Polyaniline-nanoskein: Innovatieve synthese, uitgebreide karakterisatie en geavanceerde redox-sensing

Samenvatting

Polyaniline-nanoskein (PANS), die uit polyaniline-nanovezeljes bestaat, is ontwikkeld. PANS is geformuleerd via achtereenvolgende extractie, verhitting en zwelprocessen. De samenstelling van PANS is geanalyseerd met röntgen-fotoelektronenspectroscopie, Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie, thermogravimetrische analyse en Brunauer-Emmett-Teller-analyse, en de resultaten ervan wijzen erop dat PANS uitsluitend uit organische materialen bestaat. Bovendien heeft PANS geconverteerde absorbantie-eigenschappen volgens de omringende zuure omgevingen, en met deze eigenschappen wordt de mogelijkheid van PANS voor sensing van omringende redox-toestandsveranderingen gepresenteerd.

Inleiding

Bloemvormige anorganische structuren zijn gebruikt voor diverse toepassingen zoals catalyse, biosensoren en theranostische agenten. Er zijn enkele synthetische strategieën voor het genereren van deze complexe structuren. De synthese met behulp van sjabloon is de eerste aanpak, bijvoorbeeld liposomes zijn gebruikt als zachte sjabloon om de vorming van dendritische Pt-velletjes te sturen. De tweede aanpak is gebaseerd op het fenomeen van georiënteerde heching van primaire nanopartikels wanneer oppervlakken met gelijke atomaire rangschikkingen elkaar benaderen. De synthese van dendritische PtRu-nanopartikels vormt gefacetteerde PtRu-primaire nanopartikels, wat op dit principe gebaseerd was. De derde aanpak steunt op het gebruik van specifieke afkapagentia of surfactants om anisotrope groei van anorganische materialen te induceren. De synthesen van Pt- en Au-multipoden in de aanwezigheid van poly(vinylpyrrolidone) of cetyltrimethylammoniumbromide zijn dergelijke voorbeelden. Daarnaast, na de eerste aanpak door Ge et al., zijn organisch-anorganische hybride bloemvormige structuren intensief bestudeerd. In het syntheseproces voor hybride bloemvormige structuren zijn combinaties van diverse proteïnen (bijv. enzymen en DNA) en metaalionen (bijv. Cu, Ca, Mn) gebruikt. In de laatste jaren waren er studies dat synthese van bloemvormige structuren gebaseerd was op polyaniline (PAni) met sterke zuur-doping en polyurethaan-nanovezel. Daarnaast waren er diverse rapporten over bloemvormige structuren samengesteld uit organische materialen, zoals gestikstofde koolstofmaterialen en polyacrylonitril.

In deze studie rapporteren we een methode voor het formuleren van organische bloemvormige structuren, die grotendeels bestaat uit PAni, en de materiaaleigenschappen ervan. PAni, een representatief geleidend polymer, werd als organisch component in deze studie gebruikt. PAni is bekend om converteerbare optische eigenschappen door zijn unieke doping/dedoping of oxidatie/reductie-processen. Met dit fenomeen heeft ons onderzoeksbericht gerapporteerd dat PAni-gemedieerde nanostructuren kunnen worden gebruikt als fotothermische agenten en redox-sensing-sonden voor biomedische toepassingen. In het bijzonder kan de elektronische bandkloof voor PAni gecontroleerd worden door doping/dedoping-toestanden. Het verschil tussen doping en dedoping-toestanden beïnvloedt veranderingen van optische spectra van PAni in het zichtbare bereik. Deze doping en dedoping-toestanden van PAni kunnen aangepast worden door diverse dopanten, zoals sterke zuren, Lewis-zuren, overgangsmetaalen en alkalioneen.

We noemen bloemvormige PAni-deeltjes PAni-nanoskein (PANS) omdat de vorm van PANS lijkt op een bal garen, die samengesteld is uit PAni-nanovezeljes. Bovendien lijkt as-gesynthetiseerd PAni intrinsiek fibrilaire en lineaire moleculaire structuur te vormen zoals draad. PANS werd gesynthetiseerd toen we benzylether (BE) toevoegden aan N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)-oplossing bevattende PAni, en deze mengsel door verwarmings- en zuiveringsprocessen werd geleid (Fig. 1a). En dan werden veranderingen van omringende redox-toestanden gemeten op basis van kleurverandering van PANS, waar optische eigenschappen werden geconverteerd (Fig. 1b). Echter, veel eerdere gepubliceerde rapporten hebben glucosedetectie gedetecteerd met fluoresentie-ratio-metriche methoden via diverse sensing-mechanismen. Voor zover we weten, was er tot nu toe onvoldoende onderzoek voor detectie van glucose met behulp van converteerbare optische eigenschappen van PAni.

Materialen en methoden

Materialen

Polyaniline (PAni) Mw ~ 5000, benzylether (BE), glucose-oxidase (GOx, van Aspergillus Niger, 145.200 eenheden/g), en D-(+)-glucose werden gekocht bij Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, VS). N-Methyl-2-Pyrrolidone (NMP) en ethanol (EtOH) werden gekocht bij Dae-jung, Korea. Dulbecco's fosfaat-gebufferde zoutoplossing (DPBS) werd gekocht bij Welgene, Korea, en bufferoplossing (pH 4) werd gekocht bij Samchun, Korea. Alle overige chemicaliën en reagentia waren van analytische graad. Ultrazuiver gedemineraliseerd water (DW) werd gebruikt voor alle synthetische processen.

Synthese van Polyaniline-nanoskein (PANS)

Het synthetisch proces van het onberispelijke product was als volgt: PAni (250 mg) werd opgelost in NMP (20 mL), en toen werd BE (40 mL) toegevoegd. Het mengsel werd voorverwarmd tot 200 °C gedurende 1 uur en verhit tot 300 °C gedurende 30 min. Het reactant werd bij kamertemperatuur 3 uur afgekoeld. De resulterende oplossing werd gewassen met EtOH en het neerslagscheid gescheiden door centrifugatie bij 3000 rpm gedurende 10 min. Vervolgens werd de oplossing hergedispergeerd in EtOH. Vervolgens werd de oplossing opgelost in EtOH gedialyseerd met dialysemembraan (MWCO: 3.500 Spectra/Por® 6, SPECTRUM® LABORATORIES, Rancho Dominguez, CA, VS) gedurende 24 uur. Na dialyse werd de oplossing gecentrifugeerd bij 15.000 rpm gedurende 30 min. Het neerslagscheid werd heropgelost in 30 mL DW. De finale concentratie van PANS werd berekend als 8,33 mg/mL.

Karakterisatie van PANS

De morfologie van PANS werd geëvalueerd met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM, JEM-1011, JEOL Ltd, Japan) en scanning-elektronenmicroscopie (SEM, JSM-6701F, JEOL Ltd, Japan) imaging. Röntgen-fotoelektronenspectra werden opgenomen met een K-alpha systeem (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, VS). Fourier-transformatie-infraroodspectra (FT-IR Spectrum Two, PerkinElmer, Waltham, MA, VS) analyse werd uitgevoerd om de karakteristieke banden van de gesynthetiseerde PANS te bevestigen, en de grootteverdeling van PANS werd geanalyseerd door een dynamische lichtverstrooiing (ELS-Z, Otsuka electronics, Japan) methode. Verder werden het oppervlaktegebied en poriënvolume van PANS gemeten door een Brunauer-Emmett-Teller-analysator (Autosorb-iQ 2ST/MP, Quantachrome Instruments, Boyton Beach, FL, VS), en de gewichtshoeveelheid van PANS werd geanalyseerd met een thermogravimetrische analyzer (SDT-Q600, TA instrument, New Castle, DE, VS). Bovendien werd de absorbantie van PANS geanalyseerd met een UV-Vis-spectrofotometer (Optizen 2120UV, MECASYS Co., Korea).

Glucosesensing met PANS

Allereerst werd de concentratie van GOx aangepast naar 15 mg/mL met DPBS, en glucose werd gedilueerd met pH 4 bufferoplossing. De resulterende concentraties van glucose werden respectievelijk ingesteld op 40, 20, 10, 5 en 1 mg/mL. En toen werd 1 mL PANS (1,67 mg/mL) gemengd met 20 µL GOx (15 mg/mL) en 80 µL glucose (40, 20, 10, 5 en 1 mg/mL, respectievelijk). De finale concentraties van glucose in gemengde oplossingen werden berekend als 2,91, 1,45, 0,73, 0,36 en 0,07 mg/mL, respectievelijk. De absorbantie van PANS met GOx en glucose werd geanalyseerd met de UV-Vis-spectrofotometer.

Resultaten en discussie

De morfologie van PANS werd bevestigd door transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en scanning-elektronenmicroscopie (SEM) beelden zoals getoond in Fig. 2. PANS vertoonde een spherische vorm met hiërarchische structuren. In het synthetisch proces van PANS werd eerst PAni opgelost in NMP, en toen werd BE toegevoegd aan de PAni/NMP-oplossing. Vanwege het oplosbaarheidsverschil voor PAni tussen NMP en BE, werd PAni geëxtraheerd in het mengsel, dus dit proces werd aangeduid als het 'extractie'-proces. Na het extractieproces verschenen PAni in fibrilaire vorm, en deze vorm kan gegenereerd zijn door intermoleculaire nabijheid tussen PAni-moleculen (de eerste rij in Fig. 2 en zie ook Additioneel bestand 1: Fig. S1). Daarna werd het mengsel achtereenvolgens verhit bij 200 °C gedurende een uur en 300 °C gedurende 30 min ('verhittings'-proces). NMP heeft een kookpunt van ongeveer 203 °C, dus PAni bestond in BE na het verhittingsproces. Na het verhittingsproces was PAni meer genucleerd dan in het extractieproces, en de vorm van PANS werd ronder. Bovendien begon het oppervlak van PANS te rimpelen, maar veel PANS-deeltjes waren geaggregeerd (de tweede rij in Fig. 2 en zie ook Additioneel bestand 1: Fig. S1). Vervolgens werd PANS gewassen alsook gezweld met ethanol (EtOH) (de derde rij in Fig. 2 en zie ook Additioneel bestand 1: Fig. S1). Na het zwelproces zou EtOH tussen PAni-moleculen geïnserteerd worden, dus de intermoleculaire afstand zou ook toenemen. Volgens PANS bestond uit individuele deeltjes en had ook een hiërarchische structuur. Om de ideale conditie van formulering van PNAS te bevestigen, werd de concentratie van PAni ook gecontroleerd (Additioneel bestand 1: Fig. S2). TEM-beeldanalyse volgens voederhoeveelheid van PAni bij elk synthetisch proces (dwz. extractie, verhitting en zwelproces) werd ook uitgevoerd, en naarmate de voederhoeveelheid van PAni afnam (van 50,0 mg/mL naar 12,5 mg/mL), werd PANS veel dunner geformuleerd. Bovendien werd de hiërarchische structuur van PANS zeker bevestigd via een 90°-gekanteld SEM-beeld bij voederhoeveelheid van PAni van 50 mg/mL (Additioneel bestand 1: Fig. S3). Voor de gedetailleerde studies van formulering-mechanisme van PANS, werd oplosbaarheidstest van PAni preferentieel uitgevoerd (Additioneel bestand 1: Fig. S4). PAni was bekend als hydrofoob en opgelost in een water-mengbare polaire aprotische oplosmiddel zoals NMP. De fibrilaire vorm van PAni werd waargenomen wanneer PAni in NMP was opgelost. Aan de andere kant had PAni in BE en EtOH meer geaggregeerde en grotere grootte dan in NMP; verder mocht PAni in EtOH spaarzamer interacteren met elk PAni-molecuul. De oplosbaarheidstesten van PAni met behulp van metingen van absorptiespectra werden ook uitgevoerd; EtOH toonde de beste oplosbaarheid onder EtOH, BE en gedemineraliseerd water (DW). De blote PAni-moleculen losten nauwelijks op in DW. Bovendien werden andere conditie-experimenten uitgevoerd volgens molecuulgewicht (Mw) van PAni (Additioneel bestand 1: Fig. S5). In het geval van Mw 5 kDa vertoonde PANS meer skein-achtige structuren dan andere condities (dwz. Mw 10 kDa en 50 kDa). In andere gevallen nucleeerde PAni niet zoals Mw 5 kDa, en dit fenomeen kan oplosbaarheidsverschillen voor NMP voor PAni zijn. Met andere woorden, naarmate het Mw van PAni toeneemt, neigt PAni om onoplosbaar in NMP te zijn, en daarbij zou PAni niet als PAni-nanovezeljes in NMP bestaan. Als resultaat waren voldoende PAni-nanovezeljes niet aanwezig, dus skein-achtige structuren van PANS zouden ook niet geformuleerd worden. Uit deze resultaten wordt de formulering van PANS als volgt gehypotheseerd: (1) blote PAni lost niet in DW op; (2) PAni heeft de beste oplosbaarheid in NMP; (3) PAni in NMP werd geëxtraheerd door de toevoeging van BE via oplosbaarheidsverschil; (4) NMP werd verdampt door het verhittingsproces uit PAni/(NMP en BE)-mengsel; (5) de resulterende oplossing wordt gewassen door EtOH, en EtOH wordt tussen PAni-moleculen geïnserteerd; (6) PANS-deeltjes zijn gezweld en goed-gedispergeerd in DW.

Om de kenmerken van PANS te bestuderen, werd allereerst hoge-resolutie TEM (HRTEM) imaging-analyse uitgevoerd (Fig. 3a). PANS had morfologie voor een bal garen, die samengesteld was uit veel PAni-nanovezeljes. Om de moleculaire structuur van PANS te verifiëren, werd röntgen-fotoelektronenspectroscopische (XPS) analyse voor blote PAni (bPAni) en PANS uitgevoerd (Fig. 3b en zie ook Additioneel bestand 1: Fig. S6). De C1s-kernniveauspectra kunnen ontdaan worden in vier pieken: C=O/C–O bij 286,7 eV (1), C=N⁺/C–Cl bij 285,8 eV (2), C–N/C=N bij 285,0 eV (3), en C–C/C–H bij 284,4 eV (4), respectievelijk. Ontdaan van C1s was gebaseerd op eerder gerapporteerde data door Golczak et al. In het bijzonder waren de veranderingen van verdelingen voor (3) en (4) opmerkelijk, en deze resultaten betekenen dat stikstofgedeelte toegenomen was in PANS. Dit fenomeen kan toegeschreven worden aan het bestaan van NMP in PANS-structuren, en dit NMP-molecuul beïnvloedt interacties tussen PAni-moleculen voor de formulering van PANS. Om verder te onderzoeken naar moleculaire structuur van PANS, werden Fourier-transformatie-infrarood (FTIR) spectra voor bPAni en PANS ook geanalyseerd (Fig. 3c en zie ook Additioneel bestand 1: Fig. S7). De pieken bij 1290 cm⁻¹ (aromatische C–N-rekking), 1490 cm⁻¹ (C=C en C=N-rekking van benzenoïde ring), en 1590 cm⁻¹ (C=C en C=N-rekking van quinoïde ring) werden bevestigd in beide gevallen voor bPAni en PANS. De specifieke pieken van PANS bij 1670 cm⁻¹ (asterisk in Fig. 3c) kunnen toegeschreven worden aan tertiaire amine in NMP, en deze piek werd ook waargenomen in FTIR-spectrum van NMP (Additioneel bestand 1: Fig. S7). Thermogravimetrische analyse (TGA) resultaten van bPAni en PANS onthullen dat PANS samengesteld was uit niet alleen PAni maar ook andere moleculen (Fig. 3d). De degradatie van bPAni werd waargenomen bij ongeveer 350 °C; echter, het degradatiepunt van PANS werd waargenomen bij ongeveer 200 °C, wat overeenkomt met het kookpunt van NMP. Van XPS tot TGA-resultaten onthullen Fig. 3b–d dat PANS niet alleen samengesteld was uit zuivere PAni, maar ook bestond uit PAni en andere organische verbindingen zoals NMP. Bovendien werden oppervlaktegebied en poriënvolume van PANS bepaald door Brunauer-Emmett-Teller (BET) analyse (Fig. 3e), en PANS had 9,486 ± 0,728 m²/g oppervlaktegebied en 0,044 ± 0,004 cm³/g poriënvolume. (c.f. 6,358 ± 0,682 m²/g oppervlaktegebied en 0,019 ± 0,001 cm³/g poriënvolume voor bPAni, respectievelijk.) Deze resultaten betekenen dat PANS meer porieus is met hoge oppervlakte-tot-volume-verhouding dan blote PAni. De verdeling van hydrodynamische diameter van PANS vertoonde 799 ± 85 nm in een waterige oplossing (Fig. 3f). Deze resultaten in Fig. 3 tonen aan dat PANS uitsluitend samengesteld is uit organische verbindingen (PAni en NMP) met hiërarchische structuren.

Om de mogelijkheid van PANS als converteerbare optische sondes te onderzoeken, werden kleurveranderingen van PANS geanalyseerd met absorptiespectra. De veranderingen van absorptie-eigenschappen van PAni-structuren, zoals nanopartikels, films en vellen, zijn bekend als variërend in hun doping/dedoping-toestanden. De doping/dedoping-toestanden van PAni kunnen aangepast worden door diverse dopanten, zoals sterke zuren, Lewis-zuren, overgangsmetaalen en alkalioneen. PANS vertoonde ook die eigenschappen volgens veranderingen van omringende pH-waarden (Fig. 4). Bij lage pH-niveaus (< pH 2) ging PANS over naar een emeraldine-zout (ES, groene kleur) toestand, zoals aangegeven door de aanwezigheid van de π–π* overgang van de benzenoïde ringen alsook polaron-band-overgangen bij ongeveer 480 en 800–900 nm, respectievelijk. Met toenemende pH-waarden nemen de pieken bij 480 en 800–900 nm geleidelijk af in absorbantie, en een sterke absorbantiepiek bij ongeveer 680 nm wordt waargenomen. De absorbantiepiek bij 680 nm wordt toegeschreven aan excitatie van de hoogst bezette moleculaire orbitaal van de drie-ring benzenoïde deel van PAni naar de laagst onbezette moleculaire orbitaal van de gelokaliseerde quinoïde ring en de twee omringende imine-stikstoffen in de emeraldine-base (EB) toestand van PAni. Om nauwkeuriger te onderscheiden tussen ES- en EB-toestand van PANS, werd de absorbantieverhouding (λ₆₈₀/λ₄₈₀) berekend bij representatieve golflengteposities van pieken bij EB- en ES-toestanden van PANS, respectievelijk (Fig. 4c). Toen de pH-waarde daalde van 10 naar 4, bleef de absorbantieverhouding bijna 1,06, en het daalde dramatisch naar bijna 0,88 bij pH-waarden van 4 naar 1. Deze resultaten wijzen erop dat spectrale veranderingen van PANS gebruikt kunnen worden om specifieke veranderingen van redox-toestand te evalueren door veranderingen van omringende omgevingen.

Om de sensing-capaciteit van PANS voor specifieke veranderingen van redox-toestand uit de veranderingen van omringende omgevingen te onderzoeken, werden glucose en GOx geselecteerd als representatieve kandidaten. Naarmate de concentraties van glucose toename van 0,00 tot 2,91 mg/mL, veranderde de kleur van PANS-oplossingen van blauw naar groen (Fig. 5a). De absorptiespectra van PANS werden ook geanalyseerd (Fig. 5b), maar vormveranderingen in spectra waren minder dan die in experimenten met pH-veranderingen zoals getoond in Fig. 4. Dit fenomeen kan worden verklaard door de volgende vergelijkingen:

Glucose + H₂O + O₂ → (via GOx) Gluconzuur + H₂O₂ (1)

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

In Vergelijking (1) wordt geoxideerd door GOx, wat resulteert in gluconzuur en waterstofperoxide. Bovendien, zoals getoond in Vergelijking (2), wordt het resulterende waterstofperoxide de PANS in EB-toestand gereduceerd tot ES-toestand. Echter, de waarden van absorbantieverhouding (λ₆₈₀/λ₄₈₀) waren gevormd tussen 0,98 en 0,86, en dit resultaat geeft aan dat PANS bestaat in intermediaire toestand (λ₆₈₀/λ₄₈₀ = 0,98) en ES-toestand (λ₆₈₀/λ₄₈₀ = 0,86) zoals getoond in Fig. 5c. De reactie tussen glucose en GOx is representatieve redox-reactie, en deze reactie is bekend om waterstofperoxide te produceren, wat resulteert in waterstofionen en elektronen. Deze resultaten wijzen erop dat PANS gedoopt kan worden met waterstofionen en elektronen. Als resultaat wordt de π–π* overgang van de benzenoïde ring waargenomen in absorptiespectra door de vorming van schouder bij 480 nm. Collectief geeft dit resultaat aan dat PANS gebruikt kan worden om enzymen zoals glucose te detecteren. Het wordt gedacht dat PANS ook gebruikt kan worden om de activiteit van andere enzymen te detecteren en redox-activiteit binnen biologisch systeem te bevestigen.

Conclusie

Samenvattend, de formulering van skein-vormige PANS, die samengesteld is uit PAni-vezeljes, is bereikt, en het formulering-mechanisme is ook voorgesteld. Het synthetisch proces van PANS bevat achtereenvolgende extractie, verhitting en zwelprocessen. De samenstelling van PANS is geanalyseerd, die samengesteld is uit uitsluitend organische materialen. Bovendien zijn de mogelijkheden van PANS als converteerbare optische sondes voor sensing van omringende redox-toestandsveranderingen bevestigd via de verandering van pH-waarden en combinatie van glucose en GOx. De huidige studie werpt licht op de synthese van nieuwe klasse van 3D-vormige nanostructuren alsook nanobiosensoren voor sensing van omringende redox-toestandsveranderingen.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data gegenereerd of geanalyseerd tijdens deze studie zijn opgenomen in dit gepubliceerde artikel.