تقنية متعددة الاستخدامات لإنتاج تصميم هرمي من الذهب المسامي النانوي
Summary
يمكن إنتاج الذهب المسامي النانوي مع توزيع حجم المسام الهرمي وثنائي النمط من خلال الجمع بين إزالة السبائك الكهروكيميائية والكيميائية. يمكن مراقبة تكوين السبيكة عن طريق فحص EDS-SEM مع تقدم عملية إزالة السبائك. يمكن تحديد قدرة تحميل المادة من خلال دراسة امتصاص البروتين على المادة.
Abstract
إن القدرة على توليد أحجام مسامية متغيرة ، وتعديل مبسط للسطح ، واتساع نطاق الاستخدامات التجارية في مجالات أجهزة الاستشعار الحيوية ، والمحركات ، وتحميل الأدوية وإطلاقها ، وتطوير المحفزات قد سرعت بلا شك من استخدام المواد النانوية القائمة على الذهب المسامي (NPG) في البحث والتطوير. توضح هذه المقالة عملية توليد الذهب المسامي النانوي ثنائي النمط الهرمي (hb-NPG) من خلال استخدام إجراء تدريجي يتضمن صناعة السبائك الكهروكيميائية ، وتقنيات إزالة السبائك الكيميائية ، والتلدين لإنشاء كل من المسام الكبيرة والمتوسطة. يتم ذلك لتحسين فائدة NPG عن طريق إنشاء مورفولوجيا صلبة / فراغ ثنائية الاستمرار. يتم تعزيز المساحة المتاحة لتعديل السطح من خلال المسام الأصغر ، بينما يستفيد النقل الجزيئي من شبكة المسام الأكبر. يتم تصور البنية ثنائية النمط ، التي هي نتيجة لسلسلة من خطوات التصنيع ، باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) كشبكة من المسام التي يقل حجمها عن 100 نانومتر ومتصلة بواسطة الأربطة بمسام أكبر يبلغ حجمها عدة مئات من النانومترات. يتم تقييم مساحة السطح النشطة كهروكيميائيا ل hb-NPG باستخدام قياس الفولتامتر الدوري (CV) ، مع التركيز على الأدوار الحاسمة التي يلعبها كل من إزالة السبائك والتلدين في إنشاء الهيكل اللازم. يتم قياس امتزاز البروتينات المختلفة بتقنية استنفاد المحلول ، مما يكشف عن الأداء الأفضل ل hb-NPG من حيث تحميل البروتين. من خلال تغيير مساحة السطح إلى نسبة الحجم ، يوفر قطب hb-NPG الذي تم إنشاؤه إمكانات هائلة لتطوير أجهزة الاستشعار الحيوية. تناقش المخطوطة طريقة قابلة للتطوير لإنشاء هياكل سطحية hb-NPG ، لأنها توفر مساحة سطح كبيرة لتجميد الجزيئات الصغيرة وتحسين مسارات النقل لتفاعلات أسرع.
Introduction
غالبا ما ينظر إليها في الطبيعة ، تم تقليد البنى المسامية الهرمية على المستوى النانوي لتغيير الخصائص الفيزيائية للمواد لتحسين الأداء1. العناصر الهيكلية المترابطة بمقاييس الطول المختلفة هي سمة من سمات العمارة الهرمية للمواد المسامية2. عادة ما يكون للمعادن المسامية النانوية المنزوعة السبائك توزيعات حجم المسام أحادية الوسائط. ومن ثم ، تم ابتكار تقنيات متعددة لإنتاج هياكل مسامية ثنائية النمط هرميا مع نطاقين منفصلين لحجم المسام3. يتم تحقيق الهدفين الأساسيين لنهج تصميم المواد ، وهما مساحة السطح المحددة الكبيرة للتشغيل ومسارات النقل السريع ، والتي تتميز وتتعارض بطبيعتها مع بعضها البعض ، من خلال المواد الوظيفية التي تمتلك التسلسل الهرمي الهيكلي 4,5.
يتم تحديد أداء المستشعر الكهروكيميائي من خلال مورفولوجيا القطب ، نظرا لأن حجم مسام المصفوفة النانوية أمر بالغ الأهمية للنقل الجزيئي والتقاطه. تم العثور على المسام الصغيرة للمساعدة في تحديد الهدف في العينات المعقدة ، في حين أن المسام الأكبر تعزز إمكانية الوصول إلى الجزيء المستهدف ، مما يزيد من نطاق اكتشاف المستشعر6. التصنيع القائم على القالب ، والطلاء الكهربائي ، والكيمياء الاصطناعية من أسفل إلى أعلى ، وترسيب الاخرق الرقيق 7 ، والمصفوفاتالمرنة المعقدة القائمة على دعم polydimethylsiloxane8 ، وسبائك المعادن المختلفة متبوعة بالنقش الانتقائي للمعدن الأقل نبلا ، والترسيب الكهربائي هي بعض الطرق التي تستخدم بشكل متكرر لإدخال الهياكل النانوية في القطب. واحدة من أفضل الطرق لإنشاء هياكل مسامية هي إجراء إزالة السبائك. بسبب التباين في معدلات الذوبان ، يؤثر المعدن القرباني ، وهو المعدن الأقل نبلا ، بشكل كبير على التشكل النهائي للقطب الكهربائي. تنتج شبكة مترابطة من المسام والأربطة عن العملية الفعالة لإنشاء هياكل الذهب المسامية النانوية (NPG) ، حيث يذوب المكون الأقل نبلا بشكل انتقائي من سبيكة البداية ، وتعيد الذرات المتبقية تنظيم وتوحيد9.
تضمنت طريقة إزالة السبائك / الطلاء / إعادة إزالة السبائك التي استخدمها Ding و Erlebacher لصنع هذه الهياكل النانوية أولا إخضاع سبيكة السلائف المكونة من الذهب والفضة لإزالة السبائك الكيميائية باستخدام حمض النيتريك ، تليها التسخين عند درجة حرارة أعلى مع توزيع حجم مسام واحد لإنشاء المستوى الهرمي العلوي ، وإزالة الفضة المتبقية باستخدام صناعة السبائك الثانية لإنتاج المستوى الهرمي السفلي. كانت هذه الطريقة قابلة للتطبيق على الأغشية الرقيقة10. وقد نصح بينر وآخرون باستخدام السبائك الثلاثية ، التي تتكون من اثنين من المعادن النبيلة الأكثر تفاعلا نسبيا والتي تتآكل واحدة تلو الأخرى. تمت إزالة Cu و Ag في البداية من مادة Cu-Ag-Au ، تاركين وراءهما عينات NPG ثنائية النمط ومنخفضة الكثافة11. لا يتم إنتاج الهياكل المرتبة طويلة المدى من خلال الإجراءات الموضحة باستخدام السبائك الثلاثية. تم إنتاج مسام أكبر عن طريق استخراج إحدى مراحل السبيكة الرئيسية ل Al-Au التي استخدمها Zhang et al. ، والتي أنتجت الهيكل ثنائي النمط بدرجة دنيا من الترتيب12. وبحسب ما ورد تم إنشاء هيكل هرمي مرتب من خلال التحكم في العديد من مقاييس الطول ، من خلال استخدام مسارات المعالجة التي تشمل تفكيك المواد السائبة ووضع المكونات الأساسية معا في هياكل أكبر. في هذه الحالة ، تم إنشاء هيكل NPG هرمي عبر الكتابة بالحبر المباشر (DIW) ، والسبائك ، وإزالة السبائك13.
هنا ، يتم تقديم طريقة إزالة السبائك المكونة من خطوتين لتصنيع هيكل هرمي ثنائي النمط من الذهب النانوي المسامي (hb-NPG) يستخدم تركيبات سبائك Au-Ag المختلفة. كمية العنصر التفاعلي الذي يتوقف تحته إزالة السبائك هو ، من الناحية النظرية ، حد الفراق. تتأثر حركية الانتشار السطحي قليلا بحد الفراق أو عتبة إزالة السبائك ، والتي تتراوح عادة بين 50 و 60 نسبة ذرية للذوبان الإلكتروليتي للمكون الأكثر تفاعلا من سبيكة ثنائية. يعد الجزء الذري الكبير من Ag في سبيكة Au: Ag ضروريا للتوليف الناجح ل hb-NPG ، حيث لا يمكن إكمال كل من عمليات إزالة السبائك الكهروكيميائية والكيميائية بنجاح بتركيزات منخفضة بالقرب من حد الفراق14.
فائدة هذه الطريقة هي أنه يمكن التحكم بإحكام في الهيكل وحجم المسام. كل خطوة في البروتوكول ضرورية لضبط مقياس طول المسامية النموذجي والمسافة النموذجية بين الأربطة15. لتنظيم معدل الانتشار والذوبان البيني الأيوني ، يتم معايرة الجهد المطبق بعناية. لمنع التشقق أثناء إزالة السبائك ، يتم التحكم في معدل ذوبان Ag.
Protocol
Representative Results
Discussion
باستخدام إجراء متعدد الخطوات يتضمن صناعة السبائك ، وإزالة السبائك الجزئية ، والمعالجة الحرارية ، وحفر الأحماض ، يتم تصنيع NPG بشكل هرمي مع مسام مزدوجة الحجم ومساحة سطح كهروكيميائية نشطة أعلى.
في صناعة السبائك ، تؤثر الإمكانات القياسية للسلائف المعدنية على مدى تفاعلها أثناء…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل بجائزة من NIGMS (GM111835).
Materials
| Argon gas compressed | Fisher Scientific Compay | ||
| Bovine serum albumin (BSA) | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | A9418 | > 98% purity |
| Counter electrode (Platinum wire) | Alfa Aesar | 43288-BU | 0.5 mm diameter |
| Digital Lab furnace | Barnstead Thermolyne 47,900 | F47915 | used for annealing at high temperatures |
| Digital Potentiostat/galvanostat | EG&G Princeton Applied Research | 273A | PowerPULSE software |
| Ethanol | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | CAS-64-17-5 | HPLC/spectrophotometric grade |
| Fetuin from fetal calf serum | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | F2379 | lyophilized powder |
| Gold wire roll | Electron Microscopy Sciences (Fort Washington, PA) | 73100 | 0.2 mm diameter, 10 ft, 99.9% |
| Hydrochloric acid | Fisher Chemical | A144C-212 | 36.5-38% |
| Hydrogen peroxide | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) | CAS-7732-18-5 | 30% |
| Kimwipes | KIMTECH Science brand, Kimberly-Clark professional | 34120 | 4.4 x 8.2 in |
| Nitric acid | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) | A2008-212 | trace metal grade |
| Parafilm | Bemis PM996 | 13-374-10 | 4 IN. x 125 FT. |
| Peroxidase from horseradish (HRP) | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | 9003-99-0 | |
| PharMed silicone tubing | Norton | AY242606 | 1/32" Inner Diameter, 5/32" Outer Diameter, 1/16" Wall Thickness, 25' Length |
| Potassium dicyanoargentate | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | 379166 | 99.96%, 10 G |
| Potassium dicyanoaurate | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | 389867 | 99.98%, 1 G |
| PowerSuite software | EG&G Princeton Applied Research | comes with the instrument | |
| PTFE tape | Fisherbrand | 15-078-261 | 1" wide 600" long |
| Reference electrode (Ag/AgCl) | Princeton Applied Research | K0265 | |
| Scanning Electron Microscopy (SEM) Apreo 2C | ThermoFisher scientific | APREO 2 SEM | equipped with Color SEM technology |
| Simplicity UV system | Millipore corporation, Boston, MA, USA | SIMSV00WW | for generating Milli-Q water(18.2 MΩ cm at 25 °C) |
| Sodium Borohydride | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | 213462 | 100 G |
| Sodium Carbonate | Sigma-Aldrich (St.Louis, MO) | 452882 | enzyme grade, >99%, 100 G |
| Stir bar | Fisherbrand | 14-512-153 | 5 x 2 mm |
| Sulphuric acid | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) | A300C-212 | certified ACS plus |
| Supracil quartz cuvette | Fisher Scientific (Pittsburg, PA) | 14-385-902C | 10 mm light path, volume capacity 1 mL |
| UV-Visible Spectrophotometer | Varian Cary 50 |
Referenzen
- Fang, M., Dong, G., Wei, R., Ho, J. C. Hierarchical nanostructures: design for sustainable water splitting. Advanced Energy Materials. 7 (23), 1700559 (2017).
- 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).
- Yang, X. -. Y., et al. Hierarchically porous materials: synthesis strategies and structure design. Chemical Society Reviews. 46 (2), 481-558 (2017).
- Qi, Z., Weissmuller, J. Hierarchical nested-network nanostructure by dealloying. ACS Nano. 7 (7), 5948-5954 (2013).
- Sondhi, P., Stine, K. J. Methods to generate structurally hierarchical architectures in nanoporous coinage metals. Coatings. 11 (12), 1440-1456 (2021).
- 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).
- Bollella, P. Porous gold: A new frontier for enzyme-based electrodes. Nanomaterials. 10 (4), 722-740 (2020).
- Khan, R. K., Yadavalli, V. K., Collinson, M. M. Flexible nanoporous gold electrodes for electroanalysis in complex matrices. ChemElectroChem. 6 (17), 4660-4665 (2019).
- Sondhi, P., Stine, K. J. Electrodeposition of nanoporous gold thin films. in Nanofibers-Synthesis, Properties and Applications. , 1-21 (2020).
- 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).
- Biener, J., et al. Nanoporous plasmonic metamaterials. Advanced Materials. 20 (6), 1211-1217 (2008).
- 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).
- Zhu, C., et al. Toward digitally controlled catalyst architectures: Hierarchical nanoporous gold via 3D printing. Science Advances. 4 (8), (2018).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ciabatti, I. Gold part-ing with nitric acid in gold-silver alloys. Substantia. 3 (1), 53-60 (2019).
- 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).
