Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Veelzijdige techniek om een hiërarchisch ontwerp in nanoporeus goud te produceren

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

Nanoporeus goud met een hiërarchische en bimodale poriegrootteverdeling kan worden geproduceerd door elektrochemische en chemische transacties te combineren. De samenstelling van de legering kan worden gecontroleerd via EDS-SEM-onderzoek naarmate het dealloyingproces vordert. Het laadvermogen van het materiaal kan worden bepaald door eiwitadsorptie op het materiaal te bestuderen.

Abstract

Het potentieel om variabele poriegroottes te genereren, simplistische oppervlaktemodificatie en een breed scala aan commerciële toepassingen op het gebied van biosensoren, actuatoren, het laden en vrijgeven van geneesmiddelen, en de ontwikkeling van katalysatoren hebben ongetwijfeld het gebruik van nanoporeuze goud (NPG) -gebaseerde nanomaterialen in onderzoek en ontwikkeling versneld. Dit artikel beschrijft het proces van het genereren van hiërarchisch bimodaal nanoporeus goud (hb-NPG) door gebruik te maken van een stapsgewijze procedure met elektrochemische legering, chemische dealloyingtechnieken en gloeien om zowel macro- als mesopores te creëren. Dit wordt gedaan om het nut van NPG te verbeteren door een bicontinue vaste / leegte morfologie te creëren. Het gebied dat beschikbaar is voor oppervlaktemodificatie wordt versterkt door kleinere poriën, terwijl moleculair transport profiteert van het netwerk van grotere poriën. De bimodale architectuur, die het resultaat is van een reeks fabricagestappen, wordt gevisualiseerd met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM) als een netwerk van poriën die minder dan 100 nm groot zijn en door ligamenten verbonden zijn met grotere poriën die enkele honderden nanometers groot zijn. Het elektrochemisch actieve oppervlak van de hb-NPG wordt beoordeeld met behulp van cyclische voltammetrie (CV), met een focus op de kritische rollen die zowel dealloying als gloeien spelen bij het creëren van de benodigde structuur. De adsorptie van verschillende eiwitten wordt gemeten met behulp van oplossingsdepletietechniek, wat de betere prestaties van hb-NPG in termen van eiwitbelasting onthult. Door de oppervlakte- tot volumeverhouding te veranderen, biedt de gecreëerde hb-NPG-elektrode een enorm potentieel voor de ontwikkeling van biosensoren. Het manuscript bespreekt een schaalbare methode om hb-NPG-oppervlaktestructuren te creëren, omdat ze een groot oppervlak bieden voor de immobilisatie van kleine moleculen en verbeterde transportroutes voor snellere reacties.

Introduction

Vaak gezien in de natuur, zijn hiërarchische poreuze architecturen geïmiteerd op nanoschaal om de fysieke kenmerken van materialen te veranderen voor verbeterde prestaties1. Onderling verbonden structurele elementen van verschillende lengteschalen zijn een kenmerk van de hiërarchische architectuur van poreuze materialen2. Dealloyed nanoporeuze metalen hebben meestal unimodale poriegrootteverdelingen; Daarom zijn er meerdere technieken bedacht om hiërarchisch bimodale poreuze structuren te produceren met twee afzonderlijke poriegroottebereiken3. De twee fundamentele doelstellingen van de materiaalontwerpbenadering, namelijk het grote specifieke oppervlak voor functionalisering en snelle transportroutes, die verschillend zijn en inherent met elkaar in conflict zijn, worden vervuld door functionele materialen met structurele hiërarchie 4,5.

De prestaties van de elektrochemische sensor worden bepaald door de morfologie van de elektrode, omdat de poriegrootte van de nanomatrix cruciaal is voor moleculair transport en vangst. Kleine poriën blijken te helpen bij de identificatie van het doelwit in gecompliceerde monsters, terwijl grotere poriën de toegankelijkheid van het doelmolecuul verbeteren, waardoor het detectiebereik van de sensorwordt vergroot 6. De op sjablonen gebaseerde fabricage, galvaniseren, bottom-up synthetische chemie, dunne film sputterende depositie7, complexe flexibele matrices op basis van polydimethylsiloxaanondersteuning8, legering van verschillende metalen gevolgd door selectief etsen van het minder edele metaal, en elektrodepositie zijn enkele van de methoden die vaak worden gebruikt om nanostructuren in de elektrode te introduceren. Een van de beste methoden voor het creëren van poreuze structuren is de dealloying-procedure. Vanwege de ongelijkheid in oplossnelheden beïnvloedt het opofferingsmetaal, het minder edele metaal, de uiteindelijke morfologie van de elektrode aanzienlijk. Een onderling verbonden netwerk van poriën en ligamenten is het resultaat van het effectieve proces van het creëren van nanoporeuze goud (NPG) structuren, waarin de minder nobele component selectief oplost uit de startlegering en de resterende atomen reorganiseren en consolideren9.

De methode van dealloying/plating/re-dealloying die Ding en Erlebacher gebruikten om deze nanostructuren te maken, hield in dat eerst de voorloperlegering bestaande uit goud en zilver werd onderworpen aan chemische dealloying met behulp van salpeterzuur, gevolgd door verwarming bij een hogere temperatuur met een enkele poriegrootteverdeling om het bovenste hiërarchische niveau te creëren, en het verwijderen van het resterende zilver met behulp van een tweede dealloying om het lagere hiërarchische niveau te produceren. Deze methode was van toepassing op dunne films10. Het gebruik van ternaire legeringen, die bestaan uit twee relatief reactievere edelmetalen die één voor één worden weggeërodeerd, werd geadviseerd door Biener et al.; Cu en Ag werden aanvankelijk uit het Cu-Ag-Au-materiaal verwijderd, waardoor bimodaal gestructureerde NPG-monsters met lage dichtheid achterbleven11. Geordende structuren over lange afstand worden niet geproduceerd volgens de procedures die zijn beschreven met behulp van ternaire legeringen. Grotere poriën werden geproduceerd door een van de fasen van de masterlegering van Al-Au van Zhang et al. weg te halen, die de bimodale structuur produceerde met een minimale mate van orde12. Een geordende hiërarchische structuur is naar verluidt gecreëerd door verschillende lengteschalen te controleren, door het gebruik van verwerkingspaden die het demonteren van bulkmaterialen omvatten en het samenvoegen van basiscomponenten tot grotere structuren. In dit geval werd een hiërarchische NPG-structuur gemaakt via direct ink writing (DIW), legering en dealloying13.

Hier wordt een tweestaps dealloying-methode gepresenteerd voor het fabriceren van een hiërarchische bimodale nanoporeuze goud (hb-NPG) structuur met behulp van verschillende Au-Ag-legeringssamenstellingen. De hoeveelheid reactief element waaronder het dealen stopt, is in theorie de afscheidslimiet. De oppervlaktediffusiekinetiek wordt enigszins beïnvloed door de afscheidingslimiet of dealloyingdrempel, die meestal tussen 50 en 60 atomair percentage ligt voor elektrolytische oplossing van de meer reactieve component uit een binaire legering. Een grote atomaire fractie van Ag in de Au:Ag-legering is noodzakelijk voor de succesvolle synthese van hb-NPG, omdat zowel de elektrochemische als de chemische dealloyingprocessen niet met succes kunnen worden voltooid bij lage concentraties in de buurt van de afscheidsgrens14.

Het voordeel van deze methode is dat de structuur en poriegrootte strak gecontroleerd kunnen worden. Elke stap in het protocol is cruciaal voor het verfijnen van de typische porositeitslengteschaal en de typische afstand tussen ligamenten15. Om de snelheid van ioneninterfaciale diffusie en oplossing te regelen, wordt de toegepaste spanning zorgvuldig gekalibreerd. Om scheurvorming tijdens het dealen te voorkomen, wordt de Ag-oplossnelheid gecontroleerd.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Het construeren van een coating van nanoporeus goud met hiërarchische bimodale architectuur op gouddraden - Legering

  1. Monteer een elektrochemische cel in een bekerglas van 5 ml. Gebruik een op teflon gebaseerd deksel met drie gaten om de opstelling met drie elektroden te bevatten.
    OPMERKING: Teflon is een populair materiaal voor het maken van deksels, omdat het niet reageert met andere chemicaliën.
  2. Plaats een platinadraad tegenelektrode, een Ag/AgCl (verzadigde KCl) referentie-elektrode en een gouddraad met een diameter van 0,2 mm en een lengte van 5,0 mm die functioneert als een werkende elektrode (zie materiaaltabel) gemakkelijk in elk gat van het deksel. Houd een afstand van 0,7 cm aan tussen de werkelektrode en de tegenelektrode.
    OPMERKING: De lengte van de draad is 1 cm en na het knippen van de krokodillenclip is het blootgestelde deel dat in de oplossing gaat 0,5 cm. Het resterende deel wordt afgedekt met polytetrafluorethyleentape (zie materiaaltabel). Deze lengte wordt nauwkeurig gemeten met behulp van een schaal telkens wanneer het experiment wordt uitgevoerd. Het gouddraad wordt in verschillende stappen gereinigd voordat het in het onderzoek wordt gebruikt; Het wordt eerst ondergedompeld in geconcentreerd salpeterzuur, vervolgens gespoeld en gedoopt in piranha-oplossing en ten slotte ondergedompeld in natriumboorhydride. Deze sterke reagentia helpen bij het elimineren van onzuiverheden die zich aan de draad kunnen hechten.
  3. Bereid een 50 mM oplossing elk van K[Ag(CN)2] en K[Au(CN)2] (zie tabel met materialen) in water. Voeg 0,5 ml K[Au(CN)2]-oplossing en 4,5 ml K[Ag(CN)2]-zoutoplossing toe aan het bekerglas van 5 ml.
    LET OP: Wees voorzichtig bij het hanteren en afvoeren van cyanidezouten. Draag beschermende handschoenen, geschikte kleding, ademhalingsbescherming en oogbescherming tijdens het hanteren ervan en werk in een zuurkast. Cyanidezoutoplossingen moeten na afloop van het experiment worden verzameld en in een aparte, duidelijk gemarkeerde afvalcontainer worden geplaatst. Bij contact met zuren komen gevaarlijke dampen vrij. Om de ionische mobiliteit te behouden, wordt 0,25 M Na2CO3 toegevoegd aan de voorraad 40 mM-oplossingen van elk van de twee zouten.
  4. Meng de oplossing grondig door een magnetische roerstaaf in de elektrochemische cel te steken, met een constante roersnelheid van 300 tpm.
    OPMERKING: Controleer of de roerstaaf schoon is. Aqua regia kan worden gebruikt om het schoon te maken als er verontreinigingen zijn.
  5. Circuleer argongas door de oplossing met behulp van een 1/32 inch (in) binnendiameter, 5/32 in buitendiameter en 1/16 in wanddikte siliconenbuizen (zie materiaaltabel), die in de elektrochemische cel gaan om opgeloste zuurstof in de elektrolytoplossing te verwijderen.
    OPMERKING: Het lek in de setup wordt vermeden door het strak genoeg te maken.
  6. Verbind de potentiostat met behulp van krokodillenklemmen die aan de juiste elektroden worden geknipt zodra de elektrochemische cel volledig is geassembleerd.
    OPMERKING: Het is het beste om de clips te labelen met de naam van de elektrode waaraan ze worden bevestigd om verwarring te voorkomen.
  7. Gebruik de software (PowerSuite; zie Materiaaltabel) om elektrodepositie uit te voeren met behulp van chronoamperometrie na het inschakelen van de potentiostaat. Configureer de software met behulp van de gewenste parameters. Voor 600 s wordt de potentiaal getimed met een vaste waarde van -1,0 V15.
    OPMERKING: Laat het opstartproces vanzelf voltooien voordat u de parameters opgeeft. Aanvullend bestand 1 toont screenshots voor het gebruik van deze specifieke software.
  8. Druk op run en kies externe cel om de legeringsafzetting op de werkende elektrode te voltooien. Een dikke witte coating is te zien aan het einde van het proces.
    OPMERKING: Zorg ervoor dat de verbindingen veilig zijn en dat de oplossing gestaag roert. Als alles werkt zoals het hoort, schommelt de stroom tussen de 300 en 400 μA.

2. Het construeren van een coating van nanoporeus goud met hiërarchische bimodale architectuur op gouddraden - Dealloying

OPMERKING: Deze fase van het protocol is gebaseerd op de gedeeltelijke behandeling van de gelegeerde draden.

  1. Configureer de elektrochemische cel opnieuw, zoals in het vorige proces (stap 1.2), waarbij drie elektroden op 0,7 cm van elkaar worden gehouden in een elektrolytoplossing. Gebruik 4 ml 1 N salpeterzuur als elektrolytoplossing voor gedeeltelijke behandeling.
    OPMERKING: Omdat het elektrolyt wordt verdund, verwijdert het het minder nobele element, dat hier zilver is, niet volledig.
  2. Laat de roerstaaf draaien om de oplossing gelijkmatig te laten circuleren bij een constante snelheid van 300 tpm.
  3. Zodra de elektrochemische cel is ingesteld, bevestigt u de potentiostat met behulp van krokodillenklemmen die aan de juiste elektroden worden geknipt.
  4. Gebruik opnieuw de chronoamperometriesoftware, maar kies deze keer voor een potentiaal van 0,6 V voor 600 s.
  5. Druk op uitvoeren en selecteer vervolgens externe cel om het dealen van de gedeponeerde legering op de werkende elektrode te voltooien.
    OPMERKING: De kleur van de draad verandert na deze stap in grijszwart.

3. Het construeren van een coating van nanoporeus goud met hiërarchische bimodale architectuur op gouddraden - Gloeien

  1. Bewaar de gedealde draden in een glazen injectieflacon in de oven.
  2. Houd de temperatuur in de oven gedurende 3 uur op 600 °C.
    OPMERKING: De temperatuur en duur werden gekozen op basis van optimalisatiestudies, waaruit bleek dat lagere temperaturen de poriën niet verruwingen, terwijl hogere temperaturen en een langere tijd scheuren in de structuur veroorzaakten.
  3. Verwijder de injectieflacon nadat de procedure is voltooid en de oven is uitgeschakeld. Wacht tot de injectieflacon is afgekoeld tot kamertemperatuur.
    OPMERKING: De hete injectieflacon wordt met een tang uit de oven gehaald.

4. Het construeren van een coating van nanoporeus goud met hiërarchische bimodale architectuur op gouddraden - Dealloying

  1. Dompel de gedeeltelijk gegloeide draden onder in 4 ml geconcentreerd salpeterzuur.
    OPMERKING: Wanneer u het geconcentreerde zuur overbrengt in de glazen injectieflacon met de draden, moet u ervoor zorgen dat een glazen pipet wordt gebruikt.
  2. Laat de gedeeltelijk gegloeide draden in de glazen injectieflacon met het sterke salpeterzuur een nacht in de zuurkast zitten.
    OPMERKING: De dealloying-periode werd op 24 uur gehouden om volledige dealloying mogelijk te maken.
  3. Maak de hb-NPG-gecoate draden de volgende dag (figuur 1). Spoel deze grondig af met gedeïoniseerd water, gevolgd door een ethanolspoeling, voordat ze in volgende onderzoeken worden gebruikt. Gebruik na het drogen de draden in experimenten. Een nieuwe partij schone gouden draden wordt elke keer gebruikt om hb-NPG te bereiden.
    OPMERKING: Elke stap in de synthese is cruciaal om tot de bimodale structuur te komen. Als een van de stappen wordt overgeslagen, zal alleen een unimodale poriestructuur het resultaat zijn.

5. hb-NPG karakterisering

  1. Scanning elektronenmicroscoop (SEM)-monstervoorbereiding
    1. Zorg ervoor dat u een schone aluminium stomp gebruikt als basis voor monstervoorbereiding voor SEM-beeldvorming.
      OPMERKING: De stompen worden gereinigd met verdund salpeterzuur, gespoeld met ethanol, gedroogd en bewaard in een met paraffinefilm bedekte container voordat ze opnieuw worden gebruikt.
    2. Plaats een nieuw gesneden stuk koolstoftape over de platte basis van de aluminium stub.
    3. Knip met behulp van een pincet kleine stukjes hb-NPG-gecoate draad en hecht ze aan de koolstoftape.
      OPMERKING: Zorg ervoor dat de draad voorzichtig wordt vastgepakt met een pincet om te voorkomen dat de coating loskomt.
    4. Schik de gesneden stukken horizontaal om hun morfologie onder een SEM te onthullen (zie Materiaaltabel); stukken die verticaal zijn gerangschikt, kunnen de dikte van het materiaal onthullen dat op de gouddraad is afgezet (figuur 2).
      OPMERKING: Als de elektrode vocht bevat, raakt de kamer verontreinigd, wat resulteert in wazige beelden. Plaats de elektrode daarom een nacht in een vacuüm voordat u SEM-beeldvorming uitvoert.
  2. SEM-kamer opgezet
    1. Ontlucht de kamer met behulp van de optie "vent" van de software "XT-microscoop" om de kamerdeur eenvoudig te openen.
      OPMERKING: De "XT-microscoop" -software wordt geleverd met het SEM-systeem. De kamer moet eerst volledig worden geventileerd voordat de deur soepel kan worden geopend, wat meestal 3-5 minuten duurt. In adiition moet de druk van de stikstofgasfles lager zijn dan 5 psi. Aanvullend bestand 1 toont screenshots voor het gebruik van deze specifieke software.
    2. Met behulp van de gebogen voorkant van een speciaal pincet pakt u de ronde aluminium stomp stevig vast, steekt u het schone monster dat eerder op de stomp was geplaatst in de kamer en plaatst u het op de monstertrap.
      OPMERKING: Zorg ervoor dat het podium schoon is; als er gemorst wordt, dan af met aceton en een pluisvrij doekje (zie Materiaaltabel).
    3. Selecteer de optie "pomp" nadat u het monster in de kamer hebt geplaatst om een vacuümachtige omgeving te produceren.
      OPMERKING: Het duurt ongeveer 3 minuten om de kamer te pompen. Voordat de balk wordt ingeschakeld, moet de gebruiker wachten tot het pompen is voltooid.
    4. Klik met behulp van de navigatiecamera op de realtime afbeelding om de exacte locatie van het monster te observeren.
  3. Beeldvorming van het monster
    1. Schakel de straal in eerste instantie in om een afbeelding van het monster vast te leggen.
      OPMERKING: Voordat u de balk inschakelt, moet u ervoor zorgen dat het systeem is gestofzuigd.
    2. Als u de voorbeeldafbeelding van de verzamelde afbeelding van de navigatiecamera naar het midden van het scherm wilt brengen en de focus wilt verscherpen, dubbelklikt u erop.
    3. Zorg ervoor dat de beelden worden geproduceerd met behulp van beeldvorming met de compatibele software en de Everhart-Thornley-detector (ETD). Het optimaliseren van de spotgrootte, scansnelheid en potentie is noodzakelijk.
      OPMERKING: Beginnen met een lager potentieel en spotgrootte voordat je omhoog gaat, is altijd veelbelovend.
    4. Stel de podiumafstand van de bundelbron in op 10 mm.
      OPMERKING: Om de afstand tussen het podium en de bron nauwkeurig te meten; het systeem moet worden gefocust en verbonden met de Z-as.
    5. Als u meer wilt weten over de architectuur die op een lagere schaal aanwezig is, verhoogt u de vergroting na het verkrijgen van een scherpgesteld beeld bij de onderste vergroting (figuur 3).
      OPMERKING: Elk niveau van de vergrotingstoename vereist focus.
  4. SEM en energy dispersive spectroscopy (EDS) voor elementaire samenstelling van het monster
    1. Door de kleur SEM-optie in de software te kiezen, bepaalt u de elementaire samenstelling van het materiaal (figuur 4). Het wijst automatisch verschillende kleuren toe aan de verschillende elementen van het monster. Het is echter ook mogelijk om kleuren en elementen handmatig te kiezen.
      OPMERKING: Het is cruciaal om de elementaire samenstellingsanalysegrafiek en de atomaire percentages van de elementen te onderzoeken om keuzes met een atomair percentage van 0 uit te sluiten.
    2. Door de EDS-detector in te brengen, onderwerpt u het bestudeerde monster aan energiedispersieve röntgenspectroscopie. Gebruik 15 kV potentiaal en een spotgrootte van 12 voor het verzamelen van de EDS-gegevens.
      OPMERKING: Nadat u op de invoegknop hebt gedrukt, wordt op het scherm de geplaatste detector in realtime weergegeven.
    3. Controleer of het programma het mogelijk maakt om kleine vakjes te maken om afzonderlijke gebieden op het voorbeeldafbeeldingsscherm te selecteren, om informatie te verzamelen voor de elementaire compositie.
      OPMERKING: Voor nauwkeurige statistieken moeten er tussen de 50 en 100.000 tellingen zijn. In het deelvenster wordt de algemene status van de verzamelde gegevens weergegeven. Aan het einde wordt een rapport opgesteld.

6. Cyclische voltammetrie (CV) voor elektrochemisch actief oppervlak

  1. Voer de goudoxidestripmethode uit, waarbij handmatig een elektrochemische cel wordt ingesteld met de referentie-elektrode, tegenelektrode en werkelektrode ondergedompeld in een elektrolyt.
    OPMERKING: Voor deze studie dient Pt-draad als de tegenelektrode, hb-NPG is de werkende elektrode en Ag / AgCl dient als de referentie-elektrode. Zwavelzuur, 0,5 N, dient als elektrolyt. Het wordt aanbevolen om de referentie- en tegenelektroden vóór gebruik in verdund salpeterzuur te reinigen. Vermijd bovendien hergebruik van de elektrolyt.
  2. Zodra de verbindingen met de potentiostaat zijn gemaakt, selecteert u de CV-optie in het programma en configureert u de parameters. Herstel het potentiaalbereik van -0,2-1,6 V (figuur 5) en terug naar -0,2 V (vs. Ag/AgCl) samen met een scansnelheid van 100 mV/s.
    OPMERKING: Roeren is niet nodig.
  3. Klik op de knop Uitvoeren om de cyclische scan uit te voeren. Zorg ervoor dat de omgekeerde scan een merkbare piek onthult. Met behulp van de gerapporteerde conversiefactor van 400 μC cm-2, integreert u de lading onder de piek afkomstig van de reductie van de goudoxidemonolaag om het elektrochemische oppervlak van de hb-NPG-draad te bepalen.
    OPMERKING: De raaklijn moet correct worden getrokken om de lading onder de piek goed te integreren.
  4. Voer een identieke reeks experimenten uit op chemisch gedealeerde draad en na het combineren van chemische en elektrochemische dealloying op de Au: Ag (10:90) gelegeerde draad, om de cruciale betekenis van dual dealloying-procedures te begrijpen.

7. Oplossingsdepletietechniek om eiwitbelasting te bestuderen

  1. Om de real-time belasting van eiwitmoleculen op het hb-NPG-oppervlak te bestuderen, gebruikt u een ultraviolet-zichtbare (UV-vis) spectrofotometer (zie Tabel met materialen).
    OPMERKING: In deze studie werden eiwitoplossingen van fetuin, runderserumalbumine (BSA) en mierikswortelperoxidase (HRP) (zie materiaaltabel) afzonderlijk bereid in concentraties van respectievelijk 1 mg / ml, 0, 5 mg / ml en 1 mg / ml in een 0,01 M (pH = 7,4) fosfaat gebufferde zoutoplossing (PBS) buffer. Het is cruciaal om een buffer en pH te selecteren die de eiwitstabiliteit behouden.
  2. Voer de basislijncorrectie alleen uit met behulp van de buffer. Kies de parameters van de software, inclusief golflengte, tijd en snelheid, nadat de correctie is aangebracht. Plaats vervolgens 500 μL van de eiwitoplossing in de cuvette.
  3. Zorg ervoor dat de real-time eiwitmonitoring begint na het toevoegen van hb-NPG aan de oplossing. Controleer de verandering in absorptie na elke minuut gedurende 120 minuten bij 280 nm na het indrukken van de startknop (figuur 6).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De ligamentgrootte en aanpassingen tussen ligamenten zijn van het grootste belang voor de gefabriceerde elektrode. Het creëren van een structuur met poriën van twee grootte door de Au / Ag-verhoudingen te optimaliseren, is de eerste stap in deze studie, samen met de karakterisering met behulp van oppervlaktemorfologie, ruwheidsfactor en laadcapaciteit. In vergelijking met conventionele NPG heeft de bimodale poriestructuur een hoger elektrochemisch oppervlak, ruwheidsfactor en eiwitbelastingscapaciteitaangetoond 15.

hb-NPG heeft een open, verbonden netwerk van ligamenten en poriën aangetoond na chemische handel. Hier worden grotere gaten aangegeven door een hogere hiërarchie en een lagere hiërarchie duidt op kleinere poriën. Figuur 3 toont SEM-beelden van de elektrode met een hiërarchische bimodale structuur. Figuur 4 illustreert kleurgecodeerde elementaire mapping voor elke stap van de creatie van hb-NPG, waarbij rood en geel respectievelijk zilver en goud aanduiden. SEM's vermogen om verschillende kleuren toe te wijzen aan verschillende secties is een handige functie in het instrument.

De verhouding tussen het elektrochemisch actieve oppervlak (ECSA) en het geometrische oppervlak levert voor elke elektrode een ruwheidsfactor op. Gebruikmakend van de lading onder de goudoxidereductiepiek, werd CV gebruikt om de ECSA te beoordelen, en 7,64 cm2 wordt ontdekt als de hb-NPG ECSA15.

Figure 1
Figuur 1: Hiërarchische bimodale elektrode (hb-NPG) na het meerstaps fabricageproces. De hb-NPG coating op de gouddraad na de voltooiing van legering-dealloying-annealing-dealloying is hier afgebeeld. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: Monstervoorbereiding voor SEM. Elektroden worden gemonteerd op koolstoftape die op aluminium stompen wordt geplaatst. Het monster wordt vervolgens in de beeldvormingskamer geladen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: SEM-micrografie met de bimodale structuur bestaande uit grotere en kleinere poriegroottes. De beelden zijn gemaakt met 15 kV en een spotgrootte van 10. (A) Bovenste hiërarchie in de vorm van grotere poriën bij 20.000x (schaalbalk: 5 μm). (B) Lagere hiërarchie met nanoporiën bij een hogere vergroting van 80.000x (schaalbalk: 2 μm). Deze figuur is gereproduceerd met toestemming van Sondhi et al.15. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: SEM-micrografieën met de kleurgecodeerde elementaire mapping die na elke fabricagestap wordt uitgevoerd. SEM van de volgende structuren met kleurgecodeerde elementen (Au, geel; en Ag, rood): (A) Au10:Ag 90-legering, (B) elektrochemisch behandeld, (C) gegloeid, (D) hiërarchische nanoporeuze structuur na de laatste chemische dealloying-stap. Au x:Ag100-x staat voor de legering van goud en zilver, waarbijx het atoompercentage van goud in de legering is. Deze figuur is gereproduceerd met toestemming van Sondhi et al.15. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: Cyclische voltammogrammen die het elektroactieve oppervlak van de elektroden vergelijken. De curve weergegeven als een inzet (blauw) geeft het CV van de Au10:Ag90 legering weer. De structuur die ontstaat door chemische dealloying vertoont een kleine goudoxidereductie (rode curve) piek. De bimodale structuur met chemische en elektrochemische dealloying vertoont een veel meer uitgesproken goudoxidereductiepiek (groen), wat wijst op een toename van het oppervlak. CV werd uitgevoerd met behulp van een potentiële scan van -0,2-1,6 V. Deze figuur is gereproduceerd met toestemming van Sondhi et al.15. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: Absorptie versus tijdgrafiek met real-time eiwitbelasting. Real-time immobilisatie van BSA, fetuin en HRP op NPG-elektroden wordt weergegeven in (A), (C) en (E), terwijl op hb-NPG wordt afgebeeld in (B), (D) en (F). Verandering in absorptie en het aantal geïmmobiliseerde moleculen wordt gedurende 120 minuten gevolgd. De absorptie werd na elke 60 s geregistreerd. Het gemiddelde van de drie metingen is weergegeven in de grafiek. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Aanvullend bestand 1: Gebruikershandleiding voor de eenvoudige bediening van twee stukjes software die worden gebruikt in het fabricage- en karakteriseringsproces van de hb-NPG. Screenshots die de stapsgewijze procedure uitleggen om "PowerSuite" en "XT-microscoop" te gebruiken. Pijlen die in het stroomdiagram worden gebruikt, wijzen naar de volgende stap van de bewerking. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Met behulp van een meerstappenprocedure met legering, gedeeltelijke dealloying, thermische behandeling en zuuretsen wordt het hiërarchisch fabriceren van NPG met poriën van twee grootte en een groter actief elektrochemisch oppervlak gedemonstreerd.

Bij legering beïnvloedt het standaardpotentiaal van metaalprecursoren hoe reactief ze zijn tijdens elektrodepositie. Au- en Ag-ionen uit vloeibare oplossingen worden gereduceerd tijdens elektrodepositie16,17.

De volgende halfcellige reacties17 tonen de elektrochemische oplossing van goud- en zilvercyanidezoutoplossingen:

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

E0 = -1060 mV vs. SCE

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

E0 = -1198 mV vs. SCE

De volgende parallelle processen bepalen meestal hoe zilver wordt geoxideerd door salpeterzuur in de dealloying stap18.

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

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

De impact van veranderingen in de procesparameters op de elektrochemische prestaties van de elektrode wordt goed besproken. Er werd ontdekt dat een NPG-elektrode met een bimodale poriestructuur, gemaakt van een goud- en zilverlegering met een hoog atoompercentage zilver en gegloeid bij 600 ° C gedurende 3 uur, poriën van twee grootte bevat die een grotere eiwitbelasting mogelijk maken dan een conventionele elektrode met nanoporiën. In vergelijking met andere nanoporeuze elektroden biedt het onderling verbonden netwerk van de structuur ook een hoge efficiëntie van massaoverdracht, waardoor de prestaties op het gebied van activiteit en gevoeligheid worden verbeterd15.

De onderling verbonden ligamenten die de zeer actieve, laaggecoördineerde atomen verbinden die de bovenste hiërarchie van de hiërarchische elektrode vormen, hebben een afmeting van 938 ± 285 nm. De toepassing van de elektrode op het gebied van katalyse wordt verbeterd door de afmetingen van het ligament dat het produceert. Een ligamentbreedte van 51 ± 5 nm, een kenmerk van lagere hiërarchische structuren, verbetert het vermogen van de elektrode om bioactieve stoffen te immobiliseren. Het gecreëerde materiaal heeft veel potentieel voor toepassingen zoals katalyse en detectie, die snelle detectie van grotere moleculen en gemakkelijke doorgang voor die grotere moleculen vereisen15.

Het grote oppervlak en de hiërarchische structuur van de elektroden hebben invloed op de eiwitbelasting. Een grotere eiwitlaadcapaciteit dan conventionele NPG is aangetoond voor hb-NPG. Bimodale architectuur biedt een platform voor eiwitinteractie, communicatie met het substraat en doorgang voor de gemakkelijke stroom van eiwitmoleculen. Het type materiaal en de morfologie ervan beïnvloeden hoeveel bioactieve moleculen in een elektrode kunnen worden geladen. Vanwege de hiërarchie, die de binding van de meeste eiwitten versnelt door elektrostatische en fysieke krachten, heeft de hb-NPG een hogere concentratie geïmmobiliseerde eiwitten15.

Hoewel de ontwikkeling van materialen met complexe structurele ontwerpen aanzienlijk is gevorderd, zijn er nog steeds enkele uitdagingen. Commercialisering vraagt om nieuwe bereidingstechnieken met minder processen en goedkopere productie. Toekomstig onderzoek dat het probleem van massa-output aanpakt en het in situ ontwikkelingsproces van hiërarchische structuren zorgvuldig analyseert, zal interessant zijn om aan te werken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd ondersteund door een prijs van het 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

Chemie hiërarchisch bimodaal nanoporeus goud biosensor dealloying poriën ruwheid glucosedetectie effectief oppervlak

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

Veelzijdige techniek om een hiërarchisch ontwerp in nanoporeus goud te produceren
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