Elektrochemische Herstellung von Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-Schichten auf Gold-Mikroelektroden für Harnsäure-Sensoranwendungen
Summary
Wir beschreiben wässrige und organische Lösungsmittelsysteme zur Elektropolymerisation von Poly(3,4-ethylendioxythiophen), um dünne Schichten auf der Oberfläche von Goldmikroelektroden zu erzeugen, die zur Erfassung von Niedermolekulargewichtsanalyten verwendet werden.
Abstract
Es werden zwei verschiedene Verfahren zur Synthese von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) auf Goldelektroden beschrieben, wobei die Elektropolymerisation von 3,4-Ethylendioxythiophen (EDOT)-monomer in einer wässrigen und einer organischen Lösung verwendet wird. Die zyklische Voltammetrie (CV) wurde bei der Synthese von PEDOT-Dünnschichten eingesetzt. Lithiumperchlorat (LiClO4) wurde als Dotierstoff sowohl in wässrigen (wässrig/acetonitril (ACN)) als auch in organischen (Propylencarbonat (PC)) Lösungsmittelsystemen eingesetzt. Nachdem die PEDOT-Schicht im organischen System erzeugt wurde, wurde die Elektrodenoberfläche durch sukzessives Durchlaufen in einer wässrigen Lösung für die Verwendung als Sensor für wässrige Proben akklimatisiert.
Die Verwendung einer wässrigen Elektropolymerisationsmethode hat den potenziellen Vorteil, dass der Akklimatisierungsschritt entfernt wird, um eine kürzere Vorbereitungszeit des Sensors zu erreichen. Obwohl die wässrige Methode wirtschaftlicher und umweltfreundlicher ist als die organische Lösungsmittelmethode, wird in der organischen Lösung eine überlegene PEDOT-Bildung erhalten. Die resultierenden PEDOT-Elektrodenoberflächen wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) charakterisiert, die das konstante Wachstum von PEDOT während der Elektropolymerisation aus der organischen PC-Lösung mit schnellem fraktalartigem Wachstum auf Goldmikroelektroden (Au) zeigte.
Introduction
Elektrisch leitende Polymere sind organische Materialien, die in bioelektronischen Geräten zur Verbesserung von Grenzflächen weit verbreitet sind. Ähnlich wie herkömmliche Polymere sind leitende Polymere leicht zu synthetisieren und währendder Verarbeitung flexibel 1. Leitfähige Polymere können mit chemischen und elektrochemischen Methoden synthetisiert werden; Besonders günstig sind jedoch elektrochemische Syntheseansätze. Dies ist hauptsächlich auf ihre Fähigkeit zurückzuführen, dünne Filme zu bilden, gleichzeitige Dotierung zu ermöglichen, Moleküle im leitenden Polymer einzufangen und vor allem auf die Einfachheit des Syntheseprozesses1. Darüber hinaus bilden leitende Polymere einheitliche, faserige und holprige Nanostrukturen, die fest an der Elektrodenoberfläche haften, wodurch die aktive Oberfläche der Elektrode 2 vergrößertwird.
In den 1980er Jahren wurden bestimmte Polyheterocyclen wie Polypyrrol, Polyanilin, Polythiophen und PEDOT entwickelt, die eine gute Leitfähigkeit, einfache Synthese und Stabilitätaufwiesen 3,4. Obwohl Polypyrrol besser verstanden wird als andere Polymere (z. B. Polythiophenderivate), ist es anfällig für irreversible Oxidation5. Somit hat PEDOT bestimmte Vorteile gegenüber dem Rest, da es einen viel stabileren oxidativen Zustand aufweist und 89% seiner Leitfähigkeit im Vergleich zu Polypyrrol unter ähnlichen Bedingungen beibehält6. Darüber hinaus ist PEDOT für eine hohe elektrische Leitfähigkeit (~ 500 S / cm) und eine moderate Bandlücke bekannt (dh Bandlücken oder Energielücken sind Regionen ohne Ladung und beziehen sich auf die Energiedifferenz zwischen der Oberseite eines Valenzbandes und der Unterseite eines Leitungsbandes)7.
Darüber hinaus hat PEDOT elektrochemische Eigenschaften, benötigt geringere Potentiale, um oxidiert zu werden, und ist im Laufe der Zeit stabiler als Polypyrrol nach der Synthese7. Es hat auch eine gute optische Transparenz, was bedeutet, dass sein optischer Absorptionskoeffizient, insbesondere in Form von PEDOT-Polystyrolsulfonat (PEDOT-PSS), im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums bei 400-700 nm7 liegt. Bei der elektrochemischen Bildung von PEDOT oxidieren EDOT-Monomere an der Arbeitselektrode zu radikalischen Kationen, die mit anderen radikalen Kationen oder Monomeren zu PEDOT-Ketten reagieren, die sich auf der Elektrodenoberflächeablagern 1.
Verschiedene Kontrollfaktoren sind an der elektrochemischen Bildung von PEDOT-Filmen beteiligt, wie Elektrolyt, Elektrolyttyp, Elektrodenaufbau, Abscheidezeit, Dotierstofftyp und Lösungsmitteltemperatur1 PEDOT kann elektrochemisch erzeugt werden, indem Strom durch eine geeignete Elektrolytlösung geleitet wird. Verschiedene Elektrolyte wie wässrige (z. B. PEDOT-PSS), organische (z. B. PC, Acetonitril) und ionische Flüssigkeiten (z. B. 1-Butyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat (BMIMBF4)) können verwendet werden8.
Einer der Vorteile von PEDOT-Beschichtungen besteht darin, dass sie die Impedanz einer Au-Elektrode im Frequenzbereich von 1 kHz um zwei oder drei Größenordnungen deutlich verringern können, was es hilfreich macht, die Empfindlichkeit der direkten elektrochemischen Detektion der neuronalen Aktivitätzu erhöhen 9. Darüber hinaus erhöht sich die Ladungsspeicherkapazität der PEDOT-modifizierten Elektroden und führt zu schnelleren und geringeren Potentialreaktionen, wenn die Stimulationsladung durchPEDOT 10 übertragen wird. Wenn Polystyrolsulfonat (PSS) als Dotierstoff für die PEDOT-Bildung auf Au-Mikroelektrodenarrays verwendet wird, entsteht außerdem eine raue, poröse Oberfläche mit einer hohen aktiven Oberfläche, einer niedrigeren Grenzflächenimpedanz und einer höheren Ladungsinjektionskapazität11. Für den Elektropolymerisationsschritt macht EDOT-PSS normalerweise eine Dispersion in einem wässrigen Elektrolyten.
EDOT ist jedoch löslich in Chloroform, Aceton, ACN und anderen organischen Lösungsmitteln wie PC. Daher wurde in dieser Studie eine Mischung aus Wasser mit einem kleinen Volumen von ACN im Verhältnis 10: 1 verwendet, um eine lösliche EDOT-Lösung herzustellen, bevor die Elektropolymerisation beginnt. Der Zweck der Verwendung dieses wässrigen Elektrolyten besteht darin, den Akklimatisierungsschritt bei der Herstellung einer PEDOT-modifizierten Mikroelektrode wegzulassen und die Schritte zu verkürzen. Der andere organische Elektrolyt, der zum Vergleich mit dem wässrigen / ACN-Elektrolyten verwendet wird, ist PC. Beide Elektrolyte enthaltenLiClO4 als Dotierstoff, um bei der Oxidation des ETOT-Monomers und der Bildung des PEDOT-Polymers zu helfen.
Mikroelektroden sind voltammetrische Arbeitselektroden mit kleineren Durchmessern als Makroelektroden, etwa zehn Mikrometer oder weniger in der Dimension. Zu ihren Vorteilen gegenüber Makroelektroden gehören ein verbesserter Massentransport von der Lösung zur Elektrodenoberfläche, die Erzeugung eines stationären Signals, ein geringerer ohmscher Potentialabfall, eine geringere Doppelschichtkapazität und ein erhöhtes Signal-Rausch-Verhältnis12. Wie bei allen Festkörperelektroden müssen Mikroelektroden vor der Analyse konditioniert werden. Die geeignete Vorbehandlungs- oder Aktivierungstechnik ist das mechanische Polieren, um eine glatte Oberfläche zu erhalten, gefolgt von einem elektrochemischen oder chemischen Konditionierungsschritt, z. B. einem Potentialzyklus über einen bestimmten Bereich in einem geeignetenElektrolyten 13.
CV wird sehr häufig bei der elektrochemischen Polymerisation von PEDOT verwendet, indem Elektroden in eine Monomerlösung eingeführt werden, die ein geeignetes Lösungsmittel und Dotierelektrolyt beinhaltet. Diese elektrochemische Technik ist vorteilhaft bei der Bereitstellung von Richtungsinformationen wie der Reversibilität von leitenden Polymerdotierungsprozessen und der Anzahl der übertragenen Elektronen, Diffusionskoeffizienten von Analyten und der Bildung von Reaktionsprodukten. Dieses Papier beschreibt, wie zwei verschiedene Elektrolyte, die für die Elektropolymerisation von PEDOT verwendet werden, dünne Nanostrukturfilme mit einer potenziellen Sensoranwendung erzeugen können, die von der Morphologie und anderen intrinsischen Eigenschaften abhängt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die CV-Methode ermöglicht eine schnelle und einfache Messung verschiedener Analyten in Lebensmitteln, Wein und Getränken, Pflanzenextrakten und sogar biologischen Proben. Diese Technik erzeugt eine Vielzahl von Daten, einschließlich Oxidations- / Reduktionsspitzenpotentiale, Spitzenstromwerte des Zielanalyten (proportional zur Konzentration) und alle anderen aktuellen und potenziellen Werte nach jedem CV-Lauf. Obwohl die Verwendung von CV relativ einfach ist, müssen die gesammelten Daten manchmal aus Binärdateien in…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dank der Finanzierung durch das neuseeländische Ministerium für Wirtschaft, Innovation und Beschäftigung (MBIE) im Rahmen des Programms “High Performance Sensors”.
Materials
| Acetonitrile | Baker Analyzed HPLC Ultra Gradient Solvent | 75-05-8 | HPLC grade |
| Alumina polishing pad | BASi, USA | MF-1040 | tan/velvet color |
| Belgian chocolate milk | Puhoi Valley dairy company, Auckland, NZ | _ | Buy from local supermarket |
| Caramel/white chocolate milk | Puhoi Valley dairy company, Auckland, NZ | _ | Buy from local supermarket |
| CH instrument | CH instruments, Inc. USA | _ | Model CHI660E |
| Counter electrode | BASi, USA | MW-1032 | 7.5 cm long platinum wire (0.5 mm diameter) auxiliary/counter electrode, 99.95% purity |
| Disodium hydrogen phosphate (Na2HPO4, 2H2O) | Scharlau Chemie SA, Barcelona, Spain | 10028-24-7 | Weigh 17.8 g |
| DURAN bottle | University of Auckland | _ | The glasswares were made locally at the University of Auckland |
| Electrochemical cell | BASi, USA | MF-1208 | 5-15 mL volume, glass |
| Electrode Polishing Alumina Suspension | BASi, USA | CF-1050 | 7 mL of 0.05 µm particle size alumina polish |
| Espresso milk | Puhoi Valley dairy company, Auckland, NZ | _ | Buy from local supermarket |
| 3,4-Ethylenedioxythiophene (EDOT), 97% | Sigma-Aldrich | 126213-50-1 | Take 10.68 μL from bottle |
| FEI ESEM Quanta 200 FEG | USA | _ | SEM equipped with a Schottky field emission gun (FEG) for optimal spatial resolution. The instrument can be used in high vacuum mode (HV), low-vacuum mode (LV) and the so called ESEM (Environmental SEM) mode. |
| Gold microelectrode | BASi, USA | MF-2006 | Working electrode (10 μm diameter) |
| Lithium perchlorate, ACS reagent, ≥95% | Sigma-Aldrich | 7791-03-9 | Make 0.1 M solution |
| Micropipettes | Eppendorf | _ | 10-100 μL and 100-1000 volumes |
| MilliQ water | Thermo Scientific, USA | _ | 18.2 MΩ/cm at 25°C, Barnstead Nanopure Diamond Water Purification System |
| Propylene carbonate, Anhydrous, 99.7% | Sigma-Aldrich | 108-32-7 | Take 20 mL from bottle |
| Reference electrode | BASi, USA | MF-2052 | Silver/silver chloride (Ag/AgCl) electrode to be kept in 3 M sodium chloride |
| Replacement glass polishing plate | BASi, USA | MF-2128 | Glass plate as a stand to attach the polishing pad on it |
| Sodium dihydrogen phosphate (NaH2PO4, 1H2O) | Sigma-Aldrich | 10049-21-5 | Weigh 13.8 g |
| Sodium hydroxide pearls, AR | ECP-Analytical Reagent | 1310-73-2 | Make 0.1 M solution |
| Sodium perchlorate, ACS reagent, ≥98% | Sigma-Aldrich | 7601-89-0 | Make 0.1 M solution |
| Sulfuric acid (98%) | Merck | 7664-93-9 | Make 0.5 M solution |
| Uric acid | Sigma-Aldrich | 69-93-2 | Make 1 mM solution |
| Whole milk | Anchor dairy company, Auckland, NZ | Blue cap milk, buy from local supermarket |
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