Summary
Descriviamo sistemi a solvente acquoso e organico per l'elettropolimerizzazione del poli(3,4-etilendiaossitiofene) per creare strati sottili sulla superficie dei microelettrodi d'oro, che vengono utilizzati per rilevare analiti a basso peso molecolare.
Abstract
Sono descritti due diversi metodi per la sintesi di poli(3,4-etilenediossitiofene) (PEDOT) su elettrodi d'oro, utilizzando l'elettropolimerizzazione del monomero 3,4-etilendiossitiofene (EDOT) in una soluzione acquosa e una organica. La voltammetria ciclica (CV) è stata utilizzata nella sintesi di strati sottili PEDOT. Il perclorato di litio (LiClO4) è stato utilizzato come drogante in entrambi i sistemi a solvente acquoso (acquoso/acetonitrile (ACN)) e organico (carbonato di propilene (PC)). Dopo che lo strato PEDOT è stato creato nel sistema organico, la superficie dell'elettrodo è stata acclimatata da cicli successivi in una soluzione acquosa per l'uso come sensore per campioni acquosi.
L'uso di un metodo di elettropolimerizzazione a base acquosa ha il potenziale vantaggio di rimuovere la fase di acclimatazione per avere un tempo di preparazione del sensore più breve. Sebbene il metodo acquoso sia più economico e rispettoso dell'ambiente rispetto al metodo del solvente organico, nella soluzione organica si ottiene una formazione superiore di PEDOT. Le superfici degli elettrodi PEDOT risultanti sono state caratterizzate dalla microscopia elettronica a scansione (SEM), che ha mostrato la crescita costante di PEDOT durante l'elettropolimerizzazione dalla soluzione organica di PC, con una rapida crescita di tipo frattale su microelettrodi d'oro (Au).
Introduction
I polimeri elettricamente conduttori sono materiali organici ampiamente utilizzati nei dispositivi bioelettronici per migliorare le interfacce. Simile ai polimeri convenzionali, i polimeri conduttori sono facili da sintetizzare e sono flessibili durante la lavorazione1. I polimeri conduttori possono essere sintetizzati utilizzando metodi chimici ed elettrochimici; tuttavia, gli approcci di sintesi elettrochimica sono particolarmente favorevoli. Ciò è dovuto principalmente alla loro capacità di formare film sottili, consentire il doping simultaneo, catturare molecole nel polimero conduttore e, soprattutto, la semplicità del processo di sintesi1. Inoltre, i polimeri conduttori formano nanostrutture uniformi, fibrose e irregolari, saldamente aderenti alla superficie dell'elettrodo, che aumentano la superficie attiva dell'elettrodo2.
Nel 1980, alcuni polieterocicli, come polipirrolo, polianilina, politiofene e PEDOT, sono stati sviluppati che hanno mostrato una buona conduttività, facilità di sintesi e stabilità 3,4. Sebbene il polipirrolo sia meglio compreso rispetto ad altri polimeri (ad esempio, derivati del politiofene), è soggetto a ossidazione irreversibile5. Pertanto, PEDOT ha alcuni vantaggi rispetto al resto in quanto ha uno stato ossidativo molto più stabile e mantiene l'89% della sua conduttività rispetto al polipirrolo in condizioni simili6. Inoltre, PEDOT è noto per l'elevata elettroconduttività (~ 500 S / cm) e un gap di banda moderato (cioè, band gap o gap energetici sono regioni senza carica e si riferiscono alla differenza di energia tra la parte superiore di una banda di valenza e la parte inferiore di una banda di conduzione)7.
Inoltre, il PEDOT ha proprietà elettrochimiche, ha bisogno di potenziali inferiori per essere ossidato ed è più stabile nel tempo rispetto al polipirrolo dopo essere stato sintetizzato7. Ha anche una buona trasparenza ottica, il che significa che il suo coefficiente di assorbimento ottico, specialmente sotto forma di PEDOT-polistirene solfonato (PEDOT-PSS), è nella regione visibile dello spettro elettromagnetico a 400-700 nm7. Nella formazione elettrochimica di PEDOT, i monomeri EDOT si ossidano all'elettrodo di lavoro per formare cationi radicalici, che reagiscono con altri cationi radicali o monomeri per creare catene PEDOT che si depositano sulla superficie dell'elettrodo1.
Diversi fattori di controllo sono coinvolti nella formazione elettrochimica dei film PEDOT, come elettrolita, tipo elettrolitico, configurazione dell'elettrodo, tempo di deposizione, tipo di dopante e temperatura del solvente1 PEDOT può essere generato elettrochimicamente facendo passare la corrente attraverso una soluzione elettrolitica appropriata. Diversi elettroliti come liquidi acquosi (ad esempio, PEDOT-PSS), organici (ad esempio, PC, acetonitrile) e liquidi ionici (ad esempio, 1-butil-3-metilimidazolio tetrafluoroborato (BMIMBF4)) possono essere utilizzati8.
Uno dei vantaggi dei rivestimenti PEDOT è che può ridurre significativamente l'impedenza di un elettrodo Au nella gamma di frequenza 1 kHz di due o tre ordini di grandezza, il che rende utile aumentare la sensibilità del rilevamento elettrochimico diretto dell'attività neurale9. Inoltre, la capacità di accumulo di carica degli elettrodi modificati in PEDOT aumenta e si traduce in risposte potenziali più rapide e più basse quando la carica di stimolazione viene trasferita attraverso PEDOT10. Inoltre, quando il polistirene solfonato (PSS) viene utilizzato come drogante per la formazione di PEDOT su array di microelettrodi Au, crea una superficie ruvida e porosa con un'elevata superficie attiva, un'impedenza di interfaccia inferiore e una maggiore capacità di iniezione di carica11. Per la fase di elettropolimerizzazione, EDOT-PSS di solito fa una dispersione in un elettrolita acquoso.
Tuttavia, EDOT è solubile in cloroformio, acetone, ACN e altri solventi organici come PC. Pertanto, in questo studio, è stata utilizzata una miscela di acqua con un piccolo volume di ACN in un rapporto 10: 1 per produrre una soluzione EDOT solubile prima dell'inizio dell'elettropolimerizzazione. Lo scopo dell'utilizzo di questo elettrolita acquoso è quello di omettere la fase di acclimatazione nella preparazione del microelettrodo modificato da PEDOT e abbreviare i passaggi. L'altro elettrolita organico utilizzato per confrontare con l'elettrolita acquoso / ACN è PC. Entrambi gli elettroliti contengono LiClO4 come drogante per aiutare a ossidare il monomero EDOT e formare il polimero PEDOT.
I microelettrodi sono elettrodi di lavoro voltammetrici con diametri inferiori rispetto ai macroelettrodi, di dimensioni pari o inferiori a decine di micrometri. I loro vantaggi rispetto ai macroelettrodi includono un maggiore trasporto di massa dalla soluzione verso la superficie dell'elettrodo, la generazione di un segnale allo stato stazionario, una minore caduta di potenziale ohmico, una capacità a doppio strato inferiore e un rapporto segnale-rumore aumentato12. Simile a tutti gli elettrodi solidi, i microelettrodi devono essere condizionati prima dell'analisi. La tecnica di pretrattamento o attivazione appropriata è la lucidatura meccanica per ottenere una superficie liscia, seguita da una fase di condizionamento elettrochimico o chimico, come il potenziale ciclo su un particolare intervallo in un elettrolitaadatto 13.
CV è molto comunemente usato nella polimerizzazione elettrochimica di PEDOT inserendo elettrodi in una soluzione monomerica che coinvolge un solvente adatto ed elettrolita dopante. Questa tecnica elettrochimica è utile nel fornire informazioni di direzione come la reversibilità dei processi di drogaggio dei polimeri e il numero di elettroni trasferiti, i coefficienti di diffusione degli analiti e la formazione di prodotti di reazione. Questo articolo descrive come due diversi elettroliti utilizzati per l'elettropolimerizzazione di PEDOT possono generare sottili film di nanostruttura con una potenziale applicazione di rilevamento che dipende dalla morfologia e da altre proprietà intrinseche.
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Protocol
1. Preparazione di soluzioni analitiche
- Preparazione di 0,1 M EDOT in soluzione organica
- Pesare 0,213 g di LiClO4 e trasferirlo in un matraccio tarato da 20 ml.
- Utilizzare un cilindro di misurazione per prelevare 20 ml di PC dalla bottiglia.
- Aggiungere PC al matraccio tarato da 20 ml contenente LiClO4. Mescolare la soluzione mettendo il pallone in un bagno ad ultrasuoni per 30 minuti. Trasferire la soluzione in un flaconcino di vetro da 20 ml.
- Coprire il flaconcino con un foglio di alluminio e inserire un lungo ago attaccato a un tubo di azoto nella soluzione di degassamento per 10 minuti. Quindi, rimuovere il foglio di alluminio e tappare saldamente il flaconcino.
NOTA: Preparare LiClO4 fresco il giorno dell'esperimento. - Prima del test elettrochimico, trasferire 1 mL della soluzione di LiClO4 preparata (0,1 M) in una cella elettrochimica (vedere la Tabella dei materiali).
- Utilizzare una micropipetta (10-100 μL) per aggiungere 10,68 μL di monomero EDOT (densità: 1,331 g/mL) alla cella elettrochimica contenente la soluzione di LiClO4 preparata.
- Eseguire il metodo CV (vedere paragrafo 3.4 per i parametri CV) per avviare l'elettropolimerizzazione di EDOT sulla superficie del microelettrodo Au nuda dopo aver inserito tutte le configurazioni degli elettrodi nella soluzione. Utilizzare questo elettrodo modificato per caratterizzare la superficie mediante microscopia elettronica a scansione (SEM).
- Per utilizzare questo elettrodo modificato a scopo di rilevamento, prima acclimatare la sua superficie a una soluzione acquosa eseguendo scansioni CV nella soluzione di perclorato di sodio (NaClO4) (vedere paragrafo 3.4 per i parametri CV).
- Utilizzare questo microelettrodo organicamente modificato e acclimatato con PEDOT (da 1.1.8) per eseguire CV (vedere paragrafo 3.4 per i parametri CV) di una soluzione tampone fosfato da utilizzare come scansione in background.
NOTA: Risciacquare l'elettrodo dopo ogni passaggio. - Infine, estrarre l'elettrodo dalla soluzione tampone senza risciacquo e inserirlo immediatamente in soluzioni di acido urico o campioni di latte per l'esecuzione di scansioni CV (vedere paragrafo 3.4 per i parametri CV).
- Preparazione di 0,01 M EDOT in soluzione acquosa
- Utilizzare una micropipetta per prelevare 10,68 μL di EDOT e aggiungere a 1 mL di ACN in un flaconcino di vetro.
- Aggiungere 9 mL di acqua deionizzata (18,2 MΩ/cm a 25 °C) al flaconcino per preparare 10 mL di soluzione EDOT da 0,01 M.
- Aggiungere 0,11 g di polvere di LiClO4 alla soluzione EDOT preparata per ottenere una soluzione di LiClO4 da 0,1 M e mescolare delicatamente.
NOTA: Preparare le soluzioni elettrolitiche appena il giorno dell'esperimento. - Trasferire la soluzione preparata alla cella elettrochimica e avviare l'elettropolimerizzazione di 0,01 M EDOT sulla superficie dell'elettrodo con il metodo CV (vedere paragrafo 3.4 per i parametri CV) dopo aver inserito l'elettrodo nella soluzione acquosa/ACN.
- Caratterizzare la superficie di questo elettrodo modificato da SEM.
- Preparazione della soluzione di perclorato di sodio 0,1 M
- Pesare 0,245 g di NaClO4 e trasferirlo in un flaconcino di vetro contenente 20 mL di acqua deionizzata (18,2 MΩ/cm a 25 °C).
- Utilizzare questa soluzione per acclimatare la superficie del microelettrodo Au modificato PEDOT prodotto organicamente in una soluzione acquosa e per rimuovere l'eccesso di EDOT. A tale scopo, risciacquare l'elettrodo e inserirlo nella soluzione NaClO4 ; quindi eseguire CV per 10 cicli (vedere la sezione 3.4 per i parametri CV).
- Preparazione della soluzione buffer
- Pesare 13,8 g di sodio diidrogeno fosfato (NaH2PO4. 1H2O) in una barca pesata. Trasferirlo in un matraccio tarato da 500 ml (cioè il volume finale richiesto) e rabboccarlo fino alla linea con acqua deionizzata (18,2 MΩ/cm a 25 °C).
- Posizionare il matraccio in un bagno ad ultrasuoni fino a quando la polvere si dissolve completamente nell'acqua, ottenendo una soluzione di 0,2 M.
- In una nuova barca pesata, pesare 17,8 g di idrogeno fosfato disodico (Na2HPO4. 2H2O) e trasferirlo in un altro pallone volumetrico da 500 ml. Riempirlo con acqua deionizzata per ottenere una soluzione da 0,2 M. Posizionare il pallone in un bagno ad ultrasuoni per dissolvere correttamente.
- Mescolare 62,5 mL di soluzione di sodio diidrogeno fosfato con 37,5 mL di soluzione di idrogeno fosfato disodico in un cilindro dosatore e trasferire la miscela in una bottiglia di vetro da 250 mL (vedere la Tabella dei materiali). Riempirlo con altri 100 mL di acqua deionizzata per ottenere 200 mL di 0,1 M di soluzione tampone fosfato, pH 6,6. Conservare in frigorifero il tampone fosfato per un uso a lungo termine.
NOTA: portare il buffer a temperatura ambiente prima di ogni esperimento.
- Preparazione di soluzioni di analiti target
- Pesare 0,0084 g di acido urico (UA) in una barca pesata e scioglierlo in 50 ml di tampone fosfato (pH 6,6) in un matraccio volumetrico per ottenere una soluzione UA da 1 mM.
- Degassare la soluzione mediante spurgo dell'azoto per 10 min.
NOTA: Si consiglia di preparare la soluzione UA fresca il giorno dell'esperimento.
- Preparazione di campioni di latte per l'analisi
- Ottenere un campione di latte intero e alcuni campioni di latte con gusti diversi (ad esempio, latte espresso, latte caramello / cioccolato bianco e latte al cioccolato belga) da un supermercato locale per l'elettroanalisi. Non pretrattare o diluire i campioni di latte.
- Utilizzare una micropipetta da 5 ml per prelevare 5 mL di ciascun campione di latte dalle bottiglie appena aperte.
- Innanzitutto, esegui CV di tampone fosfato, pH 6,6, come segnale di fondo. Quindi, aggiungere il campione di latte da 5 ml nella cella elettrochimica e inserire il microelettrodo Au modificato con PEDOT e altri elettrodi appena e organici nei campioni di latte ed eseguire CV. Vedere la sezione 4 del protocollo per informazioni su come analizzare i dati raccolti.
- Preparazione di soluzioni di pretrattamento degli elettrodi
- Pesare 0,2 g di idrossido di sodio (NaOH) in polvere e trasferirlo in un matraccio tarato da 50 mL per preparare una soluzione da 0,1 M.
- Utilizzare la soluzione naOH da 0,1 M per rimuovere il residuo di PEDOT formato sulla superficie del microelettrodo dopo ogni corsa.
- Utilizzare una pipetta di vetro per prelevare 27,2 ml da una bottiglia di acido solforico al 98% (H2SO4). Aggiungerlo molto lentamente a un matraccio tarato da 1 L mezzo pieno di acqua deionizzata.
- Riempire il matraccio fino alla linea con acqua deionizzata per preparare 1 L di una soluzione di 0,5 M H2SO4 .
NOTA: Preparare la soluzione H2SO4 sotto una cappa aspirante per sicurezza. Utilizzare la soluzione H2SO4 nella fase finale di pulizia elettrochimica del microelettrodo.
2. Pretrattamento del microelettrodo d'oro
- Lucidare il microelettrodo Au (diametro 10 μm, larghezza 3,5 mm x lunghezza 7 cm) su un tampone lucidante in allumina posto su una lastra di lucidatura del vetro (dimensioni: 3" x 3" quadrati) utilizzando un impasto di allumina per 30 s con movimenti circolari e a otto forme della mano durante la lucidatura.
- Risciacquare il microelettrodo Au con acqua deionizzata, inserirlo in una fiala di vetro contenente 15 ml di etanolo assoluto (grado LR) e ultrasuoni per 2 minuti.
- Risciacquare il microelettrodo Au con etanolo e acqua e nuovamente ultrasonicarlo per 4 minuti in acqua deionizzata per rimuovere l'allumina in eccesso dalla superficie dell'elettrodo.
- Infine, rimuovere ulteriori impurità ciclicando in 0,5 M H2SO4 per 20 segmenti tra potenziali da 0,4 e 1,6 V (rispetto ad Ag/AgCl) a una velocità di scansione di 50 mV/s. Assicurarsi che ci siano due picchi chiari dovuti alla formazione e alla riduzione dell'ossido d'oro a potenziali anodici e catodici coerenti ogni volta che l'elettrodo viene pulito in H2SO4.
3. Tecnica di voltammetria ciclica
- Utilizzare un potenziostato adatto per eseguire CV come tecnica elettrochimica di interesse.
- Accendere il potenziostato e il computer ad esso collegato. Assicurarsi che il sistema sia connesso.
- Per testare la comunicazione tra il computer e lo strumento, avviare il software e accendere lo strumento. Utilizzare il comando Test hardware nel menu Configurazione . Se viene visualizzato un errore Collegamento non riuscito , controllare le impostazioni di connessione e porta.
- Aprire il software del potenziostato sul computer e nel menu Impostazioni scegliere Tecnica. Dalla finestra di apertura, scegli la voltammetria ciclica (CV). Ancora una volta, torna al menu Impostazioni e fai clic su Parametri per inserire i parametri sperimentali per l'esecuzione del CV.
- Utilizzare i seguenti parametri CV per eseguire l'elettropolimerizzazione PEDOT in un elettrolita organico sul microelettrodo Au nudo: potenziale iniziale: -0,3 V, potenziale finale: -0,3 V, alto potenziale: 1,2 V, numero di segmenti: 8, velocità di scansione: 100 mV / s, direzione: positivo.
- Utilizzare i seguenti parametri CV per eseguire l'elettropolimerizzazione PEDOT in un elettrolita acquoso/ACN sul microelettrodo Au nudo: potenziale iniziale: -0,3 V, potenziale finale: -0,3 V, alto potenziale: 1,2 V, numero di segmenti: 20, velocità di scansione: 100 mV/s, direzione: positiva.
- Utilizzare i seguenti parametri CV per eseguire la fase di acclimatazione del microelettrodo Au modificato PEDOT organicamente: potenziale iniziale: -0,2 V, potenziale finale: -0,2 V, alto potenziale: 0,8 V, numero di segmenti: 20, velocità di scansione: 100 mV / s, direzione: positivo.
- Utilizzare i seguenti parametri CV per soluzioni standard UA e tampone fosfato (pH 6,6) con il microelettrodo Au nudo: potenziale iniziale: 0 V, potenziale finale: 0 V, alto potenziale: 1 V, numero di segmenti: 2, velocità di scansione: 100 mV/s e direzione: positiva.
- Utilizzare i seguenti parametri CV per le soluzioni standard UA e il tampone fosfato (pH 6,6) sul microelettrodo Au prodotto biologicamente, modificato da PEDOT: potenziale iniziale: 0 V, potenziale finale: 0 V, alto potenziale: 0,6 V, numero di segmenti: 2, velocità di scansione: 100 mV / s e direzione: positivo.
- Utilizzare i seguenti parametri CV per i campioni di latte e il tampone fosfato (pH 6,6) sul microelettrodo Au prodotto biologicamente, modificato da PEDOT: potenziale iniziale: 0 V, potenziale finale: 0 V, alto potenziale: 0,8 V, numero di segmenti: 2, velocità di scansione: 100 mV/s, direzione: positivo.
- Preparare tre configurazioni di elettrodi in una cella elettrochimica di vetro tra cui un elettrodo di lavoro (microelettrodo Au (diametro 10 μm)), un elettrodo di riferimento (ad esempio, cloruro d'argento / argento (Ag / AgCl) in cloruro di sodio 3 M (NaCl) e un elettrodo contatore di filo di platino.
- Passare questi elettrodi puliti e asciutti attraverso i fori di un supporto per elettrodi collegato a un supporto. Quindi, posizionare il supporto sopra la cella elettrochimica per inserire gli elettrodi nella soluzione o nel campione di destinazione.
- Assicurarsi che non vi siano bolle sulle superfici dell'elettrodo.
- Se ci sono bolle, rimuovere gli elettrodi, risciacquare nuovamente con acqua deionizzata e asciugare con un fazzoletto. Riposizionare gli elettrodi nel supporto del supporto e nella soluzione.
- Se ci sono bolle intorno all'elettrodo di riferimento, toccare delicatamente la punta.
- Se ci sono bolle intorno al controelettrodo dopo che inizia a funzionare, pulire il controelettrodo. Se la scansione CV diventa rumorosa, pulire la superficie dell'elettrodo e controllare le connessioni, i fili e le clip del sistema.
- Assicurarsi che tutte e tre le connessioni dei fili per gli elettrodi di riferimento, di lavoro e di controelettrodi siano collegate correttamente, quindi avviare l'esperimento facendo clic su Esegui in basso.
- Esegui tutti gli esperimenti a temperatura ambiente. Per i campioni di latte, lasciare che la temperatura dei campioni di latte raggiunga la temperatura ambiente prima di eseguire CV.
4. Raccolta e analisi dei dati
- Dopo aver eseguito CV, salvare i dati nel formato desiderato (CSV o Bin) in una cartella, quindi utilizzare una chiavetta USB per raccoglierli. Analizzare i dati utilizzando un software appropriato. Converti i file CSV in fogli di calcolo per un'analisi più semplice.
NOTA: se i dati vengono salvati nel formato di un file binario, convertirli nel formato virgola di testo prima della raccolta dei dati in una chiavetta USB. - Per analizzare il CV dei campioni di latte, sottrarre il CV del latte dal CV di fondo (cioè CV del tampone fosfato (pH 6,6) prelevato prima di eseguire ciascun campione di latte) per produrre curve dovute all'ossidazione del profilo del latte.
5. Tecniche per caratterizzare PEDOT
- Utilizzare un tipo specifico di SEM ad alte prestazioni per caratterizzare gli strati PEDOT realizzati in diversi elettroliti.
NOTA: Qui è stato utilizzato FEI Quanta 200 ESEM FEG; è dotato di una pistola a emissione di campo Schottky (FEG) per una migliore risoluzione spaziale. Questo strumento fornisce diverse modalità di lavoro come alto vuoto, basso vuoto e modalità SEM ambientali ed è dotato di un rilevatore EDS a finestra super ultrasottile SiLi (lithium drifted). - Controllare la morfologia superficiale dei microelettrodi Au (PEDOT-Au) sia nudi che modificati da PEDOT mediante SEM dopo elettropolimerizzazione PEDOT in soluzioni organiche e acquose. Eseguire l'elettropolimerizzazione PEDOT su microelettrodi Au nudi in soluzioni acquose/ACN e organiche immediatamente prima di controllarli tramite SEM.
- Posizionare gli elettrodi appena preparati (un microelettrodo Au nudo e due dei microelettrodi PEDOT-Au) sullo stadio SEM orizzontalmente, con la testa sopra lo stadio ad una certa angolazione.
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Representative Results
La voltammetria ciclica è una tecnica semplice per formare un sottile strato di PEDOT su una superficie microelettroda Au per aumentare la conduttività e la sensibilità dell'elettrodo durante il rilevamento elettrochimico degli analiti bersaglio. Questo protocollo dimostra il metodo di elettropolimerizzazione di 0,1 M EDOT da una soluzione organica rispetto a 0,01 M EDOT da una soluzione elettrolitica acquosa. L'esecuzione di 10 cicli in soluzione acquosa/ACN si traduce in una crescita moderata di PEDOT paragonabile a quella osservata con i 4 cicli nella soluzione LiClO4/PC. La Figura 1 mostra una netta differenza tra EDOT elettropolimerizzato in soluzioni acquose/ACN e organiche, con i successivi strati di PEDOT formati applicando CV. È evidente che passando da -0,3 a +1,2 V (vs. Ag/AgCl in 3 M NaCl) a una velocità di scansione di 100 mV/s, il polimero ha iniziato a ossidarsi a 0,9 V in entrambe le soluzioni elettrolitiche (Figura 1A e Figura 1C), con un picco di ossidazione osservato a 1 V nella soluzione acquosa/ACN.
A un esame più attento, gli strati di PEDOT prodotti nella soluzione organica dopo 4 cicli mostrano valori di corrente più elevati (~ 2,9 μA) a 1,2 V rispetto al valore corrente (0,23 μA) visto per gli strati di PEDOT formati a questo potenziale nella soluzione acquosa / ACN. Quando il numero di cicli di elettropolimerizzazione aumenta durante le corse CV, i nuovi strati di PEDOT vengono realizzati gradualmente sulla superficie dell'elettrodo per aumentare lo spessore degli strati. Ciò potrebbe essere dovuto alle reazioni redox che si verificano nel PEDOT interno tra l'intervallo di potenziale da 0 a 0,7 V (Figura 1B e Figura 1D). La Figura 1B e la Figura 1D illustrano un intervallo di potenziale più ristretto per mostrare correttamente la crescita del PEDOT. I valori di densità corrente sul lato destro di ciascun grafico sono stati calcolati dividendo i valori correnti sul lato sinistro del grafico per l'area geometrica della superficie del microelettrodo Au non modificato (78,5 × 10-8 cm2, r = 5 × 10-4 cm).
L'analisi SEM è stata eseguita per confermare l'efficienza della formazione dello strato di PEDOT mediante elettropolimerizzazione nelle due soluzioni elettrolitiche (Figura 2A-F). Le immagini scattate da SEM sono state scelte a diversi ingrandimenti (4000x, 30000x e 60000x). La superficie geometrica dei microelettrodi nudi e PEDOT-Au può essere stabilita utilizzando queste immagini. La Figura 2A conferma un diametro di ~10 μm per il microelettrodo in oro nudo; quindi, la superficie è calcolata per essere ~ 78,5 × 10-8 cm2. Il diametro della nanostruttura PEDOT formata nella soluzione organica dopo 4 cicli sulla superficie del microelettrodo Au era di ~ 40 μm (Figura 2C, D). Al contrario, la crescita del PEDOT sulla superficie dell'elettrodo era inferiore dopo 10 cicli di elettropolimerizzazione. È visto come caratteristiche polimeriche montuose sulla circonferenza dell'elettrodo con una depressione al centro (Figura 2E, F).
Le immagini SEM forniscono la prova della superiorità della crescita peDOT nella soluzione organica rispetto al sistema acquoso/ACN e la creazione di una nanostruttura molto porosa che si estende dal microelettrodo in una forma simile al cavolfiore. Questo microelettrodo PEDOT preparato in una soluzione organica è stato utilizzato per applicazioni di rilevamento, in particolare per il rilevamento di UA in soluzioni standard e campioni di latte. La Figura 3 mostra il CV per il rilevamento di UA in una soluzione standard in un microelettrodo Au nudo e il sensore PEDOT. Le prestazioni del microelettrodo Au nudo per il rilevamento UA sono caratterizzate da correnti allo stato stazionario ottenute a potenziali superiori a 0,8 V grazie alla diffusione radiale di UA sulla superficie dell'elettrodo (Figura 3A). È stata tracciata una curva di calibrazione lineare basata sulle correnti medie a 0,8 V per l'intervallo di concentrazione UA da 62,5 a 1000 μM dopo tre cicli CV replicati (Figura 3B).
Confrontando la pendenza delle equazioni della curva di calibrazione, il microelettrodo PEDOT ha una sensibilità 100 volte superiore rispetto al microelettrodo nudo. È interessante notare che l'intervallo UA rilevato utilizzando il sensore PEDOT realizzato in una soluzione organica era inferiore, da 6,25 a 200 μM, calcolato misurando il valore di corrente sulla punta del picco anodico acuto (Figura 3C, D). I dati della curva di calibrazione per l'elettrodo PEDOT sono stati utilizzati per misurare il limite di rilevamento (LOD) e il limite di quantificazione (LOQ) dell'UA per l'elettrodo modificato. La pendenza dell'equazione della curva di calibrazione (b) e l'errore standard valutato dell'intercetta (s) sono stati utilizzati per misurare i valori LOD e LOQ (livello di confidenza al 95%) -7 μM e24 μM 14, rispettivamente, utilizzando equazioni (1) e (2).
LOD= 3s/b (1)
LOQ= 10s/b (2)
La sensibilità del sensore modificato PEDOT prodotto organicamente è un fattore importante. Questo viene calcolato dividendo la pendenza della curva di calibrazione per la superficie geometrica dell'elettrodo di lavoro, che è 397 μA μM-1 cm-2.
Un'altra applicazione del sensore PEDOT sintetizzato nella soluzione organica è stata quella di analizzare il contenuto di UA in campioni reali, ad esempio latte fresco normale e campioni di latte aromatizzato selezionati (Figura 4). Il vantaggio di questa tecnica è che i livelli di UA nei campioni di latte possono essere misurati senza alcun pretrattamento o diluizione. Le prestazioni di questo sensore microelettrodo PEDOT-Au sono state confrontate con il macroelettrodo di carbonio vetroso modificato PEDOT (PEDOT-GC) preparato con lo stesso metodo nella soluzione organica15. La corrente di picco anodica per UA nel latte normale a 0,35 V (rispetto ad Ag/AgCl) utilizzando il microelettrodo PEDOT era di ~ 28,4 nA, che equivale a 82,7 μM usando l'equazione della curva di calibrazione in Figura 3D (y = 0,3x + 2,6, R2 = 0,993). Questo valore era ~ 83,4 μM per UA nel latte normale determinato utilizzando il PEDOT-GC15. Il secondo grande picco di ossidazione nella scansione CV del latte normale a 0,65 V (Figura 4A) è correlato a composti ossidabili, inclusi aminoacidi elettroattivi come cisteina, triptofano e tirosina15,16. La densità attuale di questo picco dal latte normale è oltre 200 volte maggiore di quella ottenuta utilizzando un PEDOT-GC15 precedentemente riportato. Ciò mostra una risposta più sensibile del microelettrodo coperto da strati PEDOT rispetto al macroelettrodo modificato da PEDOT.
Le scansioni CV ottenute per i campioni di latte al caramello e cioccolato bianco possono essere viste nella Figura 4A. Mostra un picco chiaro a 0,36 V per UA, insieme a una corrente di picco aggiuntiva di ~ 42 nA a 0,56 V che viene fusa con il picco a 0,66 V. Questo picco aggiuntivo a 0,56 V può essere correlato alla presenza di acido vanillico, uno degli ingredienti del latte aromatizzato. Il CV del campione belga di latte al cioccolato indica una nuova serie di picchi anodici a 0,26 V, 0,36 V e 0,66 V e un picco catodico a 0,22 V. Il profilo del cioccolato ricorda il profilo redox della catechina insieme agli altri antiossidanti polifenolici presenti nel cioccolato o nel cacao15. Pertanto, i picchi di ossidazione e riduzione della catechina appaiono rispettivamente a 0,26 V e 0,22 V. La corrente di picco di 0,36 V, che appare come un picco acuto alla coda del picco di catechina, è dovuta all'ossidazione UA. La figura 4B mostra un CV di campione di latte espresso colombiano, che presenta ampie correnti di picco anodiche e catodiche a 0,35 V e 0,23 V, rispettivamente, al PEDOT-Au, che sono dovute ai principali antiossidanti fenolici nel caffè, vale a dire gli acidi clorogenico e caffeico. Poiché la superficie geometrica del microelettrodo PEDOT è superiore a quella del macroelettrodo PEDOT, le densità attuali dei picchi UA in questi campioni di latte sono ~ 150-500 volte più grandi al PEDOT-Au15.
Figura 1: Elettropolimerizzazione di PEDOT su un microelettrodo d'oro. PEDOT preparato da (A, B) 10 CV scansioni in soluzione acquosa (0,01 M EDOT in 1 mL ACN + 9 mL acqua deionizzata + 0,1 M LiClO4); e (C, D) utilizzando scansioni a 4 CV in una soluzione elettrolitica organica (0,1 M EDOT in 1 mL di 0,1 M LiClO4/PC). B e D sono versioni espanse di A e C per visualizzare chiaramente le correnti PEDOT. Velocità di scansione = 100 mV/s. Questa cifra è stata modificata da15. Abbreviazioni: PEDOT = poly(3,4-ethylenedioxythiophene); CV = voltammetria ciclica; EDOT = 3,4-etilendiossitiofene; ACN = acetonitrile; LiClO4 = perclorato di litio; Ag = argento; AgCl = cloruro d'argento. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Immagini SEM. (A e B) Microelettrodo in oro nudo (Au). Microelettrodi d'oro modificati peDOT preparati in soluzione organica (C e D) dopo 4 cicli di elettropolimerizzazione e (E e F) soluzione acquosa dopo 10 cicli di elettropolimerizzazione a diversi ingrandimenti. Questa cifra è stata modificata da15. Abbreviazioni: SEM = microscopia elettronica a scansione; PEDOT = poli(3,4-etilendiossitiofene). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Voltammogrammi ciclici per diverse concentrazioni di UA in tampone fosfato, pH 6.6. (A) Microelettrodo in oro nudo (sottratto di fondo) e (C) microelettrodo d'oro modificato in PEDOT (sottratto di fondo), misurazioni effettuate immediatamente dopo aver inserito l'elettrodo nella soluzione ad una velocità di scansione di 100 mV/s. (B) Grafico della corrente limite a 0,8 V rispetto alla concentrazione di UA sul microelettrodo in oro nudo. (D) Grafico della corrente di picco anodica (Ip.a/μA) rispetto alla concentrazione di UA sul microelettrodo d'oro modificato peDOT. (n=3). Questa cifra è stata modificata da15. Abbreviazioni: UA = acido urico; PEDOT = poli(3,4-etilendiossitiofene). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Voltammogrammi ciclici (sottratti allo sfondo). (A) Latte normale, latte al cioccolato belga, caramello e latte al cioccolato bianco e (B) latte normale e latte espresso colombiano su un microelettrodo d'oro modificato PEDOT (diametro 10 μm) a 100 mV/s. Questa cifra è stata modificata da15. Abbreviazione: PEDOT = poly(3,4-ethylenedioxythiophene). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Il metodo CV consente la misurazione rapida e semplice di diversi analiti in alimenti, vino e bevande, estratti vegetali e persino campioni biologici. Questa tecnica produce un'ampia varietà di dati, inclusi i potenziali di picco di ossidazione / riduzione, i valori di corrente di picco dell'analita bersaglio (proporzionale alla concentrazione) e tutti gli altri valori attuali e potenziali dopo ogni esecuzione CV. Sebbene l'utilizzo del CV sia relativamente semplice, i dati raccolti a volte devono essere convertiti da file binari in formato virgola di testo, a seconda del sistema potenziostato utilizzato. Ad esempio, nel caso dello strumento CH, i dati possono essere salvati nei formati Text Comma o CSV direttamente dopo ogni esecuzione. Ciò semplifica l'analisi dei dati in un foglio di calcolo dopo la conversione dei testi in colonne. Dopo che le scansioni CV del latte o dei campioni standard UA sono state ottenute negli stessi intervalli di potenziale, sono state tracciate su un singolo grafico per il confronto diretto. Per presentare i dati per le pubblicazioni, i grafici possono anche essere tracciati in Origin o SigmaPlot e quindi esportati come TIF o i tipi di file grafici richiesti.
I problemi comuni con questo metodo possono essere artefatti nella traccia CV. Questi possono derivare da errori di connessione elettrica, probabilmente dovuti alle clip di connessione (ad esempio, clip che attaccano fili a ciascun elettrodo) che si sono arrugginiti o a causa di microelettrodi d'oro che non vengono puliti correttamente. L'uso della carta vetrata per rimuovere la ruggine dalle clip o la loro sostituzione, la pulizia del microelettrodo e la ripetizione dei cicli CV dopo averlo inserito nella soluzione H2SO4 possono risolvere il problema.
La pulizia del microelettrodo è un passo importante in questo esperimento, che può altrimenti provocare un segnale o un rumore a bassa corrente. Anche la pulizia del microelettrodo è molto importante in quanto possono formarsi bolle quando il microelettrodo non è molto pulito. Quando le posizioni dei picchi di ossidazione e riduzione dell'oro e le altezze di picco ottenute sono coerenti e corrette, l'elettrodo è pronto per eseguire l'elettropolimerizzazione. Quando le connessioni del potenziostato o dell'elettrodo sono difettose, ci sarà rumore nella scansione CV o l'uscita apparirà come punti di diffusione. Prima di una corsa, è importante ricontrollare che tutte le connessioni degli elettrodi siano collegate correttamente, che non vi sia alcuna bolla di gas vicino alla punta dell'elettrodo di riferimento Ag/AgCl e che gli elettrodi non si tocchino nella cella elettrochimica. La sostituzione delle clip e dei fili di collegamento o la pressione della punta dell'elettrodo di riferimento con un dito può essere un utile approccio per la risoluzione dei problemi.
Durante la formazione di un elettrodo PEDOT, come polimero conduttore scelto, l'elettrolita organico (LiClO4 in PC) e le soluzioni acquose di NaClO4 devono essere degassati prima di eseguire l'elettropolimerizzazione. È imperativo utilizzare una sostanza chimica EDOT che non è scaduta o ossidata o è stata contaminata da altre sostanze chimiche di grado analitico. Gli strati di PEDOT freschi che si formano ogni volta sulla superficie dell'elettrodo sono diversi in termini di crescita corrente. Se la procedura viene mantenuta costante e l'elettrodo viene pulito a sufficienza, i cicli CV di elettropolimerizzazione crescerebbero ogni volta dello stesso valore di corrente, confermando l'accuratezza e la coerenza del metodo. Vale anche la pena notare che la quantità di monomero EDOT utilizzata nella soluzione organica era 10 volte superiore al monomero EDOT nella soluzione acquosa/ ACN. Anche se questo può sembrare non paragonabile, è stato considerato preferibile perché i nostri esperimenti preliminari hanno dimostrato che una soluzione acquosa di EDOT da 0,1 M non formava uno strato di PEDOT stabile a causa della minore solubilità in una soluzione elettrolitica acquosa. Al contrario, lo strato di PEDOT formato utilizzando 0,01 M EDOT in una soluzione organica non ha avuto una crescita sufficiente sulla superficie dell'elettrodo rispetto alla soluzione acquosa di 0,1 M EDOT. Quindi, quelle quantità di EDOT utilizzate per l'elettropolimerizzazione organica e acquosa sono state selezionate per questo studio.
Uno dei limiti del metodo CV quando vengono utilizzati elettrodi nudi è la difficoltà di separare i picchi quando esistono agenti interferenti. Tuttavia, questo problema è stato risolto quando PEDOT è stato utilizzato per modificare la superficie dell'elettrodo. Ad esempio, quando l'UA era l'analita bersaglio da rilevare nel latte, è stato identificato separatamente dal suo agente interferente, l'acido ascorbico, a causa del ruolo di mediazione redox del PEDOT, portando a un picco precedente e ben separato per l'acido ascorbico. Allo stesso tempo, anche con l'elettrodo PEDOT, quando si analizza il latte aromatizzato, può essere difficile separare correttamente il picco UA dagli altri ingredienti che hanno un potenziale di ossidazione vicino a UA, portando a una fusione di picchi.
Per concludere, sebbene la risoluzione dei problemi possa essere richiesta a intermittenza, l'uso dei nanostrati CV e PEDOT sulla superficie dell'elettrodo è vantaggioso per rilevare analiti bersaglio come UA in soluzioni standard e soluzioni a matrice complessa, come campioni di latte, senza alcun pretrattamento. Rispetto alla tecnica di cromatografia liquida ad alte prestazioni, questo metodo CV è veloce e non richiede lunghe fasi di pretrattamento per rimuovere grassi o proteine dai campioni di latte. Inoltre, PEDOT rende il microelettrodo altamente selettivo e sensibile, dando un picco acuto per l'analisi UA.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Grazie al finanziamento fornito dal Ministero neozelandese delle imprese, dell'innovazione e dell'occupazione (MBIE) nell'ambito del programma "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 |
References
- Guimard, N. K., Gomez, N., Schmidt, C. E.
- Cui, X., Martin, D. C. Electrochemical deposition and characterization of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) on neural microelectrode arrays. Sensors and Actuators B: Chemical. 89 (1), 92-102 (2003).
- Hong, S. Y., Marynick, D. S. Understanding the conformational stability and electronic structures of modified polymers based on polythiophene. Macromolecules. 25 (18), 4652-4657 (1992).
- Kundu, K., Giri, D. Evolution of the electronic structure of cyclic polythiophene upon bipolaron doping. Journal of Chemical Physics. 105 (24), 11075-11080 (1996).
- Thomas, C. A., Zong, K., Schottland, P., Reynolds, J. R. Poly(3,4-alkylenedioxypyrrole)s as highly stable aqueous-compatible conducting polymers with biomedical implications. Advanced Materials. 12 (3), 222-225 (2000).
- Yamato, H., Ohwa, M., Wernet, W. Stability of polypyrrole and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) for biosensor application. Journal of Electroanalytical Chemistry. 397 (1-2), 163-170 (1995).
- Latonen, R. -M., et al. Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) based enzyme-electrode configuration for enhanced direct electron transfer type biocatalysis of oxygen reduction. Electrochimica Acta. 68, 25-31 (2012).
- Liu, K., Xue, R., Hu, Z., Zhang, J., Zhu, J. J. Electrochemical synthesis of acetonitrile-soluble poly(3,4-ethylenedioxythiophene) in ionic liquids and its characterizations. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 9 (4), 2364-2367 (2009).
- Cui, X., Martin, D. C. Fuzzy gold electrodes for lowering impedance and improving adhesion with electrodeposited conducting polymer films. Sensors and Actuators A: Physical. 103 (3), 384-394 (2003).
- Wilks, S. J., Richardson-Burn, S. M., Hendricks, J. L., Martin, D., Otto, K. J. Poly(3,4-ethylene dioxythiophene) (PEDOT) as a micro-neural interface material for electrostimulation. Frontiers in Neuroengineering. 2, 7 (2009).
- Pranti, A. S., Schander, A., Bödecker, A., Lang, W. Highly stable PEDOT:PSS coating on gold microelectrodes with improved charge injection capacity for chronic neural stimulation. Proceedings. 1 (4), 492 (2017).
- Štulík, K., Amatore, C., Holub, K., Marecek, V., Kutner, W. Microelectrodes: Definitions, characterization, and applications (Technical report). Pure and Applied Chemistry. 72 (8), 1483-1492 (2000).
- Štulík, K.
- Motshakeri, M., Travas-Sejdic, J., Phillips, A. R. J., Kilmartin, P. A. Rapid electroanalysis of uric acid and ascorbic acid using a poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-modified sensor with application to milk. Electrochimica Acta. 265, 184-193 (2018).
- Motshakeri, M., Phillips, A. R. J., Travas-Sejdic, J., Kilmartin, P. A. Electrochemical study of gold microelectrodes modified with PEDOT to quantify uric acid in milk samples. Electroanalysis. 32 (9), 2101-2111 (2020).
- Motshakeri, M., Phillips, A. R. J., Kilmartin, P. A. Application of cyclic voltammetry to analyse uric acid and reducing agents in commercial milks. Food Chemistry. 293, 23-31 (2019).
