Summary
Descrevemos sistemas aquosos e orgânicos de solventes para a eletropolamilação de poli (3,4-etilenodioxithiophene) para criar camadas finas na superfície de microeletrodos de ouro, que são usados para detectar analitos de baixo peso molecular.
Abstract
São descritos dois métodos diferentes para a síntese de poli (3,4-ethylenodioxythiophene) (PEDOT) em eletrodos de ouro, utilizando eletropolimerização de 3,4-etilenodioxithiofene (EDOT) monômero em uma solução aquosa e orgânica. A voltametria cíclica (CV) foi utilizada na síntese de camadas finas PEDOT. O perclorato de lítio (LiClO4) foi usado como dopant tanto em sistemas aquosos (aquos/acetonitrilo (ACN)) quanto orgânicos (carbonato de propileno (PC)). Depois que a camada PEDOT foi criada no sistema orgânico, a superfície do eletrodo foi aclimatada por ciclo sucessivo em uma solução aquosa para uso como sensor para amostras aquosas.
O uso de um método de eletropolimerização aquoso tem o benefício potencial de remover a etapa de aclimatação para ter um tempo de preparação do sensor mais curto. Embora o método aquoso seja mais econômico e ambientalmente correto do que o método de solvente orgânico, a formação superior de PEDOT é obtida na solução orgânica. As superfícies de eletrodos PEDOT resultantes foram caracterizadas pela microscopia eletrônica de varredura (SEM), que mostrou o crescimento constante de PEDOT durante a eletropolamite da solução orgânica do PC, com rápido crescimento fractal em microeletrodos de ouro (Au).
Introduction
Polímeros de condução elétrica são materiais orgânicos amplamente utilizados em dispositivos bioeletrônicos para melhorar as interfaces. Semelhante aos polímeros convencionais, a condução de polímeros é fácil de sintetizar e são flexíveis durante o processamento1. A condução de polímeros pode ser sintetizada utilizando métodos químicos e eletroquímicos; no entanto, as abordagens de síntese eletroquímica são particularmente favoráveis. Isso se deve principalmente à sua capacidade de formar filmes finos, permitir o doping simultâneo, capturar moléculas no polímero condutor e, o mais importante, a simplicidade do processo de síntese1. Além disso, a condução de polímeros formam nanoestruturas uniformes, fibrosas e esburacadas, firmemente aderidas à superfície do eletrodo, o que aumenta a área de superfície ativa do eletrodo2.
Na década de 1980, foram desenvolvidos certos poliheterociclos, como polipiralina, polianilina, polithiofene e PEDOT, que mostraram boa condutividade, facilidade de síntese e estabilidade 3,4. Embora o polipirolito seja melhor compreendido do que outros polímeros (por exemplo, derivados de polithiofeno), é propenso a oxidação irreversível5. Assim, a PEDOT tem certas vantagens sobre o resto, pois tem um estado oxidativo muito mais estável e retém 89% de sua condutividade em comparação com o polipiro em condições semelhantes6. Além disso, o PEDOT é conhecido por alta eletrocondutividade (~500 S/cm) e uma lacuna de banda moderada (ou seja, lacunas de banda ou lacunas de energia são regiões sem custo e referem-se à diferença de energia entre o topo de uma banda de valência e a parte inferior de uma banda de condução)7.
Além disso, a PEDOT tem propriedades eletroquímicas, precisa de potenciais menores para ser oxidada, e é mais estável ao longo do tempo do que o polipiro depois de ser sintetizado7. Também tem boa transparência óptica, o que significa que seu coeficiente óptico de absorção, especialmente na forma de sulfonato de poliestireno PEDOT-poliestireno (PEDOT-PSS), está na região visível do espectro eletromagnético em 400-700 nm7. Na formação de PEDOT eletroquimicamente, monômeros EDOT oxidam no eletrodo de trabalho para formar cations radicais, que reagem com outros cations radicais ou monômeros para criar cadeias PEDOT que se depositam na superfície do eletrodo1.
Diferentes fatores de controle estão envolvidos na formação eletroquímica de filmes PEDOT, como eletrólito, tipo de eletrólito, configuração de eletrodos, tempo de deposição, tipo dopante e temperatura do solvente1 PEDOT pode ser gerado eletroquimicamente através de uma solução eletrólito apropriada. Podemser utilizados diferentes eletrólitos como aquoso (por exemplo, PEDOT-PSS), orgânicos (por exemplo, PC, acetonitrilo) e líquidos iônicos (por exemplo, 1-butil-3-metilimidazolium tetrafluoroborato (BMIMBF4))
Uma das vantagens dos revestimentos PEDOT é que ele pode diminuir significativamente a impedância de um eletrodo Au na faixa de frequência de 1 kHz em duas ou três ordens de magnitude, o que torna útil aumentar a sensibilidade da detecção eletroquímica direta da atividade neural9. Além disso, a capacidade de armazenamento de carga dos eletrodos modificados pedot aumenta e resulta em respostas potenciais mais rápidas e menores quando a carga de estimulação é transferida através do PEDOT10. Além disso, quando o sulfonato de poliestireno (PSS) é usado como dopant para formação de PEDOT em matrizes de microeletrodo Au, ele cria uma superfície áspera e porosa com uma área de superfície ativa elevada, impedância de interface inferior e maior capacidade de injeção de carga11. Para a etapa de eletropolimerização, EDOT-PSS geralmente faz uma dispersão em um eletrólito aquoso.
No entanto, EDOT é solúvel em clorofórmio, acetona, ACN e outros solventes orgânicos, como PC. Portanto, neste estudo, foi utilizada uma mistura de água com um pequeno volume de ACN em uma proporção de 10:1 para fazer uma solução EDOT solúvel antes do início da eletropolammerização. O objetivo de usar este eletrólito aquoso é omitir a etapa de aclimatação na preparação de microeletrodos modificados por PEDOT e encurtar os passos. O outro eletrólito orgânico usado para comparar com o eletrólito aquoso/ACN é o PC. Ambos os eletrólitos contêm LiClO4 como um dopant para ajudar a oxidar o monômero EDOT e formar o polímero PEDOT.
Microeletrodos são eletrodos de trabalho voltammétricos com diâmetros menores do que macroeletros, aproximadamente dezenas de micrômetros ou menos na dimensão. Suas vantagens sobre macroeletrodos incluem um transporte de massa aprimorado da solução em direção à superfície do eletrodo, gerando um sinal de estado estável, uma menor queda potencial ócica, uma capacidade de camada dupla menor e uma maior relação sinal-ruído12. Semelhante a todos os eletrodos sólidos, os microeletros precisam ser condicionados antes da análise. A técnica de pré-tratamento ou ativação adequada é o polimento mecânico para obter uma superfície lisa, seguido de uma etapa de condicionamento eletroquímico ou químico, como o ciclismo potencial sobre uma determinada faixa em um eletrólitoadequado 13.
Cv é muito comumente usado na polimerização eletroquímica de PEDOT inserindo eletrodos em uma solução monômera que envolve um eletrólito solvente e dopante adequado. Esta técnica eletroquímica é benéfica no fornecimento de informações de direção, como a reversibilidade da condução de processos de doping de polímeros e o número de elétrons transferidos, coeficientes de difusão de analitos e a formação de produtos de reação. Este artigo descreve como dois eletrólitos diferentes usados para a eletropolimerização do PEDOT podem gerar filmes finos de nanoestrutura com uma aplicação de sensoriamento potencial que depende da morfologia e outras propriedades intrínsecas.
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Protocol
1. Preparação de soluções analíticas
- Preparando 0,1 M EDOT em uma solução orgânica
- Pese 0,213 g de LiClO4 e transfira para um frasco volumoso de 20 mL.
- Use um cilindro de medição para tirar 20 mL de PC da garrafa.
- Adicione o PC ao frasco volumoso de 20 mL contendo LiClO4. Misture a solução colocando o frasco em um banho ultrassônico por 30 minutos. Transfira a solução para um frasco de vidro de 20 mL.
- Cubra o frasco com papel alumínio e insira uma agulha longa presa a um tubo de nitrogênio na solução para desgas por 10 minutos. Em seguida, remova a folha de alumínio e tampe o frasco firmemente.
NOTA: Prepare LiClO4 fresco no dia do experimento. - Antes do teste eletroquímico, transfira 1 mL da solução LiClO4 preparada (0,1 M) para uma célula eletroquímica (ver a Tabela de Materiais).
- Use uma micropipette (10-100 μL) para adicionar 10,68 μL de monômero EDOT (densidade: 1,331 g/mL) à célula eletroquímica contendo a solução LiClO4 preparada.
- Execute o método CV (ver seção 3.4 para parâmetros CV) para iniciar a eletropolimerização do EDOT na superfície nu de microeletroder au depois de inserir todas as configurações de eletrodos na solução. Use este eletrodo modificado para caracterizar a superfície por meio da microscopia eletrônica de varredura (SEM).
- Para usar este eletrodo modificado para fins de detecção, aclimate sua superfície primeiro a uma solução aquosa executando varreduras cv na solução de perclorato de sódio (NaClO4) solução (ver seção 3.4 para parâmetros CV).
- Use este microelerode organicamente modificado e aclimatado (de 1.1.8) para executar cv (ver seção 3.4 para seus parâmetros cv) de uma solução tampão fosfato a ser usada como uma varredura de fundo.
NOTA: Enxágüe o eletrodo após cada passo. - Por fim, retire o eletrodo da solução tampão sem enxaguar e insira-o imediatamente em soluções de ácido úrico ou amostras de leite para a execução de varreduras cv (ver seção 3.4 para parâmetros cv).
- Preparando 0,01 M EDOT em uma solução aquosa
- Use uma micropipette para tomar 10,68 μL de EDOT e adicionar a 1 mL de ACN em um frasco de vidro.
- Adicione 9 mL de água deionizada (18,2 MΩ/cm a 25 °C) ao frasco para preparar 10 mL de solução EDOT de 0,01 M.
- Adicione 0,11 g de LiClO4 em pó à solução EDOT preparada para obter a solução 0.1 M LiClO4 e misture delicadamente.
NOTA: Prepare as soluções de eletrólitos recentemente no dia do experimento. - Transfira a solução preparada para a célula eletroquímica e inicie a eletropolamoização de 0,01 M EDOT na superfície do eletrodo pelo método CV (ver seção 3.4 para parâmetros CV) após inserir o eletrodo na solução aquosa/ACN.
- Caracterize a superfície deste eletrodo modificado pela SEM.
- Preparando solução de perclorato de sódio de 0,1 M
- Pesar 0,245 g de NaClO4 e transferi-lo para um frasco de vidro contendo 20 mL de água deionizada (18,2 MΩ/cm a 25 °C).
- Use esta solução para aclimatar a superfície da microeleroda Au modificada por PEDOT organicamente para uma solução aquosa e para remover o excesso de EDOT. Para isso, enxágüe o eletrodo e insira-o na solução NaClO4 ; em seguida, execute cv para 10 ciclos (ver seção 3.4 para parâmetros cv).
- Preparando solução tampão
- Pesar 13,8 g de fosfato de dihidrogênio de sódio (NaH2PO4. 1H2O) em um barco de pesagem. Transfira para um frasco volumoso de 500 mL (ou seja, o volume final necessário) e cubra-o até a linha com água desionizada (18,2 MΩ/cm a 25 °C).
- Coloque o frasco em um banho ultrassônico até que o pó se dissolva completamente na água, resultando em uma solução de 0,2 M.
- Em um novo barco de pesagem, pese 17,8 g de fosfato de hidrogênio dissódico (Na2HPO4. 2H2O) e transfira-o para outro frasco volumoso de 500 mL. Cubra-o com água deionizada para obter uma solução de 0,2 M. Coloque o frasco em um banho ultrassônico para dissolver corretamente.
- Misture 62,5 mL de solução de fosfato de didrogênio de sódio com 37,5 mL de solução de fosfato de hidrogênio dissódico em um cilindro de medição e transfira a mistura para uma garrafa de vidro de 250 mL (veja a Tabela de Materiais). Cubra-o com mais 100 mL de água deionizada para obter 200 mL de 0,1 M de solução tampão fosfato, pH 6.6. Leve à geladeira o tampão fosfato para uso a longo prazo.
NOTA: Leve o tampão à temperatura ambiente antes de cada experimento.
- Preparando soluções de analito de alvo
- Pesar 0,0084 g de ácido úrico (UA) em um barco de pesagem, e dissolvê-lo em 50 mL de tampão fosfato (pH 6.6) em um frasco volumoso para obter uma solução UA de 1 mM.
- Degas a solução por purificação de nitrogênio por 10 minutos.
NOTA: É aconselhável preparar a solução UA fresca no dia do experimento.
- Preparando amostras de leite para análise
- Obtenha uma amostra de leite integral e algumas amostras de leite com diferentes sabores (por exemplo, leite expresso, leite de chocolate caramelo/branco e leite de chocolate belga) de um supermercado local para eletroanálise. Não pré-tre ou dilua as amostras de leite.
- Use uma micropipette de 5 mL para colher 5 mL de cada amostra de leite das garrafas recém-abertas.
- Primeiro, execute cv de tampão fosfato, pH 6.6, como um sinal de fundo. Em seguida, adicione a amostra de leite de 5 mL na célula eletroquímica, e insira microelerodia Au modificada recente e organicamente, modificada por PEDOT e outros eletrodos nas amostras de leite e execute CV. Consulte a seção 4 do protocolo para analisar os dados coletados.
- Preparação de soluções de pré-tratamento de eletrodos
- Pese 0,2 g de hidróxido de sódio (NaOH) em pó e transfira-o para um frasco volumoso de 50 mL para preparar uma solução de 0,1 M.
- Use a solução NaOH de 0,1 M para remover o resíduo de PEDOT formado na superfície da microeletrísmo após cada execução.
- Use uma pipeta de vidro para retirar 27,2 mL de uma garrafa de ácido sulfúrico de 98%. Adicione-o muito lentamente a um frasco volumoso de 1 L meio cheio de água deionizada.
- Cubra o frasco até a linha com água deionizada para preparar 1 L de uma solução 0,5 M H2SO4 .
NOTA: Prepare a solução H2SO4 sob um capô de fumaça para segurança. Use a solução H2SO4 na etapa final de limpeza eletroquímica da microeletrônica.
2. Pré-tratamento da microeletrínda de ouro
- Polir a microeletrídrica Au (10 μm de diâmetro, 3,5 mm de largura x 7 cm de comprimento) em uma almofada de polimento de alumina colocada em uma placa de polimento de vidro (dimensões: quadrados de 3" x 3") usando um chorume de alumina para 30 s com movimentos circulares e de oito em forma de mão durante o polimento.
- Enxágüe o microeletrodo Au com água deionizada, insira-a em um frasco de vidro contendo 15 mL de etanol absoluto (grau LR) e ultrassonicar por 2 min.
- Enxágüe a microeletrônica Au com etanol e água e, novamente, ultrassonize-a por 4 minutos em água deionizada para remover o excesso de alumina da superfície do eletrodo.
- Finalmente, remova impurezas adicionais pedalando em 0,5 M H2SO4 para 20 segmentos entre potenciais de 0,4 e 1,6 V (vs. Ag/AgCl) a uma taxa de varredura de 50 mV/s. Certifique-se de que há dois picos claros devido à formação e redução do óxido de ouro em potenciais anodódicos e catódicos consistentes cada vez que o eletrodo é limpo em H2SO4.
3. Técnica de voltammemetria cíclica
- Use um potencial de potencialização adequado para executar cv como a técnica eletroquímica de interesse.
- Ligue o potencialiostat e o computador ligado a ele. Certifique-se de que o sistema está conectado.
- Para testar a comunicação entre o computador e o instrumento, inicie o software e ligue o instrumento. Use o comando Teste de hardware no menu Configuração . Se aparecer um erro de falha de link , verifique as configurações de conexão e porta.
- Abra o software de potencialiostat no computador e, no menu Configuração, escolha Técnica. Na janela de abertura, escolha a voltametria cíclica (CV). Novamente, volte para o menu Configuração e clique em Parâmetros para inserir os parâmetros experimentais para a execução cv.
- Use os seguintes parâmetros cv para executar a eletropoliomerização PEDOT em um eletrólito orgânico na microeletrância Au nua: potencial inicial: -0,3 V, potencial final: -0,3 V, alto potencial: 1,2 V, número de segmentos: 8, taxas de varredura: 100 mV/s, direção: positiva.
- Use os seguintes parâmetros cv para executar a eletropoliomerização PEDOT em um eletrólito aquoso/ACN no microeletrônio Au nu: potencial inicial: -0,3 V, potencial final: -0,3 V, alto potencial: 1,2 V, número de segmentos: 20, taxas de varredura: 100 mV/s, direção: positivo.
- Use os seguintes parâmetros cv para executar a etapa de aclimatação da microeleroda Au modificada por PEDOT organicamente: potencial inicial: -0,2 V, potencial final: -0,2 V, alto potencial: 0,8 V, número de segmentos: 20, taxas de varredura: 100 mV/s, direção: positivo.
- Use os seguintes parâmetros cv para soluções padrão UA e tampão fosfato (pH 6.6) com o microeletrodo Au nu: potencial inicial: 0 V, potencial final: 0 V, alto potencial: 1 V, número de segmentos: 2, taxas de varredura: 100 mV/s, e direção: positiva.
- Use os seguintes parâmetros cv para soluções padrão UA e tampão de fosfato (pH 6.6) no microeletrodo Au feito organicamente, modificado por PEDOT: potencial inicial: 0 V, potencial final: 0 V, alto potencial: 0,6 V, número de segmentos: 2, taxas de varredura: 100 mV/s, e direção: positiva.
- Utilize os seguintes parâmetros cv para as amostras de leite e tampão fosfato (pH 6.6) no microeletrodo Au organicamente feito, modificado por PEDOT: potencial inicial: 0 V, potencial final: 0 V, alto potencial: 0,8 V, número de segmentos: 2, taxas de varredura: 100 mV/s, direção: positivo.
- Prepare três configurações de eletrodo em uma célula eletroquímica de vidro, incluindo um eletrodo de trabalho (microeletrodo Au (10 μm de diâmetro)), um eletrodo de referência (por exemplo, cloreto de prata/prata (Ag/AgCl) em cloreto de sódio de 3 M (NaC) e um eletrodo de fio de platina.
- Passe estes eletrodos limpos e secos através dos orifícios de um suporte de eletrodos presos a um suporte. Em seguida, coloque o suporte acima da célula eletroquímica para inserir os eletrodos na solução ou amostra alvo.
- Certifique-se de que não há bolhas nas superfícies do eletrodo.
- Se houver bolhas, remova os eletrodos, enxágue com água deionizada novamente e seque com um tecido. Coloque os eletrodos de volta no suporte do suporte e na solução.
- Se houver bolhas ao redor do eletrodo de referência, toque suavemente na ponta.
- Se houver bolhas ao redor do eletrodo do contador depois que ele começar a funcionar, limpe o eletrodo do contador. Se a varredura CV ficar ruidosa, limpe a superfície do eletrodo e verifique as conexões, fios e clipes do sistema.
- Certifique-se de que todas as três conexões de fio para referência, trabalho e eletrodos de contador estejam corretamente conectados e, em seguida, inicie o experimento clicando em Executar na parte inferior.
- Executar todos os experimentos à temperatura ambiente. Para amostras de leite, deixe que a temperatura das amostras de leite atinja a temperatura ambiente antes de funcionar cv.
4. Coleta e análise de dados
- Depois de executar cv, salve os dados no formato desejado (CSV ou Bin) em uma pasta e, em seguida, use um cartão de memória USB para recolhê-los. Analise os dados usando software apropriado. Converta arquivos CSV em planilhas para facilitar a análise.
NOTA: Se os dados forem salvos no formato de um arquivo Binário, converta-os para o formato de Círio de Texto antes da coleta de dados em um cartão de memória USB. - Para analisar o CV das amostras de leite, subtrair o CV do cv de fundo (ou seja, CV de tampão fosfato (pH 6.6) tomado antes de executar cada amostra de leite) para produzir curvas devido à oxidação do perfil do leite.
5. Técnicas para caracterizar PEDOT
- Use um tipo específico de SEM de alto desempenho para caracterizar as camadas PEDOT feitas em diferentes eletrólitos.
NOTA: Aqui, foi utilizado o FEI Quanta 200 ESEM FEG; é equipado com uma pistola de emissão de campo Schottky (FEG) para melhor resolução espacial. Este instrumento fornece diferentes modos de trabalho, como modos SEM de vácuo alto, baixo vácuo e ambiental e é equipado com um detector SiLi (Lithium drifted) Super Ultra-Thin Window EDS. - Verifique a morfologia superficial de microeletrodos au (PEDOT-Au) nus e modificados pedot pela SEM após a eletropolomerização PEDOT em soluções orgânicas e aquosas. Realize a eletropolimerização PEDOT em microeletrodos Au nus em soluções aquosas/ACN imediatamente antes de checá-las pela SEM.
- Coloque os eletrodos recém-preparados (uma microeletrídra Au nua e duas das microeletrodos PEDOT-Au) no palco SEM horizontalmente, com a cabeça acima do palco em um determinado ângulo.
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Representative Results
Voltametria cíclica é uma técnica fácil de formar uma fina camada PEDOT em uma superfície de microeletrodes Au para aumentar a condutividade e sensibilidade do eletrodo durante o sensoriamento eletroquímico de analitos de alvo. Este protocolo demonstra o método de eletropolimerização de 0,1 M EDOT de uma solução orgânica em comparação com 0,01 M EDOT de uma solução de eletrólito aquoso. A execução de 10 ciclos em solução aquosa/ACN resulta em um crescimento moderado de PEDOT comparável ao observado com os 4 ciclos na solução LiClO4/PC. A Figura 1 mostra uma diferença distinta entre o eletropolimerizado EDOT em soluções aquosas/ACN e orgânicas, com as subsequentes camadas PEDOT formadas pela aplicação cv. É evidente que ao pedalar de -0,3 a +1,2 V (vs. Ag/AgCl em 3 M NaCl) a uma taxa de varredura de 100 mV/s, o polímero começou a oxidar a 0,9 V em ambas as soluções eletrólitos (Figura 1A e Figura 1C), com um pico de oxidação visto em 1 V na solução aqueous/ACN.
Após uma inspeção mais minuciosa, as camadas PEDOT fabricadas na solução orgânica após 4 ciclos exibem valores atuais mais elevados (~2,9 μA) a 1,2 V em comparação com o valor atual (0,23 μA) visto para camadas PEDOT formadas nesse potencial na solução aquosa/ACN. Quando o número de ciclos de eletropolambolização aumenta durante as corridas de CV, as novas camadas de PEDOT são feitas gradualmente na superfície do eletrodo para aumentar a espessura das camadas. Isso pode ser devido às reações de redox ocorridas no PEDOT interno entre a faixa potencial de 0 a 0,7 V (Figura 1B e Figura 1D). A Figura 1B e a Figura 1D retratam um alcance potencial mais estreito para mostrar corretamente o crescimento do PEDOT. Os valores de densidade atual no lado direito de cada gráfico foram calculados dividindo os valores atuais no lado esquerdo do gráfico pela área geométrica da superfície geométrica da microeletrodida Au não modificada (78,5 × 10-8 cm2, r = 5 × 10-4 cm).
A análise sem foi realizada para confirmar a eficiência da formação de camadas PEDOT por eletropolimerização nas duas soluções eletrólitos (Figura 2A-F). As imagens tiradas pelo SEM foram escolhidas em diferentes ampliações (4000x, 30000x e 60000x). A área geométrica da superfície geométrica de microeletrodos desnudos e PEDOT-Au pode ser estabelecida usando essas imagens. A Figura 2A confirma um diâmetro de ~10 μm para a microeletrídrica de ouro nu; portanto, a área de superfície é calculada como ~78,5 × 10-8 cm2. O diâmetro da nanoestrutura PEDOT formada na solução orgânica após 4 ciclos na superfície da microeletrídrica Au foi de ~40 μm (Figura 2C,D). Em contrapartida, o crescimento do PEDOT na superfície do eletrodo foi menor após 10 ciclos de eletropolimerização. É visto como características poliméricas montanhosas na circunferência do eletrodo com uma depressão no centro (Figura 2E,F).
As imagens SEM fornecem evidências para a superioridade do crescimento PEDOT na solução orgânica em comparação com o sistema aquoso/ACN e a criação de uma nanoestrutura muito porosa que se estende a partir da microeletroda em forma de couve-flor. Esta microeletrídrada PEDOT preparada em uma solução orgânica foi utilizada para aplicações de sensoriamento, particularmente para detecção de UA em soluções padrão e amostras de leite. A Figura 3 mostra o CV para a detecção de UA em uma solução padrão em uma microeletrídrica Au nua e no sensor PEDOT. O desempenho da microeletrídrica Au nua para detecção de UA é caracterizado por correntes de estado estável obtidas em potenciais superiores a 0,8 V devido à difusão radial de UA para a superfície do eletrodo (Figura 3A). Uma curva de calibração linear foi traçada com base nas correntes médias em 0,8 V para a faixa de concentração UA de 62,5 a 1000 μM após três corridas de CV de replicação (Figura 3B).
Comparando a inclinação das equações da curva de calibração, a microeletrídria PEDOT foi encontrada com sensibilidade 100 vezes maior do que a microeletrídria nua. Curiosamente, a faixa de UA detectada utilizando o sensor PEDOT feito em uma solução orgânica foi menor, de 6,25 a 200 μM, calculada medindo o valor atual na ponta do pico anodódico afiado (Figura 3C,D). Os dados da curva de calibração do eletrodo PEDOT foram utilizados para medir o limite de detecção (LOD) e o limite de quantificação (LOQ) do UA para o eletrodo modificado. A inclinação da equação da curva de calibração (b) e o erro padrão avaliado da interceptação (s) foram utilizados para medir os valores LOD e LOQ (nível de confiança de 95%) -7 μM e 24 μM14, respectivamente usando equações (1) e (2).
LOD= 3s/b (1)
LOQ= 10s/b (2)
A sensibilidade do sensor modificado por PEDOT feito organicamente é um fator importante. Isso é calculado dividindo a inclinação da curva de calibração pela área geométrica da superfície geométrica do eletrodo de trabalho, que é de 397 μA μM-1 cm-2.
Outra aplicação do sensor PEDOT sintetizado na solução orgânica foi analisar o conteúdo dos UA em amostras reais, por exemplo, leite fresco regular e amostras de leite sabor selecionado (Figura 4). A vantagem desta técnica é que os níveis de UA em amostras de leite podem ser medidos sem qualquer pré-tratamento ou diluição. O desempenho deste sensor de microeletrônico PEDOT-Au foi comparado com a macroeletrídra de carbono glassy modificada PEDOT (PEDOT-GC) preparada pelo mesmo método na solução orgânica15. A corrente de pico anodica para UA em leite regular a 0,35 V (vs. Ag/AgCl) utilizando o microeletrodo PEDOT foi ~28,4 nA, o que equivale a 82,7 μM usando a equação da curva de calibração na Figura 3D (y = 0,3x + 2,6, R2 = 0,993). Este valor foi de ~83,4 μM para UA no leite regular determinado utilizando o PEDOT-GC15. O segundo grande pico de oxidação na varredura cv de leite regular a 0,65 V (Figura 4A) está relacionado a compostos oxidazáveis, incluindo aminoácidos eletroativos como cisteína, triptofano e tyrosina15,16. A densidade atual deste pico do leite regular é mais de 200 vezes maior do que a obtida usando um PEDOT-GC15 relatado anteriormente. Isso mostra uma resposta mais sensível da microeletrídrada coberta por camadas PEDOT em comparação com a macroeletrída modificada pelo PEDOT.
Os exames cv obtidos para amostras de leite de caramelo e chocolate branco podem ser vistos na Figura 4A. Ele mostra um pico claro de 0,36 V para UA, juntamente com um pico adicional de corrente de ~42 nA a 0,56 V que é mesclado com o pico de 0,66 V. Este pico adicional de 0,56 V pode estar relacionado à presença de ácido vanlícíao, um dos ingredientes do leite aromatizado. O CV da amostra de leite de chocolate belga indica um novo conjunto de picos anodódicos de 0,26 V, 0,36 V e 0,66 V e um pico catódico de 0,22 V. O perfil do chocolate se assemelha ao perfil de catáquino redox junto com os outros antioxidantes polifenólicos presentes no chocolate ou cacau15. Assim, os picos de oxidação e redução de catequinas aparecem em 0,26 V e 0,22 V, respectivamente. A corrente de pico de 0,36 V, que aparece como um pico acentuado na cauda do pico da catequina, é devido à oxidação dos UA. A Figura 4B mostra um CV de amostra de leite expresso colombiano, que exibe amplas correntes de pico anodódica e catódica a 0,35 V e 0,23 V, respectivamente, no PEDOT-Au, que se devem aos principais antioxidantes fenólicos no café, ou seja, ácidos clorogênicos e cafeína. Como a área geométrica da superfície geométrica da microeletrônica PEDOT é maior que a da macroeletrônica PEDOT, as densidades atuais dos picos dos UA nestas amostras de leite são ~150 a 500 vezes maiores no PEDOT-Au15.
Figura 1: Eletropolimerização de PEDOT em uma microeletrídrica de ouro. PEDOT preparado por (A, B) 10 CV em uma solução aquosa (0,01 M EDOT em 1 mL ACN + 9 mL de água desionizada + 0,1 M LiClO4); e (C, D) utilizando varreduras de 4 CV em uma solução de eletrólito orgânico (0,1 M EDOT em 1 mL de 0,1 M LiClO4/PC). B e D são versões expandidas de A e C para visualizar claramente as correntes PEDOT. Taxa de varredura = 100 mV/s. Este número foi modificado de15. Abreviaturas: PEDOT = poli (3,4-etilenodioxilenofene); CV = voltametria cíclica; EDOT = 3,4-etilenodioxithimofeno; ACN = acetonitrilo; LiClO4 = perclorato de lítio; Ag = prata; AgCl = cloreto de prata. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Imagens SEM. (A e B) Microeletrídroa de ouro nu (Au). Microeletrodos de ouro modificados por PEDOT preparados em (C e D) solução orgânica após 4 ciclos de eletropolimerização e (E e F) solução aquosa após 10 ciclos de eletropolimerização em diferentes ampliações. Este número foi modificado de15. Abreviaturas: SEM = microscopia eletrônica de varredura; PEDOT = poli (3,4-etilenodioxithiofene). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Voltammogramas cíclicos para diferentes concentrações de UA no tampão fosfato, pH 6.6. (A) Microeletríndia de ouro nu (fundo subtraído) e (C) microelerodia de ouro modificada PEDOT (fundo subtraído), medidas tomadas imediatamente após a inserção do eletrodo na solução a uma taxa de varredura de 100 mV/s. (B) Parcela de limitação da corrente em 0,8 V versus concentração de UA na microeletro de ouro nu. (D) Parcela da corrente de pico anodódica (Ip.a/μA) versus concentração de UA na microeletrídra de ouro modificada pedot. (n=3). Este número foi modificado de15. Abreviaturas: UA = ácido úrico; PEDOT = poli (3,4-etilenodioxithiofene). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Voltammogramas cíclicos (fundo subtraído). (A) Leite regular, leite de chocolate belga, leite de caramelo e chocolate branco, e (B) leite regular e leite expresso colombiano em uma microeletrínda de ouro modificada pEDOT (10 μm de diâmetro) a 100 mV/s. Este número foi modificado de15. Abreviação: PEDOT = poly (3,4-ethylenedioxythiophene). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
O método CV permite a medição rápida e simples de diferentes analitos em alimentos, vinhos e bebidas, extratos vegetais e até amostras biológicas. Esta técnica produz uma grande variedade de dados, incluindo potenciales de pico de oxidação/redução, valores de pico de corrente do analito alvo (proporcional à concentração) e todos os outros valores atuais e potenciais após cada cv executado. Embora o uso de CV seja relativamente fácil, os dados coletados às vezes precisam ser convertidos de arquivos binários para formato de comíma de texto, dependendo do sistema de potencialiostat usado. Por exemplo, no caso do instrumento CH, os dados podem ser salvos nos formatos Text Comma ou CSV diretamente após cada execução. Isso facilita a análise de dados em uma planilha após a conversão de textos em colunas. Após a obtenção das varreduras cv do leite ou amostras padrão dos UA nas mesmas faixas potenciais, elas foram plotadas em um único gráfico para comparação direta. Para apresentar os dados para publicações, os gráficos também podem ser plotados no Origin ou SigmaPlot e, em seguida, exportados como TIF ou os tipos de arquivos gráficos necessários.
Problemas comuns com este método podem ser artefatos no traço CV. Estes podem surgir de erros de conexão elétrica, provavelmente devido aos clipes de conexão (ou seja, clipes que prendem fios a cada eletrodo) que ficaram enferrujados ou devido a microeletrodos de ouro não serem limpos corretamente. O uso de lixa para remover a ferrugem dos clipes ou substituí-los, e relimpear os ciclos de microeletrodo e re-execução cv após inseri-lo na solução H2SO4 pode resolver o problema.
Limpar a microeleroda é um passo importante neste experimento, que pode resultar em um sinal ou ruído de baixa corrente. Limpar a microeletrídroa também é muito importante, pois as bolhas podem se formar quando a microeletrísmo não é muito limpa. Quando os locais dos picos de oxidação e redução do ouro e das alturas máximas obtidas são consistentes e corretos, o eletrodo está pronto para executar a eletropolammerização. Quando as conexões de potencialiostat ou eletrodo estiverem defeituosas, haverá ruído na varredura cv, ou a saída aparecerá como pontos de propagação. Antes de uma corrida, é importante verificar se todas as conexões de eletrodos estão conectadas corretamente, que não há bolha de gás perto da ponta do eletrodo de referência Ag/AgCl, e que os eletrodos não estão tocando na célula eletroquímica. A substituição dos clipes e fios de conexão ou tocar na ponta do eletrodo de referência com um dedo pode ser uma abordagem útil para solucionar problemas.
Durante a formação de um eletrodo PEDOT, como o polímero condutor escolhido, o eletrólito orgânico (LiClO4 em PC) e as aquosas soluções NaClO4 devem ser desgaseadas antes de executar a eletropomerização. É imprescindível o uso de um produto químico EDOT que não tenha expirado ou oxidado ou contaminado por outros produtos químicos de grau analítico. As camadas PEDOT frescas que são formadas todas as vezes na superfície do eletrodo são diferentes em termos de crescimento atual. Se o procedimento for mantido constante e o eletrodo for limpo o suficiente, os ciclos cv de eletropolimerização cresceriam pelo mesmo valor atual a cada vez, confirmando a precisão e consistência do método. Vale ressaltar também que a quantidade do monômero EDOT utilizado na solução orgânica foi 10 vezes maior do que o monômero EDOT na solução aquosa/ACN. Embora isso possa não parecer comparável, foi considerado preferível porque nossos experimentos preliminares mostraram que uma solução aquosa de 0,1 M EDOT não formou uma camada PEDOT estável devido à menor solubilidade em uma solução eletrólito aquosa. Em contraste, a camada PEDOT formada utilizando 0,01 M EDOT em uma solução orgânica não teve crescimento suficiente na superfície do eletrodo em comparação com a solução aquosa 0,1 M EDOT. Assim, foram selecionadas para este estudo as quantidades EDOT utilizadas para eletropolammerização orgânica e aquosa.
Uma das limitações do método CV quando eletrodos nus são usados é a dificuldade de separar picos quando existem agentes interferentes. No entanto, este problema foi resolvido quando pedot foi usado para modificar a superfície do eletrodo. Por exemplo, quando ua era o alvo a ser detectado no leite, ele foi identificado separadamente de seu agente interferente, ácido ascórbico, devido ao papel mediador de redox do PEDOT, levando a um pico mais cedo e bem separado para o ácido ascórbico. Ao mesmo tempo, mesmo com o eletrodo PEDOT, ao analisar o leite aromatizado, pode ser desafiador separar o pico dos UA corretamente dos outros ingredientes que têm potencial de oxidação próximo aos UA, levando a uma fusão de picos.
Para concluir, embora a solução de problemas possa ser necessária intermitentemente, o uso das nanocamadas CV e PEDOT na superfície do eletrodo é vantajoso para detectar analitos de destino, como os UA em soluções padrão e soluções matriciais complexas, como amostras de leite, sem quaisquer pré-tratamentos. Comparado com a técnica de cromatografia líquida de alto desempenho, este método cv é rápido e não precisa de etapas de pré-tratamento demoradas para remover gordura ou proteínas de amostras de leite. Além disso, a PEDOT torna o microeletrodo altamente seletivo e sensível, dando um pico acentuado para análise de UA.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Graças ao financiamento fornecido pelo Ministério de Negócios, Inovação e Emprego da Nova Zelândia (MBIE) dentro do programa "Sensores de Alto Desempenho".
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 |
References
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