Elektrochemische Herstellung von Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-Schichten auf Gold-Mikroelektroden für Harnsäure-Sensoranwendungen

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 während^{der 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 vergrößert^wird.

In den 1980er Jahren wurden bestimmte Polyheterocyclen wie Polypyrrol, Polyanilin, Polythiophen und PEDOT entwickelt, die eine gute Leitfähigkeit, einfache Synthese und Stabilität^{aufwiesen 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 Elektrodenoberfläche^{ablagern 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 Aktivität^{zu erhöhen 9}. Darüber hinaus erhöht sich die Ladungsspeicherkapazität der PEDOT-modifizierten Elektroden und führt zu schnelleren und geringeren Potentialreaktionen, wenn die Stimulationsladung durch^{PEDOT 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 enthalten_LiClO4 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 geeigneten^{Elektrolyten 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.