Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Alsidig teknik til at producere et hierarkisk design i nanoporøst guld

Published: February 10, 2023 doi: 10.3791/65065
Automatic Translation
1, 1, 2, 1, 3, 1
1Department of Chemistry and Biochemistry, University of Missouri-Saint Louis, 2Mallinckrodt Pharmaceuticals Company, 3Department of Chemistry, Saint Louis University

ERRATUM NOTICE

Summary

Nanoporøst guld med en hierarkisk og bimodal porestørrelsesfordeling kan fremstilles ved at kombinere elektrokemisk og kemisk delegering. Legeringens sammensætning kan overvåges via EDS-SEM-undersøgelse, efterhånden som delegeringsprocessen skrider frem. Materialets belastningsevne kan bestemmes ved at studere proteinadsorption på materialet.

Abstract

Potentialet til at generere variable porestørrelser, forenklet overflademodifikation og en bred vifte af kommercielle anvendelser inden for biosensorer, aktuatorer, lægemiddelbelastning og frigivelse og udvikling af katalysatorer har utvivlsomt fremskyndet brugen af nanoporøse guldbaserede nanomaterialer i forskning og udvikling. Denne artikel beskriver processen med generering af hierarkisk bimodalt nanoporøst guld (hb-NPG) ved at anvende en trinvis procedure, der involverer elektrokemisk legering, kemiske delegeringsteknikker og udglødning for at skabe både makro- og mesoporer. Dette gøres for at forbedre nytten af NPG ved at skabe en bikontinuerlig fast / ugyldig morfologi. Det areal, der er tilgængeligt for overflademodifikation, forbedres af mindre porer, mens molekylær transport drager fordel af netværket af større porer. Den bimodale arkitektur, som er resultatet af en række fabrikationstrin, visualiseres ved hjælp af scanningelektronmikroskopi (SEM) som et netværk af porer, der er mindre end 100 nm i størrelse og forbundet med ledbånd til større porer, der er flere hundrede nanometer i størrelse. Det elektrokemisk aktive overfladeareal af hb-NPG vurderes ved hjælp af cyklisk voltammetri (CV) med fokus på de kritiske roller, som både delegering og udglødning spiller for at skabe den nødvendige struktur. Adsorptionen af forskellige proteiner måles ved opløsningsudtømningsteknik, hvilket afslører den bedre ydeevne af hb-NPG med hensyn til proteinbelastning. Ved at ændre forholdet mellem overfladeareal og volumen giver den skabte hb-NPG-elektrode et enormt potentiale for udvikling af biosensorer. Manuskriptet diskuterer en skalerbar metode til at skabe hb-NPG overfladestrukturer, da de tilbyder et stort overfladeareal til immobilisering af små molekyler og forbedrede transportveje for hurtigere reaktioner.

Introduction

Ofte set i naturen er hierarkiske porøse arkitekturer blevet efterlignet på nanoskala for at ændre materialernes fysiske egenskaber for forbedret ydeevne1. Sammenkoblede strukturelle elementer af forskellige længdeskalaer er karakteristiske for den hierarkiske arkitektur af porøse materialer2. Delegerede nanoporøse metaller har typisk unimodale porestørrelsesfordelinger; Derfor er der udviklet flere teknikker til at producere hierarkisk bimodale porøse strukturer med to separate porestørrelsesintervaller3. De to grundlæggende mål for materialedesignmetoden, nemlig det store specifikke overfladeareal til funktionalisering og hurtige transportveje, som er forskellige og i sagens natur i konflikt med hinanden, opfyldes af funktionelle materialer, der besidder strukturhierarki 4,5.

Den elektrokemiske sensors ydeevne bestemmes af elektrodemorfologien, da nanomatrixens porestørrelse er afgørende for molekylær transport og indfangning. Små porer har vist sig at hjælpe med målidentifikation i komplicerede prøver, mens større porer forbedrer målmolekylets tilgængelighed, hvilket øger sensorens detekteringsområde6. Den skabelonbaserede fabrikation, galvanisering, bottom-up syntetisk kemi, tyndfilmsputtering aflejring7, komplekse fleksible matricer baseret på polydimethylsiloxanstøtte8, legering af forskellige metaller efterfulgt af selektiv ætsning af det mindre ædelmetal og elektrodeposition er nogle af de metoder, der ofte bruges til at indføre nanostrukturer i elektroden. En af de bedste metoder til at skabe porøse strukturer er delegeringsproceduren. På grund af forskellen i opløsningshastigheder påvirker offermetallet, som er det mindre ædelmetal, signifikant elektrodens endelige morfologi. Et sammenkoblet netværk af porer og ledbånd skyldes den effektive proces med at skabe nanoporøse guldstrukturer (NPG), hvor den mindre ædle komponent selektivt opløses ud af startlegeringen, og de resterende atomer omorganiserer og konsoliderer9.

Metoden til delegering / plettering / genlegering, der blev brugt af Ding og Erlebacher til at fremstille disse nanostrukturer, involverede først at udsætte forløberlegeringen sammensat af guld og sølv for kemisk delegering ved hjælp af salpetersyre, efterfulgt af opvarmning ved en højere temperatur med en enkelt porestørrelsesfordeling for at skabe det øvre hierarkiske niveau og fjerne det resterende sølv ved hjælp af en anden delegering for at producere det lavere hierarkiske niveau. Denne metode kunne anvendes på tynde film10. Brug af ternære legeringer, der består af to forholdsvis mere reaktive ædelmetaller, der eroderes væk en ad gangen, blev anbefalet af Biener et al.; Cu og Ag blev oprindeligt fjernet fra Cu-Ag-Au-materialet og efterlod bimodalt strukturerede NPG-prøver med lav densitet11. Langtrækkende ordnede strukturer produceres ikke ved de procedurer, der er skitseret ved hjælp af ternære legeringer. Større porer blev produceret ved at udvinde en af faserne i masterlegeringen af Al-Au anvendt af Zhang et al., Som producerede den bimodale struktur med en minimal grad af orden12. En ordnet hierarkisk struktur er angiveligt blevet skabt ved at kontrollere flere længdeskalaer ved hjælp af behandlingsveje, der inkluderer demontering af bulkmaterialer og sammenlægning af basiskomponenter i større strukturer. I dette tilfælde blev en hierarkisk NPG-struktur lavet via direkte blækskrivning (DIW), legering og delegering13.

Her præsenteres en to-trins delegeringsmetode til fremstilling af en hierarkisk bimodal nanoporøs guldstruktur (hb-NPG), der anvender forskellige Au-Ag-legeringssammensætninger. Mængden af reaktivt element, under hvilket delegering stopper, er i teorien skillegrænsen. Overfladediffusionskinetikken påvirkes lidt af skillegrænsen eller delegeringstærsklen, som typisk er mellem 50 og 60 atomprocent for elektrolytisk opløsning af den mere reaktive komponent fra en binær legering. En stor atomfraktion af Ag i Au:Ag-legeringen er nødvendig for en vellykket syntese af hb-NPG, da både de elektrokemiske og kemiske delegeringsprocesser ikke kan gennemføres med succes ved lave koncentrationer nær skillegrænsen14.

Fordelen ved denne metode er, at strukturen og porestørrelsen kan kontrolleres tæt. Hvert trin i protokollen er afgørende for finjustering af den typiske porøsitetslængdeskala og den typiske afstand mellem ledbånd15. For at regulere hastigheden af iongrænsefladediffusion og opløsning kalibreres den påførte spænding omhyggeligt. For at forhindre revner under delegering kontrolleres Ag-opløsningshastigheden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Konstruktion af en belægning af nanoporøst guld med hierarkisk bimodal arkitektur på guldtråde - Legering

  1. Saml en elektrokemisk celle i et 5 ml bægerglas. Brug et teflonbaseret låg med tre huller til at indeholde opsætningen med tre elektroder.
    BEMÆRK: Teflon er et populært materiale til fremstilling af låg, da det ikke reagerer med andre kemikalier.
  2. Anbring en platintrådsmodelektrode, en Ag/AgCl (mættet KCl) referenceelektrode og en guldtråd med en diameter på 0,2 mm og en længde på 5,0 mm, der fungerer som arbejdselektrode (se materialetabellen), bekvemt i hvert hul i låget. Hold en afstand på 0,7 cm mellem arbejdselektroden og modelektroden.
    BEMÆRK: Ledningens længde er 1 cm, og efter klipning af alligatorklemmen er den udsatte del, der går ind i opløsningen, 0,5 cm. Den resterende del dækkes ved hjælp af polytetrafluorethylentape (se materialetabel). Denne længde måles præcist ved hjælp af en skala, hver gang eksperimentet udføres. Guldtråden rengøres i flere trin, før den bruges i undersøgelsen; Det nedsænkes først i koncentreret salpetersyre, skylles derefter og dyppes i piranhaopløsning og til sidst nedsænkes i natriumborhydrid. Disse stærke reagenser hjælper med at fjerne urenheder, der kan klæbe til ledningen.
  3. Der fremstilles en 50 mM opløsning af K[Ag(CN)2] og K[Au(CN)2] (se materialetabel) i vand. Der tilsættes 0,5 ml K[Au(CN)2]-opløsning og 4,5 ml K[Ag(CN)2]-saltopløsning i 5 ml bægerglasset.
    FORSIGTIG: Vær forsigtig ved håndtering og bortskaffelse af cyanidsalte. Brug beskyttelseshandsker, passende tøj, åndedrætsværn og øjenbeskyttelse, mens du håndterer det, og arbejd i en stinkhætte. Cyanidsaltopløsninger skal indsamles efter forsøgets afslutning og anbringes i en separat, tydeligt mærket affaldsbeholder. Ved kontakt med syrer frigives farlige dampe. For at bevare den ioniske mobilitet tilsættes 0,25 MNa2CO3til stammen 40 mM-opløsninger af hver af de to salte.
  4. Opløsningen blandes grundigt ved at indsætte en magnetisk omrørerstang i den elektrokemiske celle ved en konstant omrøringshastighed på 300 o / min.
    BEMÆRK: Kontroller, at omrørerstangen er ren. Aqua regia kan bruges til at rense det, hvis der er forurenende stoffer.
  5. Cirkulere argongas gennem opløsningen ved hjælp af en 1/32 tommer (in) indre diameter, 5/32 i ydre diameter og 1/16 i vægtykkelse silikonerør (se materialetabel), der går ind i den elektrokemiske celle for at fjerne opløst ilt i elektrolytopløsningen.
    BEMÆRK: Lækagen i opsætningen undgås ved at gøre den tæt nok.
  6. Tilslut potentiostaten ved hjælp af alligatorklip, der klippes til de relevante elektroder, når den elektrokemiske celle er samlet fuldstændigt.
    BEMÆRK: Det er bedst at mærke clipsene med navnet på den elektrode, de skal fastgøres til for at undgå forvirring.
  7. Brug softwaren (PowerSuite; se materialetabellen) til at udføre elektrodeposition ved hjælp af kronoamperometri efter tænding af potentiostaten. Konfigurer softwaren ved hjælp af de ønskede parametre. For 600 s er potentialet tidsindstillet med en fast værdi på -1, 0 V15.
    BEMÆRK: Lad opstartsprocessen afslutte af sig selv, før du angiver parametrene. Supplerende fil 1 viser skærmbilleder til brug af denne specifikke software.
  8. Tryk på kør , og vælg ekstern celle for at fuldføre legeringsaflejringen på arbejdselektroden. En tyk hvid belægning ses i slutningen af processen.
    BEMÆRK: Sørg for, at forbindelserne er sikre, og at opløsningen omrøres støt. Hvis alt fungerer som det skal, svinger strømmen mellem 300 og 400 μA.

2. Konstruktion af en belægning af nanoporøst guld med hierarkisk bimodal arkitektur på guldtråde - Delegering

BEMÆRK: Denne fase af protokollen er baseret på den delvise delegering af de legerede ledninger.

  1. Konfigurer den elektrokemiske celle igen, som i den foregående proces (trin 1.2), hvor tre elektroder holdes 0,7 cm fra hinanden i en elektrolytopløsning. Brug 4 ml 1 N salpetersyre som elektrolytopløsning til delvis delegering.
    BEMÆRK: Fordi elektrolytten er fortyndet, fjerner den ikke helt det mindre ædle element, som her er sølv.
  2. Lad omrørerstangen køre for jævnt at cirkulere opløsningen med en konstant hastighed på 300 o / min.
  3. Når den elektrokemiske celle er oprettet, skal du fastgøre potentiostaten ved hjælp af alligatorklip, der klippes til de korrekte elektroder.
  4. Brug kronoamperometrisoftwaren igen, men vælg denne gang et potentiale på 0,6 V i 600 s.
  5. Tryk på Kør, og vælg derefter ekstern celle for at afslutte delegeringen af den aflejrede legering på arbejdselektroden.
    BEMÆRK: Trådens farve ændres til gråsort efter dette trin.

3. Konstruktion af en belægning af nanoporøst guld med hierarkisk bimodal arkitektur på guldtråde - Udglødning

  1. Opbevar de delegerede ledninger i et hætteglas af glas inde i ovnen.
  2. Temperaturen i ovnen holdes på 600 °C i 3 timer.
    BEMÆRK: Temperatur og varighed blev valgt ud fra optimeringsundersøgelser, som viste, at lavere temperaturer ikke gjorde porerne grovere, mens højere temperaturer og længere tid forårsagede revner i strukturen.
  3. Fjern hætteglasset, når proceduren er afsluttet, og ovnen er slukket. Vent, indtil hætteglasset er afkølet til stuetemperatur.
    BEMÆRK: Det varme hætteglas fjernes fra ovnen ved hjælp af et sæt tang.

4. Konstruktion af en belægning af nanoporøst guld med hierarkisk bimodal arkitektur på guldtråde - Delegering

  1. Nedsænk de delvist delegerede udglødede ledninger i 4 ml koncentreret salpetersyre.
    BEMÆRK: Når den koncentrerede syre overføres til hætteglasset med ledningerne, skal du sikre dig, at der anvendes en glaspipette.
  2. Lad de delvist udglødede ledninger ligge i hætteglasset med den stærke salpetersyre i stinkhætten natten over.
    BEMÆRK: Delegeringsperioden blev holdt på 24 timer for at muliggøre fuld delegering.
  3. Opret de hb-NPG-belagte ledninger den følgende dag (figur 1). Skyl disse grundigt med deioniseret vand efterfulgt af en ethanolskylning, inden de anvendes i efterfølgende undersøgelser. Efter tørring skal du bruge ledningerne i forsøg. Et nyt parti rene guldtråde bruges hver gang til at forberede hb-NPG.
    BEMÆRK: Hvert trin i syntesen er afgørende for at nå frem til den bimodale struktur. Hvis nogen af trinene springes over, vil der kun opstå en unimodal porestruktur.

5. Hb-NPG-karakterisering

  1. Forberedelse af scanningelektronmikroskop (SEM)-prøve
    1. Sørg for at bruge en ren aluminiumstub som base til prøveforberedelse til SEM-billeddannelse.
      BEMÆRK: Stubbene rengøres med fortyndet salpetersyre, skylles med ethanol, tørres og opbevares i en paraffinfilmdækket beholder, inden de bruges igen.
    2. Placer et nyskåret stykke kulstoftape over aluminiumsstubbens flade base.
    3. Ved hjælp af pincet skæres små stykker hb-NPG-belagt tråd og klæber dem til carbonbåndet.
      BEMÆRK: Sørg for, at ledningen forsigtigt gribes med pincet for at forhindre, at belægningen falder af.
    4. Arranger de skårne stykker vandret for at afsløre deres morfologi under en SEM (se materialetabel); stykker arrangeret lodret kan afsløre tykkelsen af det materiale, der er deponeret på guldtråden (figur 2).
      BEMÆRK: Hvis elektroden har fugt, vil kammeret blive forurenet, hvilket resulterer i uklare billeder. Placer derfor elektroden i et vakuum natten over, før du udfører SEM-billeddannelse.
  2. SEM-afdeling oprettet
    1. Udluft kammeret ved hjælp af indstillingen "udluftning" fra softwaren "XT-mikroskop" for let at åbne kammerdøren.
      BEMÆRK: "XT-mikroskop"-softwaren leveres med SEM-systemet. Kammeret skal først være helt udluftet, før døren kan åbnes glat, hvilket typisk tager 3-5 min. Derudover skal nitrogengascylinderens tryk være under 5 psi. Supplerende fil 1 viser skærmbilleder til brug af denne specifikke software.
    2. Ved hjælp af en speciel pincets buede front skal du tage fast fat i den cirkulære aluminiumsstub, indsætte den rene prøve, der tidligere var placeret på stubben i kammeret, og placere den på prøvetrinnet.
      BEMÆRK: Sørg for, at scenen er ren; hvis der spildes, skal de afskæres med acetone og en fnugfri aftørring (se materialetabel).
    3. Vælg indstillingen "pumpe", når du har placeret prøven inde i kammeret for at producere et vakuumlignende miljø.
      BEMÆRK: Det tager ca. 3 minutter at pumpe kammeret. Før du tænder strålen, skal brugeren vente på, at pumpen er færdig.
    4. Brug navigationskameraet til at klikke på realtidsbilledet for at observere prøvens nøjagtige placering.
  3. Billeddannelse af prøven
    1. Tænd først strålen for at tage et billede af prøven.
      BEMÆRK: Før du tænder for bjælken, skal du sikre dig, at systemet er støvsuget.
    2. For at bringe eksempelbilledet fra navigationskameraets indsamlede billede til midten af skærmen og skærpe fokus skal du dobbeltklikke på det.
    3. Sørg for, at billederne produceres ved hjælp af billeddannelse med den kompatible software og Everhart-Thornley-detektoren (ETD). Det er nødvendigt at optimere spotstørrelsen, scanningshastigheden og potentialet.
      BEMÆRK: Det er altid lovende at starte med lavere potentiale og spotstørrelse, før du flytter op.
    4. Juster trinafstanden fra strålekilden til 10 mm.
      BEMÆRK: For præcist at måle afstanden mellem scenen og kilden; systemet skal være fokuseret og forbundet til Z-aksen.
    5. Du kan få mere at vide om den arkitektur, der findes i en lavere skala, ved at øge forstørrelsen, når du har opnået et fokuseret billede ved den lavere forstørrelse (figur 3).
      BEMÆRK: Hvert niveau af forstørrelsesforøgelsen kræver fokus.
  4. SEM og energidispersiv spektroskopi (EDS) til prøvens grundstofsammensætning
    1. Ved at vælge farve SEM-indstillingen i softwaren skal du bestemme materialets elementære makeup (figur 4). Det tildeler automatisk forskellige farver til prøvens forskellige elementer. Det er dog også muligt at vælge farver og elementer manuelt.
      BEMÆRK: Det er afgørende at undersøge analysediagrammet for grundstofsammensætning og grundstoffernes atomprocenter for at udelukke valg, der har en atomprocent på 0.
    2. Ved at indsætte EDS-detektoren udsættes prøven under undersøgelse for energidispersiv røntgenspektroskopi. Brug 15 kV potentiale og en spotstørrelse på 12 til indsamling af EDS-data.
      BEMÆRK: Når du har trykket på indsætningsknappen, viser skærmen detektoren, der er indsat i realtid.
    3. Kontroller, at programmet gør det muligt at oprette små kasser til at vælge diskrete regioner på eksempelbilledskærmen for at indsamle information til elementsammensætningen.
      BEMÆRK: For nøjagtig statistik skal der være mellem 50 og 100.000 tællinger. Panelet viser den overordnede status for de indsamlede data. Ved afslutningen udarbejdes en rapport.

6. Cyklisk voltammetri (CV) for elektrokemisk aktivt overfladeareal

  1. Udfør guldoxidstripningsmetoden, som involverer manuel opsætning af en elektrokemisk celle med referenceelektroden, modelektroden og arbejdselektroden nedsænket i en elektrolyt.
    BEMÆRK: I denne undersøgelse fungerer Pt-ledning som modelektrode, hb-NPG er arbejdselektroden, og Ag / AgCl fungerer som referenceelektroden. Svovlsyre, 0,5 N, tjener som elektrolyt. Det anbefales at rengøre reference- og tællerelektroderne i fortyndet salpetersyre før brug. Undgå desuden at genbruge elektrolytten.
  2. Når forbindelserne er foretaget til potentiostaten, skal du vælge CV-indstillingen fra programmet og konfigurere parametrene. Fastgør potentialeområdet fra -0,2-1,6 V (figur 5) og tilbage til -0,2 V (vs. Ag/AgCl) sammen med en scanningshastighed på 100 mV/s.
    BEMÆRK: Ingen omrøring er påkrævet.
  3. Klik på knappen Kør for at udføre den cykliske scanning. Sørg for, at den omvendte scanning afslører en mærkbar top. Ved hjælp af den rapporterede omregningsfaktor på 400 μC cm-2 integreres ladningen under toppen, der kommer fra reduktionen af guldoxidmonolaget, for at bestemme det elektrokemiske overfladeareal af hb-NPG-tråden.
    BEMÆRK: Tangenten skal trækkes korrekt for at integrere ladningen under toppen korrekt.
  4. Udfør et identisk sæt eksperimenter på kemisk delegeret tråd og efter at have kombineret kemisk og elektrokemisk delegering på Au:Ag (10:90) legeret tråd for at forstå den afgørende betydning af dobbeltlegeringsprocedurer.

7. Opløsningsudtømningsteknik til undersøgelse af proteinbelastning

  1. For at studere realtidsbelastningen af proteinmolekyler på hb-NPG-overfladen skal du anvende et ultraviolet-synligt (UV-vis) spektrofotometer (se materialetabel).
    BEMÆRK: I dette studie blev proteinopløsninger af fetuin, bovin serumalbumin (BSA) og peberrodsperoxidase (HRP) (se materialetabel) fremstillet separat i koncentrationer på henholdsvis 1 mg/ml, 0,5 mg/ml og 1 mg/ml i en 0,01 M (pH = 7,4) fosfatbufret saltvand (PBS) buffer. Det er afgørende at vælge en buffer og pH, der opretholder proteinstabilitet.
  2. Udfør kun baselinekorrektion ved hjælp af bufferen. Vælg softwarens parametre, herunder bølgelængde, tid og hastighed, efter at korrektionen er foretaget. Derefter anbringes 500 μL af proteinopløsningen inde i kuvetten.
  3. Sørg for, at proteinovervågningen i realtid starter efter tilsætning af hb-NPG til opløsningen. Efter hvert minut i 280 nm kontrolleres absorbansændringen efter hvert minut (figur 6).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ligamentstørrelsen og justeringerne af mellemledbåndsgabet er af største betydning for den fremstillede elektrode. Oprettelse af en struktur med porer i dobbelt størrelse ved at optimere Au/Ag-forholdene er det første trin i denne undersøgelse sammen med karakteriseringen ved hjælp af overflademorfologi, ruhedsfaktor og belastningskapacitet. Sammenlignet med konventionel NPG har den bimodale porestruktur vist et højere elektrokemisk overfladeareal, ruhedsfaktor og proteinbelastningskapacitet15.

hb-NPG har vist et åbent, forbundet netværk af ledbånd og porer efter kemisk delegering. Her er større huller angivet med et øvre hierarki, og et lavere hierarki angiver mindre porer. Figur 3 viser SEM-billeder af elektroden med en hierarkisk bimodal struktur. Figur 4 illustrerer farvekodet elementær kortlægning for hvert trin i oprettelsen af hb-NPG, hvor rød og gul betegner henholdsvis sølv og guld. SEM's evne til at tildele forskellige farver til forskellige sektioner er en nyttig funktion i instrumentet.

Forholdet mellem elektrokemisk aktivt overfladeareal (ECSA) og geometrisk overfladeareal giver en ruhedsfaktor for hver elektrode. Ved hjælp af ladningen under guldoxidreduktionstoppestedet blev CV anvendt til at vurdere ECSA, og 7,64 cm2 opdages at være hb-NPG ECSA15.

Figure 1
Figur 1: Hierarkisk bimodal elektrode (hb-NPG) efter flertrinsfabrikationsprocessen. Hb-NPG-belægningen på guldtråden efter færdiggørelsen af legering-delegering-glødning-delegering er afbildet her. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Prøveforberedelse til SEM. Elektroder er monteret på carbontape, der er placeret på aluminiumstubber. Prøven lægges derefter i billeddannelseskammeret. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: SEM-mikrografi, der viser den bimodale struktur bestående af større og mindre porestørrelser. Billeder tages ved 15 kV og en spotstørrelse på 10. (A) Øvre hierarki i form af større porer ved 20.000x (skalabjælke: 5 μm). (B) Lavere hierarki, der viser nanoporer ved en højere forstørrelse på 80.000x (skalabjælke: 2 μm). Denne figur er gengivet med tilladelse fra Sondhi et al.15. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: SEM-mikrografier, der viser den farvekodede elementære kortlægning udført efter hvert fabrikationstrin. SEM af følgende strukturer med farvekodede elementer (Au, gul og Ag, rød): (A) Au10: Ag90 legering, (B) elektrokemisk delegeret, (C) udglødet, (D) hierarkisk nanoporøs struktur efter det sidste kemiske delegeringstrin. Au x:Ag100-x står for legeringen af guld og sølv, hvorx er atomprocenten af guld i legeringen. Denne figur er gengivet med tilladelse fra Sondhi et al.15. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Cykliske voltammogram, der sammenligner elektrodernes elektroaktive overfladeareal. Kurven vist som en indsat (blå) viser CV'et for Au10:Ag 90-legeringen. Strukturen skabt via kemisk delegering viser en lille guldoxidreduktion (rød kurve) top. Den bimodale struktur, der inkorporerer kemisk og elektrokemisk delegering, viser en meget mere udtalt guldoxidreduktionstop (grøn), hvilket indikerer en stigning i overfladearealet. CV blev udført ved hjælp af en potentiel scanning fra -0,2-1,6 V. Denne figur er gengivet med tilladelse fra Sondhi et al.15. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Graf over absorbans versus tid, der viser proteinbelastning i realtid. Real-time immobilisering af BSA, fetuin og HRP på NPG elektroder er afbildet i (A), (C) og (E), mens på hb-NPG er afbildet i (B), (D) og (F). Ændring i absorbans og antallet af immobiliserede molekyler overvåges over 120 min. Absorbansen blev registreret efter hver 60 s. Gennemsnittet af de tre aflæsninger er afbildet i grafen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Supplerende fil 1: Brugervejledning til nem betjening af to stykker software, der anvendes i fremstillings- og karakteriseringsprocessen af hb-NPG. Skærmbilleder, der forklarer den trinvise procedure for at bruge "PowerSuite" og "XT-mikroskop". Pile, der bruges i rutediagrammet, peger mod det næste trin i handlingen. Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ved hjælp af en flertrinsprocedure, der involverer legering, delvis delegering, termisk behandling og syreætsning, demonstreres fremstilling hierarkisk NPG med porer i dobbelt størrelse og et højere aktivt elektrokemisk overfladeareal.

Ved legering påvirker standardpotentialet for metalprækursorer, hvor reaktive de er under elektrodeposition. Au- og Ag-ioner fra flydende opløsninger reduceres under elektrodeposition16,17.

Følgende halvcellereaktioner17 viser den elektrokemiske opløsning af guld- og sølvcyanidsaltopløsninger:

Au (KN)2- + 1e-Equation 1

E0 = -1060 mV vs. SCE

Ag (KN)32 - + 1e-Equation 2

E0 = -1198 mV vs. SCE

Følgende parallelle processer bestemmer for det meste, hvordan sølv oxideres af salpetersyre i delegeringstrin18.

4HNO 3 + 3Ag -> 3AgNO3 + NO + 2H2O

2HNO 3 + Ag -> AgNO3 + NO 2 + H2 O

Virkningen af ændringer i procesparametrene på elektrodens elektrokemiske ydeevne diskuteres godt. Det blev opdaget, at en NPG-elektrode med en bimodal porestruktur, fremstillet af en guld- og sølvlegering med en høj atomprocent sølv og udglødet ved 600 ° C i 3 timer, indeholder porer i dobbelt størrelse, der giver mulighed for en større proteinbelastning end en konventionel elektrode med nanoporer. Sammenlignet med andre nanoporøse elektroder tilbyder strukturens sammenkoblede netværk også høj masseoverførselseffektivitet, hvilket forbedrer ydeevnen med hensyn til aktivitet og følsomhed15.

De sammenkoblede ledbånd, der forbinder de meget aktive, lavkoordinerede atomer, der gør det øverste hierarki af den hierarkiske elektrode, har en dimension på 938 ± 285 nm. Elektrodens anvendelse inden for katalyse forbedres af dimensionerne af det ledbånd, det producerer. En ledbåndsbredde på 51 ± 5 nm, et kendetegn ved lavere hierarkiske strukturer, forbedrer elektrodens evne til at immobilisere bioaktive forbindelser. Det skabte materiale har et stort potentiale for applikationer som katalyse og sensing, der kræver hurtig detektion af større molekyler samt let passage for de større molekyler15.

Elektrodernes store overfladeareal og hierarkiske struktur har indflydelse på proteinbelastningen. En større proteinbelastningskapacitet end konventionel NPG er blevet vist for hb-NPG. Bimodal arkitektur giver en platform for proteininteraktion, kommunikation med substratet og passage for den lette strøm af proteinmolekyler. Materialetypen og dens morfologi påvirker, hvor mange bioaktive molekyler der kan indlæses i en elektrode. På grund af hierarkiet, som fremskynder bindingen af de fleste proteiner gennem elektrostatiske og fysiske kræfter, har hb-NPG en højere koncentration af immobiliserede proteiner15.

Selvom udviklingen af materialer med komplekse strukturelle designs er skredet markant frem, er der stadig nogle udfordringer. Kommercialisering kræver nye forberedelsesteknikker med færre processer og billigere produktion. Fremtidig forskning, der tackler spørgsmålet om masseproduktion og omhyggeligt analyserer in situ-udviklingsprocessen for hierarkiske strukturer, vil være interessant at arbejde på.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af en pris fra 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fang, M., Dong, G., Wei, R., Ho, J. C. Hierarchical nanostructures: design for sustainable water splitting. Advanced Energy Materials. 7 (23), 1700559 (2017).
  2. 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).
  3. Yang, X. -Y., et al. Hierarchically porous materials: synthesis strategies and structure design. Chemical Society Reviews. 46 (2), 481-558 (2017).
  4. Qi, Z., Weissmuller, J. Hierarchical nested-network nanostructure by dealloying. ACS Nano. 7 (7), 5948-5954 (2013).
  5. Sondhi, P., Stine, K. J. Methods to generate structurally hierarchical architectures in nanoporous coinage metals. Coatings. 11 (12), 1440-1456 (2021).
  6. 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).
  7. Bollella, P. Porous gold: A new frontier for enzyme-based electrodes. Nanomaterials. 10 (4), 722-740 (2020).
  8. Khan, R. K., Yadavalli, V. K., Collinson, M. M. Flexible nanoporous gold electrodes for electroanalysis in complex matrices. ChemElectroChem. 6 (17), 4660-4665 (2019).
  9. Sondhi, P., Stine, K. J. Electrodeposition of nanoporous gold thin films. in Nanofibers-Synthesis, Properties and Applications. , 1-21 (2020).
  10. 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).
  11. Biener, J., et al. Nanoporous plasmonic metamaterials. Advanced Materials. 20 (6), 1211-1217 (2008).
  12. 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).
  13. Zhu, C., et al. Toward digitally controlled catalyst architectures: Hierarchical nanoporous gold via 3D printing. Science Advances. 4 (8), (2018).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Ciabatti, I. Gold part-ing with nitric acid in gold-silver alloys. Substantia. 3 (1), 53-60 (2019).
  18. 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

Kemi udgave 192 hierarkisk bimodalt nanoporøst guld biosensor delegering porer ruhed glukoseregistrering effektivt overfladeareal

Erratum

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

Alsidig teknik til at producere et hierarkisk design i nanoporøst guld
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sondhi, P., Neupane, D., Bhattarai,… More

Sondhi, P., Neupane, D., Bhattarai, J. K., Ali, H., Demchenko, A. V., Stine, K. J. Versatile Technique to Produce a Hierarchical Design in Nanoporous Gold. J. Vis. Exp. (192), e65065, doi:10.3791/65065 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter