Técnica versátil para produzir um design hierárquico em ouro nanoporoso

Summary

O ouro nanoporoso com uma distribuição hierárquica e bimodal do tamanho dos poros pode ser produzido combinando desliga eletroquímica e química. A composição da liga pode ser monitorada através do exame EDS-SEM à medida que o processo de desliga avança. A capacidade de carga do material pode ser determinada pelo estudo da adsorção de proteínas no material.

Abstract

O potencial para gerar tamanhos de poros variáveis, modificação simplista da superfície e uma amplitude de usos comerciais nos campos de biossensores, atuadores, carregamento e liberação de fármacos e o desenvolvimento de catalisadores têm inquestionavelmente acelerado o uso de nanomateriais baseados em ouro nanoporoso (NPG) em pesquisa e desenvolvimento. Este artigo descreve o processo de geração de ouro nanoporoso bimodal hierárquico (hb-NPG) empregando um procedimento passo a passo envolvendo ligas eletroquímicas, técnicas de desliga química e recozimento para criar macro e mesoporos. Isso é feito para melhorar a utilidade do NPG, criando uma morfologia sólida/vazia bicontínua. A área disponível para modificação da superfície é aumentada por poros menores, enquanto o transporte molecular se beneficia da rede de poros maiores. A arquitetura bimodal, que é o resultado de uma série de etapas de fabricação, é visualizada usando microscopia eletrônica de varredura (MEV) como uma rede de poros com menos de 100 nm de tamanho e conectados por ligamentos a poros maiores com várias centenas de nanômetros de tamanho. A área superficial eletroquimicamente ativa do hb-NPG é avaliada usando voltametria cíclica (CV), com foco nos papéis críticos que tanto a desliga quanto o recozimento desempenham na criação da estrutura necessária. A adsorção de diferentes proteínas é medida pela técnica de depleção de solução, revelando o melhor desempenho da hb-NPG em termos de carga proteica. Ao alterar a relação área/volume de superfície, o eletrodo hb-NPG criado oferece um enorme potencial para o desenvolvimento de biossensores. O artigo discute um método escalável para criar estruturas superficiais de hb-NPG, pois elas oferecem uma grande área de superfície para a imobilização de pequenas moléculas e melhores vias de transporte para reações mais rápidas.

Introduction

Frequentemente vistas na natureza, arquiteturas porosas hierárquicas têm sido imitadas na nanoescala para alterar as características físicas dos materiais para melhorar o desempenho¹. Elementos estruturais interconectados de várias escalas de comprimento são característicos da arquitetura hierárquica de materiais porosos². Metais nanoporosos desligados tipicamente têm distribuições de tamanho de poros unimodais; Assim, múltiplas técnicas têm sido desenvolvidas para produzir estruturas porosas hierarquicamente bimodais com duas faixas de tamanho de poros^separadas3. Os dois objetivos fundamentais da abordagem de projeto de materiais, a saber, a grande área superficial específica para funcionalização e vias de transporte rápidas, que são distintas e inerentemente conflitantes entre si, são cumpridos por materiais funcionais que possuem hierarquia estrutural ^4,5.

O desempenho do sensor eletroquímico é determinado pela morfologia do eletrodo, uma vez que o tamanho dos poros da nanomatriz é crucial para o transporte e captura molecular. Poros pequenos auxiliam na identificação do alvo em amostras complicadas, enquanto poros maiores aumentam a acessibilidade da molécula-alvo, aumentando a faixa de detecção do sensor⁶. A fabricação baseada em moldes, galvanoplastia, química sintética bottom-up, deposição de sputtering de filme fino⁷, matrizes flexíveis complexas baseadas no suporte de polidimetilsiloxano⁸, liga de vários metais seguida de corrosão seletiva do metal menos nobre e eletrodeposição são alguns dos métodos que são frequentemente usados para introduzir nanoestruturas no eletrodo. Um dos melhores métodos para criar estruturas porosas é o procedimento de desliga. Devido à disparidade nas taxas de dissolução, o metal sacrificial, que é o metal menos nobre, influencia significativamente a morfologia final do eletrodo. Uma rede interconectada de poros e ligamentos resulta do processo efetivo de criação de estruturas de ouro nanoporoso (NPG), no qual o componente menos nobre se dissolve seletivamente da liga inicial, e os átomos restantes se reorganizam e consolidam⁹.

O método de desliga/chapeamento/re-desliga usado por Ding e Erlebacher para fazer essas nanoestruturas envolveu primeiro submeter a liga precursora composta de ouro e prata à desliga química usando ácido nítrico, seguido de aquecimento a uma temperatura mais alta com uma distribuição de tamanho de poro único para criar o nível hierárquico superior, e remover a prata restante usando uma segunda desliga para produzir o nível hierárquico inferior. Este método foi aplicável aos filmes finos¹⁰. O uso de ligas ternárias, que são compostas por dois metais nobres comparativamente mais reativos que são erodidos um de cada vez, foi aconselhado por Biener et al; e Ag foram inicialmente removidos do material-Ag-Au, deixando para trás amostras de NPG de baixa densidade estruturadas bimodalmente¹¹. Estruturas ordenadas de longo alcance não são produzidas pelos procedimentos descritos utilizando ligas ternárias. Poros maiores foram produzidos extraindo-se uma das fases da liga mestre de Al-Au empregada por Zhang et al., que produziu a estrutura bimodal com um grau mínimo de ordem¹². Uma estrutura hierárquica ordenada teria sido criada controlando várias escalas de comprimento, através do uso de vias de processamento que incluem a desmontagem de materiais a granel e a junção de componentes básicos em estruturas maiores. Neste caso, uma estrutura hierárquica NPG foi feita via escrita direta a tinta (DIW), liga e desliga¹³.

Aqui, um método de desliga em duas etapas para a fabricação de uma estrutura hierárquica bimodal nanoporosa de ouro (hb-NPG) empregando várias composições de ligas de Au-Ag é apresentado. A quantidade de elemento reativo abaixo da qual a desliga pára é, em teoria, o limite de separação. A cinética de difusão superficial é ligeiramente impactada pelo limite de separação ou limiar de desliga, que é tipicamente entre 50 e 60 porcentagens atômicas para dissolução eletrolítica do componente mais reativo de uma liga binária. Uma grande fração atômica de Ag na liga Au:Ag é necessária para o sucesso da síntese de hb-NPG, uma vez que tanto o processo de desliga eletroquímica quanto o processo químico de desliga não podem ser concluídos com sucesso em baixas concentrações próximas ao limite de separação¹⁴.

O benefício deste método é que a estrutura e o tamanho dos poros podem ser rigidamente controlados. Cada passo do protocolo é crucial para ajustar a escala típica de comprimento de porosidade e a distância típica entre os ligamentos¹⁵. Para regular a taxa de difusão e dissolução interfacial de íons, a tensão aplicada é cuidadosamente calibrada. Para evitar rachaduras durante a desliga, a taxa de dissolução de Ag é controlada.

Protocol

1. Construindo um revestimento de ouro nanoporoso com arquitetura bimodal hierárquica em fios de ouro - Alloying

1. Montar uma célula eletroquímica em um copo de 5 mL. Use uma tampa à base de teflon com três furos para conter a configuração de três eletrodos.
   NOTA: O teflon é um material popular para fazer tampas, pois não reage com outros produtos químicos.
2. Coloque um contra-eletrodo de fio de platina, um eletrodo de referência Ag/AgCl (KCl saturado) e um fio de ouro com um diâmetro de 0,2 mm e um comprimento de 5,0 mm funcionando como um eletrodo de trabalho (consulte Tabela de Materiais) convenientemente em cada orifício da tampa. Mantenha uma distância de 0,7 cm entre o eletrodo de trabalho e o contra-eletrodo.
   NOTA: O comprimento do fio é de 1 cm, e após cortar o clipe do jacaré, a parte exposta que vai para a solução é de 0,5 cm. A porção restante é coberta com fita de politetrafluoretileno (ver Tabela de Materiais). Esse comprimento é medido com precisão usando uma escala cada vez que o experimento é realizado. O fio de ouro é limpo em várias etapas antes de ser usado no estudo; Primeiro é imerso em ácido nítrico concentrado, depois enxaguado e mergulhado em solução de piranha e, finalmente, imerso em boroidreto de sódio. Estes reagentes fortes ajudam a eliminar quaisquer impurezas que possam estar aderindo ao fio.
3. Preparar uma solução de 50 mM cada de K[Ag(CN)2] e K[Au(CN)₂] (ver Tabela de Materiais) em água. Adicionar 0,5 ml de solução de K[Au(CN)2] e 4,5 ml de solução salina de K[Ag(CN)₂] no copo de 5 ml.
   CUIDADO: Tenha cuidado ao manusear e descartar sais de cianeto. Use luvas de proteção, roupas apropriadas, proteção respiratória e proteção ocular ao manuseá-la e trabalhe em uma capa de fumaça. As soluções de sal de cianeto devem ser recolhidas após o término do experimento e colocadas em um recipiente de resíduos separado e claramente marcado. Quando em contato com ácidos, fumos perigosos são liberados. Para preservar a mobilidade iônica, 0,25 M Na₂CO₃ é adicionado às soluções estoque de 40 mM de cada um dos dois sais.
4. Misture bem a solução inserindo uma barra de agitador magnético na célula eletroquímica, a uma velocidade de agitação constante de 300 rpm.
   NOTA: Verifique se a barra do agitador está limpa. Aqua regia pode ser usado para limpá-lo se houver contaminantes.
5. Circule o gás argônio através da solução usando um diâmetro interno de 1/32 polegada (pol), diâmetro externo de 5/32 e tubo de silicone de espessura de parede de 1/16 (ver Tabela de Materiais), entrando dentro da célula eletroquímica para retirar qualquer oxigênio dissolvido na solução eletrolítica.
   NOTA: O vazamento na configuração é evitado, tornando-o apertado o suficiente.
6. Conecte o potenciostato usando clipes de jacaré que são cortados nos eletrodos apropriados assim que a célula eletroquímica estiver completamente montada.
   NOTA: É melhor rotular os clipes com o nome do eletrodo ao qual eles serão anexados, a fim de evitar confusão.
7. Use o software (PowerSuite; consulte Tabela de Materiais) para realizar eletrodeposição utilizando cronoamperometria após ligar o potenciostato. Configure o software usando os parâmetros desejados. Para 600 s, o potencial é cronometrado com um valor fixo de -1,0 V¹⁵.
   Observação : deixe o processo de inicialização terminar por conta própria antes de especificar os parâmetros. Arquivo suplementar 1 mostra capturas de tela para o uso deste software específico.
8. Pressione run e escolha a célula externa para completar a deposição da liga no eletrodo de trabalho. Um revestimento branco espesso é visto no final do processo.
   NOTA: Verifique se as conexões estão seguras e se a solução está mexendo constantemente. Se tudo funcionar como deveria, a corrente oscila entre 300 e 400 μA.

2. Construindo um revestimento de ouro nanoporoso com arquitetura bimodal hierárquica em fios de ouro - Desliga

NOTA: Esta fase do protocolo baseia-se na desliga parcial dos fios ligados.

1. Configure novamente a célula eletroquímica, como no processo anterior (etapa 1.2), em que três eletrodos são mantidos a 0,7 cm um do outro em uma solução eletrolítica. Utilizar 4 mL de ácido nítrico 1 N como solução eletrolítica para desliga parcial.
   NOTA: Como o eletrólito é diluído, ele não remove completamente o elemento menos nobre, que aqui é a prata.
2. Deixe a barra do agitador funcionando para circular uniformemente a solução a uma velocidade constante de 300 rpm.
3. Uma vez que a célula eletroquímica esteja configurada, conecte o potenciostato usando clipes de jacaré que são cortados nos eletrodos corretos.
4. Utilize o software de cronoamperometria mais uma vez, mas desta vez escolha um potencial de 0,6 V para 600 s.
5. Pressione executar e, em seguida, selecione a célula externa para terminar de desligar a liga depositada no eletrodo de trabalho.
   Observação : a cor do fio muda para preto acinzentado após esta etapa.

3. Construção de um revestimento de ouro nanoporoso com arquitetura bimodal hierárquica sobre fios de ouro - Annealing

1. Mantenha os fios desligados em um frasco de vidro dentro do forno.
2. Manter a temperatura no forno a 600 °C durante 3 h.
   OBS: A temperatura e a duração foram escolhidas com base em estudos de otimização, que mostraram que temperaturas mais baixas não espessaram os poros, enquanto temperaturas mais altas e maior tempo causaram fissuras na estrutura.
3. Retire o frasco para injetáveis após o término do procedimento e o forno seja desligado. Aguarde até que o frasco para injetáveis arrefeça até à temperatura ambiente.
   NOTA: O frasco para injetáveis quente é removido do forno utilizando um conjunto de pinças.

4. Construindo um revestimento de ouro nanoporoso com arquitetura bimodal hierárquica em fios de ouro - Desliga

1. Imergir os fios parcialmente desligados-recozidos em 4 mL de ácido nítrico concentrado.
   NOTA: Ao transferir o ácido concentrado para o frasco para injetáveis de vidro que contém os fios, certifique-se de que é utilizada uma pipeta de vidro.
2. Deixe os fios parcialmente desligados recozidos no frasco para injetáveis de vidro que contém o ácido nítrico forte no exaustor durante a noite.
   NOTA: O período de desliga foi mantido em 24 h para permitir a desliga total.
3. Crie os fios revestidos com hb-NPG no dia seguinte (Figura 1). Enxágue-os abundantemente com água deionizada, seguida de um enxágue com etanol, antes de serem usados em estudos subsequentes. Após a secagem, utilize os fios em experimentos. Um novo lote de fios de ouro limpos é usado cada vez para preparar hb-NPG.
   NOTA: Cada passo na síntese é crucial para chegar à estrutura bimodal. Se qualquer uma das etapas for ignorada, apenas uma estrutura de poro unimodal resultará.

5. Caracterização da hb-NPG

1. Preparação de amostras de microscopia eletrônica de varredura (MEV)
   1. Certifique-se de usar um esboço de alumínio limpo como base para a preparação de amostras para imagens de MEV.
      NOTA: Os stubs são limpos com ácido nítrico diluído, enxaguados com etanol, secos e mantidos em um recipiente coberto por filme de parafina antes de serem usados novamente.
   2. Coloque um pedaço de fita de carbono recém-cortado sobre a base plana do esboço de alumínio.
   3. Com o auxílio de pinças, corte pedacinhos de fio revestido com hb-NPG e cole-os à fita de carbono.
      NOTA: Certifique-se de que o fio está suavemente preso com uma pinça para evitar que o revestimento saia.
   4. Organizar as peças cortadas horizontalmente para revelar sua morfologia sob um MEV (ver Tabela de Materiais); peças dispostas verticalmente podem revelar a espessura do material depositado sobre o fio de ouro (Figura 2).
      OBS: Se o eletrodo tiver alguma umidade, a câmara ficará contaminada, resultando em imagens nebulosas. Portanto, coloque o eletrodo no vácuo durante a noite antes de realizar imagens por MEV.
2. Montagem da câmara de MEV
   1. Ventile a câmara usando a opção "ventilação" do software "microscópio XT" para abrir facilmente a porta da câmara.
      NOTA: O software "XT microscope" vem com o sistema SEM. A câmara deve primeiro ser totalmente ventilada antes que a porta possa ser aberta suavemente, o que normalmente leva de 3 a 5 minutos. Além disso, a pressão do cilindro de gás nitrogênio deve estar abaixo de 5 psi. Arquivo suplementar 1 mostra capturas de tela para o uso deste software específico.
   2. Com o auxílio de uma frente curva especial do tweezer, segure firmemente o esboço circular de alumínio, insira a amostra limpa que foi previamente colocada no esboço na câmara e coloque-a no estágio de amostragem.
      NOTA: Certifique-se de que o palco está limpo; se houver derramamentos, então eles saem com acetona e um lenço sem fiapos (consulte a Tabela de Materiais).
   3. Selecione a opção "bomba" depois de colocar a amostra dentro da câmara para produzir um ambiente semelhante ao vácuo.
      NOTA: Leva aproximadamente 3 min para bombear a câmara. Antes de ligar a viga, o usuário precisa aguardar o término do bombeamento.
   4. Usando a câmera de navegação, clique na imagem em tempo real para observar a localização precisa da amostra.
3. Obtenção de imagens da amostra
   1. Ligue o feixe inicialmente para capturar uma imagem da amostra.
      NOTA: Antes de ligar o feixe, certifique-se de que o sistema está aspirado.
   2. Para trazer a imagem de amostra da imagem coletada da câmera de navegação para o centro da tela e aprimorar o foco, clique duas vezes nela.
   3. Certifique-se de que as imagens sejam produzidas utilizando imagens com o software compatível e o detector Everhart-Thornley (ETD). É necessário otimizar o tamanho do ponto, a taxa de varredura e o potencial.
      NOTA: Começar com menor potencial e tamanho de ponto antes de subir é sempre promissor.
   4. Ajuste a distância do estágio da fonte do feixe para 10 mm.
      OBS: Medir com precisão a distância entre o palco e a fonte; o sistema deve estar focado e conectado ao eixo Z.
   5. Para saber mais sobre a arquitetura que está presente em uma escala mais baixa, aumente a ampliação após obter uma imagem focalizada na ampliação inferior (Figura 3).
      NOTA: Cada nível do aumento de ampliação requer foco.
4. MEV e espectroscopia de energia dispersiva (EDS) para composição elementar da amostra
   1. Ao escolher a opção de MEV colorida no software, determine a composição elementar do material (Figura 4). Ele atribui automaticamente diversas cores aos vários elementos da amostra. No entanto, também é possível escolher cores e elementos manualmente.
      NOTA: É crucial examinar o gráfico de análise de composição elementar e as porcentagens atômicas dos elementos para descartar escolhas que tenham uma porcentagem atômica de 0.
   2. Ao inserir o detector EDS, submeter a amostra em estudo à espectroscopia de energia dispersiva de raios-X. Use um potencial de 15 kV e um tamanho de ponto de 12 para coletar os dados de EDS.
      NOTA: Após pressionar o botão de inserção, a tela exibe o detector inserido em tempo real.
   3. Verifique se o programa permite a criação de pequenas caixas para selecionar regiões discretas na tela da imagem de amostra, para coletar informações para a composição elementar.
      NOTA: Para estatísticas precisas, deve haver entre 50 e 100.000 contagens. O painel exibe o status geral dos dados coletados. Na conclusão, um relatório é produzido.

6. Voltametria cíclica (CV) para área de superfície eletroquimicamente ativa

1. Execute o método de remoção de óxido de ouro, que envolve a configuração manual de uma célula eletroquímica com o eletrodo de referência, contra-eletrodo e eletrodo de trabalho imerso em um eletrólito.
   NOTA: Para o presente estudo, o fio Pt serve como contra-eletrodo, hb-NPG é o eletrodo de trabalho e Ag/AgCl serve como eletrodo de referência. O ácido sulfúrico, 0,5 N, serve como eletrólito. Recomenda-se a limpeza dos eletrodos de referência e do contador em ácido nítrico diluído antes do uso. Além disso, evite reutilizar o eletrólito.
2. Uma vez que as conexões são feitas para o potenciostato, selecione a opção CV do programa e configure os parâmetros. Corrija a faixa de potencial de -0,2-1,6 V (Figura 5) e vice-versa para -0,2 V (vs. Ag/AgCl) juntamente com uma taxa de varredura de 100 mV/s.
   NOTA: Não é necessária agitação.
3. Clique no botão Executar para realizar a varredura cíclica. Certifique-se de que a varredura reversa revele um pico perceptível. Usando o fator de conversão relatado de 400 μC ^cm-2, integrar a carga sob o pico proveniente da redução da monocamada de óxido de ouro para determinar a área superficial eletroquímica do fio hb-NPG.
   NOTA: A tangente deve ser desenhada corretamente para integrar a carga sob o pico corretamente.
4. Conduzir um conjunto idêntico de experimentos em fios quimicamente desligados e depois de combinar desligações químicas e eletroquímicas no fio ligado Au:Ag (10:90), para compreender o significado crucial dos procedimentos de desliga dupla.

7. Técnica de depleção de solução para estudo da carga proteica

1. Para estudar o carregamento em tempo real de moléculas de proteína na superfície do hb-NPG, empregue um espectrofotômetro ultravioleta-visível (UV-vis) (ver Tabela de Materiais).
   NOTA: Neste estudo, soluções proteicas de fetuína, albumina de soro bovino (BSA) e peroxidase de raiz forte (HRP) (ver Tabela de Materiais) foram preparadas separadamente em concentrações de 1 mg/mL, 0,5 mg/mL e 1 mg/mL, respectivamente, em um tampão salino tamponada com fosfato (PBS) 0,01 M (pH = 7,4). É crucial selecionar um tampão e pH que mantenha a estabilidade da proteína.
2. Execute a correção da linha de base usando somente o buffer. Escolha os parâmetros do software, incluindo comprimento de onda, tempo e taxa, após a correção ter sido feita. Em seguida, coloque 500 μL da solução proteica dentro da cubeta.
3. Certifique-se de que o monitoramento de proteínas em tempo real comece após a adição de hb-NPG na solução. Monitorar a mudança na absorbância após cada minuto por 120 min a 280 nm após pressionar o botão de partida (Figura 6).

Representative Results

O tamanho do ligamento e os ajustes do gap interligamentar são de extrema importância para o eletrodo fabricado. Criar uma estrutura com poros de tamanho duplo otimizando as relações Au/Ag é o primeiro passo neste estudo, juntamente com a caracterização utilizando morfologia da superfície, fator de rugosidade e capacidade de carga. Em comparação com o NPG convencional, a estrutura de poros bimodal demonstrou maior área superficial eletroquímica, fator de rugosidade e capacidade de carga de proteína¹⁵.

A hb-NPG demonstrou uma rede aberta e ligada de ligamentos e poros após a desliga química. Aqui, buracos maiores são indicados por uma hierarquia superior, e uma hierarquia inferior indica poros menores. A Figura 3 mostra imagens de MEV do eletrodo com estrutura bimodal hierárquica. A Figura 4 ilustra o mapeamento elementar codificado por cores para cada etapa da criação do hb-NPG, com vermelho e amarelo designando prata e ouro, respectivamente. A capacidade do MEV de atribuir cores distintas a várias seções é um recurso útil no instrumento.

A proporção da área superficial eletroquimicamente ativa (ECSA) em relação à área de superfície geométrica produz um fator de rugosidade para cada eletrodo. Utilizando a carga abaixo do pico de redução do óxido de ouro, CV foi empregado para avaliar a ECSA, e 7,64 cm² é descoberto como sendo o hb-NPG ECSA¹⁵.

Figura 1: Eletrodo bimodal hierárquico (hb-NPG) após o processo de fabricação em várias etapas. O revestimento hb-NPG no fio de ouro após a conclusão da liga-desliga-recozimento-desliga é descrito aqui. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Preparação da amostra para MEV. Os eletrodos são montados em fita de carbono que é colocada em tubos de alumínio. A amostra é então carregada na câmara de imagem. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Micrografia por microscopia eletrônica de varredura mostrando a estrutura bimodal composta por poros maiores e menores. As imagens são tiradas em 15 kV e um tamanho de spot de 10. (A) Hierarquia superior na forma de poros maiores a 20.000x (barra de escala: 5 μm). (B) Hierarquia inferior representando nanoporos em uma ampliação maior de 80.000x (barra de escala: 2 μm). Esse número foi reproduzido com permissão de Sondhi et ^al.15. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Micrografias de MEV mostrando o mapeamento elementar codificado por cores feito após cada etapa de fabricação. MEV das seguintes estruturas com elementos codificados por cores (Au, amarelo; e Ag, vermelho): (A) liga Au₁₀:Ag₉₀, (B) desligada eletroquimicamente, (C) recozida, (D) estrutura nanoporosa hierárquica após a última etapa de desliga química. Au x:Ag_100-x significa a liga de ouro e prata, onde_x é a porcentagem atômica de ouro na liga. Esse número foi reproduzido com permissão de Sondhi et ^al.15. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Voltamogramas cíclicos comparando a área superficial eletroativa dos eletrodos. A curva mostrada como um inset (azul) representa o CV da liga Au₁₀:Ag₉₀ . A estrutura criada através da desliga química mostra um pequeno pico de redução de óxido de ouro (curva vermelha). A estrutura bimodal incorporando desligas químicas e eletroquímicas mostra um pico de redução de óxido de ouro muito mais pronunciado (verde), indicando um aumento na área superficial. A CV foi realizada com varredura potencial de -0,2-1,6 V. Esse número foi reproduzido com permissão de Sondhi et ^al.15. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: Gráfico de absorbância versus tempo mostrando a carga proteica em tempo real. A imobilização em tempo real de BSA, fetuin e HRP em eletrodos de NPG é mostrada em (A), (C) e (E), enquanto em hb-NPG é mostrada em (B), (D) e (F). A mudança na absorbância e o número de moléculas imobilizadas são monitorados ao longo de 120 min. A absorbância foi registrada a cada 60 s. A média das três leituras está representada no gráfico. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Arquivo Suplementar 1: Guia do usuário para a fácil operação de dois softwares utilizados no processo de fabricação e caracterização do hb-NPG. Screenshots explicando o procedimento passo-a-passo para usar "PowerSuite" e "XT microscope". As setas usadas no fluxograma estão apontando para a próxima etapa da operação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Usando um procedimento de várias etapas envolvendo liga, desliga parcial, tratamento térmico e condicionamento ácido, a fabricação hierarquicamente de NPG com poros de tamanho duplo e uma área de superfície eletroquímica ativa mais alta é demonstrada.

Na liga, o potencial padrão dos precursores metálicos influencia o quão reativos eles são durante a eletrodeposição. Os íons Au e Ag das soluções líquidas são reduzidos durante a eletrodeposição^16,17.

As seguintes reações de meia-célula¹⁷ retratam a dissolução eletroquímica de soluções de sal de cianeto de ouro e prata:

Au (CN)₂- + 1e^-

E⁰ = -1060 mV vs. ECS

Ag (CN)₃² - + 1e^-

E⁰ = -1198 mV vs. ECS

Os seguintes processos paralelos determinam principalmente como a prata é oxidada pelo ácido nítrico na etapa de desliga¹⁸.

4HNO 3 + 3Ag -> 3AgNO₃ + NO + 2H₂O

2HNO 3 + Ag -> AgNO₃ + NO 2 + H₂ O

O impacto de mudanças nos parâmetros do processo sobre o desempenho eletroquímico do eletrodo é bem discutido. Descobriu-se que um eletrodo NPG com uma estrutura de poros bimodal, feito de uma liga de ouro e prata com uma alta porcentagem atômica de prata e recozido a 600 °C por 3 h, contém poros de tamanho duplo que permitem uma carga de proteína maior do que um eletrodo convencional com nanoporos. Comparada a outros eletrodos nanoporosos, a rede interligada da estrutura também oferece alta eficiência de transferência de massa, melhorando o desempenho em termos de atividade e sensibilidade¹⁵.

Os ligamentos interconectados que conectam os átomos altamente ativos e de baixa coordenação que formam a hierarquia superior do eletrodo hierárquico têm uma dimensão de 938 ± 285 nm. A aplicação do eletrodo no campo da catálise é melhorada pelas dimensões do ligamento que ele produz. Uma largura ligamentar de 51 ± 5 nm, característica de estruturas hierárquicas inferiores, aumenta a capacidade do eletrodo de imobilizar compostos bioativos. O material criado tem muito potencial para aplicações como catálise e sensoriamento, que necessitam de rápida detecção de moléculas maiores, bem como fácil passagem para aquelas moléculas maiores¹⁵.

A grande área superficial e a estrutura hierárquica dos eletrodos têm impacto na carga proteica. Uma maior capacidade de carga proteica do que o NPG convencional foi demonstrada para hb-NPG. A arquitetura bimodal fornece uma plataforma para interação de proteínas, comunicação com o substrato e passagem para o fluxo fácil de moléculas de proteína. O tipo de material e sua morfologia impactam quantas moléculas bioativas podem ser carregadas em um eletrodo. Devido à hierarquia, que acelera a ligação da maioria das proteínas através de forças eletrostáticas e físicas, a hb-NPG apresenta maior concentração de proteínas imobilizadas¹⁵.

Embora o desenvolvimento de materiais com projetos estruturais complexos tenha avançado significativamente, ainda existem alguns desafios. A comercialização exige novas técnicas de preparo, com menos processos e produção mais barata. Pesquisas futuras que abordem a questão da produção de massa e analisem cuidadosamente o processo de desenvolvimento in situ de estruturas hierárquicas serão interessantes de se trabalhar.

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