Técnica versátil para producir un diseño jerárquico en oro nanoporoso

Summary

El oro nanoporoso con una distribución jerárquica y bimodal del tamaño de poro se puede producir combinando la desaleación electroquímica y química. La composición de la aleación se puede monitorear a través del examen EDS-SEM a medida que avanza el proceso de desaleación. La capacidad de carga del material se puede determinar estudiando la adsorción de proteínas en el material.

Abstract

El potencial para generar tamaños de poro variables, la modificación simplista de la superficie y una amplia gama de usos comerciales en los campos de biosensores, actuadores, carga y liberación de fármacos, y el desarrollo de catalizadores han acelerado incuestionablemente el uso de nanomateriales basados en oro nanoporoso (NPG) en investigación y desarrollo. Este artículo describe el proceso de generación de oro nanoporoso bimodal jerárquico (hb-NPG) mediante el empleo de un procedimiento gradual que involucra aleación electroquímica, técnicas de desaleación química y recocido para crear macro y mesoporos. Esto se hace para mejorar la utilidad de NPG mediante la creación de una morfología bicontinua sólido/vacío. El área disponible para la modificación de la superficie se ve reforzada por poros más pequeños, mientras que el transporte molecular se beneficia de la red de poros más grandes. La arquitectura bimodal, que es el resultado de una serie de pasos de fabricación, se visualiza utilizando microscopía electrónica de barrido (SEM) como una red de poros que tienen menos de 100 nm de tamaño y conectados por ligamentos a poros más grandes que tienen varios cientos de nanómetros de tamaño. El área superficial electroquímicamente activa del hb-NPG se evalúa utilizando voltametría cíclica (CV), con un enfoque en los roles críticos que desempeñan tanto la desaleación como el recocido en la creación de la estructura necesaria. La adsorción de diferentes proteínas se mide mediante la técnica de agotamiento de la solución, revelando el mejor rendimiento de hb-NPG en términos de carga de proteínas. Al cambiar la relación entre el área de superficie y el volumen, el electrodo hb-NPG creado ofrece un enorme potencial para el desarrollo de biosensores. El manuscrito discute un método escalable para crear estructuras superficiales de hb-NPG, ya que ofrecen una gran área de superficie para la inmovilización de moléculas pequeñas y mejores vías de transporte para reacciones más rápidas.

Introduction

A menudo vistas en la naturaleza, las arquitecturas porosas jerárquicas han sido imitadas a nanoescala para alterar las características físicas de los materiales para mejorar el rendimiento¹. Los elementos estructurales interconectados de varias escalas de longitud son una característica de la arquitectura jerárquica de materiales porosos². Los metales nanoporosos desaleados suelen tener distribuciones de tamaño de poro unimodales; Por lo tanto, se han ideado múltiples técnicas para producir estructuras porosas jerárquicamente bimodales con dos rangos de tamaño de poro separados³. Los dos objetivos fundamentales del enfoque de diseño de materiales, a saber, la gran superficie específica para la funcionalización y las vías de transporte rápido, que son distintas e inherentemente en conflicto entre sí, se cumplen con materiales funcionales que poseen jerarquía estructural ^4,5.

El rendimiento del sensor electroquímico está determinado por la morfología del electrodo, ya que el tamaño de poro de la nanomatriz es crucial para el transporte molecular y la captura. Se ha descubierto que los poros pequeños ayudan en la identificación del objetivo en muestras complicadas, mientras que los poros más grandes mejoran la accesibilidad de la molécula objetivo, aumentando el rango de detección del sensor⁶. La fabricación basada en plantillas, galvanoplastia, química sintética ascendente, deposición de pulverización catódica de película delgada⁷, matrices flexibles complejas basadas en soporte de polidimetilsiloxano⁸, aleación de varios metales seguida de grabado selectivo del metal menos noble y electrodeposición son algunos de los métodos que se utilizan con frecuencia para introducir nanoestructuras en el electrodo. Uno de los mejores métodos para crear estructuras porosas es el procedimiento de desaleación. Debido a la disparidad en las tasas de disolución, el metal de sacrificio, que es el metal menos noble, influye significativamente en la morfología final del electrodo. Una red interconectada de poros y ligamentos resulta del proceso efectivo de creación de estructuras de oro nanoporoso (NPG), en las que el componente menos noble se disuelve selectivamente de la aleación inicial, y los átomos restantes se reorganizan y consolidan⁹.

El método de desaleación / recubrimiento / realeación utilizado por Ding y Erlebacher para hacer estas nanoestructuras implicó primero someter la aleación precursora compuesta de oro y plata a la desaleación química utilizando ácido nítrico, seguido de calentamiento a una temperatura más alta con una sola distribución de tamaño de poro para crear el nivel jerárquico superior, y eliminar la plata restante usando una segunda desaleación para producir el nivel jerárquico inferior. Este método era aplicable a películas delgadas¹⁰. El uso de aleaciones ternarias, que se componen de dos metales nobles comparativamente más reactivos que se erosionan uno a la vez, fue aconsejado por Biener et al; Cu y Ag se eliminaron inicialmente del material Cu-Ag-Au, dejando muestras de NPG bimodalmente estructuradas y de baja densidad¹¹. Las estructuras ordenadas de largo alcance no se producen mediante los procedimientos descritos utilizando aleaciones ternarias. Los poros más grandes se produjeron extrayendo una de las fases de la aleación maestra de Al-Au empleada por Zhang et al., que produjo la estructura bimodal con un grado mínimo de orden¹². Según los informes, se ha creado una estructura jerárquica ordenada mediante el control de varias escalas de longitud, mediante el uso de vías de procesamiento que incluyen el desmontaje de materiales a granel y la unión de componentes básicos en estructuras más grandes. En este caso, una estructura NPG jerárquica se hizo a través de escritura directa de tinta (DIW), aleación y desaleación¹³.

Aquí, se presenta un método de desaleación de dos pasos para fabricar una estructura jerárquica bimodal de oro nanoporoso (hb-NPG) empleando varias composiciones de aleación Au-Ag. La cantidad de elemento reactivo por debajo de la cual se detiene la desaleación es, en teoría, el límite de separación. La cinética de difusión superficial se ve ligeramente afectada por el límite de separación o umbral de desaleación, que generalmente está entre 50 y 60 por ciento atómico para la disolución electrolítica del componente más reactivo de una aleación binaria. Una gran fracción atómica de Ag en la aleación Au:Ag es necesaria para la síntesis exitosa de hb-NPG, ya que los procesos de desaleación electroquímica y química no pueden completarse con éxito a bajas concentraciones cerca del límite de separación¹⁴.

El beneficio de este método es que la estructura y el tamaño de los poros se pueden controlar estrictamente. Cada paso en el protocolo es crucial para ajustar la escala de longitud de porosidad típica y la distancia típica entre ligamentos¹⁵. Para regular la velocidad de difusión y disolución interfacial de iones, el voltaje aplicado se calibra cuidadosamente. Para evitar el agrietamiento durante la desaleación, se controla la velocidad de disolución de Ag.

Protocol

1. Construcción de un recubrimiento de oro nanoporoso con arquitectura bimodal jerárquica sobre alambres de oro - Aleación

1. Ensamble una celda electroquímica en un vaso de precipitados de 5 ml. Use una tapa a base de teflón con tres orificios para contener la configuración de tres electrodos.
   NOTA: El teflón es un material popular para hacer tapas, ya que no reacciona con otros productos químicos.
2. Coloque un contraelectrodo de alambre de platino, un electrodo de referencia Ag/AgCl (KCl saturado) y un alambre de oro con un diámetro de 0,2 mm y una longitud de 5,0 mm que funcione como un electrodo de trabajo (consulte la Tabla de materiales) convenientemente en cada orificio de la tapa. Mantenga una distancia de 0,7 cm entre el electrodo de trabajo y el contraelectrodo.
   NOTA: La longitud del cable es de 1 cm, y después de recortar la pinza de cocodrilo, la parte expuesta que entra en la solución es de 0,5 cm. La porción restante se cubre con cinta de politetrafluoroetileno (ver Tabla de materiales). Esta longitud se mide con precisión utilizando una escala cada vez que se realiza el experimento. El alambre de oro se limpia en varios pasos antes de ser utilizado en el estudio; Primero se sumerge en ácido nítrico concentrado, luego se enjuaga y se sumerge en solución de pirana, y finalmente se sumerge en borohidruro de sodio. Estos reactivos fuertes ayudan a eliminar cualquier impureza que pueda adherirse al cable.
3. Prepare una solución de 50 mM de K[Ag(CN)2] y K[Au(_CN)₂] (ver Tabla de materiales) en agua. Añadir 0,5 ml de solución de K[Au(CN)2] y 4,5 ml de solución salina de K[Ag(_CN)₂] en el vaso de precipitados de 5 ml.
   PRECAUCIÓN: Tenga cuidado al manipular y desechar sales de cianuro. Use guantes protectores, ropa adecuada, protección respiratoria y protección para los ojos mientras lo manipula, y trabaje en una campana extractora. Las soluciones de sal de cianuro deben recogerse después de que termine el experimento y colocarse en un contenedor de residuos separado y claramente marcado. Cuando entra en contacto con ácidos, se liberan humos peligrosos. Para preservar la movilidad iónica, se añaden 0,25 M_Na2CO₃ a las soluciones madre de 40 mM de cada una de las dos sales.
4. Mezcle bien la solución insertando una barra agitadora magnética en la celda electroquímica, a una velocidad de agitación constante de 300 rpm.
   NOTA: Verifique que la barra del agitador esté limpia. Aqua regia se puede utilizar para limpiarlo si hay contaminantes.
5. Haga circular el gas argón a través de la solución utilizando un diámetro interno de 1/32 de pulgada (in), 5/32 de diámetro exterior y 1/16 de espesor de pared (consulte la Tabla de materiales), entrando en la celda electroquímica para extraer cualquier oxígeno disuelto en la solución electrolítica.
   NOTA: La fuga en la configuración se evita haciéndola lo suficientemente apretada.
6. Conecte el potenciostato usando pinzas de cocodrilo que se sujetan a los electrodos apropiados una vez que la celda electroquímica esté completamente ensamblada.
   NOTA: Es mejor etiquetar los clips con el nombre del electrodo al que se conectarán para evitar confusiones.
7. Utilice el software (PowerSuite; consulte Tabla de materiales) para realizar la electrodeposición utilizando cronoamperometría después de encender el potenciostato. Configure el software utilizando los parámetros deseados. Para 600 s, el potencial se cronometra con un valor fijo de -1.0 V¹⁵.
   NOTA: Deje que el proceso de arranque finalice por sí solo antes de especificar los parámetros. El archivo complementario 1 muestra capturas de pantalla para el uso de este software específico.
8. Presione ejecutar y elija la celda externa para completar la deposición de aleación en el electrodo de trabajo. Se ve una gruesa capa blanca al final del proceso.
   NOTA: Asegúrese de que las conexiones sean seguras y que la solución se mueva constantemente. Si todo funciona como debería, la corriente oscila entre 300 y 400 μA.

2. Construcción de un recubrimiento de oro nanoporoso con arquitectura bimodal jerárquica sobre alambres de oro - Desaleación

NOTA: Esta fase del protocolo se basa en la desaleación parcial de los alambres aleados.

1. Configure la celda electroquímica una vez más, como en el proceso anterior (paso 1.2), en el que tres electrodos se mantienen a 0,7 cm uno del otro en una solución electrolítica. Use 4 ml de ácido nítrico 1 N como solución electrolítica para la desaleación parcial.
   NOTA: Debido a que el electrolito se diluye, no elimina completamente el elemento menos noble, que aquí es la plata.
2. Deje la barra del agitador funcionando para hacer circular uniformemente la solución a una velocidad constante de 300 rpm.
3. Una vez que la celda electroquímica esté configurada, conecte el potenciostato usando pinzas de cocodrilo que se sujetan a los electrodos correctos.
4. Emplee el software de cronoamperometría una vez más, pero esta vez elija un potencial de 0.6 V para 600 s.
5. Presione ejecutar, luego seleccione la celda externa para terminar de desalear la aleación depositada en el electrodo de trabajo.
   NOTA: El color del cable cambia a negro grisáceo después de este paso.

3. Construcción de un recubrimiento de oro nanoporoso con arquitectura bimodal jerárquica sobre alambres de oro - Recocido

1. Mantenga los cables desaleados en un vial de vidrio dentro del horno.
2. Mantener la temperatura en el horno a 600 °C durante 3 h.
   NOTA: La temperatura y la duración se eligieron en base a estudios de optimización, que mostraron que las temperaturas más bajas no engrosaron los poros, mientras que las temperaturas más altas y un tiempo más largo causaron grietas en la estructura.
3. Retire el vial después de que finalice el procedimiento y se apague el horno. Espere hasta que el vial se enfríe a temperatura ambiente.
   NOTA: El vial caliente se retira del horno utilizando un conjunto de pinzas.

4. Construcción de un recubrimiento de oro nanoporoso con arquitectura bimodal jerárquica sobre alambres de oro - Desaleación

1. Sumerja los alambres recocidos parcialmente desaleados en 4 ml de ácido nítrico concentrado.
   NOTA: Cuando transfiera el ácido concentrado al vial de vidrio que contiene los cables, asegúrese de utilizar una pipeta de vidrio.
2. Deje los cables recocidos parcialmente desaleados en el vial de vidrio que contiene el ácido nítrico fuerte en la campana extractora durante la noche.
   NOTA: El período de desaleación se mantuvo en 24 h para permitir la desaleación completa.
3. Cree los cables recubiertos de hb-NPG al día siguiente (Figura 1). Enjuáguelos bien con agua desionizada, seguido de un enjuague con etanol, antes de usarlos en estudios posteriores. Después del secado, use los cables en experimentos. Cada vez se utiliza un nuevo lote de alambres de oro limpios para preparar hb-NPG.
   NOTA: Cada paso en la síntesis es crucial para llegar a la estructura bimodal. Si se omite alguno de los pasos, solo se obtendrá una estructura de poros unimodal.

5. Caracterización de hb-NPG

1. Preparación de muestras de microscopio electrónico de barrido (SEM)
   1. Asegúrese de utilizar un talón de aluminio limpio como base para la preparación de muestras para imágenes SEM.
      NOTA: Los talones se limpian con ácido nítrico diluido, se enjuagan con etanol, se secan y se guardan en un recipiente cubierto con película de parafina antes de volver a usarse.
   2. Coloque un trozo de cinta de carbón recién cortado sobre la base plana del talón de aluminio.
   3. Con la ayuda de pinzas, corte pequeños trozos de alambre recubierto de hb-NPG y adhiéralos a la cinta de carbón.
      NOTA: Asegúrese de que el cable esté suavemente agarrado con pinzas para evitar que el recubrimiento se desprenda.
   4. Organice las piezas cortadas horizontalmente para revelar su morfología bajo un SEM (ver Tabla de materiales); Las piezas dispuestas verticalmente pueden revelar el grosor del material depositado en el alambre de oro (Figura 2).
      NOTA: Si el electrodo tiene humedad, la cámara se contaminará, lo que provocará imágenes borrosas. Por lo tanto, coloque el electrodo en el vacío durante la noche antes de realizar imágenes SEM.
2. Montaje de cámara SEM
   1. Ventile la cámara utilizando la opción "ventilación" del software "microscopio XT" para abrir fácilmente la puerta de la cámara.
      NOTA: El software "microscopio XT" viene con el sistema SEM. La cámara primero debe ventilarse por completo antes de que la puerta se pueda abrir suavemente, lo que generalmente toma de 3 a 5 minutos. Además, la presión del cilindro de gas nitrógeno debe ser inferior a 5 psi. El archivo complementario 1 muestra capturas de pantalla para el uso de este software específico.
   2. Con la ayuda del frente curvo de una pinza especial, agarre firmemente el trozo circular de aluminio, inserte la muestra limpia que se colocó previamente en el talón en la cámara y colóquela en la etapa de muestra.
      NOTA: Asegúrese de que el escenario esté limpio; si hay algún derrame, entonces quítelos con acetona y una toallita sin pelusa (consulte la Tabla de materiales).
   3. Seleccione la opción "bomba" después de colocar la muestra dentro de la cámara para producir un ambiente similar al vacío.
      NOTA: Se tarda aproximadamente 3 minutos en bombear la cámara. Antes de encender la viga, el usuario debe esperar a que finalice el bombeo.
   4. Con la cámara de navegación, haga clic en la imagen en tiempo real para observar la ubicación precisa de la muestra.
3. Obtención de imágenes de la muestra
   1. Encienda el haz inicialmente para capturar una imagen de la muestra.
      NOTA: Antes de encender la viga, asegúrese de que el sistema esté aspirado.
   2. Para llevar la imagen de muestra de la imagen recopilada de la cámara de navegación al centro de la pantalla y enfocar el enfoque, haga doble clic en ella.
   3. Asegúrese de que las imágenes se producen utilizando imágenes con el software compatible y el detector Everhart-Thornley (ETD). Es necesario optimizar el tamaño del punto, la velocidad de escaneo y el potencial.
      NOTA: Comenzar con un menor potencial y tamaño de punto antes de subir siempre es prometedor.
   4. Ajuste la distancia del escenario desde la fuente del haz a 10 mm.
      NOTA: Para medir con precisión la distancia entre el escenario y la fuente; el sistema debe estar enfocado y conectado al eje Z.
   5. Para obtener más información sobre la arquitectura que está presente en una escala más baja, aumente el aumento después de obtener una imagen enfocada en el aumento más bajo (Figura 3).
      NOTA: Cada nivel del aumento de aumento requiere enfoque.
4. SEM y espectroscopia de dispersión de energía (EDS) para la composición elemental de la muestra
   1. Al elegir la opción SEM de color en el software, determine la composición elemental del material (Figura 4). Asigna automáticamente diversos colores a los diversos elementos de la muestra. Sin embargo, también es posible elegir colores y elementos manualmente.
      NOTA: Es crucial examinar la tabla de análisis de composición elemental y los porcentajes atómicos de los elementos para descartar opciones que tengan un porcentaje atómico de 0.
   2. Al insertar el detector EDS, someta la muestra en estudio a espectroscopia de rayos X de dispersión de energía. Utilice un potencial de 15 kV y un tamaño de punto de 12 para recopilar los datos EDS.
      NOTA: Después de presionar el botón de inserción, la pantalla muestra el detector insertado en tiempo real.
   3. Compruebe que el programa permite la creación de pequeñas cajas para seleccionar regiones discretas en la pantalla de imagen de muestra, para recopilar información para la composición elemental.
      NOTA: Para estadísticas precisas, debe haber entre 50 y 100,000 conteos. El panel muestra el estado general de los datos recopilados. Al concluir, se produce un informe.

6. Voltamperometría cíclica (CV) para superficie electroquímicamente activa

1. Realice el método de extracción de óxido de oro, que implica configurar manualmente una celda electroquímica con el electrodo de referencia, el contraelectrodo y el electrodo de trabajo sumergidos en un electrolito.
   NOTA: Para el presente estudio, el cable Pt sirve como contraelectrodo, hb-NPG es el electrodo de trabajo y Ag/AgCl sirve como electrodo de referencia. El ácido sulfúrico, 0.5 N, sirve como electrolito. Se recomienda limpiar los electrodos de referencia y contador en ácido nítrico diluido antes de su uso. Además, evite reutilizar el electrolito.
2. Una vez realizadas las conexiones al potenciostato, seleccione la opción CV del programa y configure los parámetros. Corrija el rango de potencial de -0.2-1.6 V (Figura 5) y vuelva a -0.2 V (vs. Ag/AgCl) junto con una velocidad de escaneo de 100 mV/s.
   NOTA: No es necesario agitar.
3. Haga clic en el botón Ejecutar para realizar el escaneo cíclico. Asegúrese de que el escaneo inverso revele un pico notable. Usando el factor de conversión reportado de 400 μC ^cm-2, integre la carga bajo el pico proveniente de la reducción de la monocapa de óxido de oro para determinar el área de superficie electroquímica del cable hb-NPG.
   NOTA: La tangente debe dibujarse correctamente para integrar correctamente la carga debajo del pico.
4. Realizar un conjunto idéntico de experimentos en alambre químicamente desaleado y después de combinar la desaleación química y electroquímica en el alambre aleado Au:Ag (10:90), para comprender la importancia crucial de los procedimientos de desaleación dual.

7. Técnica de agotamiento de la solución para estudiar la carga de proteínas

1. Para estudiar la carga en tiempo real de moléculas de proteínas en la superficie de hb-NPG, emplee un espectrofotómetro ultravioleta-visible (UV-vis) (ver Tabla de materiales).
   NOTA: En este estudio, las soluciones proteicas de fetuina, albúmina sérica bovina (BSA) y peroxidasa de rábano picante (HRP) (ver Tabla de materiales) se prepararon por separado a concentraciones de 1 mg / ml, 0.5 mg / ml y 1 mg / ml, respectivamente, en un tampón salino tamponado con fosfato (PBS) de 0.01 M (pH = 7.4). Es crucial seleccionar un tampón y un pH que mantenga la estabilidad de las proteínas.
2. Realice la corrección de línea base utilizando solo el búfer. Elija los parámetros del software, incluida la longitud de onda, el tiempo y la velocidad, después de que se haya realizado la corrección. Luego, coloque 500 μL de la solución de proteína dentro de la cubeta.
3. Asegúrese de que el monitoreo de proteínas en tiempo real comience después de agregar hb-NPG a la solución. Controle el cambio en la absorbancia después de cada minuto durante 120 minutos a 280 nm después de presionar el botón de inicio (Figura 6).

Representative Results

El tamaño del ligamento y los ajustes de la brecha entre ligamentos son de suma importancia para el electrodo fabricado. La creación de una estructura con poros de doble tamaño mediante la optimización de las relaciones Au/Ag es el primer paso en este estudio, junto con la caracterización utilizando la morfología de la superficie, el factor de rugosidad y la capacidad de carga. En comparación con el NPG convencional, la estructura de poro bimodal ha demostrado una mayor área superficial electroquímica, factor de rugosidad y capacidad de carga de proteínas¹⁵.

hb-NPG ha demostrado una red abierta y unida de ligamentos y poros después de la desaleación química. Aquí, los agujeros más grandes se indican mediante una jerarquía superior, y una jerarquía inferior indica poros más pequeños. La Figura 3 muestra imágenes SEM del electrodo con una estructura bimodal jerárquica. La Figura 4 ilustra el mapeo elemental codificado por colores para cada paso de la creación de hb-NPG, con rojo y amarillo designando plata y oro, respectivamente. La capacidad de SEM para asignar colores distintos a varias secciones es una característica útil en el instrumento.

La proporción de área superficial electroquímicamente activa (ECSA) con respecto al área de superficie geométrica produce un factor de rugosidad para cada electrodo. Utilizando la carga debajo del pico de reducción de óxido de oro, se empleó CV para evaluar la ECSA, y se descubrió que 7,64 cm² era la hb-NPG ECSA¹⁵.

Figura 1: Electrodo bimodal jerárquico (hb-NPG) después del proceso de fabricación de varios pasos. Aquí se representa el recubrimiento hb-NPG en el alambre de oro después de la finalización de la aleación-desaleación-recocido-desaleación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Preparación de muestras para SEM. Los electrodos se montan en cinta de carbón que se coloca en talones de aluminio. Luego, la muestra se carga en la cámara de imágenes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Micrografía SEM que muestra la estructura bimodal que comprende tamaños de poro más grandes y más pequeños. Las imágenes se toman a 15 kV y un tamaño de punto de 10. (A) Jerarquía superior en forma de poros más grandes a 20.000x (barra de escala: 5 μm). (B) Jerarquía inferior que representa nanoporos con un aumento mayor de 80,000x (barra de escala: 2 μm). Esta figura ha sido reproducida con permiso de Sondhi et ^al.15. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Micrografías SEM que muestran el mapeo elemental codificado por colores realizado después de cada paso de fabricación. SEM de las siguientes estructuras con elementos codificados por colores (Au, amarillo y Ag, rojo): (A) aleación Au₁₀:Ag₉₀, (B) desaleada electroquímicamente, (C) recocido, (D) estructura nanoporosa jerárquica después del último paso de desaleación química. Au x:Ag_100-x representa la aleación de oro y plata, donde_x es el porcentaje atómico de oro en la aleación. Esta figura ha sido reproducida con permiso de Sondhi et ^al.15. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Voltammogramas cíclicos comparando el área superficial electroactiva de los electrodos. La curva mostrada como un recuadro (azul) representa el CV de la aleación Au₁₀:Ag₉₀ . La estructura creada a través de la desaleación química muestra un pequeño pico de reducción de óxido de oro (curva roja). La estructura bimodal que incorpora la desaleación química y electroquímica muestra un pico de reducción de óxido de oro mucho más pronunciado (verde), lo que indica un aumento en el área de superficie. La CV se realizó mediante una exploración potencial de -0,2-1,6 V. Esta figura ha sido reproducida con permiso de Sondhi et ^al.15. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: Gráfico de absorbancia versus tiempo que muestra la carga de proteínas en tiempo real. La inmovilización en tiempo real de BSA, fetuina y HRP en electrodos NPG se representa en (A), (C) y (E), mientras que en hb-NPG se representa en (B), (D) y (F). El cambio en la absorbancia y el número de moléculas inmovilizadas se monitorea durante 120 min. La absorbancia se registró después de cada 60 s. El promedio de las tres lecturas se representa en el gráfico. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Archivo complementario 1: Guía del usuario para el fácil funcionamiento de dos piezas de software utilizadas en el proceso de fabricación y caracterización del hb-NPG. Capturas de pantalla que explican el procedimiento paso a paso para usar "PowerSuite" y "microscopio XT". Las flechas utilizadas en el diagrama de flujo apuntan hacia el siguiente paso de la operación. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

Utilizando un procedimiento de varios pasos que involucra aleación, desaleación parcial, tratamiento térmico y grabado ácido, se demuestra la fabricación jerárquica de NPG con poros de doble tamaño y un área de superficie electroquímica activa más alta.

En la aleación, el potencial estándar de los precursores metálicos influye en su reactividad durante la electrodeposición. Los iones Au y Ag de las soluciones líquidas se reducen durante la electrodeposición^16,17.

Las siguientes reacciones de media celda¹⁷ representan la disolución electroquímica de soluciones salinas de cianuro de oro y plata:

Au (CN)₂- + 1e^-

E⁰ = -1060 mV frente a SCE

Ag (CN)₃² - + 1e^-

E⁰ = -1198 mV frente a SCE

Los siguientes procesos paralelos determinan principalmente cómo el ácido nítrico oxida la plata en el paso de desaleación¹⁸.

4HNO 3 + 3Ag -> 3AgNO₃ + NO + 2H₂O

2HNO 3 + Ag -> AgNO₃ + NO 2 + H₂ O

El impacto de los cambios en los parámetros del proceso en el rendimiento electroquímico del electrodo está bien discutido. Se descubrió que un electrodo NPG con una estructura de poro bimodal, hecho de una aleación de oro y plata con un alto porcentaje atómico de plata y recocido a 600 °C durante 3 h, contiene poros de doble tamaño que permiten una mayor carga de proteínas que un electrodo convencional con nanoporos. En comparación con otros electrodos nanoporosos, la red interconectada de la estructura también ofrece una alta eficiencia de transferencia de masa, mejorando el rendimiento en términos de actividad y sensibilidad¹⁵.

Los ligamentos interconectados que conectan los átomos altamente activos y poco coordinados que forman la jerarquía superior del electrodo jerárquico tienen una dimensión de 938 ± 285 nm. La aplicación del electrodo en el campo de la catálisis se ve mejorada por las dimensiones del ligamento que produce. Un ancho de ligamento de 51 ± 5 nm, una característica de las estructuras jerárquicas inferiores, mejora la capacidad del electrodo para inmovilizar compuestos bioactivos. El material creado tiene un gran potencial para aplicaciones como catálisis y detección, que necesitan una detección rápida de moléculas más grandes, así como un paso fácil para esas moléculas más grandes¹⁵.

La gran superficie y la estructura jerárquica de los electrodos tienen un impacto en la carga de proteínas. Se ha demostrado una mayor capacidad de carga de proteínas que la NPG convencional para la hb-NPG. La arquitectura bimodal proporciona una plataforma para la interacción de proteínas, la comunicación con el sustrato y el paso para el flujo fácil de moléculas de proteínas. El tipo de material y su morfología afectan la cantidad de moléculas bioactivas que se pueden cargar en un electrodo. Debido a la jerarquía, que acelera la unión de la mayoría de las proteínas a través de fuerzas electrostáticas y físicas, el hb-NPG tiene una mayor concentración de proteínas inmovilizadas¹⁵.

A pesar de que el desarrollo de materiales con diseños estructurales complejos ha avanzado significativamente, todavía hay algunos desafíos. La comercialización requiere nuevas técnicas de preparación con menos procesos y una producción más barata. Será interesante trabajar en futuras investigaciones que aborden el tema de la producción de masa y analicen cuidadosamente el proceso de desarrollo in situ de las estructuras jerárquicas.

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