrodes nues et PEDOT-Au peut être établie à l’aide de ces images. La figure 2A confirme un diamètre d’environ 10 μm pour la microélectrode d’or nue; par conséquent, la surface est calculée à ~78,5 × 10-8 cm2. Le diamètre de la nanostructure PEDOT formée dans la solution organique après 4 cycles à la surface de la microélectrode Au était d’environ 40 μm (Figure 2C,D). En revanche, la croissance du PEDOT à la surface de l’électrode était plus faible après 10 cycles d’électropolymérisation. Il est vu comme des caractéristiques polymères montagneuses sur la circonférence de l’électrode avec une dépression au centre (Figure 2E, F).

Les images SEM fournissent des preuves de la supériorité de la croissance PEDOT dans la solution organique par rapport au système aqueux/ACN et de la création d’une nanostructure très poreuse s’étendant de la microélectrode en forme de chou-fleur. Cette microélectrode PEDOT préparée dans une solution organique a été utilisée pour des applications de détection, en particulier pour la détection d’UA dans des solutions standard et des échantillons de lait. La figure 3 montre le CV pour la détection de l’UA dans une solution étalon à une microélectrode Au nue et le capteur PEDOT. La performance de la microélectrode Au nue pour la détection d’UA est caractérisée par des courants à l’état d’équilibre obtenus à des potentiels supérieurs à 0,8 V en raison de la diffusion radiale d’UA à la surface de l’électrode (Figure 3A). Une courbe d’étalonnage linéaire a été tracée en fonction des courants moyens à 0,8 V pour la plage de concentration UA de 62,5 à 1000 μM après trois cycles CV répliqués (Figure 3B).

En comparant la pente des équations de la courbe d’étalonnage, la microélectrode PEDOT s’est avérée avoir une sensibilité 100 fois plus élevée que la microélectrode nue. Fait intéressant, la plage UA détectée à l’aide du capteur PEDOT fabriqué dans une solution organique était inférieure, de 6,25 à 200 μM, calculée en mesurant la valeur de courant à l’extrémité du pic anodique aigu (Figure 3C, D). Les données de la courbe d’étalonnage de l’électrode PEDOT ont été utilisées pour mesurer la limite de détection (LOD) et la limite de quantification (LOQ) de l’UA pour l’électrode modifiée. La pente de l’équation de la courbe d’étalonnage (b) et l’erreur-type évaluée de l’interception (s) ont été utilisées pour mesurer les valeurs LOD et LOQ (niveau de confiance à 95 %) - 7 μM et 24 μM14, respectivement - à l’aide des équations (1) et (2).

LOD= 3s/b (1)

LOQ= 10s/b (2)

La sensibilité du capteur modifié PEDOT de fabrication organique est un facteur important. Ceci est calculé en divisant la pente de la courbe d’étalonnage par la surface géométrique de l’électrode de travail, qui est de 397 μA μM-1 cm-2.

Une autre application du capteur PEDOT synthétisé dans la solution biologique consistait à analyser la teneur en UA dans des échantillons réels, par exemple du lait frais ordinaire et des échantillons de lait aromatisé sélectionnés (Figure 4). L’avantage de cette technique est que les niveaux d’UA dans les échantillons de lait peuvent être mesurés sans prétraitement ni dilution. Les performances de ce capteur de microélectrode PEDOT-Au ont été comparées à celles de la macroélectrode de carbone vitreux modifiée peDOT (PEDOT-GC) préparée par la même méthode dans la solution organique15. Le courant de crête anodique pour l’UA dans le lait ordinaire à 0,35 V (par rapport à Ag/AgCl) à l’aide de la microélectrode PEDOT était d’environ 28,4 nA, ce qui équivaut à 82,7 μM en utilisant l’équation de la courbe d’étalonnage de la figure 3D (y = 0,3x + 2,6, R2 = 0,993). Cette valeur était d’environ 83,4 μM pour l’UA dans le lait ordinaire déterminé à l’aide du PEDOT-GC15. Le deuxième grand pic d’oxydation dans le balayage CV du lait ordinaire à 0,65 V (figure 4A) est lié aux composés oxydables, y compris les acides aminés électroactifs tels que la cystéine, le tryptophane et la tyrosine15,16. La densité actuelle de ce pic du lait ordinaire est plus de 200 fois supérieure à celle obtenue à l’aide d’un PEDOT-GC15 précédemment rapporté. Cela montre une réponse plus sensible de la microélectrode recouverte de couches PEDOT par rapport à la macroélectrode modifiée par PEDOT.

Les scans CV obtenus pour les échantillons de lait au caramel et au chocolat blanc peuvent être vus à la figure 4A. Il montre un pic clair à 0,36 V pour UA, ainsi qu’un courant de crête supplémentaire d’environ 42 nA à 0,56 V qui est fusionné avec le pic à 0,66 V. Ce pic supplémentaire à 0,56 V peut être lié à la présence d’acide vanillique, l’un des ingrédients du lait aromatisé. Le CV de l’échantillon de lait au chocolat belge indique un nouvel ensemble de pics anodiques à 0,26 V, 0,36 V et 0,66 V et un pic cathodique à 0,22 V. Le profil chocolat ressemble au profil redox de la catéchine avec les autres antioxydants polyphénoliques présents dans le chocolat ou le cacao15. Ainsi, les pics d’oxydation et de réduction de la catéchine apparaissent à 0,26 V et 0,22 V, respectivement. Le courant de crête de 0,36 V, qui apparaît comme un pic aigu à la queue du pic de catéchine, est dû à l’oxydation de l’UA. La figure 4B montre un CV d’échantillon de lait espresso colombien, qui présente de larges courants de crête anodique et cathodique à 0,35 V et 0,23 V, respectivement, au PEDOT-Au, qui sont dus aux principaux antioxydants phénoliques du café, à savoir les acides chlorogénique et caféique. Étant donné que la surface géométrique de la microélectrode PEDOT est supérieure à celle de la macroélectrode PEDOT, les densités actuelles des pics UA dans ces échantillons de lait sont ~ 150 à 500 fois plus grandes au PEDOT-Au15.

Figure 1
Figure 1 : Électropolymérisation du PEDOT sur une microélectrode d’or. PEDOT préparé par (A, B) 10 CV scans dans une solution aqueuse (0,01 M EDOT dans 1 mL ACN + 9 mL d’eau désionisée + 0,1 M LiClO4); et (C, D) en utilisant 4 scans CV dans une solution d’électrolyte organique (0,1 M EDOT dans 1 mL de 0,1 M LiClO4/PC). B et D sont des versions étendues de A et C pour visualiser clairement les courants PEDOT. Vitesse de balayage = 100 mV/s. Ce chiffre a été modifié par rapport à15. Abréviations : PEDOT = poly(3,4-éthylènedioxythiophène); CV = voltampérométrie cyclique; EDOT = 3,4-éthylènedioxythiophène; ACN = acétonitrile; LiClO4 = perchlorate de lithium; Ag = argent; AgCl = chlorure d’argent. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : Images SEM. (A et B) Microélectrode d’or nue (Au). Microélectrodes d’or modifiées par PEDOT préparées en solution organique (C et D) après 4 cycles d’électropolymérisation et (E et F) solution aqueuse après 10 cycles d’électropolymérisation à différents grossissements. Ce chiffre a été modifié par rapport à15. Abréviations : SEM = microscopie électronique à balayage; PEDOT = poly(3,4-éthylènedioxythiophène). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 : Voltammographies cycliques pour différentes concentrations d’UA dans le tampon phosphate, pH 6,6. (A) Microélectrode d’or nue (fond soustrait) et (C) Microélectrode d’or modifiée par PEDOT (fond soustrait), mesures prises immédiatement après l’insertion de l’électrode dans la solution à une vitesse de balayage de 100 mV/s. (B) Graphique du courant limitant à 0,8 V par rapport à la concentration d’UA sur la microélectrode d’or nue. (D) Graphique du courant de crête anodique (Ip.a/μA) par rapport à la concentration d’UA sur la microélectrode d’or modifiée par PEDOT. (n=3). Ce chiffre a été modifié par rapport à15. Abréviations: UA = acide urique; PEDOT = poly(3,4-éthylènedioxythiophène). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4 : Voltammographies cycliques (fond soustrait). (A) Lait ordinaire, lait au chocolat belge, caramel et lait au chocolat blanc, et (B) lait ordinaire et lait expresso colombien sur une microélectrode d’or modifiée par PEDOT (10 μm de diamètre) à 100 mV/s. Ce chiffre a été modifié par rapport à15. Abréviation : PEDOT = poly(3,4-éthylènedioxythiophène). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

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Discussion

La méthode CV permet de mesurer rapidement et simplement différents analytes dans les aliments, le vin et les boissons, les extraits de plantes et même les échantillons biologiques. Cette technique produit une grande variété de données, y compris les potentiels de crête d’oxydation/réduction, les valeurs de courant de crête de l’analyte cible (proportionnelles à la concentration) et toutes les autres valeurs de courant et de potentiel après chaque exécution CV. Bien que l’utilisation de CV soit relativement facile, les données collectées doivent parfois être converties de fichiers binaires au format Text Comma, en fonction du système potentiostat utilisé. Par exemple, dans le cas de l’instrument CH, les données peuvent être enregistrées au format Text Comma ou CSV directement après chaque exécution. Cela facilite l’analyse des données dans une feuille de calcul après la conversion de textes en colonnes. Une fois que les scans CV des échantillons standard de lait ou d’UA ont été obtenus dans les mêmes plages potentielles, ils ont été tracés sur un seul graphique pour une comparaison directe. Pour présenter les données pour les publications, les graphiques peuvent également être tracés dans Origin ou SigmaPlot, puis exportés au format TIF ou les types de fichiers graphiques requis.

Les problèmes courants avec cette méthode peuvent être des artefacts dans la trace de CV. Ceux-ci peuvent provenir d’erreurs de connexion électrique, probablement en raison des clips de connexion (c’est-à-dire des clips qui attachent des fils à chaque électrode) qui sont rouillés ou en raison de microélectrodes d’or qui ne sont pas nettoyées correctement. L’utilisation de papier de verre pour éliminer la rouille des clips ou leur remplacement, ainsi que le nettoyage à nouveau de la microélectrode et la réexécution des cycles CV après l’avoir insérée dans la solution H2SO4 peuvent résoudre le problème.

Le nettoyage de la microélectrode est une étape importante de cette expérience, qui peut autrement entraîner un signal ou un bruit de courant faible. Le nettoyage de la microélectrode est également très important car des bulles peuvent se former lorsque la microélectrode n’est pas très propre. Lorsque les emplacements des pics d’oxydation et de réduction de l’or et les hauteurs de crête obtenues sont cohérents et corrects, l’électrode est prête à exécuter l’électropolymérisation. Lorsque les connexions du potentiostat ou de l’électrode sont défectueuses, il y aura du bruit dans le scan CV, ou la sortie apparaîtra comme des points d’étalement. Avant une course, il est important de vérifier que toutes les connexions d’électrode sont correctement connectées, qu’il n’y a pas de bulle de gaz près de l’extrémité de l’électrode de référence Ag/AgCl et que les électrodes ne se touchent pas dans la cellule électrochimique. Le remplacement des clips et des fils de connexion ou le taraudage de la pointe de l’électrode de référence avec un doigt peut être une approche de dépannage utile.

Lors de la formation d’une électrode PEDOT, en tant que polymère conducteur choisi, l’électrolyte organique (LiClO4 dans PC) et les solutions aqueuses de NaClO4 doivent être dégazés avant d’exécuter l’électropolymérisation. Il est impératif d’utiliser un produit chimique EDOT qui n’a pas expiré ou oxydé ou qui n’a pas été contaminé par d’autres produits chimiques de qualité analytique. Les couches pedot fraîches qui se forment à chaque fois sur la surface de l’électrode sont différentes en termes de croissance du courant. Si la procédure est maintenue constante et que l’électrode est suffisamment nettoyée, les cycles CV d’électropolymérisation augmenteraient à chaque fois de la même valeur actuelle, confirmant la précision et la cohérence de la méthode. Il convient également de noter que la quantité de monomère EDOT utilisée dans la solution organique était 10 fois plus élevée que celle du monomère EDOT dans la solution aqueuse/ACN. Bien que cela puisse sembler peu comparable, cela a été considéré comme préférable car nos expériences préliminaires ont montré qu’une solution aqueuse d’EDOT de 0,1 M ne formait pas une couche de PEDOT stable en raison de la solubilité plus faible dans une solution d’électrolyte aqueux. En revanche, la couche de PEDOT formée à l’aide de 0,01 M d’EDOT dans une solution organique n’a pas eu une croissance suffisante à la surface de l’électrode par rapport à la solution aqueuse de 0,1 M d’EDOT. Par conséquent, les quantités d’EDOT utilisées pour l’électropolymérisation organique et aqueuse ont été sélectionnées pour cette étude.

L’une des limites de la méthode CV lorsque des électrodes nues sont utilisées est la difficulté de séparer les pics lorsqu’il existe des agents interférents. Cependant, ce problème a été résolu lorsque PEDOT a été utilisé pour modifier la surface de l’électrode. Par exemple, lorsque l’UA était l’analyte cible à détecter dans le lait, elle a été identifiée séparément de son agent interférent, l’acide ascorbique, en raison du rôle de médiation redox du PEDOT, conduisant à un pic plus précoce et bien séparé pour l’acide ascorbique. Dans le même temps, même avec l’électrode PEDOT, lors de l’analyse du lait aromatisé, il peut être difficile de séparer correctement le pic UA des autres ingrédients qui ont des potentiels d’oxydation proches de l’UA, conduisant à une fusion des pics.

Pour conclure, bien que le dépannage puisse être nécessaire par intermittence, l’utilisation des nanocouches CV et PEDOT sur la surface de l’électrode est avantageuse pour détecter les analytes cibles tels que l’UA dans des solutions standard et des solutions matricielles complexes, telles que des échantillons de lait, sans aucun prétraitement. Par rapport à la technique de chromatographie liquide à haute performance, cette méthode CV est rapide et ne nécessite pas d’étapes de prétraitement fastidieuses pour éliminer les graisses ou les protéines des échantillons de lait. De plus, PEDOT rend la microélectrode très sélective et sensible, donnant un pic net pour l’analyse UA.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Grâce au financement fourni par le ministère néo-zélandais des Affaires, de l’Innovation et de l’Emploi (MBIE) dans le cadre du programme « High Performance Sensors ».

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

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Chimie numéro 173 Poly(3,4-éthylènedioxythiophène) (PEDOT) voltampérométrie cyclique perchlorate de lithium microélectrode d’or carbonate de propylène microscopie électronique à balayage lait aromatisé électrodéposition
Préparation électrochimique de couches de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) sur des microélectrodes d’or pour des applications de détection de l’acide urique
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Motshakeri, M., Phillips, A. R. J., Kilmartin, P. A. Electrochemical Preparation of Poly(3,4-Ethylenedioxythiophene) Layers on Gold Microelectrodes for Uric Acid-Sensing Applications. J. Vis. Exp. (173), e62707, doi:10.3791/62707 (2021).

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