Detección electro‑óptica dual avanzada con películas de nanoplaquetas LDH/colorante electroactivo ensambladas capa a capa

Resumen

Se demostró que los efectos más destructivos del ion tóxico Al³⁺ sobre el sistema nervioso humano y las enfermedades asociadas, como el Alzheimer. El desarrollo de electrodos de estado sólido aún está en sus inicios en los métodos de detección basados en sensores para Al³⁺. Por ello, en este estudio se diseñó y construyó un novedoso sensor electroquímico de estado sólido flexible basado en ITO/PET. La modificación de la superficie del electrodo se realizó mediante ensamblaje capa a capa (LbL) de nanoplaquetas de LDH Mg–Al junto con rojo alizarina S (ARS) en una matriz de película interconectada. En el diseño molecular de la base sensora del electrodo, las unidades orgánicas electroactivas (moléculas de ARS) presentes en la matriz ITO/PET‑(ARS/LDH)_n estratificada participan en reacciones electroquímicas al exponerse a la molécula objetivo (ión Al³⁺), por lo que los cambios electroquímicos del nuevo sistema quelado Al‑quelado son detectables. Este tipo de sensor se utiliza para la detección sensible y selectiva de Al³⁺. La resistencia superficial mínima, la morfología y la alta actividad electrocatalítica de la película de matriz modificada se obtienen en el quinto ciclo de la técnica de ensamblaje LbL. En este sensor electroquímico, ambos métodos electroquímico y óptico detectaron con alta sensibilidad y selectividad el Al³⁺, de modo que en un método electroquímico de voltametría cíclica se obtuvo un límite de detección inferior de 10,1 nM con un rango lineal de [0,2–120 μM] comparado con el método óptico basado en fluorescencia.

Introducción

Los hidróxidos dobles laminares (LDH) son compuestos bidimensionales del tipo general de arcilla aniónica ampliamente utilizados en aplicaciones ópticas, biológicas y electrónicas [1–4]. La estructura química de los LDH se introduce como [M^II_1−xM^III_x(OH)₂]⁻(Aⁿ⁻)_x/n·mH₂O (M^II y M^III son metales divalentes y trivalentes, respectivamente, y Aⁿ⁻ es un anión interlaminar) [1]. Debido a la estructura bidimensional, la flexibilidad y el intercambio iónico de los LDH, con la ayuda de un nuevo método de ensamblaje capa a capa (LbL), combinan esta combinación con una molécula orgánica adecuada en un arreglo laminar regular entre sí y forman compuestos orgánico/inorgánicos que se han utilizado extensamente en diversos campos de la ciencia [5–7]. Una de estas especies como molécula huésped en este arreglo es la molécula electroactiva, que resulta en acelerar el proceso de transferencia directa de electrones entre las especies involucradas en la reacción electroquímica y el lecho del electrodo inicial [8, 9]. El uso de nanoplaquetas LDH y reformas estructurales en su superficie ha encontrado uso generalizado en el desarrollo de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos [10]. Algunas investigaciones esenciales en este campo son: Chen y colaboradores [11], usando un método nuevo y sencillo, con crecimiento de película híbrida Ni‑Co LDH en una sola etapa usando nano‑láminas ultradelgadas y porosas, pudieron aumentar significativamente la capacitancia específica del electrodo basado en esta película híbrida, que comparado con otros electrodos similares basados en óxido/hidróxido Ni‑Co fue fuertemente mejorado. Li et al. [12] lograron intercalar dos tipos de aniones con diferentes ratios molares en la red Mg‑Al LDH y obtener así materiales híbridos azul‑luminescentes. Tian et al. [13] localizaron nanogrupos de oro (Au NCs) dentro de la red bidimensional de LDH con ensamblaje capa a capa para mejorar la fluorescencia y un método eficiente para fabricar películas basadas en Au NCs. La organización de ensamblaje capa a capa se consideró un método primario nuevo para fabricar sensores de fluorescencia con alta eficiencia de fluorescencia. Por tanto, el diseño molecular y estructural preciso de la base del electrodo en un dispositivo electroquímico usando materiales avanzados para la detección y visualización falsa de cambios electroquímicos y ópticos altamente elegantes dentro de la red diseñada puede mejorar significativamente la eficiencia y sensibilidad del equipo.

Los electrodos transparentes han atraído recientemente más atención debido a los componentes críticos para dispositivos optoelectrónicos. Recientemente, la tecnología de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos flexibles y elásticos crece rápidamente, especialmente promoviendo el desarrollo de electrónica wearable y características altamente portátiles [14]. La investigación en electrónica flexible se expande rápidamente. Ya exhibe aplicaciones en supercondensadores, sensores implantables, sensores piezoeléctricos flexibles, papel electrónico, celdas solares, paneles táctiles, gadgets wearables inalámbricos, pantallas flexibles, dispositivos terapéuticos bio‑integrados y electrónica epidérmica. El óxido de indio‑estaño (ITO) muestra excelentes características optoelectrónicas. Es actualmente el electrodo transparente más ampliamente utilizado [15–17]. Además, hasta ahora los sustratos de tereftalato de polietileno recubiertos con ITO (ITO/PET) se han aplicado en numerosas aplicaciones ya que combinan buena flexibilidad y alta conductividad eléctrica [18].

Recientemente, informamos un sensor electroquímico basado en LDH con estrategia de amplificación dual para detección de dopamina y Fe(III). Durante el ensamblaje capa a capa (LbL), la matriz de nanoplaquetas de colorante naftalimida/LDH electroactivo sintetizado (NALD‑n) se mostró en capas sucesivas sobre la superficie del electrodo GO/ITO/PET. Este diseño estructural resultó en un aumento significativo en la emisión de fluorescencia del colorante electroactivo en la base del sensor [19].

Este campo de ingeniería molecular en la estructura de electrónica altamente sensible, como nanosensores, es la base del proceso diseñado en este trabajo de investigación.

El rojo alizarina S, con nombre químico de 1,2‑dihidroxi‑9,10‑antraquinona, tiene una estructura de anillo heterocíclico plano, que se ha utilizado ampliamente en ciencias biológicas, fotoquímicas y estudios ambientales involucrados con contaminantes tóxicos [20, 21]. El ARS se ha utilizado ampliamente como sensor para la detección de iones metálicos y biomoléculas debido a su alta intensidad de fluorescencia [22, 23].

El ion Al³⁺ es un ion metálico pesado y tóxico que tiene numerosas aplicaciones en diversas industrias. Los efectos tóxicos y destructivos del ion aluminio en la salud humana se investigan en varios estudios. Los efectos más destructivos sobre el sistema nervioso humano, como el Alzheimer, se han reportado [24]. Varios métodos precisos de laboratorio se suelen usar para determinar la cantidad de ion aluminio en muestras biológicas y ambientales. Algunos de estos métodos comúnmente usados incluyen espectroscopía de emisión atómica con plasma acoplado inductivamente (ICP‑AES) [25, 26], espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP‑MS) [27], espectroscopía de absorción atómica con horno de grafito (GF‑AAS) [28], espectrómetro de absorción atómica de llama de fuente continua de alta resolución (HR‑CS) [29], espectrometría de absorción atómica de llama (FAAS) [30]. Estos métodos son estándar y funcionales, pero tienen algunas desventajas serias en interferencias de matriz graves, así como falta de precisión. Diferentes métodos para determinación de ion aluminio se listan en la Tabla 1. Como se ve, su límite de detección está en el rango de mg/l o µg/L. Algunos métodos necesitan mucho tiempo para preparación y análisis de muestra.

En la mayoría de casos, para análisis de trazas, se necesitan pasos de preconcentración en un sorbente específico. Algunos métodos espectrofluorimétricos muestran alta sensibilidad con bajo límite de detección, pero largo tiempo de respuesta [31–37]. Aunque sus sistemas de detección eran simples, muestran debilidades en sensibilidad y selectividad. Un sensor que combine métodos ópticos y electroquímicos ofrecerá mejores ventajas sobre otros métodos. Un sensor óptico‑electroquímico es compacto para miniaturización, fácilmente incorporable en sistemas de bajo costo y fácil uso con la excelente selectividad y sensibilidad necesarias para monitoreo ambiental en tiempo real. Las plataformas de detección de estado sólido son esenciales en la fabricación de sensores. Cuando un reactivo químico se inmoviliza en o sobre una matriz sólida, su estabilidad mejora en el medio de inmovilización y así evita la susceptibilidad indeseable a interferencias y ensuciamiento.

En investigaciones más nuevas, se introduce el uso de un sensor electroquímico para detección más precisa de ion Al³⁺ [38]. Un sensor que consiste en una red rígida inorgánica tridimensional u orgánico/inorgánica bidimensional tiene una mayor área interfacial para adsorción iónica, y por tanto mayor reactividad electrocatalítica en el sensor, lo que resultará en mayor sensibilidad y selectividad del sensor electroquímico [39]. Basado en nuestro conocimiento, la matriz ITO/PET‑(ARS/LDH)_n estratificada presentada aquí es la primera plataforma electro‑óptica para monitoreo de aluminio.

En este trabajo de investigación, un novedoso sensor electroquímico de estado sólido usado para detectar ion Al³⁺ con precisión. La base de este sensor electroquímico es la medición de la señal por métodos electroquímicos y ópticos simultáneamente. En este tipo de sensor, las unidades orgánicas electroactivas (moléculas de ARS) presentes en la matriz ITO/PET LbL ensamblada (ARS/LDH)_n participan en reacciones electroquímicas al exponerse a la molécula objetivo (ión Al³⁺), por lo que los cambios electroquímicos del nuevo sistema Al‑quelado formado son detectables. Los cambios electroquímicos, la cantidad y calidad de luz liberada del sensor también se evalúan por contacto con la molécula objetivo.

Materiales y métodos

Materiales

Lámina ITO/PET (60 Ω cm⁻¹), rojo alizarina S (ácido 3,4‑dihidroxi‑9,10‑dioxo‑2‑antracensulfónico, sal sódica), nitrato de aluminio(III) (Al(NO₃)₃), nitrato de cobalto(II) (Co(NO₃)₂), nitrato de níquel(II) (Ni(NO₃)₂), nitrato de calcio(II) (Ca(NO₃)₂), nitrato de estroncio(II) (Sr(NO₃)₂), nitrato de cobre(II) (Cu(NO₃)₂), tampones acetato/carbonato sódico y cloruro de potasio (KCl) se obtuvieron de Sigma Aldrich Co.

Equipamiento

La resistencia superficial de los electrodos modificados se midió con óhmetro Fluke (1550B). Las mediciones de absorción se tomaron con espectrofotómetro UV‑Vis de haz simple (CECIL CE9200) de 200 a 800 nm. Las pruebas de microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía de fuerza atómica (AFM) se realizaron en muestras preparadas usando instrumentos (LEO 1455VP) y (Micro Photonics Inc/ Dual scope DS95‑200E), respectivamente. Se usó un espectrómetro de fluorescencia (PerkinElmer LS55) para medir la intensidad de fluorescencia de las muestras probadas. Las mediciones de voltametría cíclica (CV) se realizaron en electrodos usando un (potenciostato Zahner PP211) en celda electroquímica de tres electrodos. En esta prueba, la superficie de los electrodos preparados se usó como electrodo de trabajo, y platino como contraelectrodo con Ag/AgCl como referencia. Una solución de KCl (0,1 M en agua desionizada) se usó como electrolito estándar en todas las pruebas. En todas las pruebas CV, el paso de potencial fue 0,005 V, y la velocidad de barrido de potencial fue 0,05 V s⁻¹. Cada voltametría cíclica presentada en este trabajo es el ciclo más representativo obtenido para cada experimento.

Fabricación del electrodo modificado con película ARS/LDH

Los LDH Mg–Al (incluyendo anión nitrato) se sintetizaron por el método desarrollado por el Grupo de Investigación ICRC [40]. La suspensión coloidal de nanoplaquetas LDH Mg–Al en agua desionizada (1,0 g L⁻¹) se preparó bajo ultrasonicación en baño de sonicación (Bandelin electronic/510 h) a 40 °C durante 4 h. Para investigar el efecto del pH en la adsorción de nanoplaquetas LDH y moléculas de colorante ARS en la superficie del electrodo en un rango de valores de pH, ajustados por diferentes tampones (acetato/carbonato), el electrodo ITO/PET se sumergió en suspensión LDH (en pH ajustado diferente variado de 3,5 a 11,5) durante 10 min. Los electrodos se retiraron y enjuagaron con agua destilada. Luego se sumergieron en solución de ARS en agua destilada (1,0 g L⁻¹) con pH neutro constante (= 7,0). Tras la inmersión en solución ARS, se enjuagaron y secaron con flujo de gas nitrógeno durante 2 min a 25 °C. Este proceso LbL se repitió cinco veces. Se tomó prueba de espectrofotometría UV‑Vis de la superficie del electrodo después del 5º ciclo LbL (Fig. 1a). Tras la elección del pH óptimo para dispersión de LDH, se realizaron las mismas pruebas. Esta vez, durante una etapa, los electrodos se sumergieron en suspensión coloidal LDH (con pH óptimo) durante 10 min. Tras enjuague y secado, se sumergieron en solución ARS en diferentes cantidades de pH (otras condiciones iguales). El pH de la solución ARS varió entre pH 3,0 y pH 7,0. Luego se tomó prueba de espectrofotometría UV‑Vis de la superficie del electrodo (Fig. 1b). Posteriormente, una serie de estas operaciones para suspensión LDH (con pH óptimo) y solución ARS (con pH óptimo) se repitieron n veces para obtener películas multicapa de (ARS/LDH)_n (Fig. 1c). El procedimiento para pruebas de inmersión LbL se muestra en el Esquema 1. Las características de los electrodos preparados con sus códigos se introducen en la Tabla 2.

Resultados y discusión

Se estudió el efecto del pH en el comportamiento de adsorción de nanoplaquetas LDH para obtener la adsorción óptima de ARS en el electrodo de estado sólido. Se usó el método de espectrofotometría UV‑Vis. Los LDH y ARS en las regiones [260–360] y [400–600] muestran picos de absorción índices, respectivamente [24]. Los resultados de la optimización de pH para suspensión coloidal LDH y solución ARS se muestran en la Fig. 1.

Como muestran los resultados, la adsorción mínima y máxima de nanoplaquetas LDH con moléculas ARS se observa en pH 3,5 y pH 5,5, respectivamente. Debido al fenómeno de desplazamiento isomérico en la red cristalina LDH (reemplazo de Mg²⁺ en lugar de Al³⁺) y el nivel de carga depende del pH causado por la protonación/desprotonación en la superficie LDH, los iones metálicos de los LDH (en la superficie basal del LDH) se disuelven en condiciones muy ácidas (pH < 4) y la estructura del LDH cambia. La disolución del LDH no se observa en otros valores de pH [41–43]. El punto de cargas cero (PZC) se dice que es el pH en el que las cargas opuestas son cero bajo temperatura, presión y medio constantes. Investigaciones muestran que PZC existe para los LDH [44]. La adsorción de carga de protón en la superficie LDH puede alterar el pH del medio. Sin embargo, las cargas en la superficie de los LDH pueden cambiar con el cambio del pH del sistema. Además, el arreglo de nanoplaquetas LDH (superficies basales y prismáticas) debido al efecto de enlace electrostático en diferentes condiciones de pH tiene diferentes tendencias para la adsorción de moléculas de colorante. Según los resultados, en condiciones severamente ácidas (pH < 4), debido a la disolución de iones metálicos en la superficie basal de los LDH, la cantidad de nanopartículas LDH estables e insolubles que se adsorben en la superficie del electrodo sólido será mínima.

Por otro lado, al moverse a condiciones totalmente alcalinas, debido a la desprotonación del LDH, menor cantidad de moléculas ARS se adsorben en la superficie de los LDH. Por tanto, el pH óptimo de la suspensión coloidal LDH para prueba de inmersión LbL se considera 5,5. Según la Fig. 2b, la mayor adsorción de ARS en la superficie del electrodo conteniendo nanoplaquetas LDH se indica en pH 4,0. Parece que se forma un mediador inapropiado para la formación de un complejo con iones Al³⁺ en la superficie de los LDH. Debido a las condiciones significativamente ácidas (pH 4,0), la forma estructural del compuesto intermedio (compuesto II en el Esquema 2) es más estable, lo que en condiciones más estables puede formar un quelato con iones Al³⁺ en la red LDH. En cuanto al pH neutro, la adsorción relativa de ARS en la superficie LDH disminuye. Sathish [45] y Supian et al. [24] también reportaron que el reactivo ARS formó un complejo con ion Al³⁺ en tampón acetato a pH 4,0. Por tanto, el pH óptimo de la solución ARS para prueba de inmersión LbL se considera 4,0. El comportamiento de absorbancia del electrodo modificado ARLD‑5 se ve en la Fig. 1c, mientras que el ajuste óptimo de pH se hizo para suspensión LDH (pH 5,5) y solución ARS (pH 4,5) durante todos los cinco ciclos LbL.

Respecto al efecto de nanoplaquetas LDH Mg–Al en la conductividad eléctrica de la superficie del electrodo, el número de ciclo de inmersión (n) debe determinarse. Para ello, se investigaron cambios en la resistencia superficial del electrodo en diferentes ciclos de inmersión. La Figura 2 muestra los resultados de la resistencia superficial de muestras de electrodo ITO/PET estratificadas por (ARS/LDH)_n.

Como es claro el resultado de la Fig. 2, la resistencia superficial del electrodo disminuye ligeramente hasta el quinto ciclo, y después del quinto ciclo, el aumento de la resistencia superficial se debe al aumento excesivo de densidades de nanoplaquetas LDH y al aumento en la longitud de la vía de transferencia de electrones. Es importante notar que el ensamblaje LbL de nanoplaquetas LDH en la superficie del electrodo puede resultar en función de intercambio iónico y transferencia robusta de electrones. Por tanto, el quinto ciclo se seleccionó como ciclo óptimo, de modo que el electrodo modificado en estas condiciones tiene la menor resistencia y la mayor conductividad eléctrica. En general, los resultados de esta prueba muestran que el método de ensamblaje LbL de nanoplaquetas LDH con moléculas de colorante ARS no tiene un efecto significativo en la resistencia y conductividad eléctrica del electrodo hasta el décimo ciclo.

En las Figs. 3 y 4 se presentan imágenes SEM y resultados topográficos AFM obtenidos de las muestras, respectivamente.

Como ilustración en los resultados de morfología y topografía de escaneo de los electrodos preparados, con el aumento del número de ciclos LbL (n), se observa un aumento continuo en la densidad de capas LDH junto con ARS en la superficie del electrodo. Desde el primer ciclo al quinto, la rugosidad superficial aumentó (imágenes AFM) y el espesor de las nanoplaquetas LDH junto con el ARS adsorbido aumentó continuamente de forma pronunciada.

Para investigar la adsorción de moléculas ARS en las nanoplaquetas LDH, se estudió el comportamiento óptico de las capas adsorbidas usando prueba de espectrofluorimetría. Después de cada ciclo de inmersión LbL, se realizó la prueba de espectrofluorimetría desde la superficie del electrodo sólido. Los resultados de la prueba de espectrofluorimetría de los electrodos preparados se dan en la Fig. 5.

Como muestran los resultados, después del primer ciclo de inmersión LbL, debido a la menor cantidad de moléculas ARS junto con nanoplaquetas LDH adsorbidas en la superficie del electrodo, la cantidad de emisión de fluorescencia es escasa y el pico de la emisión débil de fluorescencia es de unos 666 nm. Al aumentar el número de ciclos de inmersión LbL (n), la tasa de emisión de fluorescencia aumenta continuamente al incrementar la densidad de capas ARS junto con nanoplaquetas LDH en la superficie del electrodo sólido. Como en el quinto ciclo, se observa el pico de emisión de fluorescencia más alto a 668 nm. Debido al débil espectro de emisión de la solución ARS en agua desionizada en baja concentración (10⁻⁴ M), la intensidad de emisión de fluorescencia de este compuesto cuando se encierra entre Mg–Al LDH en sustrato de electrodo sólido ha mejorado debido a menor rotación molecular de moléculas de colorante en fase sólida que en fase de disolvente y efecto reducido de disolvente en fase sólida [46]. A medida que aumenta el número de capas, la forma de los portadores se afina y el ancho del pico será menor, lo que confirma esto. La emisión de fluorescencia de moléculas en formas agregadas o ensambladas en redes cristalinas sufre realce, los efectos de transferencia de energía no radiante y reducción de rotaciones moleculares se reducen o eliminan considerablemente. Sin embargo, la alta agregación en la superficie sólida resultó en un notable auto‑apagado. Para reducir la interacción intermolecular entre cromóforos, una separación creciente entre estructuras apiladas para reducir el solapamiento π entre núcleos aromáticos, condujo a una reducción del apagado por fluorescencia y emisión fuerte resultante [47].

Se encontró que ARS tiene tres estructuras de equilibrio dependiendo del pH de la solución, como se muestra en el Esquema 2 [48, 49]. La segunda desprotonación conduce a un dianión violeta azulado (III) a pH > 12,1. Las especies de ARS 1 oxidado y ARS 7 reducido se presentan como función de condiciones experimentales. Como se ve below pH 4 ARS 1 representa la especie principal, ARS 2 prevalece en la región de pH 5,5–10,5 y ARS 3 será la especie relevante above pH 12. Las formas iónicas de ARS tienen estructuras tautoméricas. El Esquema 2 muestra las formas de reducción y tautomerismo de cada especie.

La alizarina (I) y ARS se sabe que forman complejos estables con Al³⁺, conocidos como “pigmentos laca”. V. Ya. Fain y colaboradores estudiaron profundamente los complejos metálicos de alizarina y rojos alizarina basados en sus espectros de absorción electrónica [50]. Concluyeron que la complejación de dihidroxiantraquinonas siempre procede en el grupo peri‑ o orto‑hidroxicarbonilo e involucra formas tautoméricas antraquinonoides. La complejación de alizarina ocurre en el grupo peri‑hidroxicarbonilo mediante la formación del enlace de coordinación C=O M–O y anillo quelante de seis miembros en forma monoaniónica de ARS, compuesto II (Esquema 3). Los autores sugirieron que en soluciones alcalinas, la alizarina reaccionó con iones metálicos como compuesto orto‑difenol para dar estructura III. La complejación en medios neutros puede explicarse por el reemplazo del átomo de hidrógeno en el ciclo quelante del complejo I por el ion metálico seguido de la ionización del enlace M–O. Por tanto, el grupo hidroxi ionizado de alizarina monoanión en posición 1 está unido mediante enlace de hidrógeno intramolecular. Además, para formar II, este complejo puede tener tres formas tautoméricas más (IV–VI).

En medios ácidos, el enlace O–M permanece covalente, y los espectros de absorción electrónica de alizarinatos monometálicos son idénticos al espectro de alizarina no ionizada. En medios alcalinos débiles, la alizarina entra en reacción de complejación con iones metálicos como monoanión. De todas las estructuras monoaniónicas, solo 9‑hidroxi‑2‑oxo‑1,10‑antraquinona contiene los grupos carbonilo y oxo adyacentes. Por tanto, los alizarinatos monometálicos formados en medio alcalino deberían tener la estructura 1,10‑antraquinonoide VII con ciclo quelante de cinco miembros.

Como se ve en el Esquema 2, ARS tiene un comportamiento redox reversible. Sus complejos metálicos también son electroactivos con diferentes características redox, lo que lo hace un buen candidato para aplicación en análisis basado en electroquímica. Su tasa de complejación es rápida respecto a algunos reactivos complejantes de iones metálicos comunes. ARS y ARS‑Al muestran diferentes potenciales de pico redox. Por tanto, durante la adición de ion aluminio a ARS libre, un nuevo pico (ARS‑Al) en diferentes potenciales relacionados con el redox de ARS‑Al crece proporcionalmente a la concentración de ion aluminio. Diferentes plataformas estables introducidas para mejorar la sensibilidad y aplicabilidad de sensores basados en ARS. Tanto ARS como su complejo son electroactivos en estado sólido.

Los comportamientos electroquímicos de los electrodos preparados se estudiaron mediante prueba de voltametría cíclica. Los resultados de voltametrías cíclicas de los electrodos preparados se muestran en la Fig. 6.

Según los resultados de la Fig. 6a, la forma del electrodo ITO/PET desnudo es un gráfico ruidoso con bajo flujo de corriente y ancho poco profundo, indicando actividad electrocatalítica débil del electrodo. Con la modificación de la superficie del electrodo por el ensamblaje LbL (ARS/LDH)_n, la forma del gráfico CV tiende a ciclos más anchos y simétricos, de modo que a medida que aumenta el número de ciclos de inmersión, el intervalo de flujo aumenta y la superficie del portador se vuelve más expansiva, con la mayor tasa de pico y el gráfico más ancho en el quinto ciclo (n = 5). Como se muestra en los resultados de la Fig. 6b, para el electrodo ARLD‑5 en 0,1 M KCl, cuando no hay ion aluminio presente, se observa un pico algo “reversible” por el resultado de la prueba CV. En este pico, las corrientes de ánodo y cátodo en aproximadamente 0,25 V (vs Ag/AgCl) ocurrieron debido a oxidación/reducción de ARS libre en la superficie del electrodo modificado. En presencia de iones aluminio (Fig. 6c), un pico pseudo‑reversible detectable estalla a aproximadamente 0,58 V (vs Ag/AgCl), relacionado con pico de oxidación para el complejo alizarina‑aluminio en la superficie del electrodo modificado, de modo que en ARLD‑5, el pico de oxidación puede detectarse nítida y distintamente. Los resultados del voltametría muestran que, con un número creciente de capas de inmersión LbL, la actividad electrocatalítica del electrodo modificado ha mejorado respecto a la transferencia de electrones a la superficie externa del electrodo. Además, las siguientes reacciones para la reducción del complejo (ARS‑Al) (Esquema 3) en la superficie del electrodo han mejorado, y la mejor actividad electrocatalítica es evidente en el electrodo ARLD‑5 [24].

Respecto a la importancia del efecto del pH en el modelo estructural del colorante y formación de un complejo (ARS‑Al), todos los experimentos CV se realizaron en pH neutro (= 7,0) (0,1 M KCl en agua desionizada), para que todos los cambios electroquímicos y ópticos en la superficie del electrodo puedan controlarse y detectarse solo cambiando la concentración de ion Al³⁺.

Detección electroquímica de Al³⁺

Los cambios en voltametría cíclica tras añadir diferentes concentraciones de Al³⁺ se muestran en la Fig. 7. Todos los resultados se obtienen después de 10 s de la adición de ion aluminio al electrolito.

Según los resultados de la Fig. 7, al aumentar la concentración de ion Al³⁺, la intensidad de la corriente de pico de oxidación aumenta gradualmente en un potencial de pico (E_pa) de 0,58 V (vs Ag/AgCl) con un proceso controlado y continuo. Indica la formación de complejo ARS‑Al³⁺ en la superficie del electrodo ARLD‑5 con potencial de oxidación de aproximadamente 0,58 V (vs Ag/AgCl). Debido a la alta fuerza de formación del complejo entre ARS y Al³⁺, el pico de oxidación de la formación del complejo es pseudo‑reversible [51]. Los resultados obtenidos en este estudio son cercanos a los de otros estudios donde el barrido lineal muestra el pico grande a 0,27 V correspondiente a oxidación de alizarina libre mientras la oxidación de alizarina complejada con Al da el pico a 0,58 V en diferentes tasas de barrido [52]. La Figura 7b muestra el comportamiento electrocatalítico del electrodo ARLD‑5 para la detección de ion Al³⁺. Los cambios de corriente de pico anódico aumentan linealmente junto con el aumento en concentración de Al³⁺. El rango de respuesta lineal está en [0,2–120 μM] con una ecuación de regresión de i_pa (μA) = 0,0282 C (10⁻⁶ M) + 0,0608, r² = 0,991, y un límite de detección de 10,1 nM para Al³⁺ se obtuvo.

Además, Co²⁺, Ni²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺ y Cu²⁺ como iones interferentes se investigaron bajo las mismas condiciones (ARLD‑5 como electrodo de trabajo, concentraciones de 120 μM de iones interferentes en solución 0,1 M KCl para prueba CV). Las voltametrías cíclicas del electrodo ARLD‑5 tras añadir iones interferentes se muestran en la Fig. 8.

La Figura 8 demuestra la buena selectividad al Al³⁺ para el electrodo modificado. El pH se cambió con tampones acetato/carbonato sódico, 0,1 M KCl (incluyendo 15 μM ion Al³⁺) de 2,0 a 12,0. Los resultados de las voltametrías cíclicas se muestran en la Fig. 9.

Como se muestra en la Fig. 9, en el rango de pH 5,0–7,5, hay poca diferencia en la forma del gráfico y la corriente de pico de oxidación. Sin embargo, en condiciones más ácidas (rango pH 5–6,5), debido a la presencia de mayor ion hidrógeno en el electrolito, la probabilidad de formación del compuesto II (en Esquema 4) en la superficie del electrodo sólido aumenta para formar el quelato con el ion aluminio, y por tanto, la corriente de pico de oxidación del complejo ARS‑Al aumenta [38]. La aplicación de este sensor no se recomienda para pH menor a 5,0 (condiciones severamente ácidas) y mayor a 8,0 (condiciones severamente alcalinas) debido a los cambios estructurales en las nanoplaquetas LDH adsorbidas en la superficie del electrodo.

Detección óptica de Al³⁺

El rojo alizarina S (ARS) se ha usado como agente cromogénico para desarrollar métodos espectrofotométricos. Los complejos metal‑antraquinona muestran fluorescencia fuerte. La fluorescencia de complejos metal‑ARS se ve afectada por la energía de campo del catión [53]. Por tanto, la pareja de longitud de onda de excitación de fluorescencia máxima del complejo Al‑ARS es significativamente diferente de otros iones metálicos, que son interferentes en métodos espectrofotométricos para determinación de Al. El principio de determinación espectrofluorimétrica de aluminio se basa en su realce de intensidad que crece durante la adición de ion aluminio a ARS libre. Aquí ARS se adsorbió en una plataforma sólida de LDH, haciéndola más rígida y mejorando su intensidad resultando en mayor sensibilidad.

Los electrodos preparados se consideraron como electrodo de trabajo en la celda electroquímica de tres electrodos. El electrolito usado fue una solución de KCl (0,1 M) en agua destilada. Diferentes concentraciones de ion aluminio se añadieron al electrolito. Después de cada prueba CV y finalización de esta, la prueba de espectrofluorimetría se realizó regularmente en la superficie del electrodo. Los resultados de la prueba de espectrofluorimetría se muestran en la Fig. 10.

El electrodo ITO/PET modificado con matriz (ARS/LDH)₅ muestra un espectro de emisión de fluorescencia intenso en presencia de ion Al³⁺. La Figura 10 muestra el aumento gradual de fluorescencia en ARLD‑5 tras la adición de Al³⁺ (rango de concentración 0,2 a 120 μM) e indica la formación de un aducto estático entre ARS y Al³⁺. Se encontró que la intensidad de fluorescencia de ARLD‑5 aumentó dentro de 10 s tras la adición de Al³⁺. Así, el aumento de fluorescencia de ARLD‑5 fue relativamente independiente del tiempo de incubación. De los resultados anteriores, ARLD‑5 tiene sensibilidad y emisión de fluorescencia de alta eficiencia a ion Al³⁺.

Para calcular el límite de detección y curva de calibración en un sensor óptico, primero obtenemos la relación de las diferencias de intensidad de fluorescencia, dibujamos luego el gráfico de esta relación en términos de la concentración inversa del objetivo. Según la Eq. (1) [54], la pendiente de la línea ajustada se usó para determinar el límite de detección. Los resultados obtenidos se muestran en la Fig. 10c.

Como muestran los resultados de la Fig. 10b, los cambios de intensidad de fluorescencia aumentan junto con el aumento en concentración de Al³⁺ con rangos de respuesta lineal de [0,2–120 μM]. Al graficar intensidad de fluorescencia versus inversa de la concentración, la ecuación de regresión de Y = 0,6994 X + 0,5445, r² = 0,986, y un límite de detección de 23 nM para Al³⁺ se obtuvo.

Para determinar la selectividad del sensor al Al³⁺, se preparó una concentración de 120 μM de iones interferentes (Co²⁺, Ni²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Cu²⁺). La prueba de espectrofluorimetría se realizó desde la superficie del electrodo tras añadir los iones interferentes al electrolito. Como se muestra en los resultados de la Fig. 11, es claro que la adición de iones interferentes no mostró diferencia significativa en la emisión de fluorescencia de la superficie del electrodo, y la diferencia más significativa se observó en la emisión de fluorescencia para Al³⁺, indicando la alta selectividad de este tipo de sensor para Al³⁺. Para determinar mejor la selectividad del electrodo modificado al Al³⁺, se prepararon seis soluciones de concentraciones 10⁻⁴ M de ARS en agua destilada en condiciones completamente iguales. Por tanto, 120 μM de ion Al³⁺ e iones interferentes se asignaron a cada una de las soluciones y mezclaron bien. La Figura 11b muestra las imágenes tomadas bajo cabina UV con longitud de onda de excitación de 366 nm de cada una de las soluciones. Como mostraron los resultados de la prueba de espectrofluorimetría, la adición de ion Al³⁺ a solución ARS mostró fluorescencia significativa, mientras la solución inicial de ARS y otras soluciones ARS contenían iones interferentes bajo la cabina UV no tienen emisión de fluorescencia.

Para entender mejor el mecanismo electroquímico en la superficie del electrodo, se realizó investigación de espectrofotometría UV‑Vis en la superficie del electrodo antes y después de añadir 120 μM de ion Al³⁺ y realizar una prueba CV. Se preparó también solución ARS (10⁻⁴ M) en agua desionizada. Se añadió 120 μM de ion Al³⁺ a la solución y mezcló bien. La prueba de espectrofotometría UV‑Vis se tomó luego de ambas soluciones. Los resultados UV‑Vis obtenidos de las muestras se muestran en la Fig. 12.

Según los resultados de la Fig. 12, cuando se añadió ion aluminio a la solución ARS, vemos un pico agudo en longitud de onda de absorción máxima de 577 nm, indicando un aumento en la longitud de onda de absorción (corrimiento al rojo) tras la formación del complejo ARS‑Al³⁺ en la solución ARS. Cuando el ion Al³⁺ reaccionó con la molécula ARS, el grupo funcional hidroxilo (–OH) en la molécula ARS que actuaba como grupo auxocromo afectó el desplazamiento del pico cromóforo carbonilo (C=O) a una longitud de onda mayor a 577 nm así como aumentando la intensidad de absorbancia del cromógeno [24]. El punto interesante es que el diagrama de absorción del ARLD‑5 tras añadir el ion aluminio a la solución electrolítica y probar CV, un pico agudo en longitud de onda de absorción de 590 nm indica que la formación del complejo ARS‑Al³⁺ en la superficie del electrodo sólido se confirma. En el estudio de Supian et al. [24], la longitud de onda de absorción máxima del complejo ARS‑Al³⁺ se midió a 488 nm.

Estabilidad del sensor

Además, diez mediciones replicadas de 0,2 μM Al³⁺ en el electrodo modificado produjeron una corriente reproducible e intensidad máxima de fluorescencia con desviación estándar relativa (R.S.D.) de 2,5 % y 2,6 %, respectivamente; también, seis electrodos modificados independientes se prepararon usando el mismo procedimiento y se usaron para determinación de Al³⁺ (0,2 μM) con (RSD) de 1,9 %, demostrando la excelente repetibilidad y reproducibilidad del sensor electroquímico. La estabilidad a largo plazo y alta flexibilidad se investigaron midiendo la respuesta de corriente de 0,2 μM Al³⁺ tras prueba de flexión (de manera cilíndrica a un ángulo de 90°) del electrodo ITO/PET modificado durante 90 veces en 1 mes y el porcentaje de recuperación fue 96 %, indicando la estabilidad de larga vida del electrodo flexible modificado.

Los resultados de la Fig. 13 representan los cambios de respuesta electroquímica y óptica del sensor electroquímico diseñado a los cambios en la concentración de ion aluminio, lo que muestra un ajuste perfecto y significativo entre la respuesta electroquímica y óptica de este tipo de sensor contra la molécula objetivo.

El límite de detección en este trabajo se compara con trabajos previos de modo que los detalles se presentan en la Tabla 3.

Otros métodos resumidos en la Tabla 3, basados en la técnica ASV, usualmente requieren tiempos de detección más largos y paso repetible de pulido de electrodo en cada medición. Por otro lado, el sensor electroquímico diseñado en este estudio tiene un sistema de diseño simple y, además de una señal electroquímica que detecta con precisión pequeñas cantidades de moléculas objetivo cuantitativamente, también tiene una señal óptica. Como los cambios de señal óptica en la prueba de espectrofluorimetría, la aplicación del sensor es muy conveniente para biólogos. Esta estructura de diseño se considera muy adecuada para futuras aplicaciones biotecnológicas.

Conclusión

En este estudio, un novedoso sensor electroquímico flexible basado en ITO/PET se diseñó y construyó de modo que al modificar su superficie por matriz (ARS/LDH)_n mediante técnica de ensamblaje LbL, se obtuvo un sensor sensible y selectivo para detectar Al³⁺. Los resultados de este estudio mostraron que el ensamblaje LbL de nanoplaquetas LDH junto con moléculas de colorante electroactivo (ARS), hasta cinco ciclos, formó una red de matriz conductora con morfología y topología uniformes. La resistencia superficial mínima con la alta función electrocatalítica se obtuvo en el quinto ciclo del ensamblaje LbL. En este sensor electroquímico, ambos métodos electroquímico y óptico detectaron con alta sensibilidad el Al³⁺, de modo que en un método electroquímico basado en CV, el límite de detección inferior de 10,1 nM con un amplio rango lineal [0,2–120 μM] se obtuvo que el método óptico basado en fluorescencia. Aunque la técnica electroquímica tuvo una sensibilidad aproximadamente 2,27 veces mayor que un método óptico en este sensor, debido a la resolución de respuesta óptica distinta en diferentes concentraciones de Al³⁺, las aplicaciones ópticas serán de interés de biólogos para diagnósticos biotecnológicos.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos que apoyan las conclusiones de este artículo están incluidos dentro del artículo.

Abreviaturas

LDH:

Hidróxidos dobles laminares

LbL:

Capa a capa

ARS:

Rojo alizarina S

NCs:

Nanogrupos

ITO/PET:

ITO recubierto sobre tereftalato de polietileno

NALD:

Matriz de nanoplaquetas LDH/colorante naftalimida

ICP‑AES:

Espectroscopía de emisión atómica con plasma acoplado inductivamente

ICP‑MS:

Espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente

GF‑AAS:

Espectroscopía de absorción atómica con horno de grafito

HR‑CS:

Espectrómetro de absorción atómica de llama de fuente continua de alta resolución

FAAS:

Espectrometría de absorción atómica de llama

ASV:

Voltametría de extracción adsortiva

DPV:

Voltametría de pulso diferencial

EIS:

Espectroscopía de impedancia eléctrica

CV:

Voltametría cíclica

PZC:

Punto de cargas cero

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

SPE:

Extracción en fase sólida