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Chemistry

나노다공성 금으로 계층적 디자인을 생성하는 다용도 기술

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

계층적 및 바이모달 기공 크기 분포를 갖는 나노다공성 금은 전기화학적 및 화학적 탈합금화를 조합하여 제조될 수 있다. 합금의 조성은 탈합금 공정이 진행됨에 따라 EDS-SEM 검사를 통해 모니터링할 수 있습니다. 재료의 적재 용량은 재료에 대한 단백질 흡착을 연구하여 결정할 수 있습니다.

Abstract

바이오센서, 액추에이터, 약물 로딩 및 방출, 촉매 개발 분야에서 다양한 기공 크기, 단순한 표면 개질 및 광범위한 상업적 용도를 생성할 수 있는 잠재력은 의심할 여지 없이 연구 개발에서 나노다공성 금(NPG) 기반 나노 물질의 사용을 가속화했습니다. 이 기사에서는 전기화학적 합금화, 화학적 탈합금화 기술 및 어닐링을 포함하는 단계별 절차를 사용하여 매크로 및 메조 기공을 모두 생성함으로써 계층적 바이모달 나노다공성 금(hb-NPG)의 생성 과정을 설명합니다. 이것은 쌍연속 고체/공극 형태를 생성하여 NPG의 유용성을 향상시키기 위해 수행됩니다. 표면 개질에 사용할 수 있는 영역은 더 작은 기공에 의해 향상되는 반면, 분자 수송은 더 큰 기공 네트워크의 이점을 얻습니다. 일련의 제조 단계의 결과인 바이모달 아키텍처는 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 크기가 100nm 미만이고 인대에 의해 수백 나노미터 크기의 더 큰 기공에 연결된 기공 네트워크로 시각화됩니다. hb-NPG의 전기화학적 활성 표면적은 순환 전압전류법(CV)을 사용하여 평가되며, 탈합금과 어닐링이 필요한 구조를 만드는 데 중요한 역할을 하는 데 중점을 둡니다. 다른 단백질의 흡착은 용액 고갈 기술로 측정되어 단백질 로딩 측면에서 hb-NPG의 더 나은 성능을 나타냅니다. 표면적 대 부피 비율을 변경함으로써 생성된 hb-NPG 전극은 바이오센서 개발에 엄청난 잠재력을 제공합니다. 이 원고는 hb-NPG 표면 구조를 생성하는 확장 가능한 방법에 대해 논의하는데, 이는 작은 분자의 고정화를 위한 넓은 표면적과 더 빠른 반응을 위한 개선된 수송 경로를 제공하기 때문입니다.

Introduction

자연에서 흔히 볼 수 있는 계층적 다공성 아키텍처는 성능 향상을 위해 재료의 물리적 특성을 변경하기 위해 나노 스케일에서 모방되었습니다1. 다양한 길이의 상호 연결된 구조 요소는 다공성 재료2의 계층 적 구조의 특징입니다. 탈합금 나노다공성 금속은 일반적으로 단일모드 기공 크기 분포를 갖습니다. 따라서, 두 개의 분리된 기공 크기 범위3를 갖는 계층적으로 바이모달 다공성 구조를 생성하기 위해 여러 기술이 고안되었다. 재료 설계 접근법의 두 가지 기본 목표, 즉 기능화를위한 큰 비 표면적과 본질적으로 서로 충돌하는 빠른 운송 경로는 구조적 계층구조 4,5를 갖는 기능성 재료에 의해 충족됩니다.

전기화학 센서의 성능은 전극 형태에 의해 결정되는데, 이는 나노매트릭스의 기공 크기가 분자 수송 및 포획에 중요하기 때문입니다. 작은 기공은 복잡한 시료에서 표적 식별에 도움이 되는 반면, 큰 기공은 표적 분자의 접근성을 향상시켜 센서의 검출 범위를 증가시키는 것으로 밝혀졌다6. 템플릿 기반 제조, 전기 도금, 상향식 합성 화학, 박막 스퍼터링 증착 (7), 폴리 디메틸 실록산 지지체(8)를 기반으로 한 복잡한 유연한 매트릭스, 다양한 금속의 합금화 후 귀금속의 선택적 에칭 및 전착은 나노 구조를 전극에 도입하는 데 자주 사용되는 방법 중 일부입니다. 다공성 구조를 만드는 가장 좋은 방법 중 하나는 탈합금 절차입니다. 용해 속도의 차이로 인해 귀금속이 적은 희생 금속은 전극의 최종 형태에 큰 영향을 미칩니다. 기공과 인대의 상호 연결된 네트워크는 나노 다공성 금 (NPG) 구조를 만드는 효과적인 과정에서 비롯되며, 덜 고귀한 성분은 출발 합금에서 선택적으로 용해되고 나머지 원자는 재구성되고 통합됩니다9.

이러한 나노 구조를 만들기 위해 Ding과 Erlebacher가 사용한 탈합금/도금/재합금 방법은 먼저 금과 은으로 구성된 전구체 합금을 질산을 사용하여 화학적 탈합금화한 다음 단일 기공 크기 분포로 더 높은 온도에서 가열하여 상위 계층 수준을 만들고 두 번째 탈합금을 사용하여 나머지 은을 제거하여 하위 계층 수준을 생성하는 것입니다. 이 방법은 박막(10)에 적용되었다. 한 번에 하나씩 침식되는 비교적 반응성이 높은 두 개의 귀금속으로 구성된 삼원 합금을 사용하는 것은 Biener et al.에 의해 조언되었습니다. Cu 및 Ag는 초기에 Cu-Ag-Au 물질로부터 제거되어, 바이모딤 구조화된 저밀도 NPG 샘플(11)을 남겼다. 장거리 주문 구조는 삼원 합금을 사용하여 설명된 절차에 의해 생성되지 않습니다. Zhang et al.에 의해 채택 된 Al-Au의 모합금의 상 중 하나를 추출하여 더 큰 기공을 생성했으며, 이는 최소차수 12의 바이모달 구조를 생성했다. 정렬된 계층 구조는 벌크 재료를 분해하고 기본 구성 요소를 더 큰 구조로 결합하는 것을 포함하는 처리 경로를 사용하여 여러 길이 척도를 제어하여 생성된 것으로 알려졌습니다. 이 경우, 계층적 NPG 구조는 다이렉트 잉크 쓰기(DIW), 합금 및 탈합금을 통해 이루어졌다13.

여기서, 다양한 Au-Ag 합금 조성을 사용하는 계층적 바이모달 나노다공성 금(hb-NPG) 구조를 제조하기 위한 2단계 탈합금 방법을 제시한다. 탈합금이 멈추는 반응성 원소의 양은 이론적으로 이단 한계입니다. 표면 확산 동역학은 이원 한계 또는 탈합금 임계값에 의해 약간 영향을 받으며, 이는 일반적으로 이원 합금에서 더 반응성이 높은 성분의 전해 용해를 위한 50 및 60 원자 백분율입니다. 전기화학적 및 화학적 탈합금화 공정이 모두 절단 한계14 근처의 낮은 농도에서 성공적으로 완료될 수 없기 때문에 Au:Ag 합금에서 Ag의 큰 원자 분율이 hb-NPG의 성공적인 합성에 필요합니다.

이 방법의 장점은 구조와 기공 크기를 엄격하게 제어할 수 있다는 것입니다. 프로토콜의 각 단계는 일반적인 다공성 길이 척도와 인대 사이의 일반적인 거리를 미세 조정하는 데 중요합니다(15). 이온 계면 확산 및 용해 속도를 조절하기 위해 인가 전압을 신중하게 보정합니다. 탈합금 중 균열을 방지하기 위해 Ag 용해 속도가 제어됩니다.

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Protocol

1. 금 와이어에 계층적 바이모달 구조를 가진 나노다공성 금 코팅 구성 - 합금

  1. 5mL 비커에 전기화학 셀을 조립합니다. 3개의 구멍이 있는 테프론 기반 뚜껑을 사용하여 3개의 전극 설정을 포함합니다.
    알림: 테프론은 다른 화학 물질과 반응하지 않기 때문에 뚜껑을 만드는 데 널리 사용되는 재료입니다.
  2. 백금 와이어 상대 전극, Ag/AgCl(포화 KCl) 기준 전극 및 작동 전극으로 기능하는 직경 0.2mm, 길이 5.0mm의 금선( 재료 표 참조)을 뚜껑의 각 구멍에 편리하게 배치합니다. 작업전극과 상대전극 사이에 0.7cm의 거리를 유지하십시오.
    참고: 와이어의 길이는 1cm이며, 악어 클립을 잘라낸 후 용액에 들어가는 노출된 부분은 0.5cm입니다. 나머지 부분은 폴리테트라플루오로에틸렌 테이프를 사용하여 덮습니다( 재료 표 참조). 이 길이는 실험이 수행될 때마다 척도를 사용하여 정확하게 측정됩니다. 금선은 연구에 사용되기 전에 여러 단계로 청소됩니다. 먼저 농축 질산에 담근 다음 헹구고 피라냐 용액에 담근 다음 마지막으로 수소화붕소나트륨에 담근다. 이 강력한 시약은 와이어에 부착될 수 있는 불순물을 제거하는 데 도움이 됩니다.
  3. 물에서 K[Ag(CN)2] 및 K[Au(CN)2](재료 표 참조)의 각각 50mM 용액을 준비합니다. 0.5mL 비커에 K[Au(CN)2] 용액 4.5mL와 K[Ag(CN)2] 염 용액 5mL를 넣습니다.
    주의 : 시안화물 염을 취급 및 폐기할 때 주의하십시오. 취급 시 보호 장갑, 적절한 의복, 호흡기 보호구 및 보안경을 착용하고 흄 후드에서 작업하십시오. 시안화물 염 용액은 실험이 끝난 후 수집하여 명확하게 표시된 별도의 폐기물 용기에 넣어야 합니다. 산과 접촉하면 위험한 연기가 방출됩니다. 이온 이동성을 보존하기 위해, 0.25 MNa2CO3를 2개의 염 각각의 스톡 40 mM 용액에 첨가한다.
  4. 마그네틱 교반기 막대를 전기화학 전지에 삽입하여 300rpm의 일정한 교반 속도로 용액을 완전히 혼합합니다.
    알림: 교반기 막대가 깨끗한지 확인하십시오. Aqua regia는 오염 물질이있는 경우 청소하는 데 사용할 수 있습니다.
  5. 내경 1/32인치(인치), 외경 5/32인치, 벽 두께 1/16인치( 재료 표 참조)를 사용하여 용액을 통해 아르곤 가스를 순환시켜 전기화학 전지 내부로 들어가 전해질 용액의 용존 산소를 제거합니다.
    알림: 설정의 누출은 충분히 조여서 방지됩니다.
  6. 전기화학 전지가 완전히 조립되면 적절한 전극에 고정된 악어 클립을 사용하여 전위차 장치를 연결합니다.
    알림: 혼동을 피하기 위해 클립에 부착할 전극의 이름을 클립에 표시하는 것이 가장 좋습니다.
  7. 소프트웨어(PowerSuite, 재료 표 참조)를 사용하여 전위차 조절기를 켠 후 크로노암페로메트리를 사용하여 전착을 수행합니다. 원하는 매개 변수를 사용하여 소프트웨어를 구성합니다. 600초 동안 전위는 -1.0V15의 고정 값으로 시간이 측정됩니다.
    주: 매개변수를 지정하기 전에 부팅 프로세스가 저절로 끝나도록 하십시오. 보충 파일 1 은 이 특정 소프트웨어의 사용에 대한 스크린샷을 보여줍니다.
  8. 실행을 누르고 외부 셀을 선택하여 작동 전극에 합금 증착을 완료합니다. 공정이 끝나면 두꺼운 흰색 코팅이 보입니다.
    알림: 연결이 단단히 고정되어 있고 용액이 꾸준히 저어주는지 확인하십시오. 모든 것이 제대로 작동하면 전류는 300μA에서 400μA 사이에서 진동합니다.

2. 금 와이어에 계층적 바이모달 아키텍처를 가진 나노다공성 금 코팅 구성 - 탈합금

알림: 프로토콜의 이 단계는 합금 와이어의 부분 탈합금을 기반으로 합니다.

  1. 이전 과정(단계 1.2)에서와 같이 전기화학 전지를 한 번 더 구성하고, 여기서 3개의 전극은 전해질 용액에서 서로 0.7cm 떨어져 있습니다. 부분 탈합금을 위한 전해질 용액으로 4mL의 1N 질산을 사용합니다.
    알림: 전해질이 희석되기 때문에 덜 고귀한 원소인 은을 완전히 제거하지는 않습니다.
  2. 용액을 300rpm의 일정한 속도로 고르게 순환시키기 위해 교반기 막대를 작동 상태로 두십시오.
  3. 전기 화학 전지가 설정되면 올바른 전극에 잘린 악어 클립을 사용하여 전위차 조절기를 부착합니다.
  4. 크로노암페로메트리 소프트웨어를 다시 한 번 사용하되 이번에는 600초 동안 0.6V의 전위를 선택합니다.
  5. 실행을 누른 다음 외부 셀을 선택하여 작동 전극에 증착된 합금의 탈합금을 완료합니다.
    알림: 이 단계 후에 와이어의 색상이 회백색으로 바뀝니다.

3. 금선에 계층적 바이모달 구조를 가진 나노다공성 금 코팅 구성 - 어닐링

  1. 합금이 제거된 와이어는 용광로 내부의 유리병에 보관하십시오.
  2. 퍼니스의 온도를 600°C에서 3시간 동안 유지합니다.
    참고: 온도와 지속 시간은 최적화 연구를 기반으로 선택되었으며, 낮은 온도는 기공을 거칠게 하지 않는 반면 더 높은 온도와 더 긴 시간은 구조에 균열을 일으킨다는 것을 보여주었습니다.
  3. 절차가 끝나고 퍼니스가 꺼진 후 바이알을 제거하십시오. 바이알이 실온으로 식을 때까지 기다리십시오.
    알림: 뜨거운 바이알은 집게 세트를 사용하여 퍼니스에서 제거됩니다.

4. 금 와이어에 계층적 바이모달 아키텍처를 가진 나노다공성 금 코팅 구성 - 탈합금

  1. 부분적으로 탈합금된 어닐링된 와이어를 진한 질산 4mL에 담그십시오.
    알림: 진한 산을 와이어가 들어 있는 유리 바이알에 옮길 때 유리 피펫을 사용했는지 확인하십시오.
  2. 부분적으로 탈합금된 어닐링된 와이어를 흄 후드에 강한 질산이 들어 있는 유리 바이알에 밤새 그대로 두십시오.
    알림: 탈합금 기간은 완전한 탈합금을 허용하기 위해 24시간으로 유지되었습니다.
  3. 다음 날 hb-NPG 코팅 와이어를 만듭니다(그림 1). 이들을 탈 이온수로 철저히 헹구고 에탄올로 헹구어 후속 연구에 사용하십시오. 건조 후 실험에 전선을 사용하십시오. hb-NPG를 준비하기 위해 매번 깨끗한 금선의 새로운 배치가 사용됩니다.
    참고: 합성의 모든 단계는 바이모달 구조에 도달하는 데 중요합니다. 단계 중 하나라도 건너뛰면 단방향 기공 구조만 생성됩니다.

5. hb-NPG 특성화

  1. 주사전자현미경(SEM)-시료 전처리
    1. 깨끗한 알루미늄 스텁을 위한 베이스로 사용해야 합니다.ampSEM 이미징을 위한 준비.
      알림: 스텁은 묽은 질산으로 세척하고 에탄올로 헹구고 건조시킨 다음 파라핀 필름으로 덮인 용기에 보관한 후 다시 사용합니다.
    2. 새로 자른 탄소 테이프를 알루미늄 스텁의 평평한 바닥 위에 놓습니다.
    3. 핀셋을 사용하여 hb-NPG 코팅 와이어의 작은 조각을 잘라 탄소 테이프에 붙입니다.
      알림: 코팅이 벗겨지지 않도록 와이어를 핀셋으로 부드럽게 잡았는지 확인하십시오.
    4. 절단된 조각을 수평으로 배열하여 SEM 아래에서 형태를 나타냅니다( 재료 표 참조). 수직으로 배열된 조각은 금선에 증착된 재료의 두께를 나타낼 수 있습니다(그림 2).
      알림: 전극에 습기가 있으면 챔버가 오염되어 이미지가 흐릿해집니다. 따라서 SEM 이미징을 수행하기 전에 전극을 밤새 진공 상태에 두십시오.
  2. SEM 챔버 설정
    1. "XT 현미경" 소프트웨어의 "벤트" 옵션을 사용하여 챔버를 벤트하면 챔버 도어를 쉽게 열 수 있습니다.
      참고: "XT 현미경" 소프트웨어는 SEM 시스템과 함께 제공됩니다. 도어가 원활하게 열리기 전에 먼저 챔버를 완전히 환기시켜야 하며 일반적으로 3-5분이 소요됩니다. adiition에서 질소 가스 실린더의 압력은 5psi 미만이어야 합니다. 보충 파일 1 은 이 특정 소프트웨어의 사용에 대한 스크린샷을 보여줍니다.
    2. 특수 핀셋의 구부러진 전면을 사용하여 원형 알루미늄 스텁을 단단히 잡고 깨끗한 s를 삽입합니다.amp이전에 스텁에 놓인 stub을 챔버에 넣고 s에 놓습니다.amp르tag이자형.
      알림: 스테이지가 깨끗한지 확인하십시오. 엎질러진 것이 있으면 아세톤과 보푸라기가 없는 물티슈로 닦아냅니다( 재료 표 참조).
    3. 챔버 내부에 샘플을 배치한 후 "펌프" 옵션을 선택하여 진공과 같은 환경을 만듭니다.
      알림: 챔버를 펌핑하는 데 약 3분이 걸립니다. 빔을 켜기 전에 사용자는 펌핑이 완료될 때까지 기다려야 합니다.
    4. 내비게이션 카메라를 사용하여 실시간 이미지를 클릭하면 샘플의 정확한 위치를 관찰할 수 있습니다.
  3. 샘플 이미징
    1. 처음에 빔을 켜서 샘플 이미지를 캡처합니다.
      알림: 빔을 켜기 전에 시스템이 진공 청소기로 청소되었는지 확인하십시오.
    2. 내비게이션 카메라에서 수집한 이미지의 샘플 이미지를 화면 중앙으로 가져와 초점을 선명하게 하려면 해당 이미지를 두 번 클릭합니다.
    3. 호환되는 소프트웨어 및 ETD(Everhart-Thornley 검출기)와 함께 이미징을 사용하여 이미지가 생성되었는지 확인하십시오. 스폿 크기, 스캔 속도 및 전위를 최적화하는 것이 필요합니다.
      알림: 위로 이동하기 전에 더 낮은 전위와 스폿 크기로 시작하는 것이 항상 유망합니다.
    4. 빔 소스에서 스테이지 거리를 10mm로 조정합니다.
      알림: 스테이지와 소스 사이의 거리를 정확하게 측정하기 위해; 시스템에 초점을 맞추고 Z축에 연결해야 합니다.
    5. 더 낮은 배율로 존재하는 아키텍처에 대해 자세히 알아보려면 더 낮은 배율에서 초점이 맞춰진 이미지를 얻은 후 배율을 높입니다(그림 3).
      알림: 배율 증가의 모든 수준에는 초점이 필요합니다.
  4. 시료의 원소 조성을 위한 SEM 및 에너지 분산 분광법(EDS)
    1. 소프트웨어에서 컬러 SEM 옵션을 선택하여 재료의 원소 구성을 결정합니다(그림 4). 샘플의 다양한 요소에 다양한 색상을 자동으로 할당합니다. 그러나 색상과 요소를 수동으로 선택할 수도 있습니다.
      참고: 원소 조성 분석 차트와 원소의 원자 백분율을 검사하여 원자 비율이 0인 선택을 배제하는 것이 중요합니다.
    2. EDS 검출기를 삽입하여 연구 중인 샘플을 에너지 분산 X선 분광법에 적용합니다. EDS 데이터를 수집하기 위해 15kV 전위와 12의 스폿 크기를 사용합니다.
      알림: 삽입 버튼을 누르면 화면에 실시간으로 삽입된 감지기가 표시됩니다.
    3. 프로그램이 샘플 이미지 화면에서 개별 영역을 선택하고 원소 구성에 대한 정보를 수집하기 위해 작은 상자를 만들 수 있는지 확인합니다.
      참고: 정확한 통계를 위해서는 50개에서 100,000개 사이의 카운트가 있어야 합니다. 패널에는 수집된 데이터의 전반적인 상태가 표시됩니다. 결론적으로 보고서가 작성됩니다.

6. 전기화학적 활성 표면적에 대한 순환 전압전류법(CV)

  1. 기준 전극, 상대 전극 및 작동 전극을 전해질에 담근 상태에서 전기 화학 전지를 수동으로 설정하는 금 산화물 스트리핑 방법을 수행합니다.
    참고: 본 연구에서 Pt 와이어는 상대 전극 역할을 하고 hb-NPG는 작동 전극, Ag/AgCl은 기준 전극 역할을 합니다. 황산 0.5N이 전해질 역할을 합니다. 사용하기 전에 희석된 질산으로 기준 전극과 상대 전극을 청소하는 것이 좋습니다. 또한 전해질을 재사용하지 마십시오.
  2. 전위차 조절기에 연결되면 프로그램에서 CV 옵션을 선택하고 매개 변수를 구성하십시오. 100mV/s의 스캔 속도와 함께 전위 범위를 -0.2-1.6V(그림 5)에서 다시 -0.2V(Ag/AgCl 대비)로 고정합니다.
    알림: 교반이 필요하지 않습니다.
  3. 실행 버튼을 클릭하여 순환 스캔을 수행합니다. 역방향 스캔에서 눈에 띄는 피크가 나타나는지 확인합니다. 보고된 400μC cm-2의 변환 계수를 사용하여 금 산화물 단층의 환원에서 나오는 피크 아래에 전하를 통합하여 hb-NPG 와이어의 전기화학적 표면적을 결정합니다.
    알림: 피크 아래에 전하를 적절하게 통합하려면 탄젠트를 올바르게 그려야 합니다.
  4. 이중 탈합금 절차의 중요한 중요성을 이해하기 위해 화학적 탈합금 와이어에 대해 그리고 Au:Ag(10:90) 합금 와이어에서 화학적 및 전기화학적 탈합금을 결합한 후 동일한 일련의 실험을 수행합니다.

7. 단백질 로딩을 연구하기 위한 용액 고갈 기술

  1. hb-NPG 표면에 단백질 분자의 실시간 로딩을 연구하려면 자외선-가시광선(UV-vis) 분광 광도계를 사용합니다( 재료 표 참조).
    참고: 이 연구에서는 페투인, 소 혈청 알부민(BSA) 및 양 고추 냉이 과산화효소(HRP)의 단백질 용액( 재료 표 참조)을 각각 1mg/mL, 0.5mg/mL 및 1mg/mL의 농도로 별도로 준비했습니다. 단백질 안정성을 유지하는 완충액과 pH를 선택하는 것이 중요합니다.
  2. 버퍼만 사용하여 기준선 보정을 수행합니다. 수정 후 파장, 시간 및 속도를 포함한 소프트웨어의 매개변수를 선택합니다. 그런 다음 500μL의 단백질 용액을 큐벳 안에 넣습니다.
  3. 용액에 hb-NPG를 추가한 후 실시간 단백질 모니터링이 시작되는지 확인합니다. 시작 버튼을 누른 후 280nm에서 120분 동안 1분마다 흡광도 변화를 모니터링합니다(그림 6).

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Representative Results

인대 크기와 인대 간 간격 조정은 제조된 전극에 가장 중요합니다. Au/Ag 비율을 최적화하여 이중 크기의 기공을 가진 구조를 만드는 것은 표면 형태, 거칠기 계수 및 하중 용량을 활용한 특성화와 함께 이 연구의 첫 번째 단계입니다. 종래의 NPG에 비해, 바이모달 기공 구조는 더 높은 전기화학적 표면적, 거칠기 계수 및 단백질 로딩 능력을 입증하였다15.

hb-NPG는 화학적 탈합금에 따른 인대와 기공의 개방적이고 연결된 네트워크를 입증했습니다. 여기서 더 큰 구멍은 상위 계층으로 표시되고 하위 계층은 더 작은 기공을 나타냅니다. 그림 3 은 계층적 바이모달 구조를 가진 전극의 SEM 이미지를 보여줍니다. 그림 4 는 hb-NPG 생성의 각 단계에 대한 색상으로 구분된 원소 매핑을 보여주며, 빨간색과 노란색은 각각 은색과 금색을 나타냅니다. 다양한 섹션에 고유한 색상을 할당하는 SEM의 기능은 기기에서 유용한 기능입니다.

기하학적 표면적에 대한 전기화학적 활성 표면적(ECSA)의 비율은 각 전극에 대한 거칠기 계수를 산출합니다. 금 산화물 환원 피크 아래의 전하를 이용하여, CV를 사용하여 ECSA를 평가하고, 7.64cm2 가 hb-NPGECSA15인 것으로 밝혀졌다.

Figure 1
그림 1: 다단계 제조 공정 후의 계층적 바이모달 전극(hb-NPG). 합금-탈합금-어닐링-탈합금이 완료된 후 금선에 hb-NPG 코팅이 여기에 묘사되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: SEM을 위한 시료 전처리. 전극은 알루미늄 스텁에 놓인 탄소 테이프에 장착됩니다. 그런 다음 샘플을 이미징 챔버에 로드합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3: 더 크고 더 작은 기공 크기로 구성된 바이모달 구조를 보여주는 SEM 현미경 사진. 이미지는 15kV 및 10의 스폿 크기로 촬영됩니다. (A) 20,000x에서 더 큰 기공 형태의 상부 계층(스케일 바: 5μm). (B) 80,000x의 더 높은 배율에서 나노 기공을 묘사하는 하부 계층 구조 (스케일 바 : 2 μm). 이 그림은 Sondhi et al.15의 허가를 받아 복제되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4: 모든 제조 단계 후에 수행된 색상으로 구분된 원소 매핑을 보여주는 SEM 현미경 사진. 색상으로 구분된 원소(Au, 노란색 및 Ag, 빨간색)가 있는 다음 구조의 SEM: (A) Au10:Ag90 합금, (B) 전기화학적 탈합금, (C) 어닐링, (D) 마지막 화학적 탈합금화 단계 이후의 계층적 나노다공성 구조. Au x:Ag100-x는 금과 은의 합금을 나타내며, 여기서 x는 합금에서 금의 원자 비율입니다. 이 그림은 Sondhi et al.15의 허가를 받아 복제되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5: 전극의 전기 활성 표면적을 비교한 순환 전압계. 삽입된 곡선(파란색)은 Au10:Ag90 합금의 CV를 나타냅니다. 화학적 탈합금을 통해 생성된 구조는 작은 금 산화물 환원(빨간색 곡선) 피크를 보여줍니다. 화학적 및 전기화학적 탈합금을 통합한 바이모달 구조는 훨씬 더 뚜렷한 금 산화물 환원 피크(녹색)를 나타내며, 이는 표면적의 증가를 나타냅니다. CV는 -0.2-1.6 V에서 전위 스캔을 사용하여 수행되었습니다. 이 그림은 Sondhi et al.15의 허가를 받아 복제되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6: 실시간 단백질 로딩을 보여주는 흡광도 대 시간 그래프. NPG 전극에서 BSA, fetuin 및 HRP의 실시간 고정화는 (A), (C) 및 (E)에 묘사되어 있는 반면, hb-NPG에 대한 실시간 고정화는 (B), (D) 및 (F)에 묘사되어 있습니다. 흡광도의 변화와 고정된 분자 수는 120분 동안 모니터링됩니다. 흡광도는 60초마다 기록하였다. 세 판독값의 평균이 그래프에 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

보충 파일 1: hb-NPG의 제조 및 특성화 프로세스에 사용되는 두 가지 소프트웨어의 쉬운 작동을 위한 사용자 가이드. "PowerSuite" 및 "XT 현미경"을 사용하기 위한 단계별 절차를 설명하는 스크린샷. 순서도에 사용된 화살표는 작업의 다음 단계를 가리키고 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

합금화, 부분 탈합금화, 열처리 및 산 에칭을 포함하는 다단계 절차를 사용하여 이중 크기의 기공과 더 높은 활성 전기화학적 표면적을 가진 계층적 NPG를 제조하는 것이 시연됩니다.

합금에서 금속 전구체의 표준 전위는 전착 중 반응성에 영향을 미칩니다. 액체 용액으로부터의 Au 및 Ag 이온은 전착 동안 환원된다16,17.

다음의 반쪽 전지 반응(17 )은 금 및 은 시안화물 염 용액의 전기화학적 용해를 나타낸다:

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

E0 = -1060 mV vs. SCE

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

E0 = -1198 mV 대 SCE

다음의 병렬 공정은 대부분 탈합금 단계18에서 은이 질산에 의해 어떻게 산화되는지를 결정합니다.

4HNO3 + 3Ag ->3AgNO3 + NO +2H2O

2HNO3 + Ag ->AgNO3 +NO2 +H2O

공정 매개변수의 변화가 전극의 전기화학적 성능에 미치는 영향은 잘 논의되어 있습니다. 은의 원자 비율이 높은 금과은 합금으로 만들어지고 600 ° C에서 3 시간 동안 어닐링 된 바이 모달 기공 구조를 갖는 NPG 전극은 나노 기공을 갖는 종래의 전극보다 더 큰 단백질 로딩을 허용하는 이중 크기의 기공을 함유하고 있음이 발견되었다. 다른 나노 다공성 전극과 비교하여, 구조의 상호 연결된 네트워크는 높은 물질 전달 효율을 제공하여 활성 및 감도 측면에서 성능을 향상시킵니다15.

계층 적 전극의 상부 계층을 구성하는 고도로 활동적이고 배위 된 원자를 연결하는 상호 연결 인대는 938 ± 285 nm의 치수를 갖는다. 촉매 분야에서 전극의 적용은 전극이 생성하는 인대의 크기에 의해 개선됩니다. 51 ± 5 nm의 인대 폭은 낮은 계층 구조의 특성으로 생체 활성 화합물을 고정시키는 전극의 능력을 향상시킵니다. 생성된 물질은 촉매 및 감지와 같은 응용 분야에서 많은 잠재력을 가지고 있으며, 더 큰 분자의 신속한 검출과 더 큰 분자의 쉬운 통과를 필요로 합니다15.

전극의 넓은 표면적과 계층 구조는 단백질 로딩에 영향을 미칩니다. hb-NPG에 대해 기존 NPG보다 더 큰 단백질 로딩 용량이 나타났습니다. 바이모달 아키텍처는 단백질 상호작용, 기질과의 통신, 단백질 분자의 원활한 흐름을 위한 통로를 위한 플랫폼을 제공합니다. 물질의 유형과 형태는 전극에 로드할 수 있는 생리 활성 분자의 수에 영향을 미칩니다. 정전기 및 물리적 힘을 통해 대부분의 단백질의 결합 속도를 높이는 계층 구조 때문에 hb-NPG는 고정된 단백질의 농도가 더 높습니다15.

복잡한 구조 설계를 가진 재료의 개발이 크게 발전했지만 여전히 몇 가지 과제가 있습니다. 상용화는 더 적은 공정과 더 저렴한 생산으로 새로운 준비 기술을 요구합니다. 대량 생산 문제를 해결하고 계층 구조의 현장 개발 프로세스를 신중하게 분석하는 향후 연구는 흥미롭게 진행될 것입니다.

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Disclosures

저자는 공개 할 것이 없습니다.

Acknowledgments

이 작업은 NIGMS (GM111835)의 상으로 지원되었습니다.

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

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References

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Tags

화학 제 192 호 계층 적 바이 모달 나노 다공성 금 바이오 센서 탈합금 기공 거칠기 포도당 감지 유효 표면적

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

나노다공성 금으로 계층적 디자인을 생성하는 다용도 기술
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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).

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