Electropolymerized Dye-Modified Graphite Electrodes for Selective and Sensitive Multi-Analyte Electrochemical Detection in Biomedical and Environmental Systems

Abstract

Dye-sensitized graphite-based sensors constitute a versatile platform for electrochemical detection, combining the high conductivity of carbon materials with the functional properties of electropolymerized dye films. In this work, graphite electrodes were modified via electropolymerization using three dyes: brilliant cresyl blue, thymol blue, and bromophenol blue to develop selective and sensitive electroanalytical sensors. The modified electrodes exhibited distinct selectivity toward different classes of analytes. The brilliant cresyl blue-based electrode enabled the detection of nucleobases and related biomolecules, including guanine, adenine, thymine, uric acid, and ascorbic acid. The thymol blue-modified electrode was effective for detecting amino acids and organic compounds such as pyridoxine, tyrosine, vanillin, cysteine, and tryptophan. The bromophenol blue-based electrode showed high sensitivity toward phenolic compounds and nitrogen-containing species, including catechol, resorcinol, hydroquinone, hydrazine, and pyrogallol. Electrochemical characterization was performed using cyclic voltammetry (CV), differential pulse voltammetry (DPV), linear sweep voltammetry (LSV), and chronoamperometry (CA), complemented by scan rate and pH studies. Surface analyses by scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) confirmed the formation of homogeneous and electroactive polymeric films. The sensors exhibited significantly enhanced electrochemical responses compared to the bare graphite electrode, with excellent linearity (R2 ~ 0.99), low relative standard deviation values (RSD < 10%), and fast response times on the order of seconds. In addition, the modified electrodes enabled the selective and simultaneous detection of multiple analytes with well-resolved oxidation peaks, demonstrating their high analytical performance even in complex systems. The sensors also showed good operational stability and reproducibility over repeated measurements. These results demonstrate that electropolymerized dye films effectively tailor the electrochemical properties of graphite electrodes, enabling selective and sensitive multi-analyte detection. The developed sensing platforms show strong potential for applications in environmental monitoring, clinical diagnostics, and analysis of bioactive compounds.

Sensores baseados em eletrodos de grafite sensibilizados por corantes constituem uma plataforma versátil para detecção eletroquímica, combinando a alta condutividade de materiais de carbono com as propriedades funcionais de filmes eletropolimerizados. Neste trabalho, eletrodos de grafite foram modificados por eletropolimerização utilizando três corantes: azul de cresil brilhante, azul de timol e azul de bromofenol com o objetivo de desenvolver sensores eletroanalíticos seletivos e sensíveis. Os eletrodos modificados apresentaram seletividade distinta para diferentes classes de analitos. O eletrodo baseado em azul de cresil brilhante permitiu a detecção de nucleobases e biomoléculas relacionadas, incluindo guanina, adenina, timina, ácido úrico e ácido ascórbico. O eletrodo modificado com azul de timol mostrou-se eficiente na detecção de aminoácidos e compostos orgânicos, como piridoxina, tirosina, vanilina, cisteína e triptofano. O eletrodo baseado em azul de bromofenol apresentou alta sensibilidade para compostos fenólicos e espécies nitrogenadas, incluindo catecol, resorcinol, hidroquinona, hidrazina e pirogalol. A caracterização eletroquímica foi realizada por voltametria cíclica (VC), voltametria de pulso diferencial (VPD), voltametria de varredura linear (VVL) e cronoamperometria (CA), complementada por estudos de velocidade de varredura e análise de pH. As análises de superfície por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de força atômica (AFM) confirmaram a formação de filmes poliméricos homogêneos e eletroativos. Os sensores apresentaram respostas eletroquímicas significativamente superiores em comparação ao eletrodo de grafite não modificado, com excelente linearidade (R2 ≈ 0,99), baixos valores de desvio padrão relativo (RSD < 10%) e tempos de resposta rápidos, da ordem de segundos. Além disso, os eletrodos modificados permitiram a detecção seletiva e simultânea de múltiplos analitos, com picos de oxidação bem resolvidos, evidenciando elevado desempenho analítico mesmo em sistemas complexos. Os sensores também demonstraram boa estabilidade operacional e reprodutibilidade ao longo de medições sucessivas. Os resultados demonstram que filmes eletropolimerizados baseados em corantes são eficientes na modulação das propriedades eletroquímicas de eletrodos de grafite, permitindo a detecção seletiva e sensível de múltiplos analitos. As plataformas desenvolvidas apresentam forte potencial para aplicações em monitoramento ambiental, diagnósticos clínicos e análise de compostos bioativos