Nanoskein Polianilin: Sintesis Inovatif, Karakterisasi Komprehensif, dan Sensor Redoks Canggih

Abstrak

Nanoskein polianilin (PANS), yang memiliki nanofibre polianilin, dikembangkan. PANS diformulasikan melalui proses ekstraksi, pemanasan, dan pembengkakan berturut-turut. Komposisi PANS telah dianalisis menggunakan spektroskopi fotoelektron sinar X, spektroskopi inframerah transformasi Fourier, analisis termogravimetri, dan analisis Brunauer–Emmett–Teller, dan hasilnya menunjukkan bahwa PANS terdiri sepenuhnya dari bahan organik. Selain itu, PANS telah ditunjukkan memiliki karakteristik absorbansi yang dapat diubah sesuai lingkungan asam sekitar, dan menggunakan karakteristik ini, kemungkinan PANS untuk sensing perubahan status redoks lingkungan disajikan.

Pendahuluan

Struktur anorganik berbentuk bunga telah digunakan untuk berbagai aplikasi seperti katalisis [1, 2], biosensor [3, 4], dan agen theranostik [5]. Ada beberapa strategi sintesis untuk menghasilkan struktur kompleks ini. Sintesis menggunakan template adalah pendekatan pertama, misalnya, liposome telah digunakan sebagai template lunak untuk membimbing pembentukan lembar Pt dendritik [6, 7]. Pendekatan kedua didasarkan pada fenomena penetapan terorientasi nanopartikel primer saat permukaan dengan susunan atom yang sama mendekati satu sama lain. Sintesis nanopartikel PtRu dendritik membentuk nanopartikel primer PtRu bersisi, yang didasarkan pada prinsip ini [8]. Pendekatan ketiga bergantung pada penggunaan agen capping atau surfaktan tertentu untuk menginduksi pertumbuhan aniotropis bahan anorganik. Sintesis multi-pod Pt dan Au dalam kehadiran poli(vinylpirrolidon) atau bromida setiltrimetilamonium adalah contohnya [9, 10]. Selain itu, setelah pendekatan pertama oleh Ge et al. [2], struktur bunga hibrida organik–anorganik telah secara intensif diteliti. Dalam proses sintesis untuk struktur bunga hibrida, kombinasi berbagai protein (misalnya, enzim [11] dan DNA [12]) dan ion logam (misalnya, Cu [13], Ca [14, 15], dan Mn [16]) telah digunakan. Dalam beberapa tahun terakhir, ada studi yang sintesis struktur bunga didasarkan pada polianilin (PAni) menggunakan doping asam kuat [17] dan nanofibre polyuretan [18]. Selain itu, ada beberapa laporan tentang struktur bunga yang terdiri dari bahan organik, seperti materi karbon terdot nitrogen [19, 20] dan poliakrilonitril [21].

Dalam studi ini, kami melaporkan metode untuk formulasi struktur bunga organik, yang sebagian besar terdiri dari PAni, dan properti materialnya. PAni, yang merupakan polimer konduktif representatif, digunakan sebagai komponen organik dalam studi ini. PAni dikenal karena properti optik yang dapat diubah karena proses doping/dedoping atau oksidasi/reduksi yang uniknya [22]. Menggunakan fenomena ini, kelompok penelitian kami telah melaporkan bahwa struktur nano yang dimediatkan PAni dapat digunakan sebagai agen foto-termal [23] dan sensor sonda redoks [24, 25] untuk aplikasi biomedis. Khususnya, jarak band elektronik untuk PAni dapat dikontrol oleh status doping/dedoping [26]. Perbedaan antara status doping dan dedoping mempengaruhi perubahan spektrum optik PAni pada rentang visibel [24]. Status doping dan dedoping PAni ini dapat disesuaikan dengan berbagai dopan, seperti asam kuat, asam Lewis, logam transisi, dan ion alkali [23].

Kami menyebut partikel PAni berbentuk bunga sebagai PAni nanoskein (PANS) karena bentuk PANS terlihat seperti bola benang, yang terdiri dari nanofibre PAni. Selain itu, PAni yang disintesis tampaknya secara intrinsik membentuk struktur molekuler fibrilar dan linier seperti benang. PANS disintesis ketika kami menambahkan eter benzil (BE) ke dalam larutan N-metil-2-pirrolidon (NMP) yang mengandung PAni, dan campuran ini dilewatkan melalui proses pemanasan dan pemurnian (Gambar 1a). Kemudian, perubahan status redoks lingkungan diukur berdasarkan perubahan warna PANS, di mana properti optik dikonversi (Gambar 1b). Namun, banyak laporan yang telah dipublikasikan sebelumnya telah mendeteksi glukosa menggunakan metode rasio fluoresensi melalui berbagai mekanisme sensing [27,28,29]. Sejauh kami tahu, penelitian terkini untuk deteksi glukosa menggunakan properti optik yang dapat diubah dari PAni masih kurang.

Bahan dan Metode

Bahan

Polianilin (PAni) Mw ~ 5000, eter benzil (BE), glukosa oksidase (GOx, dari Aspergillus Niger, 145.200 unit/g), dan D-( +)-glukosa dibeli dari Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, AS). N-Metil-2-Pirrolidon (NMP) dan etanol (EtOH) dibeli dari Dae-jung, Korea. Dulbecco’s phosphate-buffered saline (DPBS) dibeli dari Welgene, Korea, dan larutan penyangga (pH 4) dibeli dari Samchun, Korea. Semua bahan kimia dan reagen lainnya adalah grade analitis. Air deionis ultrapurno (DW) digunakan untuk semua proses sintesis.

Sintesis Nanoskein Polianilin (PANS)

Proses sintesis produk yang sempurna adalah sebagai berikut: PAni (250 mg) dilarutkan dalam NMP (20 mL), dan kemudian, BE (40 mL) ditambahkan. Campuran dipanaskan terlebih dahulu ke 200 °C selama 1 jam dan dipanaskan ke 300 °C selama 30 menit. Reaktan didinginkan pada suhu kamar selama 3 jam. Larutan yang dihasilkan dicuci dengan EtOH dan hasil presipitasi dipisahkan dengan sentrifugasi pada 3000 rpm selama 10 menit. Kemudian, larutan didispersi ulang dalam EtOH. Selanjutnya, larutan yang larut dalam EtOH dialisis menggunakan membran dialisis (MWCO: 3.500 Spectra/Por® 6, SPECTRUM® LABORATORIES, Rancho Dominguez, CA, AS) selama 24 jam. Setelah dialisis, larutan diisentrifugasi pada 15.000 rpm selama 30 menit. Hasil presipitasi dilarutkan ulang dalam 30 mL DW. Konsentrasi akhir PANS dihitung sebesar 8,33 mg/mL.

Karakterisasi PANS

Morfologi PANS dievaluasi dengan citra mikroskop elektron transmisi (TEM, JEM-1011, JEOL Ltd, Jepang) dan mikroskop elektron pemindai (SEM, JSM-6701F, JEOL Ltd, Jepang). Spektra fotoelektron sinar X direkam menggunakan sistem K-alpha (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, AS). Analisis spektra inframerah transformasi Fourier (FT-IR Spectrum Two, PerkinElmer, Waltham, MA, AS) dilakukan untuk mengonfirmasi band karakteristik PANS yang disintesis, dan distribusi ukuran PANS dianalisis dengan metode pencaharan cahaya dinamis (ELS-Z, Otsuka electronics, Jepang). Selain itu, luas permukaan dan volume pori PANS diukur dengan analyzer Brunauer–Emmett–Teller (Autosorb-iQ 2ST/MP, Quantachrome Instruments, Boyton Beach, FL, AS), dan jumlah berat PANS dianalisis dengan analyzer termogravimetri (SDT-Q600, TA instrument, New Castle, DE, AS). Selain itu, absorbansi PANS dianalisis menggunakan spektrofotometer UV–Vis (Optizen 2120UV, MECASYS Co., Korea).

Sensing Glukosa Menggunakan PANS

Pertama, konsentrasi GOx disesuaikan menjadi 15 mg/mL menggunakan DPBS, dan glukosa dilarutkan dengan larutan penyangga pH 4. Konsentrasi glukosa yang dihasilkan diatur pada 40, 20, 10, 5, dan 1 mg/mL, masing-masing. Kemudian, 1 mL PANS (1,67 mg/mL) dicampur dengan 20 μL GOx (15 mg/mL) dan 80 μL glukosa (40, 20, 10, 5, dan 1 mg/mL, masing-masing). Konsentrasi akhir glukosa dalam larutan campuran dihitung sebagai 2,91, 1,45, 0,73, 0,36, dan 0,07 mg/mL, masing-masing. Absorbansi PANS dengan GOx dan glukosa dianalisis menggunakan spektrofotometer UV–Vis.

Hasil dan Pembahasan

Morfologi PANS dikonfirmasi oleh citra mikroskop elektron transmisi (TEM) dan mikroskop elektron pemindai (SEM) seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2. PANS menunjukkan bentuk bola dengan struktur hierarkis. Dalam proses sintesis PANS, pertama, PAni dilarutkan ke dalam NMP, dan kemudian, BE ditambahkan ke dalam larutan PAni/NMP. Karena perbedaan kelelahan PAni antara NMP dan BE, PAni diekstrak ke dalam campuran, jadi proses ini disebut sebagai proses ‘ekstraksi’. Setelah proses ekstraksi, PAni tampak berbentuk fibrilar, dan bentuk ini mungkin dihasilkan karena kedekatan antar molekuler antara molekul PAni (baris pertama dalam Gambar 2 dan lihat juga Berkas Tambahan 1: Gambar S1). Setelah itu, campuran dipanaskan secara berturut-turut pada 200 °C selama satu jam dan 300 °C selama 30 menit (‘proses pemanasan’). NMP memiliki titik didih sekitar 203 °C, jadi PAni ada dalam BE setelah proses pemanasan. Setelah proses pemanasan, PAni lebih banyak bermunculan dibandingkan dengan proses ekstraksi, dan bentuk PANS menjadi bulat. Selain itu, permukaan PANS mulai keriput, tetapi banyak partikel PANS teragregasi (baris kedua dalam Gambar 2 dan lihat juga Berkas Tambahan 1: Gambar S1). Selanjutnya, PANS dicuci dan dibengkokkan menggunakan etanol (EtOH) (baris ketiga dalam Gambar 2 dan lihat juga Berkas Tambahan 1: Gambar S1). Setelah proses pembengkakan, EtOH akan dimasukkan di antara molekul PAni, jadi jarak antar molekuler juga akan meningkat. Akibatnya, PANS ada sebagai partikel individual dan juga memiliki struktur hierarkis. Untuk mengonfirmasi kondisi ideal formulasi PANS, konsentrasi PAni juga dikontrol (Berkas Tambahan 1: Gambar S2). Analisis citra TEM sesuai dengan jumlah pakan PAni pada setiap proses sintesis (yaitu, proses ekstraksi, pemanasan, dan pembengkakan) juga dilakukan, dan seiring berkurangnya jumlah pakan PAni (dari 50,0 mg/mL hingga 12,5 mg/mL), PANS diformulasikan dengan lebih langka. Selain itu, struktur hierarkis PANS pasti dikonfirmasi melalui citra SEM dengan kemiringan 90° pada jumlah pakan PAni 50 mg/mL (Berkas Tambahan 1: Gambar S3). Untuk studi mendetail tentang mekanisme formulasi PANS, uji kelelahan PAni dilakukan secara prioritas (Berkas Tambahan 1: Gambar S4). PAni dikenal sebagai hidrofobik dan larut dalam pelarut aprotik polar yang bercampur dengan air seperti NMP [24]. Bentuk fibrilar PAni diamati ketika PAni dilarutkan dalam NMP. Di sisi lain, PAni dalam BE dan EtOH lebih teragregasi dan ukurannya lebih besar dibandingkan dalam NMP; selain itu, PAni dalam EtOH mungkin berinteraksi langka satu sama lain dengan molekul PAni. Uji kelelahan PAni menggunakan pengukuran spektrum absorbansi juga dilakukan; EtOH menunjukkan kelelahan terbaik di antara EtOH, BE, dan air deionis (DW). Molekul PAni asli hampir tidak larut dalam DW. Selain itu, eksperimen kondisi lain dilakukan sesuai dengan bobot molekul (Mw) PAni (Berkas Tambahan 1: Gambar S5). Dalam kasus Mw 5 kDa, PANS menunjukkan struktur lebih mirip skein dibandingkan dengan kondisi lainnya (yaitu, Mw 10 kDa dan 50 kDa). Dalam kasus lain, PAni tidak bermunculan seperti Mw 5 kDa, dan fenomena ini mungkin disebabkan oleh perbedaan kelelahan ke NMP untuk PAni. Dengan kata lain, seiring bertambahnya Mw PAni, PAni cenderung tidak larut dalam NMP, dan akibatnya, PAni tidak akan ada sebagai nanofibre PAni dalam NMP. Akibatnya, tidak cukup banyak nanofibre PAni yang ada, jadi struktur mirip skein PANS juga tidak akan diformulasikan. Dari hasil ini, formulasi PANS diasumsikan sebagai berikut: (1) PAni asli sama sekali tidak larut dalam DW; (2) PAni memiliki kelelahan terbaik dalam NMP; (3) PAni dalam NMP diekstrak dengan penambahan BE melalui perbedaan kelelahan; (4) NMP diapaikan oleh proses pemanasan dari campuran PAni/(NMP dan BE); (5) larutan yang dihasilkan dicuci dengan EtOH, dan EtOH dimasukkan di antara molekul PAni; (6) partikel PANS membengkak dan terdistribusi dengan baik dalam DW.

Untuk mempelajari karakteristik PANS, pertama-tama, analisis citra mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) dilakukan (Gambar 3a). PANS memiliki morfologi bola benang, yang terdiri dari banyak nanofibre PAni. Untuk memverifikasi struktur molekuler PANS, analisis spektroskopi fotoelektron sinar X (XPS) untuk PAni asli (bPAni) dan PANS dilakukan (Gambar 3b dan lihat juga Berkas Tambahan 1: Gambar S6). Spektra level inti C1s dapat didekonvolusi menjadi empat puncak: C=O/C–O pada 286,7 eV (1), C=N ⁺/C–Cl pada 285,8 eV (2), C-N/C=N pada 285,0 eV (3), dan C–C/C–H pada 284,4 eV (4), masing-masing. Didekonvolusinya C1s didasarkan pada data yang dilaporkan sebelumnya oleh Golczak et al. [30]. Khususnya, perubahan distribusi untuk (3) dan (4) sangat mencolok, dan hasil ini berarti bahwa bagian nitrogen meningkat dalam PANS. Fenomena ini dapat disebabkan oleh keberadaan NMP dalam struktur PANS, dan molekul NMP ini mempengaruhi interaksi antara molekul PAni untuk formulasi PANS. Untuk menyelidiki lebih lanjut struktur molekuler PANS, spektral inframerah transformasi Fourier (FTIR) untuk bPAni dan PANS juga dianalisis (Gambar 3c dan lihat juga Berkas Tambahan 1: Gambar S7). Puncak pada 1290 cm⁻¹ (C–N aromatik stretch), 1490 cm⁻¹ (C=C dan C=N stretch cincin benzenoid), dan 1590 cm⁻¹ (C=C dan C=N stretch cincin quinonoid) dikonfirmasi dalam kedua kasus untuk bPAni dan PANS. Puncak spesifik PANS pada 1670 cm⁻¹ (asterisk dalam Gambar 3c) mungkin disebabkan oleh amina tersier dalam NMP, dan puncak ini juga diamati dalam spektrum FTIR NMP (Berkas Tambahan 1: Gambar S7). Hasil analisis termogravimetri (TGA) bPAni dan PANS menunjukkan bahwa PANS terdiri tidak hanya dari PAni tetapi juga dari molekul lain (Gambar 3d). Degradasi bPAni diamati pada sekitar 350 °C; namun, titik degradasi PANS diamati pada sekitar 200 °C, yang coinciding dengan titik didih NMP. Dari XPS hingga hasil TGA, Gambar 3b–d mengungkapkan bahwa PANS tidak hanya terdiri dari PAni murni, tetapi juga terdiri dari PAni dan senyawa organik lain seperti NMP. Selain itu, luas permukaan dan volume pori PANS ditentukan oleh analisis Brunauer–Emmett–Teller (BET) (Gambar 3e), dan PANS memiliki luas permukaan 9,486 ± 0,728 m²/g dan volume pori 0,044 ± 0,004 cm³/g. (c.f. 6,358 ± 0,682 m²/g luas permukaan dan 0,019 ± 0,001 cm³/g volume pori untuk bPAni, masing-masing.) Hasil ini berarti bahwa PANS lebih poros dengan rasio luas permukaan-volume yang tinggi daripada PAni asli. Distribusi diameter hidrodinamik PANS menunjukkan 799 ± 85 nm dalam larutan air (Gambar 3f). Hasil ini dalam Gambar 3 menunjukkan bahwa PANS terdiri sepenuhnya dari senyawa organik (PAni dan NMP) dengan struktur hierarkis.

Untuk menyelidiki kemungkinan PANS sebagai sonda optik yang dapat diubah, perubahan warna PANS dianalisis menggunakan spektrum absorbansi. Perubahan properti absorbansi struktur PAni, seperti nanopartikel, film, dan lembar dikenal sebagai bervariasinya status doping/dedoping. Status doping/dedoping PAni dapat disesuaikan dengan berbagai dopan, seperti asam kuat, asam Lewis, logam transisi, dan ion alkali [31, 32]. PANS juga menunjukkan properti tersebut sesuai dengan perubahan nilai pH lingkungan (Gambar 4). Pada tingkat pH rendah (< pH 2), PANS bertransisi ke keadaan emeraldine salt (ES, warna hijau), seperti yang ditunjukkan oleh kehadiran transisi π–π* cincin benzenoid serta puncak band polaran pada sekitar 480 dan 800–900 nm, masing-masing [33]. Seiring bertambahnya nilai pH, puncak pada 480 dan 800–900 nm secara bertahap berkurang dalam absorbansi, dan puncak absorbansi kuat pada sekitar 680 nm diamati. Puncak absorbansi pada 680 nm disebabkan oleh eksitasi dari orbital molekuler tertinggi yang terisi dari bagian cincin benzenoid tiga cincin PAni ke orbital molekuler terendah yang tidak terisi dari cincin quinonoid terlokalisir dan dua nitrogen imin di sekitarnya dalam keadaan emeraldine base (EB) PAni [34]. Untuk membedakan lebih akurat antara keadaan ES dan EB PANS, rasio absorbansi (λ₆₈₀/λ₄₈₀) dihitung pada posisi panjang gelombang representatif puncak pada keadaan EB dan ES PANS, masing-masing (Gambar 4c). Seiring berkurangnya nilai pH dari 10 ke 4, rasio absorbansi tetap hampir 1,06, dan itu berkurang secara dramatis menjadi hampir 0,88 pada nilai pH dari 4 ke 1. Hasil ini menunjukkan bahwa perubahan spektral PANS dapat digunakan untuk mengevaluasi perubahan status redoks yang spesifik oleh perubahan lingkungan sekitar.

Untuk menyelidiki kemampuan sensing PANS untuk perubahan status redoks spesifik dari perubahan lingkungan sekitar, glukosa dan GOx dipilih sebagai kandidat representatif. Seiring bertambahnya konsentrasi glukosa dari 0,00 hingga 2,91 mg/mL, warna larutan PANS berubah dari biru menjadi hijau (Gambar 5a). Spektra absorbansi PANS juga dianalisis (Gambar 5b), tetapi perubahan bentuk dalam spektrum lebih kecil dibandingkan dengan eksperimen dengan perubahan pH seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4. Fenomena ini dapat dijelaskan oleh persamaan berikut:

$${\text{Glukosa}} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} + {\text{O}}_{2} \mathop{\longrightarrow}\limits^{{\text{GOx}}}{\text{Gluconic}}\,{\text{acid}} + {\text{H}}_{2} {\text{O}}_{2}$$ (1) $${\text{H}}_{2} {\text{O}}_{2} + {\text{PANS}}\,({\text{EB}}) \to 2{\text{e}}^{ - } + {\text{O}}_{2} + {\text{PANS}}\,({\text{ES}})$$ (2)

Dalam Eq. (1), glukosa dioksidasi oleh GOx, menghasilkan asam gluconik dan peroksida hidrogen. Selain itu, seperti yang ditunjukkan dalam Eq. (2), peroksida hidrogen yang dihasilkan mengurangi PANS dalam keadaan EB menjadi keadaan ES. Namun, nilai rasio absorbansi (λ₆₈₀/λ₄₈₀) terbentuk antara 0,98 dan 0,86, dan hasil ini menunjukkan bahwa PANS berada pada keadaan perantara (λ₆₈₀/λ₄₈₀ = 0,98) dan keadaan ES (λ₆₈₀/λ₄₈₀ = 0,86) seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5c. Reaksi antara glukosa dan GOx adalah reaksi redoks representatif, dan reaksi ini dikenal untuk menghasilkan peroksida hidrogen, menghasilkan ion hidrogen dan elektron. Hasil ini menunjukkan bahwa PANS dapat didoping dengan ion hidrogen dan elektron. Akibatnya, transisi π–π* cincin benzenoid diamati dalam spektrum absorbansi melalui pembentukan bahu pada 480 nm. Secara kolektif, hasil ini menunjukkan bahwa PANS dapat digunakan untuk mendeteksi enzim seperti glukosa. Diperkirakan bahwa PANS juga dapat digunakan untuk mendeteksi aktivitas enzim lain dan untuk mengonfirmasi aktivitas redoks dalam sistem biologis.

Kesimpulan

Secara ringkas, formulasi PANS berbentuk skein, yang terdiri dari serat PAni, telah dicapai, dan mekanisme formulasi juga telah diusulkan. Proses sintesis PANS berisi proses ekstraksi, pemanasan, dan pembengkakan berturut-turut. Komposisi PANS telah dianalisis, yang terdiri sepenuhnya dari bahan organik. Selain itu, kemungkinan PANS sebagai sonda optik yang dapat diubah untuk sensing perubahan status redoks lingkungan telah dikonfirmasi melalui perubahan nilai pH dan kombinasi glukosa dan GOx. Studi ini memberikan wawasan tentang sintesis kelas baru struktur nano berbentuk 3D serta nanosensor biologis untuk sensing perubahan status redoks lingkungan.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama penelitian ini termasuk dalam artikel yang dipublikasikan ini.