Полианилиновый наносморк: инновационный синтез, комплексная характеристика и продвинутое редокс-сенсирование

Аннотация

Разработан полианилиновый наносморк (PANS), состоящий из полианилиновых нановолокон. PANS формулировался через последовательные процессы экстракции, нагревания и набухания. Составы PANS анализировали с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, Фурье-преобразования инфракрасной спектроскопии, термогравиметрического анализа и анализа Брунауэра-Эммета-Теллера, результаты которых указывают на то, что PANS состоит исключительно из органических материалов. Более того, PANS демонстрирует конвертируемые абсорбционные характеристики в зависимости от окружающей кислой среды, и, используя эти характеристики, показана возможность PANS для сенсирования изменений окружающего редокс-состояния.

Введение

Цветообразные неорганические структуры использовались для различных применений, таких как катализ, биосенсоры и терагностические агенты. Существуют некоторые синтетические стратегии для генерации этих сложных структур. Синтез с использованием матрицы — первый подход, например, липосомы использовались как мягкая матрица для направления формирования дендритических платиновых листов. Второй подход основан на феномене ориентированного присоединения первичных наночастиц, когда поверхности с похожими атомными расположениями приближаются друг к другу. Синтез дендритических PtRu наночастиц формирует фасетированные первичные PtRu наночастицы, основанные на этом принципе. Третий подход опирается на использование специфических каппинг-агентов или поверхностно-активных веществ для индуцирования анизотропного роста неорганических материалов. Синтезы Pt и Au мультиподов в присутствии поли(винилпирролидона) или цетилтриметиламмония бромида являются такими примерами. Кроме того, после первого подхода Ге и соавт., органико-неорганические гибридные цветообразные структуры интенсивно изучались. В процессе синтеза гибридных цветообразных структур использовались комбинации различных белков (например, ферментов и ДНК) и ионов металлов (например, Cu, Ca, Mn). В последние годы были исследования, где синтез цветообразных структур базировался на полианилине (PAni) с использованием сильного кислотного легирования и полиуретановых нановолокон. Кроме того, было несколько отчетов о цветообразных структурах, составленных из органических материалов, таких как азотированные углеродные материалы и полиакрилонитрил.

В данном исследовании сообщается о методе формулирования органических цветообразных структур, в основном состоящих из PAni, и их материальных свойствах. PAni, представительный проводящий полимер, использовался как органический компонент в данном исследовании. PAni хорошо известен своими конвертируемыми оптическими свойствами благодаря уникальным процессам легирования/делегирования или оксидо-восстановления. Используя этот феномен, наша исследовательская группа сообщала, что PAni-посредничающие наноструктуры могут использоваться как фототермические агенты и редокс-сенсирующие зонды для биомедицинских применений. В частности, электронная запрещенная зона PAni может управляться состояниями легирования/делегирования. Разница между легированными и делегированными состояниями влияет на изменения оптических спектров PAni в видимом диапазоне. Эти состояния легирования и делегирования PAni могут регулироваться различными донорами, такими как сильные кислоты, кислоты Льюиса, переходные металлы и щелочные ионы.

Мы назвали цветообразные частицы PAni полианилиновым наносморком (PANS), потому что форма PANS напоминает клубок пряжи, составленный из полианилиновых нановолокон. Кроме того, асинтезированный PAni внутренне формирует фибриллярную и линейную молекулярную структуру, подобную нити. PANS синтезировался, когда мы добавляли бензиловый эфир (BE) в раствор N-метил-2-пирролидона (NMP), содержащий PAni, и эту смесь пропускали через процессы нагревания и очистки (рис. 1а). А затем изменения окружающих редокс-состояний измерялись на основе изменения цвета PANS, где оптические свойства конвертировались (рис. 1б). Однако многие ранее опубликованные отчеты детектировали глюкозу используя флуоресцентные ратиометрические методы через различные сенсорные механизмы. Насколько нам известно, современные исследования по детектированию глюкозы с использованием конвертируемых оптических свойств PAni были недостаточны.

Материалы и методы

Материалы

Полианилин (PAni) Mw ~ 5000, бензиловый эфир (BE), глюкозооксидаза (GOx, из Aspergillus Niger, 145 200 ед/г) и D-(+)-глюкоза приобретены у Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, США). N-метил-2-пирролидон (NMP) и этанол (EtOH) приобретены у Dae-jung, Корея. Фосфатно-буферный раствор Дюльбекко (DPBS) приобретен у Welgene, Корея, и буферный раствор (pH 4) у Samchun, Корея. Все остальные химикаты и реактивы были аналитического чистоты. Ультрачистая деионизированная вода (DW) использовалась для всех синтетических процессов.

Синтез полианилинового наносморка (PANS)

Синтетический процесс безупречного продукта был следующим: PAni (250 мг) растворяли в NMP (20 мл), затем добавляли BE (40 мл). Смесь предварительно нагревали до 200 °C в течение 1 ч и нагревали до 300 °C в течение 30 мин. Реакционную смесь охлаждали при комнатной температуре 3 ч. Полученный раствор промывали этанолом и отделяли осадок центрифугированием при 3000 об/мин в течение 10 мин. Затем раствор повторно диспергировали в этаноле. Далее раствор, растворенный в этаноле, диализировали с использованием диалитической мембраны (MWCO: 3500 Spectra/Por® 6, SPECTRUM® LABORATORIES) в течение 24 ч. После диализа раствор центрифугировали при 15 000 об/мин в течение 30 мин. Осадок повторно растворяли в 30 мл DW. Финальная концентрация PANS рассчитывалась как 8,33 мг/мл.

Характеристика PANS

Морфологию PANS оценивали с помощью передаточной электронной микроскопии (TEM, JEM-1011, JEOL Ltd, Япония) и сканирующей электронной микроскопии (SEM, JSM-6701F, JEOL Ltd, Япония). Рентгеновские фотоэлектронные спектры записывали с использованием K-alpha системы (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, США). Анализ Фурье-преобразования инфракрасных спектров (FT-IR Spectrum Two, PerkinElmer, Waltham, MA, США) выполняли для подтверждения характерных полос синтезированного PANS, а распределение размера PANS анализировали методом динамического рассеяния света (ELS-Z, Otsuka electronics, Япония). Более того, удельную площадь и поровый объем PANS измеряли анализатором Брунауэра-Эммета-Теллера (Autosorb-iQ 2ST/MP, Quantachrome Instruments, Boyton Beach, FL, США), а массовое количество PANS анализировали термогравиметрическим анализатором (SDT-Q600, TA instrument, New Castle, DE, США). Кроме того, абсорбцию PANS анализировали с помощью UV-Vis спектрофотометра (Optizen 2120UV, MECASYS Co., Корея).

Сенсирование глюкозы с использованием PANS

Во-первых, концентрацию GOx регулировали до 15 мг/мл с использованием DPBS, а глюкозу разбавляли буферным раствором pH 4. Результирующие концентрации глюкозы устанавливали на 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). Финальные концентрации глюкозы в смешанных растворах рассчитывались как 2,91, 1,45, 0,73, 0,36 и 0,07 мг/мл соответственно. Абсорбция PANS с GOx и глюкозой анализировали с помощью UV-Vis спектрофотометра.

Результаты и обсуждение

Морфология PANS подтверждалась передаточной электронной микроскопией (TEM) и сканирующей электронной микроскопией (SEM) изображениями, как показано на рис. 2. PANS демонстрировал сферическую форму с иерархическими структурами. В синтетическом процессе PANS, сначала PAni растворяли в NMP, затем добавляли BE в раствор PAni/NMP. Из-за разницы в растворимости PAni между NMP и BE, PAni экстрагировался в смесь, поэтому этот процесс назывался «экстракцией». После процесса экстракции PAni приобретал фибриллярную форму, и эта форма могла быть сгенерирована из-за интермолекулярной близости 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 мин («нагревание»). NMP имеет точку кипения около 203 °C, поэтому PAni существовал в BE после процесса нагревания. После нагревания PAni был более нуклеирован, чем в процессе экстракции, и форма PANS стала более округлой. Более того, поверхность PANS начала сморщиваться, но многие частицы PANS агрегировались (вторая строка на рис. 2 и см. также Дополнительный файл 1: Рис. S1). Затем PANS промывали и набухвали с использованием этанола (EtOH) (третья строка на рис. 2 и см. также Дополнительный файл 1: Рис. S1). После процесса набухания EtOH вставлялся между молекулами PAni, поэтому интермолекулярное расстояние также увеличивалось. Соответственно, PANS существовал в виде отдельных частиц и также имел иерархическую структуру. Для подтверждения идеального условия формулирования PANS, концентрацию PAni также контролировали (Дополнительный файл 1: Рис. S2). TEM-анализ согласно количеству загруженного PAni на каждом синтетическом процессе (экстракция, нагревание, набухание) также проводился, и по мере уменьшения количества загруженного PAni (с 50,0 мг/мл до 12,5 мг/мл) PANS формулировался гораздо разреженнее. Более того, иерархическая структура PANS была определенно подтверждена через 90°-наклонное SEM-изображение при количестве загруженного PAni 50 мг/мл (Дополнительный файл 1: Рис. S3). Для детальных исследований механизма формулирования PANS, тест растворимости PAni проводился преимущественно (Дополнительный файл 1: Рис. S4). PAni известен как гидрофобный и растворяется в водорастворимом полярном апротичном растворителе таком как NMP. Фибриллярная форма PAni наблюдалась, когда PAni растворялся в NMP. С другой стороны, PAni в BE и EtOH имел более агрегированный и крупный размер, чем в NMP; кроме того, PAni в EtOH могло разреженно взаимодействовать с каждой молекулой PAni. Тесты растворимости PAni с использованием измерений абсорбционных спектров также проводились; EtOH показал лучшую растворимость среди EtOH, BE и деионизированной воды (DW). Голые молекулы PAni практически не растворялись в DW. Кроме того, проводились эксперименты по другим условиям согласно молекулярному весу (Mw) PAni (Дополнительный файл 1: Рис. S5). В случае Mw 5 кДа, PANS демонстрировал более клубокоподобные структуры, чем в других условиях (Mw 10 кДа и 50 кДа). В других случаях PAni не нуклеировал как при Mw 5 кДа, и этот феномен может быть связан с различиями в растворимости в NMP для PAni. Иными словами, по мере увеличения Mw PAni, PAni стремится к нерастворимости в NMP, и таким образом, PAni не существовал бы в виде PAni нановолокон в NMP. В результате, достаточное количество PAni нановолокон не существовало, поэтому клубокоподобные структуры PANS также не формулировались. Из этих результатов формулирование PANS гипотезируется следующим образом: (1) голый PAni не растворяется в DW вообще; (2) PAni имеет лучшую растворимость в NMP; (3) PAni в NMP экстрагировался добавлением BE через разницу в растворимости; (4) NMP испарялся процессом нагревания из смеси PAni/(NMP и BE); (5) полученный раствор промывали EtOH, и EtOH вставлялся между молекулами PAni; (6) частицы PANS набухали и хорошо диспергировались в DW.

Для изучения характеристик PANS, прежде всего, проводился анализ высокорazрешающей TEM (HRTEM) (рис. 3а). PANS имел морфологию клубка пряжи, составленного из множества PAni нановолокон. Для верификации молекулярной структуры PANS проводился анализ рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) для голого PAni (bPAni) и PANS (рис. 3б и см. также Дополнительный файл 1: Рис. S6). C1s ядерный уровень спектров может быть деконволюционен на четыре пика: C=O/C–O при 286,7 эВ (1), C=N⁺/C–Cl при 285,8 эВ (2), C–N/C=N при 285,0 эВ (3) и C–C/C–H при 284,4 эВ (4) соответственно. Деконволюция C1s основана на данных, сообщенных ранее Гольчак и соавт. В частности, изменения распределений для (3) и (4) были замечательны, и эти результаты означают, что азотная доля увеличилась в PANS. Этот феномен может быть приписан существованию NMP в структурах PANS, и эта молекула NMP влияет на взаимодействия между молекулами PAni для формулирования PANS. Для дальнейшего исследования молекулярной структуры PANS также анализировались Фурье-преобразования инфракрасных (FTIR) спектры для bPAni и PANS (рис. 3в и см. также Дополнительный файл 1: Рис. S7). Пики при 1290 см⁻¹ (ароматическое C–N растяжение), 1490 см⁻¹ (C=C и C=N растяжение бензоидного кольца) и 1590 см⁻¹ (C=C и C=N растяжение хиноидного кольца) подтверждались в обоих случаях для bPAni и PANS. Специфические пики PANS при 1670 см⁻¹ (звездочка на рис. 3в) могут быть приписаны третичному амину в NMP, и этот пик также наблюдался в FTIR спектре NMP (Дополнительный файл 1: Рис. S7). Результаты термогравиметрического анализа (TGA) bPAni и PANS раскрывают, что PANS состоял не только из PAni, но и из других молекул (рис. 3г). Деградация bPAni наблюдалась около 350 °C; однако точка деградации PANS наблюдалась около 200 °C, что совпадает с точкой кипения NMP. От XPS до результатов TGA, рис. 3б–г раскрывают, что PANS не только состоял из чистого PAni, но также состоял из PAni и других органических соединений, таких как NMP. Дополнительно, удельная площадь и поровый объем PANS определялись анализом Брунауэра-Эммета-Теллера (BET) (рис. 3д), и PANS имел 9,486 ± 0,728 м²/г удельной площади и 0,044 ± 0,004 см³/г порового объема. (ср. 6,358 ± 0,682 м²/г удельной площади и 0,019 ± 0,001 см³/г порового объема для bPAni соответственно.) Эти результаты означают, что PANS более порист с высоким соотношением площадь/объем, чем голый PAni. Распределение гидродинамического диаметра PANS демонстрировало 799 ± 85 нм в водном растворе (рис. 3е). Эти результаты на рис. 3 показывают, что PANS состоит исключительно из органических соединений (PAni и NMP) с иерархическими структурами.

Для исследования возможности PANS как конвертируемых оптических зондов, изменения цвета PANS анализировали с помощью абсорбционных спектров. Изменения абсорбционных свойств PAni структур, таких как наночастицы, пленки и листы, хорошо известны как варьирующиеся в их состояниях легирования/делегирования. Состояния легирования/делегирования PAni могут регулироваться различными донорами, такими как сильные кислоты, кислоты Льюиса, переходные металлы и щелочные ионы. PANS также демонстрировал эти свойства в соответствии с изменениями окружающих pH значений (рис. 4). При низких уровнях pH (< pH 2) PANS переходил в состояние эмеральдиновой соли (ES, зеленый цвет), как указывалось наличием π–π* перехода бензоидных колец, а также полосонами полярона при примерно 480 и 800–900 нм соответственно. С увеличением значений pH пики при 480 и 800–900 нм постепенно снижались в абсорбции, и сильный абсорбционный пик примерно при 680 нм наблюдался. Абсорбционный пик при 680 нм приписывается возбуждению от наивысшей занятой молекулярной орбитали трехкольцевой бензоидной части PAni к наименьшей свободной молекулярной орбитали локализованного хиноидного кольца и двух окружающих иминных азотов в состоянии эмеральдиновой основы (EB) PAni. Для более точного различения между ES и EB состояниями PANS, абсорбционное отношение (λ₆₈₀/λ₄₈₀) рассчитывали на репрезентативных длинах волн пиков при EB и ES состояниях PANS соответственно (рис. 4в). По мере снижения pH значения от 10 до 4, абсорбционное отношение сохранялось почти на уровне 1,06, и оно резко снижалось до почти 0,88 при pH значениях от 4 до 1. Эти результаты указывают на то, что спектральные изменения PANS могут использоваться для оценки конкретных изменений редокс-состояния изменениями окружающей среды.

Для исследования сенсорной способности PANS для конкретных изменений редокс-состояния от изменений окружающей среды, глюкоза и GOx были выбраны как репрезентативные кандидаты. По мере увеличения концентраций глюкозы от 0,00 до 2,91 мг/мл, цвет растворов PANS менялся от синего к зеленому (рис. 5а). Абсорбционные спектры PANS также анализировались (рис. 5б), но изменения формы спектров были меньше, чем в экспериментах с изменением pH, как показано на рис. 4. Этот феномен можно объяснить следующими уравнениями:

Глюкоза + H₂O + O₂ →(GOx) Глюконовая кислота + H₂O₂ (1)

H₂O₂ + PANS (EB) → 2e⁻ + O₂ + PANS (ES) (2)

В уравнении (1) глюкоза окисляется GOx, в результате чего образуется глюконовая кислота и перекись водорода. Более того, как показано в уравнении (2), образующаяся перекись водорода восстанавливает PANS в состоянии EB в состояние ES. Однако значения абсорбционного отношения (λ₆₈₀/λ₄₈₀) формировались между 0,98 и 0,86, и этот результат указывает на то, что PANS находится в промежуточном состоянии (λ₆₈₀/λ₄₈₀ = 0,98) и состоянии ES (λ₆₈₀/λ₄₈₀ = 0,86), как показано на рис. 5в. Реакция между глюкозой и GOx является репрезентативной редокс-реакцией, и эта реакция хорошо известна как производящая перекись водорода, в результате чего образуются ионы водорода и электроны. Эти результаты указывают на то, что PANS может быть легирован ионами водорода и электронами. В результате, π–π* переход бензоидного кольца наблюдается в абсорбционных спектрах через формирование плеча при 480 нм. Совокупно, этот результат указывает на то, что PANS может использоваться для детектирования ферментов, таких как глюкоза. Считается, что PANS также может использоваться для детектирования активности других ферментов и подтверждения редокс-активности в биологических системах.

Заключение

В резюме, формулирование клубоковидного PANS, состоящего из PAni волокон, достигнуто, и механизм формулирования также предложен. Синтетический процесс PANS содержит последовательные экстракции, нагревание и набухание процессы. Составы PANS проанализированы, которые состоят исключительно из органических материалов. Более того, возможности PANS как конвертируемых оптических зондов для сенсирования изменений окружающих редокс-состояний подтверждены через изменение pH значений и комбинацию глюкозы и GOx. Данное исследование проливает свет на синтез нового класса 3D-формованных наноструктур, а также нанобиосенсоров для сенсирования изменений окружающего редокс-состояния.

Доступность данных и материалов

Все данные, сгенерированные или проанализированные в ходе данного исследования, включены в эту опубликованную статью.