Preparazione elettrochimica di strati di poli(3,4-etilenediossitiofene) su microelettrodi d'oro per applicazioni di rilevamento dell'acido urico

I polimeri elettricamente conduttori sono materiali organici ampiamente utilizzati nei dispositivi bioelettronici per migliorare le interfacce. Simile ai polimeri convenzionali, i polimeri conduttori sono facili da sintetizzare e sono flessibili durante la lavorazione¹. I polimeri conduttori possono essere sintetizzati utilizzando metodi chimici ed elettrochimici; tuttavia, gli approcci di sintesi elettrochimica sono particolarmente favorevoli. Ciò è dovuto principalmente alla loro capacità di formare film sottili, consentire il doping simultaneo, catturare molecole nel polimero conduttore e, soprattutto, la semplicità del processo di sintesi¹. Inoltre, i polimeri conduttori formano nanostrutture uniformi, fibrose e irregolari, saldamente aderenti alla superficie dell’elettrodo, che aumentano la superficie attiva dell’elettrodo².

Nel 1980, alcuni polieterocicli, come polipirrolo, polianilina, politiofene e PEDOT, sono stati sviluppati che hanno mostrato una buona conduttività, facilità di sintesi e stabilità ^3,4. Sebbene il polipirrolo sia meglio compreso rispetto ad altri polimeri (ad esempio, derivati del politiofene), è soggetto a ossidazione irreversibile⁵. Pertanto, PEDOT ha alcuni vantaggi rispetto al resto in quanto ha uno stato ossidativo molto più stabile e mantiene l’89% della sua conduttività rispetto al polipirrolo in condizioni simili⁶. Inoltre, PEDOT è noto per l’elevata elettroconduttività (~ 500 S / cm) e un gap di banda moderato (cioè, band gap o gap energetici sono regioni senza carica e si riferiscono alla differenza di energia tra la parte superiore di una banda di valenza e la parte inferiore di una banda di conduzione)⁷.

Inoltre, il PEDOT ha proprietà elettrochimiche, ha bisogno di potenziali inferiori per essere ossidato ed è più stabile nel tempo rispetto al polipirrolo dopo essere stato sintetizzato⁷. Ha anche una buona trasparenza ottica, il che significa che il suo coefficiente di assorbimento ottico, specialmente sotto forma di PEDOT-polistirene solfonato (PEDOT-PSS), è nella regione visibile dello spettro elettromagnetico a 400-700 nm⁷. Nella formazione elettrochimica di PEDOT, i monomeri EDOT si ossidano all’elettrodo di lavoro per formare cationi radicalici, che reagiscono con altri cationi radicali o monomeri per creare catene PEDOT che si depositano sulla superficie dell’elettrodo¹.

Diversi fattori di controllo sono coinvolti nella formazione elettrochimica dei film PEDOT, come elettrolita, tipo elettrolitico, configurazione dell’elettrodo, tempo di deposizione, tipo di dopante e temperatura del solvente¹ PEDOT può essere generato elettrochimicamente facendo passare la corrente attraverso una soluzione elettrolitica appropriata. Diversi elettroliti come liquidi acquosi (ad esempio, PEDOT-PSS), organici (ad esempio, PC, acetonitrile) e liquidi ionici (ad esempio, 1-butil-3-metilimidazolio tetrafluoroborato (BMIMBF₄)) possono essere utilizzati⁸.

Uno dei vantaggi dei rivestimenti PEDOT è che può ridurre significativamente l’impedenza di un elettrodo Au nella gamma di frequenza 1 kHz di due o tre ordini di grandezza, il che rende utile aumentare la sensibilità del rilevamento elettrochimico diretto dell’attività neurale⁹. Inoltre, la capacità di accumulo di carica degli elettrodi modificati in PEDOT aumenta e si traduce in risposte potenziali più rapide e più basse quando la carica di stimolazione viene trasferita attraverso PEDOT¹⁰. Inoltre, quando il polistirene solfonato (PSS) viene utilizzato come drogante per la formazione di PEDOT su array di microelettrodi Au, crea una superficie ruvida e porosa con un’elevata superficie attiva, un’impedenza di interfaccia inferiore e una maggiore capacità di iniezione di carica¹¹. Per la fase di elettropolimerizzazione, EDOT-PSS di solito fa una dispersione in un elettrolita acquoso.

Tuttavia, EDOT è solubile in cloroformio, acetone, ACN e altri solventi organici come PC. Pertanto, in questo studio, è stata utilizzata una miscela di acqua con un piccolo volume di ACN in un rapporto 10: 1 per produrre una soluzione EDOT solubile prima dell’inizio dell’elettropolimerizzazione. Lo scopo dell’utilizzo di questo elettrolita acquoso è quello di omettere la fase di acclimatazione nella preparazione del microelettrodo modificato da PEDOT e abbreviare i passaggi. L’altro elettrolita organico utilizzato per confrontare con l’elettrolita acquoso / ACN è PC. Entrambi gli elettroliti contengono LiClO₄ come drogante per aiutare a ossidare il monomero EDOT e formare il polimero PEDOT.

I microelettrodi sono elettrodi di lavoro voltammetrici con diametri inferiori rispetto ai macroelettrodi, di dimensioni pari o inferiori a decine di micrometri. I loro vantaggi rispetto ai macroelettrodi includono un maggiore trasporto di massa dalla soluzione verso la superficie dell’elettrodo, la generazione di un segnale allo stato stazionario, una minore caduta di potenziale ohmico, una capacità a doppio strato inferiore e un rapporto segnale-rumore aumentato¹². Simile a tutti gli elettrodi solidi, i microelettrodi devono essere condizionati prima dell’analisi. La tecnica di pretrattamento o attivazione appropriata è la lucidatura meccanica per ottenere una superficie liscia, seguita da una fase di condizionamento elettrochimico o chimico, come il potenziale ciclo su un particolare intervallo in un elettrolita^{adatto 13}.

CV è molto comunemente usato nella polimerizzazione elettrochimica di PEDOT inserendo elettrodi in una soluzione monomerica che coinvolge un solvente adatto ed elettrolita dopante. Questa tecnica elettrochimica è utile nel fornire informazioni di direzione come la reversibilità dei processi di drogaggio dei polimeri e il numero di elettroni trasferiti, i coefficienti di diffusione degli analiti e la formazione di prodotti di reazione. Questo articolo descrive come due diversi elettroliti utilizzati per l’elettropolimerizzazione di PEDOT possono generare sottili film di nanostruttura con una potenziale applicazione di rilevamento che dipende dalla morfologia e da altre proprietà intrinseche.