階層的かつ二峰性の細孔径分布を有するナノポーラス金は、電気化学的脱合金と化学的脱合金を組み合わせることによって製造することができる。合金の組成は、脱合金プロセスが進むにつれてEDS-SEM検査 を介して 監視できます。材料の負荷容量は、材料へのタンパク質吸着を調べることによって決定できます。
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この記事について
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サマリー
要約
バイオセンサー、アクチュエーター、薬物の装填と放出、触媒の開発の分野での可変細孔サイズ、単純な表面改質、および幅広い商業的使用を生み出す可能性は、研究開発におけるナノポーラス金(NPG)ベースのナノ材料の使用を間違いなく加速させました。この記事では、電気化学的合金化、化学的脱合金技術、およびアニーリングを含む段階的な手順を採用してマクロ孔とメソ孔の両方を作成することにより、階層的二峰性ナノポーラス金(hb-NPG)を生成するプロセスについて説明します。これは、双連続ソリッド/ボイド形態を作成することによってNPGの有用性を向上させるために行われます。表面改質に利用できる領域は、より小さな細孔によって強化され、分子輸送はより大きな細孔のネットワークから恩恵を受ける。一連の製造ステップの結果であるバイモーダルアーキテクチャは、走査型電子顕微鏡(SEM)を使用して、サイズが100 nm未満で、靭帯によって数百ナノメートルのサイズの大きな細孔に接続された細孔のネットワークとして視覚化されます。hb-NPGの電気化学的に活性な表面積は、サイクリックボルタンメトリー(CV)を使用して評価され、脱合金とアニーリングの両方が必要な構造を作成する上で果たす重要な役割に焦点を当てています。さまざまなタンパク質の吸着は、溶液枯渇技術によって測定され、タンパク質負荷に関してhb-NPGのより良い性能を明らかにします。表面積と体積の比率を変えることで、開発されたhb-NPG電極は、バイオセンサーの開発に大きな可能性を提供します。この原稿では、hb-NPG表面構造を作成するためのスケーラブルな方法について説明しています, 低分子の固定化のための大きな表面積と、より速い反応のための改善された輸送経路を提供するため.
概要
自然界でよく見られる階層的な多孔質構造は、ナノスケールで模倣され、材料の物理的特性を変化させて性能を向上させています1。様々なスケールの長さの相互連結構造要素は、多孔質材料の階層構造の特徴である2。脱合金ナノポーラス金属は、典型的には、単峰性の細孔径分布を有する。したがって、2つの別々の細孔サイズ範囲3を有する階層的に二峰性の多孔質構造を生成するために、複数の技術が考案されてきた。材料設計アプローチの2つの基本的な目的、すなわち、機能化のための大きな比表面積と、本質的に互いに矛盾する迅速な輸送経路は、構造階層4,5を持つ機能性材料によって達成されます。
電気化学センサーの性能は、ナノマトリックスの細孔サイズが分子の輸送と捕獲に重要であるため、電極の形態によって決まります。小さな細孔は複雑なサンプルのターゲット識別に役立つことがわかっていますが、大きな細孔はターゲット分子のアクセシビリティを高め、センサーの検出範囲を広げます6。テンプレートベースの製造、電気めっき、ボトムアップ合成化学、薄膜スパッタリング堆積7、ポリジメチルシ....
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プロトコル
1.金線上に階層的バイモーダル構造を持つナノポーラス金のコーティングを構築する-合金化
- 5 mLビーカーで電気化学セルを組み立てます。3つの穴のあるテフロンベースの蓋を使用して、3つの電極セットアップを収容します。
注意: テフロンは、他の化学物質と反応しないため、蓋を作るための一般的な材料です。 - 白金線の対電極、Ag/AgCl(飽和KCl)参照電極、および作用極として機能する直径0.2 mm、長さ5.0 mmの金線( 材料の表を参照)を蓋の各穴に便利に配置します。作用電極と対極の間の距離を0.7cmに保ちます。
注意: ワイヤーの長さは1 cmで、ワニ口クリップをクリップした後、溶液に入る露出部分は0.5 cmです。残りの部分はポリテトラフルオロエチレンテープで覆っています( 材料表を参照)。この長さは、実験を行うたびにスケールを使用して正確に測定されます。金線は、研究で使用される前にいくつかのステップで洗浄されます。最初に濃硝酸に浸し、次にすすぎ、ピラニア溶液に浸し、最後に水素化ホウ素ナトリウムに浸します。これらの強力な試薬は、ワイヤーに付着している可能性のある不純物を除去するのに役立ちます。 - K[Ag(CN)2]とK[Au(CN)2](材料の表を参照)のそれぞれ50 mM溶液を....
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結果
靭帯サイズと靭帯間ギャップの調整は、製造された電極にとって最も重要です。Au/Ag比を最適化して二重サイズの細孔を持つ構造を作成することは、表面形態、粗さ係数、および負荷容量を利用したキャラクタリゼーションとともに、この研究の最初のステップです。従来のNPGと比較して、バイモーダル細孔構造は、より高い電気化学的表面積、粗さ係数、およびタンパク質負荷容量を示しています15。
hb-NPGは、化学的脱合金化後の靭帯と細孔のオープンでリンクされたネットワークを実証しました。ここで、大きな孔は上位階層で示され、下位階層は小孔を示す。 図3 は、階層的なバイモーダル構造の電極のSEM画像を示しています。 図4 は、hb-NPGの作成の各ステップの色分けされた元素マッピングを示しており、赤と黄色はそれぞれ銀と金を示しています。さまざまなセクションに異なる色を割り当てるSEMの機能は、機器の便利な機能です。
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ディスカッション
合金化、部分脱合金化、熱処理、酸エッチングを含む多段階の手順を使用して、デュアルサイズの細孔とより高い活性電気化学的表面積を持つ階層的にNPGを製造することが実証されます。
合金化では、金属前駆体の標準電位が電着中の反応性に影響します。溶液からのAuおよびAgイオンは、電着中に還元される16,17。
以下のハーフセル反応17 は、金および銀シアン化物塩溶液の電気化学的溶解を示す。
金 (CN)2- + 1e-
E.......
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開示事項
著者は開示するものは何もありません。
謝辞
この研究は、NIGMS(GM111835)からの賞によってサポートされました。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アルゴンガス圧縮 | フィッシャーサイエンティフィック Compay | ||
| ウシ血清アルブミン (BSA) | シグマ・アルドリッチ (ミズーリ州セントルイス) | A9418 | > 98% |
| 純度 カウンター電極 (プラチナ線) | アルファ エーザー | 43288-BU | 直径 0.5 mm |
| デジタル ラボ炉 | バーンステッド サーモリン 47,900 | F47915 | での |
| アニーリングに使用デジタルポテンショスタット/ガルバノスタット | EG&G プリンストン アプライド リサーチ | 273A | PowerPULSE ソフトウェア |
| エタノール | Sigma-Aldrich (ミズーリ州セントルイス) | CAS-64-17-5 | HPLC/分光光度グレード |
| 胎児の子牛血清からのフェチュイン | Sigma-Aldrich (ミズーリ州セントルイス) | F2379 | 凍結乾燥粉末 |
| 金線ロール | 電子顕微鏡科学 (ペンシルバニア州フォートワシントン) | 73100 | 直径 0.2 mm 、10 フィート、99.9% |
| 塩酸 | フィッシャーケミカル | A144C-212 | 36.5-38% |
| 過酸化水素 | フィッシャーサイエンティフィック(ペンシルバニア州ピッツバーグ) | CAS-7732-18-5 | 30% |
| Kimwipes | KIMTECHサイエンスブランド、キンバリークラークプロフェッショナル | 34120 | 4.4 x 8.2 |
| 硝酸 | フィッシャーサイエンティフィック(ペンシルバニア州ピッツバーグ) | A2008-212 | 微量金属グレード |
| パラフィルム | ビーミスPM996 | 13-374-10 | 4インチ x 125フィート |
| 西洋わさび(HRP) | シグマ-アルドリッチ(ミズーリ州セントルイス) | 9003-99-0 | |
| PharMedシリコーンチューブ | ノートン | AY242606 | 1/32 "内径、5/32 "外径、1/16 "壁の厚さ、25 '長さ |
| ジシアノアルゲンテートカリウム | Sigma-Aldrich (ミズーリ州セントルイス | )379166 | 99.96%、10 G |
| ジシアノアウレートカリウム | Sigma-Aldrich (ミズーリ州セントルイス) | 389867 | 99.98%、1 G |
| PowerSuite ソフトウェア | EG&Gプリンストン応用研究 | は、機器 | |
| PTFEテープ | フィッシャーブランド | 15-078-261 | 1 "幅600"長い |
| 参照電極(Ag / AgCl) | プリンストン応用研究 | K0265 | |
| 走査型電子顕微鏡(SEM) Apreo 2C | ThermoFisher scientific | APREO 2 SEM | 搭載 カラーSEM技術 |
| シンプル UVシステム | Millipore corporation, Boston, SIMSV00WW MA, USA | Milli-Q water(18.2 MΩ cm at 25 °C) | |
| 水素化ホウ素ナトリウム | Sigma-Aldrich(ミズーリ州セントルイス) | 213462 | 100 G |
| 炭酸ナトリウム | Sigma-Aldrich(ミズーリ州セントルイス) | 452882 | 酵素グレード、>99%、100 G |
| 攪拌子 | フィッシャーブランド | 14-512-153 | 5 x 2 mm |
| 硫酸 | フィッシャーサイエンティフィック(ペンシルベニア州ピッツバーグ) | A300C-212 | 認定ACSプラス |
| スープラックーツキュベット | フィッシャーサイエンティフィック(ペンシルベニア州ピッツバーグ) | 14-385-902C | 10 mm光路、体積容量1 mL |
| UV可視分光光度計 | 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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再版と許可
訂正
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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