Allsidig teknikk for å produsere en hierarkisk design i nanoporøst gull

Summary

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

Abstract

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

Introduction

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

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

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

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

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

Protocol

1. Konstruksjon av et belegg av nanoporøst gull med hierarkisk bimodal arkitektur på gulltråder – Alloying Monter en elektrokjemisk celle i et 5 ml beger. Bruk et teflonbasert lokk med tre hull for å inneholde treelektrodeoppsettet.MERK: Teflon er et populært materiale for å lage lokk, da det ikke reagerer med andre kjemikalier. Plasser en platinatråd-motelektrode, en Ag / AgCl (mettet KCl) referanseelektrode og en gulltråd med en diameter på 0,2 mm og en lengde på 5,0 m…

Representative Results

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

Discussion

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

Ved legering påvirker standardpotensialet til metallforløpere hvor reaktive de er under elektrodeponering. Au^– og Ag-ioner fra flytende løsninger reduseres under elektrodeponering^16,17.

<p class="jo…

Materials

Argon gas compressed	Fisher Scientific Compay
Bovine serum albumin (BSA)	Sigma-Aldrich (St.Louis, MO)	A9418	> 98% purity
Counter electrode (Platinum wire)	Alfa Aesar	43288-BU	0.5 mm diameter
Digital Lab furnace	Barnstead Thermolyne 47,900	F47915	used for annealing at high temperatures
Digital Potentiostat/galvanostat	EG&G Princeton Applied Research	273A	PowerPULSE software
Ethanol	Sigma-Aldrich (St.Louis, MO)	CAS-64-17-5	HPLC/spectrophotometric grade
Fetuin from fetal calf serum	Sigma-Aldrich (St.Louis, MO)	F2379	lyophilized powder
Gold wire roll	Electron Microscopy Sciences (Fort Washington, PA)	73100	0.2 mm diameter, 10 ft, 99.9%
Hydrochloric acid	Fisher Chemical	A144C-212	36.5-38%
Hydrogen peroxide	Fisher Scientific (Pittsburg, PA)	CAS-7732-18-5	30%
Kimwipes	KIMTECH Science brand, Kimberly-Clark professional	34120	4.4 x 8.2 in
Nitric acid	Fisher Scientific (Pittsburg, PA)	A2008-212	trace metal grade
Parafilm	Bemis PM996	13-374-10	4 IN. x 125 FT.
Peroxidase from horseradish (HRP)	Sigma-Aldrich (St.Louis, MO)	9003-99-0
PharMed silicone tubing	Norton	AY242606	1/32" Inner Diameter, 5/32" Outer Diameter, 1/16" Wall Thickness, 25' Length
Potassium dicyanoargentate	Sigma-Aldrich (St.Louis, MO)	379166	99.96%, 10 G
Potassium dicyanoaurate	Sigma-Aldrich (St.Louis, MO)	389867	99.98%, 1 G
PowerSuite software	EG&G Princeton Applied Research		comes with the instrument
PTFE tape	Fisherbrand	15-078-261	1" wide 600" long
Reference electrode (Ag/AgCl)	Princeton Applied Research	K0265
Scanning Electron Microscopy (SEM) Apreo 2C	ThermoFisher scientific	APREO 2 SEM	equipped with Color SEM technology
Simplicity UV system	Millipore corporation, Boston, MA, USA	SIMSV00WW	for generating Milli-Q water(18.2 MΩ cm at 25 °C)
Sodium Borohydride	Sigma-Aldrich (St.Louis, MO)	213462	100 G
Sodium Carbonate	Sigma-Aldrich (St.Louis, MO)	452882	enzyme grade, >99%, 100 G
Stir bar	Fisherbrand	14-512-153	5 x 2 mm
Sulphuric acid	Fisher Scientific (Pittsburg, PA)	A300C-212	certified ACS plus
Supracil quartz cuvette	Fisher Scientific (Pittsburg, PA)	14-385-902C	10 mm light path, volume capacity 1 mL
UV-Visible Spectrophotometer	Varian Cary 50