ERRATUM NOTICE
Important: There has been an erratum issued for this article. Read more …
Summary
يمكن إنتاج الذهب المسامي النانوي مع توزيع حجم المسام الهرمي وثنائي النمط من خلال الجمع بين إزالة السبائك الكهروكيميائية والكيميائية. يمكن مراقبة تكوين السبيكة عن طريق فحص EDS-SEM مع تقدم عملية إزالة السبائك. يمكن تحديد قدرة تحميل المادة من خلال دراسة امتصاص البروتين على المادة.
Abstract
إن القدرة على توليد أحجام مسامية متغيرة ، وتعديل مبسط للسطح ، واتساع نطاق الاستخدامات التجارية في مجالات أجهزة الاستشعار الحيوية ، والمحركات ، وتحميل الأدوية وإطلاقها ، وتطوير المحفزات قد سرعت بلا شك من استخدام المواد النانوية القائمة على الذهب المسامي (NPG) في البحث والتطوير. توضح هذه المقالة عملية توليد الذهب المسامي النانوي ثنائي النمط الهرمي (hb-NPG) من خلال استخدام إجراء تدريجي يتضمن صناعة السبائك الكهروكيميائية ، وتقنيات إزالة السبائك الكيميائية ، والتلدين لإنشاء كل من المسام الكبيرة والمتوسطة. يتم ذلك لتحسين فائدة NPG عن طريق إنشاء مورفولوجيا صلبة / فراغ ثنائية الاستمرار. يتم تعزيز المساحة المتاحة لتعديل السطح من خلال المسام الأصغر ، بينما يستفيد النقل الجزيئي من شبكة المسام الأكبر. يتم تصور البنية ثنائية النمط ، التي هي نتيجة لسلسلة من خطوات التصنيع ، باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) كشبكة من المسام التي يقل حجمها عن 100 نانومتر ومتصلة بواسطة الأربطة بمسام أكبر يبلغ حجمها عدة مئات من النانومترات. يتم تقييم مساحة السطح النشطة كهروكيميائيا ل hb-NPG باستخدام قياس الفولتامتر الدوري (CV) ، مع التركيز على الأدوار الحاسمة التي يلعبها كل من إزالة السبائك والتلدين في إنشاء الهيكل اللازم. يتم قياس امتزاز البروتينات المختلفة بتقنية استنفاد المحلول ، مما يكشف عن الأداء الأفضل ل hb-NPG من حيث تحميل البروتين. من خلال تغيير مساحة السطح إلى نسبة الحجم ، يوفر قطب hb-NPG الذي تم إنشاؤه إمكانات هائلة لتطوير أجهزة الاستشعار الحيوية. تناقش المخطوطة طريقة قابلة للتطوير لإنشاء هياكل سطحية hb-NPG ، لأنها توفر مساحة سطح كبيرة لتجميد الجزيئات الصغيرة وتحسين مسارات النقل لتفاعلات أسرع.
Introduction
غالبا ما ينظر إليها في الطبيعة ، تم تقليد البنى المسامية الهرمية على المستوى النانوي لتغيير الخصائص الفيزيائية للمواد لتحسين الأداء1. العناصر الهيكلية المترابطة بمقاييس الطول المختلفة هي سمة من سمات العمارة الهرمية للمواد المسامية2. عادة ما يكون للمعادن المسامية النانوية المنزوعة السبائك توزيعات حجم المسام أحادية الوسائط. ومن ثم ، تم ابتكار تقنيات متعددة لإنتاج هياكل مسامية ثنائية النمط هرميا مع نطاقين منفصلين لحجم المسام3. يتم تحقيق الهدفين الأساسيين لنهج تصميم المواد ، وهما مساحة السطح المحددة الكبيرة للتشغيل ومسارات النقل السريع ، والتي تتميز وتتعارض بطبيعتها مع بعضها البعض ، من خلال المواد الوظيفية التي تمتلك التسلسل الهرمي الهيكلي 4,5.
يتم تحديد أداء المستشعر الكهروكيميائي من خلال مورفولوجيا القطب ، نظرا لأن حجم مسام المصفوفة النانوية أمر بالغ الأهمية للنقل الجزيئي والتقاطه. تم العثور على المسام الصغيرة للمساعدة في تحديد الهدف في العينات المعقدة ، في حين أن المسام الأكبر تعزز إمكانية الوصول إلى الجزيء المستهدف ، مما يزيد من نطاق اكتشاف المستشعر6. التصنيع القائم على القالب ، والطلاء الكهربائي ، والكيمياء الاصطناعية من أسفل إلى أعلى ، وترسيب الاخرق الرقيق 7 ، والمصفوفاتالمرنة المعقدة القائمة على دعم polydimethylsiloxane8 ، وسبائك المعادن المختلفة متبوعة بالنقش الانتقائي للمعدن الأقل نبلا ، والترسيب الكهربائي هي بعض الطرق التي تستخدم بشكل متكرر لإدخال الهياكل النانوية في القطب. واحدة من أفضل الطرق لإنشاء هياكل مسامية هي إجراء إزالة السبائك. بسبب التباين في معدلات الذوبان ، يؤثر المعدن القرباني ، وهو المعدن الأقل نبلا ، بشكل كبير على التشكل النهائي للقطب الكهربائي. تنتج شبكة مترابطة من المسام والأربطة عن العملية الفعالة لإنشاء هياكل الذهب المسامية النانوية (NPG) ، حيث يذوب المكون الأقل نبلا بشكل انتقائي من سبيكة البداية ، وتعيد الذرات المتبقية تنظيم وتوحيد9.
تضمنت طريقة إزالة السبائك / الطلاء / إعادة إزالة السبائك التي استخدمها Ding و Erlebacher لصنع هذه الهياكل النانوية أولا إخضاع سبيكة السلائف المكونة من الذهب والفضة لإزالة السبائك الكيميائية باستخدام حمض النيتريك ، تليها التسخين عند درجة حرارة أعلى مع توزيع حجم مسام واحد لإنشاء المستوى الهرمي العلوي ، وإزالة الفضة المتبقية باستخدام صناعة السبائك الثانية لإنتاج المستوى الهرمي السفلي. كانت هذه الطريقة قابلة للتطبيق على الأغشية الرقيقة10. وقد نصح بينر وآخرون باستخدام السبائك الثلاثية ، التي تتكون من اثنين من المعادن النبيلة الأكثر تفاعلا نسبيا والتي تتآكل واحدة تلو الأخرى. تمت إزالة Cu و Ag في البداية من مادة Cu-Ag-Au ، تاركين وراءهما عينات NPG ثنائية النمط ومنخفضة الكثافة11. لا يتم إنتاج الهياكل المرتبة طويلة المدى من خلال الإجراءات الموضحة باستخدام السبائك الثلاثية. تم إنتاج مسام أكبر عن طريق استخراج إحدى مراحل السبيكة الرئيسية ل Al-Au التي استخدمها Zhang et al. ، والتي أنتجت الهيكل ثنائي النمط بدرجة دنيا من الترتيب12. وبحسب ما ورد تم إنشاء هيكل هرمي مرتب من خلال التحكم في العديد من مقاييس الطول ، من خلال استخدام مسارات المعالجة التي تشمل تفكيك المواد السائبة ووضع المكونات الأساسية معا في هياكل أكبر. في هذه الحالة ، تم إنشاء هيكل NPG هرمي عبر الكتابة بالحبر المباشر (DIW) ، والسبائك ، وإزالة السبائك13.
هنا ، يتم تقديم طريقة إزالة السبائك المكونة من خطوتين لتصنيع هيكل هرمي ثنائي النمط من الذهب النانوي المسامي (hb-NPG) يستخدم تركيبات سبائك Au-Ag المختلفة. كمية العنصر التفاعلي الذي يتوقف تحته إزالة السبائك هو ، من الناحية النظرية ، حد الفراق. تتأثر حركية الانتشار السطحي قليلا بحد الفراق أو عتبة إزالة السبائك ، والتي تتراوح عادة بين 50 و 60 نسبة ذرية للذوبان الإلكتروليتي للمكون الأكثر تفاعلا من سبيكة ثنائية. يعد الجزء الذري الكبير من Ag في سبيكة Au: Ag ضروريا للتوليف الناجح ل hb-NPG ، حيث لا يمكن إكمال كل من عمليات إزالة السبائك الكهروكيميائية والكيميائية بنجاح بتركيزات منخفضة بالقرب من حد الفراق14.
فائدة هذه الطريقة هي أنه يمكن التحكم بإحكام في الهيكل وحجم المسام. كل خطوة في البروتوكول ضرورية لضبط مقياس طول المسامية النموذجي والمسافة النموذجية بين الأربطة15. لتنظيم معدل الانتشار والذوبان البيني الأيوني ، يتم معايرة الجهد المطبق بعناية. لمنع التشقق أثناء إزالة السبائك ، يتم التحكم في معدل ذوبان Ag.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. بناء طلاء من الذهب المسامي النانوي مع بنية ثنائية النمط هرمية على أسلاك الذهب - صناعة السبائك
- تجميع خلية كهروكيميائية في كأس زجاجية سعة 5 mL. استخدم غطاء قائم على التفلون بثلاثة ثقوب لاحتواء إعداد الأقطاب الثلاثة.
ملاحظة: التفلون مادة شائعة لصنع الأغطية ، لأنها لا تتفاعل مع المواد الكيميائية الأخرى. - ضع قطبا كهربائيا مضادا لسلك البلاتين ، وقطب مرجعي Ag / AgCl (KCl مشبع) ، وسلك ذهبي بقطر 0.2 مم وطول 5.0 مم يعمل كقطب كهربائي يعمل (انظر جدول المواد) بشكل ملائم في كل فتحة من الغطاء. حافظ على مسافة 0.7 سم بين قطب العمل وقطب العداد.
ملاحظة: طول السلك 1 سم ، وبعد قص مشبك التمساح ، يكون الجزء المكشوف الذي يدخل في المحلول 0.5 سم. يتم تغطية الجزء المتبقي باستخدام شريط بولي تترافلورو إيثيلين (انظر جدول المواد). يتم قياس هذا الطول بدقة باستخدام مقياس في كل مرة يتم فيها إجراء التجربة. يتم تنظيف السلك الذهبي في عدة خطوات قبل استخدامه في الدراسة. يتم غمرها أولا في حمض النيتريك المركز ، ثم تشطف وتغمس في محلول سمكة البيرانا ، وأخيرا تغمر في بوروهيدريد الصوديوم. تساعد هذه الكواشف القوية في القضاء على أي شوائب قد تلتصق بالسلك. - قم بإعداد محلول 50 mM لكل من K[Ag(CN)2] وK[Au(CN)2] (انظر جدول المواد) في الماء. أضف 0.5 mL من محلول K[Au(CN)2] و4.5 mL من محلول الملح K[Ag(CN)2] في الكأس الزجاجية سعة 5 mL.
تنبيه: كن حذرا عند التعامل مع أملاح السيانيد والتخلص منها. ارتد قفازات واقية ، وملابس مناسبة ، وحماية الجهاز التنفسي ، وحماية العين أثناء التعامل معها ، واعمل في غطاء الدخان. يجب جمع محاليل ملح السيانيد بعد انتهاء التجربة ووضعها في حاوية نفايات منفصلة محددة بوضوح. عند ملامسة الأحماض ، يتم إطلاق أبخرة خطرة. للحفاظ على الحركة الأيونية ، يضاف 0.25 M Na2CO3 إلى محاليل المخزون 40 mM لكل من الملحين. - امزج المحلول جيدا عن طريق إدخال قضيب تحريك مغناطيسي في الخلية الكهروكيميائية ، بسرعة تحريك ثابتة تبلغ 300 دورة في الدقيقة.
ملاحظة: تحقق من نظافة شريط التقليب. يمكن استخدام Aqua regia لتنظيفه إذا كانت هناك ملوثات. - قم بتدوير غاز الأرجون عبر المحلول باستخدام قطر داخلي 1/32 بوصة (بوصة) ، وقطر خارجي 5/32 ، و 1/16 بوصة في أنبوب سيليكون بسمك الجدار (انظر جدول المواد) ، داخل الخلية الكهروكيميائية لإخراج أي أكسجين مذاب في محلول المنحل بالكهرباء.
ملاحظة: يتم تجنب التسرب في الإعداد بجعله ضيقا بدرجة كافية. - قم بتوصيل الجهد باستخدام مشابك التمساح التي يتم قصها بالأقطاب الكهربائية المناسبة بمجرد تجميع الخلية الكهروكيميائية بالكامل.
ملاحظة: من الأفضل تسمية المشابك باسم القطب الذي سيتم توصيلها به لتجنب الالتباس. - استخدم البرنامج (PowerSuite ؛ انظر جدول المواد) لإجراء الترسيب الكهربائي باستخدام قياس الكرونوأمبير بعد تشغيل الجهد. تكوين البرنامج باستخدام المعلمات المطلوبة. لمدة 600 ثانية ، يتم توقيت الإمكانات بقيمة ثابتة تبلغ -1.0 فولت15.
ملاحظة: اترك عملية التمهيد تنتهي من تلقاء نفسها قبل تحديد المعلمات. يعرض الملف التكميلي 1 لقطات شاشة لاستخدام هذا البرنامج المحدد. - اضغط على تشغيل واختر خلية خارجية لإكمال ترسيب السبيكة على قطب العمل. يظهر طلاء أبيض سميك في نهاية العملية.
ملاحظة: تأكد من أن التوصيلات آمنة وأن المحلول يتحرك بثبات. إذا كان كل شيء يعمل كما ينبغي ، فإن التيار يتأرجح بين 300 و 400 μA.
2. بناء طلاء من الذهب المسامي النانوي مع بنية ثنائية النمط هرمية على أسلاك الذهب - صناعة السبائك
ملاحظة: تعتمد هذه المرحلة من البروتوكول على إزالة السبائك الجزئية للأسلاك المخلوطة.
- قم بتكوين الخلية الكهروكيميائية مرة أخرى ، كما في العملية السابقة (الخطوة 1.2) ، حيث يتم الاحتفاظ بثلاثة أقطاب كهربائية على بعد 0.7 سم من بعضها البعض في محلول إلكتروليت. استخدم 4 مل من 1 N حمض النيتريك كمحلول إلكتروليت لإزالة السبائك الجزئية.
ملاحظة: نظرا لأن المنحل بالكهرباء مخفف ، فإنه لا يزيل تماما العنصر الأقل نبلا ، وهو الفضة هنا. - اترك شريط التقليب قيد التشغيل لتدوير المحلول بالتساوي بسرعة ثابتة تبلغ 300 دورة في الدقيقة.
- بمجرد إعداد الخلية الكهروكيميائية ، قم بتوصيل الجهد باستخدام مشابك التمساح التي يتم قصها بالأقطاب الكهربائية الصحيحة.
- استخدم برنامج قياس الكرونوأمبيرومتر مرة أخرى ، ولكن هذه المرة اختر إمكانات 0.6 فولت لمدة 600 ثانية.
- اضغط على تشغيل ، ثم حدد خلية خارجية لإنهاء إزالة سبائك السبائك المودعة على قطب العمل.
ملاحظة: يتغير لون السلك إلى أسود رمادي بعد هذه الخطوة.
3. بناء طلاء من الذهب المسامي النانوي مع بنية ثنائية النمط هرمية على أسلاك الذهب - التلدين
- احتفظ بالأسلاك المخلوطة في قنينة زجاجية داخل الفرن.
- الحفاظ على درجة الحرارة في الفرن عند 600 درجة مئوية لمدة 3 ساعات.
ملاحظة: تم اختيار درجة الحرارة والمدة بناء على دراسات التحسين ، والتي أظهرت أن درجات الحرارة المنخفضة لم تخفف المسام ، في حين أن درجات الحرارة المرتفعة والوقت الأطول تسبب في حدوث تشققات في الهيكل. - قم بإزالة القارورة بعد الانتهاء من الإجراء وإيقاف تشغيل الفرن. انتظر حتى تبرد القارورة إلى درجة حرارة الغرفة.
ملاحظة: تتم إزالة القارورة الساخنة من الفرن باستخدام مجموعة من الملقط.
4. بناء طلاء من الذهب المسامي النانوي مع بنية ثنائية النمط هرمية على أسلاك الذهب - صناعة السبائك
- اغمر الأسلاك الملدنة جزئيا في 4 مل من حمض النيتريك المركز.
ملاحظة: عند نقل الحمض المركز إلى القارورة الزجاجية التي تحتوي على الأسلاك ، تأكد من استخدام ماصة زجاجية. - اترك الأسلاك الملدنة جزئيا في القارورة الزجاجية التي تحتوي على حمض النيتريك القوي في غطاء الدخان طوال الليل.
ملاحظة: تم الاحتفاظ بفترة إزالة السبائك عند 24 ساعة للسماح بإزالة السبائك بالكامل. - قم بإنشاء الأسلاك المطلية ب hb-NPG في اليوم التالي (الشكل 1). اشطفها جيدا بالماء منزوع الأيونات ، متبوعا بشطف الإيثانول ، قبل استخدامها في الدراسات اللاحقة. بعد التجفيف ، استخدم الأسلاك في التجارب. يتم استخدام مجموعة جديدة من أسلاك الذهب النظيف في كل مرة لتحضير hb-NPG.
ملاحظة: كل خطوة في التوليف حاسمة للوصول إلى الهيكل ثنائي النمط. إذا تم تخطي أي من الخطوات ، فلن ينتج سوى بنية مسام أحادية الوسائط.
5. توصيف HB-NPG
- المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) - تحضير العينة
- تأكد من استخدام كعب ألومنيوم نظيف كقاعدة لإعداد العينة لتصوير SEM.
ملاحظة: يتم تنظيف البذرة بحمض النيتريك المخفف ، وشطفها بالإيثانول ، وتجفيفها ، وحفظها في حاوية مغطاة بغشاء البارافين قبل استخدامها مرة أخرى. - ضع قطعة من شريط الكربون المقطوع حديثا فوق القاعدة المسطحة لكعب الألومنيوم.
- بمساعدة الملقط ، قم بقطع قطع صغيرة من الأسلاك المطلية ب hb-NPG وألصقها بشريط الكربون.
ملاحظة: تأكد من إمساك السلك برفق بملاقط لمنع الطلاء من النزول. - ترتيب القطع المقطوعة أفقيا للكشف عن مورفولوجيتها تحت SEM (انظر جدول المواد) ؛ يمكن أن تكشف القطع المرتبة عموديا عن سمك المادة المودعة على السلك الذهبي (الشكل 2).
ملاحظة: إذا كان القطب يحتوي على أي رطوبة ، فسوف تتلوث الحجرة ، مما يؤدي إلى صور ضبابية. لذلك ، ضع القطب في فراغ طوال الليل قبل إجراء تصوير SEM.
- تأكد من استخدام كعب ألومنيوم نظيف كقاعدة لإعداد العينة لتصوير SEM.
- إنشاء غرفة SEM
- تنفيس الغرفة باستخدام خيار "تنفيس" من برنامج "XT المجهر" لفتح باب الغرفة بسهولة.
ملاحظة: يأتي برنامج "مجهر XT" مزودا بنظام SEM. يجب أولا تهوية الغرفة بالكامل قبل فتح الباب بسلاسة ، والذي يستغرق عادة 3-5 دقائق. في adiition ، يجب أن يكون ضغط أسطوانة غاز النيتروجين أقل من 5 رطل / بوصة مربعة. يعرض الملف التكميلي 1 لقطات شاشة لاستخدام هذا البرنامج المحدد. - بمساعدة واجهة منحنية خاصة للملقط ، أمسك بإحكام كعب الألمنيوم الدائري ، وأدخل العينة النظيفة التي تم وضعها مسبقا على كعب الروتين في الغرفة ، وضعها في مرحلة العينة.
ملاحظة: تأكد من أن المرحلة نظيفة ؛ إذا كان هناك أي انسكابات ، فقم بإزالتها باستخدام الأسيتون ومسح خال من النسالة (انظر جدول المواد). - حدد خيار "المضخة" بعد وضع العينة داخل الغرفة لإنتاج بيئة تشبه الفراغ.
ملاحظة: يستغرق ضخ الحجرة حوالي 3 دقائق. قبل تشغيل الحزمة ، يحتاج المستخدم إلى الانتظار حتى ينتهي الضخ. - باستخدام كاميرا الملاحة ، انقر فوق الصورة في الوقت الفعلي لمراقبة الموقع الدقيق للعينة.
- تنفيس الغرفة باستخدام خيار "تنفيس" من برنامج "XT المجهر" لفتح باب الغرفة بسهولة.
- تصوير العينة
- قم بتشغيل الحزمة في البداية لالتقاط صورة للعينة.
ملاحظة: قبل تشغيل الشعاع ، تأكد من تفريغ النظام. - لإحضار الصورة النموذجية من الصورة التي تم جمعها في كاميرا الملاحة إلى وسط الشاشة وزيادة التركيز ، انقر نقرا مزدوجا فوقها.
- تأكد من إنتاج الصور باستخدام التصوير باستخدام البرنامج المتوافق وكاشف Everhart-Thornley (ETD). من الضروري تحسين حجم البقعة ومعدل المسح والإمكانات.
ملاحظة: إن البدء بإمكانات أقل وحجم بقعة أقل قبل الانتقال لأعلى أمر واعد دائما. - اضبط مسافة المرحلة من مصدر الشعاع إلى 10 مم.
ملاحظة: لقياس المسافة بدقة بين المرحلة والمصدر ؛ يجب أن يكون النظام مركزا ومتصلا بالمحور Z. - لمعرفة المزيد حول البنية الموجودة على مقياس أقل ، قم بزيادة التكبير بعد الحصول على صورة مركزة عند التكبير المنخفض (الشكل 3).
ملاحظة: يتطلب كل مستوى من مستويات زيادة التكبير تركيزا.
- قم بتشغيل الحزمة في البداية لالتقاط صورة للعينة.
- SEM والتحليل الطيفي المشتت للطاقة (EDS) للتكوين الأولي للعينة
- باختيار خيار لون SEM في البرنامج ، حدد التركيب الأولي للمادة (الشكل 4). يقوم تلقائيا بتعيين ألوان متنوعة لعناصر العينة المختلفة. ومع ذلك ، من الممكن أيضا اختيار الألوان والعناصر يدويا.
ملاحظة: من الأهمية بمكان فحص مخطط تحليل التركيب الأولي والنسب المئوية الذرية للعناصر لاستبعاد الخيارات التي لها نسبة ذرية 0. - عن طريق إدخال كاشف EDS ، قم بإخضاع العينة قيد الدراسة لمطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة. استخدم جهد 15 كيلو فولت وحجم بقعة 12 لجمع بيانات EDS.
ملاحظة: بعد الضغط على زر الإدراج ، تعرض الشاشة الكاشف الذي تم إدخاله في الوقت الفعلي. - تحقق من أن البرنامج يتيح إنشاء مربعات صغيرة لتحديد مناطق منفصلة على شاشة صورة العينة ، لجمع المعلومات الخاصة بتكوين العنصر.
ملاحظة: للحصول على إحصاءات دقيقة ، يجب أن يكون هناك ما بين 50 و 100000 تهمة. تعرض اللوحة الحالة العامة للبيانات التي تم جمعها. في الختام ، يتم إنتاج تقرير.
- باختيار خيار لون SEM في البرنامج ، حدد التركيب الأولي للمادة (الشكل 4). يقوم تلقائيا بتعيين ألوان متنوعة لعناصر العينة المختلفة. ومع ذلك ، من الممكن أيضا اختيار الألوان والعناصر يدويا.
6. قياس الفولتاميتري الدوري (CV) لمساحة السطح النشطة كهروكيميائيا
- قم بإجراء طريقة تجريد أكسيد الذهب ، والتي تتضمن إعداد خلية كهروكيميائية يدويا باستخدام القطب المرجعي ، وقطب العداد ، وقطب العمل المغمور في المنحل بالكهرباء.
ملاحظة: بالنسبة للدراسة الحالية ، يعمل سلك Pt كقطب كهربائي مضاد ، و hb-NPG هو قطب العمل ، ويعمل Ag / AgCl كقطب كهربائي مرجعي. حمض الكبريتيك ، 0.5 N ، بمثابة المنحل بالكهرباء. يوصى بتنظيف الأقطاب الكهربائية المرجعية والمضادة في حمض النيتريك المخفف قبل الاستخدام. علاوة على ذلك ، تجنب إعادة استخدام المنحل بالكهرباء. - بمجرد إجراء الاتصالات ب potentiostat ، حدد خيار السيرة الذاتية من البرنامج وقم بتكوين المعلمات. قم بإصلاح النطاق المحتمل من -0.2-1.6 فولت (الشكل 5) والعودة إلى -0.2 فولت (مقابل Ag / AgCl) جنبا إلى جنب مع معدل مسح يبلغ 100 مللي فولت / ثانية.
ملاحظة: لا يلزم التحريك. - انقر فوق زر التشغيل لإجراء الفحص الدوري. تأكد من أن الفحص العكسي يكشف عن ذروة ملحوظة. باستخدام عامل التحويل المبلغ عنه البالغ 400 μC cm-2 ، قم بدمج الشحنة تحت الذروة القادمة من اختزال الطبقة الأحادية لأكسيد الذهب لتحديد مساحة السطح الكهروكيميائية لسلك hb-NPG.
ملاحظة: يجب رسم المماس بشكل صحيح لدمج الشحنة تحت الذروة بشكل صحيح. - قم بإجراء مجموعة متطابقة من التجارب على الأسلاك المنزوعة السبائك كيميائيا وبعد الجمع بين إزالة السبائك الكيميائية والكهروكيميائية على سلك السبائك Au: Ag (10:90) ، لفهم الأهمية الحاسمة لإجراءات إزالة السبائك المزدوجة.
7. تقنية استنفاد المحلول لدراسة تحميل البروتين
- لدراسة التحميل في الوقت الفعلي لجزيئات البروتين على سطح hb-NPG ، استخدم مقياس الطيف الضوئي للأشعة فوق البنفسجية المرئية (UV-vis) (انظر جدول المواد).
ملاحظة: في هذه الدراسة ، تم تحضير المحاليل البروتينية من الفيتوين وألبومين مصل الأبقار (BSA) وبيروكسيديز الفجل (HRP) (انظر جدول المواد) بشكل منفصل بتركيزات 1 مجم / مل و 0.5 مجم / مل و 1 مجم / مل ، على التوالي ، في محلول ملحي مخزن بالفوسفات (PBS) 0.01 M (pH = 7.4). من الأهمية بمكان اختيار المخزن المؤقت ودرجة الحموضة التي تحافظ على استقرار البروتين. - قم بإجراء تصحيح خط الأساس باستخدام المخزن المؤقت فقط. اختر معلمات البرنامج ، بما في ذلك الطول الموجي والوقت والمعدل ، بعد إجراء التصحيح. ثم ضع 500 ميكرولتر من محلول البروتين داخل الكوفيت.
- تأكد من أن مراقبة البروتين في الوقت الفعلي تبدأ بعد إضافة hb-NPG إلى المحلول. راقب التغير في الامتصاص بعد كل دقيقة لمدة 120 دقيقة عند 280 نانومتر بعد الضغط على زر البدء (الشكل 6).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
يعد حجم الرباط وتعديلات الفجوة بين الأربطة ذات أهمية قصوى للقطب الكهربائي المصنع. إن إنشاء بنية ذات مسام مزدوجة الحجم عن طريق تحسين نسب Au / Ag هو الخطوة الأولى في هذه الدراسة ، إلى جانب التوصيف باستخدام مورفولوجيا السطح وعامل الخشونة وقدرة التحميل. بالمقارنة مع NPG التقليدية ، أظهر هيكل المسام ثنائي النمط مساحة سطح كهروكيميائية أعلى ، وعامل خشونة ، وقدرة تحميل البروتين15.
أظهر hb-NPG شبكة مفتوحة ومترابطة من الأربطة والمسام بعد إزالة السبائك الكيميائية. هنا ، يشار إلى الثقوب الأكبر بواسطة التسلسل الهرمي العلوي ، ويشير التسلسل الهرمي السفلي إلى مسام أصغر. يوضح الشكل 3 صور SEM للقطب بهيكل هرمي ثنائي النمط. يوضح الشكل 4 رسم خرائط العناصر المرمزة بالألوان لكل خطوة من خطوات إنشاء hb-NPG ، مع تحديد اللونين الأحمر والأصفر للفضة والذهب ، على التوالي. تعد قدرة SEM على تعيين ألوان مميزة لأقسام مختلفة ميزة مفيدة في الأداة.
تنتج نسبة مساحة السطح النشطة كهروكيميائيا (ECSA) إلى مساحة السطح الهندسية عامل خشونة لكل قطب كهربائي. باستخدام الشحنة الموجودة أسفل ذروة تقليل أكسيد الذهب ، تم استخدام CV لتقييم ECSA ، وتم اكتشاف 7.64 سم2 ليكون hb-NPG ECSA15.
الشكل 1: قطب كهربائي هرمي ثنائي النمط (hb-NPG) بعد عملية التصنيع متعددة الخطوات. تم تصوير طلاء hb-NPG على السلك الذهبي بعد الانتهاء من صناعة السبائك - إزالة السبائك - التلدين - صناعة السبائك هنا. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: تحضير العينة ل SEM. يتم تثبيت الأقطاب الكهربائية على شريط كربوني يوضع على بذرة من الألومنيوم. ثم يتم تحميل العينة في غرفة التصوير. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: صورة مجهرية SEM توضح التركيب ثنائي النمط المكون من أحجام مسام أكبر وأصغر. يتم التقاط الصور عند 15 كيلو فولت وحجم بقعة 10. (أ) التسلسل الهرمي العلوي في شكل مسام أكبر عند 20000x (شريط المقياس: 5 ميكرومتر). (B) التسلسل الهرمي السفلي الذي يصور المسام النانوية بتكبير أعلى يبلغ 80000x (شريط المقياس: 2 ميكرومتر). وقد استنسخ هذا الرقم بإذن من Sondhi et al.15. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: الصور المجهرية SEM التي توضح رسم الخرائط الأولية المرمزة بالألوان التي تتم بعد كل خطوة تصنيع. SEM للهياكل التالية ذات العناصر المرمزة بالألوان (Au ، الأصفر ؛ و Ag ، الأحمر): (A) Au10: Ag90 سبيكة ، (B) مخلوط كهروكيميائيا ، (C) صلب ، (D) هيكل نانوي هرمي مسامي يتبع آخر خطوة لإزالة السبائك الكيميائية. Aux: Ag100-x تعني سبيكة الذهب والفضة ، حيث x هي النسبة المئوية الذرية للذهب في السبائك. وقد استنسخ هذا الرقم بإذن من Sondhi et al.15. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: مخطط الفولتاميوجرام الحلقي الذي يقارن مساحة السطح الكهربي للأقطاب الكهربائية. يصور المنحنى الموضح كأقحم (أزرق) السيرة الذاتية لسبيكة Au10: Ag90 . يظهر الهيكل الذي تم إنشاؤه عن طريق إزالة السبائك الكيميائية ذروة صغيرة لتخفيض أكسيد الذهب (منحنى أحمر). يظهر الهيكل ثنائي النمط الذي يتضمن إزالة السبائك الكيميائية والكهروكيميائية ذروة أكثر وضوحا لتخفيض أكسيد الذهب (أخضر) ، مما يشير إلى زيادة في مساحة السطح. تم إجراء السيرة الذاتية باستخدام مسح محتمل من -0.2-1.6 فولت. وقد استنسخ هذا الرقم بإذن من Sondhi et al.15. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: التمثيل البياني للامتصاص مقابل الزمن يوضح تحميل البروتين في الوقت الفعلي. تم تصوير التثبيت في الوقت الفعلي ل BSA و fetuin و HRP على أقطاب NPG في (A) و (C) و (E) ، بينما تم تصوير hb-NPG في (B) و (D) و (F). يتم مراقبة التغيير في الامتصاص وعدد الجزيئات المجمدة على مدى 120 دقيقة. تم تسجيل الامتصاص بعد كل 60 ثانية. متوسط القراءات الثلاث موضح في الرسم البياني. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الملف التكميلي 1: دليل المستخدم لسهولة تشغيل قطعتين من البرامج المستخدمة في عملية تصنيع وتوصيف hb-NPG. لقطات شاشة توضح الإجراء خطوة بخطوة لاستخدام "PowerSuite" و "مجهر XT". تشير الأسهم المستخدمة في المخطط الانسيابي نحو الخطوة التالية من العملية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
باستخدام إجراء متعدد الخطوات يتضمن صناعة السبائك ، وإزالة السبائك الجزئية ، والمعالجة الحرارية ، وحفر الأحماض ، يتم تصنيع NPG بشكل هرمي مع مسام مزدوجة الحجم ومساحة سطح كهروكيميائية نشطة أعلى.
في صناعة السبائك ، تؤثر الإمكانات القياسية للسلائف المعدنية على مدى تفاعلها أثناء الترسيب الكهربائي. يتم تقليل أيونات Au و Ag من المحاليل السائلة أثناء الترسيب الكهربائي16,17.
تصور تفاعلات نصف الخلية التالية17 الانحلال الكهروكيميائي لمحاليل ملح سيانيد الذهب والفضة:
Au (CN)2- + 1e-
E0 = -1060 مللي فولت مقابل SCE
Ag (CN)32 - + 1e-
E0 = -1198 مللي فولت مقابل SCE
تحدد العمليات المتوازية الآتية في الغالب كيفية أكسدة الفضة بواسطة حمض النيتريك في خطوة إزالة السبائك18.
4HNO 3 + 3Ag -> 3AgNO3 + NO + 2H2O
2HNO 3 + Ag -> AgNO3 + NO 2 + H2 O
تمت مناقشة تأثير التغييرات في معلمات العملية على الأداء الكهروكيميائي للقطب بشكل جيد. تم اكتشاف أن قطب NPG ذو بنية مسام ثنائية النمط ، مصنوع من سبيكة ذهبية وفضية مع نسبة ذرية عالية من الفضة وصلب عند 600 درجة مئوية لمدة 3 ساعات ، يحتوي على مسام مزدوجة الحجم تسمح بتحميل بروتين أكبر من القطب التقليدي مع المسام النانوية. بالمقارنة مع الأقطاب الكهربائية النانوية المسامية الأخرى ، توفر الشبكة المترابطة للهيكل أيضا كفاءة عالية في نقل الكتلة ، مما يحسن الأداء من حيث النشاط والحساسية15.
الأربطة المترابطة التي تربط الذرات النشطة للغاية ومنخفضة التنسيق التي تشكل التسلسل الهرمي العلوي للقطب الهرمي لها بعد 938 ± 285 نانومتر. يتم تحسين تطبيق القطب في مجال الحفز من خلال أبعاد الرباط الذي ينتجه. يعزز عرض الرباط 51 ± 5 نانومتر ، وهي سمة من سمات الهياكل الهرمية السفلية ، قدرة القطب على شل حركة المركبات النشطة بيولوجيا. تحتوي المادة التي تم إنشاؤها على الكثير من الإمكانات لتطبيقات مثل الحفز والاستشعار ، والتي تحتاج إلى اكتشاف سريع للجزيئات الأكبر بالإضافة إلى سهولة المرور لتلك الجزيئات الأكبر15.
تؤثر مساحة السطح الكبيرة والهيكل الهرمي للأقطاب الكهربائية على تحميل البروتين. تم عرض قدرة تحميل بروتين أكبر من NPG التقليدي ل hb-NPG. توفر البنية ثنائية النمط منصة لتفاعل البروتين ، والتواصل مع الركيزة ، والمرور للتدفق السهل لجزيئات البروتين. يؤثر نوع المادة ومورفولوجيتها على عدد الجزيئات النشطة بيولوجيا التي يمكن تحميلها في قطب كهربائي. بسبب التسلسل الهرمي ، الذي يسرع ربط معظم البروتينات من خلال القوى الكهروستاتيكية والفيزيائية ، يحتوي hb-NPG على تركيز أعلى من البروتينات المجمدة15.
على الرغم من أن تطوير المواد ذات التصاميم الهيكلية المعقدة قد تقدم بشكل كبير ، لا تزال هناك بعض التحديات. يتطلب التسويق تقنيات تحضير جديدة مع عمليات أقل وإنتاج أرخص. ستكون الأبحاث المستقبلية التي تتناول مسألة الإنتاج الضخم وتحلل بعناية عملية التطوير في الموقع للهياكل الهرمية مثيرة للاهتمام للعمل عليها.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
تم دعم هذا العمل بجائزة من NIGMS (GM111835).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Argon gas compressed | Fisher Scientific Compay | ||
| Bovine serum albumin (BSA) | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | A9418 | > 98% purity |
| Counter electrode (Platinum wire) | Alfa Aesar | 43288-BU | 0.5 mm diameter |
| Digital Lab furnace | Barnstead Thermolyne 47,900 | F47915 | used for annealing at high temperatures |
| Digital Potentiostat/galvanostat | EG&G Princeton Applied Research | 273A | PowerPULSE software |
| Ethanol | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | CAS-64-17-5 | HPLC/spectrophotometric grade |
| Fetuin from fetal calf serum | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | F2379 | lyophilized powder |
| Gold wire roll | Electron Microscopy Sciences (Fort Washington, PA) | 73100 | 0.2 mm diameter, 10 ft, 99.9% |
| Hydrochloric acid | Fisher Chemical | A144C-212 | 36.5-38% |
| Hydrogen peroxide | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) | CAS-7732-18-5 | 30% |
| Kimwipes | KIMTECH Science brand, Kimberly-Clark professional | 34120 | 4.4 x 8.2 in |
| Nitric acid | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) | A2008-212 | trace metal grade |
| Parafilm | Bemis PM996 | 13-374-10 | 4 IN. x 125 FT. |
| Peroxidase from horseradish (HRP) | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | 9003-99-0 | |
| PharMed silicone tubing | Norton | AY242606 | 1/32" Inner Diameter, 5/32" Outer Diameter, 1/16" Wall Thickness, 25' Length |
| Potassium dicyanoargentate | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | 379166 | 99.96%, 10 G |
| Potassium dicyanoaurate | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | 389867 | 99.98%, 1 G |
| PowerSuite software | EG&G Princeton Applied Research | comes with the instrument | |
| PTFE tape | Fisherbrand | 15-078-261 | 1" wide 600" long |
| Reference electrode (Ag/AgCl) | Princeton Applied Research | K0265 | |
| Scanning Electron Microscopy (SEM) Apreo 2C | ThermoFisher scientific | APREO 2 SEM | equipped with Color SEM technology |
| Simplicity UV system | Millipore corporation, Boston, MA, USA | SIMSV00WW | for generating Milli-Q water(18.2 MΩ cm at 25 °C) |
| Sodium Borohydride | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | 213462 | 100 G |
| Sodium Carbonate | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | 452882 | enzyme grade, >99%, 100 G |
| Stir bar | Fisherbrand | 14-512-153 | 5 x 2 mm |
| Sulphuric acid | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) | A300C-212 | certified ACS plus |
| Supracil quartz cuvette | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) | 14-385-902C | 10 mm light path, volume capacity 1 mL |
| UV-Visible Spectrophotometer | Varian Cary 50 |
References
- 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 hierarchical porosity obtained from porous glasses. Chemical Society Reviews. 42 (9), 3753-3764 (2013).
- Yang, X. -Y., et al. Hierarchically porous materials: synthesis strategies and structure design. Chemical Society Reviews. 46 (2), 481-558 (2017).
- Qi, Z., Weissmuller, J. Hierarchical nested-network nanostructure by dealloying. ACS Nano. 7 (7), 5948-5954 (2013).
- Sondhi, P., Stine, K. J. Methods to generate structurally hierarchical architectures in nanoporous coinage metals. Coatings. 11 (12), 1440-1456 (2021).
- Matharu, Z., et al. Nanoporous-gold-based electrode morphology libraries for investigating structure-property relationships in nucleic acid based electrochemical biosensors. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (15), 12959-12966 (2017).
- Bollella, P. Porous gold: A new frontier for enzyme-based electrodes. Nanomaterials. 10 (4), 722-740 (2020).
- Khan, R. K., Yadavalli, V. K., Collinson, M. M. Flexible nanoporous gold electrodes for electroanalysis in complex matrices. ChemElectroChem. 6 (17), 4660-4665 (2019).
- Sondhi, P., Stine, K. J. Electrodeposition of nanoporous gold thin films. in Nanofibers-Synthesis, Properties and Applications. , 1-21 (2020).
- Fujita, T. Hierarchical nanoporous metals as a path toward the ultimate three-dimensional functionality. Science and Technology of Advanced Materials. 18 (1), 724-740 (2017).
- Biener, J., et al. Nanoporous plasmonic metamaterials. Advanced Materials. 20 (6), 1211-1217 (2008).
- Zhang, Z., et al. Fabrication and characterization of nanoporous gold composites through chemical dealloying of two phase Al-Au alloys. Journal of Materials Chemistry. 19 (33), 6042-6050 (2009).
- Zhu, C., et al. Toward digitally controlled catalyst architectures: Hierarchical nanoporous gold via 3D printing. Science Advances. 4 (8), (2018).
- Artymowicz, D. M., Erlebacher, J., Newman, R. C. Relationship between the parting limit for de-alloying and a particular geometric high-density site percolation threshold. Philosophical Magazine. 89 (21), 1663-1693 (2009).
- Sondhi, P., Neupane, D., Bhattarai, J. K., Demchenko, A. V., Stine, K. J. Facile fabrication of hierarchically nanostructured gold electrode for bio-electrochemical applications. Journal of Electroanalytical Chemistry. 924, 116865 (2022).
- Cerovic, K., Hutchison, H., Sandenbergh, R. F. Kinetics of gold and a gold-10% silver alloy dissolution in aqueous cyanide in the presence of lead. Minerals Engineering. 18 (6), 585-590 (2005).
- Ciabatti, I. Gold part-ing with nitric acid in gold-silver alloys. Substantia. 3 (1), 53-60 (2019).
- Reyes-Cruz, V., Ponce-de-León, C., González, I., Oropeza, M. T. Electrochemical deposition of silver and gold from cyanide leaching solutions. Hydrometallurgy. 65 (2-3), 187-203 (2002).
Tags
الكيمياء ، العدد 192 ، الذهب الهرمي ثنائي النمط النانوي المسامي ، المستشعر الحيوي ، إزالة السبائك ، المسام ، الخشونة ، استشعار الجلوكوز ، مساحة السطح الفعالةErratum
Formal Correction: Erratum: Versatile Technique to Produce a Hierarchical Design in Nanoporous Gold
Posted by JoVE Editors on 03/10/2023.
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
