Polianilina Nanoskein:Método Sintético, Caracterização e Detecção Redox

Resumo

Foi desenvolvida a nanocina de polianilina (PANS), que contém nanofibras de polianilina. PANS foi formulado por meio de processos sequenciais de extração, aquecimento e expansão. As composições de PANS foram analisadas usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-X, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier, análise termogravimétrica e análise Brunauer – Emmett – Teller, e os resultados indicam que PANS é composto exclusivamente de materiais orgânicos. Além disso, PANS demonstrou características de absorbância conversíveis de acordo com ambientes ácidos circundantes e, usando essas características, a possibilidade de PANS para detecção de mudanças de estado redox circunvizinhas é apresentada.

Introdução

Estruturas inorgânicas em forma de flor têm sido usadas para várias aplicações, como catálise [1, 2], biossensores [3, 4] e agentes teragnósticos [5]. Existem algumas estratégias sintéticas para gerar essas estruturas complexas. A síntese usando o modelo é a primeira abordagem, por exemplo, o lipossoma tem sido usado como um modelo suave para orientar a formação de folhas de Pt dendríticas [6, 7]. A segunda abordagem é baseada no fenômeno de fixação orientada de nanopartículas primárias quando superfícies com arranjos atômicos semelhantes se aproximam. A síntese de nanopartículas dendríticas de PtRu forma nanopartículas primárias de PtRu facetadas, as quais foram baseadas neste princípio [8]. A terceira abordagem depende do uso de agentes de cobertura específicos ou surfactantes para induzir o crescimento anisotrópico de materiais inorgânicos. A síntese de Pt e Au multi-pods na presença de poli (vinilpirrolidona) ou brometo de cetiltrimetilamônio são exemplos [9, 10]. Além disso, após a primeira abordagem de Ge et al. [2], estruturas em forma de flor híbridas orgânico-inorgânicas têm sido intensamente estudadas. No processo de síntese de estruturas híbridas em forma de flor, as combinações de várias proteínas (por exemplo, enzimas [11] e DNA [12]) e íons metálicos (por exemplo, Cu [13], Ca [14, 15] e Mn [16]) foram usados. Nos últimos anos, houve estudos que a síntese de estruturas em forma de flor era baseada em polianilina (PAni) usando dopagem com ácido forte [17] e nanofibra de poliuretano [18]. Além disso, houve vários relatórios sobre estruturas em forma de flor compostas de materiais orgânicos, como materiais de carbono dopados com nitrogênio [19, 20] e poliacrilonitrila [21].

Neste estudo, relatamos um método para a formulação de estruturas orgânicas em forma de flor, compostas principalmente por PAni, e suas propriedades materiais. PAni, que é um polímero condutor representativo, foi usado como um componente orgânico neste estudo. PAni é bem conhecido por suas propriedades ópticas conversíveis devido aos seus processos únicos de dopagem / desdopagem ou oxidação / redução [22]. Usando este fenômeno, nosso grupo de pesquisa relatou que nanoestruturas mediadas por PAni podem ser usadas como agentes fototérmicos [23] e sondas de detecção redox [24, 25] para aplicações biomédicas. Em particular, o gap eletrônico para PAni pode ser controlado por estados de dopagem / desdopagem [26]. A diferença entre os estados de dopagem e desdopagem afeta as mudanças do espectro óptico de PAni na faixa do visível [24]. Esses estados de dopagem e desdopagem de PAni podem ser ajustados por vários dopantes, como ácidos fortes, ácidos de Lewis, metais de transição e íons alcalinos [23].

Chamamos as partículas de PAni em forma de flor de nanofibras de PAni (PANS) porque a forma de PANS parece uma bola de lã composta de nanofibras de PAni. Além disso, o PAni sintetizado parece formar intrinsecamente uma estrutura molecular fibrilar e linear, como o fio. PANS foi sintetizado quando adicionamos éter benzílico (BE) à solução de N-metil-2-pirrolidona (NMP) contendo PAni, e essa mistura foi passada por processos de aquecimento e purificação (Fig. 1a). E então, as mudanças dos estados redox circundantes foram medidos com base na mudança de cor de PANS, onde as propriedades ópticas foram convertidas (Fig. 1b). No entanto, muitos relatórios publicados anteriormente detectaram glicose usando métodos raciométricos de fluorescência por meio de vários mecanismos de detecção [27,28,29]. Até onde sabemos, pesquisas atualizadas para detecção de glicose usando propriedades ópticas conversíveis de PAni eram deficientes.

a O processo sintético da nanocina polianilina (PANS). b Processo de detecção de glicose usando PANS

Materiais e métodos

Materiais

Polianilina (PAni) Mw ~ 5000, éter benzílico (BE), glicose oxidase (GOx, de Aspergillus Niger, 145.200 unidades / g) e D- (+) - glicose foram adquiridos de Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA). N-Metil-2-pirrolidona (NMP) e etanol (EtOH) foram adquiridos de Dae-jung, Coréia. A solução salina tamponada com fosfato de Dulbecco (DPBS) foi adquirida da Welgene, Coréia, e a solução tampão (pH 4) foi adquirida da Samchun, Coréia. Todos os outros produtos químicos e reagentes eram de qualidade analítica. Água desionizada ultrapura (DW) foi usada para todos os processos sintéticos.

Síntese de Nanoskein de Polianilina (PANS)

O processo sintético do produto imaculado foi o seguinte:PAni (250 mg) foi dissolvido em NMP (20 mL) e, em seguida, BE (40 mL) foi adicionado. A mistura foi pré-aquecida a 200 ° C durante 1 h e aquecida a 300 ° C durante 30 min. O reagente foi resfriado em temperatura ambiente por 3 h. A solução resultante foi lavada com EtOH e separou o precipitante por centrifugação a 3000 rpm durante 10 min. Em seguida, a solução foi redispersa em EtOH. A seguir, a solução dissolvida em EtOH foi dialisada com membrana de diálise (MWCO:3.500 Spectra / Por® 6, SPECTRUM® LABORATORIES, Rancho Dominguez, CA, USA) 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). Os espectros de fotoelétrons de raios-X foram registrados usando um sistema K-alfa (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, EUA). A análise do espectro infravermelho da transformada de Fourier (FT-IR Spectrum Two, PerkinElmer, Waltham, MA, EUA) foi realizada para confirmar as bandas características do PANS sintetizado, e a distribuição do tamanho do PANS foi analisada por um espalhamento de luz dinâmico (ELS-Z , Otsuka Electronics, Japão). Além disso, a área de superfície e o volume de poro de PANS foram medidos por um analisador Brunauer – Emmett – Teller (Autosorb-iQ 2ST / MP, Quantachrome Instruments, Boyton Beach, FL, EUA), e a quantidade de peso de PANS foi analisada com um termogravimétrico analisador (SDT-Q600, instrumento TA, New Castle, DE, EUA). Além disso, a absorbância de PANS foi analisada usando um espectrofotômetro UV-Vis (Optizen 2120UV, MECASYS Co., Coréia).

Sensor de glicose usando PANS

Em primeiro lugar, a concentração de GOx foi ajustada para 15 mg / mL usando DPBS, e a glicose foi diluída com solução tampão de pH 4. As concentrações resultantes de glicose foram fixadas 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 da PANS foi confirmada por imagens de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e microscopia eletrônica de varredura (MEV), conforme mostrado na Fig. 2. PANS exibiu uma forma esférica com estruturas hierárquicas. No processo sintético de PANS, primeiro, PAni foi dissolvido em NMP e, em seguida, BE foi adicionado à solução de PAni / NMP. Por causa da diferença de solubilidade para PAni entre NMP e BE, PAni foi extraído para a mistura, então esse processo foi referido como o processo de 'extração'. Após o processo de extração, PAni apareceu com forma fibrilar, e esta forma pode ser gerada devido ao intermolecular proximidade entre as moléculas de PAni (a primeira linha na Fig. 2 e veja também o 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 um ponto de ebulição em torno de 203 ° C, então PAni existia em BE após o processo de aquecimento. Após o aquecimento, o PAni ficou mais nucleado do que no processo de extração, e o formato do PANS tornou-se arredondado. Além disso, a superfície de PANS começou a enrugar, mas muitas partículas de PANS foram agregadas (a segunda linha na Fig. 2 e veja também o arquivo adicional 1:Fig. S1). Posteriormente, PANS foi lavado, bem como dilatado usando etanol (EtOH) (a terceira linha na Fig. 2 e veja também o arquivo adicional 1:Fig. S1). Após o processo de intumescimento, o EtOH seria inserido entre as moléculas de PAni, de modo que a distância intermolecular também seria aumentada. Conseqüentemente, PANS existia em partículas individuais e também tinha uma estrutura hierárquica. Para confirmar a condição ideal de formulação do PNAS, a concentração de PAni também foi controlada (Arquivo adicional 1:Figura S2). A análise da imagem TEM de acordo com a quantidade de PAni na alimentação em cada processo sintético (ou seja, processo de extração, aquecimento e inchamento) também foi conduzida, e conforme a quantidade de PAni foi diminuída (de 50,0 mg / mL para 12,5 mg / mL), PANS foi formulado muito mais esparso. Além disso, a estrutura hierárquica de PANS foi certamente confirmada por meio de uma imagem SEM inclinada a 90 ° na quantidade de alimentação de PAni a 50 mg / mL (Arquivo adicional 1:Figura S3). Para os estudos detalhados do mecanismo de formulação de PANS, o teste de solubilidade de PAni foi preferencialmente realizado (Arquivo adicional 1:Fig. S4). PAni era conhecido como hidrofóbico e dissolvido em um solvente polar aprótico miscível em água, como o NMP [24]. A forma fibrilar do PAni foi observada quando o PAni foi dissolvido em NMP. Por outro lado, PAni em BE e EtOH apresentaram tamanho mais agregado e maior do que em NMP; além disso, PAni em EtOH pode ter interação esparsa com cada molécula de PAni. Os testes de solubilidade de PAni usando medidas de espectros de absorbância também foram realizados; EtOH mostrou a melhor solubilidade entre o EtOH, BE e água desionizada (DW). As moléculas de PAni nuas mal se dissolviam em DW. Além disso, outros experimentos de condição foram conduzidos de acordo com o peso molecular (Mw) do PAni (arquivo adicional 1:Fig. S5). No caso de Mw 5 kDa, PANS exibiu mais estruturas semelhantes a meadas do que outras condições (isto é, Mw 10 kDa e 50 kDa). Em outros casos, PAni não nucleado, como Mw 5 kDa, e esse fenômeno pode ser diferenças de solubilidade para NMP para PAni. Em outras palavras, à medida que o Mw do PAni é aumentado, o PAni tende a ser insolúvel no NMP e, portanto, o PAni não existiria nas nanofibras do PAni no NMP. Como resultado, não existiam nanofibras de PAni suficientes, de modo que as estruturas semelhantes à meada de PANS também não seriam formuladas. A partir desses resultados, a formulação de PANS é hipotetizada da seguinte forma:(1) PAni puro não se 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 por processo de aquecimento da mistura PAni / (NMP e BE); (5) a solução resultante é lavada com EtOH, e o EtOH é inserido entre as moléculas de PAni; (6) As partículas de PANS estão dilatadas e bem dispersas em DW.

Morfologia de PANS via microscopia eletrônica de transmissão (TEM, esquerda) e imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM, direita). Os 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):dilatação do reagente usando EtOH. Observe que (X):nenhum tratamento. Barras de escala são 500 nm

Para estudar as características da PANS, em primeiro lugar, a análise de imagem TEM de alta resolução (HRTEM) foi conduzida (Fig. 3a). PANS tinha morfologia para um novelo de lã, que era composto por várias nanofibras de PAni. Para verificar a estrutura molecular de PANS, a análise espectroscópica de fotoelétrons de raios-X (XPS) para PAni nua (bPAni) e PANS foi conduzida (Fig. 3b e veja também Arquivo adicional 1:Fig. S6). Os espectros de nível de núcleo C1s podem ser deconvoluídos em quatro picos:C =O / C – O em 286,7 eV (1), C =N + / C – Cl em 285,8 eV (2), CN / C =N em 285,0 eV ( 3), e C – C / C – H em 284,4 eV (4), respectivamente. A deconvolução de C1s foi baseada em dados relatados anteriormente por Golczak et al. [30]. Em particular, as mudanças nas distribuições de (3) e (4) foram notáveis, e esses resultados significam que a porção de nitrogênio foi aumentada em PANS. Esse fenômeno pode ser atribuído à existência de NMP nas estruturas de PANS, sendo que essa molécula de NMP afeta as interações entre as moléculas de PAni para a formulação de PANS. Para investigar mais a fundo 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 o arquivo adicional 1:Fig. S7). Os picos em 1290 cm ⁻¹ (alongamento C – N aromático), 1490 cm ⁻¹ (C =C e C =N alongamento do anel benzenoide) e 1590 cm ⁻¹ (C =C e C =N alongamento do anel quinóide) foram confirmados em ambos os casos para bPAni e PANS. Os picos específicos de PANS em 1670 cm ⁻¹ (asterisco na Fig. 3c) pode ser atribuído à amina terciária em NMP, e este pico também foi observado no espectro de FTIR de NMP (arquivo adicional 1:Fig. S7). Os resultados da análise termogravimétrica (TGA) de bPAni e PANS revelam que PANS era composta não apenas de PAni, mas também de outras moléculas (Fig. 3d). A degradação do bPAni foi observada a cerca de 350 ° C; no entanto, o ponto de degradação da PANS foi observado a cerca de 200 ° C, que coincide com o ponto de ebulição do NMP. Dos resultados de XPS a TGA, a Fig. 3b-d revela que PANS não era apenas composto de PAni puro, mas também consistia de PAni e outros compostos orgânicos, como NMP. Além disso, a área de superfície e o volume de poro de PANS foram determinados pela análise Brunauer – Emmett – Teller (BET) (Fig. 3e), e PANS tinha 9,486 ± 0,728 m ² / g de área de superfície e 0,044 ± 0,004 cm ³ / g de volume de poro. (c.f. 6,358 ± 0,682 m ² / g de área de superfície e 0,019 ± 0,001 cm ³ / g de volume de poro para bPAni, respectivamente.) Esses resultados significam que o PANS é mais poroso, com alta relação superfície-volume, do que o PAni vazio. A distribuição do diâmetro hidrodinâmico de PANS exibiu 799 ± 85 nm em solução aquosa (Fig. 3f). Esses resultados na Fig. 3 mostram que a PANS é composta exclusivamente por compostos orgânicos (PAni e NMP) com estruturas hierárquicas.

a Imagens de PANS em microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM). A barra de escala é de 100 nm e a inserção 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 poro (linha e dispersão) de bPAni e PANS usando análise 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, as mudanças de cor de PANS foram analisadas usando espectros de absorbância. As mudanças nas propriedades de absorbância das estruturas de PAni, como nanopartículas, filmes e folhas, são bem conhecidas por variarem seus estados de dopagem / desdopagem. Os estados de dopagem / desdopagem de PAni podem ser ajustados por vários dopantes, como ácidos fortes, ácidos de Lewis, metais de transição e íons alcalinos [31, 32]. PANS também exibiu essas propriedades de acordo com as mudanças dos valores de pH circundantes (Fig. 4). Em baixos níveis de pH ( λ ₆₈₀ / λ ₄₈₀ ), foi calculado 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 taxa de absorbância manteve-se em quase 1,06, e diminuiu drasticamente para quase 0,88 em valores de pH de 4 para 1. Esses resultados indicam que as mudanças espectrais de PANS podem ser usadas para avaliar as mudanças específicas de estado redox por mudanças de ambientes circundantes.

a Uma fotografia, b espectro de absorbância e c taxa de absorbância para comprimentos de onda representativos para os estados EB (a 680 nm) e ES (a 480 nm) de soluções PANS nas condições de pH indicadas

Para investigar a capacidade de detecção de PANS para mudanças específicas do estado redox das mudanças dos ambientes circundantes, glicose e GOx foram selecionados como candidatos representativos. Com o aumento das concentrações de glicose de 0,00 para 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 as mudanças de forma nos espectros foram menores do que aquelas em experimentos com mudanças de pH, como mostrado na Fig. 4. Este fenômeno pode ser explicado pelas seguintes equações:
$$ {\ text {Glucose}} + {\ text {H}} _ {2} {\ text {O}} + {\ text {O}} _ {2} \ mathop {\ longrightarrow} \ limits ^ { {\ text {GOx}}} {\ text {Gluconic}} \, {\ text {acid}} + {\ text {H}} _ {2} {\ text {O}} _ {2} $$ ( 1) $$ {\ text {H}} _ {2} {\ text {O}} _ {2} + {\ text {PANS}} \, ({\ text {EB}}) \ para 2 {\ texto {e}} ^ {-} + {\ text {O}} _ {2} + {\ text {PANS}} \, ({\ text {ES}}) $$ (2)
Na Eq. (1), a glicose é oxidada pelo GOx, resultando em ácido glucônico e peróxido de hidrogênio. Além disso, conforme mostrado na Eq. (2), o peróxido de hidrogênio resultante é reduzido o PANS no estado EB para o estado ES. No entanto, os valores da razão de absorbância ( λ ₆₈₀ / λ ₄₈₀ ) foram formados entre 0,98 e 0,86, e este resultado indica que PANS existe no estado intermediário ( λ ₆₈₀ / λ ₄₈₀ =0,98) e estado ES ( λ ₆₈₀ / λ ₄₈₀ =0,86) como mostrado na Fig. 5c. A reação entre a glicose e o GOx é uma reação redox representativa, e essa 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 no espectro de absorbância através da formação do ombro em 480 nm. Coletivamente, esse resultado indica que o PANS pode ser usado para detectar enzimas como a glicose. Pensa-se que o PANS também pode ser usado para detectar a atividade de outras enzimas e para confirmar a atividade redox dentro do sistema biológico.

a Uma fotografia, b espectro de absorbância e c taxa de absorbância para comprimentos de onda representativos para os 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 meada, composta por 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 dilatação. As composições de PANS foram analisadas, compostas exclusivamente por materiais orgânicos. Além disso, as possibilidades de PANS como sondas ópticas conversíveis para detectar mudanças nos estados redox circundantes foram confirmadas por meio da mudança de valores de pH e combinação de glicose e GOx. O presente estudo lança luz sobre a síntese de uma nova classe de nanoestruturas em forma de 3D, bem como nanobiossensores para detecção 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.

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