Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Elektrokemisk beredning av poly(3,4-etylendioxitiofen) skikt på guldmikroelektroder för urinsyraavkänningsapplikationer

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

Vi beskriver vattenhaltiga och organiska lösningsmedelssystem för elektropolymerisation av poly(3,4-etylendioxitiofen) för att skapa tunna skikt på ytan av guldmikroelektroder, som används för att känna av analyter med låg molekylvikt.

Abstract

Två olika metoder för syntes av poly(3,4-etylendioxitiofen) (PEDOT) på guldelektroder beskrivs, med användning av elektropolymerisation av 3,4-etylendioxitiofen (EDOT)-monomer i en vattenhaltig och en organisk lösning. Cyklisk voltametri (CV) användes vid syntesen av PEDOT tunna lager. Litiumperklorat (LiClO4) användes som dopningsmedel i både vattenhaltiga (vattenhaltiga/acetonitril (ACN)) och organiska (propylenkarbonat (PC)) lösningsmedelssystem. Efter att PEDOT-skiktet skapades i det organiska systemet acklimatiserades elektrodytan genom successiv cykling i en vattenlösning för användning som sensor för vattenhaltiga prover.

Användningen av en vattenbaserad elektropolymerisationsmetod har den potentiella fördelen att acklimatiseringssteget tas bort för att få en kortare sensorberedningstid. Även om vattenhaltig metod är mer ekonomisk och miljövänlig än den organiska lösningsmedelsmetoden, erhålls överlägsen PEDOT-bildning i den organiska lösningen. De resulterande PEDOT-elektrodytorna kännetecknades av svepelektronmikroskopi (SEM), som visade den konstanta tillväxten av PEDOT under elektropolymerisation från den organiska PC-lösningen, med snabb fraktal-typtillväxt på guld (Au) mikroelektroder.

Introduction

Elektriskt ledande polymerer är organiska material som ofta används i bioelektroniska enheter för att förbättra gränssnitten. I likhet med konventionella polymerer är ledande polymerer lätta att syntetisera och är flexibla under bearbetning1. Ledande polymerer kan syntetiseras med användning av kemiska och elektrokemiska metoder; emellertid är elektrokemiska syntesmetoder särskilt gynnsamma. Detta beror främst på deras förmåga att bilda tunna filmer, tillåta samtidig dopning, fånga molekyler i den ledande polymeren, och viktigast av allt, enkelheten i syntesprocessen1. Dessutom bildar ledande polymerer enhetliga, fibrösa och ojämna nanostrukturer, fast vidhäftande mot elektrodytan, vilket ökar elektrodens aktiva yta2.

På 1980-talet utvecklades vissa polyheterocykler, såsom polypyrrol, polyanilin, polytiofen och PEDOT, som visade god ledningsförmåga, enkel syntes och stabilitet 3,4. Även om polypyrrol förstås bättre än andra polymerer (t.ex. polytiofenderivat), är den benägen för irreversibel oxidation5. Således har PEDOT vissa fördelar jämfört med resten eftersom det har ett mycket stabilare oxidativt tillstånd och behåller 89% av dess ledningsförmåga jämfört med polypyrrol under liknande förhållanden6. Dessutom är PEDOT känt för hög elektroledningsförmåga (~ 500 S / cm) och ett måttligt bandgap (dvs. bandgap eller energigap är regioner utan laddning och hänvisar till energiskillnaden mellan toppen av ett valensband och botten av ett ledningsband)7.

Dessutom har PEDOT elektrokemiska egenskaper, behöver lägre potentialer för att oxideras och är stabilare över tid än polypyrrol efter att ha syntetiserats7. Den har också god optisk transparens, vilket innebär att dess optiska absorptionskoefficient, särskilt i form av PEDOT-polystyrensulfonat (PEDOT-PSS), ligger i det synliga området för det elektromagnetiska spektrumet vid 400-700 nm7. Vid bildandet av PEDOT elektrokemiskt oxiderar EDOT-monomerer vid arbetselektroden för att bilda radikala katjoner, som reagerar med andra radikala katjoner eller monomerer för att skapa PEDOT-kedjor som deponeras på elektrodytan1.

Olika styrande faktorer är involverade i den elektrokemiska bildningen av PEDOT-filmer, såsom elektrolyt, elektrolyttyp, elektrodinställning, deponeringstid, dopningstyp och lösningsmedelstemperatur1 PEDOT kan genereras elektrokemiskt genom att leda ström genom en lämplig elektrolytlösning. Olika elektrolyter såsom vattenhaltiga (t.ex. PEDOT-PSS), organiska (t.ex. PC, acetonitril) och joniska vätskor (t.ex. 1-butyl-3-metylimidazoliumtetrafluorborat (BMIMBF4)) kan användas8.

En av fördelarna med PEDOT-beläggningar är att det avsevärt kan minska impedansen hos en Au-elektrod i frekvensområdet 1 kHz med två eller tre storleksordningar, vilket gör det till hjälp att öka känsligheten för direkt elektrokemisk detektion av neural aktivitet9. Dessutom ökar laddningslagringskapaciteten hos de PEDOT-modifierade elektroderna och resulterar i snabbare och lägre potentiella svar när stimuleringsladdning överförs via PEDOT10. Dessutom, när polystyrensulfonat (PSS) används som dopmedel för PEDOT-bildning på Au-mikroelektrodmatriser, skapar det en grov, porös yta med en hög aktiv yta, lägre gränssnittsimpedans och högre laddningsinjektionskapacitet11. För elektropolymerisationssteget gör EDOT-PSS vanligtvis en dispersion i en vattenhaltig elektrolyt.

EDOT är emellertid lösligt i kloroform, aceton, ACN och andra organiska lösningsmedel såsom PC. Därför användes i denna studie en blandning av vatten med en liten volym ACN i ett förhållande 10: 1 för att göra en löslig EDOT-lösning innan elektropolymerisationen startar. Syftet med att använda denna vattenhaltiga elektrolyt är att utelämna acklimatiseringssteget vid framställning av PEDOT-modifierad mikroelektrod och förkorta stegen. Den andra organiska elektrolyten som används för att jämföra med vattenhaltig / ACN-elektrolyt är PC. Båda elektrolyterna innehåller LiClO4 som dopmedel för att hjälpa till att oxidera EDOT-monomeren och bilda PEDOT-polymeren.

Mikroelektroder är voltammetriska arbetselektroder med mindre diametrar än makroelektroder, ungefär tiotals mikrometer eller mindre i dimension. Deras fördelar jämfört med makroelektroder inkluderar förbättrad masstransport från lösningen mot elektrodytan, vilket genererar en steady-state-signal, ett lägre ohmiskt potentialfall, en lägre dubbelskiktskapacitans och ett ökat signal-brusförhållande12. I likhet med alla fasta elektroder måste mikroelektroder konditioneras före analys. Lämplig förbehandlings- eller aktiveringsteknik är mekanisk polering för att erhålla en slät yta, följt av ett elektrokemiskt eller kemiskt konditioneringssteg, såsom potentiell cykling över ett visst område i en lämplig elektrolyt13.

CV används mycket ofta vid elektrokemisk polymerisation av PEDOT genom att sätta in elektroder i en monomerlösning som involverar ett lämpligt lösningsmedel och dopantelektrolyt. Denna elektrokemiska teknik är fördelaktig för att tillhandahålla riktningsinformation såsom reversibiliteten hos att genomföra polymerdopningsprocesser och antalet överförda elektroner, diffusionskoefficienter för analyter och bildandet av reaktionsprodukter. Detta dokument beskriver hur två olika elektrolyter som används för elektropolymerisation av PEDOT kan generera tunna nanostrukturfilmer med en potentiell avkänningsapplikation som beror på morfologin och andra inneboende egenskaper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Förbereda analytiska lösningar

  1. Framställning av 0,1 M EDOT i en organisk lösning
    1. Väg ut 0,213 g LiClO4 och överför den till en 20 ml volymetrisk kolv.
    2. Använd en mätcylinder för att ta 20 ml PC från flaskan.
    3. Tillsätt PC till den 20 ml volymetriska kolven som innehåller LiClO4. Blanda lösningen genom att placera kolven i ett ultraljudsbad i 30 min. Överför lösningen till en 20 ml glasflaska.
    4. Täck injektionsflaskan med aluminiumfolie och sätt in en lång nål fäst vid ett kväverör i lösningen för att degas i 10 min. Ta sedan bort aluminiumfolien och täck flaskan tätt.
      OBS: Förbered LiClO4 färskt på experimentdagen.
    5. Före det elektrokemiska testet, överför 1 ml av den beredda LiClO4-lösningen (0,1 M) till en elektrokemisk cell (se materialförteckningen).
    6. Använd en mikropipett (10-100 μL) för att tillsätta 10,68 μL EDOT-monomer (densitet: 1,331 g/ml) till den elektrokemiska cellen innehållande den beredda LiClO4-lösningen .
    7. Kör CV-metoden (se avsnitt 3.4 för CV-parametrar) för att starta elektropolymerisation av EDOT på den nakna Au-mikroelektrodytan efter att ha satt in alla elektrodinställningar i lösningen. Använd denna modifierade elektrod för att karakterisera ytan genom att skanna elektronmikroskopi (SEM).
    8. För att använda denna modifierade elektrod för avkänningsändamål, acklimatisera först dess yta till en vattenlösning genom att köra CV-skanningar i natriumperkloratlösningen (NaClO4) (se avsnitt 3.4 för CV-parametrar).
    9. Använd denna organiskt PEDOT-modifierade och acklimatiserade mikroelektrod (från 1.1.8) för att köra CV (se avsnitt 3.4 för dess CV-parametrar) av en fosfatbuffertlösning som ska användas som bakgrundsskanning.
      OBS: Skölj elektroden efter varje steg.
    10. Ta slutligen ut elektroden från buffertlösningen utan sköljning och sätt omedelbart in den i urinsyralösningar eller mjölkprover för att köra CV-skanningar (se avsnitt 3.4 för CV-parametrar).
  2. Framställning av 0,01 M EDOT i en vattenlösning
    1. Använd en mikropipett för att ta 10,68 μL EDOT och tillsätt till 1 ml ACN i en glasflaska.
    2. Tillsätt 9 ml avjoniserat vatten (18,2 MΩ/cm vid 25 °C) till injektionsflaskan för att bereda 10 ml 0,01 M EDOT-lösning.
    3. Tillsätt 0,11 g LiClO4-pulver till den beredda EDOT-lösningen för att erhålla 0,1 M LiClO4-lösning och blanda försiktigt.
      OBS: Förbered elektrolytlösningarna nyligen på experimentdagen.
    4. Överför den beredda lösningen till den elektrokemiska cellen och starta elektropolymerisationen av 0,01 M EDOT på elektrodytan med CV-metoden (se avsnitt 3.4 för CV-parametrar) efter att elektroden har satts in i vatten-/ACN-lösningen.
    5. Karakterisera ytan på denna modifierade elektrod av SEM.
  3. Framställning av 0,1 M natriumperkloratlösning
    1. Väg ut 0,245 g NaClO4 och överför den till en glasflaska som innehåller 20 ml avjoniserat vatten (18,2 MΩ/cm vid 25 °C).
    2. Använd denna lösning för att acklimatisera ytan på den organiskt tillverkade PEDOT-modifierade Au-mikroelektroden till en vattenlösning och för att avlägsna överskott av EDOT. För detta ändamål, skölj elektroden och sätt in den i NaClO4-lösningen ; Kör sedan CV i 10 cykler (se avsnitt 3.4 för CV-parametrar).
  4. Förbereda buffertlösning
    1. Väg ut 13,8 g natriumdivätefosfat (NaH2PO4. 1H2O) i en vågbåt. Överför den till en 500 ml volymetrisk kolv (dvs. den erforderliga slutliga volymen) och fyll på den till linjen med avjoniserat vatten (18,2 MΩ/cm vid 25 °C).
    2. Placera kolven i ett ultraljudsbad tills pulvret löser sig helt i vattnet, vilket resulterar i en 0,2 M lösning.
    3. I en ny vågbåt, väg ut 17,8 g dinatriumvätefosfat (Na2HPO4.2H2O) och överför det till en annan 500 ml volymetrisk kolv. Fyll på det med avjoniserat vatten för att få en 0,2 M lösning. Placera kolven i ett ultraljudsbad för att lösa upp ordentligt.
    4. Blanda 62,5 ml natriumdivätefosfatlösning med 37,5 ml dinatriumvätefosfatlösning i en mätcylinder och överför blandningen till en 250 ml glasflaska (se materialförteckningen). Fyll på det med ytterligare 100 ml avjoniserat vatten för att erhålla 200 ml 0,1 M fosfatbuffertlösning, pH 6,6. Kyl fosfatbufferten för långvarig användning.
      OBS: Ta bufferten till rumstemperatur före varje experiment.
  5. Förbereda målanalytlösningar
    1. Väg ut 0,0084 g urinsyra (UA) i en vågbåt och lös upp den i 50 ml fosfatbuffert (pH 6,6) i en volymkolv för att erhålla en 1 mM UA-lösning.
    2. Avgas lösningen genom kväverensning i 10 min.
      OBS: Det är lämpligt att förbereda UA-lösningen färskt på experimentdagen.
  6. Förbereda mjölkprover för analys
    1. Få ett helmjölksprov och några mjölkprover med olika smaker (t.ex. espressomjölk, karamell / vit chokladmjölk och belgisk chokladmjölk) från en lokal stormarknad för elektroanalys. Förbehandla eller späd inte mjölkproverna.
    2. Använd en 5 ml mikropipett för att ta 5 ml av varje mjölkprov från de nyöppnade flaskorna.
    3. Kör först CV för fosfatbuffert, pH 6,6, som bakgrundssignal. Tillsätt sedan 5 ml mjölkprov i den elektrokemiska cellen och sätt in nytillverkade, PEDOT-modifierade Au-mikroelektroder och andra elektroder i mjölkproverna och kör CV. Se avsnitt 4 i protokollet för information om hur du analyserar insamlade data.
  7. Förbereda lösningar för förbehandlade elektroder
    1. Väg ut 0,2 g natriumhydroxidpulver (NaOH) och överför det till en 50 ml volymetrisk kolv för att bereda en 0,1 M lösning.
    2. Använd 0,1 M NaOH-lösningen för att avlägsna återstoden av PEDOT som bildas på mikroelektrodytan efter varje körning.
    3. Använd en glaspipett för att dra ut 27,2 ml från en 98% svavelsyra (H2SO4) flaska. Tillsätt den mycket långsamt till en 1 liter volymetrisk kolv halvfylld med avjoniserat vatten.
    4. Fyll på kolven till linjen med avjoniserat vatten för att förbereda 1 liter av en 0,5 M H2SO4-lösning.
      OBS: Förbered H2SO4-lösningen under en draghuv för säkerhet. AnvändH2SO4-lösningeni mikroelektrodens sista elektrokemiska rengöringssteg.

2. Förhandsrening av guldmikroelektroden

  1. Polera Au-mikroelektroden (10 μm diameter, 3,5 mm bredd x 7 cm lång) på en aluminiumoxidpoleringsplatta placerad på en glaspoleringsplatta (mått: 3 "x 3" rutor) med en aluminiumoxiduppslamning i 30 s med cirkulära och åttaformade handrörelser under polering.
  2. Skölj Au mikroelektroden med avjoniserat vatten, sätt in den i en glasflaska som innehåller 15 ml absolut etanol (LR-klass) och ultraljud i 2 min.
  3. Skölj Au mikroelektrod med etanol och vatten och ultraljud igen i 4 min i avjoniserat vatten för att avlägsna överskott av aluminiumoxid från elektrodytan.
  4. Slutligen, ta bort ytterligare föroreningar genom att cykla i 0,5 MH2SO4 för 20 segment mellan 0,4 och 1,6 V-potentialer (jämfört med Ag/AgCl) vid en skanningshastighet på 50 mV/s. Se till att det finns två tydliga toppar på grund av bildandet och reduktionen av guldoxid vid konsekventa anodiska och katodiska potentialer varje gång elektroden rengörs iH2SO4.

3. Cyklisk voltametriteknik

  1. Använd en lämplig potentiostat för att köra CV som den elektrokemiska tekniken av intresse.
  2. Slå på potentiostaten och datorn som är ansluten till den. Se till att systemet är anslutet.
  3. För att testa kommunikationen mellan datorn och instrumentet, starta programvaran och slå på instrumentet. Använd kommandot Maskinvarutest under menyn Inställningar . Om felet Länken misslyckades visas kontrollerar du anslutnings- och portinställningarna.
  4. Öppna potentiostatprogramvaran på datorn och välj Teknik på inställningsmenyn. Från öppningsfönstret väljer du den cykliska voltametrin (CV). Återigen, gå tillbaka till inställningsmenyn och klicka på Parametrar för att ange de experimentella parametrarna för CV-körningen.
    1. Använd följande CV-parametrar för att köra PEDOT-elektropolymerisation i en organisk elektrolyt på den nakna Au-mikroelektroden: initial potential: -0,3 V, slutlig potential: -0,3 V, hög potential: 1,2 V, antal segment: 8, skanningshastigheter: 100 mV / s, riktning: positiv.
    2. Använd följande CV-parametrar för att köra PEDOT-elektropolymerisation i en vattenhaltig/ACN-elektrolyt på den nakna Au-mikroelektroden: initial potential: -0,3 V, slutlig potential: -0,3 V, hög potential: 1,2 V, antal segment: 20, skanningshastigheter: 100 mV/s, riktning: positiv.
    3. Använd följande CV-parametrar för att köra acklimatiseringssteget för den organiskt tillverkade PEDOT-modifierade Au-mikroelektroden: initial potential: -0,2 V, slutlig potential: -0,2 V, hög potential: 0,8 V, antal segment: 20, skanningshastigheter: 100 mV/s, riktning: positiv.
    4. Använd följande CV-parametrar för UA-standardlösningar och fosfatbuffert (pH 6,6) med den nakna Au-mikroelektroden: initial potential: 0 V, slutlig potential: 0 V, hög potential: 1 V, antal segment: 2, skanningshastigheter: 100 mV / s och riktning: positiv.
    5. Använd följande CV-parametrar för UA-standardlösningar och fosfatbuffert (pH 6,6) på den organiskt tillverkade, PEDOT-modifierade Au-mikroelektroden: initial potential: 0 V, slutlig potential: 0 V, hög potential: 0,6 V, antal segment: 2, skanningshastigheter: 100 mV / s och riktning: positiv.
    6. Använd följande CV-parametrar för mjölkproverna och fosfatbufferten (pH 6,6) på den organiskt tillverkade, PEDOT-modifierade Au-mikroelektroden: initial potential: 0 V, slutlig potential: 0 V, hög potential: 0,8 V, antal segment: 2, skanningshastigheter: 100 mV/s, riktning: positiv.
  5. Förbered tre elektrodinställningar i en elektrokemisk glascell inklusive en arbetselektrod (Au-mikroelektrod (10 μm diameter)), en referenselektrod (t.ex. silver / silverklorid (Ag / AgCl) i 3 M natriumklorid (NaCl) och en platinatrådsräknarelektrod.
  6. För dessa rena och torkade elektroder genom hålen på en elektrodhållare fäst vid ett stativ. Placera sedan hållaren ovanför den elektrokemiska cellen för att sätta in elektroderna i mållösningen eller provet.
  7. Se till att det inte finns några bubblor på elektrodytorna.
    1. Om det finns bubblor, ta bort elektroderna, skölj med avjoniserat vatten igen och klappa torrt med en vävnad. Placera elektroderna tillbaka i stativhållaren och i lösningen.
    2. Om det finns bubblor runt referenselektroden, tryck försiktigt på spetsen.
    3. Om det finns bubblor runt motelektroden efter att den börjar springa, rengör motelektroden. Om CV-skanningen blir bullrig, rengör elektrodytan och kontrollera systemanslutningarna, ledningarna och klämmorna.
  8. Se till att alla tre trådanslutningar för referens-, arbets- och räknarelektroder är korrekt anslutna och starta sedan experimentet genom att klicka på Kör längst ner.
  9. Kör alla experiment vid rumstemperatur. För mjölkprover, låt temperaturen på mjölkproverna nå omgivningstemperaturen innan du kör CV.

4. Insamling och analys av uppgifter

  1. När du har kört CV sparar du data i önskat format (CSV eller Bin) i en mapp och använder sedan ett USB-minne för att samla in det. Analysera data med lämplig programvara. Konvertera CSV-filer till kalkylblad för enklare analys.
    OBS: Om data sparas i formatet för en binär fil, konvertera den till formatet Text Comma före datainsamling i ett USB-minne.
  2. För att analysera CV för mjölkprover, subtrahera MJÖLKENS CV från bakgrunds-CV (dvs. CV för fosfatbuffert (pH 6.6) som tagits innan du kör varje mjölkprov) för att producera kurvor på grund av oxidation av mjölkprofilen.

5. Tekniker för att karakterisera PEDOT

  1. Använd en specifik typ av högpresterande SEM för att karakterisera PEDOT-skikten gjorda i olika elektrolyter.
    OBS: Här användes FEI Quanta 200 ESEM FEG; den är utrustad med en Schottky fältemissionspistol (FEG) för bättre rumslig upplösning. Detta instrument ger olika arbetslägen som högt vakuum, lågt vakuum och miljö SEM-lägen och är utrustad med en SiLi (Lithium drifted) Super Ultra-Thin Window EDS-detektor.
  2. Kontrollera ytmorfologin hos både nakna och PEDOT-modifierade Au(PEDOT-Au) mikroelektroder med SEM efter PEDOT-elektropolymerisation i organiska och vattenhaltiga lösningar. Utför PEDOT-elektropolymerisationen på nakna Au-mikroelektroder i vattenhaltiga/ ACN- och organiska lösningar omedelbart innan de kontrolleras av SEM.
  3. Placera de nyberedda elektroderna (en bar Au-mikroelektrod och två av PEDOT-Au-mikroelektroderna) på SEM-scenen horisontellt, med huvudet ovanför scenen i en viss vinkel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Cyklisk voltametri är en enkel teknik för att bilda ett tunt PEDOT-skikt på en Au-mikroelektrodyta för att öka elektrodledningsförmågan och känsligheten under elektrokemisk avkänning av målanalyter. Detta protokoll visar metoden för elektropolymerisation av 0,1 M EDOT från en organisk lösning jämfört med 0,01 M EDOT från en vattenhaltig elektrolytlösning. Att köra 10 cykler i vattenhaltig/ACN-lösning resulterar i en måttlig tillväxt av PEDOT jämförbar med den som observerats med de 4 cyklerna i LiClO4/PC-lösningen. Figur 1 visar en distinkt skillnad mellan EDOT-elektropolymeriserad i vattenhaltiga / ACN och organiska lösningar, med de efterföljande PEDOT-skikten bildade genom applicering av CV. Det är uppenbart att polymeren vid cykling från -0,3 till +1,2 V (jämfört med Ag/AgCl i 3 M NaCl) vid en skanningshastighet på 100 mV/s började oxidera vid 0,9 V i båda elektrolytlösningarna (figur 1A och figur 1C), med en oxidationstopp sedd vid 1 V i den vattenhaltiga/ACN-lösningen.

Vid närmare granskning uppvisar PEDOT-skikten tillverkade i den organiska lösningen efter 4 cykler högre strömvärden (~ 2,9 μA) vid 1,2 V jämfört med det aktuella värdet (0,23 μA) som ses för PEDOT-skikt som bildas vid denna potential i vatten-/ACN-lösningen. När antalet elektropolymerisationscykler ökar under CV-körningar görs de nya skikten av PEDOT gradvis på elektrodytan för att öka skiktens tjocklek. Detta kan bero på de redoxreaktioner som förekommer i det interna PEDOT mellan det potentiella intervallet 0 till 0,7 V (figur 1B och figur 1D). Figur 1B och figur 1D visar ett smalare potentiellt intervallför att visa PEDOT-tillväxten korrekt. Strömtäthetsvärdena på höger sida av varje graf beräknades genom att dividera de aktuella värdena på vänster sida av grafen med den geometriska ytan på den omodifierade Au-mikroelektroden (78,5 × 10-8 cm2, r = 5 × 10-4 cm).

SEM-analys utfördes för att bekräfta effektiviteten av PEDOT-skiktbildning genom elektropolymerisation i de två elektrolytlösningarna (figur 2A-F). Bilderna tagna av SEM valdes vid olika förstoringar (4000x, 30000x och 60000x). Den geometriska ytan på nakna och PEDOT-Au mikroelektroder kan fastställas med hjälp av dessa bilder. Figur 2A bekräftar en diameter på ~ 10 μm för den nakna guldmikroelektroden; Därför beräknas ytan vara ~ 78,5 × 10-8 cm2. Diametern på PEDOT-nanostrukturen som bildades i den organiska lösningen efter 4 cykler vid ytan av Au-mikroelektroden var ~ 40 μm (figur 2C,D). Däremot var PEDOT-tillväxten på elektrodytan lägre efter 10 cykler av elektropolymerisation. Det ses som bergiga polymera egenskaper på elektrodomkretsen med en fördjupning i mitten (figur 2E,F).

SEM-bilderna ger bevis för överlägsenheten av PEDOT-tillväxten i den organiska lösningen jämfört med det vattenhaltiga / ACN-systemet och skapandet av en mycket porös nanostruktur som sträcker sig ut från mikroelektroden i en blomkålliknande form. Denna PEDOT-mikroelektrod framställd i en organisk lösning användes för avkänningsapplikationer, särskilt för UA-detektion i standardlösningar och mjölkprover. Figur 3 visar CV för detektion av obeyckat ua i en standardlösning vid en bar Au-mikroelektrod och PEDOT-sensorn. Prestandan hos den nakna Au-mikroelektroden för UA-detektion kännetecknas av steady-state-strömmar erhållna vid potentialer högre än 0,8 V på grund av radiell diffusion av UA till elektrodytan (Figur 3A). En linjär kalibreringskurva ritades baserat på de genomsnittliga strömmarna vid 0,8 V för UA-koncentrationsområdet 62,5 till 1000 μM efter tre replikerade CV-körningar (figur 3B).

Genom att jämföra lutningen på kalibreringskurvans ekvationer visade sig PEDOT-mikroelektroden ha 100 gånger högre känslighet än den nakna mikroelektroden. Intressant nog var det detekterade UA-området med PEDOT-sensorn tillverkad i en organisk lösning lägre, från 6,25 till 200 μM, beräknat genom att mäta det aktuella värdet vid spetsen av den skarpa anodiska toppen (figur 3C,D). Kalibreringskurvdata för PEDOT-elektroden användes för att mäta detektionsgränsen (LOD) och kvantifieringsgränsen (LOQ) för det obeyckade uA för den modifierade elektroden. Lutningen på kalibreringskurvekvationen (b) och det utvärderade standardfelet för avlyssningen (erna) användes för att mäta LOD- och LOQ-värdena (95% konfidensnivå) - 7 μM respektive 24 μM14 - med hjälp av ekvationerna (1) och (2).

LOD= 3s/b (1)

LOQ= 10s/b (2)

Känsligheten hos den organiskt tillverkade PEDOT-modifierade sensorn är en viktig faktor. Detta beräknas genom att dividera kalibreringskurvans lutning med arbetselektrodens geometriska yta, vilken är 397 μA μM-1 cm-2.

En annan tillämpning av PEDOT-sensorn syntetiserad i den organiska lösningen var att analysera UA-halten i verkliga prover, t.ex. vanlig färsk mjölk och utvalda smaksatta mjölkprover (figur 4). Fördelen med denna teknik är att UA-nivåer i mjölkprover kan mätas utan förhandsrening eller utspädning. Prestandan hos denna PEDOT-Au mikroelektrodsensor jämfördes med den PEDOT-modifierade glasartade kolmakroelektroden (PEDOT-GC) framställd med samma metod i den organiska lösningen15. Den anodiska toppströmmen för UA i vanlig mjölk vid 0,35 V (jämfört med Ag/AgCl) med användning av PEDOT-mikroelektroden var ~ 28,4 nA, vilket motsvarar 82,7 μM med användning av ekvationen för kalibreringskurvan i figur 3D (y = 0,3x + 2,6,R2 = 0,993). Detta värde var ~ 83,4 μM för UA i den vanliga mjölken bestämd med PEDOT-GC15. Den andra stora oxidationstoppen i CV-skanningen av vanlig mjölk vid 0,65 V (figur 4A) är relaterad till oxiderbara föreningar, inklusive elektroaktiva aminosyror såsom cystein, tryptofan och tyrosin15,16. Den nuvarande densiteten för denna topp från den vanliga mjölken är över 200 gånger större än den som erhållits med hjälp av en tidigare rapporterad PEDOT-GC15. Detta visar ett känsligare svar från mikroelektroden som täcks av PEDOT-lager jämfört med den PEDOT-modifierade makroelektroden.

DE CV-skanningar som erhållits för karamell- och vitchokladmjölkprover kan ses i figur 4A. Den visar en tydlig topp vid 0,36 V för UA, tillsammans med en ytterligare toppström på ~ 42 nA vid 0,56 V som slås samman med toppen vid 0,66 V. Denna ytterligare topp vid 0,56 V kan relateras till närvaron av vanillinsyra, en av ingredienserna i smaksatt mjölk. CV för det belgiska chokladmjölkprovet indikerar en ny uppsättning anodiska toppar vid 0,26 V, 0,36 V och 0,66 V och en katodisk topp vid 0,22 V. Chokladprofilen liknar katekinredoxprofilen tillsammans med de andra polyfenoliska antioxidanterna som finns i choklad eller kakao15. Således uppträder katekinoxidations- och reduktionstopparna vid 0, 26 V respektive 0, 22 V. Toppströmmen på 0,36 V, som framträder som en skarp topp vid katekintoppens svans, beror på UA-oxidation. Figur 4B visar ett CV av colombianskt espressomjölkprov, som uppvisar breda anodiska och katodiska toppströmmar vid 0,35 V respektive 0,23 V vid PEDOT-Au, som beror på de viktigaste fenolantioxidanterna i kaffe, nämligen klorogena och koffeinsyror. Eftersom den geometriska ytan på PEDOT-mikroelektroden är högre än för PEDOT-makroelektroden är de nuvarande densiteterna hos UA-topparna i dessa mjölkprover ~ 150 till 500 gånger större vid PEDOT-Au15.

Figure 1
Figur 1: Elektropolymerisation av PEDOT på en guldmikroelektrod. PEDOT framställd av (A, B) 10 CV-skanningar i en vattenlösning (0,01 M EDOT i 1 ml ACN + 9 ml avjoniserat vatten + 0,1 M LiClO4); och (C, D) med 4 CV-skanningar i en organisk elektrolytlösning (0,1 M EDOT i 1 ml av 0,1 M LiClO4 / PC). B och D är utökade versioner av A och C för att visualisera PEDOT-strömmarna tydligt. Skanningshastighet = 100 mV/s. Denna siffra har ändrats från15. Förkortningar: PEDOT = poly(3,4-etylendioxitiofen); CV = cyklisk voltametri; EDOT = 3,4-etylendioxitiofen; ACN = acetonitril; LiClO4 = litiumperklorat; Ag = silver; AgCl = silverklorid. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 2
Bild 2: SEM-bilder. (A och B) Bare guldmikroelektrod (Au). PEDOT-modifierade guldmikroelektroder framställda i (C och D) organisk lösning efter 4 cykler av elektropolymerisation och (E och F) vattenlösning efter 10 cykler av elektropolymerisation vid olika förstoringar. Denna siffra har ändrats från15. Förkortningar: SEM = svepelektronmikroskopi; PEDOT = poly(3,4-etylendioxitiofen). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 3
Figur 3: Cykliska voltammogram för olika koncentrationer av obetalt obearanvär i fosfatbuffert, pH 6,6. (A) Mikroelektrod av naket guld (bakgrund subtraherad) och (C) PEDOT-modifierad guldmikroelektrod (bakgrund subtraherad), mätningar som gjorts omedelbart efter att elektroden förts in i lösningen med en skanningshastighet på 100 mV/s. (B) Diagram för begränsningsström vid 0,8 V jämfört med UA-koncentrationen på den nakna guldmikroelektroden. (D) Diagram över anodisk toppström (Ip.a/μA) jämfört med UA-koncentration på den PEDOT-modifierade guldmikroelektroden. (n = 3). Denna siffra har ändrats från15. Förkortningar: UA = urinsyra; PEDOT = poly(3,4-etylendioxitiofen). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 4
Figur 4: Cykliska voltammogram (bakgrund subtraheras). (A) Vanlig mjölk, belgisk chokladmjölk, karamell och vit chokladmjölk, och (B) vanlig mjölk och colombiansk espressomjölk på en PEDOT-modifierad guldmikroelektrod (10 μm diameter) vid 100 mV/s. Denna siffra har ändrats från15. Förkortning: PEDOT = poly(3,4-etylendioxitiofen). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

CV-metoden möjliggör snabb och enkel mätning av olika analyter i livsmedel, vin och drycker, växtextrakt och till och med biologiska prover. Denna teknik producerar en mängd olika data, inklusive oxidations-/reduktionstopppotentialer, toppströmvärden för målanalyten (proportionell mot koncentrationen) och alla andra aktuella och potentiella värden efter varje CV-körning. Även om det är relativt enkelt att använda CV, måste de insamlade uppgifterna ibland konverteras från binära filer till textkommaformat, beroende på vilket potentiostatsystem som används. Till exempel, när det gäller CH-instrumentet, kan data sparas i textkomma- eller CSV-format direkt efter varje körning. Detta gör dataanalysen enklare i ett kalkylark efter konvertering av texter till kolumner. Efter att CV-skanningarna av mjölk- eller UA-standardproverna erhölls vid samma potentiella intervall plottades de på ett enda diagram för direkt jämförelse. För att presentera data för publikationer kan grafer också ritas i Origin eller SigmaPlot och sedan exporteras som TIF eller de grafiska filtyper som krävs.

Vanliga problem med den här metoden kan vara artefakter i CV-spårningen. Dessa kan uppstå på grund av elektriska anslutningsfel, troligen på grund av anslutningsklämmorna (dvs. klämmor som fäster ledningar till varje elektrod) som har blivit rostiga eller på grund av att guldmikroelektroder inte rengörs ordentligt. Att använda sandpapper för att ta bort rost från klämmorna eller byta ut dem och rengöra mikroelektroden och köra CV-cyklerna igen efter att ha satt in den iH2SO4-lösningen kan lösa problemet.

Rengöring av mikroelektroden är ett viktigt steg i detta experiment, vilket annars kan resultera i en lågströmssignal eller brus. Rengöring av mikroelektroden är också mycket viktigt eftersom bubblor kan bildas när mikroelektroden inte är särskilt ren. När placeringen av guldoxidations- och reduktionstopparna och de erhållna topphöjderna är konsekventa och korrekta är elektroden redo att köra elektropolymerisationen. När potentiostat- eller elektrodanslutningarna är felaktiga kommer det att finnas brus i CV-skanningen, eller utgången kommer att se ut som spridningspjäser. Före en körning är det viktigt att dubbelkontrollera att alla elektrodanslutningar är korrekt anslutna, att det inte finns någon gasbubbla nära spetsen på Ag / AgCl-referenselektroden och att elektroderna inte rör vid den elektrokemiska cellen. Byte av klämmor och anslutningskablar eller knackning på referenselektrodspetsen med ett finger kan vara en användbar felsökningsmetod.

Under bildandet av en PEDOT-elektrod, som den valda ledande polymeren, bör den organiska elektrolyten (LiClO4 i PC) och de vattenhaltiga NaClO4-lösningarna avgasas innan elektropolymerisationen körs. Det är absolut nödvändigt att använda en EDOT-kemikalie som inte har gått ut eller oxiderats eller förorenats av andra kemikalier av analytisk kvalitet. De färska PEDOT-skikten som bildas varje gång på elektrodytan är olika när det gäller nuvarande tillväxt. Om proceduren hålls konstant och elektroden rengörs tillräckligt, skulle CV-cyklerna för elektropolymerisation växa med samma strömvärde varje gång, vilket bekräftar metodens noggrannhet och konsistens. Det är också värt att notera att mängden EDOT-monomer som användes i den organiska lösningen var 10 gånger högre än EDOT-monomeren i den vattenhaltiga / ACN-lösningen. Även om detta kanske inte verkar jämförbart, ansågs det vara att föredra eftersom våra preliminära experiment visade att en vattenhaltig 0,1 M EDOT-lösning inte bildade ett stabilt PEDOT-skikt på grund av lägre löslighet i en vattenhaltig elektrolytlösning. Däremot hade PEDOT-skiktet som bildades med användning av 0,01 M EDOT i en organisk lösning inte tillräcklig tillväxt på elektrodytan jämfört med den vattenhaltiga 0,1 M EDOT-lösningen. Därför valdes de EDOT-mängder som användes för organisk och vattenhaltig elektropolymerisation för denna studie.

En av begränsningarna med CV-metoden när nakna elektroder används är svårigheten att separera toppar när interfererande medel finns. Detta problem löstes dock när PEDOT användes för att modifiera elektrodytan. Till exempel, när UA var målanalyten som skulle detekteras i mjölk, identifierades den separat från dess störande medel, askorbinsyra, på grund av PEDOTs redoxmedierande roll, vilket ledde till en tidigare och väl separerad topp för askorbinsyra. Samtidigt, även med PEDOT-elektroden, när man analyserar smaksatt mjölk, kan det vara utmanande att separera UA-toppen ordentligt från de andra ingredienserna som har nära oxidationspotentialer till UA, vilket leder till en sammanslagning av toppar.

Sammanfattningsvis, även om felsökning kan krävas intermittent, är användningen av CV- och PEDOT-nanolaren på elektrodytan fördelaktig för att detektera målanalyter såsom UA i standardlösningar och komplexa matrislösningar, såsom mjölkprover, utan några förbehandlingar. Jämfört med den högpresterande vätskekromatografitekniken är denna CV-metod snabb och behöver inte tidskrävande förbehandlande steg för att avlägsna fett eller proteiner från mjölkprover. Vidare gör PEDOT mikroelektroden mycket selektiv och känslig, vilket ger en skarp topp för UA-analys.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Tack vare finansieringen från Nya Zeelands ministerium för näringsliv, innovation och sysselsättning (MBIE) inom programmet "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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Guimard, N. K., Gomez, N., Schmidt, C. E. Conducting polymers in biomedical engineering. Progress in Polymer Science. 32 (8), 876-921 (2007).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Kundu, K., Giri, D. Evolution of the electronic structure of cyclic polythiophene upon bipolaron doping. Journal of Chemical Physics. 105 (24), 11075-11080 (1996).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Štulík, K. Activation of solid electrodes. Electroanalysis. 4 (9), 829-834 (1992).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).

Tags

Kemi nummer 173 Poly(3,4-etylendioxitiofen) (PEDOT) cyklisk voltametri litiumperklorat guldmikroelektrod propylenkarbonat svepelektronmikroskopi smaksatt mjölk elektrodeposition
Elektrokemisk beredning av poly(3,4-etylendioxitiofen) skikt på guldmikroelektroder för urinsyraavkänningsapplikationer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Motshakeri, M., Phillips, A. R. J.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter