Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Vielseitige Technik zur Herstellung eines hierarchischen Designs aus nanoporösem Gold

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

Nanoporöses Gold mit einer hierarchischen und bimodalen Porengrößenverteilung kann durch die Kombination von elektrochemischer und chemischer Delegierung hergestellt werden. Die Zusammensetzung der Legierung kann im Verlauf des Delegierungsprozesses durch eine EDS-REM-Untersuchung überwacht werden. Die Beladungskapazität des Materials kann bestimmt werden, indem die Proteinadsorption auf dem Material untersucht wird.

Abstract

Das Potenzial, variable Porengrößen zu erzeugen, vereinfachte Oberflächenmodifikationen und eine breite Palette kommerzieller Anwendungen in den Bereichen Biosensoren, Aktuatoren, Wirkstoffbeladung und -freisetzung sowie die Entwicklung von Katalysatoren haben zweifellos die Verwendung von nanoporösen Gold- (NPG) basierten Nanomaterialien in Forschung und Entwicklung beschleunigt. Dieser Artikel beschreibt den Prozess der Erzeugung von hierarchischem bimodalem nanoporösem Gold (hb-NPG) unter Anwendung eines schrittweisen Verfahrens, das elektrochemisches Legieren, chemische Delegierungstechniken und Glühen umfasst, um sowohl Makro- als auch Mesoporen zu erzeugen. Dies geschieht, um den Nutzen von NPG zu verbessern, indem eine bikontinuierliche Festkörper-/Hohlraummorphologie erstellt wird. Die für die Oberflächenmodifikation zur Verfügung stehende Fläche wird durch kleinere Poren vergrößert, während der molekulare Transport von dem Netzwerk größerer Poren profitiert. Die bimodale Architektur, die das Ergebnis einer Reihe von Herstellungsschritten ist, wird mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie (REM) als ein Netzwerk von Poren visualisiert, die weniger als 100 nm groß sind und durch Bänder mit größeren Poren verbunden sind, die mehrere hundert Nanometer groß sind. Die elektrochemisch aktive Oberfläche des hb-NPG wird mittels zyklischer Voltammetrie (CV) bewertet, wobei der Schwerpunkt auf der kritischen Rolle liegt, die sowohl das Entlegieren als auch das Glühen bei der Schaffung der erforderlichen Struktur spielen. Die Adsorption verschiedener Proteine wird mit Hilfe der Lösungsverarmungstechnik gemessen, was die bessere Leistung von hb-NPG in Bezug auf die Proteinbeladung zeigt. Durch die Veränderung des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen bietet die erzeugte hb-NPG-Elektrode ein enormes Potenzial für die Entwicklung von Biosensoren. Das Manuskript diskutiert eine skalierbare Methode zur Erzeugung von hb-NPG-Oberflächenstrukturen, da sie eine große Oberfläche für die Immobilisierung kleiner Moleküle und verbesserte Transportwege für schnellere Reaktionen bieten.

Introduction

Hierarchische poröse Architekturen, die häufig in der Natur zu sehen sind, wurden auf der Nanoskala nachgeahmt, um die physikalischen Eigenschaften von Materialien zu verändern und so die Leistung zu verbessern1. Miteinander verbundene Strukturelemente unterschiedlicher Längenskalen sind charakteristisch für die hierarchische Architektur poröser Materialien2. Delegierte nanoporöse Metalle weisen typischerweise unimodale Porengrößenverteilungen auf; Daher wurden mehrere Techniken entwickelt, um hierarchisch bimodale poröse Strukturen mit zwei getrennten Porengrößenbereichen herzustellen3. Die beiden grundlegenden Ziele des Materialdesign-Ansatzes, nämlich die große spezifische Oberfläche für die Funktionalisierung und die schnellen Transportwege, die unterschiedlich sind und in inhärent im Konflikt zueinander stehen, werden durch Funktionsmaterialien mit struktureller Hierarchie 4,5 erfüllt.

Die Leistung des elektrochemischen Sensors wird durch die Morphologie der Elektrode bestimmt, da die Porengröße der Nanomatrix entscheidend für den molekularen Transport und die Erfassung ist. Es wurde festgestellt, dass kleine Poren bei der Identifizierung des Zielmoleküls in komplizierten Proben helfen, während größere Poren die Zugänglichkeit des Zielmoleküls verbessern und den Erfassungsbereich des Sensors vergrößern6. Die Template-basierte Herstellung, die Galvanik, die Bottom-up-Synthesechemie, die Dünnschicht-Sputter-Abscheidung7, komplexe flexible Matrizen auf der Basis des Polydimethylsiloxan-Trägers8, das Legieren verschiedener Metalle mit anschließendem selektiven Ätzen des weniger edlen Metalls und die Elektroabscheidung sind einige der Methoden, die häufig verwendet werden, um Nanostrukturen in die Elektrode einzubringen. Eine der besten Methoden zur Erzeugung poröser Strukturen ist das Delegierungsverfahren. Aufgrund der unterschiedlichen Auflösungsraten beeinflusst das Opfermetall, das weniger edle Metall, die endgültige Morphologie der Elektrode erheblich. Ein miteinander verbundenes Netzwerk von Poren und Bändern ergibt sich aus dem effektiven Prozess der Bildung von nanoporösen Goldstrukturen (NPG), bei dem sich die weniger edle Komponente selektiv aus der Ausgangslegierung löst und die verbleibenden Atome sich neu organisieren und verfestigen9.

Die von Ding und Erlebacher zur Herstellung dieser Nanostrukturen verwendete Methode des Delegierens/Plattierens/Umdelegierens bestand darin, zunächst die aus Gold und Silber bestehende Vorläuferlegierung einer chemischen Delegierung mit Salpetersäure zu unterziehen, gefolgt von einer Erhitzung bei einer höheren Temperatur mit einer einzigen Porengrößenverteilung, um die obere hierarchische Ebene zu erzeugen, und dem Entfernen des verbleibenden Silbers durch eine zweite Delegierung, um die untere hierarchische Ebene zu erzeugen. Dieses Verfahren war auf dünne Schichten10 anwendbar. Die Verwendung ternärer Legierungen, die aus zwei vergleichsweise reaktiveren Edelmetallen bestehen, die nacheinander erodiert werden, wurde von Biener et al. empfohlen; Cu und Ag wurden zunächst aus dem Cu-Ag-Au-Material entfernt, so dass bimodal strukturierte NPG-Proben mit geringer Dichte zurückblieben11. Langreichweitige geordnete Strukturen werden durch die beschriebenen Verfahren unter Verwendung ternärer Legierungen nicht hergestellt. Größere Poren wurden erzeugt, indem eine der Phasen der von Zhang et al. verwendeten Vorlegierung von Al-Au entfernt wurde, wodurch die bimodale Struktur mit einem minimalen Grad der Ordnung12 erzeugt wurde. Berichten zufolge wurde durch die Steuerung mehrerer Längenskalen durch die Verwendung von Verarbeitungspfaden, die die Demontage von Schüttgütern und das Zusammenfügen von Grundkomponenten zu größeren Strukturen umfassen, eine geordnete hierarchische Struktur geschaffen. In diesem Fall wurde eine hierarchische NPG-Struktur durch direktes Tintenschreiben (DIW), Legieren und Delegieren13 hergestellt.

In dieser Arbeit wird ein zweistufiges Delegierungsverfahren zur Herstellung einer hierarchischen bimodalen nanoporösen Goldstruktur (hb-NPG) unter Verwendung verschiedener Au-Ag-Legierungszusammensetzungen vorgestellt. Die Menge des reaktiven Elements, unterhalb derer die Entlegierung stoppt, ist theoretisch die Trenngrenze. Die Oberflächendiffusionskinetik wird geringfügig durch die Trenngrenze oder die Delegierungsschwelle beeinflusst, die typischerweise zwischen 50 und 60 Atomprozent für die elektrolytische Auflösung der reaktiveren Komponente aus einer binären Legierung liegt. Ein großer atomarer Anteil von Ag in der Au:Ag-Legierung ist für die erfolgreiche Synthese von hb-NPG notwendig, da sowohl die elektrochemischen als auch die chemischen Delegierungsprozesse bei niedrigen Konzentrationen nahe der Trenngrenze14 nicht erfolgreich abgeschlossen werden können.

Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die Struktur und die Porengröße genau kontrolliert werden können. Jeder Schritt im Protokoll ist entscheidend für die Feinabstimmung der typischen Porositätslängenskala und des typischen Abstands zwischen den Bändern15. Um die Geschwindigkeit der Ionengrenzflächendiffusion und -auflösung zu regulieren, wird die angelegte Spannung sorgfältig kalibriert. Um Rissbildung während der Entlegierung zu vermeiden, wird die Ag-Auflösungsrate kontrolliert.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Aufbau einer Beschichtung aus nanoporösem Gold mit hierarchischer bimodaler Architektur auf Golddrähten - Legieren

  1. Bauen Sie eine elektrochemische Zelle in einem 5-ml-Becherglas zusammen. Verwenden Sie einen Deckel auf Teflonbasis mit drei Löchern, um den Drei-Elektroden-Aufbau aufzunehmen.
    HINWEIS: Teflon ist ein beliebtes Material für die Herstellung von Deckeln, da es nicht mit anderen Chemikalien reagiert.
  2. Platzieren Sie eine Gegenelektrode aus Platindraht, eine Referenzelektrode aus Ag/AgCl (gesättigtes KCl) und einen Golddraht mit einem Durchmesser von 0,2 mm und einer Länge von 5,0 mm, die als Arbeitselektrode fungiert (siehe Materialtabelle), bequem in jedes Loch des Deckels. Halten Sie einen Abstand von 0,7 cm zwischen der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode ein.
    Anmerkungen: Die Länge des Drahtes beträgt 1 cm, und nach dem Einclipsen der Krokodilklemme beträgt der freiliegende Teil, der in die Lösung gelangt, 0,5 cm. Der verbleibende Teil wird mit Polytetrafluorethylenband abgedeckt (siehe Materialtabelle). Diese Länge wird bei jedem Versuch mit einer Skala genau gemessen. Der Golddraht wird in mehreren Schritten gereinigt, bevor er in der Studie verwendet wird. Es wird zuerst in konzentrierte Salpetersäure getaucht, dann gespült und in Piranha-Lösung getaucht und schließlich in Natriumborhydrid getaucht. Diese starken Reagenzien helfen bei der Beseitigung von Verunreinigungen, die am Draht haften könnten.
  3. Bereiten Sie jeweils eine 50 mM Lösung von K[Ag(CN)2] und K[Au(CN)2] (siehe Materialtabelle) in Wasser vor. 0,5 ml K[Au(CN)2]-Lösung und 4,5 ml K[Ag(CN)2]-Salzlösung in das 5-ml-Becherglas geben.
    VORSICHT: Seien Sie vorsichtig beim Umgang mit und bei der Entsorgung von Cyanidsalzen. Tragen Sie beim Umgang mit Schutzhandschuhen, geeigneter Kleidung, Atemschutz und Augenschutz und arbeiten Sie in einem Abzug. Cyanidsalzlösungen müssen nach Abschluss des Versuchs gesammelt und in einen separaten, deutlich gekennzeichneten Abfallbehälter gegeben werden. Bei Kontakt mit Säuren werden gefährliche Dämpfe freigesetzt. Um die Ionenbeweglichkeit zu erhalten, werden den 40 mM-Stammlösungen der beiden Salze 0,25 MNa2CO3zugesetzt.
  4. Mischen Sie die Lösung gründlich, indem Sie einen Magnetrührstab mit einer konstanten Rührgeschwindigkeit von 300 U/min in die elektrochemische Zelle einführen.
    Anmerkungen: Stellen Sie sicher, dass der Rührstab sauber ist. Königswasser kann verwendet werden, um es zu reinigen, wenn Verunreinigungen vorhanden sind.
  5. Zirkulieren Sie Argongas durch die Lösung mit einem Innendurchmesser von 1/32 Zoll, einem Außendurchmesser von 5/32 Zoll und einem Silikonschlauch mit einer Wandstärke von 1/16 Zoll (siehe Materialtabelle) und gehen Sie in die elektrochemische Zelle, um gelösten Sauerstoff aus der Elektrolytlösung zu entfernen.
    Anmerkungen: Das Leck im Setup wird vermieden, indem es fest genug gemacht wird.
  6. Verbinden Sie den Potentiostaten mit Krokodilklemmen, die an den entsprechenden Elektroden befestigt werden, sobald die elektrochemische Zelle vollständig zusammengebaut ist.
    Anmerkungen: Es ist am besten, die Clips mit dem Namen der Elektrode zu beschriften, an der sie befestigt werden, um Verwechslungen zu vermeiden.
  7. Verwenden Sie die Software (PowerSuite; siehe Materialtabelle), um nach dem Einschalten des Potentiostaten eine Elektrotauchung mittels Chronoamperometrie durchzuführen. Konfigurieren Sie die Software mit den gewünschten Parametern. Für 600 s wird das Potential mit einem festen Wert von -1,0 V15 getaktet.
    HINWEIS: Lassen Sie den Bootvorgang von selbst beenden, bevor Sie die Parameter angeben. Ergänzende Datei 1 zeigt Screenshots für die Verwendung dieser speziellen Software.
  8. Drücken Sie auf Ausführen und wählen Sie eine externe Zelle, um die Legierungsabscheidung auf der Arbeitselektrode abzuschließen. Am Ende des Prozesses ist eine dicke weiße Beschichtung zu sehen.
    Anmerkungen: Stellen Sie sicher, dass die Verbindungen sicher sind und die Lösung ständig umrührt. Wenn alles so funktioniert, wie es soll, schwingt der Strom zwischen 300 und 400 μA.

2. Aufbau einer Beschichtung aus nanoporösem Gold mit hierarchischer bimodaler Architektur auf Golddrähten - Delegierung

HINWEIS: Diese Phase des Protokolls basiert auf der teilweisen Delegierung der legierten Drähte.

  1. Konfigurieren Sie die elektrochemische Zelle noch einmal, wie im vorherigen Prozess (Schritt 1.2), bei dem drei Elektroden in einer Elektrolytlösung 0,7 cm voneinander entfernt gehalten werden. Verwenden Sie 4 ml 1 N Salpetersäure als Elektrolytlösung für die partielle Entlegierung.
    HINWEIS: Da der Elektrolyt verdünnt ist, wird das weniger edle Element, das hier Silber ist, nicht vollständig entfernt.
  2. Lassen Sie den Rührstab laufen, um die Lösung gleichmäßig mit einer konstanten Drehzahl von 300 U/min zu zirkulieren.
  3. Sobald die elektrochemische Zelle eingerichtet ist, befestigen Sie den Potentiostaten mit Krokodilklemmen, die an den richtigen Elektroden befestigt sind.
  4. Setzen Sie die Chronoamperometrie-Software erneut ein, aber wählen Sie diesmal ein Potential von 0,6 V für 600 s.
  5. Drücken Sie Run und wählen Sie dann die externe Zelle , um die Delegierung der abgeschiedenen Legierung auf der Arbeitselektrode abzuschließen.
    Anmerkungen: Die Farbe des Drahtes ändert sich nach diesem Schritt in grauschwarz.

3. Aufbau einer Beschichtung aus nanoporösem Gold mit hierarchischer bimodaler Architektur auf Golddrähten - Glühen

  1. Bewahren Sie die delegierten Drähte in einem Glasfläschchen im Ofen auf.
  2. Die Temperatur im Ofen 3 h bei 600 °C halten.
    HINWEIS: Die Temperatur und die Dauer wurden auf der Grundlage von Optimierungsstudien ausgewählt, die zeigten, dass niedrigere Temperaturen die Poren nicht vergröberten, während höhere Temperaturen und eine längere Zeit Risse in der Struktur verursachten.
  3. Entfernen Sie die Durchstechflasche, nachdem der Vorgang beendet und der Ofen ausgeschaltet ist. Warten Sie, bis die Durchstechflasche auf Raumtemperatur abgekühlt ist.
    Anmerkungen: Das heiße Fläschchen wird mit einer Zange aus dem Ofen genommen.

4. Aufbau einer Beschichtung aus nanoporösem Gold mit hierarchischer bimodaler Architektur auf Golddrähten - Delegierung

  1. Tauchen Sie die teilweise entlegiert-geglühten Drähte in 4 ml konzentrierte Salpetersäure.
    Anmerkungen: Wenn Sie die konzentrierte Säure in die Durchstechflasche mit den Drähten geben, stellen Sie sicher, dass eine Glaspipette verwendet wird.
  2. Lassen Sie die teilweise entlegiert-geglühten Drähte über Nacht in der Glasdurchstechflasche mit der starken Salpetersäure im Abzug.
    Anmerkungen: Die Entlegierungszeit wurde auf 24 Stunden gehalten, um eine vollständige Entlegierung zu ermöglichen.
  3. Erstellen Sie die hb-NPG-beschichteten Drähte am nächsten Tag (Abbildung 1). Spülen Sie diese gründlich mit deionisiertem Wasser ab, gefolgt von einer Ethanolspülung, bevor Sie sie in nachfolgenden Studien verwenden. Verwenden Sie die Drähte nach dem Trocknen in Experimenten. Jedes Mal wird eine frische Charge sauberer Golddrähte verwendet, um hb-NPG herzustellen.
    HINWEIS: Jeder Schritt in der Synthese ist entscheidend, um die bimodale Struktur zu erhalten. Wenn einer der Schritte übersprungen wird, ergibt sich nur eine unimodale Porenstruktur.

5. HB-NPG-Charakterisierung

  1. Rasterelektronenmikroskop (REM)-Probenvorbereitung
    1. Stellen Sie sicher, dass Sie einen sauberen Aluminiumstummel als Basis für die Probenvorbereitung für die REM-Bildgebung verwenden.
      Anmerkungen: Die Stummel werden mit verdünnter Salpetersäure gereinigt, mit Ethanol gespült, getrocknet und in einem mit Paraffinfilm bedeckten Behälter aufbewahrt, bevor sie wieder verwendet werden.
    2. Lege ein neu geschnittenes Stück Carbonband über die flache Basis des Aluminiumstummels.
    3. Schneiden Sie mit Hilfe einer Pinzette kleine Stücke aus hb-NPG-beschichtetem Draht ab und kleben Sie sie auf das Carbonband.
      Anmerkungen: Stellen Sie sicher, dass der Draht vorsichtig mit einer Pinzette gegriffen wird, um zu verhindern, dass sich die Beschichtung ablöst.
    4. Ordnen Sie die geschnittenen Stücke horizontal an, um ihre Morphologie unter einem REM sichtbar zu machen (siehe Materialtabelle). Vertikal angeordnete Stücke können die Dicke des auf dem Golddraht abgelagerten Materials erkennen (Abbildung 2).
      Anmerkungen: Wenn die Elektrode Feuchtigkeit enthält, wird die Kammer kontaminiert, was zu verschwommenen Bildern führt. Legen Sie die Elektrode daher über Nacht in ein Vakuum, bevor Sie eine REM-Bildgebung durchführen.
  2. Aufbau der REM-Kammer
    1. Entlüften Sie die Kammer mit der Option "Entlüftung" aus der Software "XT-Mikroskop", um die Kammertür einfach zu öffnen.
      HINWEIS: Die Software "XT-Mikroskop" ist im Lieferumfang des REM-Systems enthalten. Die Kammer muss zuerst vollständig entlüftet werden, bevor die Tür reibungslos geöffnet werden kann, was in der Regel 3-5 Minuten dauert. Außerdem muss der Druck der Stickstoffgasflasche unter 5 psi liegen. Ergänzende Datei 1 zeigt Screenshots für die Verwendung dieser speziellen Software.
    2. Fassen Sie mit Hilfe der gewölbten Vorderseite einer speziellen Pinzette den kreisförmigen Aluminiumstummel fest, führen Sie die saubere Probe, die zuvor auf dem Probenteller platziert wurde, in die Kammer ein und legen Sie sie auf den Probentisch.
      Anmerkungen: Stellen Sie sicher, dass die Bühne sauber ist. Wenn etwas verschüttet wird, entfernen Sie diese mit Aceton und einem fusselfreien Tuch (siehe Materialtabelle).
    3. Wählen Sie die Option "Pumpe", nachdem Sie die Probe in die Kammer gelegt haben, um eine vakuumähnliche Umgebung zu erzeugen.
      Anmerkungen: Das Pumpen der Kammer dauert ca. 3 Minuten. Vor dem Einschalten des Balkens muss der Benutzer warten, bis das Pumpen beendet ist.
    4. Klicken Sie mit der Navigationskamera auf das Echtzeitbild , um die genaue Position der Probe zu beobachten.
  3. Bildgebung der Probe
    1. Schalten Sie den Strahl zunächst ein, um ein Bild der Probe aufzunehmen.
      Anmerkungen: Stellen Sie vor dem Einschalten des Strahls sicher, dass das System abgesaugt ist.
    2. Um das Beispielbild aus dem aufgenommenen Bild der Navigationskamera in die Mitte des Bildschirms zu bringen und den Fokus zu schärfen, doppelklicken Sie darauf.
    3. Stellen Sie sicher, dass die Bilder mit Hilfe der Bildgebung mit der kompatiblen Software und dem Everhart-Thornley-Detektor (ETD) erstellt wurden. Es ist notwendig, die Spotgröße, die Scanrate und das Potenzial zu optimieren.
      HINWEIS: Es ist immer vielversprechend, mit einem niedrigeren Potenzial und einer niedrigeren Spotgröße zu beginnen, bevor man nach oben geht.
    4. Stellen Sie den Tischabstand von der Strahlquelle auf 10 mm ein.
      HINWEIS: Um den Abstand zwischen der Bühne und der Quelle genau zu messen; Das System muss fokussiert und mit der Z-Achse verbunden sein.
    5. Um mehr über die Architektur zu erfahren, die bei einer niedrigeren Vergrößerung vorhanden ist, erhöhen Sie die Vergrößerung, nachdem Sie ein fokussiertes Bild bei geringerer Vergrößerung erhalten haben (Abbildung 3).
      Anmerkungen: Jede Stufe der Vergrößerungserhöhung erfordert eine Fokussierung.
  4. REM und energiedispersive Spektroskopie (EDS) zur elementaren Zusammensetzung der Probe
    1. Bestimmen Sie durch Auswahl der Option "Farb-REM" in der Software die elementare Zusammensetzung des Materials (Abbildung 4). Es weist den verschiedenen Elementen der Probe automatisch verschiedene Farben zu. Es ist jedoch auch möglich, Farben und Elemente manuell auszuwählen.
      HINWEIS: Es ist wichtig, das Diagramm zur Analyse der Elementzusammensetzung und die atomaren Prozentsätze der Elemente zu untersuchen, um Entscheidungen auszuschließen, die einen atomaren Prozentsatz von 0 haben.
    2. Durch Einsetzen des EDS-Detektors wird die zu untersuchende Probe einer energiedispersiven Röntgenspektroskopie unterzogen. Verwenden Sie ein 15-kV-Potenzial und eine Spotgröße von 12 für die Erfassung der EDS-Daten.
      Anmerkungen: Nach dem Drücken der Einfügetaste wird auf dem Bildschirm der eingesetzte Melder in Echtzeit angezeigt.
    3. Vergewissern Sie sich, dass das Programm die Erstellung von winzigen Kästchen ermöglicht, um diskrete Bereiche auf dem Beispielbildbildschirm auszuwählen, um Informationen für die Elementzusammensetzung zu sammeln.
      HINWEIS: Für genaue Statistiken müssen zwischen 50 und 100.000 Zählungen vorhanden sein. In diesem Bereich wird der Gesamtstatus der erfassten Daten angezeigt. Am Ende wird ein Bericht erstellt.

6. Zyklische Voltammetrie (CV) für elektrochemisch aktive Oberfläche

  1. Führen Sie die Goldoxid-Stripping-Methode durch, bei der eine elektrochemische Zelle manuell eingerichtet wird, wobei die Referenzelektrode, die Gegenelektrode und die Arbeitselektrode in einen Elektrolyten eingetaucht sind.
    HINWEIS: In der vorliegenden Studie dient Pt-Draht als Gegenelektrode, hb-NPG als Arbeitselektrode und Ag/AgCl als Referenzelektrode. Als Elektrolyt dient Schwefelsäure 0,5 N. Es wird empfohlen, die Referenz- und Gegenelektroden vor der Verwendung in verdünnter Salpetersäure zu reinigen. Vermeiden Sie außerdem die Wiederverwendung des Elektrolyten.
  2. Sobald die Verbindungen zum Potentiostaten hergestellt sind, wählen Sie die Option CV aus dem Programm und konfigurieren Sie die Parameter. Legen Sie den Potentialbereich von -0,2 bis 1,6 V (Abbildung 5) und zurück auf -0,2 V (gegenüber Ag/AgCl) zusammen mit einer Abtastrate von 100 mV/s fest.
    Anmerkungen: Es ist kein Rühren erforderlich.
  3. Klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen , um den zyklischen Scan durchzuführen. Stellen Sie sicher, dass der Reverse-Scan einen erkennbaren Peak anzeigt. Integrieren Sie unter Verwendung des angegebenen Umrechnungsfaktors von 400 μC cm-2 die Ladung unter dem Peak, die aus der Reduktion der Goldoxid-Monoschicht stammt, um die elektrochemische Oberfläche des hb-NPG-Drahtes zu bestimmen.
    Anmerkungen: Die Tangente muss korrekt gezeichnet werden, um die Ladung unter dem Peak richtig zu integrieren.
  4. Führen Sie eine identische Reihe von Experimenten an chemisch delegiertem Draht und nach Kombination von chemischer und elektrochemischer Delegierung auf dem Au:Ag (10:90) legierten Draht durch, um die entscheidende Bedeutung von dualen Delegierungsverfahren zu verstehen.

7. Lösungsverarmungstechnik zur Untersuchung der Proteinbeladung

  1. Um die Echtzeitbelastung von Proteinmolekülen auf der hb-NPG-Oberfläche zu untersuchen, verwenden Sie ein UV-Vis-Spektralphotometer ( siehe Materialtabelle).
    HINWEIS: In dieser Studie wurden Proteinlösungen von Fetuin, Rinderserumalbumin (BSA) und Meerrettichperoxidase (HRP) (siehe Materialtabelle) separat in Konzentrationen von 1 mg/ml, 0,5 mg/ml bzw. 1 mg/ml in einem 0,01 M (pH = 7,4) phosphatgepufferten Kochsalzlösung (PBS) hergestellt. Es ist entscheidend, einen Puffer und einen pH-Wert zu wählen, der die Proteinstabilität aufrechterhält.
  2. Führen Sie die Basislinienkorrektur nur mit dem Puffer durch. Wählen Sie die Parameter der Software, einschließlich Wellenlänge, Zeit und Rate, nachdem die Korrektur vorgenommen wurde. Geben Sie dann 500 μl der Proteinlösung in die Küvette.
  3. Stellen Sie sicher, dass die Echtzeit-Proteinüberwachung nach der Zugabe von hb-NPG in die Lösung beginnt. Überwachen Sie die Änderung der Absorption nach jeder Minute für 120 min bei 280 nm nach Betätigung des Startknopfes (Abbildung 6).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Die Anpassung der Bandgröße und des Bandabstandes ist für die hergestellte Elektrode von größter Bedeutung. Die Schaffung einer Struktur mit doppelt großen Poren durch Optimierung des Au/Ag-Verhältnisses ist der erste Schritt in dieser Studie, zusammen mit der Charakterisierung unter Verwendung der Oberflächenmorphologie, des Rauheitsfaktors und der Belastbarkeit. Im Vergleich zu herkömmlichem NPG hat die bimodale Porenstruktur eine höhere elektrochemische Oberfläche, einen höheren Rauheitsfaktor und eine höhere Proteinbeladungskapazitätgezeigt 15.

hb-NPG hat nach der chemischen Delegierung ein offenes, verknüpftes Netzwerk von Bändern und Poren nachgewiesen. Hier werden größere Löcher durch eine obere Hierarchie und eine niedrigere Hierarchie durch kleinere Poren gekennzeichnet. Abbildung 3 zeigt REM-Aufnahmen der Elektrode mit einer hierarchischen bimodalen Struktur. Abbildung 4 zeigt eine farbkodierte Elementkartierung für jeden Schritt der Erstellung von hb-NPG, wobei Rot und Gelb Silber bzw. Gold bezeichnen. Die Fähigkeit des SEM, verschiedenen Abschnitten unterschiedliche Farben zuzuweisen, ist eine nützliche Funktion des Geräts.

Das Verhältnis der elektrochemisch aktiven Oberfläche (ECSA) zur geometrischen Oberfläche ergibt für jede Elektrode einen Rauheitsfaktor. Unter Verwendung der Ladung unterhalb des Goldoxid-Reduktionspeaks wurde CV verwendet, um die ECSA zu bewerten, und es wurde festgestellt, dass 7,64cm2 das hb-NPG ECSA15 ist.

Figure 1
Abbildung 1: Hierarchische bimodale Elektrode (hb-NPG) nach dem mehrstufigen Herstellungsprozess. Hier ist die hb-NPG-Beschichtung auf dem Golddraht nach Abschluss des Legierens-Delegierung-Glühens-Delegierens dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 2
Abbildung 2: Probenvorbereitung für das REM. Die Elektroden sind auf Kohleklebeband montiert, das auf Aluminiumstummeln platziert wird. Die Probe wird dann in die Bildgebungskammer geladen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 3
Abbildung 3: REM-Schliffbild mit der bimodalen Struktur aus größeren und kleineren Porengrößen. Die Bilder werden bei 15 kV und einer Spotgröße von 10 aufgenommen. (A) Obere Hierarchie in Form größerer Poren bei 20.000x (Maßstab: 5 μm). (B) Untere Hierarchie, die Nanoporen bei einer höheren Vergrößerung von 80.000x darstellt (Maßstabsbalken: 2 μm). Diese Abbildung wurde mit freundlicher Genehmigung von Sondhi et al.15 reproduziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 4
Abbildung 4: REM-Schliffbilder, die die farbkodierte Elementkartierung nach jedem Herstellungsschritt zeigen. REM der folgenden Strukturen mit farbkodierten Elementen (Au, gelb; und Ag, rot): (A) Au10:Ag90-Legierung, (B) elektrochemisch delegiert, (C) geglüht, (D) hierarchische nanoporöse Struktur nach dem letzten chemischen Delegierungsschritt. Au x:Ag100-x steht für die Legierung aus Gold und Silber, wobeix der atomare Prozentsatz des Goldes in der Legierung ist. Diese Abbildung wurde mit freundlicher Genehmigung von Sondhi et al.15 reproduziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 5
Abbildung 5: Zyklische Voltammogramme, die die elektroaktive Oberfläche der Elektroden vergleichen. Die als Einschub dargestellte Kurve (blau) zeigt den CV der Legierung Au10:Ag90 . Die durch chemische Delegierung erzeugte Struktur zeigt einen kleinen Peak zur Goldoxidreduktion (rote Kurve). Die bimodale Struktur mit chemischer und elektrochemischer Delegierung zeigt einen deutlich ausgeprägteren Goldoxid-Reduktionspeak (grün), was auf eine Vergrößerung der Oberfläche hinweist. CV wurde mit einem Potentialscan von -0,2-1,6 V durchgeführt. Diese Abbildung wurde mit freundlicher Genehmigung von Sondhi et al.15 reproduziert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 6
Abbildung 6: Absorptions-Zeit-Diagramm mit Echtzeit-Proteinbeladung. Die Echtzeit-Immobilisierung von BSA, Fetuin und HRP auf NPG-Elektroden ist in (A), (C) und (E) dargestellt, während auf hb-NPG in (B), (D) und (F) dargestellt ist. Die Änderung der Absorption und der Anzahl der immobilisierten Moleküle wird über 120 min überwacht. Die Absorption wurde alle 60 s gemessen. Der Durchschnitt der drei Messwerte ist in der Grafik dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Ergänzende Datei 1: Benutzerhandbuch für die einfache Bedienung von zwei Softwarekomponenten, die im Herstellungs- und Charakterisierungsprozess des hb-NPG verwendet werden. Screenshots, die die Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Verwendung von "PowerSuite" und "XT-Mikroskop" erklären. Die im Flussdiagramm verwendeten Pfeile zeigen auf den nächsten Schritt des Vorgangs. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Unter Verwendung eines mehrstufigen Verfahrens, das Legieren, partielles Delegieren, thermische Behandlung und Säureätzen umfasst, wird die Herstellung von hierarchisch angeordnetem NPG mit doppelt großen Poren und einer höheren aktiven elektrochemischen Oberfläche demonstriert.

Beim Legieren beeinflusst das Standardpotential von Metallvorstufen, wie reaktiv sie bei der galvanischen Abscheidung sind. Au- und Ag-Ionen aus flüssigen Lösungen werden während der galvanischen Abscheidung reduziert16,17.

Die folgenden Halbzellreaktionen17 stellen die elektrochemische Auflösung von Gold- und Silbercyanidsalzlösungen dar:

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

E0 = -1060 mV vs. SCE

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

E0 = -1198 mV vs. SCE

Die folgenden parallelen Prozesse bestimmen hauptsächlich, wie Silber im Entlegierungsschritt18 durch Salpetersäure oxidiert wird.

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

2HNO3 + Ag ->AgNO3 +NO2 + H2O

Der Einfluss von Änderungen der Prozessparameter auf die elektrochemische Leistung der Elektrode wird gut diskutiert. Es wurde entdeckt, dass eine NPG-Elektrode mit bimodaler Porenstruktur, die aus einer Gold- und Silberlegierung mit einem hohen Atomanteil an Silber hergestellt und bei 600 °C für 3 h geglüht wird, doppelt so große Poren enthält, die eine höhere Proteinbeladung ermöglichen als eine herkömmliche Elektrode mit Nanoporen. Im Vergleich zu anderen nanoporösen Elektroden bietet das vernetzte Netzwerk der Struktur auch eine hohe Stoffaustauscheffizienz, was die Leistung in Bezug auf Aktivität und Empfindlichkeit verbessert15.

Die Verbindungsbänder, die die hochaktiven, niedrig koordinierten Atome verbinden, die die obere Hierarchie der hierarchischen Elektrode bilden, haben eine Dimension von 938 ± 285 nm. Die Anwendung der Elektrode im Bereich der Katalyse wird durch die Abmessungen des von ihr erzeugten Bandes verbessert. Eine Bandbreite von 51 ± 5 nm, ein Merkmal niedrigerer hierarchischer Strukturen, erhöht die Fähigkeit der Elektrode, bioaktive Verbindungen zu immobilisieren. Das hergestellte Material hat ein großes Potenzial für Anwendungen wie Katalyse und Sensorik, die eine schnelle Detektion größerer Moleküle sowie eine einfache Passage für diese größeren Moleküle erfordern15.

Die große Oberfläche und die hierarchische Struktur der Elektroden wirken sich auf die Proteinbeladung aus. Für hb-NPG konnte eine höhere Proteinbeladungskapazität als bei herkömmlichem NPG nachgewiesen werden. Die bimodale Architektur bietet eine Plattform für die Proteininteraktion, die Kommunikation mit dem Substrat und die Passage für den einfachen Fluss von Proteinmolekülen. Die Art des Materials und seine Morphologie beeinflussen, wie viele bioaktive Moleküle in eine Elektrode geladen werden können. Aufgrund der Hierarchie, die die Bindung der meisten Proteine durch elektrostatische und physikalische Kräfte beschleunigt, weist das hb-NPG eine höhere Konzentration an immobilisierten Proteinenauf 15.

Auch wenn die Entwicklung von Werkstoffen mit komplexen Strukturaufbauten deutlich vorangeschritten ist, gibt es noch einige Herausforderungen. Die Kommerzialisierung erfordert neue Zubereitungstechniken mit weniger Prozessen und kostengünstigerer Produktion. Zukünftige Forschungen, die sich mit dem Thema Massenproduktion befassen und den In-situ-Entwicklungsprozess hierarchischer Strukturen sorgfältig analysieren, werden interessant sein.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde durch eine Auszeichnung des NIGMS (GM111835) unterstützt.

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 Heft 192 hierarchisches bimodales nanoporöses Gold Biosensor Delegierung Poren Rauheit Glukosesensorik effektive Oberfläche

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

Vielseitige Technik zur Herstellung eines hierarchischen Designs aus nanoporösem Gold
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