молекулна

  • Субекти
  • Обобщение
  • Въведение
  • Резултати
  • Дискусия
  • Методи
  • Приготвяне на наночастици Au с монослоеве от глутатионов слой
  • Производство на устройства за молекулярно разделяне и измервания за откриване.
  • Характеризиране
  • Теоретични изчисления
  • Допълнителна информация
  • PDF файлове
  • Допълнителна информация
  • Коментари

Субекти

Обобщение

Въведение

Тук представяме устройство с молекулна междина чрез въвеждане на глутатион монослойни функционализирани Au наночастици (GSH) в микро прекъснат електрод и приложението му за електрическо определяне на токсични йони на тежки метали. Въпреки че много други метални йони, като Zn 2+, Cd 2+, Pb 2+ и др., Биха могли да взаимодействат с крайната функционална група на GSH на карбоксилна киселина, установихме, че споменатото устройство за молекулна междина показва отлична специфичност спрямо Hg 2+. Границата на откриване (LOD) всъщност достига около 1 nM. Теоретичните изчисления разкриват, че неговите гранични молекулни орбитали на образувания глутатионов димер, обвързан от йони на тежки метали между наночастиците Au, са отговорни за електронния трансфер на споменатото устройство за молекулярно разделяне.

Резултати

а) Au NPs, покрити с глутатион монослой; (b) Au NP монослоеве с глутатионов слой, сглобени самостоятелно между микроелектроди (отгоре) и две глутатионни молекули, съединени от метални йони, комплексирани с карбоксилни групи между две Au NP (отдолу).

Изображение в пълен размер

Фигури 2а и b показват TEM изображения с голямо увеличение на голи Au NPs и PN, съответно. За голи Au NP, техните повърхности очевидно са гладки, без модификатори. След модификация GSH, външността на Au NPs е покрита с тънък слой, маркиран с червени пунктирани линии, което се приписва на няколко неспецифично адсорбирани GSH молекули на повърхността му в допълнение към свързването на GSH монослоя с Au NPs. По-специално дебелината е около 1

(а) TEM изображение с голямо увеличение на гол Au NP. (б) TEM изображение с голямо увеличение на Au NPs с GSH (). Ясно се вижда 1–2 nm GSH слой. (c) SEM изображение на два съседни междуцифрови Au микроелектрода със самосглобени PN, вложката съответства на оптичната снимка на произведеното устройство за молекулярно разделяне. (г) Уголемено SEM изображение на PN между междуцифровите Au микроелектроди.

Изображение в пълен размер

Преди експериментите за откриване на йони на тежки метали първо бяха изследвани електрическите характеристики на произведените устройства за молекулярно разделяне (допълнителна фигура S2). По отношение на устройството, сглобено с Au NPs без никаква модификация, се наблюдава добра линейност в крива IV (Допълнителна фигура S2a). Очевидно той все още показва добри проводими свойства (токът е на ниво mA), което е добре според предишните доклади 4. Проводимостта на PN-сглобеното устройство обаче намалява драстично (токът е на ниво nA), което може да предполага молекулярна междина (допълнителна фигура S2c). Този резултат може да се отдаде на двойни молекулярни слоеве на GSH, блокиращи електронния транспорт между Au NP. За голи Au NP, този "блоков ефект" не съществува. Съпротивлението му възниква главно от ударен контакт на Au NPs със съседните наночастици. Схемата на техния електронен транспорт може да се види съответно на фиг. S2b и d. Следователно, горната електрическа характеристика косвено демонстрира образуването на GSH молекулен слой на повърхността на Au NPs.

(a - b) IV криви за устройства за молекулярно разделяне преди и след излагане на Zn 2+ (1 mM) и Hg 2+ (1 mM), съответно. Проводимостта е практически непроменена след потапяне в 1 mM разтвор на Zn 2+ и води до значителна промяна в разтвор от 1 mM Hg 2+. (в) Крива на откриване в реално време при различни концентрации на Hg 2+ за устройството за молекулярно разделяне при напрежение на поляризация от 0,1 V. (d) Специфичност на произведеното устройство за молекулярно разделяне. Концентрацията на всички изследвани метални йони е 1 mM; R b и Ra са съответно съпротивлението на устройството преди и след гмуркането.

Изображение в пълен размер

(а) HOMO и LUMO енергийна празнина на GSH димер и GSH димерни комплекси, свързани от Zn 2+, Cd 2+, Hg 2+ и Pb 2+. (б) HOMO и LUMO. Случаят преди улавяне на катиони (маркиран с GSH-GSH) беше включен за сравнение.

Изображение в пълен размер

(а) Условието на плоската лента, където E f е енергията на Ферми на Au NP по отношение на нивата HOMO-LUMO на комплекса; Е а е енергията на някакво ниво над нивото на Ферми, при което се осъществява термично подпомогнат тунел. (b - c) Случаите за варират от катиони с напрежение, приложено през кръстовището. Панели а и б показват, че превозът на товари може да бъде възпрепятстван.

Изображение в пълен размер

Дискусия

В заключение е демонстрирано устройство с молекулна междина чрез сглобяване с PN между междуцифрови микроелектроди. Въз основа на специалната структура на GSH, произведеното наноустройство показва специфичен отговор към Hg 2+. Най-ниската откриваема концентрация, която действително е измерена, е 1 nM. Теоретичните изчисления разкриват, че проводимостта между наночастиците Au, изолирани от GSH, не корелира със заряда на металните йони и изчислената енергия на свързване на комплексообразуването на катиони от PNs. Той до голяма степен зависи от енергийната разлика между LUMO и HOMO за комплекса, който се формира чрез свързваща връзка между метални йони и карбоксилни групи на две GSH. Очаква се тази находка да маркира нов маршрут за разработване на бъдещи екологични сензори със специфичност на откриване. С допълнителни усилия би трябвало да е възможно да се разшири приложимостта на настоящите устройства с молекулна междина към други системи за откриване, чиито свойства са получени от специфично молекулярно разпознаване върху твърди повърхности на NP.

Методи

Приготвяне на наночастици Au с монослоеве от глутатионов слой

Au наночастиците са синтезирани по метода на Fren 41. Накратко, разтворът на сместа от 99 ml H2O и 1 ml HAuCl4 (1%) е еднороден при разбъркване, след което се загрява до кипене. Впоследствие веднага се добавят 6 ml тринатриев цитрат (1%). След 30 минути под кипене и естествено охлаждане до стайна температура се получава разтворът, съдържащ наночастици Au. За функционализиране на наночастиците Au, глутатион (0,025 тМ) се добавя към горния разтвор с разбъркване в продължение на 1 час и впоследствие се обездвижва за 24 часа без смущения. След това наночастиците Au се покриват с глутатион монослой.

Производство на устройства за молекулярно разделяне и измервания за откриване.

За да се изработи устройството за молекулярно пространство, GSH монослойните наночастици Au се сглобяват самостоятелно върху междуцифровите Au микроелектроди на разстояние 2,5 μm, което е конструирано с помощта на електронно-лъчева литография върху пластинка Si с покритие 1 μm SiO 2) С пълно изпаряване на разтворителите, GSH монослоят функционализира Au наночастици, опаковани заедно, образувайки тънкослоен филм. Поради хидрофилността на откритите карбоксилни групи в наночастиците Au, тънкият филм, както е произведен, не е стабилен. За да се избегне повторно разтваряне след излагане на разтворителя, филмът се укрепва чрез омрежване на наночастиците Au с PEG дитиол. Впоследствие филмът се промива с излишък от етанол и вода, суши се под поток от N2. След това, за да се осигури стабилността на произведеното устройство по време на работния процес, то беше фиксирано върху малка платка за компютър и запечатано с лепило AB, което е изложено на работната зона.

Измервател на пик/напрежение на Keithley 6487 беше използван, за да служи като източник на напрежение и токов четец. Впоследствие изработените устройства бяха потопени в разтвори на метални йони с концентрации в границите от 1 nM до 1 mM. Експериментът за откриване на живак се извършва чрез разреждане на Hg 2+ (Hg (NO 3) 2 Sigma Aldrich). В действителност, фракцията на йони Hg 2+ по отношение на останалите компоненти (Hg (NO 3) 2, (HgNO 3) + и техните хидролитични видове) във воден разтвор варира в зависимост от йонизационния баланс 47, който беше пренебрегнат в този случай. Подобен процес също е използван за приготвяне на разтвора на други метални йони. След потапяне устройствата се измиват с количества вода за отстраняване на излишната сол и след това се изсушават напълно под поток от азот. Всички последващи електрически измервания и характеристики на откриване бяха извършени в затворена стъклена камера при стайна температура под сух въздух.

Характеризиране

Сканираща електронна микроскопия SEM изображенията са направени от FEI Quanta 200 FEG сканиращ електронен микроскоп на полеви емисии. Анализите на изображенията на TEM и HRTEM бяха извършени на микроскоп JEM-2010. Инфрачервените (IR) спектри бяха получени със спектрометър Nicolet Nexus-670 FT-IR. Анализи на рентгенова фотоелектронна спектроскопия (XPS) на пробите бяха извършени на VG ESCALAB MKII спектрометър, използвайки рентгенов източник Mg Kα (1253.6 eV, 120 W) на постоянен анализатор. Енергийната скала беше вътрешно калибрирана, като се отнесе към енергията на свързване (Eb) на пика C1s при 284.60 eV за замърсен въглерод. Освен това, UV-видимият спектър на абсорбция също се измерва с UNIC UV-4802 спектрометър.

Теоретични изчисления