通过结合电化学和化学去合金化方法，可制备具有分级结构和双峰孔径分布的多孔纳米金。合金成分可被实时监测。 通过 随着去合金化过程的进行，开展EDS-SEM检测。通过研究蛋白质在材料上的吸附行为，可确定该材料的载荷能力。
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摘要
摘要
由于纳米多孔金（NPG）基纳米材料具备可调控的孔径大小、表面修饰简便，以及在生物传感器、驱动器、药物负载与释放和催化剂开发等领域的广泛应用前景，其在研发中的使用已显著加速。本文介绍了一种通过分步电化学合金化、化学去合金化及退火工艺制备具有分级双峰结构的纳米多孔金（hb-NPG）的方法，旨在形成兼具宏观孔和介观孔的结构，从而提升NPG的实用性，构建双连续固相/孔隙形态。较小的孔可增加可用于表面修饰的有效面积，而较大孔构成的网络则有利于分子传输。这种双峰结构是多步制备工艺的结果，通过扫描电子显微镜（SEM）可观察到其呈现为尺寸小于100 nm的孔隙，通过细小的连接体与尺寸达数百纳米的大孔相连。采用循环伏安法（CV）评估hb-NPG的电化学活性表面积，并重点分析去合金化和退火过程在形成所需结构中的关键作用。通过溶液消耗法测定不同蛋白质的吸附量，结果表明hb-NPG在蛋白质负载方面表现出更优性能。通过调节表面积与体积之比，所制备的hb-NPG电极在生物传感器开发方面展现出巨大潜力。本文论述了一种可放大的hb-NPG表面结构制备方法，因其不仅提供了较大的表面积以固定小分子，还具备更优的传质通道，有助于实现更快的反应动力学。
引言
在自然界中常见的分层多孔结构已被仿制到纳米尺度，以改变材料的物理特性，从而提升其性能1。多孔材料的分层结构特征在于具有多种尺度的相互连通的结构单元2。去合金化的纳米多孔金属通常具有单峰孔径分布；因此，研究人员已开发出多种技术，以制备具有两种不同孔径范围的分层次双峰多孔结构3。功能材料通过具备结构分层性，可同时实现材料设计方法的两个基本目标：较大的比表面积以利于功能化，以及快速的传质通道，这两个目标彼此独立且本质上相互矛盾4,5。
电化学传感器的性能取决于电极的形貌，因为纳米基质的孔径对分子的传输和捕获至关重要。研究发现，较小的孔隙有助于在复杂样品中实现目标物的识别，而较大的孔隙则可增强目标分子的可及性，从而提高传感器的检测范围6。基于模板的制备、电镀、自下而上的合成化学法、薄膜溅射沉积7、以聚二甲基硅氧烷为支撑的复杂柔性基质8、多种金属合金化后选择性蚀刻掉较不贵金属，以及电沉积等方法，是常用于在电极中引入纳米结构的一些技术。其中，去合金化工艺是构建多孔结构的最佳方法之一。由于不....
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方案
1. 在金丝上构建具有分级双峰结构的纳米多孔金涂层——合金化
- 在5 mL烧杯中组装一个电化学池。使用带有三个孔的聚四氟乙烯（Teflon）材质盖子，以容纳三电极体系。
注意：聚四氟乙烯是制作盖子的常用材料，因为它不与其他化学物质发生反应。 - 将铂丝对电极、Ag/AgCl（饱和KCl）参比电极，以及一根直径为0.2 mm、长度为5.0 mm的金丝作为工作电极（见材料表），分别方便地插入盖子的各个孔中。保持工作电极与对电极之间的距离为0.7 cm。
注意：金丝总长度为1 cm，在夹上鳄鱼夹后，浸入溶液中的裸露部分为0.5 cm，其余部分用聚四氟乙烯胶带包裹（见材料表）。每次实验时均需使用刻度尺精确测量该长度。金丝在用于实验前需经过多步清洗：首先浸入浓硝酸中，然后冲洗并浸入piranha溶液，最后再浸入硼氢化钠溶液中。这些强试剂有助于去除附着在金丝表面的任何杂质。 - 分别配制50 mM的K[Ag(CN)2]和K[Au(CN)2]水溶液（见材料表）。向5 mL烧杯中加入0.5 mL K[Au(CN)2]溶液和4.5 mL K[Ag(CN)2]盐溶液。
警告：操作和处置氰化物盐类时需格外小心。操作时应佩戴防护手套、适当防....
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结果
韧带尺寸和韧带间间隙的调整对于制备的电极至关重要。通过优化金/银比例构建具有双尺寸孔隙的结构是本研究的第一步，同时结合表面形貌、粗糙度因子和负载能力的表征进行分析。与传统的纳米多孔金（NPG）相比，双峰孔隙结构表现出更高的电化学比表面积、粗糙度因子和蛋白质负载能力15。
经过化学去合金化后，hb-NPG呈现出开放且相互连通的配体与孔隙网络结构。其中，较大的孔洞属于较高层级，而较小的孔隙则属于较低层级。图3展示了具有分级双峰结构的电极的扫描电镜（SEM）图像。图4展示了hb-NPG制备过程中各步骤的颜色编码元素分布图，其中红色和黄色分别代表银和金。SEM能够为不同区域分配特定颜色，这是该仪器的一项有用功能。
电化学活性表面积（ECSA）与几何表面积的比例可得出各电极的粗糙度因子。通过利用金氧化物还原峰下方的电荷，采用循环伏安法（CV）评估ECSA，发现hb-NPG.......
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讨论
通过涉及合金化、部分去合金化、热处理和酸蚀刻的多步工艺，制备出具有双尺寸孔隙和更高活性电化学表面积的层次化多孔金（NPG）。
在合金化过程中，金属前驱体的标准电位会影响它们在电沉积过程中的反应活性。液相溶液中的 Au 和 Ag 离子在电沉积过程中被还原16,17。
以下半反应17描述了金和银氰化物盐溶液的电化学溶解过程：
Au(CN)2- + 1e-
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作获得了美国国家普通医学科学研究所（NIGMS）资助（项目编号：GM111835）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 压缩氩气 | Fisher Scientific Compay | ||
| 牛血清白蛋白（BSA） | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | A9418 | > 98% 纯度 |
| 对电极（铂丝） | Alfa Aesar | 43288-BU | 直径 0.5 mm |
| 数字实验室炉 | Barnstead Thermolyne 47,900 | F47915 | 用于高温退火 |
| 数字恒电位仪/恒电流仪 | EG&G Princeton Applied Research | 273A | PowerPULSE 软件 |
| 乙醇 | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | CAS-64-17-5 | 高效液相色谱/分光光度级 |
| 胎牛血清来源的胎球蛋白（Fetuin） | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | F2379 | 冻干粉末 |
| 金丝卷 | Electron Microscopy Sciences (Fort Washington, PA) | 73100 | 直径 0.2 mm，长度 10 英尺，纯度 99.9% |
| 盐酸 | Fisher Chemical | A144C-212 | 36.5–38% |
| 过氧化氢 | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) | CAS-7732-18-5 | 30% |
| Kimwipes 擦拭纸 | KIMTECH Science 品牌，Kimberly-Clark Professional | 34120 | 4.4 × 8.2 英寸 |
| 硝酸 | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) | A2008-212 | 痕量金属级 |
| Parafilm 封口膜 | Bemis PM996 | 13-374-10 | 4 英寸 × 125 英尺 |
| 辣根过氧化物酶（HRP） | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | 9003-99-0 | |
| PharMed 硅胶管 | Norton | AY242606 | 内径 1/32"，外径 5/32"，壁厚 1/16"，长度 25 英尺 |
| 二氰合银酸钾 | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | 379166 | 99.96%，10 克 |
| 二氰合金酸钾 | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | 389867 | 99.98%，1 克 |
| PowerSuite 软件 | EG&G Princeton Applied Research | 随仪器提供 | |
| 聚四氟乙烯（PTFE）胶带 | Fisherbrand | 15-078-261 | 宽 1"，长 600" |
| 参比电极（Ag/AgCl） | Princeton Applied Research | K0265 | |
| 扫描电子显微镜（SEM）Apreo 2C | ThermoFisher Scientific | APREO 2 SEM | 配备 Color SEM 技术 |
| Simplicity UV 系统 | Millipore Corporation, Boston, MA, USA | SIMSV00WW | 用于制备 Milli-Q 水（25 °C 时电阻率为 18.2 MΩ·cm） |
| 硼氢化钠 | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | 213462 | 100 克 |
| 碳酸钠 | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | 452882 | 酶级，>99%，100 克 |
| 搅拌子 | Fisherbrand | 14-512-153 | 5 × 2 mm |
| 硫酸 | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) | A300C-212 | 符合 ACS Plus 认证标准 |
| Supracil 石英比色皿 | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) | 14-385-902C | 光程 10 mm，容积 1 mL |
| 紫外-可见分光光度计 | Varian Cary 50 |
参考文献
- Fang, M., Dong, G., Wei, R., Ho, J. C. Hierarchical nanostructures: design for sustainable water splitting. Advanced Energy Materials. 7 (23), 1700559(2017).
- Inayat, A., Reinhardt, B., Uhlig, H., Einicke, W. -D., Enke, D. Silica monoliths with hierarc....
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重印与许可
勘误
Formal Correction: Erratum: Versatile Technique to Produce a Hierarchical Design in Nanoporous Gold
Posted by JoVE Editors on 3/10/2023. Citeable Link.
An erratum was issued for: Versatile Technique to Produce a Hierarchical Design in Nanoporous Gold. The Authors section was updated from:
Palak Sondhi1
Dharmendra Neupane2
Jay K. Bhattarai3
Hafsah Ali1
Alexei V. Demchenko4
Keith J. Stine1
1Department of Chemistry and Biochemistry, University of Missouri-Saint Louis
2Food and Drug Administration
3Mallinckrodt Pharmaceuticals Company
4Department of Chemistry, Saint Louis University
to:
Palak Sondhi1
Dharmendra Neupane1
Jay K. Bhattarai2
Hafsah Ali1
Alexei V. Demchenko3
Keith J. Stine1
1Department of Chemistry and Biochemistry, University of Missouri-Saint Louis
2Mallinckrodt Pharmaceuticals Company
3Department of Chemistry, Saint Louis University
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