Наноскеин полианилина:синтетический метод, характеристика и определение окислительно-восстановительного потенциала

Введение

Неорганические структуры в форме цветов использовались для различных целей, таких как катализ [1, 2], биосенсоры [3, 4] и агностики [5]. Есть несколько синтетических стратегий для создания этих сложных структур. Синтез с использованием шаблона - это первый подход, например, липосомы использовались в качестве мягкого шаблона для управления образованием дендритных листов Pt [6, 7]. Второй подход основан на явлении ориентированного прикрепления первичных наночастиц, когда поверхности с одинаковым расположением атомов приближаются друг к другу. Синтез дендритных наночастиц PtRu с образованием фасетированных первичных наночастиц PtRu, основанный на этом принципе [8]. Третий подход основан на использовании специфических защитных агентов или поверхностно-активных веществ, чтобы вызвать анизотропный рост неорганических материалов. Такими примерами являются синтезы многостержневых Pt и Au в присутствии поливинилпирролидона или цетилтриметиламмонийбромида [9, 10]. Кроме того, после первого подхода Ge et al. [2], органо-неорганические гибридные цветковидные структуры интенсивно изучаются. В процессе синтеза гибридных структур в форме цветка комбинации различных белков (например, ферментов [11] и ДНК [12]) и ионов металлов (например, Cu [13], Ca [14, 15] и Mn [16]). В последние годы появились исследования, что на основе полианилина (ПАни) с использованием сильнокислотного легирования [17] и нановолокна полиуретана [18] осуществляется синтез цветковидных структур. Кроме того, было несколько сообщений о структурах в форме цветка, состоящих из органических материалов, таких как углеродные материалы, легированные азотом [19, 20] и полиакрилонитрил [21].

В этом исследовании мы сообщаем о методе создания органических структур в форме цветка, которые в основном состоят из PAni, и о свойствах его материала. PAni, который является типичным проводящим полимером, использовался в качестве органического компонента в этом исследовании. PAni хорошо известен своими преобразуемыми оптическими свойствами благодаря уникальным процессам легирования / дедопирования или окисления / восстановления [22]. Используя это явление, наша исследовательская группа сообщила, что PAni-опосредованные наноструктуры могут быть использованы в качестве фототермических агентов [23] и датчиков окислительно-восстановительного потенциала [24, 25] для биомедицинских приложений. В частности, электронную запрещенную зону для PAni можно контролировать с помощью состояний легирования / дедопирования [26]. Различие между легирующим и дедопинговым состояниями влияет на изменение оптических спектров ПАни в видимом диапазоне [24]. Эти легирующие и дедопированные состояния PAni можно регулировать различными легирующими добавками, такими как сильные кислоты, кислоты Льюиса, переходные металлы и ионы щелочных металлов [23].

Мы назвали частицы PAni в форме цветка как нановолокна PAni (PANS), потому что форма PANS напоминает клубок пряжи, который состоит из нановолокон PAni. Более того, синтезированный PAni, по-видимому, внутренне формирует фибриллярную и линейную молекулярную структуру, такую ​​как нить. PANS был синтезирован, когда мы добавляли бензиловый эфир (BE) к раствору N-метил-2-пирролидона (NMP), содержащему PAni, и эту смесь пропускали через процессы нагрева и очистки (рис. 1a). Затем были измерены изменения окружающих окислительно-восстановительных состояний на основе изменения цвета PANS, в котором были преобразованы оптические свойства (рис. 1b). Однако во многих ранее опубликованных отчетах глюкоза обнаруживалась с помощью ратиометрических методов флуоресценции с использованием различных механизмов восприятия [27,28,29]. Насколько нам известно, современных исследований по обнаружению глюкозы с использованием конвертируемых оптических свойств PAni было недостаточно.

а Синтетический процесс полианилинового наноскаина (PANS). б Определение уровня глюкозы с помощью PANS

Материалы и методы

Материалы

Полианилин (PAni) Mw ~ 5000, бензиловый эфир (BE), оксидаза глюкозы (GOx, от Aspergillus Niger, 145 200 единиц / г) и D- (+) - глюкоза были приобретены у Sigma-Aldrich (Сент-Луис, Миссури, США, США). США). N-Метил-2-пирролидон (NMP) и этанол (EtOH) были приобретены в Dae-jung, Корея. Солевой раствор с фосфатным буфером (DPBS) Dulbecco был приобретен в Welgene, Корея, а буферный раствор (pH 4) был приобретен в Samchun, Корея. Все остальные химические вещества и реагенты были аналитической чистоты. Сверхчистая деионизированная вода (DW) использовалась для всех синтетических процессов.

Синтез наноскеина полианилина (PANS)

Процесс синтеза безупречного продукта был следующим:PAni (250 мг) растворяли в NMP (20 мл), а затем добавляли BE (40 мл). Смесь предварительно нагревали до 200 ° C в течение 1 ч и нагревали до 300 ° C в течение 30 мин. Реагент охлаждали при комнатной температуре в течение 3 часов. Полученный раствор промывали EtOH и отделяли осадок центрифугированием при 3000 об / мин в течение 10 мин. Затем раствор повторно диспергировали в EtOH. Затем раствор, растворенный в EtOH, подвергали диализу с использованием диализной мембраны (MWCO:3500 Spectra / Por® 6, SPECTRUM® LABORATORIES, Rancho Dominguez, CA, USA) в течение 24 часов. После диализа раствор центрифугировали при 15000 об / мин в течение 30 мин. Осадок повторно растворяли в 30 мл DW. Конечная концентрация PANS была рассчитана как 8,33 мг / мл.

Характеристика PANS

Морфологию PANS оценивали с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ, JEM-1011, JEOL Ltd, Япония) и сканирующей электронной микроскопии (SEM, JSM-6701F, JEOL Ltd, Япония) изображений. Рентгеновские фотоэлектронные спектры регистрировали с использованием системы K-alpha (Thermo Fisher Scientific, Уолтем, Массачусетс, США). Анализ инфракрасных спектров с преобразованием Фурье (FT-IR Spectrum Two, PerkinElmer, Waltham, MA, USA) был проведен для подтверждения характеристических полос синтезированных PANS, а распределение PANS по размерам было проанализировано с помощью динамического светорассеяния (ELS-Z , Otsuka electronics, Япония) методом. Кроме того, площадь поверхности и объем пор PANS измеряли с помощью анализатора Брунауэра – Эммета – Теллера (Autosorb-iQ 2ST / MP, Quantachrome Instruments, Бойтон-Бич, Флорида, США), а массовое количество PANS анализировали с помощью термогравиметрического прибора. анализатор (SDT-Q600, TA instrument, New Castle, DE, USA). Кроме того, оптическую плотность PANS анализировали с помощью спектрофотометра UV – Vis (Optizen 2120UV, MECASYS Co., Корея).

Определение уровня глюкозы с помощью PANS

Прежде всего, концентрацию GOx доводили до 15 мг / мл с помощью DPBS, а глюкозу разбавляли буферным раствором с pH 4. Результирующие концентрации глюкозы были установлены на уровне 40, 20, 10, 5 и 1 мг / мл соответственно. Затем 1 мл PANS (1,67 мг / мл) смешивали с 20 мкл GOx (15 мг / мл) и 80 мкл глюкозы (40, 20, 10, 5 и 1 мг / мл соответственно). Конечные концентрации глюкозы в смешанных растворах были рассчитаны как 2,91, 1,45, 0,73, 0,36 и 0,07 мг / мл соответственно. Оптическую плотность PANS с GOx и глюкозой анализировали с помощью спектрофотометра UV-Vis.

Результаты и обсуждение

Морфология PANS была подтверждена изображениями просвечивающей электронной микроскопии (TEM) и сканирующей электронной микроскопии (SEM), как показано на рис. 2. PANS демонстрировали сферическую форму с иерархической структурой. В процессе синтеза PANS сначала PAni растворяли в NMP, а затем BE добавляли к раствору PAni / NMP. Из-за разницы в растворимости PAni между NMP и BE, PAni был экстрагирован в смесь, поэтому этот процесс был назван процессом экстракции. близость между молекулами PAni (первая строка на рис. 2 и см. также Дополнительный файл 1:рис. S1). После этого смесь последовательно нагревали при 200 ° C в течение часа и 300 ° C в течение 30 минут (процесс «нагревания»). NMP имеет температуру кипения около 203 ° C, поэтому PAni существовал в BE после процесса нагревания. После процесса нагревания PAni образовалось больше, чем в процессе экстракции, и форма PANS стала округлой. Более того, поверхность PANS начала сморщиваться, но многие частицы PANS агрегировались (второй ряд на рис. 2 и см. Также дополнительный файл 1:рис. S1). Затем PANS промывали и набухали с использованием этанола (EtOH) (третий ряд на рис. 2 и см. Также дополнительный файл 1:рис. S1). После процесса набухания EtOH будет вставлен между молекулами PAni, поэтому межмолекулярное расстояние также будет увеличено. Соответственно, PANS существовали на отдельных частицах и также имели иерархическую структуру. Чтобы подтвердить идеальные условия получения PNAS, также контролировали концентрацию PAni (дополнительный файл 1:рис. S2). Анализ изображения ПЭМ в соответствии с количеством подаваемого ПАни в каждом процессе синтеза (т.е. процесс экстракции, нагревания и набухания) также проводился, и по мере уменьшения количества подаваемого ПАни (с 50,0 мг / мл до 12,5 мг / мл) PANS был сформулирован гораздо реже. Более того, иерархическая структура PANS была определенно подтверждена с помощью SEM-изображения под углом 90 ° при подаваемом количестве PAni 50 мг / мл (дополнительный файл 1:рис. S3). Для подробных исследований механизма формирования PANS предпочтительно проводился тест на растворимость PAni (дополнительный файл 1:рис. S4). PAni был известен как гидрофобный и растворялся в смешивающемся с водой полярном апротонном растворителе, таком как NMP [24]. Фибриллярная форма PAni наблюдалась при растворении PAni в NMP. С другой стороны, PAni в BE и EtOH имел более агрегированный и больший размер, чем в NMP; более того, PAni в EtOH может слабо взаимодействовать с каждой молекулой PAni. Также были проведены испытания растворимости PAni с использованием измерений спектров поглощения; EtOH показал лучшую растворимость среди EtOH, BE и деионизированной воды (DW). Голые молекулы ПАни практически не растворяются в ДВ. Кроме того, другие эксперименты по условию были проведены в соответствии с молекулярной массой (Mw) PAni (дополнительный файл 1:рис. S5). В случае Mw 5 кДа PANS демонстрируют больше клубкообразных структур, чем другие условия (т.е. Mw 10 кДа и 50 кДа). В других случаях, PAni не образовывал зародышей, таких как Mw 5 кДа, и это явление может быть связано с различиями в растворимости PAni по отношению к NMP. Другими словами, когда Mw PAni увеличивается, PAni стремится к нерастворимости в NMP, и, таким образом, PAni не будет существовать в нановолокнах PAni в NMP. В результате не существовало достаточного количества нановолокон PAni, поэтому структуры PANS, подобные мотку, также не могли быть сформулированы. Исходя из этих результатов, формулировка PANS выдвигается следующим образом:(1) чистый PAni вообще не растворяется в DW; (2) PAni имеет лучшую растворимость в NMP; (3) PAni в NMP экстрагировали добавлением BE из-за разницы в растворимости; (4) NMP испаряли в процессе нагрева из смеси PAni / (NMP и BE); (5) полученный раствор промывают EtOH, и EtOH вводят между молекулами PAni; (6) Частицы PANS набухают и хорошо диспергируются в DW.

Морфология PANS с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ, слева) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ, справа). Буквенные символы представляют собой последовательные синтетические процессы PANS; (E):экстрагирование реагента с помощью BE, (H):последовательное нагревание реагента при 200 ° C и 300 ° C, и (S):набухание реагента с использованием EtOH. Обратите внимание, что (X):без лечения. Масштаб:500 нм

Для изучения характеристик PANS, прежде всего, был проведен анализ изображений ПЭМ высокого разрешения (рис. 3а). PANS имел морфологию клубка пряжи, который состоял из множества нановолокон PAni. Для проверки молекулярной структуры PANS был проведен рентгеновский фотоэлектронный спектроскопический (XPS) анализ для неизолированного PAni (bPAni) и PANS (рис. 3b, а также см. Дополнительный файл 1:рис. S6). Спектры остовных уровней C1s можно разложить на четыре пика:C =O / C – O при 286,7 эВ (1), C =N + / C – Cl при 285,8 эВ (2), CN / C =N при 285,0 эВ ( 3) и C – C / C – H при 284.4 эВ (4) соответственно. Деконволюция C1s была основана на данных, представленных ранее Golczak et al. [30]. В частности, изменения распределений для (3) и (4) были значительными, и эти результаты означают, что доля азота в PANS увеличилась. Это явление можно объяснить существованием NMP в структурах PANS, и эта молекула NMP влияет на взаимодействия между молекулами PAni при формировании PANS. Для дальнейшего исследования молекулярной структуры PANS были также проанализированы инфракрасные спектры с преобразованием Фурье (FTIR) для bPAni и PANS (рис. 3c и см. Также дополнительный файл 1:рис. S7). Пики на 1290 см ⁻¹ (ароматическое удлинение C – N), 1490 см ^-1 (C =C и C =N растяжение бензоидного кольца) и 1590 см ⁻¹ (C =C и C =N растяжение хиноидного кольца) были подтверждены в обоих случаях для bPAni и PANS. Удельные пики PANS при 1670 см ⁻¹ (звездочка на фиг. 3c) может быть отнесен к третичному амину в NMP, и этот пик также наблюдался в FTIR-спектре NMP (дополнительный файл 1:фиг. S7). Результаты термогравиметрического анализа (ТГА) bPAni и PANS показывают, что PANS состоит не только из PAni, но и из других молекул (рис. 3d). Разложение bPAni наблюдали примерно при 350 ° C; однако точка разложения PANS наблюдалась примерно при 200 ° C, что совпадает с точкой кипения NMP. От результатов XPS до TGA, рис. 3b – d показывает, что PANS не только состоит из чистого PAni, но также состоит из PAni и других органических соединений, таких как NMP. Кроме того, площадь поверхности и объем пор PANS были определены методом Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ) (рис. 3e), а PANS имел 9,486 ± 0,728 м ² / г площади поверхности и 0,044 ± 0,004 см ³ / г объема пор. (ср. 6,358 ± 0,682 м ² / г площади поверхности и 0,019 ± 0,001 см ³ / г объема пор для bPAni, соответственно.) Эти результаты означают, что PANS более пористый с высоким отношением поверхности к объему, чем чистый PAni. Распределение гидродинамического диаметра PANS в водном растворе составляет 799 ± 85 нм (рис. 3е). Эти результаты на рис. 3 показывают, что PANS состоит исключительно из органических соединений (PAni и NMP) с иерархической структурой.

а Изображения PANS с высоким разрешением на просвечивающей электронной микроскопии (HRTEM). Масштабная шкала составляет 100 нм, а на вставке - изображение с большим увеличением. б XPS-спектры C1s чистого полианилина (bPAni) (вверху) и PANS (внизу). 1:C =O / C – O, 2:C – N ⁺ / C =N ⁺ , 3:C – N / C =N, 4:C – C / C – H. c FTIR-спектры bPAni (вверху) и PANS (внизу). Звездочкой обозначен интересный пик, более подробно описанный в тексте. г Термогравиметрический анализ (ТГА) bPAni (вверху) и PANS (внизу). е Площадь поверхности (столбик) и объем пор (линия и разброс) bPAni и PANS с использованием анализа Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ). е Распределение PANS по размерам методом динамического рассеяния света (DLS)

Чтобы исследовать возможность использования PANS в качестве трансформируемых оптических датчиков, изменение цвета PANS было проанализировано с использованием спектров поглощения. Изменения абсорбционных свойств структур PAni, таких как наночастицы, пленки и листы, хорошо известны как изменение его состояний легирования / дедопирования. Состояния легирования / дедопирования PAni можно регулировать различными легирующими добавками, такими как сильные кислоты, кислоты Льюиса, переходные металлы и ионы щелочных металлов [31, 32]. PANS также проявляли эти свойства в зависимости от изменений окружающих значений pH (рис. 4). При низких уровнях pH ( λ ₆₈₀ / λ ₄₈₀ ), был рассчитан при представительных длинах волн пиков в EB и ES состояниях PANS, соответственно (рис. 4c). По мере того, как значение pH снижалось с 10 до 4, коэффициент поглощения сохранялся на уровне почти 1,06 и резко снижался до почти 0,88 при значениях pH от 4 до 1. Эти результаты показывают, что спектральные изменения PANS можно использовать для оценки конкретных изменений окислительно-восстановительное состояние при изменении окружающей среды.

а Фотография, б спектры поглощения и c коэффициент поглощения для представительных длин волн для состояний EB (при 680 нм) и ES (при 480 нм) растворов PANS при указанных условиях pH

Чтобы исследовать способность PANS распознавать конкретные изменения окислительно-восстановительного состояния в результате изменений окружающей среды, в качестве репрезентативных кандидатов были выбраны глюкоза и GOx. При увеличении концентрации глюкозы от 0,00 до 2,91 мг / мл цвет растворов PANS менялся с синего на зеленый (рис. 5а). Спектры поглощения PANS также были проанализированы (рис. 5b), но изменения формы в спектрах были меньше, чем в экспериментах с изменениями pH, как показано на рис. 4. Это явление можно объяснить следующими уравнениями:

В формуле. (1) глюкоза окисляется GOx с образованием глюконовой кислоты и перекиси водорода. Более того, как показано в формуле. (2) образующийся пероксид водорода восстанавливает PANS в состоянии EB до состояния ES. Однако значения коэффициента поглощения ( λ ₆₈₀ / λ ₄₈₀ ) были сформированы между 0,98 и 0,86, и этот результат указывает на то, что PANS существует в опосредованном состоянии ( λ ₆₈₀ / λ ₄₈₀ =0,98) и состояние ES ( λ ₆₈₀ / λ ₄₈₀ =0,86), как показано на рис. 5с. Реакция между глюкозой и GOx является типичной окислительно-восстановительной реакцией, и эта реакция хорошо известна тем, что дает перекись водорода, в результате чего образуются ионы и электроны водорода. Эти результаты показывают, что PANS можно легировать ионами и электронами водорода. В результате в спектрах поглощения наблюдается π – π * переход бензоидного кольца через образование плеча при 480 нм. В совокупности этот результат указывает на то, что PANS можно использовать для обнаружения ферментов, таких как глюкоза. Считается, что PANS можно также использовать для обнаружения активности других ферментов и подтверждения окислительно-восстановительной активности в биологической системе.

а Фотография, б спектры поглощения и c коэффициент поглощения для представительных длин волн для состояний EB (при 680 нм) и ES (при 480 нм) растворов PANS с указанными концентрациями глюкозы

Заключение

Таким образом, был получен состав PANS в форме мотка, который состоит из волокон PAni, а также предложен механизм составления. Синтетический процесс PANS включает последовательные процессы экстракции, нагрева и набухания. Были проанализированы составы PANS, которые состоят исключительно из органических материалов. Более того, возможности PANS в качестве трансформируемых оптических датчиков для определения изменений окружающих окислительно-восстановительных состояний были подтверждены посредством изменения значений pH и комбинации глюкозы и GOx. Настоящее исследование проливает свет на синтез нового класса трехмерных наноструктур, а также нанобиосенсоров для измерения окружающих изменений окислительно-восстановительного состояния.

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью.