пристрій

  • Предмети
  • Резюме
  • Вступ
  • Результати
  • Обговорення
  • Методи
  • Отримання наночастинок Au з моношарами шару глутатіону
  • Виробництво пристроїв молекулярного поділу та вимірювання виявлення.
  • Характеристика
  • Теоретичні розрахунки
  • Додаткова інформація
  • Файли PDF
  • Додаткова інформація
  • Коментарі

Предмети

Резюме

Вступ

Тут ми представляємо пристрій молекулярної щілини шляхом введення функціоналізованих наночастинок Au (GSH) глутатіону в мікроперерваний електрод та його застосування для електричного визначення токсичних іонів важких металів. Хоча багато інших іонів металів, такі як Zn 2+, Cd 2+, Pb 2+ тощо, можуть взаємодіяти з кінцевою функціональною групою GSH карбонової кислоти, ми виявили, що зазначений пристрій молекулярної щілини демонструє чудову специфічність щодо Hg 2+. Межа виявлення (LOD) насправді досягає приблизно 1 нМ. Теоретичні розрахунки показують, що його межові молекулярні орбіталі утвореного димеру глутатіону, пов'язаного іонами важких металів між наночастинками Au, відповідають за перенесення електронів із зазначеного пристрою молекулярного поділу.

Результати

(a) Au NP, покриті моношаром глутатіону; (b) Моношари Au NP із шаром глутатіону, який самостійно зібраний між мікроелектродами (зверху) та двома молекулами глутатіону, пов’язаними іонами металів, укомплектованими карбоновими групами, між двома Au NP (знизу).

Повнорозмірне зображення

На малюнках 2a та b показано ТЕМ-зображення з великим збільшенням оголених Au NPs та PN відповідно. Для оголених Au NP, їх поверхні очевидно гладкі без модифікаторів. Після модифікації GSH зовні Au НЧ покритий тонким шаром, позначеним червоними пунктирними лініями, що пояснюється кількома неспецифічно адсорбованими молекулами GSH на його поверхні на додаток до зв'язування моношару GSH з Au NP. Зокрема, товщина становить приблизно 1

(а) ТЕМ-зображення великого збільшення оголеного Au NP. (b) TEM-зображення із великим збільшенням Au NP з GSH (). 1–2 нм шар GSH добре видно. (c) СЕМ-зображення двох сусідніх міжпальцевих мікроелектродів Au із самозбірним ПН, вставка відповідає фотооптичному випромінюваному пристрою молекулярного розділення. (d) Збільшене SEM зображення PN між міжпальцевими мікроелектродами Au.

Повнорозмірне зображення

До експериментів з виявлення іонів важких металів спочатку були досліджені електричні характеристики виготовлених пристроїв молекулярного поділу (додаткова фігура S2). Що стосується пристрою, зібраного з Au NP, без будь-яких модифікацій, хороша лінійність спостерігається на кривій IV (додаткове зображення S2a). Очевидно, що він все ще демонструє хороші провідні властивості (струм знаходиться на рівні мА), що є прекрасним згідно з попередніми звітами 4. Однак провідність пристрою, зібраного з ПН, різко зменшується (струм знаходиться на рівні nA), що може передбачати молекулярний зазор (Додаткова фігура S2c). Цей результат можна віднести до подвійних молекулярних шарів GSH, що блокують транспорт електронів між Au NP. Для оголених НЧ Au цей "ефект блоку" не існує. Його опір виникає головним чином від удару контакту Au NP з сусідніми наночастинками. Схему їх електронного транспорту можна побачити на рис. S2b та d, відповідно. Отже, зазначена вище електрична характеристика побічно демонструє утворення молекулярного шару GSH на поверхні Au NP.

(a - b) Криві IV для пристроїв молекулярного поділу до та після впливу Zn 2+ (1 мМ) та Hg 2+ (1 мМ), відповідно. Провідність практично не змінюється після занурення в 1 мМ розчин Zn 2+ і призводить до помітних змін у розчині 1 мМ Hg 2+. (c) Крива виявлення в реальному часі при різних концентраціях Hg 2+ для пристрою молекулярного поділу при напрузі поляризації 0,1 В. (d) Специфічність виготовленого пристрою молекулярного розділення. Концентрація всіх досліджуваних іонів металів становить 1 мМ; R b і R a - опір пристрою до та після занурення, відповідно.

Повнорозмірне зображення

(а) HOMO та LUMO енергетичний розрив димеру GSH та димерів GSH, пов'язаних Zn 2+, Cd 2+, Hg 2+ та Pb 2+. (b) HOMO та LUMO. Випадок перед захопленням катіону (позначений GSH-GSH) був включений для порівняння.

Повнорозмірне зображення

(а) умова плоскої смуги, де E f - енергія Фермі NP NP Au щодо рівнів HOMO-LUMO комплексу; E a - енергія на якомусь рівні вище рівня Фермі, на якому відбувається термічно допоміжне тунелювання. (b - c) Випадки для відхиляються від катіонів із напругою, прикладеною до переходу. Панелі a і b показують, що перевезення вантажів може бути обмежено.

Повнорозмірне зображення

Обговорення

На закінчення було продемонстровано пристрій молекулярної щілини шляхом складання з PN між міжпальцевими мікроелектродами. Виходячи зі спеціальної структури GSH, виготовлений нанопристрій демонструє специфічну реакцію на Hg 2+. Найнижча фактично виміряна концентрація становить 1 нМ. Теоретичні розрахунки показують, що провідність між наночастинками Au, виділеними GSH, не корелює з зарядом іонів металу та розрахунковою енергією зв’язку комплексоутворення катіонів PNs. Це сильно залежить від енергетичного зазору між LUMO та HOMO для комплексу, який утворюється через мостиковий зв’язок між іонами металів та карбоновими групами двох GSH. Очікується, що ця знахідка ознаменує новий шлях розробки майбутніх датчиків довкілля зі специфічністю виявлення. Додавши додаткових зусиль, має бути можливо поширити придатність сучасних пристроїв молекулярної щілини на інші системи виявлення, властивості яких походять від специфічного молекулярного розпізнавання на твердотільних поверхнях NP.

Методи

Отримання наночастинок Au з моношарами шару глутатіону

Наночастинки Au синтезували за методом Fren 41. Коротко кажучи, розчин суміші 99 мл H2O та 1 мл HAuCl4 (1%) однорідний при перемішуванні, потім нагрівається до кипіння. Згодом негайно додали 6 мл тринатрію цитрату (1%). Через 30 хвилин зі зворотним холодильником і природним охолодженням до кімнатної температури отримували розчин, що містить наночастинки Au. Для функціоналізації наночастинок Au до зазначеного розчину додавали глутатіон (0,025 мМ) при перемішуванні протягом 1 години і згодом знерухомлювали протягом 24 годин без порушення. Потім наночастинки Au покриваються моношаром глутатіону.

Виробництво пристроїв молекулярного поділу та вимірювання виявлення.

Для виготовлення молекулярно-космічного пристрою наночастинки Au моношару GSH збиралися самостійно на міжпальцевих мікроелектродах Au, розташованих на відстані 2,5 мкм, який був побудований за допомогою електронно-променевої літографії на пластині Si з покриттям 1 мкм SiO 2) При повному випаровуванні розчинників, моношар GSH функціоналізував наночастинки Au, упаковані разом, утворюючи тонкошарову плівку. Через гідрофільність відкритих карбонових груп у наночастинках Au тонка плівка у процесі її виробництва не є стабільною. Щоб запобігти повторному розчиненню після впливу розчинника, плівку зміцнювали, зшиваючи наночастинки Au з дитиолом ПЕГ. Згодом плівку промивали надлишком етанолу та води, сушили під струменем N2. Потім, щоб забезпечити стабільність виготовленого пристрою під час робочого процесу, його закріпили на невеликій платі ПК і заклеїли клеєм АВ, який оголюється з робочою зоною.

Вимірювач піку/напруги Keithley 6487 використовувався як джерело напруги та зчитувач струму. Згодом виготовлені пристрої занурювали в розчини іонів металів з концентраціями від 1 нМ до 1 мМ. Експеримент з виявлення ртуті проводили шляхом розведення Hg 2+ (Hg (NO 3) 2 Sigma Aldrich). Насправді частка іонів Hg 2+ по відношенню до інших компонентів (Hg (NO 3) 2, (HgNO 3) + та їх гідролітичних видів) у водному розчині коливається залежно від іонізаційного балансу 47, яким у цьому випадку нехтували . Подібний процес також застосовували для приготування розчину іонів інших металів. Після занурення пристрої промивали кількістю води для видалення надлишку солі, а потім повністю сушили під потоком азоту. Усі подальші електричні вимірювання та характеристики виявлення проводили в закритій скляній камері при кімнатній температурі під сухим повітрям.

Характеристика

Скануюча електронна мікроскопія Зображення SEM були зроблені скануючим електронним мікроскопом FEI Quanta 200 FEG. Аналіз зображень TEM та HRTEM проводили на мікроскопі JEM-2010. Інфрачервоні (ІЧ) спектри отримували за допомогою спектрометра FOT-IR Nicolet Nexus-670. Аналізи рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (XPS) проводили на спектрометрі VG ESCALAB MKII з використанням джерела рентгенівського випромінювання Mg Kα (1253,6 еВ, 120 Вт) на постійному аналізаторі. Шкала енергії була відкалібрована внутрішньо, посилаючись на енергію зв’язку (E b) піку C 1s при 284,60 еВ для забрудненого вуглецю. Крім того, спектр поглинання, видимий ультрафіолетом, також вимірювали за допомогою спектрометра UNIC UV-4802.

Теоретичні розрахунки