尿酸検出アプリケーションのための金微小電極上のポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)層の電気化学的調製

要約

我々は、低分子量分析物の検出に使用される金微小電極の表面に薄層を作成するためのポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)の電気重合のための水性および有機溶媒系について説明する。

要約

3,4-エチレンジオキシチオフェン(EDOT)モノマーを水性および有機溶液中で電気重合して、金電極上でポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)を合成するための2つの異なる方法が記載されている。サイクリックボルタンメトリー(CV)は、PEDOT薄層の合成に使用した。過塩素酸リチウム(LiClO4)は、水性(水性/アセトニトリル(ACN))および有機(プロピレンカーボネート(PC))溶媒系の両方でドーパントとして使用された。有機系でPEDOT層を作成した後、電極表面を水溶液中で連続してサイクリングして順応させ、水性試料のセンサーとして用いた。

水性ベースの電気重合法の使用は、より短いセンサ調製時間を有するために馴化工程を除去するという潜在的な利点を有する。水性法は有機溶媒法よりも経済的で環境にやさしいが、有機溶液中では優れたPEDOT形成が得られる。得られたPEDOT電極表面は、有機PC溶液からの電気重合中のPEDOTの一定の成長を示し、金(Au)微小電極上での急速なフラクタル型成長を示した走査型電子顕微鏡(SEM)によって特徴付けられた。

概要

導電性ポリマーは、界面を改善するために生体電子デバイスに広く使用されている有機材料です。従来のポリマーと同様に、導電性ポリマーは合成が容易であり、加工中に柔軟性がある¹。導電性ポリマーは、化学的および電気化学的方法を使用して合成することができる。しかし、電気化学合成アプローチは特に有利である。これは主に、薄膜を形成する能力、同時ドーピングを可能にする能力、導電性ポリマー中の分子の捕捉、および最も重要なことに、合成プロセス¹の単純さによる。加えて、導電性ポリマーは、均一で繊維状で、でこぼこしたナノ構造を形成し、電極表面に強固に接着し、電極²の活性表面積を増加させる。

1980年代には、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェン、PEDOTなどの特定のポリ複素環が開発され、良好な導電性、合成の容易さ、安定性を示しました^3,4。ポリピロールは他のポリマー(例えば、ポリチオフェン誘導体)よりもよく理解されているが、不可逆的な酸化を受けやすい⁵。したがって、PEDOTは、はるかに安定した酸化状態を有し、同様の条件下でのポリピロールと比較してその導電率の89%を保持するため、他のものよりも一定の利点^{を有する6}。さらに、PEDOTは高い導電性(〜500 S/cm)と適度なバンドギャップ(すなわち、バンドギャップまたはエネルギーギャップは電荷のない領域であり、価電子帯の上部と伝導帯の下部との間のエネルギー差を指す)⁷で知られている。

さらに、PEDOTは電気化学的性質を有し、酸化されるのに低い電位を必要とし、合成後のポリピロールよりも経時的に安定である⁷。それはまた、その光吸収係数、特にPEDOT-ポリスチレンスルホン酸塩(PEDOT-PSS)の形態で、400-700nm7における電磁スペクトルの可視領域にあることを意味する良好な光透過性^を有する7。電気化学的にPEDOTを形成する際に、EDOTモノマーは作用電極で酸化してラジカルカチオンを形成し、これが他のラジカルカチオンまたはモノマーと反応して電極表面¹に堆積するPEDOT鎖を生成する。

PEDOT膜の電気化学的形成には、電解質、電解質タイプ、電極セットアップ、成膜時間、ドーパントタイプ、溶媒温度^など、さまざまな制御因子が関与しており、適切な電解質溶液に電流を流すことによってPEDOTを電気化学的に生成することができる。異なる電解質、例えば、水性(例えば、PEDOT−PSS)、有機(例えば、PC、アセトニトリル)、およびイオン液体(例えば、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート(BMIMBF4))⁸を使用することができる。

PEDOTコーティングの利点の1つは、1kHzの周波数範囲におけるAu電極のインピーダンスを2〜3桁大幅に減少させることができることであり、これは神経活動の直接電気化学的検出の感度を高めるのに役立つ⁹。さらに、PEDOT修飾電極の電荷蓄積容量は増加し、刺激電荷が^PEDOT10を介して伝達されるときに、より速くおよびより低い電位応答をもたらす。さらに、ポリスチレンスルホン酸塩(PSS)をAu微小電極アレイ上のPEDOT形成のためのドーパントとして使用すると、高い活性表面積、低い界面インピーダンス、およびより高い電荷注入能力¹¹を有する粗い多孔質表面を作り出す。電気重合工程のために、EDOT−PSSは、通常、水性電解質中に分散液を作る。

しかしながら、EDOTはクロロホルム、アセトン、ACN、およびPCなどの他の有機溶媒に可溶である。したがって、この研究では、電気重合を開始する前に、少量のACNと水の混合物を10:1の比率で使用して可溶性EDOT溶液を作製した。この水電解質を用いる目的は、PEDOT修飾微小電極の作製における馴化工程を省略し、工程を短縮することにある。水性/ACN電解質と比較するために使用される他の有機電解質はPCである。両方の電解質は、_EDOT モノマーを酸化し、PEDOTポリマーを形成するのに役立つドーパントとしてLiClO4を含有する。

微小電極は、マクロ電極よりも直径が小さく、寸法が約数十マイクロメートル以下のボルタンメトリック作用電極です。マクロ電極に対するそれらの利点には、溶液から電極表面への物質輸送の強化、定常状態信号の生成、オーミック電位降下の低下、二重層容量の低下、および信号対雑音比の増加^{が含まれる12}。すべての固体電極と同様に、微小電極は分析前に条件付けする必要があります。適切な前処理または活性化技術は、平滑な表面を得るための機械的研磨であり、続いて、適切な電解質¹³において特定の範囲にわたる電位サイクルなどの電気化学的または化学的コンディショニングステップが続く。

CVは、適切な溶媒およびドーパント電解質を含むモノマー溶液中に電極を挿入することによってPEDOTの電気化学重合において非常に一般的に使用される。この電気化学的手法は、伝導ポリマードーピングプロセスの可逆性、移動電子の数、分析物の拡散係数、反応生成物の形成などの方向情報を提供するのに有益です。この論文では、PEDOTの電気重合に使用される2つの異なる電解質が、形態やその他の固有の特性に依存する潜在的なセンシングアプリケーションを備えた薄いナノ構造膜を生成する方法について説明します。

プロトコル

1. 分析ソリューションの準備

1. 有機溶液中で0.1 M EDOTを調製する
   1. 0.213 gのLiClO₄ を計量し、20 mLメスフラスコに移す。
   2. メスシリンダーを使用して、ボトルから20 mLのPCを取り出します。
   3. _LiClO4を含む20mLメスフラスコにPCを加える。フラスコを超音波浴中に30分間入れて溶液を混合する。溶液を20mLガラスバイアルに移す。
   4. バイアルをアルミホイルで覆い、窒素パイプに取り付けられた長い針を溶液に挿入して10分間脱気する。その後、アルミ箔を取り外し、バイアルをしっかりとキャップします。
      注:実験当日に新鮮な_LiClO4 を調製する。
   5. 電気化学的試験の前に、調製したLiClO4溶液(0.1 M)の1 mLを電気化学セルに移す(材料表を参照)。
   6. マイクロピペット(10~100 μL)を使用して、調製した_LiClO4 溶液を含む電気化学セルに10.68 μLのEDOTモノマー(密度:1.331 g/mL)を加えます。
   7. CV法(CVパラメータについてはセクション3.4を参照)を実行して、溶液にすべての電極セットアップを挿入した後、裸のAu微小電極表面でEDOTの電気重合を開始します。この改質電極を使用して、走査型電子顕微鏡(SEM)によって表面を特徴付ける。
   8. この修飾電極をセンシング目的で使用するには、まず過塩素酸ナトリウム(NaClO4)溶液中でCVスキャンを実行して、その表面を水溶液に順応させます(CVパラメータのセクション3.4を参照)。
   9. この有機的にPEDOT修飾および順応したマイクロ電極(1.1.8から)を使用して、バックグラウンドスキャンとして使用するリン酸緩衝液のCV(CVパラメータについてはセクション3.4を参照)を実行します。
      メモ:各ステップの後に電極をすすぎます。
   10. 最後に、すすぎを行わずに緩衝液から電極を取り出し、CVスキャンを実行するために直ちに尿酸溶液または牛乳サンプルに挿入します(CVパラメータについてはセクション3.4を参照)。
2. 水溶液中で0.01 M EDOTを調製する
   1. マイクロピペットを使用して10.68 μLのEDOTを採取し、ガラスバイアルに1 mLのACNを加えます。
   2. バイアル瓶に9 mLの脱イオン水(25°Cで18.2 MΩ/cm)を加え、10 mLの0.01 M EDOT溶液を調製した。
   3. 調製したEDOT溶液に0.11gのLiClO4粉末を加えて0.1M LiClO4溶液を得、穏やかに混合する。
      注:実験当日に電解液を新たに調製してください。
   4. 調製した溶液を電気化学セルに移し、電極を水性/ACN溶液に挿入した後、CV法により電極表面上で0.01M EDOTの電気重合を開始する(CVパラメータについてはセクション3.4を参照)。
   5. この修飾電極の表面をSEMにより特徴付ける。
3. 0.1 M 過塩素酸ナトリウム溶液の調製
   1. NaClO4を0.245g秤量し、20mLの脱イオン水(25°Cで18.2MΩ/cm)を含むガラスバイアルに移す。
   2. この溶液を用いて、有機的に作製されたPEDOT修飾Au微小電極の表面を水溶液に順応させ、余分なEDOTを除去した。この目的のために、電極をすすぎ、NaClO4溶液に挿入する。その後、CV を 10 サイクル実行します (CV パラメータについてはセクション 3.4 を参照)。
4. 緩衝液の調製
   1. 計量ボートでリン酸二水素ナトリウム(NaH2PO4.1H2O)13.8gの重量を量る。それを500mLメスフラスコ(すなわち、必要な最終容量)に移し、脱イオン水(25°Cで18.2MΩ/cm)でラインまで補充する。
   2. 粉末が水に完全に溶解するまでフラスコを超音波浴に入れ、0.2M溶液が得られる。
   3. 新しい計量ボートで、17.8gのリン酸水素二ナトリウム(_{Na2HPO 4.2H2O})を計量し、別の500mLメスフラスコに移す。それを脱イオン水で補充して、0.2 M溶液を得た。フラスコを超音波浴に入れ、適切に溶解させる。
   4. 62.5 mLのリン酸二水素ナトリウム溶液と37.5 mLのリン酸水素二ナトリウム溶液をメスシリンダーで混合し、混合物を250 mLのガラス瓶に移す( 材料表を参照)。それを別の100mLの脱イオン水で補充し、200mLの0.1Mのリン酸緩衝液、pH6.6を得た。長期間使用するためにリン酸緩衝液を冷蔵する。
      注:各実験の前にバッファーを室温にしてください。
5. ターゲット分析物溶液の準備
   1. 秤量ボートで尿酸(UA)0.0084gを秤量し、メスフラスコ内の50mLのリン酸緩衝液(pH6.6)に溶解して1mM UA溶液を得た。
   2. 窒素パージによって溶液を10分間脱気する。
      注:UA溶液は実験当日に新鮮に調製することをお勧めします。
6. 分析用の牛乳サンプルの準備
   1. 電気分析のために、地元のスーパーマーケットから全乳サンプルと異なる風味の牛乳サンプル(エスプレッソミルク、キャラメル/ホワイトチョコレートミルク、ベルギーチョコレートミルクなど)を入手してください。牛乳サンプルを前処理したり希釈したりしないでください。
   2. 5 mL マイクロピペットを使用して、開いたばかりのボトルから各ミルクサンプルを 5 mL 採取します。
   3. まず、リン酸緩衝液pH 6.6のCVをバックグラウンドシグナルとして実行します。次に、5mLの牛乳サンプルを電気化学セルに加え、新しく有機的に作られたPEDOT修飾Auマイクロ電極およびその他の電極を牛乳サンプルに挿入し、CVを実行します。収集されたデータの分析方法については、プロトコルのセクション 4 を参照してください。
7. 電極前処理液の調製
   1. 0.2 gの水酸化ナトリウム(NaOH)粉末を秤量し、それを50 mLメスフラスコに移して0.1 M溶液を調製した。
   2. 1 M NaOH溶液を使用して、各実行後に微小電極表面に形成されたPEDOTの残留物を除去した。
   3. ガラスピペットを使用して、98%硫酸(H2SO4)ボトルから27.2mLを抜き取ります。脱イオン水で半分満たされた1Lメスフラスコにそれを非常にゆっくりと加える。
   4. フラスコを脱イオン水でラインに補充し、1Lの0.5M_H2SO4溶液を調製した。
      注:安全のためにヒュームフードの下にH₂SO₄溶液を準備してください。マイクロ電極の最終電気化学的洗浄工程において_H2SO4溶液を使用する。

2. 金微小電極の前処理

1. ガラス研磨板(寸法:3インチ×3インチ四角)の上に置かれたアルミナ研磨パッド上のAu微小電極(直径10μm、幅3.5mm×長さ7cm)を、アルミナスラリーを用いて30秒間、円形および8字の手の動きで研磨する。
2. Auマイクロ電極を脱イオン水ですすぎ、15mLの無水エタノール(LRグレード)を含むガラスバイアルに挿入し、2分間超音波処理する。
3. Auマイクロ電極をエタノールと水ですすぎ、脱イオン水で4分間超音波処理して、電極表面から余分なアルミナを除去します。
4. 最後に、0.5 M H₂SO 4 を_0.4 ~ 1.6 V 電位 (Ag/AgCl に対して) の 20 セグメントで 50 mV/s のスキャン レートで循環させることにより、追加の不純物を除去します。電極がH2SO4で洗浄されるたびに、一貫した陽極電位および陰極電位での酸化金の形成および還元による₂つの明確なピークがあることを確認してください。

3. サイクリックボルタンメトリー法

1. 適切なポテンショスタットを使用して、CVを目的の電気化学的手法として実行します。
2. ポテンショスタットとそれに接続されているコンピュータの電源を入れます。システムが接続されていることを確認します。
3. コンピュータと計測器間の通信をテストするには、ソフトウェアを起動し、計測器の電源を入れます。[セットアップ] メニューの [ハードウェア テスト] コマンドを使用します。リンク失敗エラーが表示された場合は、接続とポートの設定を確認してください。
4. コンピューターでポテンショスタット ソフトウェアを開き、[ セットアップ] メニューの [ テクニック] を選択します。オープニングウィンドウから、 サイクリックボルタンメトリー (CV)を選択します。ここでも、設定 メニューに戻り、パラメータをクリックしてCV実行の実験 パラメータ を入力します。
   1. 裸のAu微小電極上の有機電解質中でPEDOT電気重合を実行するには、次のCVパラメータを使用します:初期電位:-0.3V、最終電位:-0.3V、高電位:1.2V、セグメント数:8、スキャンレート:100mV/s、方向:正。
   2. 次のCVパラメータを使用して、裸のAu微小電極上の水性/ACN電解質中でPEDOT電気重合を実行します:初期電位:-0.3V、最終電位:-0.3V、高電位:1.2V、セグメント数:20、スキャンレート:100mV/s、方向:正。
   3. 有機的に作られたPEDOT修飾Au微小電極の順応ステップを実行するには、次のCVパラメータを使用します:初期電位:-0.2V、最終電位:-0.2V、高電位:0.8V、セグメント数:20、スキャンレート:100mV/s、方向:正。
   4. 裸のAu微小電極を備えたUA標準溶液およびリン酸緩衝液(pH 6.6)には、次のCVパラメータを使用します:初期電位:0V、最終電位:0V、高電位:1V、セグメント数:2、スキャンレート:100mV/s、および方向:正。
   5. 有機的に作られたPEDOT修飾Au微小電極上のUA標準溶液およびリン酸緩衝液(pH 6.6)について、以下のCVパラメータを使用する:初期電位:0V、最終電位:0V、高電位:0.6V、セグメント数:2、スキャン速度:100mV/s、および方向:正。
   6. 有機的に作られたPEDOT修飾Au微小電極上のミルクサンプルおよびリン酸緩衝液(pH 6.6)について、以下のCVパラメータを使用する:初期電位:0V、最終電位:0V、高電位:0.8V、セグメント数:2、スキャン速度:100mV/s、方向:正。
5. ガラス電気化学セルに、作用極(Au微小電極(直径10μm))、参照電極(例えば、3M塩化ナトリウム(NaCl)中の銀/塩化銀(Ag/AgCl)、および白金線対極を含む3つの電極セットアップを準備する。
6. これらの清潔で乾燥した電極をスタンドに取り付けられた電極ホルダーの穴に通します。次に、ホルダーを電気化学セルの上に置き、電極を標的溶液または試料に挿入する。
7. 電極表面に気泡がないことを確認します。
   1. 気泡がある場合は、電極を取り外し、再び脱イオン水ですすぎ、組織で乾かします。電極をスタンドホルダーと溶液に戻します。
   2. 参照電極の周囲に気泡がある場合は、先端を軽く叩いてください。
   3. 稼働開始後に対極の周囲に気泡がある場合は、対極を清掃してください。CVスキャンでノイズが多くなった場合は、電極表面をクリーニングし、システムの接続、ワイヤ、クリップを確認します。
8. 参照電極、動作電極、および対極の 3 本のワイヤ接続がすべて正しく接続されていることを確認し、下部の [ 実行 ] をクリックして実験を開始します。
9. すべての実験を室温で実行します。牛乳サンプルの場合、CVを実行する前に、牛乳サンプルの温度を周囲温度に到達させます。

4. データの収集と分析

1. CVを実行した後、データを目的の形式(CSVまたはビン)でフォルダに保存し、USBメモリスティックを使用して収集します。適切なソフトウェアを使用してデータを分析します。CSVファイルをスプレッドシートに変換して、分析を容易にします。
   メモ: データがバイナリファイルの形式で保存されている場合は、USB メモリスティックでデータ収集する前に テキストカンマ の形式に変換してください。
2. 牛乳サンプルのCVを分析するには、バックグラウンドCV(すなわち、各牛乳サンプルを実行する前に採取されたリン酸緩衝液(pH 6.6)のCV)から牛乳のCVを差し引いて、ミルクプロファイル酸化による曲線を生成します。

5. PEDOTを特徴付けるテクニック

1. 特定のタイプの高性能SEMを使用して、異なる電解質で作られたPEDOT層を特徴付けます。
   注: ここでは、FEI Quanta 200 ESEM FEG が使用されました。ショットキーフィールドエミッションガン(FEG)が装備されており、空間分解能が向上しています。この装置は、高真空、低真空、環境SEMモードなどのさまざまな作業モードを提供し、SiLi(リチウムドリフト)超薄型ウィンドウEDS検出器を備えています。
2. 裸およびPEDOT修飾Au(PEDOT-Au)微小電極の表面形態を、有機溶液および水溶液中でPEDOT電気重合した後のSEMにより確認する。PEDOT電気重合は、SEMで確認する直前に、水性/ACNおよび有機溶液中の裸のAuマイクロ電極上で行います。
3. 新しく作成した電極(裸のAuマイクロ電極と2つのPEDOT-Auマイクロ電極)をSEMステージ上に水平に配置し、そのヘッドをステージの上に一定の角度で配置します。

結果

サイクリックボルタンメトリーは、Auマイクロ電極表面に薄いPEDOT層を形成して、ターゲット分析物の電気化学的検出中の電極導電性と感度を高める簡単な技術です。このプロトコルは、水性電解質溶液からの0.01M EDOTと比較して、有機溶液からの0.1M EDOTの電気重合の方法を実証する。水性/ACN溶液中で10サイクルを実行すると、LiClO₄/PC溶液中で4サイクルで観察されたものに匹敵するPEDOT...

ディスカッション

CV法は、食品、ワインおよび飲料、植物抽出物、さらには生物学的サンプル中の異なる分析物を迅速かつ容易に測定することを可能にする。この技術は、酸化/還元ピーク電位、ターゲット分析物のピーク電流値(濃度に比例)、および各CV実行後の他のすべての電流および電位値を含む、多種多様なデータを生成します。CVの使用は比較的簡単ですが、使用されるポテンショスタットシステムに?...

資料

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