Préparation électrochimique de couches de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) sur des microélectrodes d’or pour des applications de détection de l’acide urique

Les polymères conducteurs d’électricité sont des matériaux organiques largement utilisés dans les dispositifs bioélectroniques pour améliorer les interfaces. Semblables aux polymères conventionnels, les polymères conducteurs sont faciles à synthétiser et sont flexibles pendant le traitement¹. Les polymères conducteurs peuvent être synthétisés à l’aide de méthodes chimiques et électrochimiques; cependant, les approches de synthèse électrochimique sont particulièrement favorables. Cela est principalement dû à leur capacité à former des films minces, à permettre le dopage simultané, à capturer des molécules dans le polymère conducteur et, surtout, à la simplicité du processus de synthèse¹. De plus, les polymères conducteurs forment des nanostructures uniformes, fibreuses et bosselées, adhérant fermement à la surface de l’électrode, ce qui augmente la surface active de l’électrode².

Dans les années 1980, certains polyhétérocycles, tels que le polypyrrole, la polyaniline, le polythiophène et le PEDOT, ont été développés qui ont montré une bonne conductivité, une facilité de synthèse et une stabilité ^3,4. Bien que le polypyrrole soit mieux compris que d’autres polymères (par exemple, les dérivés du polythiophène), il est sujet à une oxydation irréversible⁵. Ainsi, le PEDOT présente certains avantages par rapport au reste car il a un état oxydatif beaucoup plus stable et conserve 89% de sa conductivité par rapport au polypyrrole dans des conditions similaires⁶. De plus, le PEDOT est connu pour son électroconductivité élevée (~500 S/cm) et une bande interdite modérée (c.-à-d. que les écarts de bande ou les écarts d’énergie sont des régions sans frais et se réfèrent à la différence d’énergie entre le haut d’une bande de valence et le bas d’une bande de conduction)⁷.

De plus, le PEDOT a des propriétés électrochimiques, a besoin de potentiels plus faibles pour être oxydé et est plus stable dans le temps que le polypyrrole après avoir été synthétisé⁷. Il a également une bonne transparence optique, ce qui signifie que son coefficient d’absorption optique, en particulier sous forme de sulfonate de PEDOT-polystyrène (PEDOT-PSS), se trouve dans la région visible du spectre électromagnétique à 400-700 nm⁷. Dans la formation de PEDOT électrochimiquement, les monomères EDOT s’oxydent au niveau de l’électrode de travail pour former des cations radicaux, qui réagissent avec d’autres cations radicaux ou monomères pour créer des chaînes PEDOT qui se déposent sur la surface de l’électrode¹.

Différents facteurs de contrôle sont impliqués dans la formation électrochimique des films PEDOT, tels que l’électrolyte, le type d’électrolyte, la configuration de l’électrode, le temps de dépôt, le type de dopant et la température du solvant¹ PEDOT peut être généré électrochimiquement en faisant passer le courant à travers une solution d’électrolyte appropriée. Différents électrolytes tels que les liquides aqueux (p. ex. PEDOT-PSS), organiques (p. ex., PC, acétonitrile) et ioniques (p. ex., tétrafluoroborate de 1-butyl-3-méthylimidazolium (BMIMBF₄)) peuvent être utilisés⁸.

L’un des avantages des revêtements PEDOT est qu’ils peuvent réduire considérablement l’impédance d’une électrode Au dans la gamme de fréquences 1 kHz de deux ou trois ordres de grandeur, ce qui rend utile d’augmenter la sensibilité de la détection électrochimique directe de l’activité neuronale⁹. De plus, la capacité de stockage de charge des électrodes modifiées par PEDOT augmente et entraîne des réponses potentielles plus rapides et plus faibles lorsque la charge de stimulation est transférée via PEDOT¹⁰. De plus, lorsque le sulfonate de polystyrène (PSS) est utilisé comme dopant pour la formation de PEDOT sur les réseaux de microélectrodes Au, il crée une surface rugueuse et poreuse avec une surface active élevée, une impédance d’interface plus faible et une capacité d’injection de charge plus élevée¹¹. Pour l’étape d’électropolymérisation, EDOT-PSS effectue généralement une dispersion dans un électrolyte aqueux.

Cependant, l’EDOT est soluble dans le chloroforme, l’acétone, l’ACN et d’autres solvants organiques tels que le PC. Par conséquent, dans cette étude, un mélange d’eau a été utilisé avec un petit volume d’ACN dans un rapport de 10: 1 pour faire une solution soluble EDOT avant le début de l’électropolymérisation. Le but de l’utilisation de cet électrolyte aqueux est d’omettre l’étape d’acclimatation dans la préparation de la microélectrode modifiée par PEDOT et de raccourcir les étapes. L’autre électrolyte organique utilisé pour comparer avec l’électrolyte aqueux/ACN est le PC. Les deux électrolytes contiennent du LiClO₄ comme dopant pour aider à oxyder le monomère EDOT et à former le polymère PEDOT.

Les microélectrodes sont des électrodes de travail voltammétriques de plus petit diamètre que les macroélectrodes, d’environ des dizaines de micromètres ou moins de dimension. Leurs avantages par rapport aux macroélectrodes comprennent un transport de masse amélioré de la solution vers la surface de l’électrode, générant un signal à l’état d’équilibre, une chute de potentiel ohmique plus faible, une capacité à double couche plus faible et un rapport signal/bruit accru¹². Comme toutes les électrodes solides, les microélectrodes doivent être conditionnées avant l’analyse. La technique de prétraitement ou d’activation appropriée est le polissage mécanique pour obtenir une surface lisse, suivie d’une étape de conditionnement électrochimique ou chimique, telle que le cycle de potentiel sur une plage particulière dans un électrolyte approprié¹³.

CV est très couramment utilisé dans la polymérisation électrochimique du PEDOT en insérant des électrodes dans une solution monomère qui implique un solvant approprié et un électrolyte dopant. Cette technique électrochimique est bénéfique pour fournir des informations de direction telles que la réversibilité des processus de dopage des polymères conducteurs et le nombre d’électrons transférés, les coefficients de diffusion des analytes et la formation de produits de réaction. Cet article décrit comment deux électrolytes différents utilisés pour l’électropolymérisation du PEDOT peuvent générer de minces films de nanostructure avec une application de détection potentielle qui dépend de la morphologie et d’autres propriétés intrinsèques.