Sensoriamento Eletro-Óptico Dual Avançado com Filmes de Nanoplaquetas LDH/Corante Eletroativo Montados Camada a Camada

Resumo

Comprovou-se que os efeitos mais destrutivos do íon tóxico Al³⁺ no sistema nervoso humano e doenças envolvidas com este sistema, como Alzheimer. O desenvolvimento de eletrodos de estado sólido ainda está em sua infância durante os métodos de detecção baseados em sensores para Al³⁺. Portanto, neste estudo, um novo sensor eletroquímico de estado sólido flexível baseado em ITO/PET foi projetado e construído. A modificação da superfície do leito do eletrodo foi feita por montagem camada a camada (LbL) de nanoplaquetas Mg-Al LDH junto com vermelho de alizarina S (ARS) em uma matriz de filme interconectado. No projeto molecular da base de sensoriamento do eletrodo, as unidades orgânicas eletroativas (moléculas de ARS) presentes na matriz ITO/PET em camadas (ARS/LDHs)_n estão envolvidas em reações eletroquímicas quando expostas à molécula-alvo (íon Al³⁺), de modo que as mudanças eletroquímicas do novo sistema quelado Al formado são detectáveis. Este tipo de sensor é usado para detecção sensível e seletiva de Al³⁺. A resistência de folha mínima, morfologia e alta atividade eletrocatalítica do filme de matriz modificado são obtidas no quinto ciclo da técnica de montagem LbL. Neste sensor eletroquímico, ambos os métodos eletroquímico e óptico foram detectados com alta sensibilidade e seletividade de Al³⁺, de modo que em um método eletroquímico de voltametria cíclica, o limite inferior de detecção de 10,1 nM com faixa linear de [0,2–120 μM] foi obtido em comparação ao método óptico baseado em fluorescência.

Introdução

Hidróxidos duplos lamelares (LDHs) são compostos bidimensionais do tipo geral de argila aniônica amplamente usados em aplicações ópticas, biológicas e eletrônicas. A estrutura química dos LDHs é introduzida como [M^II_1−xM^III_x(OH)₂]⁻(Aⁿ⁻)_x/n·mH₂O (M^II e M^III são metais divalentes e trivalentes, respectivamente, e Aⁿ⁻ é um ânion intercamadas). Devido à estrutura bidimensional, a flexibilidade e troca iônica dos LDHs, com a ajuda de um novo método de montagem camada a camada (LbL), combinam esta combinação com uma molécula orgânica adequada em um arranjo regular em camadas entre si e formam compostos orgânico/inorgânicos que têm sido amplamente usados em vários campos da ciência. Uma dessas espécies como molécula convidada neste arranjo é a molécula eletroativa, que resulta em acelerar o processo de transferência direta de elétrons entre as espécies envolvidas na reação eletroquímica e o leito inicial do eletrodo. O uso de nanoplaquetas de LDHs e reformas estruturais em sua superfície encontrou uso generalizado no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos. Algumas das pesquisas essenciais neste campo são as seguintes: Chen e colaboradores, usando um método novo e direto, com crescimento de filme híbrido Ni-Co LDH de estágio único usando nanofolhas ultrfinas e porosas, poderiam aumentar significativamente a capacitância específica do eletrodo baseado neste filme híbrido, que comparado a outros eletrodos similares baseados em óxido/hidróxido Ni-Co foi fortemente aprimorado. Li et al. conseguiram intercalar dois tipos de ânions com diferentes razões molares na rede Mg-Al LDH e, assim, obter materiais híbridos luminescentes azuis. Tian et al. localizaram nanoclusters de ouro (Au NCs) dentro da grade bidimensional de LDHs com montagem camada a camada para melhorar a fluorescência e método eficiente para fabricar filmes baseados em Au NCs. A organização de montagem camada a camada foi considerada um método primário novo para fabricar sensores de fluorescência com alta eficiência de fluorescência. Portanto, o projeto molecular e estrutural preciso da base do eletrodo em um dispositivo eletroquímico usando materiais avançados pode aumentar significativamente a eficiência e sensibilidade do equipamento.

Eletrodos transparentes atraíram recentemente mais atenção devido aos componentes críticos para dispositivos optoeletrônicos. Recentemente, dispositivos de tecnologia eletrônica e optoeletrônica flexíveis e elásticos crescem rapidamente, especialmente promovendo o desenvolvimento de eletrônicos vestíveis e características altamente portáteis. A pesquisa em eletrônica flexível está se expandindo rapidamente. Já exibe aplicações em supercapacitores, sensores implantáveis, sensores piezoelétricos flexíveis, papel eletrônico, células solares, painéis de toque, gadgets vestíveis sem fio, displays flexíveis, dispositivos terapêuticos bio-integrados e eletrônicos epidérmicos. Óxido de índio-estanho (ITO) exibe excelentes características optoeletrônicas. É atualmente o eletrodo transparente mais amplamente usado. Além disso, até agora substratos de polietileno tereftalato revestidos com ITO (ITO/PET) têm sido aplicados em numerosas aplicações pois combinam boa flexibilidade e alta condutividade elétrica.

Recentemente, relatamos um sensor eletroquímico baseado em LDH com estratégia de amplificação dual para detecção de dopamina e Fe(III). Durante a montagem camada a camada (LbL), a matriz de corante naftalimida/LDH nanoplaquetas sintetizada (NALD-n) foi exibida em camadas sucessivas na superfície do eletrodo GO/ITO/PET. Este projeto de estrutura resultou em aumento significativo na emissão de fluorescência do corante eletroativo na base do sensor.

Este campo de engenharia molecular na estrutura de eletrônicos altamente sensíveis, como nanossensores, é a base do processo projetado neste trabalho de pesquisa.

Vermelho de alizarina S com o nome químico de 1,2-diidroxi-9,10-antraquinona tem uma estrutura de anel heterocíclico plano, que tem sido amplamente usado em ciências biológicas, fotoquímicos e estudos ambientais envolvidos com contaminantes tóxicos. ARS tem sido amplamente usado como sensor para detecção de íons metálicos e biomoléculas devido à alta intensidade de fluorescência.

Íon Al³⁺ é um íon metálico pesado e tóxico que tem numerosas aplicações em várias indústrias. Efeitos tóxicos e destrutivos do íon alumínio na saúde humana são investigados em vários estudos. Os efeitos mais destrutivos no sistema nervoso humano, como Alzheimer, foram relatados. Vários métodos laboratoriais precisos são geralmente usados para determinar a quantidade de íon alumínio em amostras biológicas e ambientais. Alguns desses métodos comumente usados incluem espectroscopia de emissão atômica com plasma acoplado indutivamente (ICP-AES), espectrometria de massa com plasma acoplado indutivamente (ICP-MS), espectroscopia de absorção atômica com forno de grafite (GF-AAS), espectrômetro de absorção atômica de chama de fonte contínua de alta resolução (HR-CS), espectrometria de absorção atômica de chama (FAAS). Esses métodos são padrão e funcionais, mas existem algumas desvantagens sérias em interferências sérias de matriz, bem como falta de precisão. Diferentes métodos para determinação de íon alumínio estão listados na Tabela 1. Como pode ser visto, seu limite de detecção está na faixa de mg/L ou µg/L. Alguns métodos precisam de muito tempo para preparação e análise da amostra.

Na maioria dos casos, para análise de traços, etapas de pré-concentração em um sorvente específico são necessárias. Alguns métodos espectrofluorimétricos mostram alta sensibilidade com baixo limite de detecção, mas longo tempo de resposta. Mesmo que seus sistemas de detecção fossem simples, mostram fraquezas em sensibilidade e seletividade. Um sensor com métodos ópticos e eletroquímicos combinados oferecerá melhores vantagens sobre outros métodos. Um sensor óptico-eletroquímico é compacto para miniaturização, facilmente incorporado em sistemas de baixo custo e fáceis de usar com a excelente seletividade e sensibilidade necessárias para monitoramento ambiental em tempo real. Plataformas de sensoriamento de estado sólido são essenciais na fabricação de sensores. Quando um reagente químico imobiliza-se em ou sobre uma matriz sólida, sua estabilidade melhora no meio de imobilização e assim evita a suscetibilidade indesejável a interferências e contaminação.

Em pesquisas mais recentes, o uso de um sensor eletroquímico é introduzido para detecção mais precisa de íon Al³⁺. Um sensor que consiste em uma rede rígida inorgânica tridimensional ou orgânica/inorgânica bidimensional tem uma área interfacial maior para adsorção de íons, e, portanto, maior reatividade eletrocatalítica no sensor, o que resultará em maior sensibilidade e seletividade do sensor eletroquímico. Baseado em nosso conhecimento, a matriz ITO/PET em camadas (ARS/LDHs)_n apresentada aqui é a primeira plataforma eletro-óptica para monitoramento de alumínio.

Neste trabalho de pesquisa, um novo sensor eletroquímico de estado sólido usado para detectar íon Al³⁺ com precisão. A base deste sensor eletroquímico é a medição do sinal por métodos eletroquímicos e ópticos simultaneamente. Neste tipo de sensor, as unidades orgânicas eletroativas (moléculas de ARS) presentes na matriz ITO/PET montada LbL (ARS/LDHs)_n estão envolvidas em reações eletroquímicas quando expostas à molécula-alvo (íon Al³⁺), de modo que as mudanças eletroquímicas do novo sistema quelado Al formado são detectáveis. As mudanças eletroquímicas, a quantidade e qualidade de luz liberada do sensor também são avaliadas pelo contato com a molécula-alvo.

Materiais e Métodos

Materiais

Folha ITO/PET (60 Ω cm⁻¹), vermelho de alizarina S (ácido 3,4-diidroxi-9,10-dioxo-2-antracensulfônico, sal de sódio), nitrato de alumínio(III) (Al(NO₃)₃), nitrato de cobalto(II) (Co(NO₃)₂), nitrato de níquel(II) (Ni(NO₃)₂), nitrato de cálcio(II) (Ca(NO₃)₂), nitrato de estrôncio(II) (Sr(NO₃)₂), nitrato de cobre(II) (Cu(NO₃)₂), tampões acetato/carbonato de sódio e cloreto de potássio (KCl) foram obtidos da Sigma Aldrich Co.

Aparelhagem

A resistência de folha dos eletrodos modificados foi medida com ohmímetro Fluke (1550B). Medidas de absorção foram realizadas com espectrofotômetro UV-Vis de feixe único (CECIL CE9200) de 200 a 800 nm. Testes de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de força atômica (AFM) foram feitos em amostras preparadas usando instrumentos (LEO 1455VP) e (Micro Photonics Inc/ Dual scope DS95-200E), respectivamente. Um espectrômetro de fluorescência (PerkinElmer LS55) foi usado para medir a intensidade de fluorescência das amostras testadas. As medições de voltametria cíclica (CV) foram realizadas nos eletrodos usando um (potenciostato Zahner PP211) em célula eletroquímica de três eletrodos. Neste teste, a superfície dos eletrodos preparados foi usada como eletrodo de trabalho, e platina foi usada como contraeletrodo com Ag/AgCl como referência. Uma solução de KCl (0,1 molar em água deionizada) foi usada como eletrólito padrão em todos os testes. Em todos os testes de CV, o passo de varredura de potencial foi 0,005 V, e a velocidade de varredura de potencial foi 0,05 Vs⁻¹. Cada voltamograma cíclico apresentado neste trabalho de pesquisa é o ciclo mais representativo obtido para cada experimento.

Fabricação do Eletrodo Modificado com Filme A.R.S./LDHs

Mg-Al LDHs (incluindo ânion nitrato) foi sintetizado pelo método desenvolvido pelo Grupo de Pesquisa ICRC. A suspensão coloidal de nanoplaquetas Mg-Al LDHs em água deionizada (1,0 g L⁻¹) foi preparada sob ultrassom em banho ultrassônico (Bandelin electronic/510 h) a 40 °C por 4 h. Para investigar o efeito do pH na adsorção de nanoplaquetas LDH e moléculas de corante ARS na superfície do eletrodo em uma faixa de valores de pH, que foram ajustados por diferentes tampões (acetato/carbonato), o eletrodo ITO/PET foi imerso na suspensão de LDH (em diferentes pH ajustados variando de 3,5 a 11,5) por 10 min. Os eletrodos foram então removidos e enxaguados com água destilada. Em seguida, foram imersos em solução de ARS em água destilada (1,0 g L⁻¹) com pH neutro constante (= 7,0). Após imersão dos eletrodos na solução de ARS, eles foram enxaguados e secos com fluxo de gás nitrogênio por 2 min a 25 °C. Este processo LbL foi repetido cinco vezes. Teste de espectrofotometria UV-Vis foi realizado na superfície do eletrodo após o 5º ciclo LbL (Fig. 1a). Após a escolha do pH ideal para dispersão de LDH, os mesmos testes foram realizados. Desta vez, durante uma etapa, os eletrodos foram imersos na suspensão coloidal de LDH (com pH ideal) por 10 min. Após enxágue e secagem, foram imersos na solução de ARS em diferentes quantidades de pH (outras condições eram as mesmas). O pH da solução de ARS variou entre pH 3,0 e pH 7,0. Então, teste de espectrofotometria UV-Vis foi realizado na superfície do eletrodo (Fig. 1b). Subsequentemente, uma série dessas operações para suspensão de LDHs (com pH ideal) e solução de ARS (com pH ideal) foram repetidas n vezes para obter filmes multicamadas de (ARS/LDHs)_n (Fig. 1c). O procedimento para testes de imersão LbL é mostrado no Esquema 1. As características dos eletrodos preparados com seus códigos são introduzidas na Tabela 2.

Resultados e Discussão

O efeito do pH no comportamento de adsorção de nanoplaquetas LDH foi estudado para obter a adsorção ótima de ARS no eletrodo de estado sólido. O método de espectrofotometria UV-Vis foi usado para isso. O LDH e ARS nas regiões [260–360] e [400–600] mostram picos de absorção de índice, respectivamente. Os resultados da otimização de pH para suspensão coloidal de LDH e solução de ARS são mostrados na Fig. 1.

Como mostram os resultados, a adsorção mínima e máxima de nanoplaquetas LDH com moléculas de ARS é observada em pH 3,5 e pH 5,5, respectivamente. Devido ao fenômeno de deslocamento isomérico na rede cristalina de LDH (substituindo Mg²⁺ em vez de Al³⁺) e o nível de carga depende do pH causado pela protonação/desprotonação na superfície do LDH, íons metálicos dos LDHs (na superfície basal do LDH) são dissolvidos em condições muito ácidas (pH < 4) e a estrutura do LDH é alterada. A dissolução do LDH não é observada em outros valores de pH. O ponto de cargas zero (PZC) é dito ser o pH no qual as cargas opostas são zero sob temperatura, pressão e meio constantes. Pesquisas mostram que PZC existe para LDHs. A adsorção de carga de próton na superfície do LDH pode alterar o pH do meio. No entanto, cargas na superfície dos LDHs podem mudar com a mudança do pH do sistema. Além disso, o arranjo de nanoplaquetas LDH (superfícies basais e prismáticas) devido ao efeito de ligação eletrostática em diferentes condições de pH tem diferentes tendências para adsorção de moléculas de corante. De acordo com os resultados, em condições severamente ácidas (pH < 4), devido à dissolução de íons metálicos na superfície basal dos LDHs, a quantidade de nanopartículas LDH estáveis e insolúveis que adsorvem na superfície do eletrodo sólido será mínima.

Por outro lado, ao mover para condições totalmente alcalinas, devido à desprotonação do LDH, menor quantidade de moléculas de ARS são adsorvidas na superfície dos LDHs. Portanto, o pH ideal da suspensão coloidal de LDH para teste de imersão LbL é considerado 5,5. De acordo com a Fig. 2b, a maior adsorção de ARS na superfície do eletrodo contendo nanoplaquetas LDH indicada em pH 4,0. Parece que um mediador inadequado formado para formação de um complexo com íons Al³⁺ na superfície dos LDHs. Devido às condições significativamente ácidas (pH 4,0), a forma estrutural do composto intermediário (composto II no Esquema 2) é mais estável, que em condições mais estáveis, pode formar um quelato com íons Al³⁺ na rede de LDHs. Quanto ao pH neutro, a adsorção relativa de ARS na superfície do LDH diminui. Sathish e Supian et al. também relataram que o reagente ARS formou um complexo com íon Al³⁺ no tampão acetato a pH 4,0. Portanto, o pH ideal da solução de ARS para teste de imersão LbL considerado ser 4,0. O comportamento de absorbância do eletrodo modificado ARLD-5 pode ser visto na Fig. 1c, enquanto o ajuste de pH ideal foi feito para suspensão de LDH (pH 5,5) e solução de ARS (pH 4,5) durante todos os cinco ciclos LbL.

Quanto ao efeito de nanoplaquetas Mg-Al LDHs na condutividade elétrica da superfície do eletrodo, o número de ciclo de imersão (n) deve ser determinado. Para este propósito, mudanças na resistência de folha do eletrodo foram investigadas em diferentes ciclos de imersão. A Figura 2 mostra os resultados da resistência de folha de amostras de eletrodo ITO/PET em camadas por (ARS/LDHs)_n.

Como o resultado da Fig. 2 é claro, a resistência de folha do eletrodo diminui ligeiramente até o quinto ciclo, e após o quinto ciclo, o aumento da resistência de folha é devido ao aumento excessivo nas densidades de nanoplaquetas LDH e aumento no comprimento do caminho de transferência de elétrons. É importante notar que a montagem LbL de nanoplaquetas LDH na superfície do eletrodo pode resultar na função de troca iônica e transferência robusta de elétrons. Portanto, o quinto ciclo foi selecionado como o ciclo ideal, de modo que o eletrodo modificado nestas condições tem a menor resistência e a maior condutividade elétrica. Em geral, os resultados deste teste mostram que o método de montagem LbL de nanoplaquetas LDH com moléculas de corante ARS não tem efeito significativo na resistência e condutividade elétrica do eletrodo até o décimo ciclo.

Nas Figs. 3 e 4, imagens de MEV e resultados topográficos de AFM obtidos das amostras são apresentados, respectivamente.

Como ilustração nos resultados de morfologia e topografia de varredura dos eletrodos preparados, com o aumento do número de ciclos LbL (n), aumento contínuo na densidade de camadas LDH junto com ARS é observado na superfície do eletrodo. Do primeiro ao quinto ciclo, a rugosidade da superfície aumentou (imagens AFM) e a espessura das nanoplaquetas LDH junto com o ARS adsorvido aumentou continuamente de forma acentuada.

Para investigar a adsorção de moléculas de ARS nas nanoplaquetas LDH, o comportamento óptico das camadas adsorvidas foi estudado usando teste de espectrofluorimetria. Após cada ciclo de imersão LbL, o teste de espectrofluorimetria foi realizado na superfície do eletrodo sólido. Os resultados do teste de espectrofluorimetria dos eletrodos preparados são dados na Fig. 5.

Como mostram os resultados, após o primeiro ciclo de imersão LbL, devido à menor quantidade de moléculas de ARS junto com nanoplaquetas LDH adsorvidas na superfície do eletrodo, a quantidade de emissão de fluorescência é ínfima e o pico da emissão de fluorescência fraca é cerca de 666 nm. Ao aumentar o número de ciclos de imersão LbL (n), a taxa de emissão de fluorescência aumenta continuamente pelo aumento da densidade de camadas de ARS junto com nanoplaquetas LDH na superfície do eletrodo sólido. Como no quinto ciclo, o pico de emissão de fluorescência mais alto é observado a 668 nm. Devido ao fraco espectro de emissão da solução de ARS em água deionizada em baixa concentração (10⁻⁴ M), a intensidade de emissão de fluorescência deste composto quando enclausurado entre Mg-Al LDHs no substrato de eletrodo sólido melhorou devido à menor rotação molecular das moléculas de corante em fase sólida do que moléculas de corante em fase de solvente e efeito de solvente reduzido em fase sólida. À medida que o número de camadas aumenta, a forma dos portadores será mais nítida, e a largura do pico será menor, o que confirma isso. A emissão de fluorescência de moléculas em formas agregadas ou montadas em redes cristalinas sofre realce, os efeitos de transferência de energia não radiativa e redução de rotações moleculares são consideravelmente reduzidos ou eliminados. No entanto, alta agregação na superfície sólida resultou em autoquenching notável. Para reduzir a interação intermolecular entre os cromóforos, um aumento na separação entre estruturas empilhadas para reduzir sobreposição π entre núcleos aromáticos, levou a uma redução do quenching de fluorescência e forte emissão resultou.

Verificou-se que ARS tem três estruturas de equilíbrio dependendo do pH da solução, como mostrado no Esquema 2. A segunda desprotonação leva a um diânion azul-violeta (III) a pH > 12,1. As espécies de ARS 1 oxidado e ARS 7 reduzido estão presentes como função de condições experimentais. Como pode ser visto abaixo de pH 4, ARS 1 representa a espécie principal, ARS 2 prevalece na região de pH 5,5–10,5 e ARS 3 será a espécie relevante acima de pH 12. Formas iônicas de ARS têm estruturas tautoméricas. O Esquema 2 mostra as formas de redução e tautomerismo de cada espécie.

Alizarina (I) e ARS são conhecidos por formar complexos estáveis com Al³⁺, conhecidos como "pigmentos de lago". V. Ya. Fain e colaboradores estudaram profundamente complexos metálicos de alizarina e alizarina vermelhos baseados em seus espectros de absorção eletrônica. Concluíram que a complexação de diidroxiantraquinonas sempre prossegue no grupo peri- ou orto-hidroxicarbonil e envolve formas tautoméricas antraquinóides. A complexação de alizarina ocorre no grupo peri-hidroxicarbonil via formação de ligação de coordenação C=O M-O e anel quelato de seis membros na forma monoaniônica de ARS, composto II (Esquema 3). Os autores sugeriram que em soluções alcalinas, alizarina reagiu com íons metálicos como composto orto-difenol para dar estrutura III. A complexação em meios neutros pode ser explicada pela substituição do átomo de hidrogênio no ciclo quelato do complexo I pelo íon metálico seguido pela ionização da ligação M-O. Portanto, o grupo hidroxi ionizado de alizarina monoanion na posição 1 é ligado através de ligação de hidrogênio intramolecular. Além disso, para formar II, este complexo pode ter três formas tautoméricas mais (IV-VI).

Em meios ácidos, a ligação O-M permanece covalente, e os espectros de absorção eletrônica de alizarinatos monometálicos são idênticos ao espectro de alizarina não ionizada. Em meios fracamente alcalinos, alizarina entra em reação de complexação com íons metálicos como monoanion. De todas as estruturas monoaniônicas, apenas 9-hidroxi-2-oxo-1,10-antraquinona contém os grupos carbonil e oxo adjacentes. Portanto, alizarinatos monometálicos formados em meio alcalino devem ter a estrutura 1,10-antraquinóide VII com ciclo quelato de cinco membros.

Como pode ser visto no Esquema 2, ARS tem um comportamento redox reversível. Seus complexos metálicos também são eletroativos com diferentes características redox, tornando-o um candidato adequado para aplicação em análise baseada em eletroquímica. Sua taxa de complexação é rápida em relação a alguns reagentes comuns de complexação de íons metálicos. ARS e ARS-Al mostram diferentes potenciais de pico redox. Portanto, durante a adição de íon alumínio a ARS livre, um novo pico (ARS-Al) em potenciais diferentes relacionados ao redox ARS-Al cresce proporcional à concentração de íon alumínio. Diferentes plataformas estáveis introduzidas a fim de melhorar a sensibilidade e aplicabilidade de sensores baseados em ARS. Tanto ARS quanto seu complexo são eletroativos no estado sólido.

Comportamentos eletroquímicos dos eletrodos preparados foram estudados por teste de voltametria cíclica. Os resultados dos voltamogramas cíclicos dos eletrodos preparados são mostrados na Fig. 6.

De acordo com os resultados da Fig. 6a, a forma do eletrodo ITO/PET nu é um gráfico ruidoso com baixo fluxo de corrente e largura rasa, indicando atividade eletrocatalítica fraca do eletrodo. Com a modificação da superfície do eletrodo pela montagem LbL (ARS/LDHs)_n, a forma do gráfico CV tende a ciclos mais amplos e simétricos, de modo que à medida que o número de ciclos de imersão aumenta, o intervalo de fluxo aumenta e a superfície do portador torna-se mais expansiva, com a maior taxa de pico e o gráfico mais amplo no quinto ciclo (n = 5). Como mostrado nos resultados da Fig. 6b, para o eletrodo ARLD-5 no 0,1 M KCl, quando nenhum íon alumínio está presente, um pico "reversível" é observado pelo resultado do teste CV. Neste pico, as correntes de ânodo e cátodo em cerca de 0,25 V (vs Ag/AgCl) ocorreram devido à oxidação/redução de ARS livre na superfície do eletrodo modificado. Na presença de íons alumínio (Fig. 6c), um pico pseudo-reversível explosivo é detectável a cerca de 0,58 V (vs Ag/AgCl), que está relacionado ao pico de oxidação para o complexo alizarina-alumínio na superfície do eletrodo modificado, de modo que no ARLD-5, o pico de oxidação pode ser detectado nitidamente e distintamente. Os resultados do voltamograma mostram que, com o aumento do número de camadas de imersão LbL, a atividade eletrocatalítica do eletrodo modificado melhorou concernente à transferência de elétrons para a superfície externa do eletrodo. Além disso, as seguintes reações para a redução do complexo (ARS-Al) (Esquema 3) na superfície do eletrodo melhoraram, e a melhor atividade eletrocatalítica é evidente no eletrodo ARLD-5.

Quanto à importância do efeito do pH no modelo estrutural do corante e formação de um complexo (ARS-Al), todos os experimentos CV foram realizados em pH neutro (= 7,0) (0,1 M KCl em água deionizada), de modo que todas as mudanças eletroquímicas e ópticas na superfície do eletrodo podem ser controladas e detectadas apenas pela mudança da concentração de íon Al³⁺.

Detecção Eletroquímica de Al³⁺

As mudanças do voltamograma cíclico após adição de diferentes concentrações de Al³⁺ são mostradas na Fig. 7. Todos os resultados são obtidos após 10 s da adição de íon alumínio ao eletrólito.

De acordo com os resultados da Fig. 7, ao aumentar a concentração de íon Al³⁺, a intensidade da corrente de pico de oxidação aumenta gradualmente em um potencial de pico (E_pa) de 0,58 V (vs Ag/AgCl) com um processo controlado e contínuo. Indica a formação de complexo ARS-Al³⁺ na superfície do eletrodo ARLD-5 com potencial de oxidação de cerca de 0,58 V (vs Ag/AgCl). Devido à alta força de formação do complexo entre ARS e Al³⁺, o pico de oxidação da formação do complexo é pseudo-reversível. Os resultados obtidos neste estudo são próximos aos resultados de outros estudos pois a varredura linear mostra o pico grande a 0,27 V corresponde à oxidação de alizarina livre enquanto a oxidação de alizarina complexada com Al dá o pico a 0,58 V em diferentes taxas de varredura. A Figura 7b mostra o comportamento eletrocatalítico do eletrodo ARLD-5 para detecção de íon Al³⁺. As mudanças de corrente de pico anódico aumentam linearmente junto com o aumento na concentração de Al³⁺. A faixa de resposta linear está em [0,2–120 μM] com equação de regressão de i_pa (μA) = 0,0282C (10⁻⁶ M) + 0,0608, r² = 0,991, e um limite de detecção de 10,1 nM para Al³⁺ foi obtido.

Além disso, Co²⁺, Ni²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺ e Cu²⁺ como íons interferentes foram investigados sob as mesmas condições (ARLD-5 como eletrodo de trabalho, concentrações de 120 μM de íons interferentes em solução 0,1 M KCl para teste CV). Os voltamogramas cíclicos do eletrodo ARLD-5 após adição de íons interferentes são mostrados na Fig. 8.

A Figura 8 demonstra a boa seletividade para Al³⁺ para o eletrodo modificado. O pH foi alterado por tampões acetato/carbonato de sódio, 0,1 M KCl (incluindo 15 μM íon Al³⁺) de 2,0 a 12,0. Os resultados dos voltamogramas cíclicos são mostrados na Fig. 9.

Como mostrado na Fig. 9, na faixa de pH 5,0–7,5, há pouca diferença na forma do gráfico e na corrente de pico de oxidação. No entanto, em condições mais ácidas (faixa de pH 5–6,5), devido à presença de maior íon hidrogênio no eletrólito, a probabilidade de formação do composto II (no Esquema 4) na superfície do eletrodo sólido aumenta para formar o quelato com o íon alumínio, e portanto, a corrente de pico de oxidação do complexo ARS-Al aumenta. A aplicação deste sensor não é recomendada para pH menor que 5,0 (condições severamente ácidas) e maior que 8,0 (condições severamente alcalinas) devido às mudanças estruturais nas nanoplaquetas LDH adsorvidas na superfície do eletrodo.

Detecção Óptica de Al³⁺

Vermelho de alizarina S (ARS) tem sido usado como agente cromogênico para desenvolvimento de métodos espectrofotométricos. Complexos metálico-antraquinona mostram fluorescência forte. A fluorescência de complexos metálico-ARS é afetada pela energia de campo do cátion. Portanto, o par de comprimento de onda de excitação de fluorescência máximo do complexo Al-ARS é significativamente diferente de outros íons metálicos, que são interferentes em métodos espectrofotométricos para determinação de Al. O princípio da determinação espectrofluorimétrica de alumínio é baseado no seu realce de intensidade que cresce durante adição de íon alumínio a ARS livre. Aqui ARS foi adsorvido em uma plataforma sólida de LDH, tornando-o mais rígido e melhorou sua intensidade resultando em mais sensibilidade.

Eletrodos preparados foram considerados como eletrodo de trabalho na célula eletroquímica de três eletrodos. O eletrólito usado foi uma solução de KCl (0,1 M) em água destilada. Diferentes concentrações de íon alumínio foram adicionadas ao eletrólito. Após cada teste CV e conclusão deste teste, o teste de espectrofluorimetria foi regularmente realizado na superfície do eletrodo. Os resultados do teste de espectrofluorimetria são mostrados na Fig. 10.

O eletrodo ITO/PET modificado com matriz (ARS/LDHs)₅ mostra um espectro de emissão de fluorescência intenso na presença de íon Al³⁺. A Figura 10 mostra o aumento gradual de fluorescência no ARLD-5 após adição de Al³⁺ (faixa de concentração de 0,2 a 120 μM) e indica a formação de um aduto estático entre ARS e Al³⁺. Verificou-se que a intensidade de fluorescência do ARLD-5 aumentou dentro de 10 s após adição de Al³⁺. Portanto, o aumento de fluorescência do ARLD-5 foi relativamente independente do tempo de incubação. Dos resultados acima, o ARLD-5 tem sensibilidade e emissão de fluorescência de alta eficiência para íon Al³⁺.

Para calcular o limite de detecção e curva de calibração em um sensor óptico, primeiro obtemos a razão das diferenças de intensidade de fluorescência, desenhamos então o gráfico desta razão em termos da concentração inversa do alvo. De acordo com a Eq. (1), a inclinação da linha ajustada foi usada para determinar o limite de detecção. Os resultados obtidos são mostrados na Fig. 10c.

(F_max - F₀)/(F_c - F₀) = 1 + (KC)⁻¹ (1)

Como mostram os resultados da Fig. 10b, as mudanças de intensidade de fluorescência aumentam junto com o aumento na concentração de Al³⁺ com as faixas de resposta linear de [0,2–120 μM]. Plotando intensidade de fluorescência versus inverso da concentração, a equação de regressão de Y = 0,6994X + 0,5445, r² = 0,986, e um limite de detecção de 23 nM para Al³⁺ foi obtido.

Para determinar a seletividade do sensor para Al³⁺, uma concentração de 120 μM de íons interferentes (Co²⁺, Ni²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Cu²⁺) foram preparados. O teste de espectrofluorimetria foi realizado na superfície do eletrodo após adição dos íons interferentes ao eletrólito. Como mostrado nos resultados da Fig. 11, é claro que a adição de íons interferentes não mostrou diferença significativa na emissão de fluorescência da superfície do eletrodo, e a diferença mais significativa foi observada na emissão de fluorescência para Al³⁺, indicando a alta seletividade deste tipo de sensor para Al³⁺. Para melhor determinar a seletividade do eletrodo modificado para Al³⁺, seis soluções de concentrações 10⁻⁴ M de ARS em água destilada foram preparadas em condições completamente iguais. Portanto, 120 μM de íon Al³⁺ e íons interferentes foram atribuídos a cada uma das soluções e misturados bem. A Figura 11b mostra as imagens tiradas sob cabine UV com comprimento de onda de excitação de 366 nm de cada uma das soluções. Como os resultados do teste de espectrofluorimetria mostraram, a adição de íon Al³⁺ à solução de ARS mostrou fluorescência significativa, enquanto a solução inicial de ARS e outras soluções de ARS contendo íons interferentes sob a cabine UV não têm emissão de fluorescência.

Para melhor entender o mecanismo eletroquímico na superfície do eletrodo, investigação de espectrofotometria UV-Vis foi realizada na superfície do eletrodo antes e depois de adicionar 120 μM de íon Al³⁺ e realizar um teste CV. Solução de ARS (10⁻⁴ M) em água deionizada também foi preparada. 120 μM de íon Al³⁺ foi adicionado à solução e misturado bem. O teste de espectrofotometria UV-Vis foi então realizado em ambas as soluções. Os resultados de espectrofotometria UV-Vis obtidos das amostras são mostrados na Fig. 12.

De acordo com os resultados da Fig. 12, quando o íon alumínio foi adicionado à solução de ARS, vemos um pico agudo em um comprimento de onda de absorção máximo de 577 nm, indicando um aumento no comprimento de onda de absorção (deslocamento para o vermelho) após a formação do complexo ARS-Al³⁺ na solução de ARS. Quando íon Al³⁺ reagiu com a molécula de ARS, o grupo funcional hidroxila (–OH) na molécula de ARS que atuou como grupo auxocrômico afetou o deslocamento do pico cromóforo carbonil (C=O) para um comprimento de onda mais longo em 577 nm, bem como aumentando a intensidade de absorbância do cromogênio. O ponto interessante é que o diagrama de absorção do ARLD-5 após adição do íon alumínio à solução de eletrólito e teste CV, um pico agudo em 590 nm de comprimento de onda de absorção indica que a formação do complexo ARS-Al³⁺ na superfície do eletrodo sólido é confirmada. No estudo de Supian et al., o comprimento de onda de absorção máxima do complexo ARS-Al³⁺ foi medido em 488 nm.

Estabilidade do Sensor

Além disso, dez medições replicadas de 0,2 μM Al³⁺ no eletrodo modificado renderam corrente reprodutível e intensidade máxima de fluorescência com desvio padrão relativo (R.S.D.) de 2,5% e 2,6%, respectivamente; também, seis eletrodos modificados independentes foram preparados usando o mesmo procedimento e usados para determinação de Al³⁺ (0,2 μM) com (RSD) de 1,9%, demonstrando a excelente repetibilidade e reprodutibilidade do sensor eletroquímico. A flexibilidade de longo prazo e alta foi investigada medindo a resposta de corrente de 0,2 μM Al³⁺ após teste de dobra (de forma cilíndrica a um ângulo de 90°) do eletrodo ITO/PET modificado por 90 vezes durante 1 mês e a recuperação percentual foi 96%, indicando a estabilidade de longa vida do eletrodo flexível modificado.

Os resultados da Fig. 13 representam as mudanças de resposta eletroquímica e óptica do sensor eletroquímico projetado às mudanças na concentração de íon alumínio, que mostra um ajuste perfeito e significativo entre a resposta eletroquímica e óptica deste tipo de sensor contra a molécula-alvo.

O limite de detecção neste trabalho é comparado a trabalhos anteriores de modo que os detalhes são apresentados na Tabela 3.

Outros métodos resumidos na Tabela 3, baseados na técnica ASV, geralmente requerem tempos de detecção mais longos e etapa repetível de polimento do eletrodo a cada medição. Por outro lado, o sensor eletroquímico projetado neste estudo tem um sistema de design simples e, além de um sinal eletroquímico que detecta com precisão pequenas quantidades de moléculas-alvo quantitativamente, também tem um sinal óptico. Como as mudanças do sinal óptico no teste de espectrofluorimetria, a aplicação do sensor é muito conveniente para biólogos. Esta estrutura de design é considerada muito adequada para futuras aplicações em biotecnologia.

Conclusão

Neste estudo, um novo sensor eletroquímico flexível baseado em ITO/PET foi projetado e construído de modo que, modificando sua superfície por matriz (ARS/LDHs)_n por técnica de montagem LbL, um sensor sensível e seletivo foi obtido para detectar Al³⁺. Os resultados deste estudo mostraram que a montagem LbL de nanoplaquetas LDH junto com moléculas de corante eletroativo (ARS), até cinco ciclos, formou uma rede de matriz condutiva com morfologia e topologia uniformes. A resistência de folha mínima com a alta função eletrocatalítica foi obtida no quinto ciclo da montagem LbL. Neste sensor eletroquímico, ambos os métodos eletroquímico e óptico foram detectados com a alta sensibilidade de Al³⁺, de modo que em um método eletroquímico baseado em CV, o limite inferior de detecção de 10,1 nM com uma ampla faixa linear [0,2–120 μM] foi obtido do que o método óptico baseado em fluorescência. Embora a técnica eletroquímica tivesse uma sensibilidade cerca de 2,27 vezes maior que um método óptico neste sensor, devido à resolução de resposta óptica distinta em diferentes concentrações de Al³⁺, as aplicações ópticas serão de interesse de biólogos para diagnósticos biotecnológicos.