Fortschrittliches Duales Elektro-Optisches Sensorsystem mit Schicht-für-Schicht Elektroaktiven Farbstoff/LDH-Nanoplattelet-Filmen

Zusammenfassung

Es wurde nachgewiesen, dass das toxische Al³⁺-Ion die zerstörerischsten Auswirkungen auf das menschliche Nervensystem und damit verbundene Erkrankungen wie Alzheimer hat. Die Entwicklung von Festkörperelektroden für sensorbasierte Detektionsmethoden von Al³⁺ steckt noch in den Kinderschuhen. Daher wurde in dieser Studie ein neuartiger flexibler, ITO/PET-basierter elektrochemischer Festkörpersensor entworfen und konstruiert. Die Oberfläche der Elektrodenbasis wurde durch Schicht-für-Schicht (LbL)-Assemblierung von Mg–Al-LDH-Nanoplattelets zusammen mit Alizarinrot S (ARS) in einem vernetzten Matrixfilm modifiziert. Im molekularen Design der Sensorbasis der Elektrode sind die elektroaktiven organischen Einheiten (ARS-Moleküle) in der ITO/PET-geschichteten (ARS/LDHs)_n-Matrix an elektrochemischen Reaktionen beteiligt, wenn sie dem Zielmolekül (Al³⁺-Ion) ausgesetzt sind, sodass die elektrochemischen Veränderungen des neu gebildeten Al-chelatierten Systems detektierbar sind. Dieser Sensortyp wird für die empfindliche und selektive Detektion von Al³⁺ eingesetzt. Der minimale Schichtwiderstand, die Morphologie und die hohe elektrokatalytische Aktivität des modifizierten Matrixfilms werden im fünften Zyklus der LbL-Assembliertechnik erreicht. In diesem elektrochemischen Sensor wurden sowohl elektrochemische als auch optische Methoden mit hoher Empfindlichkeit und Selektivität für Al³⁺ detektiert, sodass in einer zyklovoltammetrischen elektrochemischen Methode eine untere Nachweisgrenze von 10,1 nM mit einem linearen Bereich von [0,2–120 µM] im Vergleich zur fluoreszenzbasierten optischen Methode erzielt wurde.

Einleitung

Geschichtete Doppelydroxide (LDHs) sind zweidimensionale Verbindungen vom allgemeinen Typ der Anionentone, die breit in optischen, biologischen und elektronischen Anwendungen eingesetzt werden [1–4]. Die chemische Struktur von LDHs wird als [M^II_1−xM^III_x(OH)₂]⁻(Aⁿ⁻)_x/n·mH₂O beschrieben (M^II und M^III sind zwei- bzw. dreiwertige Metalle, Aⁿ⁻ ein zwischengelagertes Anion) [1]. Aufgrund der zweidimensionalen Struktur, der Flexibilität und des Ionenausstauschs von LDHs lassen sich diese mit Hilfe der neuartigen Schicht-für-Schicht (LbL)-Assembliermethode mit einem geeigneten organischen Molekül in einer regelmäßigen Schichtanordnung kombinieren und organisch/anorganische Verbindungen bilden, die in verschiedenen Wissenschaftsbereichen umfangreich genutzt werden [5–7]. Eine dieser Spezies als Gästemolekül in dieser Anordnung ist das elektroaktive Molekül, das den direkten Elektronentransferprozess zwischen den an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Spezies und der initiale Elektrodenbasis beschleunigt [8, 9]. Die Verwendung von LDH-Nanoplattelets und strukturellen Reformen auf ihrer Oberfläche hat breiten Eingang in die Entwicklung elektronischer und optoelektronischer Bauelemente gefunden [10]. Wesentliche Forschungen auf diesem Gebiet umfassen: Chen et al. [11] konnten mit einer neuen, einfachen Methode und einstufigem Ni–Co-LDH-Hybridfilmwachstum mittels ultradünner, poröser Nanoschichten die spezifische Kapazität der darauf basierenden Elektrode signifikant steigern, was im Vergleich zu ähnlichen Ni-Co-Oxid/Hydroxid-Elektroden stark verbessert war. Li et al. [12] gelang die Interkalation zweier Anionenarten mit unterschiedlichen Molverhältnissen in das Mg–Al-LDH-Netzwerk und erhielten so blau lumineszente Hybridmaterialien. Tian et al. [13] lokalisierten Gold-Nanocluster (Au NCs) im zweidimensionalen LDH-Gitter mittels LbL-Assemblierung, um Fluoreszenz und effiziente Herstellung von Au-NCs-basierten Filmen zu verbessern. Die schichtweise Assemblierungsorganisation wurde als primäre neue Methode für die Herstellung von Fluoreszenzsensoren mit hoher Fluoreszenzeffizienz betrachtet. Daher kann das präzise molekulare und strukturelle Design der Elektrodenbasis in einem elektrochemischen Gerät unter Verwendung fortschrittlicher Materialien die Fehldetektion und Anzeige hoch eleganter elektrochemischer und optischer Veränderungen im entworfenen Netzwerk signifikant steigern und so die Effizienz und Empfindlichkeit des Geräts erhöhen.

Transparente Elektroden haben kürzlich aufgrund ihrer kritischen Komponenten für optoelektronische Bauelemente mehr Aufmerksamkeit erregt. Kürzlich wachsen flexible und dehnbare Elektronik- und Optoelektroniktechnologien rasant, besonders die Entwicklung tragbarer Elektronik und hochportabler Funktionen [14]. Die Forschung zu flexibler Elektronik expandiert schnell und findet bereits Anwendungen in Superkondensatoren, Implantatsensoren, flexiblen piezoelektrischen Sensoren, elektronischem Papier, Solarzellen, Touchpanels, drahtlosen tragbaren Gadgets, flexiblen Displays, bio-integrierten therapeutischen Geräten und epidermaler Elektronik. Indium-Zinn-Oxid (ITO) weist exzellente optoelektronische Eigenschaften auf und ist derzeit der am weitesten verbreitete transparente Elektrode [15–17]. Zudem wurde ITO-beschichtetes Polyethylenterephthalat (PET) Substrat (ITO/PET) in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, da es gute Flexibilität und hohe elektrische Leitfähigkeit vereint [18].

Kürzlich berichteten wir über einen LDH-basierten elektrochemischen Sensor mit dualer Verstärkungsstrategie für Dopamin- und Fe(III)-Detektion. Während der LbL-Assemblierung wurde die synthetisierte elektroaktive Naphthalimid-Farbstoff/LDH-Nanoplattelet-Matrix (NALD-n) in aufeinanderfolgenden Schichten auf der GO/ITO/PET-Oberflächenelektrode abgelagert. Dieses Strukturdesign führte zu einer signifikanten Erhöhung der Fluoreszenzemission des elektroaktiven Farbstoffs im Sensorbett [19].

Dieses Feld der molekularen Ingenieurwissenschaft in der Struktur hochsensibler Elektronik, wie Nanosensoren, bildet die Grundlage des in dieser Forschungsarbeit entworfenen Prozesses.

Alizarinrot S (chemischer Name: 1,2-Dihydroxy-9,10-anthrachinon) besitzt eine flache heterocyclische Ringstruktur und wird breit in biologischen Wissenschaften, Photochemie und Umweltstudien zu toxischen Kontaminanten eingesetzt [20, 21]. ARS wird aufgrund hoher Fluoreszenzintensität häufig als Sensor für Detektion von Metallionen und Biomolekülen verwendet [22, 23].

Al³⁺-Ion ist ein schweres, toxisches Metallion mit zahlreichen Anwendungen in verschiedenen Industrien. Die toxischen und destruktiven Auswirkungen von Aluminiumionen auf die menschliche Gesundheit wurden in mehreren Studien untersucht. Die zerstörerischsten Auswirkungen auf das menschliche Nervensystem, wie Alzheimer, wurden berichtet [24]. Mehrere präzise Labormethoden werden üblicherweise zur Bestimmung der Aluminiumionenmenge in biologischen und Umweltproben verwendet. Dazu gehören: induktiv gekoppelte Plasma-Atomemissionsspektroskopie (ICP-AES) [25, 26], ICP-MS [27], Graphitoberflächen-Atomabsorptionsspektroskopie (GF-AAS) [28], hochauflösende Kontinuumsquellen-Flammen-Atomabsorptionsspektrometrie (HR-CS) [29], Flammen-Atomabsorptionsspektrometrie (FAAS) [30]. Diese Methoden sind Standard und funktional, weisen jedoch ernsthafte Nachteile wie Matrixinterferenzen und mangelnde Genauigkeit auf. Verschiedene Methoden zur Aluminiumionenbestimmung sind in Tabelle 1 aufgelistet. Die Nachweisgrenzen liegen im mg/L- oder µg/L-Bereich. Einige Methoden erfordern lange Probenvorbereitungs- und Analysezeiten.

In den meisten Fällen sind für Spurenanalysen Voranreicherungsschritte auf einem spezifischen Sorbens nötig. Einige spektrofluorimetrische Methoden zeigen hohe Empfindlichkeit mit niedriger Nachweisgrenze, aber lange Ansprechzeiten [31–37]. Auch wenn ihre Detektionssysteme einfach waren, zeigten sie Schwächen in Empfindlichkeit und Selektivität. Ein kombinierter optischer und elektrochemischer Sensormodus bietet Vorteile gegenüber anderen Methoden. Ein optisch-elektrochemischer Sensor ist kompakt für Miniaturisierung, lässt sich leicht in kostengünstige und benutzerfreundliche Systeme mit der für Echtzeit-Umweltüberwachung notwendigen hervorragenden Selektivität und Empfindlichkeit integrieren. Festkörper-Sensoreplattformen sind essenziell in der Sensorfertigung. Wenn ein chemisches Reagenz in oder auf eine feste Matrix immobilisiert wird, verbessert sich seine Stabilität im Immobilisierungsmedium und vermeidet so unerwünschte Anfälligkeit für Interferenzen und Verunreinigungen.

In neueren Forschungen wird der Einsatz eines elektrochemischen Sensors für präzisere Detektion von Al³⁺-Ionen eingeführt [38]. Ein Sensor, der aus einem dreidimensionalen anorganischen oder zweidimensionalen organisch/anorganischen starren Netzwerk besteht, besitzt eine größere Grenzflächenfläche für Ionenadsorption und damit höhere elektrokatalytische Reaktivität im Sensor, was zu höherer Empfindlichkeit und Selektivität des elektrochemischen Sensors führt [39]. Nach unserem Wissen ist die hier vorgestellte ITO/PET-geschichtete (ARS/LDHs)_n-Matrix die erste elektro-optische Plattform für Aluminiumüberwachung.

In dieser Forschungsarbeit wurde ein neuartiger elektrochemischer Festkörpersensor zur präzisen Detektion von Al³⁺-Ionen entwickelt. Die Basis dieses Sensors ist die Messung des Signals durch elektrochemische und optische Methoden simultan. In diesem Sensortyp sind die elektroaktiven organischen Einheiten (ARS-Moleküle) in der ITO/PET LbL-assemblierten (ARS/LDHs)_n-Matrix an elektrochemischen Reaktionen beteiligt, wenn sie dem Zielmolekül (Al³⁺-Ion) ausgesetzt sind, sodass die elektrochemischen Veränderungen des neu gebildeten Al-chelatierten Systems detektierbar sind. Die elektrochemischen Veränderungen, die Menge und Qualität des vom Sensor emittierten Lichts werden ebenfalls durch Kontakt mit dem Zielmolekül bewertet.

Materialien und Methoden

Materialien

ITO/PET-Folie (60 Ω·cm⁻¹), Alizarinrot S (3,4-Dihydroxy-9,10-dioxo-2-anthracensulfonsäure, Natriumsalz), Aluminium(III)-nitrat (Al(NO₃)₃), Cobalt(II)-nitrat (Co(NO₃)₂), Nickel(II)-nitrat (Ni(NO₃)₂), Calcium(II)-nitrat (Ca(NO₃)₂), Strontium(II)-nitrat (Sr(NO₃)₂), Kupfer(II)-nitrat (Cu(NO₃)₂), Acetat/Natriumcarbonat-Puffer und Kaliumchlorid (KCl) wurden von Sigma Aldrich Co. bezogen.

Apparatur

Der Schichtwiderstand der modifizierten Elektroden wurde mit einem Fluke-Ohmmeter (1550B) gemessen. Absorptionsmessungen erfolgten mit einem Einkanal-UV-Vis-Spektrophotometer (CECIL CE9200) von 200 bis 800 nm. Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) wurden an präparierten Proben mit (LEO 1455VP) bzw. (Micro Photonics Inc/Dual Scope DS95-200E) durchgeführt. Ein Fluoreszenzspektrometer (PerkinElmer LS55) diente zur Messung der Fluoreszenzintensität der Testproben. Zyklovoltammetrie (CV)-Messungen wurden an Elektroden mit einem (Zahner PP211 Potentiostaten) in einer Dreielektroden-Elektrochemiezelle durchgeführt. Dabei diente die Oberfläche der präparierten Elektroden als Arbeits-, Platin als Gegenelektrode und Ag/AgCl als Referenzelektrode. Eine KCl-Lösung (0,1 M in deionisiertem Wasser) wurde als Standardelektrolyt in allen Tests verwendet. Bei allen CV-Tests betrug der Potenzial-Scan-Schritt 0,005 V und die Scan-Geschwindigkeit 0,05 V/s. Jedes in dieser Arbeit dargestellte Cyclovoltammogramm ist der repräsentativste Zyklus, der für jedes Experiment erhalten wurde.

Herstellung des ARS/LDHs-Films modifizierten Elektroden

Mg–Al-LDHs (einschließlich Nitrat-Anion) wurden nach der vom ICRC-Forschungsgruppe entwickelten Methode synthetisiert [40]. Die kolloidale Suspension von Mg–Al-LDH-Nanoplattelets in deionisiertem Wasser (1,0 g/L) wurde unter Ultraschall in einem Sonikatorbad (Bandelin electronic/510 h) bei 40 °C für 4 h hergestellt. Um den pH-Einfluss auf die Adsorption von LDH-Nanoplattelets und ARS-Farbstoffmolekülen auf der Elektrodenoberfläche in einem pH-Bereich zu untersuchen, der durch verschiedene (Acetat/Carbonat)-Puffer eingestellt wurde, wurde die ITO/PET-Elektrode für 10 min in die LDH-Suspension (in verschiedenen eingestellten pH-Werten von 3,5 bis 11,5) eingetaucht. Die Elektroden wurden dann entnommen und mit destilliertem Wasser gespült. Anschließend wurden sie in ARS-Lösung in destilliertem Wasser (1,0 g/L) mit konstant neutralem pH (= 7,0) getaucht. Nach dem Eintauchen in die ARS-Lösung wurden sie gespült und mit Stickstoffgasstrom für 2 min bei 25 °C getrocknet. Dieser LbL-Prozess wurde fünfmal wiederholt. UV-Vis-Spektrophotometrie-Test wurde von der Elektrodenoberfläche nach dem 5. LbL-Zyklus entnommen (Abb. 1a). Nach Wahl des optimalen pH für LDH-Dispersion wurden dieselben Tests durchgeführt. Diesmal wurden die Elektroden in einem Schritt in LDH-Kolloidsuspension (mit optimalem pH) für 10 min eingetaucht. Nach Spülen und Trocknen wurden sie in ARS-Lösung in verschiedenen pH-Mengen (andere Bedingungen gleich) getaucht. Der pH der ARS-Lösung wurde zwischen pH 3,0 und pH 7,0 variiert. Dann wurde UV-Vis-Spektrophotometrie-Test von der Elektrodenoberfläche entnommen (Abb. 1b). Anschließend wurden eine Reihe dieser Operationen für LDH-Suspension (mit optimalem pH) und ARS-Lösung (mit optimalem pH) n-mal wiederholt, um Mehrschichtfilme von (ARS/LDHs)_n zu erhalten (Abb. 1c). Das Verfahren für LbL-Eintauchtests ist in Schema 1 dargestellt. Die Eigenschaften der präparierten Elektroden mit ihren Codes sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Der Einfluss des pH auf das Adsorptionsverhalten von LDH-Nanoplattelets wurde untersucht, um die optimale ARS-Adsorption auf der Festkörperelektrode zu erhalten. Die UV-Vis-Spektrophotometrie-Methode wurde hierfür verwendet. LDH und ARS zeigen in den Bereichen [260–360] bzw. [400–600] charakteristische Absorptionspeaks [24]. Die Ergebnisse der pH-Optimierung für LDH-Kolloidsuspension und ARS-Lösung sind in Abbildung 1 dargestellt.

Die Ergebnisse zeigen, dass die minimale und maximale Adsorption von LDH-Nanoplattelets mit ARS-Molekülen bei pH 3,5 bzw. pH 5,5 beobachtet wird. Aufgrund des isomeren Verschiebungsphänomens im LDH-Kristallgitter (Ersetzen von Mg²⁺ statt Al³⁺) und der ladungsabhängigen pH-Werte durch Protonierung/Deprotonation auf der LDH-Oberfläche lösen sich Metallionen der LDHs (in der Basalfläche der LDH) in stark sauren Bedingungen (pH < 4) auf und die LDH-Struktur ändert sich. Die Auflösung von LDH wird bei anderen pH-Werten nicht beobachtet [41–43]. Der Null-Ladungspunkt (PZC) wird als der pH definiert, bei dem die entgegengesetzten Ladungen unter konstanter Temperatur, Druck und Medium null sind. Forschungen zeigen, dass PZC für LDHs existiert [44]. Die Adsorption von Protonenladungen auf der LDH-Oberfläche kann den pH des Mediums verändern. Allerdings können Ladungen auf der LDH-Oberfläche durch Änderung des System-pH variieren. Auch die Anordnung von LDH-Nanoplattelets (basale und prismatische Flächen) aufgrund des Effekts elektrostatischer Bindung in unterschiedlichen pH-Bedingungen zeigt unterschiedliche Tendenzen zur Adsorption von Farbstoffmolekülen. Laut Ergebnissen ist in stark sauren Bedingungen (pH < 4) aufgrund der Auflösung von Metallionen auf der basalen Fläche der LDHs die Menge an stabilen, unlöslichen LDH-Nanopartikeln, die auf der festen Elektrodenoberfläche adsorbieren, minimal.

Andererseits führt der Übergang zu vollständig alkalischen Bedingungen aufgrund der Deprotonation der LDH zu einer geringeren Adsorption von ARS-Molekülen auf der LDH-Oberfläche. Daher wird der optimale pH der LDH-Kolloidsuspension für den LbL-Eintauchtest auf 5,5 festgelegt. Gemäß Abb. 2b zeigte sich die höchste Adsorption von ARS auf der Elektrodenoberfläche mit LDH-Nanoplattelets bei pH 4,0. Es scheint, dass ein ungeeigneter Mediator für die Komplexbildung mit Al³⁺-Ionen auf der LDH-Oberfläche gebildet wird. Aufgrund der stark sauren Bedingungen (pH 4,0) ist die strukturelle Form der intermediären Verbindung (Verbindung II in Schema 2) stabiler, was unter stabileren Bedingungen einen Chelatkomplex mit Al³⁺-Ionen im LDH-Netzwerk bilden kann. Im neutralen pH-Bereich nimmt die relative Adsorption von ARS auf der LDH-Oberfläche ab. Sathish [45] und Supian et al. [24] berichteten ebenfalls, dass ARS-Reagenz einen Komplex mit Al³⁺-Ionen in Acetatpuffer bei pH 4,0 bildet. Daher wird der optimale pH der ARS-Lösung für den LbL-Eintauchtest auf 4,0 festgelegt. Das Absorptionsverhalten der ARLD-5-modifizierten Elektrode ist in Abb. 1c zu sehen, während die optimale pH-Einstellung für LDH-Suspension (pH 5,5) und ARS-Lösung (pH 4,5) während aller fünf LbL-Zyklen vorgenommen wurde.

Hinsichtlich des Einflusses von Mg–Al-LDH-Nanoplattelets auf die elektrische Leitfähigkeit der Elektrodenoberfläche sollte die Anzahl der Eintauchzyklen (n) bestimmt werden. Hierzu wurden Änderungen des Elektrodenschichtwiderstands in verschiedenen Eintauchzyklen untersucht. Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse des Schichtwiderstands von ITO/PET-Elektrodenproben, die mit (ARS/LDHs)_n beschichtet wurden.

Wie das Ergebnis von Abb. 2 deutlich zeigt, sinkt der Schichtwiderstand der Elektrode bis zum fünften Zyklus leicht an, und nach dem fünften Zyklus steigt der Schichtwiderstand aufgrund der übermäßigen Zunahme der LDH-Nanoplattelet-Dichten und der Verlängerung des Elektronentransferwegs. Es ist wichtig zu beachten, dass die LbL-Assemblierung von LDH-Nanoplattelets auf der Elektrodenoberfläche die Ionenausstauschfunktion und den robusten Elektronentransfer bewirken kann. Daher wurde der fünfte Zyklus als optimaler Zyklus ausgewählt, sodass die modifizierte Elektrode unter diesen Bedingungen den geringsten Widerstand und die höchste elektrische Leitfähigkeit aufweist. Generell zeigen die Testergebnisse, dass die LbL-Assembliermethode von LDH-Nanoplattelets mit ARS-Farbstoffmolekülen keinen signifikanten Einfluss auf den Widerstand und die elektrische Leitfähigkeit der Elektrode bis zum zehnten Zyklus hat.

In Abbildungen 3 und 4 werden SEM-Bilder und topografische AFM-Ergebnisse der Proben präsentiert.

Wie in den Ergebnissen der Morphologie- und Topografie-Scans der präparierten Elektroden veranschaulicht, wird mit zunehmender Anzahl der LbL-Zyklen (n) eine kontinuierliche Zunahme der Dichte der LDH-Schichten entlang des ARS auf der Elektrodenoberfläche beobachtet. Vom ersten bis zum fünften Zyklus nahm die Oberflächenrauheit zu (AFM-Bilder) und die Dicke der LDH-Nanoplattelets zusammen mit dem adsorbierten ARS nahm kontinuierlich stark zu.

Um die Adsorption von ARS-Molekülen auf den LDH-Nanoplattelets zu untersuchen, wurde das optische Verhalten der adsorbierten Schichten mit Spektrofluorimetrie-Test studiert. Nach jedem LbL-Eintauchzyklus wurde der Spektrofluorimetrie-Test von der festen Elektrodenoberfläche durchgeführt. Die Ergebnisse des Spektrofluorimetrie-Tests der präparierten Elektroden sind in Abbildung 5 gegeben.

Die Ergebnisse zeigen, dass nach dem ersten LbL-Eintauchzyklus aufgrund der geringeren Menge an ARS-Molekülen zusammen mit LDH-Nanoplattelets, die auf der Elektrodenoberfläche adsorbiert sind, die Fluoreszenzemission gering ist und der Peak der schwachen Fluoreszenzemission bei etwa 666 nm liegt. Durch Erhöhung der Anzahl der LbL-Eintauchzyklen (n) steigt die Fluoreszenzemissionsrate kontinuierlich durch die zunehmende Dichte der ARS-Schichten zusammen mit LDH-Nanoplattelets auf der festen Elektrodenoberfläche. Im fünften Zyklus wird der höchste Fluoreszenzemissionspeak bei 668 nm beobachtet. Aufgrund des schwachen Emissionsspektrums der ARS-Lösung in deionisiertem Wasser bei niedriger Konzentration (10⁻⁴ M) hat sich die Fluoreszenzemissionsintensität dieser Verbindung, wenn sie zwischen Mg–Al-LDHs auf festem Elektrodensubstrat eingeschlossen ist, verbessert, da die molekulare Rotation der Farbstoffmoleküle in fester Phase geringer ist als in Lösungsphase und der Lösungsmitteleffekt in fester Phase reduziert wird [46]. Mit zunehmender Schichtzahl wird die Form der Kurven schärfer und die Peakbreite geringer, was dies bestätigt. Fluoreszenzemission von Molekülen in Aggregatformen oder in kristallinen Gittern assembliert, erfährt eine Verstärkung, die Effekte nicht-strahlender Energieübertragung und Reduktion molekularer Rotationen werden erheblich verringert oder eliminiert. Allerdings führte hohe Aggregation auf der festen Oberfläche zu bemerkenswertem Selbstlöschen. Um die intermolekulare Wechselwirkung zwischen den Chromophoren zu reduzieren, führte eine zunehmende Trennung zwischen gestapelten Strukturen zur Reduktion der π-Überlappung zwischen aromatischen Kernen, was zu einer Reduktion des Fluoreszenzlösens und starker Emission führte [47].

Es wurde festgestellt, dass ARS drei Gleichgewichtsstrukturen in Abhängigkeit vom pH der Lösung besitzt, wie in Schema 2 dargestellt [48, 49]. Die zweite Deprotonation führt zu einem blauvioletten Dianion (III) bei pH > 12,1. Die Spezies von oxidiertem ARS 1 und reduziertem ARS 7 liegen als Funktion der experimentellen Bedingungen vor. Wie unten zu sehen ist, repräsentiert ARS 1 die Hauptspezies unter pH 4, ARS 2 dominiert im pH-Bereich 5,5–10,5 und ARS 3 wird die relevante Spezies über pH 12. Ionische Formen von ARS haben tautomere Strukturen. Schema 2 zeigt die Reduktionsformen und Tautomerie jeder Spezies.

Alizarin (I) und ARS sind bekannt, stabile Komplexe mit Al³⁺ zu bilden, bekannt als „Lackpigmente“. V. Ya. Fain und Mitarbeiter untersuchten Metallkomplexe von Alizarin und Alizarinroten basierend auf ihren elektronischen Absorptionsspektren eingehend [50]. Sie schlussfolgerten, dass die Komplexierung von Dihydroxyanthrachinonen stets an der peri- oder ortho-Hydroxycarbonylgruppe erfolgt und tautomere Anthrachinonformen involviert. Alizarin-Komplexierung erfolgt an der peri-Hydroxycarbonylgruppe über die Bildung der C=O–M–O-Koordinationsbindung und eines sechsgliedrigen Chelatrings in der monoanionischen Form von ARS, Verbindung II (Schema 3). Die Autoren schlugen vor, dass in alkalischen Lösungen Alizarin mit Metallionen als ortho-Diphenolverbindung reagiert, um Struktur III zu geben. Komplexierung in neutralen Medien kann durch Ersetzung des Wasserstoffatoms im Chelatzyklus von Komplex I durch das Metallion gefolgt von der Ionisierung der M–O-Bindung erklärt werden. Daher ist die ionisierte Hydroxygruppe des Alizarin-Monoanions in Position 1 über intramolekulare Wasserstoffbindung gebunden. Auch um II zu bilden, kann dieser Komplex drei weitere tautomere Formen (IV–VI) haben.

In sauren Medien bleibt die O–M-Bindung kovalent, und die elektronischen Absorptionsspektren von monometallischen Alizarinaten sind identisch mit dem Spektrum von nicht ionisiertem Alizarin. In schwach alkalischen Medien tritt Alizarin als Monoanion in Komplexierungsreaktion mit Metallionen ein. Von allen monoanionischen Strukturen enthält nur 9-Hydroxy-2-oxo-1,10-anthrachinon die benachbarte Carbonyl- und Oxogruppe. Daher sollten monometallische Alizarinate, die in alkalischem Medium gebildet werden, die 1,10-anthrachinonoide Struktur VII mit einem fünfgliedrigen Chelatzyklus haben.

Wie in Schema 2 zu sehen ist, weist ARS ein reversibles Redox-Verhalten auf. Seine Metallkomplexe sind ebenfalls elektroaktiv mit unterschiedlichen Redox-Charakteristiken, was es zu einem geeigneten Kandidaten für die Anwendung in elektrochemisch basierter Analytik macht. Seine Komplexierungsrate ist schnell im Vergleich zu einigen gängigen Metallionen-Komplexierungsreagenzien. ARS und ARS-Al zeigen unterschiedliche Redox-Peak-Potenziale. Daher wächst während der Zugabe von Aluminiumionen zu freiem ARS ein neuer Peak (ARS-Al) in unterschiedlichen Potenzialen, der mit der ARS-Al-Redox zusammenhängt, proportional zur Aluminiumionenkonzentration an. Verschiedene stabile Plattformen wurden eingeführt, um die Empfindlichkeit und Anwendbarkeit ARS-basierter Sensoren zu verbessern. Sowohl ARS als auch sein Komplex sind im Festkörper elektroaktiv.

Die elektrochemischen Verhaltensweisen der präparierten Elektroden wurden durch zyklovoltammetrische Tests untersucht. Die Ergebnisse der Cyclovoltammogramme der präparierten Elektroden sind in Abbildung 6 dargestellt.

Gemäß den Ergebnissen von Abb. 6a zeigt die Form der nackten ITO/PET-Elektrode ein rauschendes Diagramm mit geringem Stromfluss und flacher Breite, was auf schwache elektrokatalytische Aktivität der Elektrode hinweist. Durch die Modifikation der Elektrodenoberfläche mittels (ARS/LDHs)_n LbL-Assemblierung neigt die Form des CV-Graphen zu breiteren und symmetrischeren Zyklen, sodass mit zunehmender Anzahl der Eintauchzyklen der Flussintervall zunimmt und die Kurvenoberfläche expansiver wird, mit der höchsten Spitzenstromrate und dem breitesten Graphen im fünften Zyklus (n = 5). Wie in den Ergebnissen von Abb. 6b gezeigt, wird für die ARLD-5-Elektrode in 0,1 M KCl, wenn kein Aluminiumion vorhanden ist, ein etwas „reversibler“ Peak durch den CV-Test beobachtet. In diesem Peak treten Anoden- und Kathodenströme bei etwa 0,25 V (vs. Ag/AgCl) aufgrund der Oxidation/Reduktion von freiem ARS auf der modifizierten Elektrodenoberfläche auf. In Gegenwart von Aluminiumionen (Abb. 6c) ist ein pseudo-reversibler Peak-Ausbruch bei etwa 0,58 V (vs. Ag/AgCl) detektierbar, der zum Oxidationspeak für den Alizarin-Aluminium-Komplex auf der modifizierten Elektrodenoberfläche gehört, sodass in ARLD-5 der Oxidationspeak scharf und deutlich detektiert werden kann. Die Voltammogramm-Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Anzahl der LbL-Eintauchschichten die elektrokatalytische Aktivität der modifizierten Elektrode bezüglich des Elektronentransfers zur äußeren Elektrodenoberfläche verbessert wurde. Auch die folgenden Reaktionen für die Reduktion des (ARS-Al)-Komplexes (Schema 3) auf der Elektrodenoberfläche haben sich verbessert, und die beste elektrokatalytische Aktivität ist in der ARLD-5-Elektrode evident [24].

Angesichts der Bedeutung des pH-Effekts auf das Strukturmodell des Farbstoffs und die Bildung eines (ARS-Al)-Komplexes wurden alle CV-Experimente im neutralen pH (= 7,0) (0,1 M KCl in deionisiertem Wasser) durchgeführt, sodass alle elektrochemischen und optischen Veränderungen an der Elektrodenoberfläche nur durch Veränderung der Al³⁺-Ionenkonzentration kontrolliert und detektiert werden können.

Elektrochemische Detektion von Al³⁺

Die Änderungen der Cyclovoltammogramme nach Zugabe unterschiedlicher Al³⁺-Konzentrationen sind in Abbildung 7 dargestellt. Alle Ergebnisse wurden 10 s nach Zugabe von Aluminiumionen zum Elektrolyten erhalten.

Gemäß den Ergebnissen von Abb. 7 nimmt mit zunehmender Konzentration von Al³⁺-Ionen die Intensität des Oxidationspeakstroms allmählich bei einem Peakpotential (E_pa) von 0,58 V (vs. Ag/AgCl) in einem kontrollierten und kontinuierlichen Prozess zu. Dies deutet auf die Bildung eines ARS-Al³⁺-Komplexes auf der Oberfläche der ARLD-5-Elektrode mit einem Oxidationspotential von etwa 0,58 V (vs. Ag/AgCl) hin. Aufgrund der hohen Stärke der Komplexbildung zwischen ARS und Al³⁺ ist der Oxidationspeak der Komplexbildung pseudo-reversibel [51]. Die in dieser Studie erzielten Ergebnisse liegen nahe an den Ergebnissen anderer Studien, da der lineare Sweep-Scan einen großen Peak bei 0,27 V zeigt, der der Oxidation von freiem Alizarin entspricht, während die Oxidation von Al-komplexiertem Alizarin den Peak bei 0,58 V bei unterschiedlichen Scanraten ergibt [52]. Abbildung 7b zeigt das elektrokatalytische Verhalten der ARLD-5-Elektrode für die Detektion von Al³⁺-Ionen. Die anodischen Peakstromänderungen nehmen linear mit der Zunahme der Al³⁺-Konzentration zu. Der lineare Ansprechbereich liegt in [0,2–120 µM] mit einer Regressionsgleichung von i_pa (µA) = 0,0282 C (10⁻⁶ M) + 0,0608, r² = 0,991, und eine Nachweisgrenze von 10,1 nM für Al³⁺ wurde ermittelt.

Des Weiteren wurden Co²⁺, Ni²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺ und Cu²⁺ als interferierende Ionen unter denselben Bedingungen untersucht (ARLD-5 als Arbeitselektrode, Konzentrationen von 120 µM interferierender Ionen in 0,1 M KCl-Lösung für CV-Test). Die Cyclovoltammogramme der ARLD-5-Elektrode nach Zugabe interferierender Ionen sind in Abbildung 8 dargestellt.

Abbildung 8 demonstriert die gute Selektivität zu Al³⁺ für die modifizierte Elektrode. Der pH wurde durch Acetat/Natriumcarbonat-Puffer, 0,1 M KCl (einschließlich 15 µM Al³⁺-Ion) von 2,0 bis 12,0 geändert. Die Ergebnisse der Cyclovoltammogramme sind in Abbildung 9 dargestellt.

Wie in Abb. 9 gezeigt, gibt es im pH-Bereich 5,0–7,5 kaum Unterschiede in der Form des Graphen und dem Oxidationspeakstrom. In saureren Bedingungen (pH-Bereich 5–6,5) erhöht sich aufgrund der höheren Wasserstoffionenkonzentration im Elektrolyten die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Verbindung II (in Schema 4) auf der Oberfläche der festen Elektrode, um den Chelatkomplex mit dem Aluminiumion zu bilden, und daher steigt der Oxidationspeakstrom des ARS-Al-Komplexes [38]. Die Anwendung dieses Sensors wird für pH unter 5,0 (stark saure Bedingungen) und über 8,0 (stark alkalische Bedingungen) nicht empfohlen, aufgrund struktureller Veränderungen in den adsorbierten LDH-Nanoplattelets auf der Elektrodenoberfläche.

Optische Detektion von Al³⁺

Alizarinrot S (ARS) wurde als chromogenes Agens für die Entwicklung spektrophotometrischer Methoden verwendet. Anthrachinon-Metallkomplexe zeigen starke Fluoreszenz. Die Fluoreszenz von Metall-ARS-Komplexen wird durch die Feldenergie des Kations beeinflusst [53]. Daher ist das maximale Anregungs-Fluoreszenz-Wellenlängenpaar des Al-ARS-Komplexes signifikant von anderen Metallionen verschieden, die als Interferenzen in spektrophotometrischen Methoden zur Al-Bestimmung auftreten. Das Prinzip der spektrofluorimetrischen Bestimmung von Aluminium basiert auf seiner Intensitätsverstärkung, die während der Zugabe von Aluminiumionen zu freiem ARS zunimmt. Hierbei wurde ARS auf einer festen LDH-Plattform adsorbiert, was es starrer macht und seine Intensität verbessert, was zu höherer Empfindlichkeit führt.

Die präparierten Elektroden wurden als Arbeitselektrode in der Dreielektroden-Elektrochemiezelle betrachtet. Der verwendete Elektrolyt war eine KCl-Lösung (0,1 M) in destilliertem Wasser. Unterschiedliche Konzentrationen von Aluminiumionen wurden dem Elektrolyt zugesetzt. Nach jedem CV-Test und Abschluss dieses Tests wurde der Spektrofluorimetrie-Test regelmäßig an der Elektrodenoberfläche durchgeführt. Die Ergebnisse des Spektrofluorimetrie-Tests sind in Abbildung 10 dargestellt.

Die modifizierte ITO/PET-Elektrode mit (ARS/LDHs)₅-Matrix zeigt ein intensives Fluoreszenzemissionsspektrum in Gegenwart von Al³⁺-Ionen. Abbildung 10 zeigt den allmählichen Fluoreszenzanstieg in ARLD-5 nach Zugabe von Al³⁺ (Konzentrationsbereich 0,2 bis 120 µM) und deutet auf die Bildung eines statischen Addukts zwischen ARS und Al³⁺ hin. Es wurde festgestellt, dass die ARLD-5-Fluoreszenzintensität innerhalb von 10 s nach Zugabe von Al³⁺ zunahm. Somit war der Fluoreszenzanstieg von ARLD-5 relativ unabhängig von der Inkubationszeit. Aus den obigen Ergebnissen besitzt ARLD-5 eine hohe Empfindlichkeit und hocheffiziente Fluoreszenzemission für Al³⁺-Ionen.

Um die Nachweisgrenze und Kalibrierkurve im optischen Sensor zu berechnen, erhalten wir zunächst das Verhältnis der Fluoreszenzintensitätsdifferenzen und zeichnen dann den Graphen dieses Verhältnisses in Abhängigkeit von der inversen Zielkonzentration. Gemäß Gleichung (1) [54] wurde die Steigung der angepassten Linie verwendet, um die Nachweisgrenze zu bestimmen. Die erzielten Ergebnisse sind in Abb. 10c dargestellt.

Wie die Ergebnisse von Abb. 10b zeigen, nehmen die Fluoreszenzintensitätsänderungen mit der Zunahme der Al³⁺-Konzentration zu, mit einem linearen Ansprechbereich von [0,2–120 µM]. Das Auftragen der Fluoreszenzintensität versus Inverser der Konzentration ergab die Regressionsgleichung Y = 0,6994 X + 0,5445, r² = 0,986, und eine Nachweisgrenze von 23 nM für Al³⁺.

Um die Selektivität des Sensors für Al³⁺ zu bestimmen, wurde eine Konzentration von 120 µM interferierender Ionen (Co²⁺, Ni²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Cu²⁺) präpariert. Der Spektrofluorimetrie-Test wurde von der Elektrodenoberfläche nach Zugabe der interferierenden Ionen zum Elektrolyten durchgeführt. Wie in den Ergebnissen von Abb. 11 gezeigt, ist klar, dass die Zugabe interferierender Ionen keinen signifikanten Unterschied in der Fluoreszenzemission der Elektrodenoberfläche zeigte, und der signifikanteste Unterschied wurde in der Fluoreszenzemission für Al³⁺ beobachtet, was die hohe Selektivität dieses Sensortyps für Al³⁺ anzeigt. Um die Selektivität der modifizierten Elektrode für Al³⁺ besser zu bestimmen, wurden sechs Lösungen von 10⁻⁴ M ARS-Konzentration in destilliertem Wasser unter完全 gleichen Bedingungen präpariert. Daher wurden 120 µM Al³⁺-Ionen und interferierende Ionen jeweils einer der Lösungen zugewiesen und gut vermischt. Abbildung 11b zeigt die unter UV-Kabine mit einer Anregungswellenlänge von 366 nm aufgenommenen Bilder jeder der Lösungen. Wie die spektrofluorimetrischen Testergebnisse zeigten, ergab die Zugabe von Al³⁺-Ionen zu ARS-Lösung signifikante Fluoreszenz, während die initiale ARS-Lösung und andere ARS-Lösungen mit interferierenden Ionen unter der UV-Kabine keine Fluoreszenzemission aufwiesen.

Um den elektrochemischen Mechanismus auf der Elektrodenoberfläche besser zu verstehen, wurde eine UV-Vis-Spektrophotometrie-Untersuchung an der Elektrodenoberfläche vor und nach Zugabe von 120 µM Al³⁺-Ionen und Durchführung eines CV-Tests durchgeführt. ARS-Lösung (10⁻⁴ M) in deionisiertem Wasser wurde ebenfalls präpariert. 120 µM Al³⁺-Ionen wurden der Lösung zugesetzt und gut vermischt. Der UV-Vis-Spektrophotometrie-Test wurde dann von beiden Lösungen entnommen. Die erhaltenen UV-Vis-Spektrophotometrie-Ergebnisse der Proben sind in Abbildung 12 dargestellt.

Gemäß den Ergebnissen von Abb. 12 zeigt sich bei Zugabe von Aluminiumionen zur ARS-Lösung ein scharfer Peak bei einer maximalen Absorptionswellenlänge von 577 nm, was eine Zunahme der Absorptionswellenlänge (Rotverschiebung) nach Bildung des ARS-Al³⁺-Komplexes in der ARS-Lösung anzeigt. Wenn Al³⁺-Ionen mit dem ARS-Molekül reagierten, hat die Hydroxyl-(–OH)-Funktionsgruppe im ARS-Molekül, die als Auxochromgruppe fungierte, die Verschiebung des Carbonyl-(C=O)-Chromophor-Peaks zu einer längeren Wellenlänge bei 577 nm sowie die Erhöhung der Chromogen-Absorptionsintensität beeinflusst [24]. Der interessante Punkt ist, dass das Absorptionsdiagramm der ARLD-5 nach Zugabe des Aluminiumions zur Elektrolytlösung und CV-Test ein scharfer Peak bei 590 nm Absorptionswellenlänge anzeigt, was bestätigt, dass die Bildung des ARS-Al³⁺-Komplexes auf der Oberfläche der festen Elektrode stattfindet. In der Studie von Supian et al. [24] wurde die Wellenlänge der maximalen Absorption des ARS-Al³⁺-Komplexes bei 488 nm gemessen.

Sensorstabilität

Zudem ergaben zehn Replikatmessungen von 0,2 µM Al³⁺ an der modifizierten Elektrode einen reproduzierbaren Strom und maximale Fluoreszenzintensität mit relativer Standardabweichung (RSD) von 2,5 % bzw. 2,6 %; auch sechs unabhängig präparierte modifizierte Elektroden wurden nach demselben Verfahren hergestellt und für die Bestimmung von Al³⁺ (0,2 µM) mit einer RSD von 1,9 % verwendet, was die hervorragende Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit des elektrochemischen Sensors demonstriert. Die Langzeit- und hohe Flexibilität wurde durch Messung der Stromantwort von 0,2 µM Al³⁺ nach Biegetest (zylindrisch auf 90° Winkel) der modifizierten ITO/PET-Elektrode für 90 Mal während 1 Monat untersucht und die prozentuale Erholung betrug 96 %, was die lange Lebensdauerstabilität der modifizierten flexiblen Elektrode anzeigt.

Die Ergebnisse von Abb. 13 stellen die elektrochemischen und optischen Antwortänderungen des für Al³⁺-Konzentrationsänderungen entworfenen elektrochemischen Sensors dar, was eine perfekte und signifikante Anpassung zwischen der elektrochemischen und optischen Antwort dieses Sensortyps gegen das Zielmolekül zeigt.

Die Nachweisgrenze in dieser Arbeit wird mit früheren Arbeiten verglichen, wobei die Details in Tabelle 3 dargestellt sind.

Andere in Tabelle 3 zusammengefasste Methoden, basierend auf der ASV-Technik, erfordern üblicherweise längere Detektionszeiten und wiederholbare Elektrodenpolierschritte bei jeder Messung. Andererseits hat der in dieser Studie entworfene elektrochemische Sensor ein einfaches Designsystem und liefert neben einem elektrochemischen Signal, das winzige Mengen an Zielmolekülen quantitativ genau detektiert, auch ein optisches Signal. Da sich das optische Signal im Spektrofluorimetrie-Test ändert, ist die Anwendung des Sensors für Biologen sehr praktisch. Diese Designstruktur wird als sehr geeignet für zukünftige biotechnologische Anwendungen betrachtet.

Schlussfolgerung

In dieser Studie wurde ein neuartiger flexibler ITO/PET-basierter elektrochemischer Sensor entworfen und konstruiert, sodass durch Modifikation seiner Oberfläche mittels (ARS/LDHs)_n-Matrixgitter durch LbL-Assembliertechnik ein empfindlicher und selektiver Sensor zur Detektion von Al³⁺ erhalten wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass die LbL-Assemblierung von LDH-Nanoplattelets zusammen mit den elektroaktiven Farbstoffmolekülen (ARS) bis zu fünf Zyklen ein leitfähiges Matrixnetzwerk mit einheitlicher Morphologie und Topologie bildete. Der minimale Schichtwiderstand mit hoher elektrokatalytischer Funktion wurde im fünften Zyklus der LbL-Assemblierung erreicht. In diesem elektrochemischen Sensor wurden sowohl elektrochemische als auch optische Methoden mit hoher Empfindlichkeit für Al³⁺ detektiert, sodass in einer CV-basierten elektrochemischen Methode eine niedrigere Nachweisgrenze von 10,1 nM mit einem breiten linearen Bereich [0,2–120 µM] als bei der fluoreszenzbasierten optischen Methode erzielt wurde. Obwohl die elektrochemische Technik in diesem Sensor eine etwa 2,27-fach höhere Empfindlichkeit als die optische Methode aufwies, wird aufgrund der Auflösung des distincten optischen Ansprechens bei unterschiedlichen Al³⁺-Konzentrationen die optische Anwendung für Biologen im Bereich biotechnologischer Diagnostik von Interesse sein.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten, die die Schlussfolgerungen dieses Artikels stützen, sind im Artikel enthalten.

Abkürzungen

LDH:

Geschichtete Doppelydroxide

LbL:

Schicht-für-Schicht (Layer-by-layer)

ARS:

Alizarinrot S

NCs:

Nanocluster

ITO/PET:

ITO-beschichtetes Polyethylenterephthalat

NALD:

Naphthalimid-Farbstoff/LDH-Nanoplattelet-Matrix

ICP-AES:

Induktiv gekoppelte Plasma-Atomemissionsspektroskopie

ICP-MS:

Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie

GF-AAS:

Graphitoberflächen-Atomabsorptionsspektroskopie

HR-CS:

Hochauflösende Kontinuumsquellen-Flammen-Atomabsorptionsspektrometrie

FAAS:

Flammen-Atomabsorptionsspektrometrie

ASV:

Adsorptive Stripping Voltammetrie

DPV:

Differenzpuls-Voltammetrie

EIS:

Elektrische Impedanzspektroskopie

CV:

Zyklovoltammetrie

PZC:

Null-Ladungspunkt (Point of zero charges)

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

AFM:

Rasterkraftmikroskopie

SPE:

Festphasenextraktion