Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Nanogözenekli Altın'da Hiyerarşik Bir Tasarım Üretmek için Çok Yönlü Teknik

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

Hiyerarşik ve bimodal gözenek boyutu dağılımına sahip nanogözenekli altın, elektrokimyasal ve kimyasal alaşım gidermeyi birleştirerek üretilebilir. Alaşımın bileşimi, alaşım giderme işlemi ilerledikçe EDS-SEM incelemesi ile izlenebilir. Malzemenin yükleme kapasitesi, malzeme üzerindeki protein adsorpsiyonunu inceleyerek belirlenebilir.

Abstract

Değişken gözenek boyutları, basit yüzey modifikasyonu ve biyosensörler, aktüatörler, ilaç yükleme ve salınımı alanlarında geniş bir ticari kullanım alanı üretme potansiyeli ve katalizörlerin geliştirilmesi, araştırma ve geliştirmede nanogözenekli altın (NPG) bazlı nanomalzemelerin kullanımını tartışmasız bir şekilde hızlandırmıştır. Bu makalede, hem makro hem de mezopor oluşturmak için elektrokimyasal alaşımlama, kimyasal alaşım giderme teknikleri ve tavlamayı içeren adım adım bir prosedür kullanılarak hiyerarşik bimodal nanogözenekli altın (hb-NPG) üretim süreci açıklanmaktadır. Bu, iki sürekli katı / boşluk morfolojisi oluşturarak NPG'nin faydasını artırmak için yapılır. Yüzey modifikasyonu için mevcut alan daha küçük gözeneklerle zenginleştirilirken, moleküler taşıma daha büyük gözenekler ağından yararlanır. Bir dizi imalat adımının sonucu olan bimodal mimari, taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak, 100 nm'den daha küçük olan ve bağlarla birkaç yüz nanometre boyutundaki daha büyük gözeneklere bağlanan bir gözenek ağı olarak görselleştirilir. hb-NPG'nin elektrokimyasal olarak aktif yüzey alanı, hem alaşım giderme hem de tavlamanın gerekli yapıyı oluşturmada oynadığı kritik rollere odaklanarak döngüsel voltametri (CV) kullanılarak değerlendirilir. Farklı proteinlerin adsorpsiyonu, çözelti tükenme tekniği ile ölçülür ve hb-NPG'nin protein yüklemesi açısından daha iyi performans gösterdiği ortaya çıkar. Yüzey alanını hacim oranına değiştirerek, oluşturulan hb-NPG elektrodu biyosensör gelişimi için muazzam bir potansiyel sunar. Makale, hb-NPG yüzey yapıları oluşturmak için ölçeklenebilir bir yöntemi tartışmaktadır, çünkü bunlar küçük moleküllerin immobilizasyonu için geniş bir yüzey alanı ve daha hızlı reaksiyonlar için geliştirilmiş taşıma yolları sunmaktadır.

Introduction

Genellikle doğada görülen hiyerarşik gözenekli mimariler, gelişmiş performans için malzemelerin fiziksel özelliklerini değiştirmek için nano ölçekte taklit edilmiştir1. Çeşitli uzunluk ölçeklerinde birbirine bağlı yapısal elemanlar, gözenekli malzemelerin hiyerarşik mimarisinin bir özelliğidir2. Alaşımdan arındırılmış nanogözenekli metaller tipik olarak unimodal gözenek boyutu dağılımlarına sahiptir; Bu nedenle, iki ayrı gözenek boyutu aralığına sahip hiyerarşik olarak bimodal gözenekli yapılar üretmek için birden fazla teknik geliştirilmiştir3. Malzeme tasarım yaklaşımının iki temel amacı, yani işlevselleşme için geniş spesifik yüzey alanı ve birbirinden farklı ve doğası gereği birbiriyle çatışan hızlı taşıma yolları, yapısal hiyerarşiye sahip fonksiyonel malzemeler tarafından yerine getirilmektedir 4,5.

Elektrokimyasal sensörün performansı elektrot morfolojisi tarafından belirlenir, çünkü nanomatrisin gözenek boyutu moleküler taşıma ve yakalama için çok önemlidir. Küçük gözeneklerin karmaşık numunelerde hedef tanımlamaya yardımcı olduğu bulunurken, daha büyük gözenekler hedef molekülün erişilebilirliğini artırarak sensörün algılama aralığını arttırır6. Şablon tabanlı imalat, elektrokaplama, aşağıdan yukarıya sentetik kimya, ince film püskürtme biriktirme7, polidimetilsiloksan desteği8'e dayanan karmaşık esnek matrisler, çeşitli metallerin alaşımlanması, ardından daha az asil metalin seçici aşındırılması ve elektrodepozisyon, nanoyapıları elektrota sokmak için sıklıkla kullanılan yöntemlerden bazılarıdır. Gözenekli yapılar oluşturmak için en iyi yöntemlerden biri alaşım giderme prosedürüdür. Çözünme oranlarındaki eşitsizlik nedeniyle, daha az asil metal olan kurban metali, elektrotun nihai morfolojisini önemli ölçüde etkiler. Birbirine bağlı bir gözenek ve bağ ağı, daha az asil bileşenin seçici olarak başlangıç alaşımından çözündüğü ve kalan atomların yeniden organize edildiği ve konsolide edildiği nanogözenekli altın (NPG) yapıları oluşturmanın etkili sürecinden kaynaklanır9.

Bu nanoyapıları yapmak için Ding ve Erlebacher tarafından kullanılan alaşım giderme / kaplama / yeniden alaşım giderme yöntemi, önce altın ve gümüşten oluşan öncü alaşımın nitrik asit kullanılarak kimyasal alaşımdan arındırılmasına tabi tutulmasını, ardından üst hiyerarşik seviyeyi oluşturmak için tek bir gözenek boyutu dağılımı ile daha yüksek bir sıcaklıkta ısıtılmasını ve kalan gümüşün alt hiyerarşik seviyeyi üretmek için ikinci bir alaşım giderme kullanılarak çıkarılmasını içeriyordu. Bu yöntem ince filmlere uygulandı10. Biener ve ark. tarafından teker teker aşındırılan nispeten daha reaktif iki asil metalden oluşan üçlü alaşımların kullanılması önerilmiştir; Cu ve Ag başlangıçta Cu-Ag-Au malzemesinden çıkarıldı ve geride bimodal olarak yapılandırılmış, düşük yoğunluklu NPG örnekleri bırakıldı11. Uzun menzilli sipariş edilen yapılar, üçlü alaşımlar kullanılarak özetlenen prosedürlerle üretilmez. Zhang ve ark. tarafından kullanılan Al-Au'nun ana alaşımının aşamalarından birinin çıkarılmasıyla daha büyük gözenekler üretildi ve bu da bimodal yapıyı minimum düzeyde12 derecesiyle üretti. Düzenli bir hiyerarşik yapının, dökme malzemelerin sökülmesini ve temel bileşenlerin daha büyük yapılara bir araya getirilmesini içeren işleme yollarının kullanılmasıyla, birkaç uzunluk ölçeğinin kontrol edilmesiyle oluşturulduğu bildirilmektedir. Bu durumda, doğrudan mürekkep yazma (DIW), alaşımlama ve alaşım giderme13 yoluyla hiyerarşik bir NPG yapısı yapılmıştır.

Burada, çeşitli Au-Ag alaşım bileşimlerini kullanan hiyerarşik bir bimodal nanogözenekli altın (hb-NPG) yapısının üretilmesi için iki aşamalı bir alaşım giderme yöntemi sunulmaktadır. Dealaşımın altında durduğu reaktif element miktarı, teoride, ayırma sınırıdır. Yüzey difüzyon kinetiği, daha reaktif bileşenin bir ikili alaşımdan elektrolitik çözünmesi için tipik olarak 50 ila 60 atomik yüzde arasında olan ayırma limiti veya alaşım giderme eşiğinden hafifçe etkilenir. Au:Ag alaşımındaki Ag'nin büyük bir atomik fraksiyonu, hb-NPG'nin başarılı bir şekilde sentezlenmesi için gereklidir, çünkü hem elektrokimyasal hem de kimyasal alaşım giderme işlemleri, ayırma sınırı14'e yakın düşük konsantrasyonlarda başarıyla tamamlanamaz.

Bu yöntemin yararı, yapının ve gözenek boyutunun sıkı bir şekilde kontrol edilebilmesidir. Protokoldeki her adım, tipik gözeneklilik uzunluğu ölçeğini ve bağlar arasındaki tipik mesafeyi ince ayarlamak için çok önemlidir15. İyon ara yüzey difüzyon ve çözünme hızını düzenlemek için, uygulanan voltaj dikkatlice kalibre edilir. Alaşım giderme sırasında çatlamayı önlemek için, Ag çözünme hızı kontrol edilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Altın teller üzerinde hiyerarşik bimodal mimariye sahip nanogözenekli altın kaplamanın oluşturulması - Alaşım

  1. Bir elektrokimyasal hücreyi 5 mL'lik bir beherde birleştirin. Üç elektrot kurulumunu içermek için üç delikli Teflon bazlı bir kapak kullanın.
    NOT: Teflon, diğer kimyasallarla reaksiyona girmediği için kapak yapımında popüler bir malzemedir.
  2. Bir platin tel karşı elektrodu, bir Ag / AgCl (doymuş KCl) referans elektrodu ve 0,2 mm çapında ve çalışma elektrodu olarak işlev gören 5,0 mm uzunluğunda bir altın tel yerleştirin (bkz. Çalışma elektrodu ile sayaç elektrodu arasında 0,7 cm'lik bir mesafe bırakın.
    NOT: Telin uzunluğu 1 cm'dir ve timsah klipsini kırptıktan sonra, çözeltiye giren açıkta kalan kısım 0,5 cm'dir. Kalan kısım politetrafloroetilen bant kullanılarak kaplanmıştır (bakınız Malzeme Tablosu). Bu uzunluk, deney her gerçekleştirildiğinde bir ölçek kullanılarak hassas bir şekilde ölçülür. Altın tel, çalışmada kullanılmadan önce birkaç adımda temizlenir; İlk önce konsantre nitrik aside batırılır, daha sonra durulanır ve piranha çözeltisine batırılır ve son olarak sodyum borohidrit içine daldırılır. Bu güçlü reaktifler, tele yapışmış olabilecek safsızlıkların giderilmesine yardımcı olur.
  3. Suda K[Ag(CN)2] ve K[Au(CN)2] her birinin 50 mM'lik bir çözeltisini hazırlayın (bkz. 5 mL beher içine 0,5 mL K[Au(CN)2] çözeltisi ve 4,5 mL K[Ag(CN)2] tuz çözeltisi ekleyin.
    DİKKAT: Siyanür tuzlarını kullanırken ve atarken dikkatli olun. Kullanırken koruyucu eldiven, uygun kıyafet, solunum koruması ve göz koruması giyin ve bir duman başlığında çalışın. Siyanür tuzu çözeltileri, deney bittikten sonra toplanmalı ve ayrı, açıkça işaretlenmiş bir atık kabına yerleştirilmelidir. Asitlerle temas ettiğinde, tehlikeli dumanlar açığa çıkar. İyonik hareketliliği korumak için, iki tuzun her birinin stok 40 mM çözeltilerine 0.25 M Na2CO3 eklenir.
  4. Elektrokimyasal hücreye 300 rpm'lik sabit bir karıştırma hızında manyetik bir karıştırıcı çubuk yerleştirerek çözeltiyi iyice karıştırın.
    NOT: Karıştırıcı çubuğunun temiz olduğundan emin olun. Aqua regia, kirletici maddeler varsa temizlemek için kullanılabilir.
  5. Argon gazını, 1/32 inç (inç) iç çapta, dış çapta 5/32 ve duvar kalınlığında 1/16 silikon boru kullanarak çözelti boyunca dolaştırın (bkz.
    NOT: Kurulumdaki sızıntı, yeterince sıkı hale getirilerek önlenir.
  6. Potansiyostatı, elektrokimyasal hücre tamamen monte edildikten sonra uygun elektrotlara tutturulmuş timsah klipslerini kullanarak bağlayın.
    NOT: Karışıklığı önlemek için klipsleri takılacakları elektrotun adıyla etiketlemek en iyisidir.
  7. Potansiyostatı açtıktan sonra kronoamperometri kullanarak elektrodepozisyon gerçekleştirmek için yazılımı (PowerSuite; bkz. Malzeme Tablosu) kullanın. İstediğiniz parametreleri kullanarak yazılımı yapılandırın. 600 s için, potansiyel -1,0 V15 sabit bir değerle zamanlanır.
    NOT: Parametreleri belirtmeden önce önyükleme işleminin kendi kendine bitmesine izin verin. Ek Dosya 1 , bu özel yazılımın kullanımı için ekran görüntülerini gösterir.
  8. Çalıştır'a basın ve çalışma elektrodu üzerindeki alaşım birikimini tamamlamak için harici hücreyi seçin. İşlem sonunda kalın beyaz bir kaplama görülür.
    NOT: Bağlantıların güvenli olduğundan ve çözümün sürekli karıştırıldığından emin olun. Her şey olması gerektiği gibi çalışırsa, akım 300 ila 400 μA arasında salınır.

2. Altın teller üzerinde hiyerarşik bimodal mimariye sahip nanogözenekli altın kaplamanın oluşturulması - Dealloying

NOT: Protokolün bu aşaması, alaşımlı tellerin kısmi alaşımdan arındırılmasına dayanmaktadır.

  1. Elektrokimyasal hücreyi, üç elektrotun bir elektrolit çözeltisinde birbirinden 0,7 cm uzakta tutulduğu önceki işlemde (adım 1.2) olduğu gibi bir kez daha yapılandırın. Kısmi dealaşım için elektrolit çözeltisi olarak 4 mL 1 N nitrik asit kullanın.
    NOT: Elektrolit seyreltildiğinden, burada gümüş olan daha az asil elementi tamamen çıkarmaz.
  2. Çözeltiyi 300 rpm'lik sabit bir hızda eşit şekilde dolaştırmak için karıştırıcı çubuğunu çalışır durumda bırakın.
  3. Elektrokimyasal hücre kurulduktan sonra, potansiyostatı doğru elektrotlara kırpılmış timsah klipsleri kullanarak takın.
  4. Kronoamperometri yazılımını bir kez daha kullanın, ancak bu sefer 600 s için 0,6 V'luk bir potansiyel seçin.
  5. Çalıştır'a basın, ardından çalışma elektrodunda biriken alaşımın alaşımdan arındırılmasını tamamlamak için harici hücreyi seçin.
    NOT: Telin rengi bu adımdan sonra grimsi-siyah olarak değişir.

3. Altın teller üzerinde hiyerarşik bimodal mimariye sahip nanogözenekli altın kaplama yapılması - Tavlama

  1. Alaşımdan arındırılmış telleri fırının içindeki bir cam şişede saklayın.
  2. Fırındaki sıcaklığı 3 saat boyunca 600 ° C'de tutun.
    NOT: Sıcaklık ve süre, düşük sıcaklıkların gözenekleri kabalaştırmadığını, daha yüksek sıcaklıkların ve daha uzun bir sürenin yapıda çatlaklara neden olduğunu gösteren optimizasyon çalışmalarına dayanarak seçilmiştir.
  3. İşlem bittikten ve fırın kapatıldıktan sonra şişeyi çıkarın. Flakon oda sıcaklığına soğuyana kadar bekleyin.
    NOT: Sıcak şişe, bir dizi maşa kullanılarak fırından çıkarılır.

4. Altın teller üzerinde hiyerarşik bimodal mimariye sahip nanogözenekli altın kaplamanın oluşturulması - Dealloying

  1. Kısmen alaşımdan arındırılmış tavlanmış telleri 4 mL konsantre nitrik aside batırın.
    NOT: Konsantre asidi telleri içeren cam şişeye aktarırken, bir cam pipet kullanıldığından emin olun.
  2. Kısmen alaşımdan arındırılmış tavlanmış telleri, gece boyunca duman davlumbazında güçlü nitrik asit içeren cam şişede bırakın.
    NOT: Tam alaşım gidermeye izin vermek için alaşım giderme süresi 24 saatte tutulmuştur.
  3. Ertesi gün hb-NPG kaplı telleri oluşturun (Şekil 1). Bunları deiyonize suyla iyice durulayın, ardından sonraki çalışmalarda kullanılmadan önce bir etanol durulayın. Kuruduktan sonra, telleri deneylerde kullanın. Hb-NPG'yi hazırlamak için her seferinde taze bir temiz altın tel partisi kullanılır.
    NOT: Sentezdeki her adım, bimodal yapıya ulaşmak için çok önemlidir. Adımlardan herhangi biri atlanırsa, yalnızca tek modlu bir gözenek yapısı ortaya çıkacaktır.

5. hb-NPG karakterizasyonu

  1. Taramalı elektron mikroskobu (SEM)-numune hazırlama
    1. SEM görüntüleme için numune hazırlamada temel olarak temiz bir alüminyum saplama kullandığınızdan emin olun.
      NOT: Saplamalar seyreltilmiş nitrik asit ile temizlenir, etanol ile durulanır, kurutulur ve tekrar kullanılmadan önce parafin film kaplı bir kapta tutulur.
    2. Alüminyum saplamanın düz tabanının üzerine yeni kesilmiş bir karbon bant parçası yerleştirin.
    3. Cımbız yardımıyla, küçük hb-NPG kaplı tel parçalarını kesin ve bunları karbon banda yapıştırın.
      NOT: Kaplamanın çıkmasını önlemek için telin cımbızla hafifçe kavrandığından emin olun.
    4. Morfolojilerini bir SEM altında ortaya çıkarmak için kesilmiş parçaları yatay olarak düzenleyin (bkz. Dikey olarak düzenlenmiş parçalar, altın tel üzerinde biriken malzemenin kalınlığını ortaya çıkarabilir (Şekil 2).
      NOT: Elektrotta herhangi bir nem varsa, oda kirlenir ve puslu görüntülere neden olur. Bu nedenle, SEM görüntülemeyi gerçekleştirmeden önce elektrodu gece boyunca bir vakuma yerleştirin.
  2. SEM odası kurulumu
    1. Oda kapısını kolayca açmak için "XT mikroskop" yazılımından "havalandırma" seçeneğini kullanarak odayı havalandırın.
      NOT: "XT mikroskop" yazılımı SEM sistemi ile birlikte gelir. Kapının düzgün bir şekilde açılabilmesi için önce haznenin tamamen havalandırılması gerekir, bu da genellikle 3-5 dakika sürer. Adiitionda, azot gazı silindirinin basıncı 5 psi'nin altında olmalıdır. Ek Dosya 1 , bu özel yazılımın kullanımı için ekran görüntülerini gösterir.
    2. Özel bir cımbızın kavisli ön yüzünün yardımıyla, dairesel alüminyum saplamayı sıkıca kavrayın, daha önce saplamaya yerleştirilen temiz numuneyi odaya yerleştirin ve numune aşamasına yerleştirin.
      NOT: Sahnenin temiz olduğundan emin olun; herhangi bir dökülme varsa, aseton ve tüy bırakmayan bir mendil ile bunları kapatın (bkz.
    3. Vakum benzeri bir ortam oluşturmak için numuneyi haznenin içine yerleştirdikten sonra "pompa" seçeneğini seçin.
      NOT: Haznenin pompalanması yaklaşık 3 dakika sürer. Kirişi açmadan önce, kullanıcının pompalamanın bitmesini beklemesi gerekir.
    4. Navigasyon kamerasını kullanarak, örneğin tam konumunu gözlemlemek için gerçek zamanlı görüntüye tıklayın.
  3. Numuneyi görüntüleme
    1. Numunenin görüntüsünü yakalamak için başlangıçta ışını açın.
      NOT: Kirişi açmadan önce, sistemin vakumlandığından emin olun.
    2. Navigasyon kamerasının topladığı görüntüden örnek görüntüyü ekranın ortasına getirmek ve odağı keskinleştirmek için üzerine çift tıklayın.
    3. Görüntülerin uyumlu yazılım ve Everhart-Thornley dedektörü (ETD) ile görüntüleme kullanılarak üretildiğinden emin olun. Spot boyutunu, tarama hızını ve potansiyeli optimize etmek gereklidir.
      NOT: Yukarı çıkmadan önce daha düşük potansiyel ve nokta boyutuyla başlamak her zaman umut vericidir.
    4. Kiriş kaynağından sahne mesafesini 10 mm'ye ayarlayın.
      NOT: Sahne alanı ile kaynak arasındaki mesafeyi hassas bir şekilde ölçmek için; sistem odaklanmalı ve Z eksenine bağlanmalıdır.
    5. Daha düşük bir ölçekte bulunan mimari hakkında daha fazla bilgi edinmek için, daha düşük büyütmede odaklanmış bir görüntü elde ettikten sonra büyütmeyi artırın (Şekil 3).
      NOT: Büyütme artışının her seviyesi odaklanmayı gerektirir.
  4. Numunenin element bileşimi için SEM ve enerji dağıtıcı spektroskopisi (EDS)
    1. Yazılımda renk SEM seçeneğini belirleyerek, malzemenin temel yapısını belirleyin (Şekil 4). Numunenin çeşitli öğelerine otomatik olarak farklı renkler atar. Bununla birlikte, renkleri ve öğeleri manuel olarak seçmek de mümkündür.
      NOT: Atomik yüzdesi 0 olan seçimleri ekarte etmek için elementel kompozisyon analiz çizelgesini ve elementlerin atomik yüzdelerini incelemek çok önemlidir.
    2. EDS dedektörünü yerleştirerek, incelenen numuneyi enerji dağıtıcı X-ışını spektroskopisine tabi tutun. EDS verilerini toplamak için 15 kV potansiyel ve 12 spot boyutu kullanın.
      NOT: Ekle düğmesine bastıktan sonra, ekran gerçek zamanlı olarak takılan dedektörü görüntüler.
    3. Programın, temel kompozisyon için bilgi toplamak üzere örnek görüntü ekranında ayrı bölgeleri seçmek için küçük kutuların oluşturulmasını sağladığını kontrol edin.
      NOT: Doğru istatistikler için 50 ila 100.000 arasında sayım olmalıdır. Panel, toplanan verilerin genel durumunu görüntüler. Sonuç olarak, bir rapor hazırlanır.

6. Elektrokimyasal olarak aktif yüzey alanı için döngüsel voltametri (CV)

  1. Bir elektrolit içine batırılmış referans elektrot, sayaç elektrodu ve çalışma elektrodu ile bir elektrokimyasal hücrenin manuel olarak kurulmasını içeren altın oksit sıyırma yöntemini gerçekleştirin.
    NOT: Bu çalışma için, Pt teli sayaç elektrodu olarak görev yapar, hb-NPG çalışma elektrodudur ve Ag / AgCl referans elektrodu olarak hizmet eder. Sülfürik asit, 0.5 N, elektrolit görevi görür. Referans ve sayaç elektrotlarının kullanımdan önce seyreltilmiş nitrik asit içinde temizlenmesi önerilir. Ayrıca, elektroliti tekrar kullanmaktan kaçının.
  2. Potansiyostata bağlantılar yapıldıktan sonra, programdan CV seçeneğini seçin ve parametreleri yapılandırın. Potansiyel aralığı -0,2-1,6 V (Şekil 5) ve -0,2 V (Ag/AgCl ile karşılaştırıldığında) arasında ve 100 mV/sn tarama hızıyla birlikte düzeltin.
    NOT: Karıştırmaya gerek yoktur.
  3. Döngüsel taramayı gerçekleştirmek için çalıştır düğmesine tıklayın. Ters taramanın gözle görülür bir tepe noktasını ortaya çıkardığından emin olun. Bildirilen 400 μC cm-2 dönüşüm faktörünü kullanarak, hb-NPG telinin elektrokimyasal yüzey alanını belirlemek için altın oksit tek katmanının indirgenmesinden gelen tepe noktasının altındaki yükü entegre edin.
    NOT: Yükün tepe noktasının altına düzgün bir şekilde entegre edilmesi için teğetin doğru şekilde çizilmesi gerekir.
  4. Çift alaşım giderme prosedürlerinin hayati önemini anlamak için kimyasal olarak alaşımdan arındırılmış tel üzerinde ve Au: Ag (10:90) alaşımlı tel üzerinde kimyasal ve elektrokimyasal alaşım gidermeyi birleştirdikten sonra aynı deney setini uygulayın.

7. Protein yüklemesini incelemek için çözelti tükenme tekniği

  1. Protein moleküllerinin hb-NPG yüzeyine gerçek zamanlı olarak yüklenmesini incelemek için, ultraviyole görünür (UV-vis) spektrofotometre kullanın (bakınız Malzeme Tablosu).
    NOT: Bu çalışmada, fetuin, sığır serum albümini (BSA) ve yaban turpu peroksidaz (HRP) protein çözeltileri (bakınız Malzeme Tablosu), 0.01 M (pH = 7.4) fosfat tamponlu salin (PBS) tamponunda sırasıyla 1 mg / mL, 0.5 mg / mL ve 1 mg / mL konsantrasyonlarında ayrı ayrı hazırlanmıştır. Protein stabilitesini koruyan bir tampon ve pH seçmek çok önemlidir.
  2. Yalnızca arabelleği kullanarak taban çizgisi düzeltmesi gerçekleştirin. Düzeltme yapıldıktan sonra dalga boyu, zaman ve hız dahil olmak üzere yazılımın parametrelerini seçin. Ardından, 500 μL protein çözeltisini küvetin içine yerleştirin.
  3. Gerçek zamanlı protein izlemenin, çözeltiye hb-NPG eklendikten sonra başladığından emin olun. Başlat düğmesine bastıktan sonra 280 nm'de 120 dakika boyunca her dakikadan sonra absorbanstaki değişimi izleyin (Şekil 6).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bağ boyutu ve bağlar arası boşluk ayarlamaları, üretilen elektrot için son derece önemlidir. Au/Ag oranlarını optimize ederek çift boyutlu gözeneklere sahip bir yapı oluşturmak, yüzey morfolojisi, pürüzlülük faktörü ve yükleme kapasitesini kullanan karakterizasyon ile birlikte bu çalışmanın ilk adımıdır. Geleneksel NPG ile karşılaştırıldığında, bimodal gözenek yapısı daha yüksek bir elektrokimyasal yüzey alanı, pürüzlülük faktörü ve protein yükleme kapasitesigöstermiştir 15.

hb-NPG, kimyasal alaşımdan arındırmayı takiben açık, bağlantılı bir bağ ve gözenek ağı göstermiştir. Burada, daha büyük delikler bir üst hiyerarşi ile gösterilir ve daha düşük bir hiyerarşi daha küçük gözenekleri gösterir. Şekil 3 , hiyerarşik bimodal yapıya sahip elektrotun SEM görüntülerini göstermektedir. Şekil 4 , hb-NPG'nin oluşturulmasının her adımı için renk kodlu element haritalamasını göstermektedir; kırmızı ve sarı, sırasıyla gümüş ve altını belirtir. SEM'in çeşitli bölümlere farklı renkler atama yeteneği, cihazda kullanışlı bir özelliktir.

Elektrokimyasal olarak aktif yüzey alanının (ECSA) geometrik yüzey alanına oranı, her elektrot için bir pürüzlülük faktörü verir. Altın oksit indirgeme zirvesinin altındaki yükü kullanarak, ECSA'yı değerlendirmek için CV kullanıldı ve 7.64cm2'nin hb-NPG ECSA15 olduğu keşfedildi.

Figure 1
Resim 1: Çok adımlı üretim işleminden sonra hiyerarşik bimodal elektrot (hb-NPG). Alaşımlama-alaşım giderme-tavlama-alaşım giderme-alaşım giderme işleminin tamamlanmasından sonra altın tel üzerindeki hb-NPG kaplama burada tasvir edilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: SEM için numune hazırlama. Elektrotlar, alüminyum saplamalara yerleştirilen karbon bant üzerine monte edilir. Numune daha sonra görüntüleme odasına yüklenir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: Daha büyük ve daha küçük gözenek boyutlarından oluşan bimodal yapıyı gösteren SEM mikrografı. Görüntüler 15 kV'de ve 10 spot boyutunda çekilir. (A) 20.000x'te daha büyük gözenekler şeklinde üst hiyerarşi (ölçek çubuğu: 5 μm). (B) Nanogözenekleri 80.000x'lik daha yüksek bir büyütmede gösteren alt hiyerarşi (ölçek çubuğu: 2 μm). Bu rakam Sondhi ve ark.15'in izniyle çoğaltılmıştır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: Her imalat adımından sonra yapılan renk kodlu element haritalamasını gösteren SEM mikrografları. Renk kodlu elemanlara sahip aşağıdaki yapıların SEM'i (Au, sarı; ve Ag, kırmızı): (A) Au10: Ag90 alaşımı, (B) elektrokimyasal olarak alaşımsızlaştırılmış, (C) tavlanmış, (D) son kimyasal alaşımdan arındırma adımını takiben hiyerarşik nanogözenekli yapı. Aux: Ag100-x , altın ve gümüş alaşımını temsil eder, burada x, alaşımdaki altının atomik yüzdesidir. Bu rakam Sondhi ve ark.15'in izniyle çoğaltılmıştır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: Elektrotların elektroaktif yüzey alanını karşılaştıran siklik voltamogramlar. İç kısım (mavi) olarak gösterilen eğri, Au10:Ag90 alaşımının CV'sini göstermektedir. Kimyasal alaşım giderme ile oluşturulan yapı, küçük bir altın oksit indirgeme (kırmızı eğri) zirvesi gösterir. Kimyasal ve elektrokimyasal alaşım gidermeyi içeren bimodal yapı, yüzey alanında bir artışa işaret eden çok daha belirgin bir altın oksit azaltma zirvesi (yeşil) gösterir. CV, -0.2-1.6 V arasında potansiyel bir tarama kullanılarak gerçekleştirildi. Bu rakam Sondhi ve ark.15'in izniyle çoğaltılmıştır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 6
Şekil 6: Gerçek zamanlı protein yüklemesini gösteren absorbansa karşı zaman grafiği. NPG elektrotları üzerinde BSA, fetuin ve HRP'nin gerçek zamanlı immobilizasyonu (A), (C) ve (E), hb-NPG'de ise (B), (D) ve (F) 'de gösterilmiştir. Absorbanstaki değişim ve hareketsiz moleküllerin sayısı 120 dakika boyunca izlenir. Absorbans her 60 saniyede bir kaydedildi. Üç okumanın ortalaması grafikte gösterilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Dosya 1: HB-NPG'nin üretim ve karakterizasyon sürecinde kullanılan iki yazılım parçasının kolay kullanımı için kullanım kılavuzu. "PowerSuite" ve "XT mikroskobu" kullanmak için adım adım prosedürü açıklayan ekran görüntüleri. Akış şemasında kullanılan oklar, işlemin bir sonraki adımına işaret ediyor. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Alaşımlama, kısmi alaşım giderme, ısıl işlem ve asit aşındırmayı içeren çok adımlı bir prosedür kullanılarak, çift boyutlu gözenekler ve daha yüksek bir aktif elektrokimyasal yüzey alanı ile hiyerarşik olarak NPG üretimi gösterilmiştir.

Alaşımlamada, metal öncüllerin standart potansiyeli, elektrodepozisyon sırasında ne kadar reaktif olduklarını etkiler. Sıvı çözeltilerden elde edilen Au ve Ag iyonları, elektrodepozisyon16,17 sırasında azalır.

Aşağıdaki yarım hücre reaksiyonları17 , altın ve gümüş siyanür tuzu çözeltilerinin elektrokimyasal çözünmesini göstermektedir:

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

E0 = -1060 mV ve SCE karşılaştırması

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

E0 = -1198 mV ve SCE karşılaştırması

Aşağıdaki paralel işlemler çoğunlukla alaşım giderme adımı18'de gümüşün nitrik asit tarafından nasıl oksitlendiğini belirler.

4HNO 3 + 3Ag -> 3AgNO3 + HAYIR + 2H2O

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

Proses parametrelerindeki değişikliklerin elektrotun elektrot elektrokimyasal performansı üzerindeki etkisi iyi tartışılmıştır. Yüksek atomik gümüş yüzdesine sahip altın ve gümüş alaşımından yapılmış ve 3 saat boyunca 600 ° C'de tavlanmış bimodal gözenek yapısına sahip bir NPG elektrodunun, nanogözenekli geleneksel bir elektrottan daha büyük bir protein yüklemesine izin veren çift boyutlu gözenekler içerdiği keşfedilmiştir. Diğer nanogözenekli elektrotlarla karşılaştırıldığında, yapının birbirine bağlı ağı aynı zamanda yüksek kütle transfer verimliliği sunarak, aktivite ve hassasiyet açısından performansı artırır15.

Hiyerarşik elektrotun üst hiyerarşisini oluşturan oldukça aktif, düşük koordineli atomları birbirine bağlayan birbirine bağlı bağlar 938 ± 285 nm boyutlarındadır. Elektrotun kataliz alanındaki uygulaması, ürettiği bağın boyutları ile geliştirilmiştir. Alt hiyerarşik yapıların bir özelliği olan 51 ± 5 nm'lik bir bağ genişliği, elektrotun biyoaktif bileşikleri hareketsiz hale getirme kapasitesini arttırır. Oluşturulan malzeme, daha büyük moleküllerin hızlı bir şekilde algılanmasının yanı sıra bu büyük moleküller için kolay geçişe ihtiyaç duyan kataliz ve algılama gibi uygulamalar için çok fazla potansiyele sahiptir15.

Elektrotların geniş yüzey alanı ve hiyerarşik yapısı, protein yüklemesi üzerinde bir etkiye sahiptir. Hb-NPG için geleneksel NPG'den daha büyük bir protein yükleme kapasitesi gösterilmiştir. Bimodal mimari, protein etkileşimi, substrat ile iletişim ve protein moleküllerinin kolay akışı için geçiş için bir platform sağlar. Malzemenin türü ve morfolojisi, bir elektrota kaç tane biyoaktif molekülün yüklenebileceğini etkiler. Çoğu proteinin elektrostatik ve fiziksel kuvvetlerle bağlanmasını hızlandıran hiyerarşi nedeniyle, hb-NPG daha yüksek bir hareketsiz protein konsantrasyonuna sahiptir15.

Karmaşık yapısal tasarımlara sahip malzemelerin geliştirilmesi önemli ölçüde ilerlemiş olsa da, hala bazı zorluklar vardır. Ticarileştirme, daha az süreç ve daha ucuz üretim ile yeni hazırlama teknikleri gerektirir. Kitlesel çıktı konusunu ele alan ve hiyerarşik yapıların yerinde gelişim sürecini dikkatlice analiz eden gelecekteki araştırmalar üzerinde çalışmak ilginç olacaktır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.

Acknowledgments

Bu çalışma NIGMS'den (GM111835) bir ödülle desteklenmiştir.

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

Kimya Sayı 192 hiyerarşik bimodal nanogözenekli altın biyosensör alaşım giderme gözenekler pürüzlülük glikoz algılama etkili yüzey alanı

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

Nanogözenekli Altın'da Hiyerarşik Bir Tasarım Üretmek için Çok Yönlü Teknik
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