Waiting
Login processing...

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

Chemistry

טכניקה רב-תכליתית לייצור עיצוב היררכי בזהב ננו-נקבובי

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

ניתן לייצר זהב ננו-נקבובי עם התפלגות גודל נקבוביות היררכית ובימודאלית על ידי שילוב של סגסוגת אלקטרוכימית וכימית. ניתן לעקוב אחר הרכב הסגסוגת באמצעות בדיקת EDS-SEM ככל שתהליך הסגסוגת מתקדם. ניתן לקבוע את כושר ההעמסה של החומר על ידי לימוד ספיחת חלבונים על החומר.

Abstract

הפוטנציאל ליצור גדלי נקבוביות משתנים, שינוי פני שטח פשטני ומגוון שימושים מסחריים בתחומי ביוסנסורים, מפעילים, העמסה ושחרור תרופות ופיתוח זרזים האיצו ללא ספק את השימוש בננו-חומרים מבוססי זהב ננו-נקבובי (NPG) במחקר ופיתוח. מאמר זה מתאר את תהליך הייצור של זהב ננו-נקבובי בימודאלי היררכי (hb-NPG) על ידי שימוש בהליך חכם שלב הכולל סגסוגת אלקטרוכימית, טכניקות סגסוגת כימית וחישול ליצירת מאקרו ומזופורים. זה נעשה כדי לשפר את התועלת של NPG על ידי יצירת מורפולוגיה מוצק / ריק דו רציף. השטח הזמין לשינוי פני השטח משופר על ידי נקבוביות קטנות יותר, בעוד שההובלה המולקולרית נהנית מרשת של נקבוביות גדולות יותר. הארכיטקטורה הבימודאלית, שהיא תוצאה של סדרה של שלבי ייצור, מומחשת באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) כרשת של נקבוביות שגודלן פחות מ-100 ננומטר והן מחוברות באמצעות רצועות לנקבוביות גדולות יותר שגודלן כמה מאות ננומטרים. שטח הפנים הפעיל אלקטרוכימית של hb-NPG מוערך באמצעות וולטמטריה מחזורית (CV), תוך התמקדות בתפקידים הקריטיים שגם סגסוגת וגם חישול ממלאים ביצירת המבנה הדרוש. ספיחה של חלבונים שונים נמדדת על ידי טכניקת דלדול תמיסה, חושפת את הביצועים הטובים יותר של hb-NPG במונחים של העמסת חלבון. על ידי שינוי יחס שטח הפנים לנפח, אלקטרודת hb-NPG שנוצרה מציעה פוטנציאל עצום לפיתוח biosensor. כתב היד דן בשיטה ניתנת להרחבה ליצירת מבני שטח hb-NPG, שכן הם מציעים שטח פנים גדול לאימוביליזציה של מולקולות קטנות ומסלולי הובלה משופרים לתגובות מהירות יותר.

Introduction

לעתים קרובות נראה בטבע, ארכיטקטורות נקבוביות היררכיות חיקו בקנה מידה ננומטרי כדי לשנות את המאפיינים הפיזיים של חומרים לשיפור הביצועים1. אלמנטים מבניים מחוברים זה לזה בקני מידה שונים של אורך הם מאפיין של הארכיטקטורה ההיררכית של חומרים נקבוביים2. למתכות ננו-נקבוביות מסגסוגות יש בדרך כלל התפלגות גודל נקבוביות חד-מודאלית; לפיכך, פותחו טכניקות רבות ליצירת מבנים נקבוביים בימודאליים היררכיים עם שני טווחי גודל נפרדים של נקבוביות3. שתי המטרות הבסיסיות של גישת תכנון החומרים, כלומר שטח הפנים הספציפי הגדול לפונקציונליזציה ונתיבי הובלה מהירים, שהם מובחנים ומטבעם סותרים זה את זה, ממומשות על ידי חומרים פונקציונליים בעלי היררכיה מבנית 4,5.

ביצועי החיישן האלקטרוכימי נקבעים על ידי המורפולוגיה של האלקטרודה, שכן גודל הנקבוביות של הננומטריצה חיוני להובלה מולקולרית ולכידה. נקבוביות קטנות נמצאו כמסייעות בזיהוי המטרה בדגימות מורכבות, בעוד נקבוביות גדולות יותר משפרות את נגישות מולקולת המטרה, ומגדילות את טווח הזיהוי של החיישן6. ייצור מבוסס תבנית, ציפוי אלקטרוליטי, כימיה סינתטית מלמטה למעלה, תצהיר מקרטע דק7, מטריצות גמישות מורכבות המבוססות על תמיכה פולידימתילסילוקסאן8, סגסוגת של מתכות שונות ואחריה חריטה סלקטיבית של המתכת הפחות אצילה, ואלקטרודפוזיציה הן חלק מהשיטות המשמשות לעתים קרובות להחדרת ננו-מבנים לאלקטרודה. אחת השיטות הטובות ביותר ליצירת מבנים נקבוביים היא הליך dealloying. בשל הפער בשיעורי ההתמוססות, מתכת ההקרבה, שהיא המתכת הפחות אצילה, משפיעה באופן משמעותי על המורפולוגיה הסופית של האלקטרודה. רשת מקושרת של נקבוביות ורצועות נובעת מתהליך יעיל של יצירת מבני זהב ננו-נקבוביים (NPG), שבו הרכיב הפחות אצילי מתמוסס באופן סלקטיבי מתוך סגסוגת ההתחלה, והאטומים הנותרים מתארגנים מחדש ומתאחדים9.

השיטה של dealloying/ציפוי/dealloying מחדש בשימוש על ידי דינג וארלבאכר כדי ליצור ננו-מבנים אלה כללה תחילה חשיפת סגסוגת קודמן המורכבת זהב וכסף לסגסוגת כימית באמצעות חומצה חנקתית, ולאחר מכן חימום בטמפרטורה גבוהה יותר עם התפלגות גודל נקבוביות אחת כדי ליצור את הרמה ההיררכית העליונה, והסרת הכסף שנותר באמצעות סגסוגת שנייה כדי לייצר את הרמה ההיררכית הנמוכה יותר. שיטה זו הייתה ישימה לסרטים דקים10. שימוש בסגסוגות טרינריות, המורכבות משתי מתכות אצילות תגובתיות יותר באופן יחסי, שנשחקות בזו אחר זו, הומלץ על ידי Biener ואחרים; Cu ו-Ag הוסרו בתחילה מהחומר Cu-Ag-Au, והותירו אחריהם דגימות NPG בעלות מבנה דו-מודאלי וצפיפות נמוכה11. מבנים מסודרים לטווח ארוך אינם מיוצרים על ידי ההליכים המתוארים באמצעות סגסוגות טרינריות. נקבוביות גדולות יותר נוצרו על ידי חילוץ אחד השלבים של סגסוגת האב של אל-או שהועסק על ידי Zhang et al., אשר ייצר את המבנה הבימודאלי עם מידה מינימלית של סדר12. על פי הדיווחים, מבנה היררכי מסודר נוצר על ידי שליטה בכמה סקאלות אורך, באמצעות שימוש במסלולי עיבוד הכוללים פירוק חומרים בתפזורת וחיבור רכיבים בסיסיים למבנים גדולים יותר. במקרה זה, מבנה NPG היררכי נוצר באמצעות כתיבת דיו ישירה (DIW), סגסוגת וסגסוגת13.

כאן מוצגת שיטת סגסוגת דו-שלבית לייצור מבנה היררכי של זהב ננו-נקבובי בימודאלי (hb-NPG) תוך שימוש בהרכבי סגסוגת Au-Ag שונים. כמות האלמנט הריאקטיבי שמתחתיו נעצרת הסגסוגת היא, בתיאוריה, גבול הפרידה. קינטיקה של דיפוזיית פני השטח מושפעת מעט מגבול הפרידה או סף הסגסוגת, שהוא בדרך כלל בין 50 ל -60 אחוז אטומי לפירוק אלקטרוליטי של הרכיב הריאקטיבי יותר מסגסוגת בינארית. חלק אטומי גדול של Ag בסגסוגת Au:Ag הכרחי לסינתזה מוצלחת של hb-NPG, מכיוון שלא ניתן להשלים בהצלחה את תהליכי הסגסוגת האלקטרוכימית והכימית בריכוזים נמוכים הקרובים לגבול הפרידה14.

היתרון של שיטה זו הוא שניתן לשלוט היטב במבנה ובגודל הנקבוביות. כל שלב בפרוטוקול חיוני לכוונון עדין של סולם אורך הנקבוביות האופייני והמרחק האופייני בין רצועות15. כדי לווסת את קצב הדיפוזיה וההמסה של יונים, המתח המופעל מכויל בקפידה. כדי למנוע סדקים במהלך dealloying, קצב המסת Ag נשלט.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. בניית ציפוי של זהב ננו-נקבובי עם ארכיטקטורה בימודאלית היררכית על חוטי זהב - סגסוגת

  1. להרכיב תא אלקטרוכימי בכד 5 מ"ל. השתמשו במכסה על בסיס טפלון עם שלושה חורים כדי להכיל את מערך שלוש האלקטרודות.
    הערה: טפלון הוא חומר פופולרי להכנת מכסים, מכיוון שהוא אינו מגיב עם כימיקלים אחרים.
  2. הניחו אלקטרודת נגד חוט פלטינה, אלקטרודת ייחוס Ag/AgCl (KCl רוויה) וחוט זהב בקוטר של 0.2 מ"מ ובאורך של 5.0 מ"מ המתפקד כאלקטרודה עובדת (ראו טבלת חומרים) בנוחות בכל חור במכסה. שמור על מרחק של 0.7 ס"מ בין האלקטרודה העובדת לבין האלקטרודה הנגדית.
    הערה: אורך החוט הוא 1 ס"מ, ולאחר חיתוך תפס התנין, החלק החשוף הנכנס לתמיסה הוא 0.5 ס"מ. החלק הנותר מכוסה באמצעות סרט פוליטטרה-פלואוראתילן (ראה טבלת חומרים). אורך זה נמדד במדויק באמצעות סולם בכל פעם שהניסוי מבוצע. חוט הזהב מנוקה במספר שלבים לפני השימוש בו במחקר; הוא שקוע תחילה בחומצה חנקתית מרוכזת, לאחר מכן נשטף וטבול בתמיסת פיראנה, ולבסוף שקוע בנתרן בורוהידריד. ריאגנטים חזקים אלה מסייעים בסילוק כל זיהומים שעשויים להידבק לחוט.
  3. הכינו תמיסה של 50 מילימטר כל אחד מ-K[Ag(CN)2] ו-K[Au(CN)2] (ראו טבלת חומרים) במים. הוסף 0.5 מ"ל של תמיסת K[Au(CN)2] ו- 4.5 מ"ל של תמיסת מלח K[Ag(CN)2] במיכל 5 מ"ל.
    אזהרה: יש להיזהר בעת טיפול וסילוק מלחי ציאניד. יש ללבוש כפפות מגן, ביגוד מתאים, הגנה נשימתית והגנה על העיניים בזמן הטיפול בו, ולעבוד במכסה מנוע. יש לאסוף תמיסות מלח ציאניד לאחר סיום הניסוי ולהניח אותן במיכל פסולת נפרד ומסומן בבירור. כאשר באים במגע עם חומצות, נדפים מסוכנים משתחררים. כדי לשמר את הניידות היונית, 0.25 M Na2CO3 מתווסף למלאי 40 mM תמיסות של כל אחד משני המלחים.
  4. מערבבים היטב את התמיסה על ידי החדרת מוט מערבל מגנטי לתא האלקטרוכימי, במהירות ערבוב קבועה של 300 סל"ד.
    הערה: ודא שמוט הבוחש נקי. ניתן להשתמש באקווה רג'יה כדי לנקות אותו אם יש מזהמים.
  5. הזרים גז ארגון דרך התמיסה באמצעות קוטר פנימי של 1/32 אינץ', 5/32 בקוטר חיצוני ו-1/16 בצינורות סיליקון בעובי דופן (ראו טבלת חומרים), נכנסים לתוך התא האלקטרוכימי כדי להוציא את כל החמצן המומס בתמיסת האלקטרוליטים.
    הערה: הדליפה בהתקנה נמנעת על ידי הפיכתה להדוקה מספיק.
  6. חבר את הפוטנציוסטט באמצעות אטבי תנין שנחתכים לאלקטרודות המתאימות לאחר הרכבת התא האלקטרוכימי לחלוטין.
    הערה: עדיף לתייג את הקליפים בשם האלקטרודה שאליה הם יהיו מחוברים כדי למנוע בלבול.
  7. השתמש בתוכנה (PowerSuite; ראה טבלת חומרים) כדי לבצע אלקטרודהפוזיציה באמצעות כרונואמפרומטריה לאחר הפעלת הפוטנציוסטט. הגדר את התוכנה באמצעות הפרמטרים הרצויים. עבור 600 שניות, הפוטנציאל מתוזמן עם ערך קבוע של -1.0 V15.
    הערה: תן לתהליך האתחול לסיים מעצמו לפני שתציין את הפרמטרים. קובץ משלים 1 מציג צילומי מסך לשימוש בתוכנה ספציפית זו.
  8. לחץ על הפעלה ובחר תא חיצוני כדי להשלים את תצהיר הסגסוגת על אלקטרודת העבודה. ציפוי לבן עבה נראה בסוף התהליך.
    הערה: ודא שהחיבורים מאובטחים ושהפתרון בוחש בהתמדה. אם הכל עובד כמו שצריך, הנוכחי מתנדנד בין 300 ל 400 μA.

2. בניית ציפוי של זהב ננו-נקבובי עם ארכיטקטורה בימודאלית היררכית על חוטי זהב - Dealloying

הערה: שלב זה של הפרוטוקול מבוסס על סגסוגת חלקית של חוטי סגסוגת.

  1. הגדר את התא האלקטרוכימי פעם נוספת, כמו בתהליך הקודם (שלב 1.2), שבו שלוש אלקטרודות נשמרות 0.7 ס"מ אחת מהשנייה בתמיסת אלקטרוליטים. השתמש 4 מ"ל של 1 N חומצה חנקתית כתמיסת אלקטרוליטים עבור dealloying חלקי.
    הערה: מכיוון שהאלקטרוליט מדולל, הוא אינו מסיר לחלוטין את היסוד הפחות אצילי, שכאן הוא כסף.
  2. השאירו את מוט הבוחש פועל כדי להפיץ את התמיסה באופן שווה במהירות קבועה של 300 סל"ד.
  3. לאחר הגדרת התא האלקטרוכימי, חברו את הפוטנציוסטט באמצעות אטבי תנין שנחתכים לאלקטרודות הנכונות.
  4. השתמש שוב בתוכנת הכרונואמפרומטריה, אך הפעם בחר פוטנציאל של 0.6 V עבור 600 שניות.
  5. לחץ על הפעלה ולאחר מכן בחר תא חיצוני כדי לסיים את סגסוגת הסגסוגת שהושקעה באלקטרודת העבודה.
    הערה: צבע החוט משתנה לאפרפר-שחור לאחר שלב זה.

3. בניית ציפוי של זהב ננו-נקבובי עם ארכיטקטורה בימודאלית היררכית על חוטי זהב - חישול

  1. שמור את החוטים dealloyed בבקבוקון זכוכית בתוך הכבשן.
  2. שמור על הטמפרטורה בכבשן ב 600 ° C במשך 3 שעות.
    הערה: הטמפרטורה ומשך הזמן נבחרו על סמך מחקרי אופטימיזציה, שהראו כי טמפרטורות נמוכות יותר לא חיספו את הנקבוביות, בעוד שטמפרטורות גבוהות יותר וזמן רב יותר גרמו לסדקים במבנה.
  3. הסר את הבקבוקון לאחר סיום ההליך והתנור כבוי. המתינו עד שהבקבוקון יתקרר לטמפרטורת החדר.
    הערה: הבקבוקון החם מוסר מהתנור באמצעות סט של מלקחיים.

4. בניית ציפוי של זהב ננו-נקבובי עם ארכיטקטורה בימודאלית היררכית על חוטי זהב - Dealloying

  1. לטבול את החוטים dealloyed-annealed חלקית ב 4 מ"ל של חומצה חנקתית מרוכזת.
    הערה: בעת העברת החומצה המרוכזת לבקבוקון הזכוכית המכיל את החוטים, יש לוודא שנעשה שימוש בפיפטת זכוכית.
  2. השאירו את החוטים המפורקים חלקית בבקבוקון הזכוכית המכיל את החומצה החנקתית החזקה במכסה האדים למשך הלילה.
    הערה: תקופת הסגסוגת נשמרה על 24 שעות כדי לאפשר סגסוגת מלאה.
  3. צרו את החוטים המצופים ב-hb-NPG למחרת (איור 1). שטפו אותם ביסודיות במים שעברו דה-יוניזציה, ולאחר מכן שטיפת אתנול, לפני השימוש בהם במחקרים הבאים. לאחר הייבוש, השתמש בחוטים בניסויים. אצווה טרייה של חוטי זהב נקיים משמשת בכל פעם להכנת hb-NPG.
    הערה: כל שלב בסינתזה הוא חיוני כדי להגיע למבנה הבימודאלי. אם מדלגים על אחד השלבים, ייווצר רק מבנה נקבוביות חד-מודאלי.

5. אפיון hb-NPG

  1. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM)-הכנת דגימה
    1. הקפד להשתמש בספח אלומיניום נקי כבסיס להכנת דגימה להדמיית SEM.
      הערה: הספסלים מנוקים בחומצה חנקתית מדוללת, נשטפים באתנול, מיובשים ונשמרים במיכל מכוסה סרט פרפין לפני השימוש החוזר.
    2. הניחו פיסת סרט פחמן שזה עתה נחתכה על הבסיס השטוח של גבעולי האלומיניום.
    3. בעזרת פינצטה, לחתוך חתיכות קטנות של חוט מצופה hb-NPG ולהדביק אותם סרט פחמן.
      הערה: ודא שהחוט נאחז בעדינות בפינצטה כדי למנוע מהציפוי לרדת.
    4. סדרו את החתיכות החתוכות אופקית כדי לחשוף את המורפולוגיה שלהן תחת SEM (ראו טבלת חומרים); חתיכות שמסודרות במאונך יכולות לחשוף את עובי החומר שהושקע על חוט הזהב (איור 2).
      הערה: אם לאלקטרודה יש לחות כלשהי, התא יזדהם וכתוצאה מכך ייווצרו תמונות מעורפלות. לכן, הניחו את האלקטרודה בוואקום למשך הלילה לפני ביצוע הדמיית SEM.
  2. הגדרת תא SEM
    1. אוורור התא באמצעות האפשרות "פתח" מהתוכנה "מיקרוסקופ XT" כדי לפתוח בקלות את דלת החדר.
      הערה: תוכנת "מיקרוסקופ XT" מגיעה עם מערכת SEM. תחילה יש לאוורר את החדר לחלוטין לפני שניתן יהיה לפתוח את הדלת בצורה חלקה, פעולה שבדרך כלל אורכת 3-5 דקות. באדיציה, הלחץ של גליל גז החנקן חייב להיות מתחת 5 psi. קובץ משלים 1 מציג צילומי מסך לשימוש בתוכנה ספציפית זו.
    2. בעזרת חזיתו המעוקלת של טוויטר מיוחד, אחזו היטב בגוב האלומיניום העגול, הכניסו את הדגימה הנקייה שהונחה קודם לכן על הספח לתוך התא, והניחו אותה על במת הדגימה.
      הערה: ודא שהבמה נקייה; אם יש נשפכים, אז אותם עם אצטון ומגבון ללא סיבים (ראה טבלה של חומרים).
    3. בחר באפשרות "משאבה" לאחר מיקום הדגימה בתוך התא כדי לייצר סביבה דמוית ואקום.
      הערה: לוקח בערך 3 דקות לשאוב את התא. לפני הפעלת הקורה, המשתמש צריך לחכות לסיום השאיבה.
    4. באמצעות מצלמת הניווט, לחץ על התמונה בזמן אמת כדי לצפות במיקום המדויק של הדגימה.
  3. הדמיה של הדגימה
    1. הפעל את הקרן תחילה כדי ללכוד תמונה של הדגימה.
      הערה: לפני הפעלת הקורה, ודא שהמערכת שואבת.
    2. כדי להביא את התמונה לדוגמה מהתמונה שנאספה במצלמת הניווט למרכז המסך ולחדד את המיקוד, לחץ עליה פעמיים.
    3. ודא שהתמונות מופקות באמצעות הדמיה עם התוכנה התואמת וגלאי Everhart-Thornley (ETD). יש צורך במיטוב גודל הספוט, קצב הסריקה והפוטנציאל.
      הערה: להתחיל עם פוטנציאל נמוך יותר וגודל ספוט לפני שעולים למעלה זה תמיד מבטיח.
    4. התאם את מרחק הבמה ממקור הקרן ל- 10 מ"מ.
      הערה: למדוד במדויק את המרחק בין הבמה למקור; המערכת חייבת להיות ממוקדת ומחוברת לציר Z.
    5. כדי ללמוד עוד על הארכיטקטורה הקיימת בקנה מידה נמוך יותר, הגדילו את ההגדלה לאחר קבלת תמונה ממוקדת בהגדלה הנמוכה יותר (איור 3).
      הערה: כל רמה של הגדלת ההגדלה דורשת מיקוד.
  4. SEM וספקטרוסקופיית פיזור אנרגיה (EDS) להרכב היסוד של הדגימה
    1. על-ידי בחירת אפשרות SEM בצבע בתוכנה, קבע את הרכב היסוד של החומר (איור 4). הוא מקצה אוטומטית צבעים מגוונים לרכיבים השונים של הדגימה. עם זאת, ניתן גם לבחור צבעים ואלמנטים באופן ידני.
      הערה: חיוני לבחון את טבלת ניתוח הרכב היסודות ואת האחוזים האטומיים של היסודות כדי לשלול בחירות בעלות אחוז אטומי של 0.
    2. על ידי הכנסת גלאי EDS, הכפיף את הדגימה הנחקרת לספקטרוסקופיית קרני רנטגן מפזרת אנרגיה. השתמש בפוטנציאל של 15 kV ובגודל ספוט של 12 לאיסוף נתוני EDS.
      הערה: לאחר לחיצה על כפתור ההוספה, המסך מציג את הגלאי שהוכנס בזמן אמת.
    3. בדוק שהתוכנית מאפשרת יצירת תיבות זעירות לבחירת אזורים נפרדים במסך התמונה לדוגמה, כדי לאסוף מידע עבור הרכב האלמנטים.
      הערה: לקבלת נתונים סטטיסטיים מדויקים, חייבות להיות בין 50 ל- 100,000 ספירות. החלונית מציגה את המצב הכולל של הנתונים שנאספו. בסיומו מופק דו"ח.

6. וולטמטריה מחזורית (CV) לשטח פנים פעיל אלקטרוכימית

  1. בצע את שיטת הפשטת תחמוצת הזהב, הכוללת הגדרה ידנית של תא אלקטרוכימי עם אלקטרודת הייחוס, אלקטרודת הנגד ואלקטרודת העבודה השקועה באלקטרוליט.
    הערה: במחקר הנוכחי, חוט Pt משמש כאלקטרודת הנגד, hb-NPG היא האלקטרודה העובדת, ו- Ag/AgCl משמש כאלקטרודת הייחוס. חומצה גופרתית, 0.5 N, משמשת אלקטרוליט. מומלץ לנקות את אלקטרודות הייחוס והנגד בחומצה חנקתית מדוללת לפני השימוש. יתר על כן, הימנעו משימוש חוזר באלקטרוליט.
  2. לאחר ביצוע החיבורים לפוטנציוסטט, בחר באפשרות קורות חיים מהתוכנית והגדר את הפרמטרים. תקן את הטווח הפוטנציאלי מ- -0.2-1.6 V (איור 5) ובחזרה ל- -0.2 V (לעומת Ag/AgCl) יחד עם קצב סריקה של 100 mV/s.
    הערה: אין צורך בערבוב.
  3. לחץ על כפתור ההפעלה כדי לבצע את הסריקה המחזורית. ודא שהסריקה ההפוכה חושפת שיא בולט. באמצעות מקדם ההמרה המדווח של 400 μC cm-2, שלב את המטען מתחת לשיא המגיע מהפחתת חד-שכבה של תחמוצת הזהב כדי לקבוע את שטח הפנים האלקטרוכימי של חוט hb-NPG.
    הערה: יש לשרטט נכון את המשיק כדי לשלב את המטען מתחת לשיא כראוי.
  4. ערוך סדרה זהה של ניסויים על חוט dealloyed כימית ולאחר שילוב כימי אלקטרוכימי dealloying על חוט סגסוגת Au:Ag (10: 90), כדי להבין את המשמעות המכרעת של הליכי dealloying כפול.

7. טכניקת דלדול תמיסה לחקר העמסת חלבונים

  1. כדי לחקור את ההעמסה בזמן אמת של מולקולות חלבון על פני השטח של hb-NPG, השתמש בספקטרופוטומטר אולטרה סגול (UV-vis) (ראה טבלת חומרים).
    הערה: במחקר זה, תמיסות חלבונים של פטואין, אלבומין בסרום בקר (BSA) וחזרת פרוקסידאז (HRP) (ראו טבלת חומרים) הוכנו בנפרד בריכוזים של 1 מ"ג/מ"ל, 0.5 מ"ג/מ"ל ו-1 מ"ג/מ"ל, בהתאמה, במאגר של 0.01 מטר (pH=7.4) של מלח חוצץ פוספט (PBS). חשוב לבחור חיץ ו-pH ששומרים על יציבות החלבון.
  2. בצע תיקון קו בסיס באמצעות המאגר בלבד. בחר את הפרמטרים של התוכנה, כולל אורך גל, זמן וקצב, לאחר ביצוע התיקון. לאחר מכן, מניחים 500 μL של תמיסת החלבון בתוך הקובט.
  3. ודא שניטור החלבון בזמן אמת מתחיל לאחר הוספת hb-NPG לתמיסה. עקוב אחר השינוי בספיגה לאחר כל דקה במשך 120 דקות ב- 280 ננומטר לאחר לחיצה על לחצן התחל (איור 6).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

גודל הרצועה והתאמות המרווח בין הרצועות הם בעלי משמעות עליונה עבור האלקטרודה המיוצרת. יצירת מבנה עם נקבוביות בגודל כפול על ידי אופטימיזציה של יחסי Au/Ag היא הצעד הראשון במחקר זה, יחד עם האפיון תוך שימוש במורפולוגיה של פני השטח, גורם החספוס ויכולת ההעמסה. בהשוואה ל- NPG קונבנציונלי, מבנה הנקבוביות הבימודאלי הוכיח שטח פנים אלקטרוכימי גבוה יותר, גורם חספוס ויכולת העמסת חלבון15.

hb-NPG הדגים רשת פתוחה ומקושרת של רצועות ונקבוביות לאחר סגסוגת כימית. כאן, חורים גדולים יותר מסומנים על ידי היררכיה עליונה, והיררכיה נמוכה יותר מציינת נקבוביות קטנות יותר. איור 3 מראה תמונות SEM של אלקטרודה עם מבנה בימודאלי היררכי. איור 4 מדגים מיפוי יסודי מקודד בצבע עבור כל שלב ביצירת hb-NPG, עם אדום וצהוב המסמנים כסף וזהב, בהתאמה. היכולת של SEM להקצות צבעים שונים לחלקים שונים היא תכונה שימושית במכשיר.

היחס בין שטח הפנים הפעיל אלקטרוכימית (ECSA) לשטח הפנים הגיאומטרי מניב גורם חספוס לכל אלקטרודה. תוך ניצול המטען מתחת לשיא הפחתת תחמוצת הזהב, CV שימש להערכת ה- ECSA, ו- 7.64 ס"מ2 התגלה כ- HB-NPG ECSA15.

Figure 1
איור 1: אלקטרודה בימודאלית היררכית (hb-NPG) לאחר תהליך הייצור הרב-שלבי. ציפוי hb-NPG על חוט הזהב לאחר השלמת סגסוגת-dealloying-annealing-dealloying מתואר כאן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: הכנת הדגימה עבור SEM. אלקטרודות מותקנות על סרט פחמן המונחת על גבעולי אלומיניום. לאחר מכן הדגימה נטענת לתוך תא ההדמיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: מיקרוגרף SEM המראה את המבנה הבימודאלי המורכב מנקבוביות גדולות יותר וקטנות יותר. התמונות מצולמות במהירות של 15 קילו-וולט וגודל ספוט של 10. (A) היררכיה עליונה בצורת נקבוביות גדולות יותר ברזולוציה של 20,000x (סרגל קנה מידה: 5 מיקרומטר). (B) היררכיה נמוכה יותר המתארת ננו-נקבוביות בהגדלה גבוהה יותר של 80,000x (סרגל קנה מידה: 2 מיקרומטר). נתון זה שוחזר באישור Sondhi et al.15. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: מיקרוגרפים של SEM המראים את מיפוי היסודות המקודדים בצבע שנעשה לאחר כל שלב בייצור. SEM של המבנים הבאים עם אלמנטים מקודדים בצבע (Au, צהוב; ו- Ag, אדום): (A) סגסוגת Au10:Ag 90 , (B) סגסוגת אלקטרוכימית, (C) חישול, (D) מבנה ננו-נקבובי היררכי לאחר שלב הסגירה הכימי האחרון. Aux:Ag100-x מייצג את סגסוגת הזהב והכסף, כאשר x הוא האחוז האטומי של זהב בסגסוגת. נתון זה שוחזר באישור Sondhi et al.15. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: וולטמוגרפיה מחזורית המשווה את שטח הפנים האלקטרואקטיבי של האלקטרודות. העקומה המוצגת ככניסה (כחול) מתארת את קורות החיים של סגסוגת Au10:Ag90 . המבנה שנוצר באמצעות סגסוגת כימית מראה שיא קטן של הפחתת תחמוצת זהב (עקומה אדומה). המבנה הבימודאלי המשלב סגסוגת כימית ואלקטרוכימית מראה שיא הפחתת תחמוצת זהב בולט הרבה יותר (ירוק), מה שמצביע על עלייה בשטח הפנים. CV בוצע באמצעות סריקה פוטנציאלית מ -0.2-1.6 V. נתון זה שוחזר באישור Sondhi et al.15. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: גרף ספיגה לעומת זמן המציג העמסת חלבון בזמן אמת. אימוביליזציה בזמן אמת של BSA, fetuin ו-HRP על אלקטרודות NPG מתוארת ב-(A), (C) ו-(E), בעוד שב-HB-NPG מתוארת ב-(B), (D) ו-(F). השינוי בספיגה ובמספר המולקולות המשותקות מנוטר במשך 120 דקות. הספיגה נרשמה לאחר כל 60 שניות. הממוצע של שלוש הקריאות מתואר בגרף. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

קובץ משלים 1: מדריך למשתמש לתפעול קל של שתי תוכנות המשמשות בתהליך הייצור והאפיון של hb-NPG. צילומי מסך המסבירים את ההליך שלב אחר שלב לשימוש ב- "PowerSuite" ו- "XT microscope". החצים המשמשים בתרשים הזרימה מצביעים לעבר השלב הבא של הפעולה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

באמצעות הליך רב-שלבי הכולל סגסוגת, סגסוגת חלקית, טיפול תרמי וחריטה חומצית, מודגם ייצור NPG היררכי עם נקבוביות בגודל כפול ושטח פנים אלקטרוכימי פעיל גבוה יותר.

בסגסוגת, הפוטנציאל הסטנדרטי של מבשרי מתכת משפיע על מידת התגובה שלהם במהלך אלקטרודפוזיציה. יוני Au ו- Ag מתמיסות נוזליות מופחתים במהלך אלקטרודפוזיציה16,17.

תגובות חצאי התאים הבאות17 מתארות את ההמסה האלקטרוכימית של תמיסות מלח ציאניד זהב וכסף:

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

E0 = -1060 mV לעומת SCE

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

E0 = -1198 mV לעומת SCE

התהליכים המקבילים הבאים קובעים בעיקר כיצד כסף מחומצן על ידי חומצה חנקתית בשלבסגסוגת 18.

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

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

ההשפעה של שינויים בפרמטרים של התהליך על הביצועים האלקטרוכימיים של האלקטרודה נדונה היטב. התגלה כי אלקטרודת NPG בעלת מבנה נקבוביות בימודאלי, העשויה מסגסוגת זהב וכסף עם אחוז אטומי גבוה של כסף ומחושלת ב-600 מעלות צלזיוס למשך 3 שעות, מכילה נקבוביות בגודל כפול המאפשרות העמסת חלבון גדולה יותר מאלקטרודה רגילה עם ננו-נקבוביות. בהשוואה לאלקטרודות ננו-נקבוביות אחרות, הרשת המחוברת של המבנה מציעה גם יעילות העברת מסה גבוהה, ומשפרת ביצועים במונחים של פעילות ורגישות15.

הרצועות המחברות את האטומים הפעילים מאוד, בעלי הקואורדינציה הנמוכה, המרכיבים את ההיררכיה העליונה של האלקטרודה ההיררכית, הן בעלות ממד של 938 ± 285 ננומטר. היישום של האלקטרודה בתחום הקטליזה משופר על ידי ממדי הרצועה שהיא מייצרת. רוחב רצועה של 51 ± 5 ננומטר, מאפיין של מבנים היררכיים נמוכים יותר, משפר את יכולתה של האלקטרודה לשתק תרכובות ביו-אקטיביות. לחומר שנוצר יש פוטנציאל רב ליישומים כמו קטליזה וחישה, הדורשים זיהוי מהיר של מולקולות גדולות יותר, כמו גם מעבר קל עבור אותן מולקולות גדולותיותר 15.

שטח הפנים הגדול והמבנה ההיררכי של האלקטרודות משפיעים על העמסת החלבון. יכולת העמסת חלבון גדולה יותר מאשר NPG קונבנציונאלי הוכחה עבור hb-NPG. ארכיטקטורה בימודאלית מספקת פלטפורמה לאינטראקציה עם חלבונים, תקשורת עם המצע ומעבר לזרימה קלה של מולקולות חלבון. סוג החומר והמורפולוגיה שלו משפיעים על כמות המולקולות הביו-אקטיביות שניתן לטעון לאלקטרודה. בגלל ההיררכיה, אשר מאיצה את הקישור של רוב החלבונים באמצעות כוחות אלקטרוסטטיים ופיזיקליים, HB-NPG יש ריכוז גבוה יותר של חלבונים משותקים15.

למרות הפיתוח של חומרים עם עיצובים מבניים מורכבים התקדם באופן משמעותי, יש עדיין כמה אתגרים. המסחור דורש טכניקות הכנה חדשות עם פחות תהליכים וייצור זול יותר. מחקר עתידי שיתמודד עם סוגיית התפוקה ההמונית וינתח בקפידה את תהליך הפיתוח באתרו של מבנים היררכיים יהיה מעניין לעבוד עליו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי פרס של 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

כימיה גיליון 192 זהב ננו-נקבובי בימודאלי היררכי ביוסנסורה סגסוגת נקבוביות חספוס חישת גלוקוז שטח פנים אפקטיבי

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

טכניקה רב-תכליתית לייצור עיצוב היררכי בזהב ננו-נקבובי
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