ポリアニリンナノかせ：合成法、特性評価、およびレドックスセンシング

はじめに

花の形をした無機構造は、触媒作用[1、2]、バイオセンサー[3、4]、治療薬[5]などのさまざまな用途に使用されてきました。これらの複雑な構造を生成するためのいくつかの合成戦略があります。テンプレートを使用した合成は最初のアプローチです。たとえば、リポソームは樹枝状のPtシートの形成をガイドするためのソフトテンプレートとして使用されています[6、7]。 2番目のアプローチは、類似した原子配列を持つ表面が互いに接近したときに一次ナノ粒子が配向して付着する現象に基づいています。樹枝状のPtRuナノ粒子の合成は、この原理に基づいたファセットPtRu一次ナノ粒子を形成します[8]。 3番目のアプローチは、特定のキャッピング剤または界面活性剤を使用して、無機材料の異方性成長を誘発することに依存しています。ポリ（ビニルピロリドン）または臭化セチルトリメチルアンモニウムの存在下でのPtおよびAuマルチポッドの合成は、そのような例です[9、10]。さらに、Geらによる最初のアプローチの後。 [2]、有機-無機ハイブリッド花形構造が集中的に研究されてきました。ハイブリッド花形構造の合成過程において、さまざまなタンパク質（例：酵素[11]およびDNA [12]）と金属イオン（例：Cu [13]、Ca [14、15]、およびMn）の組み合わせ[16]）が使用されています。近年、花の形をした構造の合成は、強酸ドーピング[17]とポリウレタンナノファイバー[18]を使用したポリアニリン（PAni）に基づいているという研究がありました。さらに、窒素をドープした炭素材料[19、20]やポリアクリロニトリル[21]などの有機材料で構成された花の形をした構造に関するいくつかの報告がありました。

本研究では、主にPAniで構成される有機花形構造の形成方法とその材料特性について報告します。本研究では、代表的な導電性高分子であるPAniを有機成分として使用しました。 PAniは、その独自のドーピング/脱ドーピングまたは酸化/還元プロセスにより、変換可能な光学特性でよく知られています[22]。この現象を使用して、私たちの研究グループは、PAniを介したナノ構造が生物医学的用途の光熱剤[23]およびレドックスセンシングプローブ[24、25]として使用できることを報告しました。特に、PAniの電子バンドギャップは、ドーピング/デドーピング状態によって制御できます[26]。ドーピング状態と脱ドーピング状態の違いは、可視範囲でのPAniの光学スペクトルの変化に影響を与えます[24]。 PAniのこれらのドーピングおよび脱ドーピング状態は、強酸、ルイス酸、遷移金属、アルカリイオンなどのさまざまなドーパントによって調整できます[23]。

花の形をしたPAni粒子をPANinanoskein（PANS）と名付けたのは、PANSの形状が、PAniナノファイバーで構成された毛糸の球のように見えるためです。さらに、合成されたままのPAniは、糸などの繊維状で線形の分子構造を本質的に形成しているように見えます。 PANSは、PAniを含むN-メチル-2-ピロリドン（NMP）溶液にベンジルエーテル（BE）を添加したときに合成され、この混合物は加熱および精製プロセスを通過しました（図1a）。次に、PANSの色の変化に基づいて周囲の酸化還元状態の変化を測定し、光学特性を変換しました（図1b）。しかし、以前に発表された多くの報告では、さまざまな検知メカニズムを介した蛍光レシオメトリック法を使用してグルコースが検出されています[27、28、29]。私たちの知る限り、PAniの変換可能な光学特性を使用してグルコースを検出するための最新の研究は不十分でした。

a ポリアニリンナノかせ（PANS）の合成プロセス。 b PANSを使用したグルコース検知プロセス

材料と方法

資料

ポリアニリン（PAni）Mw〜5000、ベンジルエーテル（BE）、グルコースオキシダーゼ（GOx、Aspergillus Nigerから、145,200ユニット/ g）、およびD-（+）-グルコースはSigma-Aldrich（セントルイス、ミズーリ州、米国）。 N-メチル-2-ピロリドン（NMP）とエタノール（EtOH）は、韓国の大中から購入しました。ダルベッコのリン酸緩衝生理食塩水（DPBS）は韓国のウェルジーンから購入し、緩衝液（pH 4）は韓国のサムチュンから購入しました。他のすべての化学薬品と試薬は分析グレードのものでした。すべての合成プロセスに超高純度脱イオン水（DW）を使用しました。

ポリアニリンナノかせ（PANS）の合成

真っ白な製品の合成プロセスは次のとおりです。PAni（250 mg）をNMP（20 mL）に溶解し、次にBE（40 mL）を添加しました。混合物を200°Cで1時間予熱し、300°Cで30分間加熱しました。反応物を室温で3時間冷却しました。得られた溶液をEtOHで洗浄し、3000rpmで10分間遠心分離して沈殿剤を分離しました。次に、溶液をEtOHに再分散させた。次に、EtOHに溶解した溶液を、透析膜（MWCO：3,500 Spectra /Por®6、SPECTRUM®LABORATORIES、米国カリフォルニア州ランチョドミンゲス）を使用して24時間透析しました。透析後、溶液を15,000rpmで30分間遠心分離しました。沈殿剤を30mLのDWに再溶解しました。 PANSの最終濃度は8.33mg / mLと計算されました。

PANSの特性評価

ＰＡＮＳの形態は、透過型電子顕微鏡法（ＴＥＭ、ＪＥＭ－１０１１、日本電子株式会社）および走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ、ＪＳＭ－６７０１Ｆ、日本電子株式会社）イメージングで評価された。 X線光電子スペクトルは、K-alphaシステム（Thermo Fisher Scientific、米国マサチューセッツ州ウォルサム）を使用して記録されました。フーリエ変換赤外スペクトル（FT-IRスペクトル2、PerkinElmer、ウォルサム、マサチューセッツ州、米国）分析を実行して、合成されたPANSの特徴的なバンドを確認し、PANSのサイズ分布を動的光散乱（ELS-Z）によって分析しました。 、大塚エレクトロニクス、日本）メソッド。さらに、PANSの表面積と細孔容積は、Brunauer–Emmett–Tellerアナライザー（Autosorb-iQ 2ST / MP、Quantachrome Instruments、米国フロリダ州ボイトンビーチ）で測定し、PANSの重量量は熱重量測定で分析しました。アナライザー（SDT-Q600、TA機器、ニューキャッスル、デラウェア、米国）。さらに、PANSの吸光度は、UV-Vis分光光度計（Optizen 2120UV、MECASYS Co.、韓国）を使用して分析しました。

PANSを使用したグルコースセンシング

まず、DPBSを使用してGOxの濃度を15 mg / mLに調整し、グルコースをpH4の緩衝液で希釈しました。得られたグルコース濃度は、それぞれ40、20、10、5、および1 mg / mLに設定されました。次に、1 mLのPANS（1.67 mg / mL）を20μLのGOx（15 mg / mL）および80μLのグルコース（それぞれ40、20、10、5、および1 mg / mL）と混合しました。混合溶液中のグルコースの最終濃度は、それぞれ2.91、1.45、0.73、0.36、および0.07 mg / mLと計算されました。 GOxとグルコースを含むPANSの吸光度は、UV-Vis分光光度計を使用して分析しました。

結果と考察

PANSの形態は、図2に示すように、透過型電子顕微鏡（TEM）および走査型電子顕微鏡（SEM）画像によって確認されました。PANSは、階層構造を持つ球形を示しました。 PANSの合成プロセスでは、最初にPAniをNMPに溶解し、次にBEをPAni / NMP溶液に添加しました。 NMPとBEのPAniの溶解度の違いにより、PAniが混合物に抽出されたため、このプロセスは「抽出」プロセスと呼ばれました。抽出プロセス後、PAniは繊維状に見え、この形状は分子間により生成される可能性があります。 PAni分子間の近接性（図2の最初の行。追加ファイル1：図S1も参照）。その後、混合物を200°Cで1時間、300°Cで30分間連続して加熱しました（「加熱」プロセス）。 NMPの沸点は約203°Cであるため、PAniは加熱プロセス後にBEに存在していました。加熱工程後、PAniは抽出工程よりも核形成され、PANSの形状は丸みを帯びた。さらに、PANSの表面にしわが寄り始めましたが、多くのPANS粒子が凝集していました（図2の2行目、追加ファイル1：図S1も参照）。続いて、PANSを洗浄し、エタノール（EtOH）を使用して膨潤させました（図2の3行目、追加ファイル1：図S1も参照）。膨潤プロセスの後、EtOHがPAni分子の間に挿入されるため、分子間距離も増加します。したがって、PANSは個々の粒子に存在し、階層構造も持っていました。 PNASの処方の理想的な条件を確認するために、PAniの濃度も制御しました（追加ファイル1：図S2）。各合成プロセス（抽出、加熱、膨潤プロセス）でのPAniの供給量に応じたTEM画像分析も実施し、PAniの供給量を減らすと（50.0 mg / mLから12.5mg / mLに）、PANSはるかにまばらに処方されました。さらに、PANSの階層構造は、50 mg / mLのPAniの供給量で90°傾斜したSEM画像によって確実に確認されました（追加ファイル1：図S3）。 PANSの配合メカニズムの詳細な研究のために、PAniの溶解度試験を優先的に実施した（追加ファイル1：図S4）。 PAniは疎水性として知られており、NMPなどの水混和性極性非プロトン性溶媒に溶解しました[24]。 PAniをNMPに溶解すると、PAniの繊維状の形状が観察されました。一方、BEとEtOHのPAniは、NMPよりも凝集してサイズが大きかった。さらに、EtOH中のPAniは、各PAni分子とまばらに相互作用する可能性があります。吸光度スペクトルの測定値を使用したPAniの溶解度試験も実施しました。 EtOHは、EtOH、BE、および脱イオン水（DW）の中で最高の溶解度を示しました。裸のPAni分子はDWにほとんど溶解しませんでした。さらに、PAniの分子量（Mw）に応じて別の条件実験を実施しました（追加ファイル1：図S5）。 Mw 5 kDaの場合、PANSは他の条件（Mw 10kDaおよび50kDa）よりもかせのような構造を示しました。その他の場合、Mw 5 kDaなどのPAniは核形成しませんでした。この現象は、PAniのNMPとの溶解度の違いである可能性があります。言い換えれば、PAniのMwが増加すると、PAniはNMPに不溶性になる傾向があり、そのため、PAniはNMPにPAniナノファイバーとして存在しなくなります。その結果、十分なPAniナノファイバーが存在しなかったため、PANSのかせのような構造も形成されませんでした。これらの結果から、PANSの定式化は次のように仮定されます。（1）裸のPAniはDWにまったく溶解しません。 （2）PAniはNMPに最もよく溶けます。 （3）NMP中のPAniは、溶解度の差を介してBEを添加することによって抽出されました。 （4）NMPは、PAni /（NMPおよびBE）混合物からの加熱プロセスによって気化されました。 （5）得られた溶液をEtOHで洗浄し、EtOHをPAni分子の間に挿入します。 （6）PANS粒子は、DWで膨潤し、十分に分散しています。

透過型電子顕微鏡（TEM、左）および走査型電子顕微鏡（SEM、右）イメージングによるPANSの形態。アルファベット文字は、PANSの順次合成プロセスを表します。 （E）：BEで反応物を抽出し、（H）：反応物を200°Cと300°Cで順次加熱し、（S）：EtOHを使用して反応物を膨潤させます。 （X）：処理なしであることに注意してください。スケールバーは500nm

PANSの特性を研究するために、まず、高分解能TEM（HRTEM）画像解析を実施しました（図3a）。 PANSは、多くのPAniナノファイバーで構成された毛糸のボールの形態を持っていました。 PANSの分子構造を検証するために、裸のPAni（bPAni）とPANSのX線光電子分光法（XPS）分析を実施しました（図3bおよび追加ファイル1：図S6も参照）。 C1sコアレベルスペクトルは、286.7 eV（1）でC =O / C–O、285.8 eV（2）でC =N + / C–Cl、285.0eVでCN / C =N（2）の4つのピークでデコンボリューションできます。 3）、および284.4 eVでのC–C / C–H（4）。 C1のデコンボリューションは、Golczak etalによって以前に報告されたデータに基づいていました。 [30]。特に、（3）と（4）の分布の変化は顕著であり、これらの結果は、PANSにおいて窒素部分が増加したことを意味します。この現象は、PANS構造にNMPが存在することに起因する可能性があり、このNMP分子は、PANSの処方のためのPAni分子間の相互作用に影響を与えます。 PANSの分子構造をさらに調査するために、bPAniおよびPANSのフーリエ変換赤外（FTIR）スペクトルも分析しました（図3cおよび追加ファイル1：図S7も参照）。 1290 cm ^-1 のピーク （芳香族C–N伸縮）、1490 cm ^-1 （ベンゼノイド環のC =CおよびC =N伸縮）、および1590 cm ^-1 （キノイド環のC =CおよびC =N伸縮）は、bPAniおよびPANSの両方の場合で確認されました。 1670 cm ^-1 でのPANSの特定のピーク （図3cのアスタリスク）はNMPの第三級アミンに起因する可能性があり、このピークはNMPのFTIRスペクトルでも観察されました（追加ファイル1：図S7）。 bPAniとPANSの熱重量分析（TGA）の結果から、PANSはPAniだけでなく他の分子でも構成されていることがわかります（図3d）。 bPAniの劣化は約350°Cで観察されました。ただし、PANSの劣化点は約200°Cで観察されました。これはNMPの沸点と一致します。 XPSからTGAの結果まで、図3b–dは、PANSが純粋なPAniで構成されているだけでなく、PAniやNMPなどの他の有機化合物でも構成されていることを示しています。さらに、PANSの表面積と細孔容積はBrunauer–Emmett–Teller（BET）分析によって決定され（図3e）、PANSは9.486±0.728m ² でした。 / gの表面積と0.044±0.004cm ³ / gの細孔容積。 （c.f.6.358±0.682m ² / gの表面積と0.019±0.001cm ³ それぞれ、bPAniの細孔容積の/ g。）これらの結果は、PANSが裸のPAniよりも高い表面積対体積比でより多孔性であることを意味します。 PANSの流体力学的直径の分布は、水溶液中で799±85 nmを示しました（図3f）。図3のこれらの結果は、PANSが階層構造を持つ有機化合物（PAniおよびNMP）のみで構成されていることを示しています。

a PANSの高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）画像。スケールバーは100nmで、挿入図は高倍率の画像です。 b 裸のポリアニリン（bPAni）（上）とPANS（下）のXPSC1sスペクトル。 1：C =O / C–O、2：C–N ⁺ / C =N ⁺ 、3：C–N / C =N、4：C–C / C–H。 c bPAni（上）とPANS（下）のFTIRスペクトル。アスタリスクは、テキストでより詳細に説明されている興味深いピークを表します。 d bPAni（上）とPANS（下）の熱重量分析（TGA）。 e Brunauer–Emmett–Teller（BET）分析を使用した、bPAniおよびPANSの表面積（棒）および細孔容積（線および散布図）。 f 動的光散乱（DLS）法によるPANSのサイズ分布

変換可能な光学プローブとしてのPANSの可能性を調査するために、PANSの色の変化を吸光度スペクトルを使用して分析しました。ナノ粒子、フィルム、シートなどのPAni構造の吸光度特性の変化は、そのドーピング/デドーピング状態の変化としてよく知られています。 PAniのドーピング/脱ドーピング状態は、強酸、ルイス酸、遷移金属、アルカリイオンなどのさまざまなドーパントによって調整できます[31、32]。 PANSは、周囲のpH値の変化に応じて、これらの特性も示しました（図4）。低pHレベル（λ ₆₈₀ / λ ₄₈₀ ）は、PANSのEB状態とES状態のピークの代表的な波長位置でそれぞれ計算されました（図4c）。 pH値が10から4に減少すると、吸光度比はほぼ1.06に維持され、4から1のpH値ではほぼ0.88に劇的に減少しました。これらの結果は、PANSのスペクトル変化を使用しての特定の変化を評価できることを示しています。周囲の環境の変化による酸化還元状態。

a 写真、 b 吸光度スペクトル、および c 示されたpH条件でのPANS溶液のEB（680 nm）およびES（480 nm）状態の代表的な波長の吸光度比

周囲の環境の変化からの酸化還元状態の特定の変化に対するPANSの検知能力を調査するために、グルコースとGOxが代表的な候補として選択されました。グルコースの濃度を0.00から2.91mg / mLに上げると、PANS溶液の色が青から緑に変わりました（図5a）。 PANSの吸光度スペクトルも分析しましたが（図5b）、スペクトルの形状変化は、図4に示すようにpH変化を伴う実験よりも小さかった。この現象は次の式で説明できます。

式で。 （1）、グルコースはGOxによって酸化され、グルコン酸と過酸化水素を生成します。さらに、式に示すように。 （2）、得られた過酸化水素は、EB状態のPANSをES状態に還元します。ただし、吸光度比（λ）の値 ₆₈₀ / λ ₄₈₀ ）は0.98から0.86の間に形成され、この結果はPANSが中間状態（λ）に存在することを示しています。 ₆₈₀ / λ ₄₈₀ =0.98）およびES状態（λ ₆₈₀ / λ ₄₈₀ =0.86）図5cに示すように。グルコースとGOxの間の反応は代表的な酸化還元反応であり、この反応は過酸化水素を生成して水素イオンと電子を生成することでよく知られています。これらの結果は、PANSに水素イオンと電子をドープできることを示しています。その結果、ベンゼノイド環のπ–π *遷移が、480nmでのショルダーの形成による吸光度スペクトルで観察されます。まとめると、この結果は、PANSを使用してグルコースなどの酵素を検出できることを示しています。 PANSは、他の酵素の活性を検出し、生体系内の酸化還元活性を確認するためにも使用できると考えられています。

a 写真、 b 吸光度スペクトル、および c 示されたグルコース濃度のPANS溶液のEB（680 nm）およびES（480 nm）状態の代表的な波長の吸光度比

結論

要約すると、PAni繊維からなるかせ型PANSの配合が達成され、配合メカニズムも提案された。 PANSの合成プロセスには、抽出、加熱、膨潤の各プロセスが含まれます。PANSの組成は分析されており、有機材料のみで構成されています。さらに、周囲の酸化還元状態の変化を感知するための変換可能な光学プローブとしてのPANSの可能性は、pH値の変化とグルコースとGOxの組み合わせによって確認されました。本研究は、周囲の酸化還元状態の変化を感知するための新しいクラスの3D形状のナノ構造とナノバイオセンサーの合成に光を当てます。

データと資料の可用性

この調査中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された記事に含まれています。