Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Allsidig teknikk for å produsere en hierarkisk design i nanoporøst gull

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

Nanoporøst gull med hierarkisk og bimodal porestørrelsesfordeling kan produseres ved å kombinere elektrokjemisk og kjemisk avlegering. Sammensetningen av legeringen kan overvåkes via EDS-SEM undersøkelse etter hvert som avlegeringsprosessen går fremover. Materialets lasteevne kan bestemmes ved å studere proteinadsorpsjon på materialet.

Abstract

Potensialet til å generere variable porestørrelser, forenklet overflatemodifisering og en bredde av kommersiell bruk innen biosensorer, aktuatorer, legemiddelbelastning og frigjøring, og utvikling av katalysatorer har utvilsomt akselerert bruken av nanoporøst gull (NPG) -baserte nanomaterialer i forskning og utvikling. Denne artikkelen beskriver prosessen med generering av hierarkisk bimodalt nanoporøst gull (hb-NPG) ved å benytte en trinnvis prosedyre som involverer elektrokjemisk legering, kjemiske delegeringsteknikker og glødning for å lage både makro- og mesoporer. Dette gjøres for å forbedre nytten av NPG ved å skape en bikontinuerlig solid / void morfologi. Området som er tilgjengelig for overflatemodifisering forsterkes av mindre porer, mens molekylær transport drar nytte av nettverket av større porer. Den bimodale arkitekturen, som er resultatet av en rekke fabrikasjonstrinn, visualiseres ved hjelp av skanningelektronmikroskopi (SEM) som et nettverk av porer som er mindre enn 100 nm i størrelse og forbundet med leddbånd til større porer som er flere hundre nanometer i størrelse. Det elektrokjemisk aktive overflatearealet av hb-NPG vurderes ved hjelp av syklisk voltammetri (CV), med fokus på de kritiske rollene som både delegering og glødning spiller for å skape den nødvendige strukturen. Adsorbsjonen av forskjellige proteiner måles ved løsningsuttømmingsteknikk, og avslører bedre ytelse av hb-NPG når det gjelder proteinbelastning. Ved å endre forholdet mellom overflateareal og volum, gir den opprettede hb-NPG-elektroden et enormt potensial for biosensorutvikling. Manuskriptet diskuterer en skalerbar metode for å lage hb-NPG overflatestrukturer, da de tilbyr et stort overflateareal for immobilisering av små molekyler og forbedrede transportveier for raskere reaksjoner.

Introduction

Ofte sett i naturen, har hierarkiske porøse arkitekturer blitt imitert på nanoskala for å endre de fysiske egenskapene til materialer for forbedret ytelse1. Sammenkoblede strukturelle elementer av forskjellige lengdeskalaer er karakteristisk for den hierarkiske arkitekturen av porøse materialer2. Delegerte nanoporøse metaller har vanligvis unimodale porestørrelsesfordelinger; Derfor har flere teknikker blitt utviklet for å produsere hierarkisk bimodale porøse strukturer med to separate porestørrelsesområder3. De to grunnleggende målene for materialdesigntilnærmingen, nemlig det store spesifikke overflatearealet for funksjonalisering og raske transportveier, som er distinkte og iboende i konflikt med hverandre, oppfylles av funksjonelle materialer som har strukturelt hierarki 4,5.

Ytelsen til den elektrokjemiske sensoren bestemmes av elektrodemorfologien, siden nanomatrisens porestørrelse er avgjørende for molekylær transport og fangst. Små porer har blitt funnet å hjelpe til med målidentifikasjon i kompliserte prøver, mens større porer forbedrer målmolekylets tilgjengelighet, og øker sensorens deteksjonsområde6. Den malbaserte fabrikasjonen, galvanisering, syntetisk kjemi nedenfra og opp, tynnfilmsputteringavsetning 7, komplekse fleksible matriser basert på polydimetylsiloksanstøtte8, legering av forskjellige metaller etterfulgt av selektiv etsing av det mindre edle metallet og elektrodeponering er noen av metodene som ofte brukes til å introdusere nanostrukturer i elektroden. En av de beste metodene for å skape porøse strukturer er delegeringsprosedyren. På grunn av ulikheten i oppløsningshastigheter, påvirker offermetallet, som er det mindre edle metallet, signifikant elektrodens endelige morfologi. Et sammenkoblet nettverk av porer og leddbånd skyldes den effektive prosessen med å skape nanoporøse gullstrukturer (NPG), hvor den mindre edle komponenten selektivt oppløses ut av startlegeringen, og de gjenværende atomer omorganiserer og konsoliderer9.

Metoden for delegering / plating / re-delegering brukt av Ding og Erlebacher for å lage disse nanostrukturene involverte først å utsette forløperlegeringen sammensatt av gull og sølv til kjemisk delegering ved bruk av salpetersyre, etterfulgt av oppvarming ved høyere temperatur med en enkelt porestørrelsesfordeling for å skape det øvre hierarkiske nivået, og fjerne det gjenværende sølvet ved hjelp av en andre delegering for å produsere det nedre hierarkiske nivået. Denne metoden var anvendelig for tynne filmer10. Bruk av ternære legeringer, som består av to forholdsvis mer reaktive edelmetaller som eroderes bort en om gangen, ble anbefalt av Biener et al; Cu og Ag ble opprinnelig fjernet fra Cu-Ag-Au-materialet, og etterlot bimodalt strukturerte, NPG-prøver med lav tetthet11. Langtransporterte bestilte strukturer produseres ikke av prosedyrene som er skissert ved bruk av ternære legeringer. Større porer ble produsert ved å trekke ut en av fasene i masterlegeringen av Al-Au ansatt av Zhang et al., som produserte den bimodale strukturen med en minimal grad av orden12. En ordnet hierarkisk struktur har angivelig blitt opprettet ved å kontrollere flere lengdeskalaer, gjennom bruk av behandlingsveier som inkluderer demontering av bulkmaterialer og sette grunnleggende komponenter sammen til større strukturer. I dette tilfellet ble en hierarkisk NPG-struktur laget via direkte blekkskriving (DIW), legering og delegering13.

Her presenteres en to-trinns delegeringsmetode for fremstilling av en hierarkisk bimodal nanoporøs gullstruktur (hb-NPG) ved bruk av forskjellige Au-Ag-legeringssammensetninger. Mengden reaktivt element under hvilket delegering stopper er i teorien partegrensen. Overflatediffusjonskinetikken påvirkes litt av delegrensen eller delegeringsgrensen, som typisk er mellom 50 og 60 atomprosent for elektrolytisk oppløsning av den mer reaktive komponenten fra en binær legering. En stor atomfraksjon av Ag i Au:Ag-legeringen er nødvendig for vellykket syntese av hb-NPG, siden både de elektrokjemiske og kjemiske delegeringsprosessene ikke kan fullføres ved lave konsentrasjoner nær delegrensen14.

Fordelen med denne metoden er at strukturen og porestørrelsen kan kontrolleres tett. Hvert trinn i protokollen er avgjørende for finjustering av den typiske porøsitetslengdeskalaen og den typiske avstanden mellom leddbånd15. For å regulere frekvensen av iongrensesnittdiffusjon og oppløsning, kalibreres den påførte spenningen nøye. For å forhindre sprekkdannelse under delegering, kontrolleres Ag-oppløsningshastigheten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Konstruksjon av et belegg av nanoporøst gull med hierarkisk bimodal arkitektur på gulltråder - Alloying

  1. Monter en elektrokjemisk celle i et 5 ml beger. Bruk et teflonbasert lokk med tre hull for å inneholde treelektrodeoppsettet.
    MERK: Teflon er et populært materiale for å lage lokk, da det ikke reagerer med andre kjemikalier.
  2. Plasser en platinatråd-motelektrode, en Ag / AgCl (mettet KCl) referanseelektrode og en gulltråd med en diameter på 0,2 mm og en lengde på 5,0 mm som fungerer som en arbeidselektrode (se materialtabellen) beleilig i hvert hull på lokket. Hold en avstand på 0,7 cm mellom arbeidselektroden og motelektroden.
    NOTAT: Lengden på ledningen er 1 cm, og etter klipping av alligatorklemmen er den eksponerte delen som går inn i løsningen 0,5 cm. Den resterende delen er dekket med polytetrafluoretylentape (se materialfortegnelse). Denne lengden måles nøyaktig ved hjelp av en skala hver gang eksperimentet utføres. Gulltråden rengjøres i flere trinn før den brukes i studien; Det blir først nedsenket i konsentrert salpetersyre, deretter skyllet og dyppet i piranha-løsning, og til slutt nedsenket i natriumborhydrid. Disse sterke reagensene hjelper til med å eliminere urenheter som kan feste seg til ledningen.
  3. Forbered en 50 mM løsning hver av K[Ag(CN)2] og K[Au(CN)2] (se materialtabell) i vann. Tilsett 0,5 ml K[Au(CN)2] oppløsning og 4,5 ml K[Ag(CN)2] saltoppløsning i 5 ml begeret.
    FORSIKTIG: Vær forsiktig når du håndterer og destruerer cyanidsalter. Bruk vernehansker, passende klær, åndedrettsvern og øyevern mens du håndterer det, og arbeid i en avtrekkshette. Cyanidsaltoppløsninger må samles opp etter at forsøket er over og plasseres i en separat, tydelig merket avfallsbeholder. Når det kommer i kontakt med syrer, frigjøres farlige røyk. For å bevare den ioniske mobiliteten tilsettes 0,25 M Na2CO3 til lageret 40 mM løsninger av hvert av de to saltene.
  4. Bland løsningen grundig ved å sette inn en magnetisk omrørerstang i den elektrokjemiske cellen, med en konstant omrøringshastighet på 300 o / min.
    MERK: Kontroller at rørestangen er ren. Aqua regia kan brukes til å rengjøre den hvis det er forurensninger.
  5. Sirkuler argongass gjennom løsningen ved hjelp av en 1/32 tommers (tommer) indre diameter, 5/32 i ytre diameter og 1/16 i silikonrør med veggtykkelse (se materialtabell), og gå inn i den elektrokjemiske cellen for å ta ut oppløst oksygen i elektrolyttløsningen.
    MERK: Lekkasjen i oppsettet unngås ved å gjøre det tett nok.
  6. Koble potensiostaten ved hjelp av alligatorklips som er klippet til de aktuelle elektrodene når den elektrokjemiske cellen er montert helt.
    MERK: Det er best å merke klippene med navnet på elektroden de skal festes til for å unngå forvirring.
  7. Bruk programvaren (PowerSuite; se Materialfortegnelse) til å utføre elektrodeponering ved hjelp av kronoamperometri etter at potensiostaten er slått på. Konfigurer programvaren ved hjelp av de ønskede parametrene. For 600 s er potensialet tidsbestemt med en fast verdi på -1,0 V15.
    MERK: La oppstartsprosessen fullføre seg selv før du angir parametrene. Tilleggsfil 1 viser skjermbilder for bruk av denne spesifikke programvaren.
  8. Trykk på kjør og velg ekstern celle for å fullføre legeringsavsetningen på arbeidselektroden. Et tykt hvitt belegg ses på slutten av prosessen.
    MERK: Forsikre deg om at tilkoblingene er sikre og at løsningen rører jevnt og trutt. Hvis alt fungerer som det skal, svinger strømmen mellom 300 og 400 μA.

2. Konstruksjon av et belegg av nanoporøst gull med hierarkisk bimodal arkitektur på gulltråder - Dealloying

MERK: Denne fasen av protokollen er basert på delvis delegering av legerte ledninger.

  1. Konfigurer den elektrokjemiske cellen en gang til, som i den forrige prosessen (trinn 1.2), hvor tre elektroder holdes 0,7 cm fra hverandre i en elektrolyttløsning. Bruk 4 ml 1 N salpetersyre som elektrolyttløsning for delvis avlegering.
    MERK: Fordi elektrolytten er fortynnet, fjerner den ikke helt det mindre edle elementet, som her er sølv.
  2. La omrøringsstangen gå for jevnt å sirkulere løsningen med en konstant hastighet på 300 o / min.
  3. Når den elektrokjemiske cellen er satt opp, fest potensiostaten ved hjelp av alligatorklips som er klippet til de riktige elektrodene.
  4. Bruk kronoamperometriprogramvaren en gang til, men denne gangen velger du et potensial på 0,6 V for 600 s.
  5. Trykk på kjør, og velg deretter ekstern celle for å fullføre delegeringen av den avsatte legeringen på arbeidselektroden.
    MERK: Fargen på ledningen endres til gråsvart etter dette trinnet.

3. Konstruksjon av et belegg av nanoporøst gull med hierarkisk bimodal arkitektur på gulltråder - Annealing

  1. Hold de delegerte ledningene i et hetteglass inne i ovnen.
  2. Hold temperaturen i ovnen på 600 °C i 3 timer.
    MERK: Temperatur og varighet ble valgt basert på optimaliseringsstudier, som viste at lavere temperaturer ikke grov porene, mens høyere temperaturer og lengre tid forårsaket sprekker i strukturen.
  3. Fjern hetteglasset etter at prosedyren er ferdig og ovnen er slått av. Vent til hetteglasset er avkjølt til romtemperatur.
    MERK: Det varme hetteglasset fjernes fra ovnen ved hjelp av en tang.

4. Konstruksjon av et belegg av nanoporøst gull med hierarkisk bimodal arkitektur på gulltråder - Dealloying

  1. Senk de delvis avlegerte-glødet ledningene i 4 ml konsentrert salpetersyre.
    MERK: Når du overfører den konsentrerte syren til hetteglasset med ledningene, må du sørge for at det brukes en glasspipette.
  2. La de delvis ulegerte ledningene ligge i hetteglasset med den sterke salpetersyren i avtrekkshetten over natten.
    MERK: Delegeringsperioden ble holdt på 24 timer for å tillate full delegering.
  3. Opprett de hb-NPG-belagte ledningene dagen etter (figur 1). Skyll disse grundig med avionisert vann, etterfulgt av en etanolskylling, før de brukes i senere studier. Etter tørking, bruk ledningene i eksperimenter. En ny gruppe rene gulltråder brukes hver gang for å forberede hb-NPG.
    MERK: Hvert trinn i syntesen er avgjørende for å komme frem til den bimodale strukturen. Hvis noen av trinnene hoppes over, vil bare en unimodal porestruktur resultere.

5. hb-NPG karakterisering

  1. Scanning elektronmikroskop (SEM)-prøvepreparering
    1. Sørg for å bruke en ren aluminiumsstubb som base for prøvepreparering for SEM-avbildning.
      MERK: Stubbene rengjøres med fortynnet salpetersyre, skylles med etanol, tørkes og oppbevares i en parafinfilmdekket beholder før de brukes igjen.
    2. Legg et nykuttet stykke karbontape over aluminiumsstubbens flate base.
    3. Ved hjelp av pinsett, kutt små biter av hb-NPG-belagt ledning og fest dem til karbonbåndet.
      NOTAT: Forsikre deg om at ledningen er forsiktig grepet med pinsett for å forhindre at belegget kommer av.
    4. Ordne de kuttede stykkene horisontalt for å avsløre deres morfologi under en SEM (se materialfortegnelse); stykker arrangert vertikalt kan avsløre tykkelsen på materialet som er avsatt på gulltråden (figur 2).
      MERK: Hvis elektroden har fuktighet, vil kammeret bli forurenset, noe som resulterer i uklare bilder. Plasser derfor elektroden i vakuum over natten før du utfører SEM-avbildning.
  2. SEM kammer satt opp
    1. Luft kammeret ved hjelp av alternativet "vent" fra programvaren "XT-mikroskop" for enkelt å åpne kammerdøren.
      MERK: "XT-mikroskopet" -programvaren leveres med SEM-systemet. Kammeret må først luftes helt før døren kan åpnes jevnt, noe som vanligvis tar 3-5 min. Ved adiition må trykket på nitrogengassflasken være under 5 psi. Tilleggsfil 1 viser skjermbilder for bruk av denne spesifikke programvaren.
    2. Ved hjelp av en spesiell pinsetts buede front, ta godt tak i den sirkulære aluminiumstubben, sett den rene prøven som tidligere ble plassert på stubben inn i kammeret, og plasser den på prøvetrinnet.
      MERK: Sørg for at scenen er ren; hvis det er søl, så de av med aceton og en lofri klut (se materialfortegnelse).
    3. Velg alternativet "pumpe" etter å ha plassert prøven inne i kammeret for å produsere et vakuumlignende miljø.
      MERK: Det tar ca. 3 min å pumpe kammeret. Før du slår på strålen, må brukeren vente på at pumpen er ferdig.
    4. Bruk navigasjonskameraet til å klikke på sanntidsbildet for å observere prøvens nøyaktige plassering.
  3. Avbildning av prøven
    1. Slå på strålen først for å ta et bilde av prøven.
      MERK: Før du slår på bjelken, må du forsikre deg om at systemet er støvsugd.
    2. Hvis du vil flytte eksempelbildet fra navigasjonskameraets innsamlede bilde til midten av skjermen og skjerpe fokuset, dobbeltklikker du på det.
    3. Forsikre deg om at bildene er produsert ved hjelp av bildebehandling med kompatibel programvare og Everhart-Thornley detektor (ETD). Optimalisering av spotstørrelse, skannehastighet og potensial er nødvendig.
      MERK: Å starte med lavere potensial og punktstørrelse før du går opp er alltid lovende.
    4. Juster sceneavstanden fra strålekilden til 10 mm.
      MERK: For å nøyaktig måle avstanden mellom scenen og kilden; systemet må være fokusert og koblet til Z-aksen.
    5. For å lære mer om arkitekturen som er til stede i lavere skala, øk forstørrelsen etter å ha fått et fokusert bilde ved lavere forstørrelse (figur 3).
      MERK: Hvert nivå av forstørrelsesøkningen krever fokus.
  4. SEM og energidispersiv spektroskopi (EDS) for elementær sammensetning av prøven
    1. Ved å velge alternativet SEM for farge i programvaren, bestemmer du materialets elementære sammensetning (figur 4). Den tilordner automatisk forskjellige farger til prøvens forskjellige elementer. Det er imidlertid også mulig å velge farger og elementer manuelt.
      MERK: Det er avgjørende å undersøke det elementære sammensetningsanalysediagrammet og atomprosentene til elementene for å utelukke valg som har en atomprosent på 0.
    2. Ved å sette inn EDS-detektoren, utsette prøven som studeres for energidispersiv røntgenspektroskopi. Bruk 15 kV potensial og en punktstørrelse på 12 for innsamling av EDS-data.
      MERK: Etter at du har trykket på innsettingsknappen, viser skjermen detektoren som er satt inn i sanntid.
    3. Kontroller at programmet gjør det mulig å lage små bokser for å velge diskrete regioner på prøvebildeskjermen, for å samle informasjon for elementsammensetningen.
      MERK: For nøyaktig statistikk må det være mellom 50 og 100 000 tellinger. Panelet viser den generelle statusen til dataene som samles inn. Ved konklusjonen produseres en rapport.

6. Syklisk voltammetri (CV) for elektrokjemisk aktivt overflateareal

  1. Utfør gulloksidstrippingsmetoden, som innebærer manuelt å sette opp en elektrokjemisk celle med referanseelektroden, motelektroden og arbeidselektroden nedsenket i en elektrolytt.
    MERK: For denne studien fungerer Pt-ledning som tellerelektrode, hb-NPG er arbeidselektroden, og Ag / AgCl fungerer som referanseelektrode. Svovelsyre, 0,5 N, fungerer som elektrolytt. Det anbefales å rengjøre referanse- og tellerelektrodene i fortynnet salpetersyre før bruk. Unngå dessuten å bruke elektrolytten på nytt.
  2. Når tilkoblingene er gjort til potensiostaten, velg CV-alternativet fra programmet og konfigurer parametrene. Fiks potensialområdet fra -0,2-1,6 V (figur 5) og tilbake til -0,2 V (vs. Ag / AgCl) sammen med en skannehastighet på 100 mV / s.
    MERK: Ingen omrøring er nødvendig.
  3. Klikk på kjøreknappen for å utføre syklisk skanning. Sørg for at omvendt skanning avslører en merkbar topp. Ved å bruke den rapporterte konverteringsfaktoren på 400 μC cm-2, integrer ladningen under toppen som kommer fra reduksjonen av gulloksidmonolaget for å bestemme det elektrokjemiske overflatearealet til hb-NPG-ledningen.
    MERK: Tangenten må tegnes riktig for å integrere ladningen under toppen riktig.
  4. Gjennomføre et identisk sett med eksperimenter på kjemisk avlegerte tråder og etter å ha kombinert kjemisk og elektrokjemisk legering på legeringstråden Au:Ag (10:90) for å forstå den avgjørende betydningen av doble delegeringsprosedyrer.

7. Løsningsuttømmingsteknikk for å studere proteinbelastning

  1. For å studere sanntidsbelastning av proteinmolekyler på hb-NPG-overflaten, bruk et ultrafiolettsynlig (UV-vis) spektrofotometer (se materialfortegnelse).
    MERK: I denne studien ble proteinløsninger av fetuin, bovint serumalbumin (BSA) og pepperrotperoksidase (HRP) (se materialtabell) fremstilt separat i konsentrasjoner på henholdsvis 1 mg / ml, 0,5 mg / ml og 1 mg / ml i en 0,01 M (pH = 7,4) fosfatbufret saltvann (PBS) buffer. Det er avgjørende å velge en buffer og pH som opprettholder proteinstabilitet.
  2. Utfør baseline-korreksjon bare ved hjelp av bufferen. Velg programvarens parametere, inkludert bølgelengde, tid og hastighet, etter at korreksjonen er gjort. Plasser deretter 500 μL av proteinoppløsningen inne i kyvetten.
  3. Sørg for at sanntids proteinovervåking starter etter at hb-NPG er tilsatt i løsningen. Overvåk endringen i absorbans etter hvert minutt i 120 minutter ved 280 nm etter å ha trykket på startknappen (figur 6).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ligamentstørrelsen og interligamentgapjusteringene er av største betydning for den produserte elektroden. Å skape en struktur med porer i to størrelser ved å optimalisere Au / Ag-forholdene er det første trinnet i denne studien, sammen med karakteriseringen ved hjelp av overflatemorfologi, ruhetsfaktor og lastekapasitet. Sammenlignet med konvensjonell NPG har den bimodale porestrukturen vist et høyere elektrokjemisk overflateareal, ruhetsfaktor og proteinbelastningskapasitet15.

hb-NPG har vist et åpent, koblet nettverk av leddbånd og porer etter kjemisk avlegering. Her er større hull indikert med et øvre hierarki, og et lavere hierarki indikerer mindre porer. Figur 3 viser SEM-bilder av elektroden med hierarkisk bimodal struktur. Figur 4 illustrerer fargekodet elementær kartlegging for hvert trinn i opprettelsen av hb-NPG, med rød og gul som betegner henholdsvis sølv og gull. SEMs evne til å tilordne forskjellige farger til forskjellige seksjoner er en nyttig funksjon i instrumentet.

Andelen elektrokjemisk aktivt overflateareal (ECSA) til geometrisk overflateareal gir en ruhetsfaktor for hver elektrode. Ved å utnytte ladningen under gulloksidreduksjonstoppen ble CV brukt til å vurdere ECSA, og 7,64 cm2 er oppdaget å være hb-NPG ECSA15.

Figure 1
Figur 1: Hierarkisk bimodal elektrode (hb-NPG) etter flertrinnsfabrikasjonsprosessen. HB-NPG-belegget på gulltråden etter ferdigstillelse av legering-delegering-annealing-dealloying er avbildet her. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Prøveklargjøring for SEM. Elektroder er montert på karbontape som er plassert på aluminiumstubber. Prøven lastes deretter inn i bildekammeret. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: SEM-mikrograf som viser bimodal struktur bestående av større og mindre porestørrelser. Bildene er tatt ved 15 kV og en spotstørrelse på 10. (A) Øvre hierarki i form av større porer ved 20 000x (skala bar: 5 μm). (B) Nedre hierarki som viser nanoporer ved en høyere forstørrelse på 80 000x (skala bar: 2 μm). Denne figuren er gjengitt med tillatelse fra Sondhi et al.15. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: SEM-mikrografer som viser den fargekodede elementære kartleggingen gjort etter hvert fabrikasjonstrinn. SEM av følgende strukturer med fargekodede elementer (Au, gul og Ag, rød): (A) Au10: Ag 90-legering, (B) elektrokjemisk delegert, (C) glødet, (D) hierarkisk nanoporøs struktur etter det siste kjemiske delegeringstrinnet. Au x: Ag100-x står for legeringen av gull og sølv, hvorx er atomprosenten av gull i legeringen. Denne figuren er gjengitt med tillatelse fra Sondhi et al.15. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Sykliske voltammogrammer som sammenligner elektrodenes elektroaktive overflateareal. Kurven vist som en innfelt (blå) viser CVen til Au10:Ag 90-legeringen. Strukturen opprettet via kjemisk delegering viser en liten gulloksidreduksjon (rød kurve) topp. Den bimodale strukturen som inneholder kjemisk og elektrokjemisk delegering viser en mye mer uttalt gulloksidreduksjonstopp (grønn), noe som indikerer en økning i overflaten. CV ble utført med potensiell skanning fra -0,2-1,6 V. Denne figuren er gjengitt med tillatelse fra Sondhi et al.15. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Absorbans versus tidsgraf som viser proteinbelastning i sanntid. Sanntids immobilisering av BSA, fetuin og HRP på NPG-elektroder er avbildet i (A), (C) og (E), mens på hb-NPG er avbildet i (B), (D) og (F). Endring i absorbans og antall immobiliserte molekyler overvåkes over 120 minutter. Absorbans ble registrert etter hver 60 s. Gjennomsnittet av de tre avlesningene er vist i grafen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Tilleggsfil 1: Brukerveiledning for enkel betjening av to programvarestykker som brukes i fabrikasjons- og karakteriseringsprosessen til hb-NPG. Skjermbilder som forklarer trinn-for-trinn-prosedyren for å bruke "PowerSuite" og "XT-mikroskop". Piler som brukes i flytskjemaet, peker mot neste trinn i operasjonen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ved hjelp av en flertrinnsprosedyre som involverer legering, delvis delegering, termisk behandling og syreetsing, demonstreres fremstilling hierarkisk NPG med porer i to størrelser og et høyere aktivt elektrokjemisk overflateareal.

Ved legering påvirker standardpotensialet til metallforløpere hvor reaktive de er under elektrodeponering. Au- og Ag-ioner fra flytende løsninger reduseres under elektrodeponering16,17.

Følgende halvcellereaksjoner17 skildrer den elektrokjemiske oppløsningen av gull- og sølvcyanidsaltløsninger:

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

E0 = -1060 mV vs. SCE

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

E0 = -1198 mV vs. SCE

Følgende parallelle prosesser bestemmer for det meste hvordan sølv oksideres av salpetersyre i delegeringstrinn18.

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

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

Virkningen av endringer i prosessparametrene på elektrodens elektrokjemiske ytelse er godt diskutert. Det ble oppdaget at en NPG-elektrode med en bimodal porestruktur, laget av en gull- og sølvlegering med høy atomprosent sølv og glødet ved 600 ° C i 3 timer, inneholder porer i to størrelser som muliggjør større proteinbelastning enn en konvensjonell elektrode med nanoporer. Sammenlignet med andre nanoporøse elektroder tilbyr strukturens sammenkoblede nettverk også høy masseoverføringseffektivitet, noe som forbedrer ytelsen når det gjelder aktivitet og følsomhet15.

De sammenhengende leddbåndene som forbinder de svært aktive, lavkoordinerte atomer som gjør det øvre hierarkiet til den hierarkiske elektroden, har en dimensjon på 938 ± 285 nm. Elektrodens anvendelse innen katalyse forbedres av dimensjonene til ligamentet den produserer. En ligamentbredde på 51 ± 5 nm, karakteristisk for lavere hierarkiske strukturer, forbedrer elektrodens evne til å immobilisere bioaktive forbindelser. Materialet som er opprettet har mye potensial for applikasjoner som katalyse og sensing, som trenger rask deteksjon av større molekyler, samt enkel passasje for de større molekylene15.

Det store overflatearealet og hierarkiske strukturen til elektrodene har innvirkning på proteinbelastningen. En større proteinbelastningskapasitet enn konvensjonell NPG har blitt vist for hb-NPG. Bimodal arkitektur gir en plattform for proteininteraksjon, kommunikasjon med substratet og passasje for den lette strømmen av proteinmolekyler. Materialtypen og dens morfologi påvirker hvor mange bioaktive molekyler som kan lastes inn i en elektrode. På grunn av hierarkiet, som øker bindingen av de fleste proteiner gjennom elektrostatiske og fysiske krefter, har hb-NPG en høyere konsentrasjon av immobiliserte proteiner15.

Selv om utviklingen av materialer med komplekse strukturelle design har avansert betydelig, er det fortsatt noen utfordringer. Kommersialisering krever nye prepareringsteknikker med færre prosesser og billigere produksjon. Fremtidig forskning som takler spørsmålet om masseproduksjon og nøye analyserer in situ utviklingsprosessen av hierarkiske strukturer vil være interessant å jobbe med.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av en pris fra 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

Kjemi utgave 192 hierarkisk bimodalt nanoporøst gull biosensor delegering porer ruhet glukosesensing effektivt overflateareal

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

Allsidig teknikk for å produsere en hierarkisk design i nanoporøst gull
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