폴리아닐린 나노스케인: 혁신적 합성, 종합적 특성 분석, 고도 산화환원 센싱

요약

폴리아닐린 나노스케인(PANS)을 개발했습니다. PANS는 폴리아닐린 나노파이버로 구성됩니다. PANS는 순차적 추출, 가열, 팽윤 공정으로 제조됐습니다. PANS 조성은 X선 광전자 분광법, 푸리에 변환 적외선 분광법, 열중량 분석, 브루나우어-에멧-텔러 분석으로 분석했으며, 결과는 PANS가 순수 유기 물질로만 구성됨을 나타냅니다. 또한 PANS는 주변 산성 환경에 따라 전환 가능한 흡광 특성을 보이며, 이 특성을 이용해 주변 산화환원 상태 변화 센싱 가능성을 제시했습니다.

서론

꽃모양 무기 구조가 촉매[1, 2], 바이오센서[3, 4], 테라그노스틱 에이전트[5] 등 다양한 응용에 쓰여왔습니다. 이러한 복합 구조 생성 합성 전략이 몇 가지 있습니다. 첫째는 템플릿 이용법으로, 리포솜을 소프트 템플릿으로 써 수상 Pt 시트 형성 유도 예가 있습니다[6, 7]. 둘째는 유사 원자 배열 표면 접근 시 1차 나노입자 지향적 부착 현상 기반입니다. PtRu 수상 나노입자 합성이 이 원리 기반[8]. 셋째는 특정 캡핑 에이전트나 계면활성제 이용해 무기 물질 이방성 성장 유도법입니다. 폴리비닐피롤리돈이나 세틸트리메틸암모늄 브로마이드 존재 하 Pt, Au 다중팟 합성 예[9, 10]. Ge 등[2] 첫 접근 후 유무기 하이브리드 꽃모양 구조 집중 연구됐습니다. 하이브리드 꽃모양 구조 합성에서 다양한 단백질(효소[11], DNA[12])과 금속 이온(Cu[13], Ca[14, 15], Mn[16]) 조합 사용됐습니다. 최근 폴리아닐린(PAni) 강산 도핑[17], 폴리우레탄 나노파이버[18] 기반 꽃모양 구조 합성 연구도 있습니다. 유기 물질 구성 꽃모양 구조 보고도 여러 건 있습니다(질소 도핑 탄소 물질[19, 20], 폴리아크릴로니트릴[21]).

본 연구에서는 주로 PAni로 구성된 유기 꽃모양 구조 제조법과 물성 보고합니다. 대표적 전도성 고분자 PAni를 유기 성분으로 사용. PAni는 독특한 도핑/디도핑 또는 산화/환원 공정으로 전환 가능한 광학 특성 유명[22]. 이 현상 이용해 우리 연구그룹은 PAni 매개 나노구조가 광열 에이전트[23], 산화환원 센싱 프로브[24, 25]로 생의학 응용 가능 보고. 특히 PAni 전자 밴드갭이 도핑/디도핑 상태 조절 가능[26]. 도핑/디도핑 상태 차이가 가시광 영역 PAni 광학 스펙트럼 변화 영향[24]. PAni 도핑/디도핑 상태는 강산, 루이스 산, 전이 금속, 알칼리 이온 등 다양한 도펀트로 조절 가능[23].

PAni 나노파이버로 구성된 꽃모양 PAni 입자를 실뭉치 같다 해 폴리아닐린 나노스케인(PANS) 명명. 또한 합성된 PAni가 본질적으로 섬유상 선형 분자 구조(실) 형성하는 듯 보입니다. PAni 함유 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 용액에 벤질 에테르(BE) 첨가 후 가열 및 정제 공정 거치면 PANS 합성(그림 1a). 이후 PANS 색 변화 기반 주변 산화환원 상태 변화 측정, 광학 특성 전환(그림 1b). 하지만 기존 다수 보고가 다양한 센싱 메커니즘 통해 형광 비율법으로 포도당 검출[27-29]. 아는 한 PAni 전환 가능 광학 특성 이용 포도당 검출 최신 연구 부족.

재료 및 방법

재료

폴리아닐린(PAni) Mw ~5000, 벤질 에테르(BE), 포도당 산화효소(GOx, Aspergillus Niger, 145,200 units/g), D-(+)-포도당 Sigma-Aldrich(St. Louis, MO, USA) 구매. N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 에탄올(EtOH) Dae-jung, Korea 구매. 둘베코 인산염 완충 식염수(DPBS) Welgene, Korea, 완충 용액(pH 4) Samchun, Korea 구매. 기타 시약 분석급. 초순수 탈수(DW) 모든 합성 공정 사용.

폴리아닐린 나노스케인(PANS) 합성

순수 제품 합성 공정: PAni 250mg을 NMP 20mL에 용해, BE 40mL 첨가. 혼합물 200°C 1시간 예열 후 300°C 30분 가열. 반응물 실온 3시간 냉각. 결과 용액 EtOH 세척 후 3000rpm 10분 원심분리 침전물 분리. 용액 EtOH 재분산. EtOH 용해액 투석막(MWCO: 3,500 Spectra/Por® 6, SPECTRUM® LABORATORIES, Rancho Dominguez, CA, USA) 24시간 투석. 투석 후 15,000rpm 30분 원심분리. 침전물 30mL DW 재용해. 최종 PANS 농도 8.33mg/mL 계산.

PANS 특성 분석

PANS 형태 투과전자현미경(TEM, JEM-1011, JEOL Ltd, Japan), 주사전자현미경(SEM, JSM-6701F, JEOL Ltd, Japan) 이미징 평가. X선 광전자 스펙트럼 K-알파 시스템(Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA) 기록. 푸리에 변환 적외선 스펙트럼(FT-IR Spectrum Two, PerkinElmer, Waltham, MA, USA) 분석으로 합성 PANS 특성 피크 확인. PANS 크기 분포 동적 빛 산란(ELS-Z, Otsuka electronics, Japan) 법 분석. PANS 표면적과 기공 부피 브루나우어-에멧-텔러 분석기(Autosorb-iQ 2ST/MP, Quantachrome Instruments, Boyton Beach, FL, USA) 측정. PANS 중량 열중량 분석기(SDT-Q600, TA instrument, New Castle, DE, USA) 분석. PANS 흡광도 UV-Vis 분광광도계(Optizen 2120UV, MECASYS Co., Korea) 분석.

PANS 이용 포도당 센싱

먼저 GOx 농도 DPBS로 15mg/mL 조절, 포도당 pH 4 완충 용액 희석. 결과 포도당 농도 각각 40, 20, 10, 5, 1mg/mL 설정. PANS 1mL(1.67mg/mL)에 GOx 20μL(15mg/mL), 포도당 80μL(각각 40, 20, 10, 5, 1mg/mL) 혼합. 혼합 용액 최종 포도당 농도 각각 2.91, 1.45, 0.73, 0.36, 0.07mg/mL 계산. PANS+GOx+포도당 흡광도 UV-Vis 분광광도계 분석.

결과 및 논의

PANS 형태 TEM, SEM 이미지로 확인(그림 2). PANS 계층 구조 가진 구형 모양. PANS 합성 공정에서 먼저 PAni NMP 용해, BE 첨가. NMP와 BE 간 PAni 용해도 차이로 PAni 혼합물로 추출돼 '추출' 공정이라 부름. 추출 공정 후 PAni 섬유상 모양 나타남, PAni 분자 간 분자간 근접성 때문일 수 있음(그림 2 첫 행, Additional file 1: Fig. S1 참조). 이후 혼합물 200°C 1시간, 300°C 30분 순차 가열('가열' 공정). NMP 비점 ~203°C라 가열 후 PAni BE 존재. 가열 후 PAni 추출 공정보다 더 핵형성돼 PANS 모양 둥글어짐. 표면 주름 시작되나 많은 PANS 입자 응집(그림 2 둘째 행, Fig. S1 참조). 이후 에탄올(EtOH)로 세척 및 팽윤('팽윤' 공정, 그림 2 셋째 행, Fig. S1 참조). 팽윤 공정 후 EtOH PAni 분자 사이 삽입돼 분자간 거리 증가. 결과 PANS 개별 입자 존재, 계층 구조 가짐. 이상적 PANS 제조 조건 확인 위해 PAni 농도도 제어(Additional file 1: Fig. S2). 각 합성 공정(추출, 가열, 팽윤) 단계별 PAni 공급량 따른 TEM 이미지 분석 결과, PAni 공급량 감소(50.0→12.5mg/mL) 시 PANS 더 희소하게 형성. PAni 공급량 50mg/mL에서 90° 기울인 SEM 이미지로 PANS 계층 구조 확실히 확인(Additional file 1: Fig. S3). PANS 형성 메커니즘 상세 연구 위해 PAni 용해도 시험 선행(Additional file 1: Fig. S4). PAni 소수성, NMP 같은 물과 혼합성 극성 비양성자 용매에 용해 알려짐[24]. NMP 용해 PAni 섬유상 모양 관찰. 반면 BE, EtOH 중 PAni 더 응집, 큰 크기. EtOH 중 PAni 각 분자 희소 상호작용 가능. 흡광 스펙트럼 측정 이용 PAni 용해도 시험도 수행; EtOH가 EtOH, BE, 탈수(DW) 중 최고 용해도 보임. 순수 PAni 분자 DW에 거의 안 녹음. 또 PAni 분자량(Mw) 조건별 실험 수행(Additional file 1: Fig. S5). Mw 5kDa 경우 PANS 다른 조건(Mw 10, 50kDa)보다 더 스케인형 구조 보임. 다른 경우 PAni Mw 5kDa처럼 핵형성 안 함, PAni NMP 용해도 차이 탓일 수 있음. 즉 PAni Mw 증가 시 NMP 불용성 경향, NMP 내 PAni 나노파이버 존재 안 함. 결과 충분한 PAni 나노파이버 없어 PANS 스케인형 구조 형성 안 됨. 이 결과로 PANS 형성 가설: (1) 순수 PAni DW 전혀 안 녹음; (2) PAni NMP 최고 용해도; (3) PAni NMP 용액 BE 첨가 용해도 차이로 추출; (4) 가열 공정으로 PAni/(NMP+BE) 혼합물 NMP 기화; (5) 결과 용액 EtOH 세척, EtOH PAni 분자 사이 삽입; (6) PANS 입자 팽윤 잘 분산 DW 존재.

PANS 특성 연구 위해 우선 고분해능 TEM(HRTEM) 이미징 분석 수행(그림 3a). PANS 실뭉치 형태, 다수 PAni 나노파이버 구성. 분자 구조 검증 위해 순수 PAni(bPAni)와 PANS X선 광전자 분광(XPS) 분석(그림 3b, Additional file 1: Fig. S6). C1s 코어 레벨 스펙트럼 네 피크로 디콘볼루션: C=O/C-O 286.7eV(1), C=N⁺/C-Cl 285.8eV(2), C-N/C=N 285.0eV(3), C-C/C-H 284.4eV(4). C1s 디콘볼루션 Golczak 등[30] 선행 데이터 기반. 특히 (3), (4) 분포 변화 현저, PANS 질소 부분 증가 의미. 이 현상 PANS 구조 내 NMP 존재, NMP 분자 PAni 분자 간 상호작용 영향 탓일 수 있음. PANS 분자 구조 추가 조사 위해 순수 PAni와 PANS 푸리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼 분석(그림 3c, Fig. S7). 1290cm⁻¹(방향족 C-N 신축), 1490cm⁻¹(벤조이드 고리 C=C, C=N 신축), 1590cm⁻¹(퀴노이드 고리 C=C, C=N 신축) 피크 순수 PAni, PANS 둘 다 확인. PANS 특이 피크 1670cm⁻¹(그림 3c 별표) NMP 3차 아민 기인 가능, NMP FTIR 스펙트럼서도 관찰(Fig. S7). 순수 PAni, PANS 열중량 분석(TGA) 결과 PANS가 PAni뿐 아니라 다른 분자도 구성(그림 3d). 순수 PAni 분해 ~350°C, PANS 분해점 ~200°C로 NMP 비점 일치. XPS~TGA 결과 그림 3b-d로 PANS 순수 PAni뿐 아니라 PAni, NMP 등 유기 화합물 구성됨 확인. 추가로 PANS 표면적, 기공 부피 브루나우어-에멧-텔러(BET) 분석 결정(그림 3e), PANS 9.486±0.728m²/g 표면적, 0.044±0.004cm³/g 기공 부피. (순수 PAni 6.358±0.682m²/g, 0.019±0.001cm³/g). PANS가 순수 PAni보다 다공성, 높은 표면적-부피비 가짐 의미. PANS 수동직경 분포 수용액서 799±85nm(그림 3f). 그림 3 결과로 PANS가 계층 구조 가진 순수 유기 화합물(PAni, NMP)만 구성됨 확인.

PANS 전환 가능 광학 프로브 가능성 조사 위해 흡광 스펙트럼 이용 PANS 색 변화 분석. PAni 나노입자, 박막, 시트 등 구조 흡광 특성 변화가 도핑/디도핑 상태 따라 변함 잘 알려짐. PAni 도핑/디도핑 상태는 강산, 루이스 산, 전이 금속, 알칼리 이온 등 다양한 도펀트로 조절 가능[31, 32]. PANS도 주변 pH 변화 따라 그런 특성 보임(그림 4). 저 pH(

PANS가 주변 환경 변화에 따른 특정 산화환원 상태 변화 센싱 능력 조사 위해 포도당, GOx 대표 후보 선정. 포도당 농도 0.00→2.91mg/mL 증가 시 PANS 용액 색 청색→녹색 변화(그림 5a). PANS 흡광 스펙트럼 분석(그림 5b)했으나 pH 변화 실험(그림 4)보다 스펙트럼 형상 변화 적음. 이는 다음 식 설명 가능:

Glucose + H₂O + O₂ →(GOx) Gluconic acid + H₂O₂ (1)

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

식 (1)서 포도당 GOx 산화돼 글루콘산, 과산화수소 생성. 식 (2)서 생성된 과산화수소 EB 상태 PANS 환원해 ES 상태로. 하지만 흡광비(λ₆₈₀/λ₄₈₀) 값 0.98~0.86 사이 형성, 이 결과 PANS 중간 상태(λ₆₈₀/λ₄₈₀=0.98)와 ES 상태(λ₆₈₀/λ₄₈₀=0.86) 존재함 나타냄(그림 5c). 포도당-GOx 반응 대표적 산화환원 반응, 과산화수소 생성→수소 이온, 전자 생성 잘 알려짐. 이 결과 PANS가 수소 이온, 전자로 도핑될 수 있음 나타냄. 결과 벤조이드 고리 π-π* 전이 흡광 스펙트럼 480nm 숄더 형성으로 관찰. 종합하면 PANS 포도당 등 효소 검출용 가능. 다른 효소 활성 검출, 생물계 내 산화환원 활성 확인에도 쓰일 수 있을 것으로 생각.

결론

요약하면 PAni 파이버 구성 스케인형 PANS 제조 달성, 형성 메커니즘 제안. PANS 합성 공정 순차적 추출, 가열, 팽윤 공정 포함. PANS 조성 분석 결과 순수 유기 물질만 구성. 게다가 PANS가 pH 변화, 포도당+GOx 조합 통해 주변 산화환원 상태 변화 센싱용 전환 가능 광학 프로브 가능성 확인. 본 연구 새 클래스 3D 형상 나노구조 합성 및 주변 산화환원 상태 변화 센싱 나노바이오센서에 빛 비춤.