पॉली की इलेक्ट्रोकेमिकल तैयारी (3,4-Ethylenedioxythiophene) यूरिक एसिड-सेंसिंग अनुप्रयोगों के लिए गोल्ड माइक्रोइलेक्ट्रोड्स पर परतें
Summary
हम पॉली (3,4-ethylenedioxythiophene) के इलेक्ट्रोपॉलीमराइजेशन के लिए जलीय और कार्बनिक विलायक प्रणालियों का वर्णन करते हैं ताकि सोने के माइक्रोइलेक्ट्रोड्स की सतह पर पतली परतें बनाई जा सकें, जिनका उपयोग कम आणविक वजन एनालिट्स को संवेदी करने के लिए किया जाता है।
Abstract
सोने के इलेक्ट्रोड पर पॉली (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) के संश्लेषण के लिए दो अलग-अलग तरीकों का वर्णन किया गया है, एक जलीय और एक कार्बनिक समाधान में 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) मोनोमर के इलेक्ट्रोपोलीमराइजेशन का उपयोग करके। चक्रीय वोल्टमेट्री (सीवी) का उपयोग पीईडीओटी पतली परतों के संश्लेषण में किया गया था। लिथियम परक्लोरेट (LiClO4) का उपयोग जलीय (जलीय / एसिटोनिट्राइल (एसीएन)) और कार्बनिक (प्रोपलीन कार्बोनेट (पीसी)) विलायक प्रणालियों दोनों में एक डोपंत के रूप में किया गया था। कार्बनिक प्रणाली में पीईडीओटी परत बनाने के बाद, इलेक्ट्रोड सतह को जलीय नमूनों के लिए एक सेंसर के रूप में उपयोग के लिए एक जलीय समाधान में लगातार साइकिल चलाकर अनुकूलित किया गया था।
एक जलीय-आधारित इलेक्ट्रोपॉलीमराइजेशन विधि के उपयोग से एक छोटा सेंसर तैयारी समय रखने के लिए अनुकूलन चरण को हटाने का संभावित लाभ होता है। यद्यपि जलीय विधि कार्बनिक विलायक विधि की तुलना में अधिक किफायती और पर्यावरण के अनुकूल है, कार्बनिक समाधान में बेहतर पीईडीओटी गठन प्राप्त किया जाता है। परिणामी PEDOT इलेक्ट्रोड सतहों को स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) की विशेषता थी, जिसने कार्बनिक पीसी समाधान से इलेक्ट्रोपॉलिमराइजेशन के दौरान PEDOT की निरंतर वृद्धि को दिखाया, जिसमें सोने (Au) माइक्रोइलेक्ट्रोड्स पर तेजी से भग्न-प्रकार की वृद्धि हुई।
Introduction
विद्युत रूप से संचालित पॉलिमर कार्बनिक सामग्री हैं जो इंटरफेस को बेहतर बनाने के लिए बायोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं। पारंपरिक पॉलिमर के समान, पॉलिमर का संचालन करना आसान है और प्रसंस्करण1 के दौरान लचीला होता है। संचालन पॉलिमर को रासायनिक और विद्युत रासायनिक विधियों का उपयोग करके संश्लेषित किया जा सकता है; हालांकि, इलेक्ट्रोकेमिकल संश्लेषण दृष्टिकोण विशेष रूप से अनुकूल हैं। यह मुख्य रूप से पतली फिल्मों को बनाने की उनकी क्षमता के कारण है, एक साथ डोपिंग की अनुमति देता है, संचालन बहुलक में अणुओं को कैप्चर करता है, और सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि संश्लेषण प्रक्रियाकी सादगी 1। इसके अलावा, पॉलिमर का संचालन एक समान, रेशेदार और ऊबड़-खाबड़ नैनोस्ट्रक्चर बनाते हैं, जो इलेक्ट्रोड सतह के दृढ़ता से अनुयायी होते हैं, जो इलेक्ट्रोड2 के सक्रिय सतह क्षेत्र को बढ़ाता है।
1980 के दशक में, कुछ पॉलीहेटेरोसाइकिल, जैसे पॉलीपाइरोल, पॉलीएनिलिन, पॉलीथिओफेन और पीईडीओटी, विकसित किए गए थे, जिन्होंने अच्छी चालकता, संश्लेषण में आसानी और स्थिरता 3,4 दिखाई थी। हालांकि पॉलीपाइरोल को अन्य पॉलिमर (जैसे, पॉलीथिओफेन डेरिवेटिव) की तुलना में बेहतर समझा जाता है, यह अपरिवर्तनीय ऑक्सीकरण5 के लिए प्रवण है। इस प्रकार, PEDOT के बाकी हिस्सों पर कुछ फायदे हैं क्योंकि इसमें बहुत अधिक स्थिर ऑक्सीडेटिव राज्य है और समान परिस्थितियों में पॉलीपाइरोल की तुलना में इसकी चालकता का 89% बरकरार रखताहै। इसके अलावा, PEDOT को उच्च विद्युतचालकता (~ 500 S / cm) और एक मध्यम बैंड गैप (यानी, बैंड अंतराल या ऊर्जा अंतराल बिना किसी चार्ज के क्षेत्र हैं और एक वैलेंस बैंड के शीर्ष और एक चालन बैंड के नीचे के बीच ऊर्जा अंतर को संदर्भित करते हैं) 7 के लिए जाना जाता है।
इसके अलावा, पीईडीओटी में इलेक्ट्रोकेमिकल गुण होते हैं, ऑक्सीकरण के लिए कम क्षमता की आवश्यकता होती है, और संश्लेषित होने के बाद पॉलीपायरोल की तुलना में समय के साथ अधिक स्थिर होताहै। इसमें अच्छी ऑप्टिकल पारदर्शिता भी है, जिसका अर्थ है कि इसका ऑप्टिकल अवशोषण गुणांक, विशेष रूप से PEDOT-polystyrene sulfonate (PEDOT-PSS) के रूप में, 400-700 एनएम7 पर विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के दृश्य क्षेत्र में है। PEDOT के गठन में इलेक्ट्रोकेमिकल रूप से, EDOT मोनोमर्स रेडिकल धनायन बनाने के लिए काम करने वाले इलेक्ट्रोड पर ऑक्सीकरण करते हैं, जो अन्य कट्टरपंथी धनायनों या मोनोमर्स के साथ प्रतिक्रिया करते हैं ताकि PEDOT चेन बनाया जा सके जो इलेक्ट्रोड सतह1 पर जमा होते हैं।
विभिन्न नियंत्रण कारक पीईडीओटी फिल्मों के इलेक्ट्रोकेमिकल गठन में शामिल होते हैं, जैसे इलेक्ट्रोलाइट, इलेक्ट्रोलाइट प्रकार, इलेक्ट्रोड सेटअप, जमाव समय, डोपंत प्रकार, और विलायक तापमान1 पीईडीओटी को एक उपयुक्त इलेक्ट्रोलाइट समाधान के माध्यम से वर्तमान पारित करके इलेक्ट्रोकेमिकल रूप से उत्पन्न किया जा सकता है। विभिन्न इलेक्ट्रोलाइट्स जैसे जलीय (जैसे, PEDOT-PSS), कार्बनिक (जैसे, PC, acetonitrile), और आयनिक तरल पदार्थ (जैसे, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMIMBF4)) का उपयोग किया जा सकताहै।
PEDOT कोटिंग्स के फायदों में से एक यह है कि यह परिमाण के दो या तीन आदेशों द्वारा 1 kHz आवृत्ति सीमा में एक Au इलेक्ट्रोड की प्रतिबाधा को काफी कम कर सकता है, जो इसे तंत्रिका गतिविधि9 के प्रत्यक्ष इलेक्ट्रोकेमिकल डिटेक्शन की संवेदनशीलता को बढ़ाने में सहायक बनाता है। इसके अलावा, पीईडीओटी-संशोधित इलेक्ट्रोड की चार्ज स्टोरेज क्षमता बढ़ जाती है और इसके परिणामस्वरूप तेजी से और कम संभावित प्रतिक्रियाएं होती हैं जब उत्तेजना चार्ज को पीईडीओटी10 के माध्यम से स्थानांतरित किया जाता है। इसके अलावा, जब polystyrene sulfonate (PSS) Au microelectrode सरणियों पर PEDOT गठन के लिए एक dopant के रूप में प्रयोग किया जाता है, यह एक उच्च सक्रिय सतह क्षेत्र, कम इंटरफ़ेस प्रतिबाधा, और उच्च चार्ज इंजेक्शन क्षमता11 के साथ एक किसी न किसी, झरझरा सतह बनाता है। इलेक्ट्रोपॉलीमराइजेशन चरण के लिए, ईडीओटी-पीएसएस आमतौर पर एक जलीय इलेक्ट्रोलाइट में एक फैलाव बनाता है।
हालांकि, ईडीओटी क्लोरोफॉर्म, एसीटोन, एसीएन और पीसी जैसे अन्य कार्बनिक सॉल्वैंट्स में घुलनशील है। इसलिए, इस अध्ययन में, पानी के मिश्रण का उपयोग 10: 1 अनुपात में एसीएन की एक छोटी मात्रा के साथ किया गया था ताकि इलेक्ट्रोपॉलिमराइजेशन शुरू होने से पहले घुलनशील ईडीओटी समाधान बनाया जा सके। इस जलीय इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करने का उद्देश्य PEDOT-संशोधित माइक्रोइलेक्ट्रोड की तैयारी में acclimatization चरण को छोड़ना और चरणों को छोटा करना है। जलीय / एसीएन इलेक्ट्रोलाइट के साथ तुलना करने के लिए उपयोग किया जाने वाला अन्य कार्बनिक इलेक्ट्रोलाइट पीसी है। दोनों इलेक्ट्रोलाइट्स में ईडीओटी मोनोमर को ऑक्सीकरण करने और पीईडीओटी बहुलक बनाने में मदद करने के लिए डोपंत के रूप में LiClO4 होता है।
माइक्रोइलेक्ट्रोड मैक्रोइलेक्ट्रोड्स की तुलना में छोटे व्यास के साथ वोल्टमेट्रिक काम करने वाले इलेक्ट्रोड हैं, लगभग दसियों माइक्रोमीटर या आयाम में कम। मैक्रोइलेक्ट्रोड्स पर उनके फायदों में इलेक्ट्रोड सतह की ओर समाधान से बढ़े हुए द्रव्यमान परिवहन शामिल हैं, जो एक स्थिर-राज्य संकेत, एक कम ओहमिक संभावित ड्रॉप, एक कम डबल-लेयर धारिता, और एक बढ़े हुए सिग्नल-टू-शोर अनुपात12 उत्पन्न करते हैं। सभी ठोस इलेक्ट्रोड के समान, माइक्रोइलेक्ट्रोड्स को विश्लेषण से पहले वातानुकूलित करने की आवश्यकता होती है। उपयुक्त pretreatment या सक्रियण तकनीक एक चिकनी सतह प्राप्त करने के लिए यांत्रिक चमकाने है, एक इलेक्ट्रोकेमिकल या रासायनिक कंडीशनिंग चरण के बाद, जैसे कि एक उपयुक्त इलेक्ट्रोलाइट13 में एक विशेष सीमा पर संभावित साइकिल चलाना।
सीवी का उपयोग आमतौर पर पीईडीओटी के इलेक्ट्रोकेमिकल पोलीमराइजेशन में एक मोनोमर समाधान में इलेक्ट्रोड डालकर किया जाता है जिसमें एक उपयुक्त विलायक और डोपंत इलेक्ट्रोलाइट शामिल होता है। यह इलेक्ट्रोकेमिकल तकनीक दिशा की जानकारी प्रदान करने में फायदेमंद है जैसे कि बहुलक डोपिंग प्रक्रियाओं के संचालन की उत्क्रमणता और स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या, एनालिस्ट के प्रसार गुणांक, और प्रतिक्रिया उत्पादों का गठन। यह पेपर वर्णन करता है कि कैसे पीईडीओटी के इलेक्ट्रोपोलीमराइजेशन के लिए उपयोग किए जाने वाले दो अलग-अलग इलेक्ट्रोलाइट्स एक संभावित संवेदन अनुप्रयोग के साथ पतली नैनोस्ट्रक्चर फिल्में उत्पन्न कर सकते हैं जो आकृति विज्ञान और अन्य आंतरिक गुणों पर निर्भर करता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
सीवी विधि खाद्य पदार्थों, शराब और पेय पदार्थों, पौधे के अर्क और यहां तक कि जैविक नमूनों में विभिन्न analytes के तेजी से और सरल माप के लिए अनुमति देता है। यह तकनीक विभिन्न प्रकार के डेटा का उत्पादन करती है, जिसम…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
“उच्च प्रदर्शन सेंसर” कार्यक्रम के भीतर न्यूजीलैंड के व्यापार, नवाचार और रोजगार (MBIE) मंत्रालय द्वारा प्रदान किए गए धन के लिए धन्यवाद।
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 |
References
- Guimard, N. K., Gomez, N., Schmidt, C. E. Conducting polymers in biomedical engineering. Progress in Polymer Science. 32 (8), 876-921 (2007).
- 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. Activation of solid electrodes. Electroanalysis. 4 (9), 829-834 (1992).
- 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).
