Tecnica versatile per produrre un design gerarchico in oro nanoporoso

Summary

L'oro nanoporoso con una distribuzione gerarchica e bimodale delle dimensioni dei pori può essere prodotto combinando l'impiego elettrochimico e chimico. La composizione della lega può essere monitorata tramite l'esame EDS-SEM man mano che il processo di negoziazione avanza. La capacità di carico del materiale può essere determinata studiando l'adsorbimento proteico sul materiale.

Abstract

Il potenziale di generare dimensioni variabili dei pori, la modifica semplicistica della superficie e una vasta gamma di usi commerciali nei campi dei biosensori, degli attuatori, del carico e del rilascio di farmaci e lo sviluppo di catalizzatori hanno indubbiamente accelerato l'uso di nanomateriali a base di oro nanoporoso (NPG) nella ricerca e nello sviluppo. Questo articolo descrive il processo di generazione di oro nanoporoso bimodale gerarchico (hb-NPG) impiegando una procedura graduale che coinvolge la lega elettrochimica, le tecniche di negoziazione chimica e la ricottura per creare sia macro che mesopori. Questo viene fatto per migliorare l'utilità di NPG creando una morfologia bicontinua solido/vuoto. L'area disponibile per la modifica della superficie è migliorata da pori più piccoli, mentre il trasporto molecolare beneficia della rete di pori più grandi. L'architettura bimodale, che è il risultato di una serie di fasi di fabbricazione, viene visualizzata utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM) come una rete di pori di dimensioni inferiori a 100 nm e collegati da legamenti a pori più grandi di diverse centinaia di nanometri. L'area superficiale elettrochimicamente attiva dell'hb-NPG viene valutata mediante voltammetria ciclica (CV), con particolare attenzione ai ruoli critici che sia il dealloying che la ricottura svolgono nella creazione della struttura necessaria. L'adsorbimento di diverse proteine viene misurato mediante tecnica di deplezione in soluzione, rivelando le migliori prestazioni di hb-NPG in termini di carico proteico. Modificando il rapporto tra superficie e volume, l'elettrodo hb-NPG creato offre un enorme potenziale per lo sviluppo di biosensori. Il manoscritto discute un metodo scalabile per creare strutture superficiali hb-NPG, in quanto offrono una grande area superficiale per l'immobilizzazione di piccole molecole e migliori vie di trasporto per reazioni più rapide.

Introduction

Spesso viste in natura, le architetture porose gerarchiche sono state imitate su scala nanometrica per alterare le caratteristiche fisiche dei materiali per migliorare le prestazioni¹. Elementi strutturali interconnessi di varie scale di lunghezza sono una caratteristica dell'architettura gerarchica dei materiali porosi². I metalli nanoporosi trattati hanno tipicamente distribuzioni unimodali delle dimensioni dei pori; Quindi, sono state ideate più tecniche per produrre strutture porose gerarchicamente bimodali con due intervalli separati di dimensioni dei pori³. I due obiettivi fondamentali dell'approccio di progettazione dei materiali, vale a dire l'ampia superficie specifica per la funzionalizzazione e le vie di trasporto rapido, che sono distinti e intrinsecamente in conflitto tra loro, sono soddisfatti da materiali funzionali che possiedono gerarchia strutturale ^4,5.

Le prestazioni del sensore elettrochimico sono determinate dalla morfologia dell'elettrodo, poiché la dimensione dei pori della nanomatrice è cruciale per il trasporto e la cattura molecolare. È stato scoperto che i pori piccoli aiutano nell'identificazione del bersaglio in campioni complicati, mentre i pori più grandi migliorano l'accessibilità della molecola bersaglio, aumentando il campo di rilevamento del sensore⁶. La fabbricazione basata su modelli, la galvanostegia, la chimica sintetica bottom-up, la deposizione di sputtering a film sottile⁷, matrici flessibili complesse basate sul supporto di polidimetilsilossano⁸, la lega di vari metalli seguita dall'incisione selettiva del metallo meno nobile e l'elettrodeposizione sono alcuni dei metodi che vengono frequentemente utilizzati per introdurre nanostrutture nell'elettrodo. Uno dei metodi migliori per creare strutture porose è la procedura di dealloying. A causa della disparità nei tassi di dissoluzione, il metallo sacrificale, che è il metallo meno nobile, influenza significativamente la morfologia finale dell'elettrodo. Una rete interconnessa di pori e legamenti deriva dall'efficace processo di creazione di strutture di oro nanoporoso (NPG), in cui il componente meno nobile si dissolve selettivamente dalla lega di partenza e gli atomi rimanenti si riorganizzano e si consolidano⁹.

Il metodo di dealloying/placcatura/re-dealloying utilizzato da Ding ed Erlebacher per realizzare queste nanostrutture prevedeva prima di sottoporre la lega precursore composta da oro e argento a un impiego chimico usando acido nitrico, seguito dal riscaldamento a una temperatura più elevata con una distribuzione della dimensione dei pori singoli per creare il livello gerarchico superiore e la rimozione dell'argento rimanente usando un secondo dealloying per produrre il livello gerarchico inferiore. Questo metodo era applicabile ai film sottili¹⁰. L'uso di leghe ternarie, che sono composte da due metalli nobili relativamente più reattivi che vengono erosi uno alla volta, è stato consigliato da Biener et al; Cu e Ag sono stati inizialmente rimossi dal materiale Cu-Ag-Au, lasciando dietro di sé campioni NPG bimodali e a bassa densit๹. Le strutture ordinate a lungo raggio non sono prodotte dalle procedure descritte utilizzando leghe ternarie. Pori più grandi sono stati prodotti estraendo una delle fasi della lega madre di Al-Au impiegata da Zhang et al., che ha prodotto la struttura bimodale con un grado minimo di ordine¹². Secondo quanto riferito, una struttura gerarchica ordinata è stata creata controllando diverse scale di lunghezza, attraverso l'uso di percorsi di lavorazione che includono lo smontaggio di materiali sfusi e l'assemblaggio di componenti di base in strutture più grandi. In questo caso, una struttura NPG gerarchica è stata realizzata tramite scrittura diretta a inchiostro (DIW), lega e dealloying¹³.

Qui, viene presentato un metodo di negoziazione in due fasi per fabbricare una struttura gerarchica bimodale in oro nanoporoso (hb-NPG) che impiega varie composizioni di lega Au-Ag. La quantità di elemento reattivo al di sotto della quale il dealloying si ferma è, in teoria, il limite di separazione. La cinetica di diffusione superficiale è leggermente influenzata dal limite di separazione o soglia di dealloying, che è tipicamente compresa tra 50 e 60 percentuale atomica per la dissoluzione elettrolitica del componente più reattivo da una lega binaria. Una grande frazione atomica di Ag nella lega Au:Ag è necessaria per la sintesi di successo di hb-NPG, poiché entrambi i processi elettrochimici e chimici non possono essere completati con successo a basse concentrazioni vicine al limite di separazione¹⁴.

Il vantaggio di questo metodo è che la struttura e la dimensione dei pori possono essere strettamente controllate. Ogni fase del protocollo è cruciale per la messa a punto della tipica scala di lunghezza della porosità e la distanza tipica tra i legamenti¹⁵. Per regolare la velocità di diffusione e dissoluzione interfacciale degli ioni, la tensione applicata viene attentamente calibrata. Per evitare cracking durante il dealloying, il tasso di dissoluzione dell'Ag è controllato.

Protocol

1. Costruzione di un rivestimento di oro nanoporoso con architettura bimodale gerarchica su fili d'oro - Lega

1. Assemblare una cella elettrochimica in un becher da 5 ml. Utilizzare un coperchio a base di teflon con tre fori per contenere la configurazione a tre elettrodi.
   NOTA: Il teflon è un materiale popolare per la produzione di coperchi, in quanto non reagisce con altre sostanze chimiche.
2. Posizionare un controelettrodo a filo di platino, un elettrodo di riferimento Ag/AgCl (KCl saturo) e un filo d'oro con un diametro di 0,2 mm e una lunghezza di 5,0 mm che funzioni come elettrodo di lavoro (vedi Tabella dei materiali) comodamente in ciascun foro del coperchio. Mantenere una distanza di 0,7 cm tra l'elettrodo di lavoro e il controelettrodo.
   NOTA: La lunghezza del filo è di 1 cm e, dopo aver tagliato la clip a coccodrillo, la parte esposta che entra nella soluzione è di 0,5 cm. La parte rimanente è coperta con nastro di politetrafluoroetilene (vedi Tabella dei materiali). Questa lunghezza viene misurata con precisione utilizzando una scala ogni volta che viene eseguito l'esperimento. Il filo d'oro viene pulito in più passaggi prima di essere utilizzato nello studio; Viene prima immerso in acido nitrico concentrato, quindi risciacquato e immerso in soluzione di piranha e infine immerso in boroidruro di sodio. Questi forti reagenti aiutano ad eliminare eventuali impurità che potrebbero aderire al filo.
3. Preparare una soluzione da 50 mM ciascuno di K[Ag(CN)2] e K[Au(CN)₂] (vedi Tabella dei materiali) in acqua. Aggiungere 0,5 mL di soluzione di K[Au(CN)2] e 4,5 mL di soluzione salina di K[Ag(CN)₂] nel becher da 5 ml.
   ATTENZIONE: Prestare attenzione quando si maneggiano e si smaltiscono i sali di cianuro. Indossare guanti protettivi, indumenti appropriati, protezione respiratoria e protezione degli occhi durante la manipolazione e lavorare in una cappa aspirante. Le soluzioni di sale di cianuro devono essere raccolte al termine dell'esperimento e poste in un contenitore separato e chiaramente contrassegnato. A contatto con gli acidi, vengono rilasciati fumi pericolosi. Per preservare la mobilità ionica, 0,25 M Na₂CO₃ viene aggiunto alle soluzioni stock da 40 mM di ciascuno dei due sali.
4. Mescolare accuratamente la soluzione inserendo una barra dell'agitatore magnetico nella cella elettrochimica, ad una velocità di agitazione costante di 300 giri / min.
   NOTA: verificare che la barra dell'agitatore sia pulita. Aqua regia può essere utilizzato per pulirlo se ci sono contaminanti.
5. Far circolare il gas argon attraverso la soluzione utilizzando un diametro interno di 1/32 di pollice, 5/32 di diametro esterno e 1/16 di tubo di silicone di spessore della parete (vedi Tabella dei materiali), andando all'interno della cella elettrochimica per estrarre l'ossigeno disciolto nella soluzione elettrolitica.
   NOTA: la perdita nella configurazione viene evitata rendendola abbastanza stretta.
6. Collegare il potenziostato utilizzando clip a coccodrillo che vengono agganciate agli elettrodi appropriati una volta che la cella elettrochimica è completamente assemblata.
   NOTA: è meglio etichettare le clip con il nome dell'elettrodo a cui saranno attaccate per evitare confusione.
7. Utilizzare il software (PowerSuite; vedere Tabella dei materiali) per eseguire l'elettrodeposizione utilizzando la cronoamperometria dopo aver acceso il potenziostato. Configurare il software utilizzando i parametri desiderati. Per 600 s, il potenziale è temporizzato con un valore fisso di -1,0 V¹⁵.
   NOTA: lasciare che il processo di avvio venga completato da solo prima di specificare i parametri. Il file supplementare 1 mostra schermate per l'uso di questo software specifico.
8. Premere Run e scegliere la cella esterna per completare la deposizione della lega sull'elettrodo di lavoro. Un rivestimento bianco spesso è visto alla fine del processo.
   NOTA: assicurarsi che le connessioni siano sicure e che la soluzione si muova costantemente. Se tutto funziona come dovrebbe, la corrente oscilla tra 300 e 400 μA.

2. Costruire un rivestimento di oro nanoporoso con architettura bimodale gerarchica su fili d'oro - Dealloying

NOTA: Questa fase del protocollo si basa sul trattamento parziale dei fili legati.

1. Configurare nuovamente la cella elettrochimica, come nel processo precedente (fase 1.2), in cui tre elettrodi sono tenuti a 0,7 cm l'uno dall'altro in una soluzione elettrolitica. Utilizzare 4 mL di acido nitrico 1 N come soluzione elettrolitica per il trattamento parziale.
   NOTA: Poiché l'elettrolita è diluito, non rimuove completamente l'elemento meno nobile, che qui è l'argento.
2. Lasciare la barra dell'agitatore in funzione per far circolare uniformemente la soluzione a una velocità costante di 300 giri / min.
3. Una volta impostata la cella elettrochimica, collegare il potenziostato utilizzando clip a coccodrillo che vengono agganciate agli elettrodi corretti.
4. Utilizzate ancora una volta il software di cronoamperometria, ma questa volta scegliete un potenziale di 0,6 V per 600 s.
5. Premere Run, quindi selezionare la cella esterna per completare l'utilizzo della lega depositata sull'elettrodo di lavoro.
   NOTA: il colore del filo diventa grigio-nero dopo questo passaggio.

3. Costruire un rivestimento di oro nanoporoso con architettura bimodale gerarchica su fili d'oro - Ricottura

1. Conservare i fili trattati in una fiala di vetro all'interno del forno.
2. Mantenere la temperatura nel forno a 600 °C per 3 ore.
   NOTA: La temperatura e la durata sono state scelte in base a studi di ottimizzazione, che hanno dimostrato che temperature più basse non hanno ingrossato i pori, mentre temperature più elevate e un tempo più lungo hanno causato crepe nella struttura.
3. Rimuovere la fiala al termine della procedura e lo spegnimento del forno. Attendere che il flaconcino si raffreddi a temperatura ambiente.
   NOTA: Il flaconcino caldo viene rimosso dal forno utilizzando una serie di pinze.

4. Costruire un rivestimento di oro nanoporoso con architettura bimodale gerarchica su fili d'oro - Dealloying

1. Immergere i fili parzialmente ricotti in 4 mL di acido nitrico concentrato.
   NOTA: Quando si trasferisce l'acido concentrato nel flaconcino di vetro contenente i fili, assicurarsi di utilizzare una pipetta di vetro.
2. Lasciare i fili parzialmente ricotti nel flaconcino di vetro contenente l'acido nitrico forte nella cappa aspirante per tutta la notte.
   NOTA: Il periodo di dealloying è stato mantenuto a 24 ore per consentire il pieno dealloying.
3. Creare i fili rivestiti di hb-NPG il giorno successivo (Figura 1). Risciacquarli accuratamente con acqua deionizzata, seguita da un risciacquo con etanolo, prima di essere utilizzati negli studi successivi. Dopo l'essiccazione, utilizzare i fili negli esperimenti. Un nuovo lotto di fili d'oro puliti viene utilizzato ogni volta per preparare hb-NPG.
   NOTA: Ogni passo nella sintesi è cruciale per arrivare alla struttura bimodale. Se uno qualsiasi dei passaggi viene saltato, risulterà solo una struttura unimodale dei pori.

5. Caratterizzazione hb-NPG

1. Preparazione del campione al microscopio elettronico a scansione (SEM)
   1. Assicurarsi di utilizzare un mozzicone di alluminio pulito come base per la preparazione del campione per l'imaging SEM.
      NOTA: I mozziconi vengono puliti con acido nitrico diluito, risciacquati con etanolo, asciugati e conservati in un contenitore coperto di film di paraffina prima di essere riutilizzati.
   2. Posizionare un pezzo di nastro di carbonio appena tagliato sulla base piatta del mozzicone di alluminio.
   3. Con l'aiuto di una pinzetta, tagliare piccoli pezzi di filo rivestito di hb-NPG e farli aderire al nastro di carbonio.
      NOTA: Assicurarsi che il filo sia delicatamente afferrato con una pinzetta per evitare che il rivestimento si stacchi.
   4. Disporre i pezzi tagliati orizzontalmente per rivelare la loro morfologia sotto un SEM (vedi Tabella dei materiali); i pezzi disposti verticalmente possono rivelare lo spessore del materiale depositato sul filo d'oro (Figura 2).
      NOTA: Se l'elettrodo ha umidità, la camera sarà contaminata, con conseguente immagini sfocate. Pertanto, posizionare l'elettrodo nel vuoto durante la notte prima di eseguire l'imaging SEM.
2. Allestimento della camera SEM
   1. Sfiatare la camera utilizzando l'opzione "vent" dal software "microscopio XT" per aprire facilmente lo sportello della camera.
      NOTA: Il software "Microscopio XT" viene fornito con il sistema SEM. La camera deve essere completamente ventilata prima che la porta possa essere aperta senza intoppi, il che richiede in genere 3-5 minuti. Inoltre, la pressione della bombola di azoto gassoso deve essere inferiore a 5 psi. Il file supplementare 1 mostra schermate per l'uso di questo software specifico.
   2. Con l'aiuto della parte anteriore curva di una pinzetta speciale, afferrare saldamente il mozzicone circolare in alluminio, inserire il campione pulito che è stato precedentemente posizionato sul mozzicone nella camera e posizionarlo sul palco del campione.
      NOTA: assicurarsi che il palcoscenico sia pulito; se ci sono fuoriuscite, eliminarle con acetone e una salvietta priva di lanugine (vedi Tabella dei materiali).
   3. Selezionare l'opzione "pompa" dopo aver posizionato il campione all'interno della camera per produrre un ambiente simile al vuoto.
      NOTA: Ci vogliono circa 3 minuti per pompare la camera. Prima di accendere il raggio, l'utente deve attendere il completamento del pompaggio.
   4. Utilizzando la telecamera di navigazione, fare clic sull'immagine in tempo reale per osservare la posizione precisa del campione.
3. Imaging del campione
   1. Accendere inizialmente il raggio per acquisire un'immagine del campione.
      NOTA: prima di accendere il raggio, assicurarsi che il sistema sia aspirato.
   2. Per portare l'immagine di esempio dall'immagine raccolta dalla telecamera di navigazione al centro dello schermo e rendere più nitida la messa a fuoco, fare doppio clic su di essa.
   3. Assicurarsi che le immagini siano prodotte utilizzando l'imaging con il software compatibile e il rilevatore Everhart-Thornley (ETD). È necessario ottimizzare le dimensioni dello spot, la velocità di scansione e il potenziale.
      NOTA: Iniziare con un potenziale e una dimensione dello spot inferiori prima di salire è sempre promettente.
   4. Regolare la distanza dello stage dalla sorgente del fascio a 10 mm.
      NOTA: per misurare con precisione la distanza tra il palco e la sorgente; il sistema deve essere focalizzato e collegato all'asse Z.
   5. Per ulteriori informazioni sull'architettura presente a una scala inferiore, aumentare l'ingrandimento dopo aver ottenuto un'immagine a fuoco all'ingrandimento inferiore (Figura 3).
      NOTA: ogni livello di aumento dell'ingrandimento richiede messa a fuoco.
4. SEM e spettroscopia a dispersione di energia (EDS) per la composizione elementare del campione
   1. Scegliendo l'opzione SEM a colori nel software, determinare la composizione elementare del materiale (Figura 4). Assegna automaticamente colori diversi ai vari elementi del campione. Tuttavia, è anche possibile scegliere manualmente colori ed elementi.
      NOTA: È fondamentale esaminare la tabella di analisi della composizione elementare e le percentuali atomiche degli elementi per escludere scelte che hanno una percentuale atomica di 0.
   2. Inserendo il rivelatore EDS, sottoporre il campione in studio a spettroscopia a raggi X a dispersione di energia. Utilizzare un potenziale di 15 kV e una dimensione dello spot di 12 per la raccolta dei dati EDS.
      NOTA: dopo aver premuto il pulsante di inserimento, lo schermo visualizza il rilevatore inserito in tempo reale.
   3. Verificare che il programma consenta la creazione di piccole caselle per selezionare regioni discrete sullo schermo dell'immagine di esempio, per raccogliere informazioni per la composizione elementare.
      NOTA: per statistiche accurate, devono esserci tra 50 e 100.000 conteggi. Il pannello visualizza lo stato generale dei dati raccolti. Alla conclusione, viene prodotto un rapporto.

6. Voltammetria ciclica (CV) per superficie elettrochimicamente attiva

1. Eseguire il metodo di strippaggio dell'ossido d'oro, che prevede l'impostazione manuale di una cella elettrochimica con l'elettrodo di riferimento, il controelettrodo e l'elettrodo di lavoro immersi in un elettrolita.
   NOTA: Per il presente studio, il filo Pt funge da controelettrodo, hb-NPG è l'elettrodo di lavoro e Ag/AgCl funge da elettrodo di riferimento. L'acido solforico, 0,5 N, funge da elettrolita. Si consiglia di pulire gli elettrodi di riferimento e di contromisura in acido nitrico diluito prima dell'uso. Inoltre, evitare di riutilizzare l'elettrolita.
2. Una volta effettuate le connessioni al potenziostato, selezionare l'opzione CV dal programma e configurare i parametri. Fissare l'intervallo di potenziale da -0,2 a 1,6 V (Figura 5) e tornare a -0,2 V (rispetto ad Ag/AgCl) insieme a una velocità di scansione di 100 mV/s.
   NOTA: Non è richiesta alcuna agitazione.
3. Fare clic sul pulsante Esegui per eseguire la scansione ciclica. Assicurarsi che la scansione inversa riveli un picco evidente. Utilizzando il fattore di conversione riportato di 400 μC cm-2, integrare la carica sotto il picco proveniente dalla riduzione del monostrato di ossido d'oro per determinare l'area superficiale elettrochimica del filo ^hb-NPG.
   NOTA: La tangente deve essere disegnata correttamente per integrare correttamente la carica sotto il picco.
4. Condurre una serie identica di esperimenti su filo trattato chimicamente e dopo aver combinato il trattamento chimico ed elettrochimico sul filo legato Au:Ag (10:90), per comprendere il significato cruciale delle procedure di dual dealloying.

7. Tecnica di deplezione della soluzione per studiare il carico proteico

1. Per studiare il carico in tempo reale delle molecole proteiche sulla superficie hb-NPG, utilizzare uno spettrofotometro ultravioletto-visibile (UV-vis) (vedi Tabella dei materiali).
   NOTA: In questo studio, le soluzioni proteiche di fetuina, albumina sierica bovina (BSA) e perossidasi di rafano (HRP) (vedere Tabella dei materiali) sono state preparate separatamente a concentrazioni di 1 mg/ml, 0,5 mg/ml e 1 mg/ml, rispettivamente, in un tampone salino tamponato fosfato (PBS) di 0,01 M (pH = 7,4). È fondamentale selezionare un tampone e un pH che mantengano la stabilità proteica.
2. Eseguire la correzione della linea di base utilizzando solo il buffer. Scegli i parametri del software, tra cui lunghezza d'onda, tempo e velocità, dopo aver effettuato la correzione. Quindi, posizionare 500 μL della soluzione proteica all'interno della cuvetta.
3. Assicurarsi che il monitoraggio delle proteine in tempo reale inizi dopo l'aggiunta di hb-NPG nella soluzione. Monitorare la variazione di assorbanza dopo ogni minuto per 120 minuti a 280 nm dopo aver premuto il pulsante di avvio (Figura 6).

Representative Results

Le dimensioni del legamento e le regolazioni del gap tra legamenti sono della massima importanza per l'elettrodo prodotto. La creazione di una struttura con pori di doppia dimensione ottimizzando i rapporti Au/Ag è il primo passo in questo studio, insieme alla caratterizzazione utilizzando la morfologia superficiale, il fattore di rugosità e la capacità di carico. Rispetto all'NPG convenzionale, la struttura bimodale dei pori ha dimostrato una maggiore superficie elettrochimica, fattore di rugosità e capacità di carico proteico¹⁵.

hb-NPG ha dimostrato una rete aperta e collegata di legamenti e pori a seguito di operazioni chimiche. Qui, i fori più grandi sono indicati da una gerarchia superiore e una gerarchia inferiore indica pori più piccoli. La Figura 3 mostra le immagini SEM dell'elettrodo con una struttura bimodale gerarchica. La Figura 4 illustra la mappatura elementare codificata a colori per ogni fase della creazione di hb-NPG, con il rosso e il giallo che designano rispettivamente argento e oro. La capacità di SEM di assegnare colori distinti a varie sezioni è una caratteristica utile nello strumento.

La proporzione tra area superficiale elettrochimicamente attiva (ECSA) e area geometrica della superficie produce un fattore di rugosità per ciascun elettrodo. Utilizzando la carica al di sotto del picco di riduzione dell'ossido d'oro, CV è stato impiegato per valutare l'ECSA, e 7,64 cm² è risultato essere l'hb-NPG ECSA¹⁵.

Figura 1: Elettrodo bimodale gerarchico (hb-NPG) dopo il processo di fabbricazione multistep. Il rivestimento hb-NPG sul filo d'oro dopo il completamento di lega-dealloying-annealing-dealloying è raffigurato qui. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 2: Preparazione del campione per SEM. Gli elettrodi sono montati su nastro di carbonio che viene posizionato su mozziconi di alluminio. Il campione viene quindi caricato nella camera di imaging. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 3: Micrografia SEM che mostra la struttura bimodale comprendente dimensioni dei pori più grandi e più piccole. Le immagini vengono scattate a 15 kV e una dimensione dello spot di 10. (A) Gerarchia superiore sotto forma di pori più grandi a 20.000x (barra di scala: 5 μm). (B) Gerarchia inferiore raffigurante nanopori con un ingrandimento maggiore di 80.000x (barra di scala: 2 μm). Questa figura è stata riprodotta con il permesso di Sondhi et ^al.15. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 4: Micrografie SEM che mostrano la mappatura elementare codificata a colori effettuata dopo ogni fase di fabbricazione. SEM delle seguenti strutture con elementi codificati a colori (Au, giallo; e Ag, rosso): (A) lega Au₁₀:Ag₉₀, (B) trattata elettrochimicamente, (C) ricotto, (D) struttura nanoporosa gerarchica dopo l'ultima fase di negoziazione chimica. Au x:Ag_100-x sta per la lega di oro e argento, dove_x è la percentuale atomica di oro nella lega. Questa figura è stata riprodotta con il permesso di Sondhi et ^al.15. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 5: Voltammografie cicliche che confrontano la superficie elettroattiva degli elettrodi. La curva mostrata come inserto (blu) rappresenta il CV della lega Au₁₀:Ag₉₀ . La struttura creata tramite dealloying chimico mostra un piccolo picco di riduzione dell'ossido d'oro (curva rossa). La struttura bimodale che incorpora il commercio chimico ed elettrochimico mostra un picco di riduzione dell'ossido d'oro molto più pronunciato (verde), indicando un aumento della superficie. CV è stato eseguito utilizzando una scansione potenziale da -0,2-1,6 V. Questa figura è stata riprodotta con il permesso di Sondhi et ^al.15. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 6: Grafico dell'assorbanza rispetto al tempo che mostra il carico proteico in tempo reale. L'immobilizzazione in tempo reale di BSA, fetuina e HRP sugli elettrodi NPG è rappresentata in (A), (C) ed (E), mentre su hb-NPG è raffigurata in (B), (D) e (F). La variazione dell'assorbanza e il numero di molecole immobilizzate vengono monitorati nell'arco di 120 minuti. L'assorbanza è stata registrata dopo ogni 60 s. La media delle tre letture è rappresentata nel grafico. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

File supplementare 1: Guida per l'utente per il facile funzionamento di due software utilizzati nel processo di fabbricazione e caratterizzazione dell'hb-NPG. Screenshot che spiegano la procedura passo-passo per utilizzare "PowerSuite" e "microscopio XT". Le frecce utilizzate nel diagramma di flusso puntano verso il passaggio successivo dell'operazione. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Discussion

Utilizzando una procedura a più fasi che coinvolge lega, trattamento parziale, trattamento termico e incisione acida, viene dimostrata la fabbricazione gerarchicamente di NPG con pori di doppia dimensione e una superficie elettrochimica attiva più elevata.

Nella lega, il potenziale standard dei precursori metallici influenza la loro reattività durante l'elettrodeposizione. Gli ioni Au e Ag delle soluzioni liquide vengono ridotti durante l'elettrodeposizione^16,17.

Le seguenti reazioni a semicella¹⁷ raffigurano la dissoluzione elettrochimica di soluzioni di sali di cianuro d'oro e d'argento:

Au (CN)₂- + 1e^-

E⁰ = -1060 mV vs. SCE

Ag (CN)₃² - + 1e^-

E⁰ = -1198 mV vs. SCE

I seguenti processi paralleli determinano principalmente come l'argento viene ossidato dall'acido nitrico nella fase¹⁸.

4HNO 3 + 3Ag -> 3AgNO₃ + NO + 2H₂O

2HNO 3 + Ag -> AgNO₃ + NO 2 + H₂ O

L'impatto dei cambiamenti nei parametri di processo sulle prestazioni elettrochimiche dell'elettrodo è ben discusso. È stato scoperto che un elettrodo NPG con una struttura bimodale dei pori, costituito da una lega di oro e argento con un'alta percentuale atomica di argento e ricotto a 600 °C per 3 ore, contiene pori di doppia dimensione che consentono un carico proteico maggiore rispetto a un elettrodo convenzionale con nanopori. Rispetto ad altri elettrodi nanoporosi, la rete interconnessa della struttura offre anche un'elevata efficienza di trasferimento di massa, migliorando le prestazioni in termini di attività e sensibilità¹⁵.

I legamenti di interconnessione che collegano gli atomi altamente attivi e a bassa coordinazione che formano la gerarchia superiore dell'elettrodo gerarchico hanno una dimensione di 938 ± 285 nm. L'applicazione dell'elettrodo nel campo della catalisi è migliorata dalle dimensioni del legamento che produce. Una larghezza del legamento di 51 ± 5 nm, una caratteristica delle strutture gerarchiche inferiori, aumenta la capacità dell'elettrodo di immobilizzare composti bioattivi. Il materiale creato ha un grande potenziale per applicazioni come la catalisi e il rilevamento, che richiedono un rapido rilevamento di molecole più grandi e un facile passaggio per quelle molecole più grandi¹⁵.

L'ampia superficie e la struttura gerarchica degli elettrodi hanno un impatto sul carico proteico. Una maggiore capacità di carico proteico rispetto all'NPG convenzionale è stata dimostrata per hb-NPG. L'architettura bimodale fornisce una piattaforma per l'interazione proteica, la comunicazione con il substrato e il passaggio per il facile flusso delle molecole proteiche. Il tipo di materiale e la sua morfologia influiscono sul numero di molecole bioattive che possono essere caricate in un elettrodo. A causa della gerarchia, che accelera il legame della maggior parte delle proteine attraverso forze elettrostatiche e fisiche, l'hb-NPG ha una maggiore concentrazione di proteine immobilizzate¹⁵.

Anche se lo sviluppo di materiali con progetti strutturali complessi è avanzato in modo significativo, ci sono ancora alcune sfide. La commercializzazione richiede nuove tecniche di preparazione con meno processi e una produzione più economica. La ricerca futura che affronta la questione della produzione di massa e analizza attentamente il processo di sviluppo in situ delle strutture gerarchiche sarà interessante su cui lavorare.

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