聚苯胺纳米线团：创新合成、全面表征与高级氧化还原传感

摘要

开发了由聚苯胺纳米纤维组成的聚苯胺纳米线团（PANS）。PANS通过顺序萃取、加热和溶胀工艺制备。利用X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱、热重分析和Brunauer-Emmett-Teller分析表征组成，结果表明PANS仅由有机材料组成。此外，PANS随周围酸性环境表现出可转换吸收特性，利用这一特性展示了PANS用于感知周围氧化还原状态变化的可能性。

引言

花状无机结构用于催化、生物传感器、诊疗剂等。合成策略包括：模板法（如脂质体软模板引导树枝状Pt片形成）；定向连接法（如树枝状PtRu纳米颗粒）；特定封端剂/表面活性剂诱导各向异性生长（如PVP或CTAB存在下合成Pt和Au多足结构）。此外，Ge等人首创有机-无机杂化花状结构，后被深入研究，利用各种蛋白（酶、DNA）和金属离子（Cu、Ca、Mn）组合。近年有基于聚苯胺（PAni）强酸掺杂和聚氨酯纳米纤维的花状结构研究，也有氮掺杂碳材料、聚丙烯腈等有机材料花状结构报道。本研究报道一种主要由PAni组成的有机花状结构制备方法及其材料性质。PAni作为代表性导电聚合物，因其独特的掺杂/去掺杂或氧化/还原过程表现出可转换光学性质。利用此现象，本课题组报道PAni介导纳米结构可作光热剂和氧化还原传感探针用于生物医学。PAni电子带隙可通过掺杂/去掺杂状态控制，掺杂/去掺杂差异影响可见光范围光谱变化，这些状态可用强酸、Lewis酸、过渡金属、碱离子等掺杂剂调节。我们将花状PAni颗粒命名为聚苯胺纳米线团（PANS），因其形似线团，由PAni纳米纤维组成。原位合成PAni固有形成纤维状线性分子结构。PANS合成过程：向含PAni的N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶液中加入苯甲醚（BE），经加热和纯化工艺（图1a）。随后基于PANS颜色变化测量周围氧化还原状态变化，光学性质发生转换（图1b）。尽管许多文献利用荧光比率法通过各种机制检测葡萄糖，但利用PAni可转换光学性质检测葡萄糖的研究尚缺。

材料与方法

材料

聚苯胺（PAni，Mw~5000）、苯甲醚（BE）、葡萄糖氧化酶（GOx，来自黑曲霉，145,200 units/g）、D-(+)-葡萄糖（Sigma-Aldrich）；N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、乙醇（EtOH，Dae-jung, Korea）；Dulbecco磷酸盐缓冲液（DPBS，Welgene, Korea）、pH 4缓冲液（Samchun, Korea）。其他试剂均为分析纯。全过程使用超纯去离子水（DW）。

聚苯胺纳米线团（PANS）合成

合成纯净产物步骤：PAni（250 mg）溶于NMP（20 mL），加入BE（40 mL）。混合物预热200 °C 1 h，再加热至300 °C 30 min。室温冷却3 h。乙醇洗涤，3000 rpm离心10 min分离沉淀。沉淀重新分散于乙醇。透析膜（MWCO: 3,500 Spectra/Por® 6）透析24 h。透析后15,000 rpm离心30 min。沉淀重溶于30 mL DW。PANS终浓度计算为8.33 mg/mL。

PANS表征

透射电镜（TEM, JEM-1011）和扫描电镜（SEM, JSM-6701F）评估形貌。X射线光电子能谱（K-alpha系统）记录光谱。傅里叶变换红外光谱（FT-IR Spectrum Two）确认特征峰。动态光散射（ELS-Z）分析粒径分布。BET分析仪（Autosorb-iQ 2ST/MP）测量比表面积和孔隙体积。热重分析仪（SDT-Q600）分析重量损失。UV-Vis分光光度计（Optizen 2120UV）分析吸光度。

PANS葡萄糖传感

GOx浓度调整为15 mg/mL（DPBS），葡萄糖用pH 4缓冲液稀释至40, 20, 10, 5, 1 mg/mL。1 mL PANS（1.67 mg/mL）混合20 μL GOx（15 mg/mL）和80 μL不同浓度葡萄糖。混合液最终葡萄糖浓度分别为2.91, 1.45, 0.73, 0.36, 0.07 mg/mL。UV-Vis分光光度计分析吸光度。

结果与讨论

PANS形貌经TEM和SEM确认（图2）。PANS呈球形，具有层级结构。合成过程：PAni溶于NMP，加入BE，因PAni在NMP和BE中溶解度差异，PAni被萃取进混合物（"萃取"过程）。萃取后PAni呈纤维状（图2第一行及附件Fig.S1）。随后顺序加热200 °C 1 h和300 °C 30 min（"加热"过程）。NMP沸点约203 °C，加热后PAni存在于BE中。加热后PAni成核增多，PANS形状变圆，表面起皱，但颗粒聚集（图2第二行及Fig.S1）。随后用乙醇洗涤和溶胀（图2第三行及Fig.S1）。溶胀过程乙醇插入PAni分子间，分子间距增加，PANS成为独立颗粒且具有层级结构。为确认理想配制条件，控制PAni浓度（附件Fig.S2）。不同投料量下各合成阶段（萃取、加热、溶胀）TEM分析显示，投料量从50.0 mg/mL降至12.5 mg/mL时PANS结构更稀疏。50 mg/mL投料量下90°倾斜SEM图像确认层级结构（附件Fig.S3）。详细研究形成机制，先进行PAni溶解度测试（附件Fig.S4）。PAni疏水，溶于水混溶极性非质子溶剂NMP。NMP中PAni呈纤维状；BE和乙醇中聚集更大；乙醇中PAni分子间相互作用稀疏。吸收光谱测定溶解度：乙醇在乙醇、BE、去离子水中溶解度最好；裸PAni几乎不溶于水。另按PAni分子量（Mw）实验（附件Fig.S5）。Mw 5 kDa时PANS呈现更多线团结构；其他Mw（10, 50 kDa）PAni不成核，可能因溶于NMP溶解度差异。Mw增加PAni在NMP中溶解度降低，不形成纳米纤维，故无法形成线团结构。据此假设PANS形成机制：(1)裸PAni不溶于水；(2)PAni在NMP中溶解度最好；(3)加入BE通过溶解度差异萃取PAni；(4)加热过程NMP从PAni/(NMP+BE)混合物挥发；(5)乙醇洗涤插入PAni分子间；(6)PANS颗粒溶胀分散于水中。

研究PANS特性，先进行高分辨TEM（HRTEM）分析（图3a）。PANS呈线团形貌，由众多PAni纳米纤维组成。为验证分子结构，对裸PAni（bPAni）和PANS进行XPS分析（图3b及附件Fig.S6）。C1s核心能谱可拟合四峰：286.7 eV（C=O/C-O，1）、285.8 eV（C=N⁺/C-Cl，2）、285.0 eV（C-N/C=N，3）、284.4 eV（C-C/C-H，4）。拟合基于Golczak等人数据。峰(3)和(4)分布变化显著，表明PANS中氮含量增加，可能因NMP残留影响PAni分子相互作用。FTIR进一步研究分子结构（图3c及附件Fig.S7）。1290 cm⁻¹（芳香C-N伸缩）、1490 cm⁻¹（苯环C=C和C=N伸缩）、1590 cm⁻¹（醌环C=C和C=N伸缩）两者均有。PANS特有峰1670 cm⁻¹（图3c星号）可能归因于NMP中三级胺，NMP的FTIR也有此峰（附件Fig.S7）。热重分析（TGA，图3d）显示PANS不仅含PAni还含其他分子。bPAni降解约350 °C；PANS降解约200 °C，与NMP沸点吻合。XPS至TGA结果表明PANS由PAni和NMP等有机化合物组成。BET分析（图3e）显示PANS比表面积9.486±0.728 m²/g，孔隙体积0.044±0.004 cm³/g（bPAni分别为6.358±0.682 m²/g和0.019±0.001 cm³/g），PANS更多孔、表面积体积比更高。动态光散射（DLS）测水溶液中流体动力学直径分布为799±85 nm（图3f）。图3结果表明PANS仅由有机化合物（PAni和NMP）组成，具有层级结构。

研究PANS作为可转换光学探针可能性，分析吸收光谱颜色变化。PAni纳米颗粒、薄膜、片层等结构吸收性质随掺杂/去掺杂状态变化已知。掺杂/去掺杂状态可用强酸、Lewis酸、过渡金属、碱离子调节。PANS也随周围pH值表现出这些性质（图4）。低pH（

研究PANS感知周围环境氧化还原状态变化能力，选葡萄糖和GOx为代表。葡萄糖浓度从0.00增至2.91 mg/mL，PANS溶液颜色从蓝变绿（图5a）。吸收光谱分析（图5b），光谱形变小于pH变化实验（图4）。可用以下方程解释：

葡萄糖 + H₂O + O₂ →(GOx) 葡萄糖酸 + H₂O₂ (1)

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

式(1)中葡萄糖经GOx氧化生成葡萄糖酸和过氧化氢。式(2)中过氧化氢将EB态PANS还原为ES态。吸光度比（λ₆₈₀/λ₄₈₀）在0.98–0.86之间，表明PANS处于中间态（0.98）和ES态（0.86）（图5c）。葡萄糖-GOx反应为典型氧化还原反应，产生过氧化氢进而产生氢离子和电子。结果表明PANS可被氢离子和电子掺杂，吸收光谱中苯环π-π*跃迁在480 nm形成肩峰。综上，PANS可用于检测葡萄糖等酶，也可用于检测其他酶活性及确认生物系统内氧化还原活性。

结论

综上，实现了由PAni纤维组成的线团状PANS制备，并提出形成机制。合成包含顺序萃取、加热、溶胀过程。组成分析证实仅含有机材料。通过pH变化和葡萄糖-GOx组合验证了PANS作为可转换光学探针感知周围氧化还原状态变化的可能性。本研究为合成新型三维纳米结构及用于感知氧化还原状态变化的纳米生物传感器提供了新思路。

数据与材料可用性

本研究期间生成或分析的所有数据均包含在已发表文章中。