Nanoskein de polyaniline : synthèse innovante, caractérisation complète et détection redox avancée

Résumé

Un nanoskein de polyaniline (PANS), composé de nanofibres de polyaniline, a été développé. Le PANS a été formulé via des processus séquentiels d'extraction, de chauffage et de gonflement. Les compositions du PANS ont été analysées par spectroscopie photoélectronique aux rayons X, spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, analyse thermogravimétrique et analyse Brunauer-Emmett-Teller, dont les résultats indiquent que le PANS est composé uniquement de matériaux organiques. De plus, le PANS a montré des caractéristiques d'absorbance convertibles selon les environnements acides environnants, et en utilisant ces caractéristiques, la possibilité du PANS pour la détection des changements d'état redox environnants est présentée.

Introduction

Des structures inorganiques en forme de fleur ont été utilisées pour diverses applications telles que la catalyse [1, 2], les biosenseurs [3, 4] et les agents théragnostiques [5]. Il existe certaines stratégies de synthèse pour générer ces structures complexes. La synthèse utilisant un modèle est la première approche, par exemple, les liposomes ont été utilisés comme modèle souple pour guider la formation de feuillets dendritiques de Pt [6, 7]. La seconde approche est basée sur le phénomène d'attachement orienté de nanoparticules primaires lorsque des surfaces avec des arrangements atomiques similaires s'approchent l'une de l'autre. La synthèse de nanoparticules dendritiques PtRu forme des nanoparticules primaires PtRu facetées, basée sur ce principe [8]. La troisième approche repose sur l'utilisation d'agents de coiffage ou de tensioactifs spécifiques pour induire une croissance anisotrope de matériaux inorganiques. Les synthèses de multipodes de Pt et Au en présence de poly(vinylpyrrolidone) ou de bromure de cétyltriméthylammonium en sont des exemples [9, 10]. En outre, après la première approche de Ge et al. [2], les structures hybrides organiques-inorganiques en forme de fleur ont été intensivement étudiées. Dans le processus de synthèse pour les structures hybrides en forme de fleur, les combinaisons de diverses protéines (par exemple, enzymes [11] et ADN [12]) et d'ions métalliques (par exemple, Cu [13], Ca [14, 15] et Mn [16]) ont été utilisées. Ces dernières années, il y a eu des études sur la synthèse de structures en forme de fleur basées sur la polyaniline (PAni) en utilisant le dopage par acide fort [17] et les nanofibres de polyuréthane [18]. De plus, il y a eu plusieurs rapports sur des structures en forme de fleur composées de matériaux organiques, tels que les matériaux carbonés dopés à l'azote [19, 20] et le polyacrylonitrile [21].

Dans cette étude, nous rapportons une méthode pour formuler des structures organiques en forme de fleur, principalement composées de PAni, et leurs propriétés matérielles. La PAni, qui est un polymère conducteur représentatif, a été utilisée comme composant organique dans cette étude. La PAni est bien connue pour ses propriétés optiques convertibles en raison de ses processus uniques de dopage/dédopage ou d'oxydation/réduction [22]. En utilisant ce phénomène, notre groupe de recherche a rapporté que les nanostructures médiatisées par la PAni peuvent être utilisées comme agents photo-thermiques [23] et sondes de détection redox [24, 25] pour des applications biomédicales. En particulier, le gap de bande électronique pour la PAni peut être contrôlé par les états de dopage/dédopage [26]. La différence entre les états de dopage et dédopage affecte les changements de spectres optiques de la PAni dans le domaine visible [24]. Ces états de dopage et dédopage de la PAni peuvent être ajustés par divers dopants, tels que les acides forts, les acides de Lewis, les métaux de transition et les ions alcalins [23].

Nous avons nommé les particules de PAni en forme de fleur « nanoskein de PAni » (PANS) car la forme du PANS ressemble à une pelote de laine, qui est composée de nanofibres de PAni. De plus, la PAni telle que synthétisée semble former intrinsèquement une structure moléculaire fibrillaire et linéaire telle qu'un fil. Le PANS a été synthétisé lorsque nous avons ajouté de l'éther de benzyle (EB) à une solution de N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) contenant de la PAni, et ce mélange a été soumis à des processus de chauffage et de purification (Fig. 1a). Ensuite, les changements d'états redox environnants ont été mesurés en fonction du changement de couleur du PANS, où les propriétés optiques étaient converties (Fig. 1b). Cependant, de nombreux rapports publiés précédemment ont détecté le glucose en utilisant des méthodes ratiométriques de fluorescence via divers mécanismes de détection [27-29]. Pour autant que nous sachions, les recherches récentes pour la détection du glucose en utilisant les propriétés optiques convertibles de la PAni étaient déficientes.

Matériaux et méthodes

Matériaux

Polyaniline (PAni) Mw ~ 5000, éther de benzyle (EB), glucose oxydase (GOx, d'Aspergillus Niger, 145 200 unités/g) et D-(+)-glucose ont été achetés chez Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA). N-Méthyl-2-Pyrrolidone (NMP) et éthanol (EtOH) ont été achetés chez Dae-jung, Corée. Solution saline phosphate tamponnée de Dulbecco (DPBS) a été achetée chez Welgene, Corée, et solution tampon (pH 4) a été achetée chez Samchun, Corée. Tous les autres produits chimiques et réactifs étaient de grade analytique. L'eau déionisée ultrapure (ED) a été utilisée pour tous les processus de synthèse.

Synthèse du nanoskein de polyaniline (PANS)

Le processus de synthèse du produit pur était le suivant : PAni (250 mg) a été dissous dans NMP (20 ml), puis EB (40 ml) a été ajouté. Le mélange a été préchauffé à 200 °C pendant 1 h et chauffé à 300 °C pendant 30 min. Le réactif a été refroidi à température ambiante pendant 3 h. La solution résultante a été lavée avec EtOH et le précipité a été séparé par centrifugation à 3000 tr/min pendant 10 min. Ensuite, la solution a été redispersée dans EtOH. Ensuite, la solution dissoute dans EtOH a été dialysée en utilisant une membrane de dialyse (MWCO : 3 500 Spectra/Por® 6, SPECTRUM® LABORATORIES, Rancho Dominguez, CA, USA) pendant 24 h. Après dialyse, la solution a été centrifugée à 15 000 tr/min pendant 30 min. Le précipité a été redissous dans 30 ml d'ED. La concentration finale de PANS a été calculée à 8,33 mg/ml.

Caractérisation du PANS

La morphologie du PANS a été évaluée par imagerie microscopique électronique à transmission (MET, JEM-1011, JEOL Ltd, Japon) et microscopique électronique à balayage (MEB, JSM-6701F, JEOL Ltd, Japon). Les spectres photoélectroniques aux rayons X ont été enregistrés à l'aide d'un système K-alpha (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA). L'analyse de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR Spectrum Two, PerkinElmer, Waltham, MA, USA) a été réalisée pour confirmer les bandes caractéristiques du PANS synthétisé, et la distribution de taille du PANS a été analysée par une méthode de diffusion dynamique de la lumière (ELS-Z, Otsuka electronics, Japon). De plus, la surface spécifique et le volume des pores du PANS ont été mesurés par un analyseur Brunauer-Emmett-Teller (Autosorb-iQ 2ST/MP, Quantachrome Instruments, Boyton Beach, FL, USA), et la quantité de poids du PANS a été analysée avec un analyseur thermogravimétrique (SDT-Q600, TA instrument, New Castle, DE, USA). De plus, l'absorbance du PANS a été analysée à l'aide d'un spectrophotomètre UV-Vis (Optizen 2120UV, MECASYS Co., Corée).

Détection du glucose utilisant PANS

Premièrement, la concentration de GOx a été ajustée à 15 mg/ml en utilisant DPBS, et le glucose a été dilué avec une solution tampon pH 4. Les concentrations résultantes de glucose ont été fixées à 40, 20, 10, 5 et 1 mg/ml, respectivement. Ensuite, 1 ml de PANS (1,67 mg/ml) a été mélangé avec 20 μl de GOx (15 mg/ml) et 80 μl de glucose (40, 20, 10, 5 et 1 mg/ml, respectivement). Les concentrations finales de glucose dans les solutions mélangées ont été calculées à 2,91, 1,45, 0,73, 0,36 et 0,07 mg/ml, respectivement. L'absorbance du PANS avec GOx et glucose a été analysée à l'aide du spectrophotomètre UV-Vis.

Résultats et discussion

La morphologie du PANS a été confirmée par des images de microscopie électronique à transmission (MET) et microscopie électronique à balayage (MEB) comme montré à la Fig. 2. Le PANS présentait une forme sphérique avec des structures hiérarchiques. Dans le processus de synthèse du PANS, d'abord, la PAni a été dissoute dans NMP, puis EB a été ajouté à la solution PAni/NMP. En raison de la différence de solubilité de la PAni entre NMP et EB, la PAni a été extraite dans le mélange, donc ce processus a été appelé processus d'« extraction ». Après le processus d'extraction, la PAni est apparue sous forme fibrillaire, et cette forme peut être générée en raison de la proximité intermoléculaire entre les molécules de PAni (première rangée de la Fig. 2 et voir aussi Fichier additionnel 1 : Fig. S1). Après cela, le mélange a été chauffé séquentiellement à 200 °C pendant une heure et 300 °C pendant 30 min (processus de « chauffage »). Le NMP a un point d'ébullition d'environ 203 °C, donc la PAni existait dans EB après le processus de chauffage. Après le processus de chauffage, la PAni était plus nucléée que dans le processus d'extraction, et la forme du PANS est devenue arrondie. De plus, la surface du PANS a commencé à se froisser, mais de nombreuses particules de PANS étaient agrégées (deuxième rangée de la Fig. 2 et voir aussi Fichier additionnel 1 : Fig. S1). Par la suite, le PANS a été lavé ainsi que gonflé en utilisant l'éthanol (EtOH) (troisième rangée de la Fig. 2 et voir aussi Fichier additionnel 1 : Fig. S1). Après le processus de gonflement, l'EtOH serait inséré entre les molécules de PAni, donc la distance intermoléculaire augmenterait également. En conséquence, le PANS existait sous forme de particules individuelles et avait également une structure hiérarchique. Pour confirmer la condition idéale de formulation du PANS, la concentration de PAni a également été contrôlée (Fichier additionnel 1 : Fig. S2). L'analyse d'image MET selon la quantité de PAni introduite à chaque processus de synthèse (extraction, chauffage et gonflement) a également été réalisée, et à mesure que la quantité de PAni diminuait (de 50,0 mg/ml à 12,5 mg/ml), le PANS était formulé de manière beaucoup plus éparse. De plus, la structure hiérarchique du PANS a été certainement confirmée via une image MEB inclinée à 90° avec une quantité de PAni de 50 mg/ml (Fichier additionnel 1 : Fig. S3). Pour les études détaillées du mécanisme de formulation du PANS, un test de solubilité de la PAni a été mené préférentiellement (Fichier additionnel 1 : Fig. S4). La PAni était connue comme hydrophobe et se dissolvait dans un solvant polaire aprotique miscible à l'eau tel que NMP [24]. La forme fibrillaire de la PAni a été observée lorsque la PAni était dissoute dans NMP. D'autre part, la PAni dans EB et EtOH avait une taille plus agrégée et plus grande que dans NMP ; de plus, la PAni dans EtOH pourrait interagir de manière plus éparse entre chaque molécule de PAni. Les tests de solubilité de la PAni utilisant des mesures de spectres d'absorbance ont également été réalisés ; l'EtOH a montré la meilleure solubilité parmi EtOH, EB et eau déionisée (ED). Les molécules de PAni nues se dissolvaient à peine dans l'ED. De plus, des expériences sous d'autres conditions ont été menées selon le poids moléculaire (Mw) de la PAni (Fichier additionnel 1 : Fig. S5). Dans le cas de Mw 5 kDa, le PANS présentait plus de structures de type skein que les autres conditions (Mw 10 kDa et 50 kDa). Dans les autres cas, la PAni ne nucléait pas comme pour Mw 5 kDa, et ce phénomène peut être dû aux différences de solubilité dans NMP pour la PAni. En d'autres termes, à mesure que le Mw de la PAni augmente, la PAni tend à être insoluble dans NMP, et par conséquent, la PAni n'existerait pas sous forme de nanofibres de PAni dans NMP. En résultat, des nanofibres de PAni suffisantes n'existaient pas, donc les structures de type skein du PANS ne seraient pas non plus formulées. De ces résultats, la formulation du PANS est hypothétisée comme suit : (1) la PAni nue ne se dissout pas du tout dans l'ED ; (2) la PAni a la meilleure solubilité dans NMP ; (3) la PAni dans NMP a été extraite par l'ajout d'EB via la différence de solubilité ; (4) le NMP a été vaporisé par le processus de chauffage du mélange PAni/(NMP et EB) ; (5) la solution résultante est lavée par EtOH, et l'EtOH est inséré entre les molécules de PAni ; (6) les particules de PANS sont gonflées et bien dispersées dans l'ED.

Pour étudier les caractéristiques du PANS, tout d'abord, une analyse d'imagerie MET à haute résolution (MET-HR) a été réalisée (Fig. 3a). Le PANS avait une morphologie de pelote de laine, composée de nombreuses nanofibres de PAni. Pour vérifier la structure moléculaire du PANS, une analyse spectroscopique photoélectronique aux rayons X (XPS) pour la PAni nue (bPAni) et le PANS a été réalisée (Fig. 3b et voir aussi Fichier additionnel 1 : Fig. S6). Les spectres de niveau cœur C1s peuvent être déconvolués en quatre pics : C=O/C-O à 286,7 eV (1), C=N⁺/C-Cl à 285,8 eV (2), C-N/C=N à 285,0 eV (3), et C-C/C-H à 284,4 eV (4), respectivement. La déconvolution du C1s était basée sur des données rapportées précédemment par Golczak et al. [30]. En particulier, les changements de distributions pour (3) et (4) étaient remarquables, et ces résultats signifient que la portion d'azote était augmentée dans le PANS. Ce phénomène peut être attribué à l'existence de NMP dans les structures de PANS, et cette molécule de NMP affecte les interactions entre les molécules de PAni pour la formulation du PANS. Pour enquêter davantage sur la structure moléculaire du PANS, les spectres de transformée de Fourier infrarouge (FTIR) pour bPAni et PANS ont également été analysés (Fig. 3c et voir aussi Fichier additionnel 1 : Fig. S7). Les pics à 1290 cm⁻¹ (étirement aromatique C-N), 1490 cm⁻¹ (étirement C=C et C=N de l'anneau benzoïde) et 1590 cm⁻¹ (étirement C=C et C=N de l'anneau quinoïde) ont été confirmés dans les deux cas pour bPAni et PANS. Les pics spécifiques du PANS à 1670 cm⁻¹ (astérisque à la Fig. 3c) pourraient être attribués à l'amine tertiaire dans le NMP, et ce pic a également été observé dans le spectre FTIR du NMP (Fichier additionnel 1 : Fig. S7). Les résultats d'analyse thermogravimétrique (ATG) de bPAni et PANS révèlent que le PANS était composé non seulement de PAni mais aussi d'autres molécules (Fig. 3d). La dégradation de bPAni a été observée vers 350 °C ; cependant, le point de dégradation du PANS a été observé vers 200 °C, ce qui coïncide avec le point d'ébullition du NMP. Des résultats XPS à ATG, la Fig. 3b-d révèle que le PANS n'était pas seulement composé de PAni pur, mais consistait aussi en PAni et d'autres composés organiques tels que le NMP. De plus, la surface spécifique et le volume des pores du PANS ont été déterminés par analyse Brunauer-Emmett-Teller (BET) (Fig. 3e), et le PANS avait 9,486 ± 0,728 m²/g de surface spécifique et 0,044 ± 0,004 cm³/g de volume de pores. (cf. 6,358 ± 0,682 m²/g de surface spécifique et 0,019 ± 0,001 cm³/g de volume de pores pour bPAni, respectivement.) Ces résultats signifient que le PANS est plus poreux avec un rapport surface/volume élevé que la PAni nue. La distribution du diamètre hydrodynamique du PANS présentait 799 ± 85 nm en solution aqueuse (Fig. 3f). Ces résultats de la Fig. 3 montrent que le PANS est uniquement composé de composés organiques (PAni et NMP) avec des structures hiérarchiques.

Pour étudier la possibilité du PANS comme sondes optiques convertibles, les changements de couleur du PANS ont été analysés à l'aide de spectres d'absorbance. Les changements des propriétés d'absorbance des structures de PAni, telles que les nanoparticules, les films et les feuillets, sont bien connus comme variant selon leurs états de dopage/dédopage. Les états de dopage/dédopage de la PAni peuvent être ajustés par divers dopants, tels que les acides forts, les acides de Lewis, les métaux de transition et les ions alcalins [31, 32]. Le PANS a également présenté ces propriétés selon les changements des valeurs de pH environnantes (Fig. 4). À de faibles niveaux de pH (< pH 2), le PANS passait à un état sel d'émeraude (SE, couleur verte), comme indiqué par la présence de la transition π-π* des anneaux benzoïdes ainsi que des transitions de bande polaron à environ 480 et 800-900 nm, respectivement [33]. Avec l'augmentation des valeurs de pH, les pics à 480 et 800-900 nm diminuent progressivement en absorbance, et un pic d'absorbance fort à environ 680 nm est observé. Le pic d'absorbance à 680 nm est attribué à l'excitation de l'orbite moléculaire la plus occupée de la partie benzoïde à trois anneaux de la PAni vers l'orbite moléculaire la plus basse inoccupée de l'anneau quinoïde localisé et des deux imines azotées environnantes dans l'état base d'émeraude (BE) de la PAni [34]. Pour distinguer plus précisément entre les états SE et BE du PANS, le rapport d'absorbance (λ₆₈₀/λ₄₈₀) a été calculé aux positions de longueur d'onde représentatives des pics aux états BE et SE du PANS, respectivement (Fig. 4c). À mesure que la valeur de pH diminuait de 10 à 4, le rapport d'absorbance se maintenait à près de 1,06, et il diminuait dramatiquement à près de 0,88 pour des valeurs de pH de 4 à 1. Ces résultats indiquent que les changements spectraux du PANS peuvent être utilisés pour évaluer les changements spécifiques d'état redox par les changements d'environnements environnants.

Pour étudier la capacité de détection du PANS pour des changements spécifiques d'état redox à partir des changements d'environnements environnants, le glucose et la GOx ont été sélectionnés comme candidats représentatifs. En augmentant les concentrations de glucose de 0,00 à 2,91 mg/ml, la couleur des solutions de PANS changeait du bleu au vert (Fig. 5a). Les spectres d'absorbance du PANS ont également été analysés (Fig. 5b), mais les changements de forme dans les spectres étaient moins importants que ceux dans les expériences avec les changements de pH comme montré à la Fig. 4. Ce phénomène peut être expliqué par les équations suivantes :

Glucose + H₂O + O₂ →ᴳᴼˣ Gluconique acide + H₂O₂ (1)

H₂O₂ + PANS (BE) → 2e⁻ + O₂ + PANS (SE) (2)

Dans l'équation (1), le glucose est oxydé par la GOx, résultant en acide gluconique et peroxyde d'hydrogène. De plus, comme montré dans l'équation (2), le peroxyde d'hydrogène résultant réduit le PANS à l'état BE à l'état SE. Cependant, les valeurs du rapport d'absorbance (λ₆₈₀/λ₄₈₀) étaient formées entre 0,98 et 0,86, et ce résultat indique que le PANS existe à un état intermédiaire (λ₆₈₀/λ₄₈₀ = 0,98) et à l'état SE (λ₆₈₀/λ₄₈₀ = 0,86) comme montré à la Fig. 5c. La réaction entre le glucose et la GOx est une réaction redox représentative, et cette réaction est bien connue pour produire du peroxyde d'hydrogène, résultant en ions hydrogène et électrons. Ces résultats indiquent que le PANS peut être dopé avec des ions hydrogène et des électrons. En résultat, la transition π-π* de l'anneau benzoïde est observée dans les spectres d'absorbance par la formation d'une épaule à 480 nm. Collectivement, ce résultat indique que le PANS peut être utilisé pour détecter des enzymes telles que le glucose. On pense que le PANS pourrait également être utilisé pour détecter l'activité d'autres enzymes et pour confirmer l'activité redox au sein des systèmes biologiques.

Conclusion

En résumé, la formulation du PANS en forme de skein, composé de fibres de PAni, a été réalisée, et le mécanisme de formulation a également été proposé. Le processus de synthèse du PANS contient des processus séquentiels d'extraction, de chauffage et de gonflement. Les compositions du PANS ont été analysées, qui sont composées uniquement de matériaux organiques. De plus, les possibilités du PANS comme sondes optiques convertibles pour la détection des changements d'états redox environnants ont été confirmées via le changement de valeurs de pH et la combinaison de glucose et GOx. La présente étude éclaire la synthèse d'une nouvelle classe de nanostructures 3D formées ainsi que de nanobiosenseurs pour la détection des changements d'état redox environnants.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.