Summary

Allsidig teknikk for å produsere en hierarkisk design i nanoporøst gull

Published: February 10, 2023
doi:

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.

Protocol

1. Konstruksjon av et belegg av nanoporøst gull med hierarkisk bimodal arkitektur på gulltråder – Alloying 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. 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 m…

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. <p class…

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.

<p class="jo…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble støttet av en pris fra NIGMS (GM111835).

Materials

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

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).

Play Video

Cite This Article
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).

View Video