Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Elektrokjemisk fremstilling av poly(3,4-etylendioksytrofin) lag på gullmikroelektroder for urinsyre-sensing applikasjoner

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 vandige og organiske løsningsmiddelsystemer for elektropolymerisering av poly (3,4-etylendioksytrofin) for å skape tynne lag på overflaten av gullmikroelektroder, som brukes til sensing lavmolekylær analytter.

Abstract

To forskjellige metoder for syntese av poly (3,4-etylendioksythiophene) (PEDOT) på gullelektroder er beskrevet ved hjelp av elektropolymerisering av 3,4-etylendioksythiophene (EDOT) monomer i en vandig og en organisk løsning. Syklisk voltammetri (CV) ble brukt i syntesen av PEDOT tynne lag. Litiumperklorat (LiClO4) ble brukt som dopant i både vandige (vandige/acetonitrile (ACN)) og organiske (propylenkarbonat (PC)) løsningsmiddelsystemer. Etter at PEDOT-laget ble opprettet i det organiske systemet, ble elektrodeoverflaten akklimatisert ved etterfølgende sykling i en vandig løsning for bruk som sensor for vandige prøver.

Bruken av en vandig elektropolymeriseringsmetode har den potensielle fordelen av å fjerne akklimatiseringstrinnet for å ha kortere sensorforberedelsestid. Selv om vandig metode er mer økonomisk og miljøvennlig enn den organiske løsningsmiddelmetoden, oppnås overlegen PEDOT-dannelse i den organiske løsningen. De resulterende PEDOT-elektrodeoverflatene var preget av skanning av elektronmikroskopi (SEM), som viste den konstante veksten av PEDOT under elektropolymerisering fra den organiske PC-løsningen, med rask fraktal-type vekst på gull (Au) mikroelektroder.

Introduction

Elektrisk ledende polymerer er organiske materialer som er mye brukt i bioelektroniske enheter for å forbedre grensesnitt. I likhet med konvensjonelle polymerer er ledende polymerer enkle å syntetisere og er fleksible under behandling1. Gjennomføring av polymerer kan syntetiseres ved hjelp av kjemiske og elektrokjemiske metoder; Imidlertid er elektrokjemiske syntesetilnærminger spesielt gunstige. Dette skyldes hovedsakelig deres evne til å danne tynne filmer, tillate samtidig doping, fange molekyler i ledende polymer, og viktigst av alt, enkelheten i synteseprosessen1. I tillegg danner ledende polymerer ensartede, fibrøse og humpete nanostrukturer, fast festet til elektrodeoverflaten, noe som øker det aktive overflateområdet til elektroden2.

På 1980-tallet ble det utviklet visse polyheterocykler, som polypyrrol, polyanilin, polythiophene og PEDOT, som viste god ledningsevne, enkel syntese og stabilitet 3,4. Selv om polypyrrol er bedre forstått enn andre polymerer (f.eks. polythofenderivater), er det utsatt for irreversibel oksidasjon5. Dermed har PEDOT visse fordeler i forhold til resten, da den har en mye mer stabil oksidativ tilstand og beholder 89% av sin ledningsevne sammenlignet med polypyrrol under lignende forhold6. I tillegg er PEDOT kjent for høy elektroledningsevne (~500 S/cm) og et moderat båndgap (dvs. båndhull eller energihull er regioner uten ladning og refererer til energiforskjellen mellom toppen av et valensbånd og bunnen av et ledningsbånd)7.

Videre har PEDOT elektrokjemiske egenskaper, trenger lavere potensialer for å bli oksidert, og er mer stabil over tid enn polypyrrol etter å ha blitt syntetisert7. Den har også god optisk gjennomsiktighet, noe som betyr at den optiske absorpsjonskoeffisienten, spesielt i form av PEDOT-polystyrensulfonat (PEDOT-PSS), er i den synlige regionen av det elektromagnetiske spekteret ved 400-700 nm7. Ved dannelsen av PEDOT elektrokjemisk oksiderer EDOT-monomerer ved arbeidselektroden for å danne radikale kasjoner, som reagerer med andre radikale kasjoner eller monomerer for å skape PEDOT-kjeder som deponerer på elektrodeoverflaten1.

Ulike kontrollerende faktorer er involvert i den elektrokjemiske dannelsen av PEDOT-filmer, for eksempel elektrolytttype, elektrodeoppsett, avsetningstid, dopanttype og løsningsmiddeltemperatur1 PEDOT kan genereres elektrokjemisk ved å passere strøm gjennom en passende elektrolyttløsning. Ulike elektrolytter som vandige (f.eks. PEDOT-PSS), organiske (f.eks. PC, acetonitrile) og ioniske væsker (f.eks. 1-butyl-3-metylimidazolium tetrafluoroborate (BMIMBF4)) kan brukes8.

En av fordelene med PEDOT-belegg er at det kan redusere impedansen til en Au-elektrode i frekvensområdet på 1 kHz betydelig med to eller tre størrelsesordener, noe som gjør det nyttig å øke følsomheten for direkte elektrokjemisk deteksjon av nevral aktivitet9. Dessuten øker ladelagringskapasiteten til de PEDOT-modifiserte elektrodene og resulterer i raskere og lavere potensielle responser når stimuleringsladning overføres gjennom PEDOT10. I tillegg, når polystyren sulfonat (PSS) brukes som en dopant for PEDOT-dannelse på Au microelectrode arrays, skaper det en grov, porøs overflate med høyt aktivt overflateareal, lavere grensesnittimpedans og høyere ladeinjeksjonskapasitet11. For elektropolymeriseringstrinnet gjør EDOT-PSS vanligvis en dispersjon i en vandig elektrolytt.

Imidlertid er EDOT løselig i kloroform, aceton, ACN og andre organiske løsningsmidler som PC. Derfor ble det i denne studien brukt en blanding av vann med et lite volum ACN i et 10: 1-forhold for å lage en løselig EDOT-løsning før elektropolymerisering starter. Hensikten med å bruke denne vandige elektrolytten er å utelate akklimatiseringstrinnet i utarbeidelsen av PEDOT-modifisert mikroelektrode og forkorte trinnene. Den andre organiske elektrolytten som brukes til å sammenligne med vandig / ACN elektrolytt er PC. Begge elektrolyttene inneholder LiClO4 som en dopant for å hjelpe til med å oksidere EDOT-monomeren og danne PEDOT-polymeren.

Mikroelektroder er voltammetriske arbeidselektroder med mindre diametre enn makroelektroder, omtrent titalls mikrometer eller mindre i dimensjon. Deres fordeler i forhold til makroelektroder inkluderer forbedret massetransport fra løsningen mot elektrodeoverflaten, genererer et steady-state-signal, et lavere ohmsk potensialfall, en lavere dobbeltlags kapasitans og et økt signal-til-støy-forhold12. I likhet med alle faste elektroder må mikroelektroder kondisjoneres før analyse. Den aktuelle forbehandlings- eller aktiveringsteknikken er mekanisk polering for å oppnå en jevn overflate, etterfulgt av et elektrokjemisk eller kjemisk kondisjoneringstrinn, for eksempel potensiell sykling over et bestemt område i en passende elektrolytt13.

CV er svært vanlig i elektrokjemisk polymerisering av PEDOT ved å sette inn elektroder i en monomerløsning som innebærer et egnet løsningsmiddel og dopantelektrolytt. Denne elektrokjemiske teknikken er gunstig for å gi retningsinformasjon som reversibilitet av å gjennomføre polymerdopingprosesser og antall overførte elektroner, diffusjonskoeffisienter av analytter og dannelsen av reaksjonsprodukter. Dette dokumentet beskriver hvordan to forskjellige elektrolytter som brukes til elektropolymerisering av PEDOT kan generere tynne nanostrukturfilmer med en potensiell sensorapplikasjon som avhenger av morfologien og andre iboende egenskaper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Utarbeide analytiske løsninger

  1. Forbereder 0,1 M EDOT i en organisk løsning
    1. Vei ut 0,213 g LiClO4 og overfør den til en 20 ml volumetrisk kolbe.
    2. Bruk en målesylinder til å ta 20 ml PC fra flasken.
    3. Legg PC til den 20 ml volumetriske kolben som inneholder LiClO4. Bland løsningen ved å plassere kolben i et ultralydbad i 30 min. Overfør løsningen til et 20 ml hetteglass.
    4. Dekk hetteglasset med aluminiumsfolie og sett inn en lang nål festet til et nitrogenrør i løsningen for å degas i 10 min. Fjern deretter aluminiumsfolie og hette hetteglasset tett.
      MERK: Forbered LiClO4 friskt på eksperimentets dag.
    5. Før den elektrokjemiske testen, overfør 1 ml av den forberedte LiClO4-løsningen (0,1 M) til en elektrokjemisk celle (se materialtabellen).
    6. Bruk en mikropipette (10-100 μL) for å tilsette 10,68 μL EDOT monomer (tetthet: 1,331 g/ml) til den elektrokjemiske cellen som inneholder den tilberedte LiClO4-løsningen .
    7. Kjør CV-metoden (se pkt. 3.4 for CV-parametere) for å starte elektropolymerisering av EDOT på den nakne Au microelectrode-overflaten etter at alle elektrodeoppsett er satt inn i oppløsningen. Bruk denne modifiserte elektroden til å karakterisere overflaten ved å skanne elektronmikroskopi (SEM).
    8. For å bruke denne modifiserte elektroden til sensorformål, akklimatiser først overflaten til en vandig løsning ved å kjøre CV-skanninger i natriumperkloratoppløsningen (NaClO4) (se pkt. 3.4 for CV-parametere).
    9. Bruk denne organisk PEDOT-modifiserte og akklimatiserte mikroelektroden (fra 1.1.8) til å kjøre CV (se pkt. 3.4 for CV-parametrene) til en fosfatbufferløsning som skal brukes som bakgrunnsskanning.
      MERK: Skyll elektroden etter hvert trinn.
    10. Til slutt, ta ut elektroden fra bufferløsningen uten skylling, og sett den umiddelbart inn i urinsyreløsninger eller melkeprøver for å kjøre CV-skanninger (se pkt. 3.4 for CV-parametere).
  2. Klargjøre 0,01 M EDOT i en vandig løsning
    1. Bruk en mikropipette til å ta 10,68 μL EDOT og tilsett 1 ml ACN i et hetteglass med glass.
    2. Tilsett 9 ml deionisert vann (18,2 MΩ/cm ved 25 °C) i hetteglasset for å tilberede 10 ml 0,01 M EDOT-oppløsning.
    3. Tilsett 0,11 g LiClO4 pulver til den tilberedte EDOT-oppløsningen for å oppnå 0,1 M LiClO4-oppløsning , og bland forsiktig.
      MERK: Forbered elektrolyttløsningene på eksperimentets dag.
    4. Overfør den klargjorte løsningen til den elektrokjemiske cellen og start elektropolymerisering av 0,01 M EDOT på elektrodeoverflaten ved HJELP av CV-metoden (se avsnitt 3.4 for CV-parametere) etter at elektroden er satt inn i vandig/ACN-løsning.
    5. Karakteriser overflaten av denne modifiserte elektroden av SEM.
  3. Forbereder 0,1 M natriumperkloratoppløsning
    1. Vei ut 0,245 g NaClO4 og overfør det til et hetteglass med glass som inneholder 20 ml deionisert vann (18,2 MΩ/cm ved 25 °C).
    2. Bruk denne løsningen til å akklimatisere overflaten av den organisk laget PEDOT-modifiserte Au mikroelektroden til en vandig løsning og for å fjerne overflødig EDOT. Til dette formål, skyll elektroden og sett den inn i NaClO4-løsningen ; kjør deretter CV i 10 sykluser (se pkt. 3.4 for CV-parametere).
  4. Forbereder bufferløsning
    1. Vei ut 13,8 g natriumdihydrogenfosfat (NaH2PO4. 1H2O) i en veiebåt. Overfør den til en 500 ml volumetrisk kolbe (dvs. det nødvendige endelige volumet) og fyll den opp til linjen med deionisert vann (18,2 MΩ / cm ved 25 °C).
    2. Plasser kolben i et ultralydbad til pulveret oppløses helt i vannet, noe som resulterer i en 0,2 M løsning.
    3. I en ny veiebåt veier du ut 17,8 g disodium hydrogenfosfat (Na2HPO4. 2H2O) og overfører den til en annen 500 ml volumetrisk kolbe. Fyll den på med deionisert vann for å få en 0,2 M løsning. Plasser kolben i et ultralydbad for å oppløse ordentlig.
    4. Bland 62,5 ml natriumdihydrogenfosfatoppløsning med 37,5 ml disodium hydrogenfosfatoppløsning i en målesylinder og overfør blandingen til en 250 ml glassflaske (se materialtabellen). Fyll den opp med ytterligere 100 ml deionisert vann for å oppnå 200 ml 0,1 M fosfatbufferløsning, pH 6,6. Kjøl fosfatbufferen for langvarig bruk.
      MERK: Før bufferen til romtemperatur før hvert eksperiment.
  5. Forbereder målanalyttløsninger
    1. Vei ut 0,0084 g urinsyre (UA) i en veiebåt, og oppløs den i 50 ml fosfatbuffer (pH 6,6) i en volumetrisk kolbe for å oppnå en 1 mM UA-løsning.
    2. Degas løsningen ved nitrogenrensing i 10 min.
      MERK: Det anbefales å tilberede UA-løsningen frisk på eksperimentets dag.
  6. Forbereder melkeprøver for analyse
    1. Få en fullmælkprøve og noen melkeprøver med forskjellige smaker (f.eks. espressomelk, karamell/hvit sjokolademelk og belgisk sjokolademelk) fra et lokalt supermarked for elektroanalyse. Ikke forbehandle eller fortynn melkeprøvene.
    2. Bruk en 5 ml mikropipette for å ta 5 ml av hver melkeprøve fra de nyåpnede flaskene.
    3. Først kjører du CV med fosfatbuffer, pH 6.6, som bakgrunnssignal. Tilsett deretter 5 ml melkeprøven i den elektrokjemiske cellen, og sett inn ny- og organisk laget, PEDOT-modifisert Au mikroelektrod og andre elektroder i melkeprøvene og kjør CV. Se avsnitt 4 i protokollen for hvordan du analyserer de innsamlede dataene.
  7. Klargjøring av elektrodeforbehandlingsløsninger
    1. Vei ut 0,2 g natriumhydroksid (NaOH) pulver og overfør det til en 50 ml volumetrisk kolbe for å lage en 0,1 M løsning.
    2. Bruk 0,1 M NaOH-oppløsningen til å fjerne rester av PEDOT dannet på mikroelektrodeoverflaten etter hver kjøring.
    3. Bruk en glasspipette til å trekke 27,2 ml ut av en 98 % svovelsyreflaske (H2SO4). Tilsett den veldig sakte til en 1 L volumetrisk kolbe halvfylt med deionisert vann.
    4. Fyll opp kolben til linjen med deionisert vann for å forberede 1 L av en 0,5 M H2SO4-løsning .
      MERK: Klargjør H2SO4-oppløsningen under en avtrekkshette for sikkerhet. Bruk H2SO4-oppløsningen i det endelige elektrokjemiske rengjøringstrinnet på mikroelektroden.

2. Forbehandling av gullmikroelektroden

  1. Poler Au microelectrode (10 μm diameter, 3,5 mm bredde x 7 cm lang) på en alumina poleringspute plassert på en glasspoleringsplate (dimensjoner: 3 " x 3 " firkanter) ved hjelp av en alumina slurry i 30 s med sirkulære og åtteformede håndbevegelser under polering.
  2. Skyll Au microelectrode med deionisert vann, sett det inn i et hetteglass med 15 ml absolutt etanol (LR-klasse) og ultralyd i 2 minutter.
  3. Skyll Au mikroelektroroden med etanol og vann og igjen ultralydat den i 4 min i deionisert vann for å fjerne overflødig alumina fra elektrodeoverflaten.
  4. Til slutt fjerner du ekstra urenheter ved å sykle i 0,5 M H2SO4 for 20 segmenter mellom 0,4 og 1,6 V potensialer (vs. Ag / AgCl) med en 50 mV / s skannehastighet. Forsikre deg om at det er to klare topper på grunn av dannelsen og reduksjonen av gulloksid ved konsistente anodisk og katodisk potensial hver gang elektroden rengjøres i H2SO4.

3. Syklisk voltammetri teknikk

  1. Bruk en egnet potensiostat til å kjøre CV som den elektrokjemiske teknikken av interesse.
  2. Slå på potensiostaten og datamaskinen som er koblet til den. Kontroller at systemet er tilkoblet.
  3. For å teste kommunikasjonen mellom datamaskinen og instrumentet, start programvaren og slå på instrumentet. Bruk kommandoen Maskinvaretest på Oppsett -menyen. Hvis det vises en feil med kobling mislyktes , kontrollerer du tilkoblings- og portinnstillingene.
  4. Åpne potentiostat-programvaren på datamaskinen, og velg Teknikk på Oppsett-menyen. Fra åpningsvinduet velger du syklisk voltammetri (CV). Gå igjen tilbake til Oppsett-menyen og klikk på Parametere for å angi de eksperimentelle parametrene for CV-kjøringen.
    1. Bruk følgende CV-parametere for å kjøre PEDOT elektropolymerisering i en organisk elektrolytt på den nakne Au microelectrode: innledende potensial: -0,3 V, endelig potensial: -0,3 V, høyt potensial: 1,2 V, antall segmenter: 8, skannehastigheter: 100 mV /s, retning: positiv.
    2. Bruk følgende CV-parametere for å kjøre PEDOT-elektropolymerisering i en vandig/ACN-elektrolytt på den nakne Au microelectrode: innledende potensial: -0,3 V, endelig potensial: -0,3 V, høyt potensial: 1,2 V, antall segmenter: 20, skannehastigheter: 100 mV/s, retning: positiv.
    3. Bruk følgende CV-parametere til å kjøre akklimatiseringstrinnet til den organisk laget PEDOT-modifiserte Au microelectrode: innledende potensial: -0,2 V, endelig potensial: -0,2 V, høyt potensial: 0,8 V, antall segmenter: 20, skannehastigheter: 100 mV/s, retning: positiv.
    4. Bruk følgende CV-parametere for UA-standardløsninger og fosfatbuffer (pH 6.6) med bare Au microelectrode: innledende potensial: 0 V, endelig potensial: 0 V, høyt potensial: 1 V, antall segmenter: 2, skannehastigheter: 100 mV/s og retning: positiv.
    5. Bruk følgende CV-parametere for UA-standardløsninger og fosfatbuffer (pH 6.6) på det organisk laget, PEDOT-modifiserte Au microelectrode: innledende potensial: 0 V, endelig potensial: 0 V, høyt potensial: 0,6 V, antall segmenter: 2, skannehastigheter: 100 mV/s og retning: positiv.
    6. Bruk følgende CV-parametere for melkeprøver og fosfatbuffer (pH 6.6) på organisk laget, PEDOT-modifisert Au microelectrode: innledende potensial: 0 V, endelig potensial: 0 V, høyt potensial: 0,8 V, antall segmenter: 2, skannehastigheter: 100 mV/s, retning: positiv.
  5. Forbered tre elektrodeoppsett i en glasselektrokjemisk celle, inkludert en arbeidselektrode (Au microelectrode (10 μm diameter)), en referanseelektrode (f.eks. sølv/sølvklorid (Ag/AgCl) i 3 M natriumklorid (NaCl) og en platinatrådtellerelektrode.
  6. Før disse rene og tørkede elektrodene gjennom hullene på en elektrodeholder festet til et stativ. Plasser deretter holderen over den elektrokjemiske cellen for å sette inn elektrodene i målløsningen eller prøven.
  7. Påse at det ikke er bobler på elektrodeoverflatene.
    1. Hvis det er bobler, fjern elektrodene, skyll med deionisert vann igjen og klapp tørt med et vev. Plasser elektrodene tilbake i stativholderen og i oppløsningen.
    2. Hvis det er bobler rundt referanseelektroden, trykker du forsiktig på spissen.
    3. Hvis det er bobler rundt motelektroden etter at den har begynt å gå, rengjør du motelektroden. Hvis CV-skanningen blir støyende, rengjør elektrodeoverflaten og kontroller systemtilkoblingene, ledningene og klipsene.
  8. Kontroller at alle de tre ledningstilkoblingene for referanse-, arbeids- og motelektroder er riktig tilkoblet, og start deretter eksperimentet ved å klikke på Kjør nederst.
  9. Kjør alle eksperimenter ved romtemperatur. For melkeprøver, la temperaturen på melkeprøvene nå omgivelsestemperaturen før du kjører CV.

4. Datainnsamling og analyse

  1. Når du har kjørt CV, lagrer du dataene i ønsket format (CSV eller Bin) i en mappe, og deretter bruker du en USB-minnepinne til å samle dem inn. Analyser dataene ved hjelp av riktig programvare. Konverter CSV-filer til regneark for enklere analyse.
    MERK: Hvis data lagres i formatet til en binær fil, konverterer du dem til formatet tekstkomma før datainnsamling i en USB-minnepinne.
  2. For å analysere CVen med melkeprøver, trekk CVen med melk fra bakgrunns-CV-en (dvs. CV med fosfatbuffer (pH 6.6) tatt før du kjører hver melkeprøve) for å produsere kurver på grunn av melkeprofiloksidasjon.

5. Teknikker for å karakterisere PEDOT

  1. Bruk en bestemt type høyytelses SEM for å karakterisere PEDOT-lagene laget i forskjellige elektrolytter.
    MERK: Her ble FEI Quanta 200 ESEM FEG brukt; den er utstyrt med en Schottky feltutslippspistol (FEG) for bedre romlig oppløsning. Dette instrumentet gir forskjellige arbeidsmoduser som høyvakuum, lavt vakuum og miljømessige SEM-moduser og er utstyrt med en SiLi (litiumdrevet) Super Ultra-Thin Window EDS-detektor.
  2. Kontroller overflatemorfologien til både nakne og PEDOT-modifiserte Au (PEDOT-Au) mikroelektroder av SEM etter PEDOT elektropolymerisering i organiske og vandige løsninger. Utfør PEDOT elektropolymerisering på bare Au mikroelektroder i vandige / ACN og organiske løsninger umiddelbart før du sjekker dem av SEM.
  3. Plasser de nylagde elektrodene (en bar Au mikroelektrod og to av PEDOT-Au mikroelektrodene) på SEM-scenen horisontalt, med hodet over scenen i en viss vinkel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Syklisk voltammetri er en enkel teknikk for å danne et tynt PEDOT-lag på en Au mikroelektrode overflate for å øke elektrodeledningsevnen og følsomheten under elektrokjemisk sensing av målanalytter. Denne protokollen demonstrerer metoden for elektropolymerisering av 0,1 M EDOT fra en organisk løsning sammenlignet med 0,01 M EDOT fra en vandig elektrolyttløsning. Kjøring av 10 sykluser i vandig/ACN-løsning resulterer i en moderat vekst av PEDOT som kan sammenlignes med de 4 syklusene i LiClO4/PC-løsningen. Figur 1 viser en tydelig forskjell mellom EDOT elektropolymerisert i vandige/ACN- og organiske løsninger, med de påfølgende PEDOT-lagene dannet ved å bruke CV. Det er tydelig at ved sykling fra -0,3 til +1,2 V (vs. Ag/AgCl i 3 M NaCl) med en 100 mV/s skannehastighet, begynte polymeren å oksidere ved 0,9 V i både elektrolyttløsninger (figur 1A og figur 1C), med en oksidasjonstopp sett ved 1 V i den vandige /ACN-løsningen.

Ved nærmere inspeksjon viser PEDOT-lagene i den organiske løsningen etter 4 sykluser høyere strømverdier (~2,9 μA) ved 1,2 V sammenlignet med strømverdien (0,23 μA) sett for PEDOT-lag dannet med dette potensialet i den vandige/ACN-løsningen. Når antall elektropolymeriseringssykluser øker under CV-løp, blir de nye lagene av PEDOT gradvis laget på elektrodeoverflaten for å øke tykkelsen på lagene. Dette kan skyldes redoksreaksjonene som forekommer i den interne PEDOT mellom det potensielle området 0 til 0,7 V (figur 1B og figur 1D). Figur 1B og figur 1D viser et smalere potensielt område for å vise PEDOT-veksten riktig. De nåværende tetthetsverdiene på høyre side av hver graf ble beregnet ved å dele gjeldende verdier på venstre side av grafen med det geometriske overflatearealet til den umodifiserte Au-mikroelektroden (78,5 × 10-8 cm2, r = 5 × 10-4 cm).

SEM-analyse ble utført for å bekrefte effektiviteten av PEDOT-lagdannelse ved elektropolymerisering i de to elektrolyttløsningene (figur 2A-F). Bildene tatt av SEM ble valgt med forskjellige forstørrelser (4000x, 30000x og 60000x). Det geometriske overflatearealet til nakne og PEDOT-Au mikroelektroder kan etableres ved hjelp av disse bildene. Figur 2A bekrefter en diameter på ~10 μm for mikroelekroden i rent gull. Derfor er overflatearealet beregnet til ~ 78,5 × 10-8 cm2. Diameteren på PEDOT nanostruktur dannet i den organiske løsningen etter 4 sykluser på overflaten av Au mikroelektroden var ~ 40 μm (figur 2C, D). Til sammenligning var PEDOT-veksten på elektrodeoverflaten lavere etter 10 sykluser med elektropolymerisering. Det blir sett på som fjellpolymeriske egenskaper på elektrodeomkretsen med en depresjon i midten (figur 2E, F).

SEM-bildene gir bevis for overlegenheten til PEDOT-veksten i den organiske løsningen sammenlignet med det vandige / ACN-systemet og opprettelsen av en veldig porøs nanostruktur som strekker seg ut fra mikroelektroden i blomkållignende form. Denne PEDOT mikroelektroden fremstilt i en organisk løsning ble brukt til sensorapplikasjoner, spesielt for UA-deteksjon i standardløsninger og melkeprøver. Figur 3 viser CVen for påvisning av UA i en standardløsning med en bar Au-mikroelektrod og PEDOT-sensoren. Ytelsen til den nakne Au-mikroelektroden for UA-deteksjon er preget av steady-state-strømmer oppnådd ved potensialer høyere enn 0,8 V på grunn av radial diffusjon av UA til elektrodeoverflaten (figur 3A). En lineær kalibreringskurve ble plottet inn basert på gjennomsnittsstrømmene ved 0,8 V for UA-konsentrasjonsområdet på 62,5 til 1000 μM etter tre replikering av CV-kjøringer (figur 3B).

Ved å sammenligne skråningen av kalibreringskurveligningene ble PEDOT mikroelektroden funnet å ha 100 ganger høyere følsomhet enn den nakne mikroelektroden. Interessant nok var det oppdagede UA-området ved hjelp av PEDOT-sensoren laget i en organisk løsning lavere, fra 6,25 til 200 μM, beregnet ved å måle strømverdien på spissen av den skarpe anodisk toppen (figur 3C, D). Kalibreringskurvedataene for PEDOT-elektroden ble brukt til å måle grensen for deteksjon (LOD) og kvantifiseringsgrensen (LOQ) til UA for den modifiserte elektroden. Hellingen av kalibreringskurveligningen (b) og den evaluerte standardfeilen til skjæringspunktet (e) ble brukt til å måle LOD- og LOQ-verdiene (95 % konfidensnivå)-7 μM og 24 μM14, henholdsvis ved hjelp av ligninger (1) og (2).

LOD= 3s/b (1)

LOQ = 10s/b (2)

Følsomheten til den organisk laget PEDOT-modifiserte sensoren er en viktig faktor. Dette beregnes ved å dele kalibreringskurvehellingen med det geometriske overflatearealet til arbeidselektroden, som er 397 μA μM-1 cm-2.

En annen anvendelse av PEDOT-sensoren syntetisert i den organiske løsningen var å analysere UA-innhold i reelle prøver, for eksempel vanlig fersk melk og utvalgte smaksatte melkeprøver (figur 4). Fordelen med denne teknikken er at UA-nivåer i melkeprøver kan måles uten forbehandling eller fortynning. Ytelsen til denne mikroelektrodesensoren PEDOT-Au ble sammenlignet med den PEDOT-modifiserte glassaktige karbonmakroelektroden (PEDOT-GC) fremstilt ved samme metode i den organiske løsningen15. Den anodiske toppstrømmen for UA i vanlig melk ved 0,35 V (vs. Ag/AgCl) ved hjelp av PEDOT-mikroelektroden var ~28,4 nA, som tilsvarer 82,7 μM ved hjelp av ligningen for kalibreringskurven i figur 3D (y = 0,3x + 2,6, R2 = 0,993). Denne verdien var ~83,4 μM for UA i vanlig melk bestemt ved hjelp av PEDOT-GC15. Den andre store oksidasjonstoppen i CV-skanningen av vanlig melk ved 0,65 V (figur 4A) er relatert til oksidasjonsholdige forbindelser, inkludert elektroaktive aminosyrer som cystein, tryptofan og tyrosin15,16. Den nåværende tettheten av denne toppen fra vanlig melk er over 200 ganger større enn den som er oppnådd ved hjelp av en tidligere rapportert PEDOT-GC15. Dette viser en mer sensitiv respons på mikroelektroden som dekkes av PEDOT-lag sammenlignet med den PEDOT-modifiserte makroelektroden.

CV-skanningene som er innhentet for karamell- og hvit sjokolademelkprøver, kan ses i figur 4A. Den viser en klar topp på 0,36 V for UA, sammen med en ekstra toppstrøm på ~ 42 nA ved 0,56 V som slås sammen med toppen på 0,66 V. Denne ekstra toppen på 0,56 V kan være relatert til tilstedeværelsen av vanillsyre, en av ingrediensene i smaksatt melk. CV-en til den belgiske sjokolademelkprøven indikerer et nytt sett med anodisk topper på 0,26 V, 0,36 V og 0,66 V og en katodisk topp på 0,22 V. Sjokoladeprofilen ligner katekin redox-profilen sammen med de andre polyfenolikiske antioksidanter som er tilstede i sjokolade eller kakao15. Dermed vises katekinoksidasjons- og reduksjonstoppene på henholdsvis 0,26 V og 0,22 V. Den 0,36 V toppstrømmen, som vises som en skarp topp på halen av katekintoppen, skyldes UA oksidasjon. Figur 4B viser en CV med colombiansk espressomelkprøve, som viser brede anodisk og katodisk toppstrømmer ved henholdsvis 0,35 V og 0,23 V ved PEDOT-Au, som skyldes de store fenoliske antioksidantene i kaffe, nemlig klorogene og koffeinsyrer. Fordi det geometriske overflatearealet til PEDOT-mikroelektroden er høyere enn for PEDOT-makroelektroden, er de nåværende tetthetene til UA-toppene i disse melkeprøvene ~ 150 til 500 ganger større ved PEDOT-Au15.

Figure 1
Figur 1: Elektropolymerisering av PEDOT på en gullmikroelektrod. PEDOT utarbeidet av (A, B) 10 CV-skanninger i en vandig løsning (0,01 M EDOT i 1 ml ACN + 9 ml deionisert vann + 0,1 M LiClO4); og (C, D) ved hjelp av 4 CV-skanninger i en organisk elektrolyttløsning (0,1 M EDOT i 1 ml 0,1 M LiClO4/PC). B og D er utvidede versjoner av A og C for å visualisere PEDOT-strømmene tydelig. Skannehastighet = 100 mV/s. Dette tallet er endret fra15. Forkortelser: PEDOT = poly (3,4-etylendioksythiophene); CV = syklisk voltammetri; EDOT = 3,4-etylendioksythiophene; ACN = acetonitril; LiClO4 = litiumperklorat; Ag = sølv; AgCl = sølvklorid. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: SEM-bilder. (A og B) Bare gull mikroelektrode (Au). PEDOT-modifiserte gullmikroelektroder fremstilt i (C og D) organisk løsning etter 4 sykluser elektropolymerisering og (E og F) vandig løsning etter 10 sykluser elektropolymerisering ved forskjellige forstørrelser. Dette tallet er endret fra15. Forkortelser: SEM = skanning elektronmikroskopi; PEDOT = poly (3,4-etylendioksythiophene). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Sykliske voltammogrammer for ulike konsentrasjoner av UA i fosfatbuffer, pH 6.6. (A) Bare gull mikroelektrode (bakgrunn trukket fra) og (C) PEDOT-modifisert gullmikroelektro (bakgrunn trukket fra), målinger tatt umiddelbart etter at elektroden er satt inn i løsningen med en skannehastighet på 100 mV/s. (B) Plott for å begrense strømmen ved 0,8 V versus UA-konsentrasjon på det nakne gullmikroelektroroden. (D) Plott av anodisk toppstrøm (Ip.a/μA) versus UA konsentrasjon på PEDOT-modifisert gullmikroelektrod. (n=3). Dette tallet er endret fra15. Forkortelser: UA = urinsyre; PEDOT = poly (3,4-etylendioksythiophene). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Sykliske voltammogrammer (bakgrunn trukket fra). (A) Vanlig melk, belgisk sjokolademelk, karamell og hvit sjokolademelk, og (B) vanlig melk og colombiansk espressomelk på en PEDOT-modifisert gullmikroelektrode (10 μm diameter) ved 100 mV/s. Dette tallet er endret fra15. Forkortelse: PEDOT = poly (3,4-etylendioksythiophene). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

CV-metoden muliggjør rask og enkel måling av forskjellige analytter i matvarer, vin og drikke, planteekstrakter og til og med biologiske prøver. Denne teknikken produserer et bredt utvalg av data, inkludert oksidasjon / reduksjonstopppotensialer, toppstrømsverdier for målanalytten (proporsjonal med konsentrasjon), og alle andre nåværende og potensielle verdier etter hver CV-kjøring. Selv om det er relativt enkelt å bruke CV, må de innsamlede dataene noen ganger konverteres fra binære filer til tekstkommaformat, avhengig av potensiostatsystemet som brukes. Når det gjelder CH-instrumentet, kan dataene for eksempel lagres i tekstkomma- eller CSV-formater rett etter hver kjøring. Dette gjør dataanalysen enklere i et regneark etter at du har konvertert tekster til kolonner. Etter at CV-skanningene av melke- eller UA-standardprøvene ble oppnådd på de samme potensielle områdene, ble de plottet på en enkelt graf for direkte sammenligning. Hvis du vil presentere dataene for publikasjoner, kan grafer også tegnes inn i Origin eller SigmaPlot og deretter eksporteres som TIF eller de nødvendige grafikkfiltypene.

Vanlige problemer med denne metoden kan være artefakter i CV-sporingen. Disse kan oppstå ved elektriske tilkoblingsfeil, sannsynligvis på grunn av tilkoblingsklipsene (dvs. klips som fester ledninger til hver elektrode) som har blitt rustet eller på grunn av at gullmikroelektroder ikke blir rengjort riktig. Bruk sandpapir for å fjerne rust fra klipsene eller erstatte dem, og rengjøring av mikroelektroden og gjenbruk av CV-sykluser etter at du har satt den inn i H2SO4-løsningen , kan løse problemet.

Rengjøring av mikroelektroden er et viktig skritt i dette eksperimentet, noe som ellers kan føre til et lavt strømsignal eller støy. Rengjøring av mikroelektroden er også svært viktig, da bobler kan dannes når mikroelektroden ikke er veldig ren. Når plasseringen av gulloksidasjons- og reduksjonstoppene og topphøydene som oppnås er konsistente og korrekte, er elektroden klar til å kjøre elektropolymeriseringen. Når potensiostat- eller elektrodetilkoblingene er defekte, vil det være støy i CV-skanningen, eller utgangen vil se ut som å spre prikker. Før en løpetur er det viktig å dobbeltsjekke at alle elektrodetilkoblingene er riktig tilkoblet, at det ikke er noen gassboble i nærheten av spissen av Ag/AgCl-referanseelektroden, og at elektrodene ikke berører den elektrokjemiske cellen. Utskifting av klips og tilkoblingsledninger eller trykk på referanseelektrodespissen med en finger kan være en nyttig feilsøkingstilnærming.

Under dannelsen av en PEDOT-elektrode, som den valgte ledende polymeren, bør den organiske elektrolytten (LiClO4 i PC) og de vandige NaClO4-løsningene avgasses før du kjører elektropolymeriseringen. Det er viktig å bruke et EDOT-kjemikalie som ikke har utløpt eller oksidert eller blitt forurenset av andre analytiske kjemikalier. De ferske PEDOT-lagene som dannes hver gang på elektrodeoverflaten er forskjellige når det gjelder nåværende vekst. Hvis prosedyren holdes konstant og elektroden rengjøres tilstrekkelig, vil CV-syklusene for elektropolymerisering vokse med samme strømverdi hver gang, noe som bekrefter nøyaktigheten og konsistensen av metoden. Det er også verdt å merke seg at mengden av EDOT-monomeren som brukes i den organiske løsningen var 10 ganger høyere enn EDOT-monomeren i den vandige / ACN-løsningen. Selv om dette kan virke ikke sammenlignbart, ble det ansett som å foretrekke fordi våre foreløpige eksperimenter viste at en vandig 0,1 M EDOT-løsning ikke dannet et stabilt PEDOT-lag på grunn av lavere løselighet i en vandig elektrolyttløsning. I motsetning til dette hadde ikke PEDOT-laget som ble dannet ved hjelp av 0,01 M EDOT i en organisk løsning tilstrekkelig vekst på elektrodeoverflaten sammenlignet med den vandige 0,1 M EDOT-løsningen. Derfor ble de EDOT-mengdene som brukes til organisk og vandig elektropolymerisering valgt for denne studien.

En av begrensningene ved CV-metoden når bare elektroder brukes, er vanskeligheten med å skille topper når det finnes forstyrrende midler. Dette problemet ble imidlertid løst da PEDOT ble brukt til å modifisere elektrodeoverflaten. For eksempel, da UA var målet analytt som skulle påvises i melk, ble det identifisert separat fra sitt forstyrrende middel, askorbinsyre, på grunn av redoksmedieringsrollen til PEDOT, noe som førte til en tidligere og godt separert topp for askorbinsyre. Samtidig, selv med PEDOT-elektroden, når du analyserer smaksatt melk, kan det være utfordrende å skille UA-toppen riktig fra de andre ingrediensene som har nære oksidasjonspotensialer til UA, noe som fører til en sammenslåing av topper.

For å konkludere, selv om feilsøking kan være nødvendig periodisk, er bruken av CV- og PEDOT nanolayers på elektrodeoverflaten fordelaktig for å oppdage målanalytter som UA i standardløsninger og komplekse matriseløsninger, for eksempel melkeprøver, uten forbehandling. Sammenlignet med den høytytende flytende kromatografiteknikken, er denne CV-metoden rask og trenger ikke tidkrevende forbehandlingstrinn for å fjerne fett eller proteiner fra melkeprøver. Videre gjør PEDOT mikroelektroden svært selektiv og følsom, noe som gir en skarp topp for UA-analyse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Takket være finansieringen fra New Zealand Ministry of Business, Innovation and Employment (MBIE) i 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

Kjemi utgave 173 poly(3,4-etylendioksytrofin) (PEDOT) syklisk voltammetri litiumperklorat gullmikroelektrodrod propylenkarbonat skanning elektronmikroskopi smaksatt melk elektrodeposisjon
Elektrokjemisk fremstilling av poly(3,4-etylendioksytrofin) lag på gullmikroelektroder for urinsyre-sensing applikasjoner
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