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Chemistry

Preparación electroquímica de capas de poli(3,4-etilendioxitiofeno) en microelectrodos de oro para aplicaciones de detección de ácido úrico

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

Describimos sistemas de disolventes acuosos y orgánicos para la electropolimerización de poli(3,4-etilendioxitiofeno) para crear capas delgadas en la superficie de microelectrodos de oro, que se utilizan para detectar analitos de bajo peso molecular.

Abstract

Se describen dos métodos diferentes para la síntesis de poli(3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT) en electrodos de oro, utilizando la electropolimerización del monómero de 3,4-etilendioxitiofeno (EDOT) en una solución acuosa y orgánica. Se utilizó la voltamperometría cíclica (CV) en la síntesis de capas delgadas de PEDOT. El perclorato de litio (LiClO4) se utilizó como dopante en sistemas de disolventes acuosos (acuosos/acetonitrilo (ACN)) y orgánicos (carbonato de propileno (PC)). Después de que se creó la capa PEDOT en el sistema orgánico, la superficie del electrodo se aclimató mediante ciclos sucesivos en una solución acuosa para su uso como sensor para muestras acuosas.

El uso de un método de electropolimerización a base acuosa tiene el beneficio potencial de eliminar el paso de aclimatación para tener un tiempo de preparación del sensor más corto. Aunque el método acuoso es más económico y respetuoso con el medio ambiente que el método de disolvente orgánico, se obtiene una formación superior de PEDOT en la solución orgánica. Las superficies de electrodos PEDOT resultantes se caracterizaron por microscopía electrónica de barrido (SEM), que mostró el crecimiento constante de PEDOT durante la electropolimerización a partir de la solución orgánica de PC, con un rápido crecimiento de tipo fractal en microelectrodos de oro (Au).

Introduction

Los polímeros conductores de electricidad son materiales orgánicos ampliamente utilizados en dispositivos bioelectrónicos para mejorar las interfaces. Al igual que los polímeros convencionales, los polímeros conductores son fáciles de sintetizar y flexibles durante el procesamiento1. Los polímeros conductores se pueden sintetizar utilizando métodos químicos y electroquímicos; sin embargo, los enfoques de síntesis electroquímica son particularmente favorables. Esto se debe principalmente a su capacidad para formar películas delgadas, permitir el dopaje simultáneo, capturar moléculas en el polímero conductor y, lo más importante, la simplicidad del proceso de síntesis1. Además, los polímeros conductores forman nanoestructuras uniformes, fibrosas y llenas de baches, firmemente adheridas a la superficie del electrodo, lo que aumenta el área de superficie activa del electrodo2.

En la década de 1980, se desarrollaron ciertos poliheterociclos, como el polipirrol, la polianilina, el politiofeno y el PEDOT, que mostraron buena conductividad, facilidad de síntesis y estabilidad 3,4. Aunque el polipirrol se entiende mejor que otros polímeros (por ejemplo, derivados del politiofeno), es propenso a la oxidación irreversible5. Así, pedot tiene ciertas ventajas sobre el resto ya que tiene un estado oxidativo mucho más estable y conserva el 89% de su conductividad frente al polipirrol en condiciones similares6. Además, PEDOT es conocido por su alta electroconductividad (~500 S/cm) y una brecha de banda moderada (es decir, las brechas de banda o brechas de energía son regiones sin carga y se refieren a la diferencia de energía entre la parte superior de una banda de valencia y la parte inferior de una banda de conducción)7.

Además, PEDOT tiene propiedades electroquímicas, necesita potenciales más bajos para ser oxidado y es más estable en el tiempo que el polipirrol después de ser sintetizado7. También tiene una buena transparencia óptica, lo que significa que su coeficiente de absorción óptica, especialmente en forma de sulfonato de poliestireno PEDOT (PEDOT-PSS), se encuentra en la región visible del espectro electromagnético a 400-700 nm7. En la formación electroquímica de PEDOT, los monómeros EDOT se oxidan en el electrodo de trabajo para formar cationes radicales, que reaccionan con otros cationes radicales o monómeros para crear cadenas PEDOT que se depositan en la superficie del electrodo1.

Diferentes factores de control están involucrados en la formación electroquímica de las películas de PEDOT, como el electrolito, el tipo de electrolito, la configuración del electrodo, el tiempo de deposición, el tipo de dopante y la temperatura del disolvente1 PeDOT se puede generar electroquímicamente pasando la corriente a través de una solución de electrolito apropiada. Se pueden utilizar diferentes electrolitos como líquidos acuosos (por ejemplo, PEDOT-PSS), orgánicos (por ejemplo, PC, acetonitrilo) e iónicos (por ejemplo, tetrafluoroborato de 1-butil-3-metilimidazolio (BMIMBF4))8.

Una de las ventajas de los recubrimientos PEDOT es que puede disminuir significativamente la impedancia de un electrodo Au en el rango de frecuencia de 1 kHz en dos o tres órdenes de magnitud, lo que hace que sea útil aumentar la sensibilidad de la detección electroquímica directa de la actividad neuronal9. Además, la capacidad de almacenamiento de carga de los electrodos modificados con PEDOT aumenta y da como resultado respuestas potenciales más rápidas y más bajas cuando la carga de estimulación se transfiere a través de PEDOT10. Además, cuando el sulfonato de poliestireno (PSS) se utiliza como dopante para la formación de PEDOT en matrices de microelectrodos Au, crea una superficie rugosa y porosa con una alta área de superficie activa, menor impedancia de interfaz y mayor capacidad de inyección de carga11. Para el paso de electropolimerización, EDOT-PSS generalmente hace una dispersión en un electrolito acuoso.

Sin embargo, EDOT es soluble en cloroformo, acetona, ACN y otros solventes orgánicos como PC. Por lo tanto, en este estudio, se utilizó una mezcla de agua con un pequeño volumen de ACN en una proporción de 10: 1 para hacer una solución EDOT soluble antes de que comience la electropolimerización. El propósito de usar este electrolito acuoso es omitir el paso de aclimatación en la preparación del microelectrodo modificado con PEDOT y acortar los pasos. El otro electrolito orgánico utilizado para comparar con el electrolito acuoso/ACN es el PC. Ambos electrolitos contienen LiClO4 como dopante para ayudar a oxidar el monómero EDOT y formar el polímero PEDOT.

Los microelectrodos son electrodos de trabajo voltamétricos con diámetros más pequeños que los macroelectrodos, aproximadamente decenas de micrómetros o menos de dimensión. Sus ventajas sobre los macroelectrodos incluyen un transporte de masa mejorado desde la solución hacia la superficie del electrodo, generando una señal de estado estacionario, una menor caída de potencial óhmico, una menor capacitancia de doble capa y una mayor relación señal-ruido12. Al igual que todos los electrodos sólidos, los microelectrodos deben acondicionarse antes del análisis. La técnica de pretratamiento o activación adecuada es el pulido mecánico para obtener una superficie lisa, seguido de un paso de acondicionamiento electroquímico o químico, como el ciclo de potencial en un rango particular en un electrolito adecuado13.

CV se utiliza muy comúnmente en la polimerización electroquímica de PEDOT mediante la inserción de electrodos en una solución de monómero que implica un disolvente adecuado y un electrolito dopante. Esta técnica electroquímica es beneficiosa para proporcionar información de dirección, como la reversibilidad de los procesos de dopaje de polímeros conductores y el número de electrones transferidos, los coeficientes de difusión de los analitos y la formación de productos de reacción. Este artículo describe cómo dos electrolitos diferentes utilizados para la electropolimerización de PEDOT pueden generar películas delgadas de nanoestructura con una aplicación de detección potencial que depende de la morfología y otras propiedades intrínsecas.

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Protocol

1. Preparación de soluciones analíticas

  1. Preparación de 0,1 M de EDOT en una solución orgánica
    1. Pesar 0,213 g de LiClO4 y transferirlo a un matraz aforado de 20 ml.
    2. Use un cilindro de medición para tomar 20 ml de PC de la botella.
    3. Agregue PC al matraz aforado de 20 ml que contiene LiClO4. Mezcle la solución colocando el matraz en un baño ultrasónico durante 30 min. Transfiera la solución a un vial de vidrio de 20 ml.
    4. Cubra el vial con papel de aluminio e inserte una aguja larga unida a una tubería de nitrógeno en la solución para desgasificar durante 10 minutos. Luego, retire el papel de aluminio y cubra el vial herméticamente.
      NOTA: Prepare LiClO4 fresco el día del experimento.
    5. Antes de la prueba electroquímica, transfiera 1 ml de la solución preparada de LiClO4 (0,1 M) a una celda electroquímica (consulte la Tabla de materiales).
    6. Utilice una micropipeta (10-100 μL) para añadir 10,68 μL de monómero EDOT (densidad: 1,331 g/mL) a la celda electroquímica que contiene la solución preparada de LiClO4 .
    7. Ejecute el método CV (ver sección 3.4 para parámetros CV) para iniciar la electropolimerización de EDOT en la superficie desnuda del microelectrodo Au después de insertar todas las configuraciones de electrodos en la solución. Utilice este electrodo modificado para caracterizar la superficie mediante microscopía electrónica de barrido (SEM).
    8. Para utilizar este electrodo modificado con fines de detección, primero aclimate su superficie a una solución acuosa mediante la realización de exploraciones CV en la solución de perclorato de sodio (NaClO4) (ver sección 3.4 para parámetros CV).
    9. Utilice este microelectrodo aclimatado y modificado orgánicamente por PEDOT (a partir del punto 1.1.8) para ejecutar CV (ver sección 3.4 para conocer sus parámetros CV) de una solución tampón de fosfato que se utilizará como exploración de fondo.
      NOTA: Enjuague el electrodo después de cada paso.
    10. Por último, extraiga el electrodo de la solución tampón sin enjuagar e insértelo inmediatamente en soluciones de ácido úrico o muestras de leche para realizar exploraciones CV (ver sección 3.4 para parámetros CV).
  2. Preparación de EDOT de 0,01 M en una solución acuosa
    1. Use una micropipeta para tomar 10.68 μL de EDOT y agregue a 1 ml de ACN en un vial de vidrio.
    2. Añadir 9 ml de agua desionizada (18,2 MΩ/cm a 25 °C) al vial para preparar 10 ml de solución de EDOT de 0,01 M.
    3. Añadir 0,11 g de polvo de LiClO4 a la solución EDOT preparada para obtener una solución de LiClO4 de 0,1 M y mezclar suavemente.
      NOTA: Prepare las soluciones de electrolitos recién hechas el día del experimento.
    4. Transfiera la solución preparada a la celda electroquímica e inicie la electropolimerización de 0,01 M de EDOT en la superficie del electrodo por el método CV (ver sección 3.4 para los parámetros CV) después de insertar el electrodo en la solución acuosa/ACN.
    5. Caracterizar la superficie de este electrodo modificado mediante SEM.
  3. Preparación de una solución de perclorato de sodio de 0,1 M
    1. Pesar 0,245 g de NaClO4 y transferirlo a un vial de vidrio que contenga 20 ml de agua desionizada (18,2 MΩ/cm a 25 °C).
    2. Utilice esta solución para aclimatar la superficie del microelectrodo Au modificado por PEDOT de fabricación orgánica a una solución acuosa y para eliminar el exceso de EDOT. Para este propósito, enjuague el electrodo e insértelo en la solución de NaClO4 ; a continuación, ejecute CV durante 10 ciclos (ver sección 3.4 para parámetros de CV).
  4. Preparación de la solución de búfer
    1. Pesar 13,8 g de fosfato de dihidrógeno sódico (NaH2PO4. 1H2O) en un bote de pesaje. Transfiéralo a un matraz aforado de 500 ml (es decir, el volumen final requerido) y cúbralo hasta la línea con agua desionizada (18,2 MΩ/cm a 25 °C).
    2. Coloque el matraz en un baño ultrasónico hasta que el polvo se disuelva completamente en el agua, lo que resulta en una solución de 0,2 M.
    3. En un nuevo bote de pesaje, pesar 17,8 g de fosfato de hidrógeno disódico (Na2HPO4. 2H2O) y transferirlo a otro matraz aforado de 500 ml. Recuéntalo con agua desionizada para obtener una solución de 0,2 M. Coloque el matraz en un baño ultrasónico para disolverlo correctamente.
    4. Mezcle 62,5 ml de solución de fosfato de dihidrógeno sódico con 37,5 ml de solución de fosfato de hidrógeno disódico en un cilindro de medición y transfiera la mezcla a una botella de vidrio de 250 ml (consulte la Tabla de materiales). Recuéntalo con otros 100 mL de agua desionizada para obtener 200 mL de 0,1 M de solución tampón de fosfato, pH 6,6. Refrigere el tampón de fosfato para su uso a largo plazo.
      NOTA: Lleve el búfer a temperatura ambiente antes de cada experimento.
  5. Preparación de soluciones de analitos objetivo
    1. Pesar 0,0084 g de ácido úrico (UA) en un bote de pesaje y disolverlo en 50 ml de tampón de fosfato (pH 6,6) en un matraz aforado para obtener una solución de UA de 1 mM.
    2. Desgasificar la solución mediante purga de nitrógeno durante 10 min.
      NOTA: Es recomendable preparar la solución de UA fresca el día del experimento.
  6. Preparación de muestras de leche para el análisis
    1. Obtenga una muestra de leche entera y algunas muestras de leche con diferentes sabores (por ejemplo, leche espresso, leche con chocolate blanco / caramelo y leche con chocolate belga) de un supermercado local para electroanálisis. No pretrate ni diluya las muestras de leche.
    2. Use una micropipeta de 5 ml para tomar 5 ml de cada muestra de leche de las botellas recién abiertas.
    3. Primero, ejecute CV de tampón de fosfato, pH 6.6, como señal de fondo. Luego, agregue la muestra de leche de 5 ml en la celda electroquímica e inserte microelectrodo Au modificado con PEDOT y otros electrodos recién hechos y orgánicamente en las muestras de leche y ejecute CV. Consulte la sección 4 del protocolo para saber cómo analizar los datos recopilados.
  7. Preparación de soluciones de pretratamiento de electrodos
    1. Pesar 0,2 g de polvo de hidróxido de sodio (NaOH) y transferirlo a un matraz aforado de 50 ml para preparar una solución de 0,1 M.
    2. Utilice la solución de NaOH de 0,1 M para eliminar el residuo de PEDOT formado en la superficie del microelectrodo después de cada tirada.
    3. Use una pipeta de vidrio para extraer 27.2 ml de una botella de ácido sulfúrico al 98% (H2SO4). Añádelo muy lentamente a un matraz aforado de 1 L medio lleno de agua desionizada.
    4. Rellene el matraz hasta la línea con agua desionizada para preparar 1 L de una solución de 0,5 M H2SO4 .
      NOTA: Prepare la solución H2SO4 bajo una campana de humos para mayor seguridad. Utilice la solución H2SO4 en la etapa final de limpieza electroquímica del microelectrodo.

2. Pretratamiento del microelectrodo de oro

  1. Pulir el microelectrodo Au (10 μm de diámetro, 3,5 mm de ancho x 7 cm de largo) en una almohadilla de pulido de alúmina colocada sobre una placa de pulido de vidrio (dimensiones: cuadrados de 3" x 3") utilizando una lechada de alúmina durante 30 s con movimientos manuales circulares y en forma de ocho durante el pulido.
  2. Enjuague el microelectrodo Au con agua desionizada, insértelo en un vial de vidrio que contenga 15 ml de etanol absoluto (grado LR) y ultrasonido durante 2 min.
  3. Enjuague el microelectrodo Au con etanol y agua y vuelva a ultrasonicarlo durante 4 minutos en agua desionizada para eliminar el exceso de alúmina de la superficie del electrodo.
  4. Finalmente, elimine las impurezas adicionales ciclando en 0.5 M H2SO4 para 20 segmentos entre potenciales de 0.4 y 1.6 V (vs. Ag / AgCl) a una velocidad de escaneo de 50 mV / s. Asegúrese de que haya dos picos claros debido a la formación y reducción de óxido de oro a potenciales anódicos y catódicos consistentes cada vez que se limpie el electrodo en H2SO4.

3. Técnica de voltamperometría cíclica

  1. Utilizar un potenciostato adecuado para ejecutar CV como técnica electroquímica de interés.
  2. Encienda el potenciostato y la computadora conectada a él. Asegúrese de que el sistema esté conectado.
  3. Para probar la comunicación entre la computadora y el instrumento, inicie el software y encienda el instrumento. Utilice el comando Prueba de hardware en el menú Configuración . Si aparece un error link failed , compruebe la configuración de conexión y puerto.
  4. Abra el software potenciostato en el equipo y, en el menú Configuración, elija Técnica. En la ventana de apertura, elija la voltamperometría cíclica (CV). Una vez más, vuelva al menú Configuración y haga clic en Parámetros para ingresar los parámetros experimentales para la ejecución del CV.
    1. Utilice los siguientes parámetros CV para ejecutar la electropolimerización PEDOT en un electrolito orgánico en el microelectrodo Au desnudo: potencial inicial: -0.3 V, potencial final: -0.3 V, alto potencial: 1.2 V, número de segmentos: 8, velocidades de escaneo: 100 mV / s, dirección: positivo.
    2. Utilice los siguientes parámetros CV para ejecutar la electropolimerización PEDOT en un electrolito acuoso/ACN en el microelectrodo Au desnudo: potencial inicial: -0.3 V, potencial final: -0.3 V, alto potencial: 1.2 V, número de segmentos: 20, velocidades de escaneo: 100 mV/s, dirección: positivo.
    3. Utilice los siguientes parámetros CV para ejecutar el paso de aclimatación del microelectrodo Au modificado orgánicamente por PEDOT: potencial inicial: -0.2 V, potencial final: -0.2 V, alto potencial: 0.8 V, número de segmentos: 20, velocidades de escaneo: 100 mV / s, dirección: positivo.
    4. Utilice los siguientes parámetros CV para soluciones estándar de UA y tampón de fosfato (pH 6.6) con el microelectrodo Au desnudo: potencial inicial: 0 V, potencial final: 0 V, potencial alto: 1 V, número de segmentos: 2, tasas de escaneo: 100 mV / s y dirección: positivo.
    5. Utilice los siguientes parámetros CV para soluciones estándar de UA y tampón de fosfato (pH 6.6) en el microelectrodo Au modificado orgánicamente y modificado por PEDOT: potencial inicial: 0 V, potencial final: 0 V, alto potencial: 0.6 V, número de segmentos: 2, velocidades de escaneo: 100 mV / s y dirección: positiva.
    6. Utilice los siguientes parámetros CV para las muestras de leche y el tampón de fosfato (pH 6.6) en el microelectrodo Au modificado orgánicamente, modificado con PEDOT: potencial inicial: 0 V, potencial final: 0 V, alto potencial: 0.8 V, número de segmentos: 2, tasas de escaneo: 100 mV / s, dirección: positivo.
  5. Prepare tres configuraciones de electrodos en una celda electroquímica de vidrio, incluido un electrodo de trabajo (microelectrodo Au (diámetro de 10 μm)), un electrodo de referencia (por ejemplo, cloruro de plata / plata (Ag / AgCl) en cloruro de sodio de 3 M (NaCl) y un electrodo de contador de alambre de platino.
  6. Pase estos electrodos limpios y secos a través de los orificios de un soporte de electrodo conectado a un soporte. Luego, coloque el soporte sobre la celda electroquímica para insertar los electrodos en la solución o muestra objetivo.
  7. Asegúrese de que no haya burbujas en las superficies de los electrodos.
    1. Si hay burbujas, retire los electrodos, enjuague con agua desionizada nuevamente y seque con un pañuelo desechable. Coloque los electrodos de nuevo en el soporte del soporte y en la solución.
    2. Si hay burbujas alrededor del electrodo de referencia, toque la punta suavemente.
    3. Si hay burbujas alrededor del contraelectrodo después de que comience a funcionar, limpie el contraelectrodo. Si el escaneo CV se vuelve ruidoso, limpie la superficie del electrodo y verifique las conexiones, los cables y los clips del sistema.
  8. Asegúrese de que las tres conexiones de cable para electrodos de referencia, de trabajo y de contador estén conectadas correctamente y, a continuación, inicie el experimento haciendo clic en Ejecutar en la parte inferior.
  9. Ejecute todos los experimentos a temperatura ambiente. Para muestras de leche, deje que la temperatura de las muestras de leche alcance la temperatura ambiente antes de ejecutar CV.

4. Recopilación y análisis de datos

  1. Después de ejecutar CV, guarde los datos en el formato deseado (CSV o Bin) en una carpeta y, a continuación, utilice una memoria USB para recopilarlos. Analice los datos utilizando el software adecuado. Convierta archivos CSV a hojas de cálculo para facilitar el análisis.
    NOTA: Si los datos se guardan en el formato de un archivo binario, conviértalos al formato de coma de texto antes de la recopilación de datos en una memoria USB.
  2. Para analizar el CV de las muestras de leche, reste el CV de la leche del CV de fondo (es decir, CV del tampón de fosfato (pH 6.6) tomado antes de ejecutar cada muestra de leche) para producir curvas debido a la oxidación del perfil de la leche.

5. Técnicas para caracterizar PEDOT

  1. Utilice un tipo específico de SEM de alto rendimiento para caracterizar las capas PEDOT hechas en diferentes electrolitos.
    NOTA: Aquí, se utilizó FEI Quanta 200 ESEM FEG; está equipado con una pistola de emisión de campo Schottky (FEG) para una mejor resolución espacial. Este instrumento proporciona diferentes modos de trabajo, como los modos SEM de alto vacío, bajo vacío y ambiental, y está equipado con un detector SiLi (Litio a la deriva) Super Ultra-Thin Window EDS.
  2. Compruebe la morfología superficial de los microelectrodos Au (PEDOT-Au) desnudos y modificados por PEDOT mediante SEM después de la electropolimerización de PEDOT en soluciones orgánicas y acuosas. Realizar la electropolimerización PEDOT en microelectrodos Au desnudos en soluciones acuosas/ACN y orgánicas inmediatamente antes de verificarlos por SEM.
  3. Coloque los electrodos recién preparados (un microelectrodo Au desnudo y dos de los microelectrodos PEDOT-Au) en el escenario SEM horizontalmente, con su cabeza sobre el escenario en un cierto ángulo.

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Representative Results

La voltamperometría cíclica es una técnica fácil para formar una capa delgada de PEDOT en una superficie de microelectrodo Au para aumentar la conductividad y la sensibilidad del electrodo durante la detección electroquímica de analitos objetivo. Este protocolo demuestra el método de electropolimerización de 0,1 M de EDOT a partir de una solución orgánica en comparación con 0,01 M de EDOT de una solución acuosa de electrolitos. La ejecución de 10 ciclos en solución acuosa/ACN da como resultado un crecimiento moderado de PEDOT comparable al observado con los 4 ciclos en solución LiClO4/PC. La Figura 1 muestra una clara diferencia entre EDOT electropolimerizado en soluciones acuosas/ACN y orgánicas, con las capas PEDOT posteriores formadas mediante la aplicación de CV. Es evidente que al ciclar de -0.3 a +1.2 V (vs. Ag/AgCl en 3 M NaCl) a una velocidad de escaneo de 100 mV/s, el polímero comenzó a oxidarse a 0.9 V en ambas soluciones electrolíticas (Figura 1A y Figura 1C), con un pico de oxidación visto a 1 V en la solución acuosa/ACN.

Tras una inspección más cercana, las capas de PEDOT fabricadas en la solución orgánica después de 4 ciclos muestran valores de corriente más altos (~ 2.9 μA) a 1.2 V en comparación con el valor de corriente (0.23 μA) visto para las capas de PEDOT formadas en este potencial en la solución acuosa / ACN. Cuando el número de ciclos de electropolimerización aumenta durante las ejecuciones CV, las nuevas capas de PEDOT se hacen gradualmente en la superficie del electrodo para aumentar el grosor de las capas. Esto podría deberse a las reacciones redox que ocurren en el PEDOT interno entre el rango potencial de 0 a 0.7 V (Figura 1B y Figura 1D). La Figura 1B y la Figura 1D representan un rango de potencial más estrecho para mostrar el crecimiento de PEDOT correctamente. Los valores de densidad de corriente en el lado derecho de cada gráfico se calcularon dividiendo los valores de corriente en el lado izquierdo del gráfico por el área de superficie geométrica del microelectrodo Au no modificado (78,5 × 10-8 cm2, r = 5 × 10-4 cm).

Se realizó un análisis SEM para confirmar la eficiencia de la formación de capas PEDOT por electropolimerización en las dos soluciones electrolíticas (Figura 2A-F). Las imágenes tomadas por SEM fueron elegidas a diferentes aumentos (4000x, 30000x y 60000x). El área de superficie geométrica de los microelectrodos desnudos y PEDOT-Au se puede establecer utilizando estas imágenes. La Figura 2A confirma un diámetro de ~10 μm para el microelectrodo de oro desnudo; por lo tanto, el área de superficie se calcula en ~ 78.5 × 10-8 cm2. El diámetro de la nanoestructura PEDOT formada en la solución orgánica después de 4 ciclos en la superficie del microelectrodo Au fue de ~40 μm (Figura 2C,D). Por el contrario, el crecimiento de PEDOT en la superficie del electrodo fue menor después de 10 ciclos de electropolimerización. Se ve como características poliméricas montañosas en la circunferencia del electrodo con una depresión en el centro (Figura 2E, F).

Las imágenes SEM proporcionan evidencia de la superioridad del crecimiento de PEDOT en la solución orgánica en comparación con el sistema acuoso / ACN y la creación de una nanoestructura muy porosa que se extiende desde el microelectrodo en forma de coliflor. Este microelectrodo PEDOT preparado en una solución orgánica se utilizó para aplicaciones de detección, particularmente para la detección de UA en soluciones estándar y muestras de leche. La Figura 3 muestra el CV para la detección de UA en una solución estándar en un microelectrodo Au desnudo y el sensor PEDOT. El rendimiento del microelectrodo Au desnudo para la detección de UA se caracteriza por corrientes de estado estacionario obtenidas a potenciales superiores a 0,8 V debido a la difusión radial de UA a la superficie del electrodo (Figura 3A). Se trazó una curva de calibración lineal basada en las corrientes promedio a 0,8 V para el rango de concentración de UA de 62,5 a 1000 μM después de tres ejecuciones CV replicadas (Figura 3B).

Al comparar la pendiente de las ecuaciones de la curva de calibración, se encontró que el microelectrodo PEDOT tenía una sensibilidad 100 veces mayor que el microelectrodo desnudo. Curiosamente, el rango de UA detectado utilizando el sensor PEDOT hecho en una solución orgánica fue menor, de 6,25 a 200 μM, calculado midiendo el valor de corriente en la punta del pico anódico agudo (Figura 3C, D). Los datos de la curva de calibración para el electrodo PEDOT se utilizaron para medir el límite de detección (LOD) y el límite de cuantificación (LOQ) del UA para el electrodo modificado. La pendiente de la ecuación de la curva de calibración (b) y el error estándar evaluado de la intersección (s) se utilizaron para medir los valores LOD y LOQ (nivel de confianza del 95%)-7 μM y 24 μM14, respectivamente- mediante el uso de ecuaciones (1) y (2).

LOD= 3s/b (1)

LOQ= 10s/b (2)

La sensibilidad del sensor modificado por PEDOT de fabricación orgánica es un factor importante. Esto se calcula dividiendo la pendiente de la curva de calibración por el área de superficie geométrica del electrodo de trabajo, que es de 397 μA μM-1 cm-2.

Otra aplicación del sensor PEDOT sintetizado en la solución orgánica fue analizar el contenido de UA en muestras reales, por ejemplo, leche fresca regular y muestras de leche saborizada seleccionadas (Figura 4). La ventaja de esta técnica es que los niveles de AU en muestras de leche se pueden medir sin ningún tratamiento previo o dilución. El rendimiento de este sensor de microelectrodo PEDOT-Au se comparó con el macroelectrodo de carbono vítreo modificado por PEDOT (PEDOT-GC) preparado por el mismo método en la solución orgánica15. La corriente máxima anódica para UA en leche regular a 0.35 V (vs. Ag/AgCl) usando el microelectrodo PEDOT fue de ~28.4 nA, lo que equivale a 82.7 μM usando la ecuación de la curva de calibración en la Figura 3D (y = 0.3x + 2.6, R2 = 0.993). Este valor fue de ~83,4 μM para UA en la leche regular determinada utilizando el PEDOT-GC15. El segundo gran pico de oxidación en la exploración CV de la leche regular a 0,65 V (Figura 4A) está relacionado con compuestos oxidables, incluidos aminoácidos electroactivos como la cisteína, el triptófano y la tirosina15,16. La densidad actual de este pico de la leche regular es más de 200 veces mayor que la obtenida utilizando un PEDOT-GC15 previamente informado. Esto muestra una respuesta más sensible del microelectrodo cubierto por las capas PEDOT en comparación con el macroelectrodo modificado por PEDOT.

Las exploraciones CV obtenidas para muestras de leche con caramelo y chocolate blanco se pueden ver en la Figura 4A. Muestra un pico claro a 0.36 V para UA, junto con una corriente pico adicional de ~ 42 nA a 0.56 V que se fusiona con el pico a 0.66 V. Este pico adicional a 0,56 V puede estar relacionado con la presencia de ácido vaílico, uno de los ingredientes de la leche saborizada. El CV de la muestra belga de leche con chocolate indica un nuevo conjunto de picos anódicos a 0,26 V, 0,36 V y 0,66 V y un pico catódico a 0,22 V. El perfil de chocolate se asemeja al perfil redox de catequina junto con los otros antioxidantes polifenólicos presentes en el chocolate o el cacao15. Así, los picos de oxidación y reducción de catequinas aparecen a 0,26 V y 0,22 V, respectivamente. La corriente máxima de 0,36 V, que aparece como un pico agudo en la cola del pico de catequina, se debe a la oxidación de UA. La Figura 4B muestra un CV de muestra de leche espresso colombiana, que exhibe amplias corrientes máximas anódicas y catódicas a 0.35 V y 0.23 V, respectivamente, en el PEDOT-Au, que se deben a los principales antioxidantes fenólicos en el café, a saber, los ácidos clorogénico y cafeico. Debido a que el área de superficie geométrica del microelectrodo PEDOT es mayor que la del macroelectrodo PEDOT, las densidades actuales de los picos de UA en estas muestras de leche son ~ 150 a 500 veces mayores en el PEDOT-Au15.

Figure 1
Figura 1: Electropolimerización de PEDOT en un microelectrodo de oro. PEDOT preparado por (A, B) escaneos de 10 CV en solución acuosa (0.01 M EDOT en 1 mL ACN + 9 mL de agua desionizada + 0.1 M LiClO4); y (C, D) utilizando 4 CV en una solución de electrolito orgánico (0,1 M EDOT en 1 mL de 0,1 M LiClO4/PC). B y D son versiones expandidas de A y C para visualizar claramente las corrientes PEDOT. Velocidad de escaneo = 100 mV/s. Esta cifra ha sido modificada de15. Abreviaturas: PEDOT = poli(3,4-etilendioxitiofeno); CV = voltamperometría cíclica; EDOT = 3,4-etilendioxitiofeno; ACN = acetonitrilo; LiClO4 = perclorato de litio; Ag = plata; AgCl = cloruro de plata. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Imágenes SEM. (A y B) Microelectrodo de oro desnudo (Au). Microelectrodos de oro modificados con PEDOT preparados en solución orgánica (C y D) después de 4 ciclos de electropolimerización y solución acuosa (E y F) después de 10 ciclos de electropolimerización a diferentes aumentos. Esta cifra ha sido modificada de15. Abreviaturas: SEM = microscopía electrónica de barrido; PEDOT = poli(3,4-etilendioxitiofeno). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Voltammogramas cíclicos para diferentes concentraciones de UA en tampón de fosfato, pH 6.6. (A) Microelectrodo de oro desnudo (fondo restado) y (C) microelectrodo de oro modificado con PEDOT (fondo restado), mediciones tomadas inmediatamente después de insertar el electrodo en la solución a una velocidad de escaneo de 100 mV / s. (B) Gráfica de corriente limitante a 0.8 V versus concentración de UA en el microelectrodo de oro desnudo. (D) Diagrama de la corriente máxima anódica (Ip.a/μA) versus concentración de UA en el microelectrodo de oro modificado por PEDOT. (n=3). Esta cifra ha sido modificada de15. Abreviaturas: UA = ácido úrico; PEDOT = poli(3,4-etilendioxitiofeno). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Voltammogramas cíclicos (fondo restado). (A) Leche regular, leche con chocolate belga, caramelo y leche con chocolate blanco, y (B) leche regular y leche espresso colombiana en un microelectrodo de oro modificado con PEDOT (10 μm de diámetro) a 100 mV/s. Esta cifra ha sido modificada de15. Abreviatura: PEDOT = poli(3,4-etilendioxitiofeno). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

El método CV permite la medición rápida y sencilla de diferentes analitos en alimentos, vino y bebidas, extractos de plantas e incluso muestras biológicas. Esta técnica produce una amplia variedad de datos, incluidos los potenciales máximos de oxidación / reducción, los valores de corriente máxima del analito objetivo (proporcionales a la concentración) y todos los demás valores actuales y potenciales después de cada ejecución CV. Aunque el uso de CV es relativamente fácil, los datos recopilados a veces deben convertirse de archivos binarios a formato de coma de texto, dependiendo del sistema de potenciostato utilizado. Por ejemplo, en el caso del instrumento CH, los datos se pueden guardar en formatos de coma de texto o CSV directamente después de cada ejecución. Esto facilita el análisis de datos en una hoja de cálculo después de convertir textos en columnas. Después de que se obtuvieron las exploraciones CV de las muestras estándar de leche o UA en los mismos rangos de potencial, se trazaron en un solo gráfico para su comparación directa. Para presentar los datos para las publicaciones, los gráficos también se pueden trazar en Origin o SigmaPlot y luego exportarse como TIF o los tipos de archivo gráfico requeridos.

Los problemas comunes con este método pueden ser artefactos en el seguimiento del CV. Estos pueden surgir de errores de conexión eléctrica, probablemente debido a los clips de conexión (es decir, clips que conectan cables a cada electrodo) que se han oxidado o debido a que los microelectrodos de oro no se limpian correctamente. El uso de papel de lija para eliminar el óxido de los clips o reemplazarlos, y volver a limpiar el microelectrodo y volver a ejecutar los ciclos CV después de insertarlo en la solución H2SO4 puede resolver el problema.

La limpieza del microelectrodo es un paso importante en este experimento, que de lo contrario puede resultar en una señal o ruido de baja corriente. La limpieza del microelectrodo también es muy importante, ya que se pueden formar burbujas cuando el microelectrodo no está muy limpio. Cuando las ubicaciones de los picos de oxidación y reducción de oro y las alturas de pico obtenidas son consistentes y correctas, el electrodo está listo para ejecutar la electropolimerización. Cuando las conexiones de potenciostato o electrodo están defectuosas, habrá ruido en el escaneo CV, o la salida aparecerá como puntos extendidos. Antes de una carrera, es importante verificar que todas las conexiones de los electrodos estén conectadas correctamente, que no haya burbujas de gas cerca de la punta del electrodo de referencia Ag / AgCl y que los electrodos no se toquen en la celda electroquímica. El reemplazo de los clips y los cables de conexión o tocar la punta del electrodo de referencia con un dedo puede ser un enfoque útil para la solución de problemas.

Durante la formación de un electrodo PEDOT, como polímero conductor elegido, el electrolito orgánico (LiClO4 en PC) y las soluciones acuosas de NaClO4 deben desgasificarse antes de ejecutar la electropolimerización. Es imperativo utilizar un producto químico EDOT que no haya caducado u oxidado o contaminado por otros productos químicos de grado analítico. Las capas frescas de PEDOT que se forman cada vez en la superficie del electrodo son diferentes en términos de crecimiento de corriente. Si el procedimiento se mantiene constante y el electrodo se limpia lo suficiente, los ciclos CV de electropolimerización crecerían en el mismo valor de corriente cada vez, confirmando la precisión y consistencia del método. También vale la pena señalar que la cantidad del monómero EDOT utilizado en la solución orgánica fue 10 veces mayor que el monómero EDOT en la solución acuosa / ACN. Aunque esto puede parecer no comparable, se consideró preferible porque nuestros experimentos preliminares mostraron que una solución acuosa de EDOT de 0,1 M no formaba una capa estable de PEDOT debido a la menor solubilidad en una solución de electrolito acuoso. Por el contrario, la capa de PEDOT formada con 0,01 M de EDOT en una solución orgánica no tuvo suficiente crecimiento en la superficie del electrodo en comparación con la solución acuosa de 0,1 M de EDOT. Por lo tanto, las cantidades de EDOT utilizadas para la electropolimerización orgánica y acuosa fueron seleccionadas para este estudio.

Una de las limitaciones del método CV cuando se utilizan electrodos desnudos es la dificultad para separar los picos cuando existen agentes interferentes. Sin embargo, este problema se resolvió cuando se utilizó PEDOT para modificar la superficie del electrodo. Por ejemplo, cuando la AU fue el analito objetivo que se detectó en la leche, se identificó por separado de su agente interferente, el ácido ascórbico, debido al papel mediador redox de PEDOT, lo que llevó a un pico más temprano y bien separado para el ácido ascórbico. Al mismo tiempo, incluso con el electrodo PEDOT, al analizar la leche saborizada, puede ser difícil separar el pico de UA adecuadamente de los otros ingredientes que tienen potenciales de oxidación cercanos a UA, lo que lleva a una fusión de picos.

Para concluir, aunque la solución de problemas puede ser necesaria de forma intermitente, el uso de las nanocapas CV y PEDOT en la superficie del electrodo es ventajoso para detectar analitos objetivo como ua en soluciones estándar y soluciones de matriz compleja, como muestras de leche, sin ningún tratamiento previo. En comparación con la técnica de cromatografía líquida de alto rendimiento, este método CV es rápido y no necesita pasos de pretratamiento que consumen mucho tiempo para eliminar la grasa o las proteínas de las muestras de leche. Además, PEDOT hace que el microelectrodo sea altamente selectivo y sensible, dando un pico agudo para el análisis de UA.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Gracias a la financiación proporcionada por el Ministerio de Negocios, Innovación y Empleo de Nueva Zelanda (MBIE) dentro del programa "Sensores de Alto Rendimiento".

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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Química Número 173 Poli(3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT) voltamperometría cíclica perclorato de litio microelectrodo de oro carbonato de propileno microscopía electrónica de barrido leche saborizada electrodeposición
Preparación electroquímica de capas de poli(3,4-etilendioxitiofeno) en microelectrodos de oro para aplicaciones de detección de ácido úrico
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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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