Summary
Vi beskriver vandige og organiske opløsningsmiddelsystemer til elektropolymerisation af poly(3,4-ethylendioxythiophen) for at skabe tynde lag på overfladen af guldmikroelektroder, som anvendes til at registrere analytter med lav molekylvægt.
Abstract
To forskellige metoder til syntese af poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) på guldelektroder beskrives under anvendelse af elektropolymerisation af 3,4-ethylendioxythiophen (EDOT) monomer i en vandig og en organisk opløsning. Cyklisk voltammetri (CV) blev anvendt til syntese af PEDOT tynde lag. Lithiumperchlorat (LiClO4) blev anvendt som doteringsmiddel i både vandige (vandige / acetonitril (ACN)) og organiske (propylencarbonat (PC)) opløsningsmiddelsystemer. Efter at PEDOT-laget blev oprettet i det organiske system, blev elektrodeoverfladen akklimatiseret ved successiv cykling i en vandig opløsning til brug som sensor til vandige prøver.
Anvendelsen af en vandbaseret elektropolymeriseringsmetode har den potentielle fordel at fjerne akklimatiseringstrinnet for at få en kortere sensorforberedelsestid. Selvom den vandige metode er mere økonomisk og miljøvenlig end den organiske opløsningsmiddelmetode, opnås overlegen PEDOT-dannelse i den organiske opløsning. De resulterende PEDOT-elektrodeoverflader blev karakteriseret ved scanningselektronmikroskopi (SEM), som viste den konstante vækst af PEDOT under elektropolymerisering fra den organiske pc-opløsning med hurtig fraktal-type vækst på guld (Au) mikroelektroder.
Introduction
Elektrisk ledende polymerer er organiske materialer, der i vid udstrækning anvendes i bioelektroniske enheder til forbedring af grænseflader. I lighed med konventionelle polymerer er ledende polymerer lette at syntetisere og er fleksible under behandling1. Ledende polymerer kan syntetiseres ved anvendelse af kemiske og elektrokemiske metoder; elektrokemiske syntesemetoder er imidlertid særligt gunstige. Dette skyldes hovedsageligt deres evne til at danne tynde film, tillade samtidig doping, fange molekyler i den ledende polymer og vigtigst af alt enkelheden i synteseprocessen1. Derudover danner ledende polymerer ensartede, fibrøse og ujævne nanostrukturer, der klæber fast til elektrodeoverfladen, hvilket øger elektrodens aktive overfladeareal2.
I 1980'erne blev der udviklet visse polyheterocykler, såsom polypyrrole, polyanilin, polythiophen og PEDOT, der viste god ledningsevne, let syntese og stabilitet 3,4. Selvom polypyrol forstås bedre end andre polymerer (f.eks. Polythiophenderivater), er det tilbøjeligt til irreversibel oxidation5. PEDOT har således visse fordele i forhold til resten, da den har en meget mere stabil oxidativ tilstand og bevarer 89% af sin ledningsevne sammenlignet med polypyrrole under lignende forhold6. Derudover er PEDOT kendt for høj elektroledningsevne (~ 500 S / cm) og et moderat båndgab (dvs. båndgab eller energigab er regioner uden ladning og henviser til energiforskellen mellem toppen af et valensbånd og bunden af et ledningsbånd)7.
Desuden har PEDOT elektrokemiske egenskaber, har brug for lavere potentialer, der skal oxideres, og er mere stabil over tid end polypyrol efter at være syntetiseret7. Det har også god optisk gennemsigtighed, hvilket betyder, at dets optiske absorptionskoefficient, især i form af PEDOT-polystyrensulfonat (PEDOT-PSS), er i det synlige område af det elektromagnetiske spektrum ved 400-700 nm7. Ved dannelsen af PEDOT elektrokemisk oxiderer EDOT-monomerer ved arbejdselektroden for at danne radikale kationer, som reagerer med andre radikale kationer eller monomerer for at skabe PEDOT-kæder, der aflejres på elektrodeoverfladen1.
Forskellige kontrollerende faktorer er involveret i den elektrokemiske dannelse af PEDOT-film, såsom elektrolyt, elektrolyttype, elektrodeopsætning, aflejringstid, doteringstype og opløsningsmiddeltemperatur1 PEDOT kan genereres elektrokemisk ved at føre strøm gennem en passende elektrolytopløsning. Forskellige elektrolytter såsom vandige (f.eks. PEDOT-PSS), organiske (f.eks. PC, acetonitril) og ioniske væsker (f.eks. 1-butyl-3-methylimidazoliumtetrafluorborat (BMIMBF4)) kan anvendes8.
En af fordelene ved PEDOT-belægninger er, at det kan reducere impedansen af en Au-elektrode i 1 kHz-frekvensområdet betydeligt med to eller tre størrelsesordener, hvilket gør det nyttigt at øge følsomheden ved direkte elektrokemisk detektion af neural aktivitet9. Desuden øges opladningslagringskapaciteten for de PEDOT-modificerede elektroder og resulterer i hurtigere og lavere potentielle reaktioner, når stimuleringsladning overføres via PEDOT10. Når polystyrensulfonat (PSS) anvendes som doterings til PEDOT-dannelse på Au-mikroelektrodearrays, skaber det desuden en ru, porøs overflade med et højt aktivt overfladeareal, lavere grænsefladeimpedans og højere ladningsindsprøjtningskapacitet11. For elektropolymeriseringstrinnet foretager EDOT-PSS normalt en dispersion i en vandig elektrolyt.
EDOT er imidlertid opløseligt i chloroform, acetone, ACN og andre organiske opløsningsmidler såsom PC. Derfor blev der i denne undersøgelse anvendt en blanding af vand med et lille volumen ACN i et forhold på 10: 1 for at fremstille en opløselig EDOT-opløsning, før elektropolymerisationen starter. Formålet med at anvende denne vandige elektrolyt er at udelade akklimatiseringstrinnet i fremstillingen af PEDOT-modificeret mikroelektrode og forkorte trinnene. Den anden organiske elektrolyt, der bruges til at sammenligne med den vandige / ACN-elektrolyt, er pc. Begge elektrolytter indeholderLiClO4 som et doteringsmiddel til at hjælpe med at oxidere EDOT-monomeren og danne PEDOT-polymeren.
Mikroelektroder er voltammetriske arbejdselektroder med mindre diametre end makroelektroder, ca. snesevis af mikrometer eller mindre i dimension. Deres fordele i forhold til makroelektroder inkluderer forbedret massetransport fra opløsningen mod elektrodeoverfladen, der genererer et steady-state-signal, et lavere ohmsk potentialefald, en lavere dobbeltlags kapacitans og et øget signal-støj-forhold12. I lighed med alle faste elektroder skal mikroelektroder konditioneres inden analyse. Den relevante forbehandlings- eller aktiveringsteknik er mekanisk polering for at opnå en glat overflade efterfulgt af et elektrokemisk eller kemisk konditioneringstrin, såsom potentiel cykling over et bestemt område i en passende elektrolyt13.
CV anvendes meget almindeligt i den elektrokemiske polymerisation af PEDOT ved at indsætte elektroder i en monomeropløsning, der involverer et egnet opløsningsmiddel og doteringselektrolyt. Denne elektrokemiske teknik er gavnlig til at tilvejebringe retningsinformation såsom reversibiliteten af at udføre polymerdoppingprocesser og antallet af overførte elektroner, analytternes diffusionskoefficienter og dannelsen af reaktionsprodukter. Dette papir beskriver, hvordan to forskellige elektrolytter, der anvendes til elektropolymerisering af PEDOT, kan generere tynde nanostrukturfilm med en potentiel sensorapplikation, der afhænger af morfologien og andre iboende egenskaber.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Forberedelse af analytiske løsninger
- Fremstilling af 0,1 M EDOT i en organisk opløsning
- 0,213 g LiClO4 afvejes, og den overføres til en 20 ml målekolbe.
- Brug en målecylinder til at tage 20 ml pc fra flasken.
- Der tilsættes pc til den 20 ml volumetriske kolbe, der indeholder LiClO4. Bland opløsningen ved at placere kolben i et ultralydsbad i 30 minutter. Overfør opløsningen til et 20 ml glashætteglas.
- Dæk hætteglasset med aluminiumsfolie og indsæt en lang nål fastgjort til et nitrogenrør i opløsningen for at afgasse i 10 minutter. Fjern derefter aluminiumsfolien og dæk hætteglasset tæt.
BEMÆRK: Forbered LiClO4 frisk på dagen for eksperimentet. - Før den elektrokemiske test overføres 1 ml af den fremstilledeLiClO4-opløsning (0,1 M) til en elektrokemisk celle (se materialetabellen).
- Brug en mikropipette (10-100 μL) til at tilsætte 10,68 μL EDOT-monomer (densitet: 1,331 g/ml) til den elektrokemiske celle, der indeholder den fremstillede LiClO4-opløsning .
- Kør CV-metoden (se pkt. 3.4 for CV-parametre) for at starte elektropolymerisering af EDOT på den blotte Au-mikroelektrodeoverflade efter indsættelse af alle elektrodeopsætninger i opløsningen. Brug denne modificerede elektrode til at karakterisere overfladen ved at scanne elektronmikroskopi (SEM).
- For at anvende denne modificerede elektrode til sensorformål skal overfladen først akklimatiseres til en vandig opløsning ved at køre CV-scanninger i natriumperchloratopløsningen (NaClO4) (se pkt. 3.4 for CV-parametre).
- Brug dette organisk PEDOT-modificerede og akklimatiserede mikroelektrode (fra 1.1.8) til at køre CV (se pkt. 3.4 for dets CV-parametre) af en fosfatbufferopløsning, der skal bruges som baggrundsscanning.
BEMÆRK: Skyl elektroden efter hvert trin. - Til sidst tages elektroden ud af bufferopløsningen uden skylning, og den indsættes straks i urinsyreopløsninger eller mælkeprøver til kørsel af CV-scanninger (se pkt. 3.4 for CV-parametre).
- Fremstilling af 0,01 M EDOT i en vandig opløsning
- Brug en mikropipette til at tage 10,68 μL EDOT og tilsæt til 1 ml ACN i et hætteglas af glas.
- Der tilsættes 9 ml deioniseret vand (18,2 MΩ/cm ved 25 °C) til hætteglasset for at fremstille 10 ml 0,01 M EDOT-opløsning.
- Der tilsættes 0,11 gLiClO4-pulver til den fremstillede EDOT-opløsning for at opnå 0,1 M LiClO4-opløsning, og blandes forsigtigt.
BEMÆRK: Forbered elektrolytopløsningerne frisk på forsøgsdagen. - Den fremstillede opløsning overføres til den elektrokemiske celle og påbegyndes elektropolymerisation af 0,01 M EDOT på elektrodeoverfladen ved hjælp af CV-metoden (se pkt. 3.4 for CV-parametre) efter indsættelse af elektroden i den vandige/ACN-opløsning.
- Karakteriser overfladen af denne modificerede elektrode ved SEM.
- Fremstilling af 0,1 M natriumperchloratopløsning
- 0,245 g NaClO4 afvejes, og det overføres til et hætteglas af glas indeholdende 20 ml deioniseret vand (18,2 MΩ/cm ved 25 °C).
- Brug denne opløsning til at akklimatisere overfladen af den organisk fremstillede PEDOT-modificerede Au-mikroelektrode til en vandig opløsning og til at fjerne overskydende EDOT. Til dette formål skylles elektroden og indsættes i NaClO4-opløsningen ; kør derefter CV i 10 cyklusser (se pkt. 3.4 for CV-parametre).
- Forberedelse af bufferopløsning
- 13,8 g natriumdihydrogenphosphat (NaH2 PO4. 1H20) vejes i en vejebåd. Overfør den til en 500 ml målekolbe (dvs. det krævede endelige volumen), og på fyldes op til linjen med deioniseret vand (18,2 MΩ/cm ved 25 °C).
- Anbring kolben i et ultralydsbad, indtil pulveret opløses fuldstændigt i vandet, hvilket resulterer i en 0,2 M opløsning.
- I en ny vejebåd vejes 17,8 g dinatriumhydrogenphosphat (Na2HPO4.2H20) og overføres til en anden 500 ml volumetrisk kolbe. På fyldes det op med deioniseret vand for at opnå en 0,2 M opløsning. Anbring kolben i et ultralydsbad for at opløses korrekt.
- Bland 62,5 ml natriumdihydrogenphosphatopløsning med 37,5 ml dinatriumhydrogenphosphatopløsning i en målecylinder, og overfør blandingen til en 250 ml glasflaske (se materialetabellen). Påd det med yderligere 100 ml deioniseret vand for at opnå 200 ml 0,1 M fosfatbufferopløsning, pH 6,6. Opbevares i køleskab i fosfatbufferen til langvarig brug.
BEMÆRK: Bring bufferen til stuetemperatur før hvert eksperiment.
- Forberedelse af målanalytløsninger
- 0,0084 g urinsyre (UA) afvejes i en vejebåd, og den opløses i 50 ml fosfatbuffer (pH 6,6) i en volumetrisk kolbe for at opnå en 1 mM UA-opløsning.
- Afgas opløsningen ved kvælstofrensning i 10 min.
BEMÆRK: Det anbefales at forberede UA-opløsningen frisk på forsøgsdagen.
- Forberedelse af mælkeprøver til analyse
- Få en sødmælksprøve og nogle mælkeprøver med forskellige smag (f.eks. Espressomælk, karamel / hvid chokolademælk og belgisk chokolademælk) fra et lokalt supermarked til elektroanalyse. Forbehandle eller fortynd ikke mælkeprøverne.
- Brug en 5 ml mikropipette til at tage 5 ml af hver mælkeprøve fra de nyåbnede flasker.
- Kør først CV af fosfatbuffer, pH 6,6, som baggrundssignal. Derefter tilsættes 5 ml mælkeprøven i den elektrokemiske celle, og indsæt frisk og organisk fremstillet, PEDOT-modificeret Au-mikroelektrode og andre elektroder i mælkeprøverne og kør CV. Se afsnit 4 i protokollen for, hvordan du analyserer de indsamlede data.
- Klargøring af elektrodeforbehandlingsløsninger
- 0,2 g natriumhydroxidpulver (NaOH) afvejes, og det overføres til en 50 ml målekolbe for at fremstille en 0,1 M opløsning.
- Brug 0,1 M NaOH-opløsningen til at fjerne resterne af PEDOT dannet på mikroelektrodeoverfladen efter hver kørsel.
- Brug en glaspipette til at trække 27,2 ml ud af en 98% svovlsyreflaske (H2SO4). Tilsæt det meget langsomt til en 1 L målekolbe halvt fyldt med deioniseret vand.
- Kolben fyldes op på linjen med deioniseret vand for at fremstille 1 liter af en 0,5 MH2SO4-opløsning .
BEMÆRK: Forbered H2SO4-opløsningen under en stinkhætte for en sikkerheds skyld. BrugH2 SO4-opløsningeni mikroelektrodens sidste elektrokemiske rengøringstrin.
2. Forbehandling af guldmikroelektroden
- Poler Au-mikroelektroden (10 μm diameter, 3,5 mm bredde x 7 cm lang) på en aluminiumoxidpoleringspude anbragt på en glaspoleringsplade (dimensioner: 3 "x 3" firkanter) ved hjælp af en aluminiumoxidopslæmning i 30 s med cirkulære og otteformede håndbevægelser under polering.
- Skyl Au-mikroelektroden med deioniseret vand, indsæt det i et glashætteglas indeholdende 15 ml absolut ethanol (LR-kvalitet) og ultralydsat i 2 minutter.
- Skyl Au-mikroelektroden med ethanol og vand og igen ultralydat det i 4 minutter i deioniseret vand for at fjerne overskydende aluminiumoxid fra elektrodeoverfladen.
- Endelig skal du fjerne yderligere urenheder ved at cykle i 0,5 M H2SO4 for 20 segmenter mellem 0,4 og 1,6 V potentialer (vs. Ag / AgCl) med en scanningshastighed på 50 mV / s. Sørg for, at der er to klare toppe på grund af dannelsen og reduktionen af guldoxid ved konsistente anodiske og katodiske potentialer, hver gang elektroden rengøres iH2SO4.
3. Cyklisk voltammetri teknik
- Brug en passende potentiostat til at køre CV som den elektrokemiske teknik af interesse.
- Tænd for potentiostaten og computeren, der er knyttet til den. Sørg for, at systemet er tilsluttet.
- For at teste kommunikationen mellem computeren og instrumentet skal du starte softwaren og tænde for instrumentet. Brug kommandoen Hardwaretest under menuen Opsætning . Hvis der vises en fejl i linket mislykkedes , skal du kontrollere forbindelses- og portindstillingerne.
- Åbn potentiostatsoftwaren på computeren, og vælg Teknik i menuen Opsætning. Fra åbningsvinduet skal du vælge den cykliske voltammetri (CV). Igen skal du gå tilbage til menuen Opsætning og klikke på Parametre for at indtaste de eksperimentelle parametre for CV-kørslen.
- Brug følgende CV-parametre til at køre PEDOT-elektropolymerisation i en organisk elektrolyt på den blotte Au-mikroelektrode: indledende potentiale: -0,3 V, endeligt potentiale: -0,3 V, højt potentiale: 1,2 V, antal segmenter: 8, scanningshastigheder: 100 mV / s, retning: positiv.
- Brug følgende CV-parametre til at køre PEDOT-elektropolymerisation i en vandig / ACN-elektrolyt på den blotte Au-mikroelektrode: startpotentiale: -0,3 V, endeligt potentiale: -0,3 V, højt potentiale: 1,2 V, antal segmenter: 20, scanningshastigheder: 100 mV / s, retning: positiv.
- Brug følgende CV-parametre til at køre akklimatiseringstrinnet for den organisk fremstillede PEDOT-modificerede Au-mikroelektrode: indledende potentiale: -0,2 V, endeligt potentiale: -0,2 V, højt potentiale: 0,8 V, antal segmenter: 20, scanningshastigheder: 100 mV / s, retning: positiv.
- Brug følgende CV-parametre til UA-standardopløsninger og fosfatbuffer (pH 6,6) med den blotte Au-mikroelektrode: startpotentiale: 0 V, slutpotentiale: 0 V, højt potentiale: 1 V, antal segmenter: 2, scanningshastigheder: 100 mV /s og retning: positiv.
- Brug følgende CV-parametre til UA-standardopløsninger og fosfatbuffer (pH 6,6) på den organisk fremstillede, PEDOT-modificerede Au-mikroelektrode: startpotentiale: 0 V, slutpotentiale: 0 V, højt potentiale: 0,6 V, antal segmenter: 2, scanningshastigheder: 100 mV/s og retning: positiv.
- Brug følgende CV-parametre for mælkeprøverne og fosfatbufferen (pH 6,6) på den organisk fremstillede, PEDOT-modificerede Au-mikroelektrode: startpotentiale: 0 V, endeligt potentiale: 0 V, stort potentiale: 0,8 V, antal segmenter: 2, scanningshastigheder: 100 mV/s, retning: positiv.
- Forbered tre elektrodeopsætninger i en elektrokemisk glascelle, herunder en arbejdselektrode (Au-mikroelektrode (10 μm diameter)), en referenceelektrode (f.eks. Sølv / sølvchlorid (Ag / AgCl) i 3 M natriumchlorid (NaCl) og en platintrådstællelektrode.
- Før disse rene og tørrede elektroder gennem hullerne i en elektrodeholder, der er fastgjort til et stativ. Placer derefter holderen over den elektrokemiske celle for at indsætte elektroderne i målopløsningen eller prøven.
- Sørg for, at der ikke er bobler på elektrodeoverfladerne.
- Hvis der er bobler, skal du fjerne elektroderne, skylle med deioniseret vand igen og klappe tørre med et væv. Anbring elektroderne tilbage i stativholderen og i opløsningen.
- Hvis der er bobler omkring referenceelektroden, skal du trykke forsigtigt på spidsen.
- Hvis der er bobler omkring tællerelektroden, efter at den begynder at køre, skal du rengøre tællerelektroden. Hvis CV-scanningen bliver støjende, skal du rengøre elektrodeoverfladen og kontrollere systemforbindelserne, ledningerne og clipsene.
- Sørg for, at alle de tre ledningsforbindelser til reference-, arbejds- og modelektroder er korrekt tilsluttet, og start derefter eksperimentet ved at klikke på Kør nederst.
- Kør alle eksperimenter ved stuetemperatur. For mælkeprøver skal mælkeprøvernes temperatur nå omgivelsestemperaturen, inden CV køres.
4. Dataindsamling og -analyse
- Når du har kørt CV, skal du gemme dataene i det ønskede format (CSV eller Bin) i en mappe og derefter bruge en USB-hukommelse til at indsamle dem. Analyser dataene ved hjælp af passende software. Konverter CSV-filer til regneark for lettere analyse.
BEMÆRK: Hvis data gemmes i formatet af en binær fil, skal du konvertere dem til formatet Tekstkomma før dataindsamling i en USB-hukommelse. - For at analysere CV'et for mælkeprøver skal du trække CV'et for mælk fra baggrunds-CV'et (dvs. CV for fosfatbuffer (pH 6,6), der er taget, før hver mælkeprøve køres) for at producere kurver på grund af mælkeprofiloxidation.
5. Teknikker til at karakterisere PEDOT
- Brug en bestemt type højtydende SEM til at karakterisere PEDOT-lagene fremstillet i forskellige elektrolytter.
BEMÆRK: Her blev FEI Quanta 200 ESEM FEG brugt; den er udstyret med en Schottky field emission gun (FEG) for bedre rumlig opløsning. Dette instrument giver forskellige arbejdstilstande såsom højt vakuum, lavt vakuum og miljømæssige SEM-tilstande og er udstyret med en SiLi (Lithium drifted) Super Ultra-Thin Window EDS-detektor. - Kontroller overflademorfologien af både bare og PEDOT-modificerede Au (PEDOT-Au) mikroelektroder af SEM efter PEDOT-elektropolymerisation i organiske og vandige opløsninger. Udfør PEDOT-elektropolymerisationen på bare Au-mikroelektroder i vandige/ ACN- og organiske opløsninger umiddelbart før kontrol af dem med SEM.
- Anbring de frisklavede elektroder (en bar Au-mikroelektrode og to af PEDOT-Au-mikroelektroderne) på SEM-scenen vandret med hovedet over scenen i en vis vinkel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Cyklisk voltammetri er en nem teknik til at danne et tyndt PEDOT-lag på en Au-mikroelektrodeoverflade for at øge elektrodeledningsevnen og følsomheden under elektrokemisk sensing af målanalytter. Denne protokol demonstrerer metoden til elektropolymerisation af 0,1 M EDOT fra en organisk opløsning sammenlignet med 0,01 M EDOT fra en vandig elektrolytopløsning. Kørsel af 10 cyklusser i vandig / ACN-opløsning resulterer i en moderat vækst af PEDOT, der kan sammenlignes med den, der observeres med de 4 cyklusser i LiClO4 / PC-opløsning. Figur 1 viser en tydelig forskel mellem EDOT-elektropolymeriseret i vandige/ACN-opløsninger og organiske opløsninger, hvor de efterfølgende PEDOT-lag dannes ved påføring af CV. Det er tydeligt, at polymeren ved cykling fra -0,3 til +1,2 V (vs. Ag/AgCl i 3 M NaCl) ved en scanningshastighed på 100 mV/s begyndte at oxidere ved 0,9 V i begge elektrolytopløsninger (figur 1A og figur 1C), med en oxidationstop set ved 1 V i den vandige/ACN-opløsning.
Ved nærmere eftersyn viser PEDOT-lagene i den organiske opløsning efter 4 cyklusser højere strømværdier (~ 2,9 μA) ved 1,2 V sammenlignet med den aktuelle værdi (0,23 μA) set for PEDOT-lag dannet ved dette potentiale i den vandige / ACN-opløsning. Når antallet af elektropolymerisationscyklusser stiger under CV-kørsler, laves de nye lag af PEDOT gradvist på elektrodeoverfladen for at øge lagtykkelsen. Dette kan skyldes redoxreaktionerne i den interne PEDOT mellem det potentielle interval på 0 til 0,7 V (figur 1B og figur 1D). Figur 1B og figur 1D viser et snævrere potentialeområdefor at vise PEDOT-væksten korrekt. De aktuelle densitetsværdier på højre side af hver graf blev beregnet ved at dividere de aktuelle værdier på venstre side af grafen med det geometriske overfladeareal af den umodificerede Au-mikroelektrode (78,5 × 10-8 cm2, r = 5 × 10-4 cm).
SEM-analyse blev udført for at bekræfte effektiviteten af PEDOT-lagdannelse ved elektropolymerisation i de to elektrolytopløsninger (figur 2A-F). Billederne taget af SEM blev valgt ved forskellige forstørrelser (4000x, 30000x og 60000x). Det geometriske overfladeareal af nøgne og PEDOT-Au mikroelektroder kan etableres ved hjælp af disse billeder. Figur 2A bekræfter en diameter på ~10 μm for mikroelektroden i bart guld; derfor beregnes overfladearealet til at være ~ 78,5 × 10-8 cm2. Diameteren af PEDOT nanostrukturen dannet i den organiske opløsning efter 4 cyklusser på overfladen af Au-mikroelektroden var ~ 40 μm (figur 2C,D). I modsætning hertil var PEDOT-væksten på elektrodeoverfladen lavere efter 10 cyklusser med elektropolymerisation. Det ses som bjergrige polymere træk på elektrodeomkredsen med en fordybning i midten (figur 2E,F).
SEM-billederne giver bevis for PEDOT-vækstens overlegenhed i den organiske opløsning sammenlignet med det vandige / ACN-system og skabelsen af en meget porøs nanostruktur, der strækker sig ud fra mikroelektroden i en blomkållignende form. Denne PEDOT mikroelektrode fremstillet i en organisk opløsning blev anvendt til sensorapplikationer, især til UA-detektion i standardopløsninger og mælkeprøver. Figur 3 viser CV'et til påvisning af UA i en standardopløsning ved en bar Au-mikroelektrode og PEDOT-sensoren. Ydeevnen for den blotte Au-mikroelektrode til UA-detektion er kendetegnet ved steady-state-strømme opnået ved potentialer højere end 0,8 V på grund af radial diffusion af UA til elektrodeoverfladen (figur 3A). En lineær kalibreringskurve blev afbildet baseret på de gennemsnitlige strømme ved 0,8 V for UA-koncentrationsområdet på 62,5 til 1000 μM efter tre replikate CV-kørsler (figur 3B).
Ved at sammenligne hældningen af kalibreringskurveligningerne viste det sig, at PEDOT-mikroelektroden havde 100 gange højere følsomhed end den blotte mikroelektrode. Interessant nok var det detekterede UA-område ved hjælp af PEDOT-sensoren fremstillet i en organisk opløsning lavere, fra 6,25 til 200 μM, beregnet ved at måle den aktuelle værdi i spidsen af den skarpe anodiske top (figur 3C,D). Kalibreringskurvedataene for PEDOT-elektroden blev brugt til at måle detektionsgrænsen (LOD) og kvantificeringsgrænsen (LOQ) for UA for den modificerede elektrode. Hældningen af kalibreringskurveligningen (b) og den evaluerede standardfejl i aflytningen (e) blev brugt til at måle LOD- og LOQ-værdierne (95% konfidensniveau)-7 μM og 24 μM14 ved hjælp af ligninger (1) og (2).
LOD= 3s/b (1)
LOQ= 10s/b (2)
Følsomheden af den organisk fremstillede PEDOT-modificerede sensor er en vigtig faktor. Dette beregnes ved at dividere kalibreringskurvens hældning med arbejdselektrodens geometriske overfladeareal, som er 397 μA μM-1 cm-2.
En anden anvendelse af PEDOT-sensoren syntetiseret i den organiske opløsning var at analysere UA-indholdet i virkelige prøver, f.eks. almindelig frisk mælk og udvalgte aromatiserede mælkeprøver (figur 4). Fordelen ved denne teknik er, at UA-niveauer i mælkeprøver kan måles uden forbehandling eller fortynding. Ydeevnen for denne PEDOT-Au mikroelektrodesensor blev sammenlignet med den PEDOT-modificerede glasagtige carbonmakroelektrode (PEDOT-GC) fremstillet ved samme metode i den organiske opløsning15. Den anodiske topstrøm for UA i almindelig mælk ved 0,35 V (vs. Ag/AgCl) ved anvendelse af PEDOT-mikroelektroden var ~28,4 nA, hvilket svarer til 82,7 μM ved hjælp af kalibreringskurvens ligning i figur 3D (y = 0,3x + 2,6,R2 = 0,993). Denne værdi var ~83,4 μM for UA i den almindelige mælk bestemt ved hjælp af PEDOT-GC15. Den anden store oxidationstop i CV-scanningen af almindelig mælk ved 0,65 V (figur 4A) er relateret til oxiderbare forbindelser, herunder elektroaktive aminosyrer såsom cystein, tryptofan og tyrosin15,16. Den nuværende tæthed af denne top fra den almindelige mælk er over 200 gange større end den, der opnås ved hjælp af en tidligere rapporteret PEDOT-GC15. Dette viser en mere følsom respons fra mikroelektroden dækket af PEDOT-lag sammenlignet med den PEDOT-modificerede makroelektrode.
CV-scanningerne for karamel- og hvid chokolademælksprøver kan ses i figur 4A. Det viser en klar top ved 0,36 V for UA sammen med en yderligere topstrøm på ~ 42 nA ved 0,56 V, der er fusioneret med toppen ved 0,66 V. Denne ekstra top ved 0,56 V kan relateres til tilstedeværelsen af vanillsyre, en af ingredienserne i aromatiseret mælk. CV'et for den belgiske chokolademælksprøve indikerer et nyt sæt anodiske toppe ved 0,26 V, 0,36 V og 0,66 V og en katodisk top ved 0,22 V. Chokoladeprofilen ligner catechin redoxprofilen sammen med de andre polyphenoliske antioxidanter, der findes i chokolade eller kakao15. Således vises catechinoxidations- og reduktionstoppene ved henholdsvis 0, 26 V og 0, 22 V. Topstrømmen på 0,36 V, der fremstår som en skarp top ved halen af catechin-toppen, skyldes UA-oxidation. Figur 4B viser et CV af colombiansk espressomælksprøve, som udviser brede anodiske og katodiske topstrømme ved henholdsvis 0,35 V og 0,23 V ved PEDOT-Au, som skyldes de store phenolantioxidanter i kaffe, nemlig chlorogene og koffeinsyrer. Fordi det geometriske overfladeareal af PEDOT-mikroelektroden er højere end PEDOT-makroelektrodens, er strømtæthederne af UA-toppe i disse mælkeprøver ~ 150 til 500 gange større ved PEDOT-Au15.
Figur 1: Elektropolymerisation af PEDOT på en guldmikroelektrode. PEDOT fremstillet ved (A, B) 10 CV-scanninger i en vandig opløsning (0,01 M EDOT i 1 ml ACN + 9 ml deioniseret vand + 0,1 M LiClO4); og (C, D) ved hjælp af 4 CV-scanninger i en organisk elektrolytopløsning (0,1 M EDOT i 1 ml 0,1 M LiClO4/PC). B og D er udvidede versioner af A og C for at visualisere PEDOT-strømmene tydeligt. Scanningshastighed = 100 mV/s. Dette tal er ændret fra15. Forkortelser: PEDOT = poly(3,4-ethylendioxythiophen); CV = cyklisk voltammetri; EDOT = 3,4-ethylendioxythiophen; ACN = acetonitril; LiClO4 = lithiumperchlorat; Ag = sølv; AgCl = sølvchlorid. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: SEM-billeder. (A og B) Mikroelektrode i bare guld (Au). PEDOT-modificerede guldmikroelektroder fremstillet i (C og D) organisk opløsning efter 4 cyklusser med elektropolymerisation og (E og F) vandig opløsning efter 10 cyklusser med elektropolymerisation ved forskellige forstørrelser. Dette tal er ændret fra15. Forkortelser: SEM = scanning elektronmikroskopi; PEDOT = poly(3,4-ethylendioxythiophen). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Cykliske voltamogrammer for forskellige koncentrationer af UA i fosfatbuffer, pH 6,6. (A) Mikroelektrode i bart guld (baggrund fratrukket) og (C) PEDOT-modificeret guldmikroelektrode (baggrund fratrukket), målinger foretaget umiddelbart efter indsættelse af elektroden i opløsningen med en scanningshastighed på 100 mV/s. (B) Plot af begrænsende strøm ved 0,8 V versus UA-koncentration på mikroelektroden af bart guld. (D) Plot af anodisk spidsstrøm (Ip.a/μA) versus UA-koncentration på den PEDOT-modificerede guldmikroelektrode. (n=3). Dette tal er ændret fra15. Forkortelser: UA = urinsyre; PEDOT = poly(3,4-ethylendioxythiophen). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Cykliske voltumogrammer (baggrund fratrukket). (A) Almindelig mælk, belgisk chokolademælk, karamel og hvid chokolademælk og (B) almindelig mælk og colombiansk espressomælk på en PEDOT-modificeret guldmikroelektrode (10 μm diameter) ved 100 mV/s. Dette tal er ændret fra15. Forkortelse: PEDOT = poly(3,4-ethylendioxythiophen). Klik her for at se en større version af denne figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
CV-metoden giver mulighed for hurtig og enkel måling af forskellige analytter i fødevarer, vin og drikkevarer, planteekstrakter og endda biologiske prøver. Denne teknik producerer en bred vifte af data, herunder oxidations-/reduktionstoppotentialer, målanalyttens topstrømsværdier (proportional med koncentration) og alle andre aktuelle og potentielle værdier efter hver CV-kørsel. Selvom det er relativt let at bruge CV, skal de indsamlede data undertiden konverteres fra binære filer til tekstkommaformat, afhængigt af det anvendte potentiostatsystem. For eksempel i tilfælde af CH-instrumentet kan dataene gemmes i tekstkomma- eller CSV-formater direkte efter hver kørsel. Dette gør dataanalysen lettere i et regneark efter konvertering af tekster til kolonner. Efter at CV-scanningerne af mælke- eller UA-standardprøverne blev opnået i de samme potentielle intervaller, blev de afbildet på en enkelt graf til direkte sammenligning. For at præsentere dataene for publikationer kan grafer også afbildes i Origin eller SigmaPlot og derefter eksporteres som TIF eller de krævede grafiske filtyper.
Almindelige problemer med denne metode kan være artefakter i CV-sporingen. Disse kan opstå som følge af elektriske forbindelsesfejl, sandsynligvis på grund af forbindelsesklemmerne (dvs. klip, der fastgør ledninger til hver elektrode), der er blevet rustne eller på grund af guldmikroelektroder, der ikke rengøres korrekt. Brug af sandpapir til at fjerne rust fra clipsene eller udskifte dem og genrense mikroelektroden og genkøre CV-cyklusser efter at have indsat den i H2SO4-løsningen kan løse problemet.
Rengøring af mikroelektroden er et vigtigt skridt i dette eksperiment, som ellers kan resultere i et signal eller støj med lav strøm. Rengøring af mikroelektroden er også meget vigtig, da der kan dannes bobler, når mikroelektroden ikke er særlig ren. Når placeringen af guldoxidations- og reduktionstoppene og de opnåede tophøjder er konsistente og korrekte, er elektroden klar til at køre elektropolymerisationen. Når potentiostat- eller elektrodeforbindelserne er defekte, vil der være støj i CV-scanningen, eller udgangen vil se ud som spredende prikker. Før en kørsel er det vigtigt at dobbelttjekke, at alle elektrodeforbindelserne er tilsluttet korrekt, at der ikke er nogen gasboble nær spidsen af Ag/AgCl-referenceelektroden, og at elektroderne ikke rører ved den elektrokemiske celle. Udskiftning af clips og forbindelsesledninger eller tryk på referenceelektrodespidsen med en finger kan være en nyttig fejlfindingsmetode.
Under dannelsen af en PEDOT-elektrode, som den valgte ledende polymer, skal den organiske elektrolyt (LiClO4 i PC) og de vandige NaClO4-opløsninger afgasses, inden elektropolymerisationen køres. Det er bydende nødvendigt at anvende et EDOT-kemikalie, der ikke er udløbet eller oxideret eller blevet forurenet af andre kemikalier af analytisk kvalitet. De friske PEDOT-lag, der dannes hver gang på elektrodeoverfladen, er forskellige med hensyn til den aktuelle vækst. Hvis proceduren holdes konstant, og elektroden rengøres tilstrækkeligt, vil CV-cyklusserne for elektropolymerisation vokse med den samme aktuelle værdi hver gang, hvilket bekræfter nøjagtigheden og konsistensen af metoden. Det er også værd at bemærke, at mængden af EDOT-monomeren, der blev anvendt i den organiske opløsning, var 10 gange højere end EDOT-monomeren i den vandige /ACN-opløsning. Selvom dette kan virke ikke sammenligneligt, blev det anset for at være at foretrække, fordi vores foreløbige forsøg viste, at en vandig 0,1 M EDOT-opløsning ikke dannede et stabilt PEDOT-lag på grund af lavere opløselighed i en vandig elektrolytopløsning. I modsætning hertil havde PEDOT-laget dannet under anvendelse af 0,01 M EDOT i en organisk opløsning ikke tilstrækkelig vækst på elektrodeoverfladen sammenlignet med den vandige 0,1 M EDOT-opløsning. Derfor blev de EDOT-mængder, der blev anvendt til organisk og vandig elektropolymerisation, udvalgt til denne undersøgelse.
En af begrænsningerne ved CV-metoden, når der anvendes blotte elektroder, er vanskeligheden ved at adskille toppe, når der findes forstyrrende midler. Dette problem blev imidlertid løst, da PEDOT blev brugt til at ændre elektrodeoverfladen. For eksempel, da UA var målanalytten, der skulle påvises i mælk, blev den identificeret separat fra dets interfererende middel, ascorbinsyre, på grund af PEDOTs redoxformidlende rolle, hvilket førte til en tidligere og godt adskilt top for ascorbinsyre. På samme tid, selv med PEDOT-elektroden, når man analyserer aromatiseret mælk, kan det være udfordrende at adskille UA-toppen korrekt fra de andre ingredienser, der har tætte oxidationspotentialer til UA, hvilket fører til en sammensmeltning af toppe.
Det kan konkluderes, at selv om fejlfinding kan være påkrævet med mellemrum, er brugen af CV- og PEDOT-nanolagene på elektrodeoverfladen fordelagtig til påvisning af målanalytter såsom UA i standardopløsninger og komplekse matrixopløsninger, såsom mælkeprøver, uden forbehandling. Sammenlignet med den højtydende væskekromatografiteknik er denne CV-metode hurtig og behøver ikke tidskrævende forbehandlingstrin for at fjerne fedt eller proteiner fra mælkeprøver. Desuden gør PEDOT mikroelektroden meget selektiv og følsom, hvilket giver en skarp top til UA-analyse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Takket være finansieringen fra New Zealands ministerium for erhverv, innovation og beskæftigelse (MBIE) inden for 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 |
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).
