Nanoovillo de Polianilina: Síntesis Innovadora, Caracterización Integral y Sensado Redox Avanzado

Resumen

Se desarrollaron nanoovillos de polianilina (PANS), compuestos por nanofibras de polianilina. PANS se formuló mediante procesos secuenciales de extracción, calentamiento e hinchamiento. Las composiciones de PANS se analizaron usando espectroscopía fotoelectrónica de rayos X, espectroscopía infrarroja transformada de Fourier, análisis termogravimétrico y análisis Brunauer-Emmett-Teller, cuyos resultados indican que PANS está compuesto únicamente de materiales orgánicos. Además, PANS ha mostrado características de absorbancia convertibles según entornos ácidos circundantes, y usando estas características, se presenta la posibilidad de PANS para sensado de cambios de estado redox circundantes.

Introducción

Estructuras inorgánicas en forma de flor se han usado para diversas aplicaciones: catálisis, biosensores, agentes teragnósticos. Existen estrategias sintéticas para generar estas estructuras complejas. La síntesis usando plantilla es el primer enfoque, por ejemplo, liposomas usados como plantilla blanda para guiar formación de láminas Pt dendríticas. El segundo enfoque se basa en fenómeno de adherencia orientada de nanopartículas primarias cuando superficies con arreglos atómicos similares se acercan. La síntesis de nanopartículas PtRu dendríticas forma nanopartículas primarias PtRu facetadas, basada en este principio. El tercer enfoque depende de uso de agentes de capa o surfactantes específicos para inducir crecimiento anisotrópico de materiales inorgánicos. Síntesis de multi-podos Pt y Au en presencia de polivinilpirrolidona o bromuro cetiltrimetilamonio son ejemplos. Además, tras primer enfoque por Ge et al., estructuras híbridas orgánico-inorgánicas en forma de flor se han estudiado intensivamente. En síntesis de estructuras híbridas flor, se han usado combinaciones de diversas proteínas (enzimas, ADN) e iones metálicos (Cu, Ca, Mn). En años recientes, estudios síntesis estructuras flor basadas en polianilina (PAni) usando dopaje ácido fuerte y nanofibra poliuretano. También varios informes sobre estructuras flor compuestas materiales orgánicos: materiales carbono nitrogendo, poliacrilonitrilo.

En este estudio, reportamos método formular estructuras orgánicas forma flor, mayoritariamente compuestas PAni, y sus propiedades materiales. PAni, polímero conductor representativo, usado como componente orgánico. PAni conocido por propiedades ópticas convertibles debido a sus procesos únicos dopaje/desdopaje u oxidación/reducción. Usando este fenómeno, nuestro grupo reportó que nanoestructuras mediadas PAni pueden usarse como agentes foto-térmicos y sondas sensado redox para aplicaciones biomédicas. En particular, banda prohibida electrónica PAni controlable por estados dopaje/desdopaje. Diferencia entre estados dopaje y desdopaje afecta cambios espectros ópticos PAni en rango visible. Estos estados pueden ajustarse por diversos dopantes: ácidos fuertes, ácidos Lewis, metales transición, iones alcalinos.

Nombramos partículas PAni forma flor como nanoovillo polianilina (PANS) porque forma PANS parece ovillo hilo, compuesto nanofibras PAni. Además, PAni sintetizado parece intrínsecamente formar estructura molecular fibrilar lineal como hilo. PANS sintetizado al añadir éter bencílico (BE) a solución N-metil-2-pirrolidona (NMP) conteniendo PAni, y mezcla pasó por procesos calentamiento y purificación (Fig. 1a). Luego, cambios estados redox circundantes medidos basados en cambio color PANS, donde propiedades ópticas convertidas (Fig. 1b). Sin embargo, muchos informes previos detectaron glucosa usando métodos ratiométricos fluorescencia vía varios mecanismos sensado. Para nuestro conocimiento, investigaciones actualizadas para detección glucosa usando propiedades ópticas convertibles PAni eran deficientes.

Materiales y Métodos

Materiales

Polianilina (PAni) Mw ~ 5000, éter bencílico (BE), oxidasa glucosa (GOx, Aspergillus Niger, 145.200 unidades/g), D-(+)-glucosa de Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA). N-Metil-2-Pirrolidona (NMP) y etanol (EtOH) de Dae-jung, Korea. Salino fosfato Dulbecco (DPBS) de Welgene, Korea, solución buffer (pH 4) de Samchun, Korea. Todos demás químicos y reactivos grado analítico. Agua desionizada ultrapura (DW) usada todos procesos sintéticos.

Síntesis Nanoovillo Polianilina (PANS)

Proceso sintético producto inmaculado: PAni (250 mg) disuelto en NMP (20 mL), luego BE (40 mL) añadido. Mezcla precalentada 200 °C 1 h y calentada 300 °C 30 min. Reactante enfriado temperatura ambiente 3 h. Solución resultante lavada con EtOH y precipitante separado centrifugación 3000 rpm 10 min. Luego solución redispersada en EtOH. Siguiente, solución disuelta en EtOH dializada usando membrana diálisis (MWCO: 3.500 Spectra/Por® 6, SPECTRUM® LABORATORIES, Rancho Dominguez, CA, USA) 24 h. Tras diálisis, solución centrifugada 15.000 rpm 30 min. Precipitante redisoluto 30 mL DW. Concentración final PANS calculada 8,33 mg/mL.

Caracterización PANS

Morfología PANS evaluada con imágenes microscopia electrónica transmisión (TEM, JEM-1011, JEOL Ltd, Japan) y microscopia electrónica barrido (SEM, JSM-6701F, JEOL Ltd, Japan). Espectros fotoelectrónicos rayos X registrados sistema K-alpha (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA). Espectros infrarrojos transformada Fourier (FT-IR Spectrum Two, PerkinElmer, Waltham, MA, USA) analizados confirmar bandas características PANS sintetizado, distribución tamaño PANS analizada método dispersión luz dinámica (ELS-Z, Otsuka electronics, Japan). Área superficial y volumen poro PANS medidos analizador Brunauer-Emmett-Teller (Autosorb-iQ 2ST/MP, Quantachrome Instruments, Boyton Beach, FL, USA), cantidad peso PANS analizada analizador termogravimétrico (SDT-Q600, TA instrument, New Castle, DE, USA). Absorbancia PANS analizada espectrofotómetro UV-Vis (Optizen 2120UV, MECASYS Co., Korea).

Sensado Glucosa Usando PANS

Primero, concentración GOx ajustada 15 mg/mL usando DPBS, glucosa diluida solución buffer pH 4. Concentraciones resultantes glucosa establecidas 40, 20, 10, 5, 1 mg/mL respectivamente. Luego, 1 mL PANS (1,67 mg/mL) mezclado con 20 μL GOx (15 mg/mL) y 80 μL glucosa (40, 20, 10, 5, 1 mg/mL respectivamente). Concentraciones finales glucosa soluciones mezcladas calculadas 2,91, 1,45, 0,73, 0,36, 0,07 mg/mL respectivamente. Absorbancia PANS con GOx y glucosa analizada espectrofotómetro UV-Vis.

Resultados y Discusión

Morfología PANS confirmada imágenes microscopia electrónica transmisión (TEM) y microscopia electrónica barrido (SEM) Fig. 2. PANS exhibió forma esférica con estructuras jerárquicas. En proceso sintético PANS, primero PAni disuelto en NMP, luego BE añadido a solución PAni/NMP. Por diferencia solubilidad PAni entre NMP y BE, PAni extraído a mezcla, proceso denominado 'extracción'. Tras extracción, PAni apareció forma fibrilar, generada por proximidad intermolecular entre moléculas PAni (primera fila Fig. 2 y ver Archivo adicional 1: Fig. S1). Después, mezcla calentada secuencialmente 200 °C 1 h y 300 °C 30 min ('calentamiento'). NMP punto ebullición ~203 °C, PAni existió en BE tras calentamiento. Tras calentamiento, PAni más nucleado que extracción, forma PANS redondeada. Superficie PANS empezó arrugar, pero muchas partículas PANS agregadas (segunda fila Fig. 2 y Archivo adicional 1: Fig. S1). Posteriormente, PANS lavado e hinchado usando etanol (EtOH) (tercera fila Fig. 2 y Archivo adicional 1: Fig. S1). Tras hinchamiento, EtOH insertado entre moléculas PAni, distancia intermolecular aumentada. PANS existió partículas individuales y estructura jerárquica. Confirmar condición ideal formulación PANS, concentración PAni también controlada (Archivo adicional 1: Fig. S2). Análisis imagen TEM según cantidad alimentación PAni cada proceso sintético (extracción, calentamiento, hinchamiento) realizado, al disminuir alimentación PAni (50,0 mg/mL a 12,5 mg/mL), PANS formulado más disperso. Estructura jerárquica PANS confirmada vía imagen SEM inclinada 90° alimentación PAni 50 mg/mL (Archivo adicional 1: Fig. S3). Estudios detallados mecanismo formulación PANS, prueba solubilidad PAni preferencialmente realizada (Archivo adicional 1: Fig. S4). PAni conocido hidrofóbico disuelto solvente polar aprótico miscible agua como NMP. Forma fibrilar PAni observada cuando PAni disuelto NMP. PAni en BE y EtOH más agregado tamaño mayor que NMP; PAni en EtOH interaccionó escasamente cada molécula PAni. Pruebas solubilidad PAni usando medidas espectros absorbancia también realizadas; EtOH mostró mejor solubilidad entre EtOH, BE, agua desionizada (DW). Moléculas PAni desnudas apenas disueltas DW. Experimentos otras condiciones según peso molecular (Mw) PAni (Archivo adicional 1: Fig. S5). Caso Mw 5 kDa, PANS exhibió más estructuras ovillo que otras condiciones (Mw 10 kDa, 50 kDa). Otros casos, PAni no nucleó como Mw 5 kDa, fenómeno por diferencias solubilidad NMP PAni. En otras palabras, al aumentar Mw PAni, PAni tiende insoluble NMP, no existiría nanofibras PAni NMP. Resultado, nanofibras PAni suficientes no existieron, estructuras ovillo PANS no formuladas. Resultados hipótesis formulación PANS: (1) PAni desnudo no disuelve DW; (2) PAni mejor solubilidad NMP; (3) PAni en NMP extraído adición BE via diferencia solubilidad; (4) NMP vaporizado proceso calentamiento mezcla PAni/(NMP y BE); (5) solución resultante lavada EtOH, EtOH insertado entre moléculas PAni; (6) partículas PANS hinchadas bien dispersas DW.

Estudiar características PANS, primero imagen microscopía electrónica transmisión alta resolución (HRTEM) realizada (Fig. 3a). PANS morfología ovillo hilo, compuesto muchas nanofibras PAni. Verificar estructura molecular PANS, análisis espectroscopía fotoelectrónica rayos X (XPS) PAni desnudo (bPAni) y PANS (Fig. 3b y Archivo adicional 1: Fig. S6). Espectros nivel núcleo C1s descompuestos cuatro picos: C=O/C-O 286,7 eV (1), C=N⁺/C-Cl 285,8 eV (2), C-N/C=N 285,0 eV (3), C-C/C-H 284,4 eV (4). Descomposición C1s basada datos reportados Golczak et al. Cambios distribuciones (3) y (4) notables, significan porción nitrógeno aumentada PANS. Fenómeno atribuible existencia NMP estructuras PANS, molécula NMP afecta interacciones entre moléculas PAni formulación PANS. Investigar estructura molecular PANS, espectros transformada Fourier infrarroja (FTIR) bPAni y PANS analizados (Fig. 3c y Archivo adicional 1: Fig. S7). Picos 1290 cm⁻¹ (estiramiento aromático C-N), 1490 cm⁻¹ (estiramiento C=C y C=N anillo benzenoide), 1590 cm⁻¹ (estiramiento C=C y C=N anillo quinona) confirmados ambos casos bPAni y PANS. Picos específicos PANS 1670 cm⁻¹ (asterisco Fig. 3c) atribuibles amina terciaria NMP, pico también observado espectro FTIR NMP (Archivo adicional 1: Fig. S7). Resultados análisis termogravimétrico (TGA) bPAni y PANS revelan PANS compuesto no solo PAni sino otras moléculas (Fig. 3d). Degradación bPAni ~350 °C; punto degradación PANS ~200 °C, coincide punto ebullición NMP. Resultados XPS a TGA, Fig. 3b-d revelan PANS no solo PAni puro, sino PAni y otros compuestos orgánicos como NMP. Área superficial y volumen poro PANS determinados análisis Brunauer-Emmett-Teller (BET) (Fig. 3e), PANS 9,486 ± 0,728 m²/g área superficial y 0,044 ± 0,004 cm³/g volumen poro (cf. 6,358 ± 0,682 m²/g y 0,019 ± 0,001 cm³/g bPAni). Resultados significan PANS más poroso alta relación superficie-volumen PAni desnudo. Distribución diámetro hidrodinámico PANS 799 ± 85 nm solución acuosa (Fig. 3f). Resultados Fig. 3 muestran PANS compuesto únicamente compuestos orgánicos (PAni y NMP) con estructuras jerárquicas.

Investigar posibilidad PANS sondas ópticas convertibles, cambios color PANS analizados espectros absorbancia. Cambios propiedades absorbancia estructuras PAni (nanopartículas, películas, láminas) conocidos variando estados dopaje/desdopaje. Estados dopaje/desdopaje PAni ajustables diversos dopantes: ácidos fuertes, ácidos Lewis, metales transición, iones alcalinos. PANS exhibió esas propiedades según cambios pH circundante (Fig. 4). pH bajos (< pH 2), PANS transicionó estado sal esmeraldina (ES, color verde), indicado por transición π-π* anillos benzenoides y transiciones banda polaron ~480 y 800-900 nm. Aumentando pH, picos 480 y 800-900 nm disminuyen gradualmente absorbancia, pico fuerte ~680 nm observado. Pico 680 nm atribuido excitación orbital molecular ocupado más alto parte benzenoide tres anillos PAni a orbital molecular no ocupado más bajo anillo quinona localizado y dos nitrógenos imina circundantes estado base esmeraldina (EB) PAni. Distinguir con precisión estados ES y EB PANS, ratio absorbancia (λ₆₈₀/λ₄₈₀) calculado longitudes onda representativas picos EB y ES PANS (Fig. 4c). Disminuyendo pH 10 a 4, ratio absorbancia mantuvo ~1,06, disminuyó dramáticamente ~0,88 pH 4 a 1. Resultados indican cambios espectrales PANS pueden evaluar cambios específicos estado redox por cambios entornos circundantes.

Investigar capacidad sensado PANS cambios específicos estado redox desde cambios entornos, glucosa y GOx seleccionados candidatos representativos. Aumentando concentraciones glucosa 0,00 a 2,91 mg/mL, color soluciones PANS cambió azul a verde (Fig. 5a). Espectros absorbancia PANS analizados (Fig. 5b), cambios forma espectros menores que experimentos cambios pH Fig. 4. Fenómeno explicado ecuaciones:

Glucosa + H₂O + O₂ →(GOx) Ácido gluconico + H₂O₂ (1)

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

Ec. (1): glucosa oxidada GOx, resultando ácido gluconico y peróxido hidrógeno. Ec. (2): peróxido hidrógeno resultante reduce PANS estado EB a ES. Valores ratio absorbancia (λ₆₈₀/λ₄₈₀) formados entre 0,98 y 0,86, indica PANS estado intermedio (λ₆₈₀/λ₄₈₀=0,98) y ES (λ₆₈₀/λ₄₈₀=0,86) Fig. 5c. Reacción glucosa-GOx representativa redox, conocida producir peróxido hidrógeno, resultando iones hidrógeno y electrones. Resultados indican PANS dopable iones hidrógeno y electrones. Resultado, transición π-π* anillo benzenoide observada espectros absorbancia formación hombro 480 nm. Colectivamente, indica PANS usable detectar enzimas como glucosa. Se piensa PANS también usable detectar actividad otras enzimas y confirmar actividad redox sistemas biológicos.

Conclusión

En resumen, formulación PANS forma ovillo, compuesto fibras PAni, lograda, mecanismo formulación propuesto. Proceso sintético PANS contiene extracción, calentamiento, hinchamiento secuenciales. Composiciones PANS analizadas, compuestas únicamente materiales orgánicos. Posibilidades PANS sondas ópticas convertibles sensado cambios estados redox confirmadas via cambio pH y combinación glucosa-GOx. Estudio actual arroja luz síntesis nueva clase nanoestructuras 3D y nanobiosensores sensado cambios estado redox circundantes.

Disponibilidad Datos y Materiales

Todos datos generados o analizados durante estudio incluidos artículo publicado.