在PDMS微通道中制备的二苯丙氨酸微/纳米管的排序（有电场与无电场情况）

《Materials Science and Engineering: B》：Ordering of diphenylalanine micro/nanotubes prepared in PDMS microchannels with and without electric field

自组装二苯基丙氨酸微/纳米管在PDMS微通道中通过电场诱导单向生长，比较有无电场条件下的形貌差异，发现电场能显著增强结构定向性但需注意场的不均匀性。该研究为开发低成本生物传感器和光学器件提供新方法。

　　

乔瓦娜·博纳诺·卡洛斯（Giovana Bonano Carlos）| 卡拉·卡罗莱纳·席尔瓦·班代拉（Carla Carolina Silva Bandeira）| 安德烈·莫朗·巴蒂斯塔（André Mour?o Batista）| 本杰明·奥塞比·埃莱格贝（Benjamin Osebi Elegbe）| 埃杜阿多·C·利马（Eduardo C. Lima）| 布雷诺·马奎斯（Breno Marques）| 赫库拉诺·马丁霍（Herculano Martinho）

巴西圣安德烈联邦大学（UFABC）自然科学与人文学科中心，Av. dos Estados 5001，09210-580，SP

摘要

二苯丙氨酸（Diphenylalanine）是一种二肽，以其能够在多种纳米环境中自组装成各种纳米结构（包括纳米管和纳米线）而闻名。这些纳米结构具有独特的性质，使其适用于多种应用，如生物传感器和光学设备。本文报道了一种在微通道装置中生长单向二苯丙氨酸微/纳米管的方法，并讨论了其特性和潜在的诊断应用。微/纳米管是在聚二甲基硅氧烷（PDMS）聚合物微通道中合成的，无论是否施加电场。形态分析显示，在这两种实验条件下，微通道内的微结构都可能实现定向排列。研究结果表明，微/纳米管可以在PDMS微通道中有效生成，同时表现出显著的形态差异和高度的方向性。尽管文献中已有相关报道，但电场的应用并不能保证纳米管的单向生长，因此需要特别注意电场的不均匀性。

引言

L,L-二苯丙氨酸（FF，图1a）是一种由两个氨基酸组成的二肽，以其自组装能力而著称。这种性质使FF能够自发地形成多种纳米结构，包括纳米管、纳米线和纳米球，无需外部辅助。 在水环境中，FF在溶剂的作用下可以形成稳定的纳米管和微管（FFMNTs）。此外，分子间相互作用（如氢键和芳香侧链之间的相互作用）对于理解自聚集现象至关重要，也是FF与鸟嘌呤-胞嘧啶二聚体等物质结合时的关键聚集机制。二苯丙氨酸纳米结构的研究也非常重要，因为这种材料具有多种有趣的特性，包括刚性[3]、在紫外[4]和可见光区域的光致发光[5]、温度依赖性效应和热稳定性[6]以及非线性光学性质[7]。纳米管作为波导的能力也值得关注[8][9]。此外，二苯丙氨酸纳米结构还表现出压电性[10]和其他电子特性[11]，使其适用于多种应用。 最近的研究表明，使用铜电极、聚丙烯（PP）带和聚二甲基硅氧烷（PDMS，图1b）基底通过缩合方法可以生长出多种FF纳米结构，包括纳米球、纳米片和纳米棒。该装置的目的是利用FF纳米材料的压电性质实现生命体征的实时监测[12]。 将自组装材料应用于生物传感器，无论是用于诊断医学、医疗治疗还是通过生物光子学进行实时监测，都面临诸多挑战。近年来已经进行了多项研究，旨在制备单向排列的FFMNTs以实现这一目标。例如，通过紫外线/臭氧处理创建表面图案化的基底，可以生成具有不同间距的掩模，从而在这些硅基底上生长FFMNTs，实现纳米结构的定向排列[13][14][15]。通过单向蒸发诱导生长的方法，可以在基底上获得垂直排列的纳米森林；在外加磁场的作用下，还可以生长出水平排列的肽纳米管[16]。此外，还开发了一种基于液滴驱动自组装的方法，即先将基底垂直浸入FF溶液中，然后在控制的时间内将其取出[17][18]。在外加电场的作用下，还可以实现FFMNTs垂直于基底且平行于电场方向生长，这些都与FF的电子性质有关[19]。 然而，据我们所知，目前缺乏关于在封闭微通道基底中使用有机溶剂乙酸而非刺激性溶剂（如HFP）以及不涉及高温条件的FFMNTs单向生长方法和基底的研究。类似的过程有望促进低成本技术的发展，并简化制备在封闭微通道中定向排列FFMNTs的装置的方法。 本研究重点介绍了一种新的方法，该方法在施加电场的PDMS微通道中合成和表征FFMNTs，以实现其单向生长。将在PDMS微通道中形成的微结构及其各种改性进行研究，以探索材料的光学和电子性质与其形态和FF化学成分之间的关系。本研究旨在提高对微结构特性的控制，从而优化FFMNTs的应用性。

微通道装置

使用来自Merck（德国）的Extran MA 02中性溶剂和来自Dinamica（巴西）的异丙醇清洁基底。制备PDMS样品时使用了Avipol双组分试剂盒：Silicone 8000/3.5 M和Catalyst 73（Pholiplac）。3D打印的基底由聚合物制成，同时使用了直径为0.5 mm和0.6 mm的金属棒。这些直径是微 pipette 和类似工具中常用的典型尺寸，因此被选为基底材料。

结果与讨论

通过对带有电场（图3a–c）和不带电场（图3d–f）条件下生长的FFMNTs样品进行光学显微镜观察，发现无论微通道直径如何，其周围都存在微管簇。由于FFMNTs的双折射性质，在偏振光下它们显得明亮，这与可能的非晶相形成对比。此外，所有微/纳米管都显示出定向排列的特征。

结论

自组装纳米结构的研究在新型材料、纳米材料和各种领域设备的开发中具有重要意义。二苯丙氨酸是一种具有广泛应用潜力的二肽，这得益于其纳米结构和自组装特性以及其独特的性质。 开发新的生长方法是实现这一目标的关键。

CRediT作者贡献声明

乔瓦娜·博纳诺·卡洛斯（Giovana Bonano Carlos）： 负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法验证、实验设计、资金申请、数据分析、概念构思。 卡拉·卡罗莱纳·席尔瓦·班代拉（Carla Carolina Silva Bandeira）： 负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据验证、方法验证、实验设计、数据分析、概念构思。 安德烈·莫朗·巴蒂斯塔（André Mour?o Batista）： 负责撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法验证、实验设计、数据分析、概念构思。 赫库拉诺（Herculano）：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢巴西的和（311933/2021-1/406761/2022-1）、（88887.818251/2023-00）提供的财政支持。同时，作者也感谢UFABC的多用户中心设施（CEM/UFABC）及其技术人员提供的实验支持。