Nanoenovelado de Polianilina: Síntese Inovadora, Caracterização Abrangente e Sensoriamento Redox Avançado

Resumo

Nanoenovelado de polianilina (PANS), que possui nanofibras de polianilina, foi desenvolvido. PANS foi formulado através de processos sequenciais de extração, aquecimento e inchamento. As composições de PANS foram analisadas usando espectroscopia de fotoelétrons de raios X, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, análise termogravimétrica e análise de Brunauer-Emmett-Teller, cujos resultados indicam que PANS é composto exclusivamente de materiais orgânicos. Além disso, PANS mostrou características de absorbância conversíveis de acordo com ambientes ácidos circundantes, e usando essas características, a possibilidade de PANS para sensoriamento de mudanças de estado redox circundantes é apresentada.

Introdução

Estruturas inorgânicas em forma de flor têm sido usadas para várias aplicações como catálise, biossensores e agentes teranósticos. Existem algumas estratégias sintéticas para gerar essas estruturas complexas. A síntese usando molde é a primeira abordagem, por exemplo, lipossomo foi usado como molde macio para guiar a formação de folhas dendríticas de Pt. A segunda abordagem baseia-se no fenômeno de anexação orientada de nanopartículas primárias quando superfícies com arranjos atômicos semelhantes se aproximam. A síntese de nanopartículas dendríticas de PtRu forma nanopartículas primárias facetadas de PtRu, baseada neste princípio. A terceira abordagem baseia-se no uso de agentes de capeamento ou surfactantes específicos para induzir crescimento anisotrópico de materiais inorgânicos. As sínteses de multi-pés de Pt e Au na presença de polivinilpirrolidona ou brometo de cetiltrimetilamônio são tais exemplos. Além disso, após a primeira abordagem de Ge et al., estruturas híbridas orgânicas-inorgânicas em forma de flor têm sido intensivamente estudadas. No processo de síntese para estruturas híbridas em forma de flor, combinações de várias proteínas (ex: enzimas e DNA) e íons metálicos (ex: Cu, Ca, Mn) têm sido usadas. Nos últimos anos, houve estudos que a síntese de estruturas em forma de flor foi baseada em polianilina (PAni) usando dopagem com ácido forte e nanofibra de poliuretano. Além disso, houve vários relatos sobre estruturas em forma de flor compostas de materiais orgânicos, como materiais de carbono dopados com nitrogênio e poliacrilonitrila.

Neste estudo, relatamos um método para formular estruturas orgânicas em forma de flor, que é composta principalmente de PAni, e suas propriedades de material. PAni, que é um polímero condutor representativo, foi usado como componente orgânico neste estudo. PAni é bem conhecido por propriedades ópticas conversíveis devido aos seus processos únicos de dopagem/dedopagem ou oxidação/redução. Usando este fenômeno, nosso grupo de pesquisa relatou que nanoestruturas mediadas por PAni podem ser usadas como agentes foto-térmicos e sondas de sensoriamento redox para aplicações biomédicas. Em particular, a banda de energia eletrônica para PAni pode ser controlada por estados de dopagem/dedopagem. A diferença entre estados de dopagem e dedopagem afeta mudanças de espectros ópticos de PAni na faixa visível. Estes estados de dopagem e dedopagem de PAni podem ser ajustados por vários dopantes, como ácidos fortes, ácidos de Lewis, metais de transição e íons alcalinos.

Nomeamos partículas de PAni em forma de flor como nanoenovelado de PAni (PANS) porque a forma de PANS parece uma bola de lã, que é composta de nanofibras de PAni. Além disso, PAni como sintetizado aparece intrinsecamente formar estrutura molecular fibrilinear e linear como fio. PANS foi sintetizado quando adicionamos éter benzílico (BE) a solução de N-metil-2-pirrolidona (NMP) contendo PAni, e esta mistura foi passada por processos de aquecimento e purificação (Fig. 1a). E então, mudanças de estados redox circundantes foram medidas baseadas na mudança de cor de PANS, onde propriedades ópticas foram convertidas (Fig. 1b). No entanto, muitos relatórios publicados anteriormente detectaram glicose usando métodos ratiométricos de fluorescência via vários mecanismos de sensoriamento. Para o melhor de nosso conhecimento, pesquisas atualizadas para detecção de glicose usando propriedades ópticas conversíveis de PAni eram deficientes.

a O processo sintético de nanoenovelado de polianilina (PANS). b Processo de sensoriamento de glicose usando PANS.

Materiais e Métodos

Materiais

Polianilina (PAni) Mw ~ 5000, éter benzílico (BE), oxidase de glicose (GOx, de Aspergillus Niger, 145.200 unidades/g) e D-(+)-glicose foram comprados da Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA). N-Metil-2-Pirrolidona (NMP) e etanol (EtOH) foram comprados da Dae-jung, Coreia. Salino fosfato tamponado de Dulbecco (DPBS) foi comprado da Welgene, Coreia, e solução tampão (pH 4) foi comprada da Samchun, Coreia. Todos os outros produtos químicos e reagentes eram de grau analítico. Água deionizada ultrapura (DW) foi usada para todos os processos sintéticos.

Síntese do Nanoenovelado de Polianilina (PANS)

O processo sintético do produto imaculado foi o seguinte: PAni (250 mg) foi dissolvido em NMP (20 mL), e então BE (40 mL) foi adicionado. A mistura foi pré-aquecida a 200 °C por 1 h e aquecida a 300 °C por 30 min. O reagente foi resfriado em temperatura ambiente por 3 h. A solução resultante foi lavada com EtOH e o precipitante separado por centrifugação a 3000 rpm por 10 min. Em seguida, a solução foi redispersa em EtOH. A seguir, a solução dissolvida em EtOH foi dialisada usando membrana de diálise (MWCO: 3.500 Spectra/Por® 6, SPECTRUM® LABORATORIES, Rancho Dominguez, CA, EUA) por 24 h. Após a diálise, a solução foi centrifugada a 15.000 rpm por 30 min. O precipitante foi redissolvido em 30 mL de DW. A concentração final de PANS foi calculada como 8,33 mg/mL.

Caracterização de PANS

A morfologia de PANS foi avaliada com imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM, JEM-1011, JEOL Ltd, Japão) e microscopia eletrônica de varredura (SEM, JSM-6701F, JEOL Ltd, Japão). Espectros de fotoelétrons de raios X foram registrados usando um sistema K-alpha (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, EUA). Análise de espectros de infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR Spectrum Two, PerkinElmer, Waltham, MA, EUA) foi realizada para confirmar as bandas características do PANS sintetizado, e a distribuição de tamanho do PANS foi analisada por um método de espalhamento dinâmico de luz (ELS-Z, Otsuka electronics, Japão). Além disso, a área de superfície e volume de poros de PANS foram medidos por um analisador de Brunauer-Emmett-Teller (Autosorb-iQ 2ST/MP, Quantachrome Instruments, Boyton Beach, FL, EUA), e a quantidade de peso de PANS foi analisada com um analisador termogravimétrico (SDT-Q600, TA instrument, New Castle, DE, EUA). Além disso, a absorbância de PANS foi analisada usando um espectrofotômetro UV-Vis (Optizen 2120UV, MECASYS Co., Coreia).

Sensoriamento de Glicose Usando PANS

Primeiro, a concentração de GOx foi ajustada para 15 mg/mL usando DPBS, e a glicose foi diluída com solução tampão pH 4. As concentrações resultantes de glicose foram definidas em 40, 20, 10, 5 e 1 mg/mL, respectivamente. E então, 1 mL de PANS (1,67 mg/mL) foi misturado com 20 μL de GOx (15 mg/mL) e 80 μL de glicose (40, 20, 10, 5 e 1 mg/mL, respectivamente). As concentrações finais de glicose em soluções mistas foram calculadas como 2,91, 1,45, 0,73, 0,36 e 0,07 mg/mL, respectivamente. A absorbância de PANS com GOx e glicose foi analisada usando o espectrofotômetro UV-Vis.

Resultados e Discussão

A morfologia de PANS foi confirmada por imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e microscopia eletrônica de varredura (SEM) como mostrado na Fig. 2. PANS exibiu forma esférica com estruturas hierárquicas. No processo sintético de PANS, primeiro, PAni foi dissolvido em NMP, e então BE foi adicionado à solução PAni/NMP. Devido à diferença de solubilidade para PAni entre NMP e BE, PAni foi extraído para a mistura, então este processo foi referido como processo de 'extração'. Após o processo de extração, PAni apareceu forma fibrilar, e esta forma pode ser gerada devido à proximidade intermolecular entre moléculas de PAni (primeira linha na Fig. 2 e veja também Arquivo Adicional 1: Fig. S1). Depois disso, a mistura foi aquecida sequencialmente a 200 °C por uma hora e 300 °C por 30 min ('processo de aquecimento'). O NMP tem ponto de ebulição a cerca de 203 °C, então PAni existia em BE após o processo de aquecimento. Após o processo de aquecimento, PAni foi mais nucleado que no processo de extração, e a forma de PANS tornou-se arredondada. Além disso, a superfície de PANS começou a enrugar, mas muitas partículas de PANS estavam agregadas (segunda linha na Fig. 2 e veja também Arquivo Adicional 1: Fig. S1). Subsequentemente, PANS foi lavado e inchado usando etanol (EtOH) (terceira linha na Fig. 2 e veja também Arquivo Adicional 1: Fig. S1). Após o processo de inchamento, EtOH seria inserido entre moléculas de PAni, então a distância intermolecular também aumentaria. Consequentemente, PANS existia em partículas individuais e também tinha estrutura hierárquica. Para confirmar a condição ideal de formulação de PANS, a concentração de PAni também foi controlada (Arquivo Adicional 1: Fig. S2). Análise de imagem TEM de acordo com a quantidade de alimentação de PAni em cada processo sintético (ou seja, extração, aquecimento e inchamento) também foi conduzida, e à medida que a quantidade de alimentação de PAni diminuiu (de 50,0 mg/mL para 12,5 mg/mL), PANS foi formulado muito mais esparsamente. Além disso, a estrutura hierárquica de PANS foi certamente confirmada via imagem SEM inclinada a 90° na quantidade de alimentação de PAni a 50 mg/mL (Arquivo Adicional 1: Fig. S3). Para estudos detalhados do mecanismo de formulação de PANS, teste de solubilidade de PAni foi conduzido preferencialmente (Arquivo Adicional 1: Fig. S4). PAni era conhecido como hidrofóbico e dissolvido em solvente aprótico polar miscível em água como NMP. A forma fibrilar de PAni foi observada quando PAni foi dissolvido em NMP. Por outro lado, PAni em BE e EtOH teve tamanho mais agregado e maior que em NMP; além disso, PAni em EtOH pode ter interagido esparsamente com cada molécula de PAni. Os testes de solubilidade de PAni usando medições de espectros de absorbância também foram conduzidos; EtOH mostrou a melhor solubilidade entre EtOH, BE e água deionizada (DW). Moléculas de PAni nuas mal dissolviam em DW. Além disso, experimentos de outras condições foram conduzidos de acordo com o peso molecular (Mw) de PAni (Arquivo Adicional 1: Fig. S5). No caso de Mw 5 kDa, PANS exibiu mais estruturas tipo enovelado que outras condições (ou seja, Mw 10 kDa e 50 kDa). Em outros casos, PAni não nucleou como Mw 5 kDa, e este fenômeno pode ser diferenças de solubilidade para NMP para PAni. Em outras palavras, à medida que o Mw de PAni aumenta, PAni tende a ser insolúvel em NMP, e assim, PAni não existiria nanofibras de PAni em NMP. Como resultado, nanofibras de PAni suficientes não existiam, então estruturas tipo enovelado de PANS também não seriam formuladas. A partir desses resultados, a formulação de PANS é hipotetizada da seguinte forma: (1) PAni nu não dissolve em DW de forma alguma; (2) PAni tem a melhor solubilidade em NMP; (3) PAni em NMP foi extraído pela adição de BE via diferença de solubilidade; (4) o NMP foi vaporizado pelo processo de aquecimento da mistura PAni/(NMP e BE); (5) a solução resultante é lavada por EtOH, e o EtOH é inserido entre moléculas de PAni; (6) partículas PANS são inchadas e bem dispersas em DW.

Morfologia de PANS via imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM, esquerda) e microscopia eletrônica de varredura (SEM, direita). Caracteres alfabéticos representam processos sintéticos sequenciais de PANS; (E): extração do reagente com BE, (H): aquecimento sequencial do reagente a 200 °C e 300 °C, e (S): inchamento do reagente usando EtOH. Note que (X): sem tratamento. Barras de escala são 500 nm.

Para estudar as características de PANS, primeiro, análise de imagem de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) foi conduzida (Fig. 3a). PANS tinha morfologia de uma bola de lã, que era composta de muitas nanofibras de PAni. Para verificar a estrutura molecular de PANS, análise espectroscópica de fotoelétrons de raios X (XPS) para PAni nu (bPAni) e PANS foi conduzida (Fig. 3b e veja também Arquivo Adicional 1: Fig. S6). Os espectros de nível de núcleo C1s podem ser desconvoluídos em quatro picos: C=O/C-O a 286,7 eV (1), C=N⁺/C-Cl a 285,8 eV (2), C-N/C=N a 285,0 eV (3), e C-C/C-H a 284,4 eV (4), respectivamente. A desconvolução de C1s foi baseada em dados relatados anteriormente por Golczak et al. Em particular, as mudanças de distribuições para (3) e (4) foram notáveis, e esses resultados significam que a porção de nitrogênio foi aumentada em PANS. Este fenômeno pode ser atribuído à existência de NMP nas estruturas de PANS, e esta molécula de NMP afeta interações entre moléculas de PAni para a formulação de PANS. Para investigar further a estrutura molecular de PANS, espectros de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) para bPAni e PANS também foram analisados (Fig. 3c e veja também Arquivo Adicional 1: Fig. S7). Os picos a 1290 cm⁻¹ (alongamento aromático C-N), 1490 cm⁻¹ (alongamento C=C e C=N de anel benzenoide), e 1590 cm⁻¹ (alongamento C=C e C=N de anel quinona) foram confirmados em ambos os casos para bPAni e PANS. Os picos específicos de PANS a 1670 cm⁻¹ (asterisco na Fig. 3c) podem ser atribuídos a amina terciária em NMP, e este pico também foi observado no espectro FTIR de NMP (Arquivo Adicional 1: Fig. S7). Resultados de análise termogravimétrica (TGA) de bPAni e PANS revelam que PANS era composto não apenas de PAni mas também de outras moléculas (Fig. 3d). A degradação de bPAni foi observada a cerca de 350 °C; no entanto, o ponto de degradação de PANS foi observado a cerca de 200 °C, que coincide com o ponto de ebulição de NMP. Dos resultados de XPS a TGA, Fig. 3b-d revela que PANS não era composto apenas de PAni puro, mas também consistia de PAni e outros compostos orgânicos como NMP. Adicionalmente, área de superfície e volume de poros de PANS foram determinados por análise de Brunauer-Emmett-Teller (BET) (Fig. 3e), e PANS teve 9,486 ± 0,728 m²/g de área de superfície e 0,044 ± 0,004 cm³/g de volume de poros. (c.f. 6,358 ± 0,682 m²/g de área de superfície e 0,019 ± 0,001 cm³/g de volume de poros para bPAni, respectivamente.) Esses resultados significam que PANS é mais poroso com alta relação superfície-volume que PAni nu. A distribuição de diâmetro hidrodinâmico de PANS exibiu 799 ± 85 nm em solução aquosa (Fig. 3f). Esses resultados na Fig. 3 mostram que PANS é composto exclusivamente de compostos orgânicos (PAni e NMP) com estruturas hierárquicas.

a Imagens de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) de PANS. Barra de escala é 100 nm, e inseto é uma imagem de alta ampliação. b Espectros XPS C1s de polianilina nua (bPAni) (superior) e PANS (inferior). 1: C=O/C-O, 2: C-N⁺/C=N⁺, 3: C-N/C=N, 4: C-C/C-H. c Espectros FTIR de bPAni (superior) e PANS (inferior). Um asterisco representa um pico interessante descrito em mais detalhes no texto. d Análise termogravimétrica (TGA) de bPAni (superior) e PANS (inferior). e Área de superfície (barra) e volume de poros (linha e dispersão) de bPAni e PANS usando análise de Brunauer-Emmett-Teller (BET). f Distribuição de tamanho de PANS via método de espalhamento dinâmico de luz (DLS).

Para investigar a possibilidade de PANS como sondas ópticas conversíveis, mudanças de cor de PANS foram analisadas usando espectros de absorbância. As mudanças de propriedades de absorbância de estruturas de PAni, como nanopartículas, filmes e folhas são bem conhecidas como variando seus estados de dopagem/dedopagem. Os estados de dopagem/dedopagem de PAni podem ser ajustados por vários dopantes, como ácidos fortes, ácidos de Lewis, metais de transição e íons alcalinos. PANS também exibiu essas propriedades de acordo com mudanças de valores de pH circundantes (Fig. 4). Em níveis baixos de pH (< pH 2), PANS transitou para um estado de sal emeraldina (ES, cor verde), como indicado pela presença da transição π-π* dos anéis benzenoides, bem como transições de banda de polaron a cerca de 480 e 800-900 nm, respectivamente. Com o aumento dos valores de pH, os picos a 480 e 800-900 nm diminuem gradualmente em absorbância, e um pico de absorbância forte a cerca de 680 nm é observado. O pico de absorbância a 680 nm é atribuído à excitação do orbital molecular mais ocupado da parte benzenoide de três anéis do PAni para o orbital molecular menos ocupado do anel quinona localizado e dos dois nitrogênios imina circundantes no estado de base emeraldina (EB) do PAni. Para distinguir mais precisamente entre estados ES e EB de PANS, a razão de absorbância (λ₆₈₀/λ₄₈₀) foi calculada em posições de comprimento de onda representativas de picos nos estados EB e ES de PANS, respectivamente (Fig. 4c). À medida que o valor de pH diminuiu de 10 para 4, a razão de absorbância manteve-se em quase 1,06, e diminuiu dramaticamente para quase 0,88 em valores de pH de 4 a 1. Esses resultados indicam que mudanças espectrais de PANS podem ser usadas para avaliar mudanças específicas de estado redox por mudanças de ambientes circundantes.

a Uma fotografia, b espectros de absorbância, e c razão de absorbância para comprimentos de onda representativos para estados EB (a 680 nm) e ES (a 480 nm) de soluções PANS em condições de pH indicadas.

Para investigar a capacidade de sensoriamento de PANS para mudanças específicas de estado redox a partir de mudanças de ambientes circundantes, glicose e GOx foram selecionados como candidatos representativos. À medida que as concentrações de glicose aumentaram de 0,00 a 2,91 mg/mL, a cor das soluções PANS mudou de azul para verde (Fig. 5a). Os espectros de absorbância de PANS também foram analisados (Fig. 5b), mas mudanças de forma nos espectros foram menores que as em experimentos com mudanças de pH como mostrado na Fig. 4. Este fenômeno pode ser explicado pelas seguintes equações:

Glicose + H₂O + O₂ → GOx Ácido glicônico + H₂O₂ (1)

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

Na Eq. (1), a glicose é oxidada por GOx, resultando em ácido glicônico e peróxido de hidrogênio. Além disso, como mostrado na Eq. (2), o peróxido de hidrogênio resultante reduz o PANS no estado EB para estado ES. No entanto, os valores de razão de absorbância (λ₆₈₀/λ₄₈₀) foram formados entre 0,98 e 0,86, e este resultado indica que PANS existe em estado intermediário (λ₆₈₀/λ₄₈₀ = 0,98) e estado ES (λ₆₈₀/λ₄₈₀ = 0,86) como mostrado na Fig. 5c. A reação entre glicose e GOx é uma reação redox representativa, e esta reação é bem conhecida por produzir peróxido de hidrogênio, resultando em íons de hidrogênio e elétrons. Esses resultados indicam que PANS pode ser dopado com íons de hidrogênio e elétrons. Como resultado, a transição π-π* do anel benzenoide é observada nos espectros de absorbância através da formação de ombro a 480 nm. Coletivamente, este resultado indica que PANS pode ser usado para detectar enzimas como glicose. Pensa-se que PANS também poderia ser usado para detectar a atividade de outras enzimas e confirmar atividade redox dentro de sistemas biológicos.

a Uma fotografia, b espectros de absorbância, e c razão de absorbância para comprimentos de onda representativos para estados EB (a 680 nm) e ES (a 480 nm) de soluções PANS com concentrações de glicose indicadas.

Conclusão

Em resumo, a formulação de PANS em forma de enovelado, que é composto de fibras de PAni, foi alcançada, e o mecanismo de formulação também foi proposto. O processo sintético de PANS contém processos sequenciais de extração, aquecimento e inchamento. As composições de PANS foram analisadas, que são compostas exclusivamente de materiais orgânicos. Além disso, as possibilidades de PANS como sondas ópticas conversíveis para sensoriamento de mudanças de estados redox circundantes foram confirmadas via mudança de valores de pH e combinação de glicose e GOx. O presente estudo lança luz sobre a síntese de nova classe de nanoestruturas 3D formadas, bem como nanobiossensores para sensoriamento de mudanças de estado redox circundantes.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados gerados ou analisados durante este estudo estão incluídos neste artigo publicado.