聚苯胺纳米线：合成方法、表征和氧化还原传感

介绍

花形无机结构已被用于各种应用，例如催化 [1, 2]、生物传感器 [3, 4] 和治疗诊断剂 [5]。有一些合成策略可以生成这些复杂的结构。使用模板合成是第一种方法，例如，脂质体已被用作软模板来指导树突状 Pt 片的形成 [6, 7]。第二种方法是基于当具有相似原子排列的表面彼此接近时初级纳米粒子的定向附着现象。树枝状 PtRu 纳米粒子的合成形成了多面 PtRu 初级纳米粒子，这是基于该原理 [8]。第三种方法依赖于使用特定的封端剂或表面活性剂来诱导无机材料的各向异性生长。在聚（乙烯基吡咯烷酮）或十六烷基三甲基溴化铵存在下合成 Pt 和 Au 多荚就是这样的例子 [9, 10]。此外，在 Ge 等人的第一种方法之后。 [2]，有机-无机杂化花形结构得到了深入研究。在杂化花状结构的合成过程中，各种蛋白质（如酶[11]和DNA[12]）和金属离子（如Cu[13]、Ca[14、15]和Mn）的组合[16]) 已被使用。近年来，有研究认为花形结构的合成是基于聚苯胺（PAni）使用强酸掺杂[17]和聚氨酯纳米纤维[18]。此外，还有一些关于由有机材料组成的花形结构的报道，如掺氮碳材料[19, 20]和聚丙烯腈[21]。

在这项研究中，我们报告了一种用于配制主要由 PAni 组成的有机花形结构的方法及其材料特性。 PAni 是一种代表性的导电聚合物，在本研究中用作有机组分。 PAni 因其独特的掺杂/去掺杂或氧化/还原过程而以其可转换的光学特性而闻名 [22]。利用这种现象，我们的研究小组报告说，PAni 介导的纳米结构可用作生物医学应用的光热剂 [23] 和氧化还原传感探针 [24, 25]。特别是，PAni 的电子带隙可以通过掺杂/去掺杂状态进行控制 [26]。掺杂和去掺杂状态之间的差异影响可见光范围内 PAni 光谱的变化 [24]。 PAni的这些掺杂和去掺杂状态可以通过各种掺杂剂进行调节，如强酸、路易斯酸、过渡金属和碱离子[23]。

我们将花状的 PAni 颗粒命名为 PAni nanoskein (PANS)，因为 PANS 的形状看起来像一个由 PAni 纳米纤维组成的纱线球。此外，合成后的 PAni 似乎本质上形成了纤维状和线性分子结构，例如线。当我们将苄基醚 (BE) 添加到含有 PAni 的 N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP) 溶液中时，合成了 PANS，并将该混合物通过加热和纯化过程（图 1a）。然后，根据 PANS 的颜色变化测量周围氧化还原状态的变化，其中转换了光学特性（图 1b）。然而，许多先前发表的报告已经通过各种传感机制使用荧光比率方法检测葡萄糖 [27,28,29]。据我们所知，利用PAni的可转换光学特性检测葡萄糖的最新研究是缺乏的。

一 聚苯胺纳米绞线（PANS）的合成过程。 b 使用PANS的葡萄糖传感过程

材料和方法

材料

聚苯胺 (PAni) Mw ~ 5000、苄醚 (BE)、葡萄糖氧化酶（GOx，来自 Aspergillus Niger，145,200 单位/g）和 D-( +)-葡萄糖购自 Sigma-Aldrich (St. Louis, MO,美国）。 N-甲基-2-吡咯烷酮 (NMP) 和乙醇 (EtOH) 购自韩国 Dae-jung。 Dulbecco 磷酸盐缓冲液 (DPBS) 购自韩国 Welgene，缓冲液 (pH 4) 购自韩国 Samchun。所有其他化学品和试剂均为分析纯。超纯去离子水（DW）用于所有合成过程。

聚苯胺纳米绞线 (PANS) 的合成

完美产品的合成过程如下：将 PAni（250 毫克）溶解在 NMP（20 毫升）中，然后加入 BE（40 毫升）。将混合物预热至 200°C 1 小时并加热至 300°C 30 分钟。反应物在室温下冷却 3 小时。所得溶液用 EtOH 洗涤并通过以 3000 rpm 离心 10 分钟来分离沉淀剂。然后，将溶液重新分散在 EtOH 中。接下来，使用透析膜（MWCO：3,500 Spectra/Por® 6, SPECTRUM® LABORATORIES, Rancho Dominguez, CA, USA）将溶解在 EtOH 中的溶液透析 24 小时。透析后，将溶液以 15,000 rpm 离心 30 分钟。将沉淀剂重新溶解在 30 mL DW 中。 PANS 的终浓度计算为 8.33 mg/mL。

PANS 的特征

通过透射电子显微镜（TEM，JEM-1011，JEOL Ltd，Japan）和扫描电子显微镜（SEM，JSM-6701F，JEOL Ltd，Japan）成像评估 PANS 的形态。使用 K-alpha 系统（Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA）记录 X 射线光电子能谱。进行傅里叶变换红外光谱（FT-IR Spectrum Two，PerkinElmer，W​​altham，MA，USA）分析以确认合成的PANS的特征带，并通过动态光散射（ELS-Z）分析PANS的尺寸分布，大冢电子，日本）方法。此外，PANS 的表面积和孔体积通过 Brunauer-Emmett-Teller 分析仪（Autosorb-iQ 2ST/MP，Quantachrome Instruments，Boyton Beach，FL，USA）测量，PANS 的重量通过热重分析分析仪（SDT-Q600，TA 仪器，New Castle，DE，美国）。此外，使用紫外-可见分光光度计（Optizen 2120UV，MECASYS Co.，Korea）分析PANS的吸光度。

使用 PANS 检测葡萄糖

首先，使用 DPBS 将 GOx 的浓度调整为 15 mg/mL，并用 pH 4 缓冲溶液稀释葡萄糖。所得葡萄糖浓度分别设置为 40、20、10、5 和 1 mg/mL。然后，将 1 mL PANS (1.67 mg/mL) 与 20 μL GOx (15 mg/mL) 和 80 μL 葡萄糖（分别为 40、20、10、5 和 1 mg/mL）混合。混合溶液中葡萄糖的最终浓度分别计算为 2.91、1.45、0.73、0.36 和 0.07 mg/mL。使用紫外-可见分光光度计分析含有 GOx 和葡萄糖的 PANS 的吸光度。

结果与讨论

PANS 的形态通过透射电子显微镜 (TEM) 和扫描电子显微镜 (SEM) 图像证实，如图 2 所示。PANS 呈现出具有分层结构的球形。在PANS的合成过程中，首先将PAni溶解在NMP中，然后将BE加入到PAni/NMP溶液中。由于 NMP 和 BE 对 PAni 的溶解度不同，PAni 被提取到混合物中，所以这个过程被称为“提取”过程。 PAni 分子之间的接近度（图 2 中的第一行，另见附加文件 1：图 S1）。之后，将混合物依次在 200°C 下加热 1 小时和 300°C 下 30 分钟（“加热”过程）。 NMP 的沸点约为 203°C，因此加热过程后 PAni 存在于 BE 中。加热过程后，PAni比提取过程中的成核更多，PANS的形状变得圆润。此外，PANS 的表面开始起皱，但许多 PANS 颗粒聚集（图 2 中的第二行，另见附加文件 1：图 S1）。随后，PANS 用乙醇 (EtOH) 洗涤并溶胀（图 2 中的第三行，另见附加文件 1：图 S1）。在溶胀过程之后，EtOH 将插入到 PAni 分子之间，因此分子间距离也会增加。因此，PANS 存在于单个粒子中，也具有层次结构。为了确认 PNAS 配方的理想条件，还控制了 PAni 的浓度（附加文件 1：图 S2）。还根据每个合成过程（即提取、加热和溶胀过程）中 PAni 的进料量进行了 TEM 图像分析，随着 PAni 进料量的减少（从 50.0 mg/mL 到 12.5 mg/mL），PANS被制定得更稀疏。此外，通过 90°倾斜的 SEM 图像在 50 mg/mL 的 PAni 进料量下肯定证实了 PANS 的层次结构（附加文件 1：图 S3）。为了详细研究 PANS 的配制机制，优先进行 PAni 的溶解度测试（附加文件 1：图 S4）。 PAni 被认为是疏水的，并溶解在可与水混溶的极性非质子溶剂中，例如 NMP [24]。当 PAni 溶解在 NMP 中时，观察到 PAni 的纤维状。另一方面，BE 和 EtOH 中的 PAni 比 NMP 中的聚苯胺具有更多的聚集和更大的尺寸；此外，乙醇中的 PAni 可能与每个 PAni 分子发生稀疏相互作用。还进行了使用吸收光谱测量的 PAni 溶解度测试； EtOH 在 EtOH、BE 和去离子水 (DW) 中的溶解度最好。裸露的 PAni 分子几乎不溶于 DW。此外，根据 PAni 的分子量 (Mw) 进行了另一种条件实验（附加文件 1：图 S5）。在 Mw 5 kDa 的情况下，PANS 表现出比其他条件（即 Mw 10 kDa 和 50 kDa）更多的绞线样结构。在其他情况下，PAni 没有成核，例如 Mw 5 kDa，这种现象可能是 PAni 与 NMP 的溶解度差异。换言之，随着PAni 的Mw 增加，PAni 趋于不溶于NMP，因此PAni 在NMP 中不会存在PAni 纳米纤维。结果，不存在足够的 PAni 纳米纤维，因此也不会形成 PANS 的绞线状结构。根据这些结果，PANS 的配方假设如下： (1) 裸 PAni 根本不溶于 DW； (2) PAni在NMP中的溶解度最好； (3)通过溶解度差异加入BE提取NMP中的PAni； (4)通过加热过程使NMP从PAni/(NMP和BE)混合物中蒸发； (5)得到的溶液用EtOH洗涤，EtOH插入PAni分子之间； (6) PANS颗粒在DW中溶胀且分散良好。

通过透射电子显微镜（TEM，左）和扫描电子显微镜（SEM，右）成像获得的 PANS 形态。字母字符代表PANS的顺序合成过程； (E)：用 BE 萃取反应物，(H)：在 200°C 和 300°C 下依次加热反应物，以及 (S)：使用 EtOH 使反应物溶胀。注意（X）：无处理。比例尺为 500 纳米

为了研究PANS的特性，首先进行了高分辨率TEM（HRTEM）成像分析（图3a）。 PANS 具有纱线球的形态，它由许多 PAni 纳米纤维组成。为了验证 PANS 的分子结构，对裸 PAni (bPAni) 和 PANS 进行了 X 射线光电子能谱 (XPS) 分析（图 3b，另见附加文件 1：图 S6）。 C1s 核心能级光谱可以分解为四个峰：C=O/C-O 在 286.7 eV (1)，C=N + /C-Cl，在 285.8 eV (2)，CN/C=N 在 285.0 eV ( 3) 和 C–C/C–H，分别为 284.4 eV (4)。 C1s 的解卷积基于 Golczak 等人早些时候报告的数据。 [30]。特别是，（3）和（4）的分布变化显着，这些结果意味着 PANS 中的氮部分增加。这种现象可能归因于PANS结构中NMP的存在，而该NMP分子影响了PANS分子间的相互作用以形成PANS。为了进一步研究 PANS 的分子结构，还分析了 bPAni 和 PANS 的傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱（图 3c，另见附加文件 1：图 S7）。 1290 cm ⁻¹ 处的峰值 （芳香 C–N 拉伸），1490 cm ⁻¹ （苯环的 C=C 和 C=N 拉伸），和 1590 cm ⁻¹ （C=C 和 C=N 醌式环的拉伸）在 bPAni 和 PANS 的两种情况下都得到证实。 PANS 在 1670 cm ⁻¹ 的特定峰 （图 3c 中的星号）可能归因于 NMP 中的叔胺，并且在 NMP 的 FTIR 光谱中也观察到了该峰（附加文件 1：图 S7）。 bPAni 和 PANS 的热重分析 (TGA) 结果表明 PANS 不仅由 PAni 组成，还由其他分子组成（图 3d）。在大约 350°C 下观察到 bPAni 的降解；然而，观察到 PANS 的降解点约为 200°C，这与 NMP 的沸点一致。从 XPS 到 TGA 结果，图 3b-d 显示 PANS 不仅由纯 PAni 组成，还由 PAni 和其他有机化合物如 NMP 组成。此外，PANS 的表面积和孔体积由 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 分析确定（图 3e），PANS 为 9.486 ± 0.728 m ² /g 表面积和 0.044 ± 0.004 cm ³ /g 孔体积。 (c.f. 6.358 ± 0.682 m ² /g 表面积和 0.019 ± 0.001 cm ³ bPAni 的孔体积分别为 /g。）这些结果意味着 PANS 比裸 PAni 具有更高的表面积与体积比的更多孔。 PANS 的流体动力学直径分布在水溶液中表现出 799 ± 85 nm（图 3f）。图 3 中的这些结果表明，PANS 仅由具有层次结构的有机化合物（PAni 和 NMP）组成。

一 PANS 的高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM) 图像。比例尺为 100 nm，插图为高倍放大图像。 b 裸聚苯胺 (bPAni)（上）和 PANS（下）的 XPS C1s 光谱。 1：C=O/C–O，2：C–N ⁺ /C=N ⁺ , 3:C–N/C =N, 4:C–C/C–H。 c bPAni（上）和 PANS（下）的 FTIR 光谱。星号代表文本中更详细描述的有趣峰。 d bPAni（上）和 PANS（下）的热重分析 (TGA)。 e 使用 Brunauer-Emmett-Teller (BET) 分析的 bPAni 和 PANS 的表面积（条形）和孔体积（线和散射）。 f 动态光散射（DLS）法测定PANS的粒径分布

为了研究 PANS 作为可转换光学探针的可能性，使用吸收光谱分析了 PANS 的颜色变化。 PAni 结构（例如纳米颗粒、薄膜和片材）的吸光度特性的变化是众所周知的改变其掺杂/去掺杂状态。 PAni 的掺杂/去掺杂状态可以通过各种掺杂剂进行调节，例如强酸、路易斯酸、过渡金属和碱离子 [31, 32]。根据周围 pH 值的变化，PANS 也表现出这些特性（图 4）。在低 pH 值（λ 680/λ 480），分别在 PANS 的 EB 和 ES 状态峰的代表性波长位置计算（图 4c）。随着 pH 值从 10 降低到 4，吸光度比保持在接近 1.06，并在 pH 值从 4 到 1 时急剧下降到接近 0.88。这些结果表明 PANS 的光谱变化可用于评估特定的变化。周围环境变化引起的氧化还原状态。

一 一张照片，b 吸收光谱和c 在指定 pH 条件下 PANS 溶液的 EB（680 nm）和 ES（480 nm）状态的代表性波长的吸光度比

为了研究PANS对周围环境变化引起的氧化还原状态特定变化的传感能力，选择葡萄糖和GOx作为代表性候选物。随着葡萄糖浓度从 0.00 增加到 2.91 mg/mL，PANS 溶液的颜色从蓝色变为绿色（图 5a）。 PANS 的吸收光谱也进行了分析（图 5b），但光谱形状变化小于 pH 变化实验中的光谱形状变化，如图 4 所示。这种现象可以用以下方程解释：

在方程式中。 (1)、葡萄糖被GOx氧化，产生葡萄糖酸和过氧化氢。此外，如方程所示。 (2)、生成的过氧化氢将处于EB状态的PANS还原为ES状态。然而，吸光度比值 (λ 680/λ 480) 在 0.98 和 0.86 之间形成，该结果表明 PANS 存在于中间状态 (λ 680/λ 480 =0.98) 和 ES 状态 (λ 680/λ 480 =0.86)，如图 5c 所示。葡萄糖和GOx之间的反应是代表性的氧化还原反应，众所周知，该反应会产生过氧化氢，产生氢离子和电子。这些结果表明 PANS 可以掺杂氢离子和电子。结果，通过在 480 nm 处形成肩峰，在吸收光谱中观察到苯环的 π-π* 跃迁。总的来说，该结果表明 PANS 可用于检测葡萄糖等酶。据认为，PANS还可用于检测其他酶的活性和确认生物系统内的氧化还原活性。

一 一张照片，b 吸收光谱和c 具有指定葡萄糖浓度的 PANS 溶液的 EB（680 nm）和 ES（480 nm）状态的代表性波长的吸光度比

结论

综上所述，实现了由PAni纤维组成的绞线形PANS的配方，并提出了配方机理。 PANS的合成过程包括提取、加热和溶胀的顺序过程。分析了PANS的成分，PANS由纯有机材料组成。此外，通过 pH 值的变化以及葡萄糖和 GOx 的组合，确认了 PANS 作为用于感知周围氧化还原状态变化的可转换光学探针的可能性。本研究揭示了合成新型3D形状纳米结构以及用于感知周围氧化还原状态变化的纳米生物传感器。

数据和材料的可用性

本研究期间生成或分析的所有数据均包含在这篇已发表的文章中。