Technique polyvalente pour produire un design hiérarchique en or nanoporeux

Summary

L’or nanoporeux avec une distribution hiérarchique et bimodale de la taille des pores peut être produit en combinant le désalliage électrochimique et chimique. La composition de l’alliage peut être surveillée via un examen EDS-SEM à mesure que le processus de désalliage progresse. La capacité de charge du matériau peut être déterminée en étudiant l’adsorption des protéines sur le matériau.

Abstract

Le potentiel de générer des tailles de pores variables, une modification simpliste de la surface et un large éventail d’utilisations commerciales dans les domaines des biocapteurs, des actionneurs, du chargement et de la libération de médicaments et du développement de catalyseurs ont incontestablement accéléré l’utilisation de nanomatériaux à base d’or nanoporeux (NPG) dans la recherche et le développement. Cet article décrit le processus de génération d’or nanoporeux bimodal hiérarchique (hb-NPG) en utilisant une procédure par étapes impliquant l’alliage électrochimique, les techniques de désalliage chimique et le recuit pour créer à la fois des macropores et des mésopores. Ceci est fait pour améliorer l’utilité de NPG en créant une morphologie solide / vide bicontinue. La zone disponible pour la modification de surface est améliorée par des pores plus petits, tandis que le transport moléculaire bénéficie du réseau de pores plus grands. L’architecture bimodale, qui est le résultat d’une série d’étapes de fabrication, est visualisée à l’aide de la microscopie électronique à balayage (MEB) comme un réseau de pores de moins de 100 nm et reliés par des ligaments à des pores plus grands de plusieurs centaines de nanomètres. La surface électrochimiquement active du hb-NPG est évaluée à l’aide de la voltampérométrie cyclique (CV), en mettant l’accent sur les rôles critiques que jouent le désalliage et le recuit dans la création de la structure nécessaire. L’adsorption de différentes protéines est mesurée par la technique de déplétion en solution, révélant la meilleure performance de hb-NPG en termes de charge protéique. En modifiant le rapport surface/volume, l’électrode hb-NPG créée offre un potentiel énorme pour le développement de biocapteurs. Le manuscrit traite d’une méthode évolutive pour créer des structures de surface hb-NPG, car elles offrent une grande surface pour l’immobilisation de petites molécules et des voies de transport améliorées pour des réactions plus rapides.

Introduction

Souvent vues dans la nature, les architectures poreuses hiérarchiques ont été imitées à l’échelle nanométrique pour modifier les caractéristiques physiques des matériaux afin d’améliorer les performances¹. Les éléments structurels interconnectés de différentes échelles de longueur sont une caractéristique de l’architecture hiérarchique des matériaux poreux². Les métaux nanoporeux désalliés ont généralement des distributions unimodales de la taille des pores; Par conséquent, de multiples techniques ont été conçues pour produire des structures poreuses hiérarchiquement bimodales avec deux gammes de tailles de pores distinctes³. Les deux objectifs fondamentaux de l’approche de conception des matériaux, à savoir la grande surface spécifique pour la fonctionnalisation et les voies de transport rapides, qui sont distinctes et intrinsèquement en conflit l’un avec l’autre, sont remplis par des matériaux fonctionnels possédant une hiérarchie structurelle ^4,5.

Les performances du capteur électrochimique sont déterminées par la morphologie de l’électrode, car la taille des pores de la nanomatrice est cruciale pour le transport moléculaire et la capture. On a découvert que les petits pores facilitent l’identification de la cible dans des échantillons compliqués, tandis que les pores plus grands améliorent l’accessibilité de la molécule cible, augmentant ainsi la portée de détection^{du capteur 6}. La fabrication basée sur des modèles, la galvanoplastie, la chimie synthétique ascendante, le dépôt de pulvérisation cathodique en couche mince⁷, les matrices flexibles complexes basées sur le support de polydiméthylsiloxane⁸, l’alliage de divers métaux suivi de la gravure sélective du métal moins noble et l’électrodéposition sont quelques-unes des méthodes fréquemment utilisées pour introduire des nanostructures dans l’électrode. L’une des meilleures méthodes pour créer des structures poreuses est la procédure de désalliage. En raison de la disparité des taux de dissolution, le métal sacrificiel, qui est le métal le moins noble, influence considérablement la morphologie finale de l’électrode. Un réseau interconnecté de pores et de ligaments résulte du processus efficace de création de structures d’or nanoporeux (NPG), dans lequel le composant moins noble se dissout sélectivement de l’alliage de départ, et les atomes restants se réorganisent et se consolident⁹.

La méthode de désalliage/placage/réalliage utilisée par Ding et Erlebacher pour fabriquer ces nanostructures consistait d’abord à soumettre l’alliage précurseur composé d’or et d’argent à un désalliage chimique à l’aide d’acide nitrique, puis à chauffer à une température plus élevée avec une seule distribution de taille de pores pour créer le niveau hiérarchique supérieur, et à éliminer l’argent restant à l’aide d’un deuxième désalliage pour produire le niveau hiérarchique inférieur. Cette méthode était applicable aux couches minces¹⁰. Biener et al. ont conseillé d’utiliser des alliages ternaires, qui sont composés de deux métaux nobles comparativement plus réactifs qui sont érodés un à la fois; Le Cu et l’Ag ont d’abord été retirés du matériau Cu-Ag-Au, laissant derrière eux des échantillons de NPG de faible densité à structure bimodale¹¹. Les structures ordonnées à longue portée ne sont pas produites par les procédures décrites en utilisant des alliages ternaires. Des pores plus grands ont été produits en extrayant l’une des phases de l’alliage maître d’Al-Au employé par Zhang et al., qui a produit la structure bimodale avec un degré minimal d’ordre¹². Une structure hiérarchique ordonnée aurait été créée en contrôlant plusieurs échelles de longueur, grâce à l’utilisation de voies de traitement qui comprennent le désassemblage de matériaux en vrac et l’assemblage de composants de base dans des structures plus grandes. Dans ce cas, une structure NPG hiérarchique a été réalisée par écriture directe à l’encre (DIW), alliage et désalliage¹³.

Ici, une méthode de désalliage en deux étapes pour la fabrication d’une structure hiérarchique bimodale d’or nanoporeux (hb-NPG) utilisant diverses compositions d’alliage Au-Ag est présentée. La quantité d’élément réactif en dessous de laquelle le déalliage s’arrête est, en théorie, la limite de séparation. La cinétique de diffusion de surface est légèrement affectée par la limite de séparation ou le seuil de désalliage, qui est généralement compris entre 50 et 60 % atomiques pour la dissolution électrolytique du composant le plus réactif d’un alliage binaire. Une grande fraction atomique d’Ag dans l’alliage Au:Ag est nécessaire pour la synthèse réussie de hb-NPG, car les processus de désalliage électrochimique et chimique ne peuvent pas être achevés avec succès à de faibles concentrations proches de la limite de séparation¹⁴.

L’avantage de cette méthode est que la structure et la taille des pores peuvent être étroitement contrôlées. Chaque étape du protocole est cruciale pour affiner l’échelle de longueur de porosité typique et la distance typique entre les ligaments¹⁵. Pour réguler le taux de diffusion et de dissolution interfaciale des ions, la tension appliquée est soigneusement calibrée. Pour éviter la fissuration pendant le désalliage, la vitesse de dissolution de l’Ag est contrôlée.

Protocol

1. Construction d’un revêtement d’or nanoporeux avec une architecture bimodale hiérarchique sur des fils d’or - Alliage

1. Assembler une cellule électrochimique dans un bécher de 5 mL. Utilisez un couvercle à base de téflon avec trois trous pour contenir la configuration à trois électrodes.
   REMARQUE: Le téflon est un matériau populaire pour la fabrication de couvercles, car il ne réagit pas avec d’autres produits chimiques.
2. Placez une contre-électrode en fil de platine, une électrode de référence Ag/AgCl (KCl saturée) et un fil d’or d’un diamètre de 0,2 mm et d’une longueur de 5,0 mm fonctionnant comme une électrode de travail (voir le tableau des matériaux) commodément dans chaque trou du couvercle. Maintenez une distance de 0,7 cm entre l’électrode de travail et la contre-électrode.
   REMARQUE: La longueur du fil est de 1 cm, et après avoir clipsé la pince crocoditrice, la partie exposée entrant dans la solution est de 0,5 cm. La partie restante est recouverte d’un ruban de polytétrafluoroéthylène (voir le tableau des matières). Cette longueur est mesurée avec précision à l’aide d’une échelle chaque fois que l’expérience est effectuée. Le fil d’or est nettoyé en plusieurs étapes avant d’être utilisé dans l’étude; Il est d’abord immergé dans de l’acide nitrique concentré, puis rincé et trempé dans une solution de piranha, et enfin immergé dans du borohydrure de sodium. Ces réactifs puissants aident à éliminer toutes les impuretés qui pourraient adhérer au fil.
3. Préparer une solution de 50 mM de K[Ag(CN)2] et de K[Au(CN)₂] (voir le tableau des matières) dans l’eau. Ajouter 0,5 mL de solution de K[Au(CN)2] et 4,5 mL de solution de sel de K[Ag(CN)₂] dans le bécher de 5 mL.
   ATTENTION : Soyez prudent lorsque vous manipulez et éliminez des sels de cyanure. Portez des gants de protection, des vêtements appropriés, une protection respiratoire et une protection oculaire lorsque vous le manipulez, et travaillez dans une hotte. Les solutions de sel de cyanure doivent être collectées une fois l’expérience terminée et placées dans un conteneur à déchets séparé et clairement identifié. Au contact d’acides, des fumées dangereuses sont libérées. Pour préserver la mobilité ionique, 0,25 M_Na2CO3est ajouté aux solutions mères de 40 mM de chacun des deux sels.
4. Bien mélanger la solution en insérant une barre d’agitation magnétique dans la cellule électrochimique, à une vitesse d’agitation constante de 300 tr/min.
   REMARQUE: Vérifiez que la barre d’agitation est propre. Aqua regia peut être utilisé pour le nettoyer s’il y a des contaminants.
5. Faire circuler l’argon gazeux à travers la solution à l’aide d’un tube en silicone de 1/32 pouce (po), 5/32 po de diamètre extérieur et 1/16 po de paroi d’épaisseur (voir le tableau des matériaux), en allant à l’intérieur de la cellule électrochimique pour éliminer tout oxygène dissous dans la solution électrolytique.
   REMARQUE: La fuite dans la configuration est évitée en la rendant suffisamment serrée.
6. Connectez le potentiostat à l’aide de pinces crocodiles qui sont clipsées aux électrodes appropriées une fois la cellule électrochimique complètement assemblée.
   REMARQUE: Il est préférable d’étiqueter les clips avec le nom de l’électrode à laquelle ils seront attachés afin d’éviter toute confusion.
7. Utilisez le logiciel (PowerSuite; voir Tableau des matériaux) pour effectuer une électrodéposition à l’aide de la chronoampérométrie après avoir allumé le potentiostat. Configurez le logiciel à l’aide des paramètres souhaités. Pendant 600 s, le potentiel est chronométré avec une valeur fixe de -1,0 V¹⁵.
   Remarque : laissez le processus de démarrage se terminer par lui-même avant de spécifier les paramètres. Le fichier supplémentaire 1 montre des captures d’écran pour l’utilisation de ce logiciel spécifique.
8. Appuyez sur Run et choisissez la cellule externe pour terminer le dépôt de l’alliage sur l’électrode de travail. Un épais revêtement blanc est visible à la fin du processus.
   REMARQUE: Assurez-vous que les connexions sont sécurisées et que la solution remue régulièrement. Si tout fonctionne comme il se doit, le courant oscille entre 300 et 400 μA.

2. Construction d’un revêtement d’or nanoporeux avec une architecture bimodale hiérarchique sur des fils d’or - Déalliage

NOTE: Cette phase du protocole est basée sur le désalliage partiel des fils alliés.

1. Configurez à nouveau la cellule électrochimique, comme dans le processus précédent (étape 1.2), dans lequel trois électrodes sont maintenues à 0,7 cm l’une de l’autre dans une solution d’électrolyte. Utiliser 4 mL d’acide nitrique 1 N comme solution électrolytique pour le désalliage partiel.
   REMARQUE: Parce que l’électrolyte est dilué, il n’élimine pas complètement l’élément moins noble, qui est ici l’argent.
2. Laissez la barre d’agitation en marche pour faire circuler uniformément la solution à une vitesse constante de 300 tr/min.
3. Une fois la cellule électrochimique installée, fixez le potentiostat à l’aide de pinces crocodiles qui sont clipsées aux bonnes électrodes.
4. Utilisez à nouveau le logiciel de chronoampérométrie, mais choisissez cette fois un potentiel de 0,6 V pour 600 s.
5. Appuyez sur Exécuter, puis sélectionnez la cellule externe pour terminer le désalliage de l’alliage déposé sur l’électrode de travail.
   REMARQUE: La couleur du fil passe au gris-noir après cette étape.

3. Construction d’un revêtement d’or nanoporeux avec une architecture bimodale hiérarchique sur des fils d’or - Recuit

1. Conservez les fils déalliés dans un flacon en verre à l’intérieur du four.
2. Maintenir la température dans le four à 600 °C pendant 3 h.
   REMARQUE: La température et la durée ont été choisies en fonction d’études d’optimisation, qui ont montré que des températures plus basses ne grossissaient pas les pores, tandis que des températures plus élevées et un temps plus long causaient des fissures dans la structure.
3. Retirez le flacon une fois la procédure terminée et le four éteint. Attendez que le flacon refroidisse à température ambiante.
   REMARQUE: Le flacon chaud est retiré du four à l’aide d’un jeu de pinces.

4. Construction d’un revêtement d’or nanoporeux avec une architecture bimodale hiérarchique sur des fils d’or - Déalliage

1. Immerger les fils partiellement désalliés-recuits dans 4 mL d’acide nitrique concentré.
   REMARQUE: Lors du transfert de l’acide concentré dans le flacon en verre contenant les fils, assurez-vous qu’une pipette en verre est utilisée.
2. Laissez les fils partiellement désalliés-recuits dans le flacon en verre contenant l’acide nitrique fort dans la hotte pendant la nuit.
   NOTE: La période de désalliage a été maintenue à 24 heures pour permettre un désalliage complet.
3. Créez les fils revêtus de hb-NPG le lendemain (Figure 1). Rincez-les abondamment à l’eau désionisée, puis rincez à l’éthanol avant de les utiliser dans des études ultérieures. Après séchage, utilisez les fils dans des expériences. Un nouveau lot de fils d’or propres est utilisé à chaque fois pour préparer hb-NPG.
   NOTE: Chaque étape de la synthèse est cruciale pour arriver à la structure bimodale. Si l’une des étapes est ignorée, seule une structure poreuse unimodale en résultera.

5. Caractérisation hb-NPG

1. Préparation d’échantillons au microscope électronique à balayage (MEB)
   1. Assurez-vous d’utiliser un talon en aluminium propre comme base pour la préparation des échantillons pour l’imagerie SEM.
      REMARQUE: Les souches sont nettoyées avec de l’acide nitrique dilué, rincées à l’éthanol, séchées et conservées dans un récipient recouvert d’un film de paraffine avant d’être réutilisées.
   2. Placez un morceau de ruban de carbone nouvellement coupé sur la base plate du talon d’aluminium.
   3. À l’aide d’une pince à épiler, coupez de petits morceaux de fil enduit de hb-NPG et collez-les au ruban de carbone.
      REMARQUE: Assurez-vous que le fil est doucement saisi avec une pince à épiler pour empêcher le revêtement de se détacher.
   4. Disposer les morceaux coupés horizontalement pour révéler leur morphologie sous un MEB (voir Tableau des matériaux); des pièces disposées verticalement peuvent révéler l’épaisseur du matériau déposé sur le fil d’or (Figure 2).
      REMARQUE: Si l’électrode a de l’humidité, la chambre sera contaminée, ce qui entraînera des images brumeuses. Par conséquent, placez l’électrode dans le vide pendant la nuit avant d’effectuer l’imagerie SEM.
2. Mise en place de la chambre SEM
   1. Ventilez la chambre en utilisant l’option « vent » du logiciel « XT microscope » pour ouvrir facilement la porte de la chambre.
      REMARQUE: Le logiciel « XT microscope » est livré avec le système SEM. La chambre doit d’abord être entièrement ventilée avant que la porte puisse être ouverte en douceur, ce qui prend généralement 3 à 5 minutes. En outre, la pression de la bouteille d’azote gazeux doit être inférieure à 5 psi. Le fichier supplémentaire 1 montre des captures d’écran pour l’utilisation de ce logiciel spécifique.
   2. À l’aide de la face avant incurvée d’une pince spéciale, saisissez fermement le talon circulaire en aluminium, insérez l’échantillon propre qui a été précédemment placé sur le talon dans la chambre et placez-le sur l’étape de l’échantillon.
      NOTE: Assurez-vous que la scène est propre; s’il y a des déversements, supprimez-les avec de l’acétone et une lingette non pelucheuse (voir le tableau des matériaux).
   3. Sélectionnez l’option « pompe » après avoir placé l’échantillon à l’intérieur de la chambre pour produire un environnement semblable au vide.
      REMARQUE: Il faut environ 3 minutes pour pomper la chambre. Avant d’allumer le faisceau, l’utilisateur doit attendre la fin du pompage.
   4. À l’aide de la caméra de navigation, cliquez sur l’image en temps réel pour observer l’emplacement précis de l’échantillon.
3. Imagerie de l’échantillon
   1. Allumez initialement le faisceau pour capturer une image de l’échantillon.
      REMARQUE: Avant d’allumer le faisceau, assurez-vous que le système est aspiré.
   2. Pour amener l’exemple d’image de l’image collectée par la caméra de navigation au centre de l’écran et accentuer la mise au point, double-cliquez dessus.
   3. Assurez-vous que les images sont produites à l’aide de l’imagerie avec le logiciel compatible et le détecteur Everhart-Thornley (ETD). L’optimisation de la taille du spot, de la fréquence de balayage et du potentiel est nécessaire.
      REMARQUE: Commencer par un potentiel plus faible et une taille de point avant de monter est toujours prometteur.
   4. Réglez la distance de la scène de la source du faisceau à 10 mm.
      NOTE: Pour mesurer avec précision la distance entre la scène et la source; le système doit être focalisé et connecté à l’axe Z.
   5. Pour en savoir plus sur l’architecture présente à une échelle inférieure, augmentez l’agrandissement après avoir obtenu une image focalisée à l’agrandissement inférieur (Figure 3).
      REMARQUE: Chaque niveau de l’augmentation du grossissement nécessite une mise au point.
4. MEB et spectroscopie dispersive d’énergie (EDS) pour la composition élémentaire de l’échantillon
   1. En choisissant l’option de couleur SEM dans le logiciel, déterminez la composition élémentaire du matériau (Figure 4). Il attribue automatiquement diverses couleurs aux différents éléments de l’échantillon. Cependant, il est également possible de choisir les couleurs et les éléments manuellement.
      REMARQUE : Il est essentiel d’examiner le tableau d’analyse de la composition élémentaire et les pourcentages atomiques des éléments pour exclure les choix qui ont un pourcentage atomique de 0.
   2. En insérant le détecteur EDS, soumettre l’échantillon étudié à la spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie. Utiliser un potentiel de 15 kV et une taille de spot de 12 pour recueillir les données EDS.
      REMARQUE: Après avoir appuyé sur le bouton d’insertion, l’écran affiche le détecteur inséré en temps réel.
   3. Vérifiez que le programme permet la création de petites boîtes pour sélectionner des régions discrètes sur l’écran de l’image de l’échantillon, afin de recueillir des informations pour la composition élémentaire.
      REMARQUE: Pour des statistiques précises, il doit y avoir entre 50 et 100 000 comptes. Le panneau affiche l’état général des données collectées. À la fin, un rapport est produit.

6. Voltampérométrie cyclique (CV) pour la surface électrochimiquement active

1. Effectuer la méthode de stripping à l’oxyde d’or, qui consiste à configurer manuellement une cellule électrochimique avec l’électrode de référence, la contre-électrode et l’électrode de travail immergées dans un électrolyte.
   NOTE: Pour la présente étude, le fil Pt sert de contre-électrode, hb-NPG est l’électrode de travail et Ag/AgCl sert d’électrode de référence. L’acide sulfurique, 0,5 N, sert d’électrolyte. Il est recommandé de nettoyer les électrodes de référence et de compteur dans de l’acide nitrique dilué avant utilisation. De plus, évitez de réutiliser l’électrolyte.
2. Une fois les connexions effectuées au potentiostat, sélectionnez l’option CV dans le programme et configurez les paramètres. Fixez la plage de potentiel comprise entre -0,2 et 1,6 V (Figure 5) et de retour à -0,2 V (par rapport à Ag/AgCl) avec une fréquence de balayage de 100 mV/s.
   REMARQUE: Aucune agitation n’est requise.
3. Cliquez sur le bouton Exécuter pour effectuer l’analyse cyclique. Assurez-vous que le balayage inverse révèle un pic notable. En utilisant le facteur de conversion rapporté de 400 μC ^cm-2, intégrer la charge sous le pic provenant de la réduction de la monocouche d’oxyde d’or pour déterminer la surface électrochimique du fil hb-NPG.
   NOTE: La tangente doit être tirée correctement pour intégrer correctement la charge sous le pic.
4. Mener une série identique d’expériences sur du fil chimiquement déallié et après avoir combiné le désalliage chimique et électrochimique sur le fil allié Au:Ag (10:90), pour comprendre l’importance cruciale des procédures de double désalliage.

7. Technique d’épuisement des solutions pour étudier la charge protéique

1. Pour étudier la charge en temps réel des molécules de protéines sur la surface hb-NPG, utilisez un spectrophotomètre ultraviolet-visible (UV-vis) (voir Tableau des matériaux).
   REMARQUE : Dans cette étude, des solutions protéiques de fœtune, d’albumine sérique bovine (BSA) et de peroxydase de raifort (HRP) (voir le tableau des matières) ont été préparées séparément à des concentrations de 1 mg/mL, 0,5 mg/mL et 1 mg/mL, respectivement, dans un tampon de solution saline tamponnée au phosphate (PBS) de 0,01 M (pH = 7,4). Il est crucial de choisir un tampon et un pH qui maintiennent la stabilité des protéines.
2. Effectuez une correction de ligne de base à l’aide de la mémoire tampon uniquement. Choisissez les paramètres du logiciel, y compris la longueur d’onde, le temps et la vitesse, une fois la correction effectuée. Ensuite, placez 500 μL de la solution protéique à l’intérieur de la cuvette.
3. Assurez-vous que la surveillance des protéines en temps réel commence après l’ajout de hb-NPG dans la solution. Surveillez l’évolution de l’absorbance après chaque minute pendant 120 minutes à 280 nm après avoir appuyé sur le bouton de démarrage (Figure 6).

Representative Results

La taille du ligament et les ajustements de l’espace interligamentaire sont de la plus haute importance pour l’électrode fabriquée. La création d’une structure avec des pores de double taille en optimisant les rapports Au/Ag est la première étape de cette étude, ainsi que la caractérisation utilisant la morphologie de surface, le facteur de rugosité et la capacité de charge. Par rapport au NPG conventionnel, la structure des pores bimodaux a démontré une surface électrochimique, un facteur de rugosité et une capacité de charge en protéines plus élevés¹⁵.

hb-NPG a démontré un réseau ouvert et lié de ligaments et de pores après le désalliage chimique. Ici, les trous plus grands sont indiqués par une hiérarchie supérieure, et une hiérarchie inférieure indique des pores plus petits. La figure 3 montre des images MEB de l’électrode avec une structure bimodale hiérarchique. La figure 4 illustre la cartographie élémentaire codée par couleur pour chaque étape de la création de hb-NPG, le rouge et le jaune désignant respectivement l’argent et l’or. La capacité de MEB à attribuer des couleurs distinctes à différentes sections est une caractéristique utile de l’instrument.

La proportion de surface électrochimiquement active (ECSA) par rapport à la surface géométrique donne un facteur de rugosité pour chaque électrode. En utilisant la charge sous le pic de réduction de l’oxyde d’or, CV a été utilisé pour évaluer l’ECSA, et 7,64 cm² est découvert être le hb-NPG ECSA¹⁵.

Figure 1 : Électrode bimodale hiérarchique (hb-NPG) après le processus de fabrication en plusieurs étapes. Le revêtement hb-NPG sur le fil d’or après l’achèvement de l’alliage-désalliage-recuit-désalliage est représenté ici. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Préparation de l’échantillon pour le MEB. Les électrodes sont montées sur du ruban de carbone qui est placé sur des souches d’aluminium. L’échantillon est ensuite chargé dans la chambre d’imagerie. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Micrographie MEB montrant la structure bimodale comprenant des pores de plus en plus petits. Les images sont prises à 15 kV et une taille de spot de 10. (A) Hiérarchie supérieure sous la forme de pores plus grands à 20 000x (barre d’échelle: 5 μm). (B) Hiérarchie inférieure représentant les nanopores à un grossissement plus élevé de 80 000x (barre d’échelle: 2 μm). Cette figure a été reproduite avec la permission de Sondhi et ^al.15. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Micrographies MEB montrant la cartographie élémentaire codée par couleur effectuée après chaque étape de fabrication. MEB des structures suivantes avec des éléments codés par couleur (Au, jaune; et Ag, rouge): (A) Au₁₀: alliage Ag₉₀, (B) déallié électrochimiquement, (C) recuit, (D) structure nanoporeuse hiérarchique après la dernière étape de désalliage chimique. Au x:Ag_100-x représente l’alliage d’or et d’argent, où_x est le pourcentage atomique d’or dans l’alliage. Cette figure a été reproduite avec la permission de Sondhi et ^al.15. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Voltammogrammes cycliques comparant la surface électroactive des électrodes. La courbe représentée par un encart (bleu) représente le CV de l’alliage Au₁₀:Ag₉₀. La structure créée par désalliage chimique montre un petit pic de réduction de l’oxyde d’or (courbe rouge). La structure bimodale intégrant le désalliage chimique et électrochimique montre un pic de réduction de l’oxyde d’or beaucoup plus prononcé (vert), indiquant une augmentation de la surface. CV a été réalisé à l’aide d’un balayage de potentiel de -0,2-1,6 V. Cette figure a été reproduite avec la permission de Sondhi et ^al.15. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6 : Graphique d’absorbance en fonction du temps montrant la charge protéique en temps réel. L’immobilisation en temps réel de BSA, de fœtus et de HRP sur les électrodes NPG est représentée en (A), (C) et (E), tandis que sur hb-NPG est représentée en (B), (D) et (F). L’évolution de l’absorbance et le nombre de molécules immobilisées sont surveillés pendant 120 min. L’absorbance a été enregistrée toutes les 60 s. La moyenne des trois lectures est représentée dans le graphique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Fichier supplémentaire 1 : Guide de l’utilisateur pour faciliter l’utilisation de deux logiciels utilisés dans le processus de fabrication et de caractérisation du hb-NPG. Captures d’écran expliquant la procédure étape par étape pour utiliser « PowerSuite » et « microscope XT ». Les flèches utilisées dans l’organigramme pointent vers l’étape suivante de l’opération. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Discussion

En utilisant une procédure en plusieurs étapes impliquant l’alliage, le désalliage partiel, le traitement thermique et la gravure à l’acide, la fabrication hiérarchique de NPG avec des pores de deux tailles et une surface électrochimique active plus élevée est démontrée.

Dans l’alliage, le potentiel standard des précurseurs métalliques influence leur réactivité lors de l’électrodéposition. Les ions Au et Ag des solutions liquides sont réduits lors de l’électrodéposition^16,17.

Les réactions demi-cellulaires^{suivantes 17} décrivent la dissolution électrochimique des solutions de sel de cyanure d’or et d’argent:

Au (CN)₂- + 1e^-

E⁰ = -1060 mV contre SCE

Ag (CN)₃² - + 1e^-

E⁰ = -1198 mV contre SCE

Les processus parallèles suivants déterminent principalement comment l’argent est oxydé par l’acide nitrique à l’étape¹⁸ de désalliage.

4HNO 3 + 3Ag -> 3AgNO₃ + NO + 2H₂O

2HNO 3 + Ag -> AgNO₃ + NO 2 + H₂ O

L’impact des changements dans les paramètres du procédé sur les performances électrochimiques de l’électrode est bien discuté. Il a été découvert qu’une électrode NPG avec une structure poreuse bimodale, fabriquée à partir d’un alliage d’or et d’argent avec un pourcentage atomique élevé d’argent et recuite à 600 ° C pendant 3 h, contient des pores de taille double qui permettent une charge protéique plus importante qu’une électrode conventionnelle avec des nanopores. Par rapport à d’autres électrodes nanoporeuses, le réseau interconnecté de la structure offre également une efficacité de transfert de masse élevée, améliorant les performances en termes d’activité et de sensibilité¹⁵.

Les ligaments d’interconnexion qui relient les atomes hautement actifs et peu coordonnés qui forment la hiérarchie supérieure de l’électrode hiérarchique ont une dimension de 938 ± 285 nm. L’application de l’électrode dans le domaine de la catalyse est améliorée par les dimensions du ligament qu’elle produit. Une largeur ligamentaire de 51 ± 5 nm, caractéristique des structures hiérarchiques inférieures, améliore la capacité de l’électrode à immobiliser les composés bioactifs. Le matériau créé a beaucoup de potentiel pour des applications telles que la catalyse et la détection, qui nécessitent une détection rapide des molécules plus grosses ainsi qu’un passage facile pour ces molécules^{plus grosses 15}.

La grande surface et la structure hiérarchique des électrodes ont un impact sur la charge protéique. Une plus grande capacité de charge protéique que le NPG conventionnel a été démontrée pour le hb-NPG. L’architecture bimodale fournit une plate-forme pour l’interaction des protéines, la communication avec le substrat et le passage pour le flux facile des molécules de protéines. Le type de matériau et sa morphologie ont un impact sur le nombre de molécules bioactives pouvant être chargées dans une électrode. En raison de la hiérarchie, qui accélère la liaison de la plupart des protéines par des forces électrostatiques et physiques, le hb-NPG a une concentration plus élevée de protéines immobilisées¹⁵.

Même si le développement de matériaux avec des conceptions structurelles complexes a considérablement progressé, il reste encore quelques défis. La commercialisation exige de nouvelles techniques de préparation avec moins de processus et une production moins chère. Les recherches futures qui abordent la question de la production de masse et analysent soigneusement le processus de développement in situ des structures hiérarchiques seront intéressantes à travailler.

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