एकल नैनोकणों के विश्लेषण के लिए एक बंद प्रकार का बेतार नैनोपोर इलेक्ट्रोड
Summary
यहां, हम एक बंद प्रकार के निर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल वर्तमान वायरलेस नैनोपोर इलेक्ट्रोड और बाद में एकल नैनोलेख collisions के विद्युत रासायनिक माप ।
Abstract
नैनोइलेक्ट्रोकैमिस्ट्री द्वारा एकल नैनोकणों की आंतरिक विशेषताओं को मापने से गहरे मौलिक महत्त्व का आकलन होता है और नैनोसाइंस में संभावित प्रभाव पड़ता है । हालांकि, इलेक्ट्रोकेमिकल एकल नैनोकणों का विश्लेषण चुनौतीपूर्ण है, के रूप में संवेदन नैनोकणों बेकाबू है । इस चुनौती का पता करने के लिए, हम यहां का निर्माण और एक बंद-प्रकार के लक्षण वर्णन वायरलेस ट्विटर इलेक्ट्रोड (wne) है कि एक उच्च नियंत्रणीय आकारिकी और बकाया reproducibility दर्शाती का विवरण । wne के सतही निर्माण एक सामांय रसायन प्रयोगशाला में एक साफ कमरे और महंगे उपकरणों के उपयोग के बिना अच्छी तरह से परिभाषित nanoइलेक्ट्रोड की तैयारी में सक्षम बनाता है । एक 30 एनएम बंद का एक आवेदन-मिश्रण में एक सोने नैनोकणों के विश्लेषण में प्रकार wne भी प्रकाश डाला गया है, जो ०.६ फिलीस्तीनी अथॉरिटी और ०.०१ एमएस के उच्च लौकिक संकल्प के एक उच्च वर्तमान संकल्प से पता चलता है उनके उत्कृष्ट आकारिकी और छोटे के साथ व्यास, बंद प्रकार WNEs के अधिक संभावित अनुप्रयोगों नैनोलेख लक्षण वर्णन से एकल अणु/आयन का पता लगाने और एकल सेल जांच करने के लिए विस्तारित किया जा सकता है ।
Introduction
नैनोकणों अपने उत्प्रेरक की क्षमता, विशेष रूप से ऑप्टिकल सुविधाओं, इलेक्ट्रोसक्रियता, और उच्च सतह से मात्रा अनुपात1,2,3, के रूप में विविध सुविधाओं के कारण जबरदस्त ध्यान आकर्षित किया है 4. एकल नैनोकणों के विद्युत रासायनिक विश्लेषण नैनोस्केल स्तर पर आंतरिक रासायनिक और विद्युत रासायनिक प्रक्रियाओं को समझने के लिए एक प्रत्यक्ष विधि है । एकल नैनोकणों के अत्यधिक संवेदनशील माप को प्राप्त करने के लिए, दो विद्युत रासायनिक दृष्टिकोण पहले से बाहर वर्तमान प्रतिक्रियाएं5,6,7से nanoparticles जानकारी पढ़ने के लिए लागू किया गया है । इन तरीकों में से एक को immobilizing या नैनोइलेक्ट्रोड के इंटरफेस पर एक व्यक्ति nanoparticle पर कब्जा करने के लिए electrocatalysis8,9के अध्ययन के लिए शामिल है । अंय रणनीति एक इलेक्ट्रोड, जो गतिशील रेडॉक्स प्रक्रिया से एक क्षणिक वर्तमान अस्थिरता उत्पंन की सतह के साथ एकल nanoparticle टकराव से प्रेरित है ।
इन विधियों के दोनों एक नेनो ultrasensitive संवेदन अंतरफलक है कि एकल नैनोकणों के व्यास से मेल खाता है की आवश्यकता है । हालांकि, nanoइलेक्ट्रोड के पारंपरिक निर्माण मुख्य रूप से सूक्ष्म विद्युत प्रणालियों (MEMS) या लेजर खींच तकनीक है, जो थकाऊ और unअनुशासनयोग्य10,11,12, शामिल किया गया है 13. उदाहरण के लिए, nanoइलेक्ट्रोड के MEMS आधारित निर्माण महंगा है और एक साफ कमरे के उपयोग की आवश्यकता है, बड़े पैमाने पर उत्पादन और nanoइलेक्ट्रोड के लोकप्रिय सीमित. दूसरी ओर, nanoइलेक्ट्रोड के लेजर पुलिंग निर्माण सील और केशिका के अंदर एक धातु तार की खींच के दौरान ऑपरेटरों के अनुभव पर काफी निर्भर करता है । यदि धातु तार अच्छी तरह से केशिका में बंद नहीं है, नैनोपिपेटाइट और तार की भीतरी दीवार के बीच अंतर नाटकीय रूप से अतिरिक्त पृष्ठभूमि वर्तमान शोर परिचय कर सकते है और electroactive संवेदन क्षेत्र में इजाफा । ये कमियां काफी हद तक नैनोइलैक्ट्रोड की संवेदनशीलता को कम करते हैं । दूसरी ओर, एक अंतराल के अस्तित्व इलेक्ट्रोड क्षेत्र विस्तार और नैनोइलेक्ट्रोड की संवेदनशीलता को कम कर सकते हैं. एक परिणाम के रूप में, यह एक निर्माण प्रक्रिया14,15में बेकाबू इलेक्ट्रोड morphologies के कारण एक reproducible प्रदर्शन की गारंटी मुश्किल है । इसलिए, नैनोइलेक्ट्रोड्स की एक सामान्य निर्माण विधि उत्कृष्ट पुनरुद्ग्रहणशीलता के साथ एक नैनोकणों की आंतरिक विशेषताओं के इलेक्ट्रोकेमिकल अन्वेषण की सुविधा के लिए तत्काल आवश्यक है ।
हाल ही में, नैनोपोर तकनीक एकल अणु विश्लेषण के लिए एक सुरुचिपूर्ण और लेबल मुक्त दृष्टिकोण के रूप में विकसित किया गया है16,17,18,19,20. अपने नियंत्रणीय निर्माण के कारण, नैनोपिपेटे एक वर्दी व्यास के साथ एक लेजर केशिका डांड़ी द्वारा 30-200 एनएम से लेकर21,22,23,24 . इसके अलावा, यह सरल और पुनर्प्राप्य निर्माण प्रक्रिया नैनोपिपेटाइट का सामान्यीकरण सुनिश्चित करता है । हाल ही में, हम एक वायरलेस नैनोपोर इलेक्ट्रोड (WNE), जो नैनोपिपेटाइट के अंदर एक धातु के तार की सीलिंग की आवश्यकता नहीं है का प्रस्ताव रखा । एक नया और पुनरुद्धारक निर्माण प्रक्रिया के माध्यम से, wne नैनो के भीतर एक नैनोस्केल धातु जमाव के पास एक इलेक्ट्रोएक्टिव इंटरफेस बनाने के लिए25,26,27,28 . चूंकि WNE एक अच्छी तरह से परिभाषित संरचना और अपने confinements की एक समान आकृति विज्ञान के पास है, यह उच्च कालिक संकल्प के रूप में के रूप में अच्छी तरह से कम प्रतिरोध-समाई (आर सी) समय के लिए निरंतर के रूप में के रूप में अधिक वर्तमान संकल्प प्राप्त करता है । हम पहले WNEs के दो प्रकार की सूचना, खुले प्रकार और बंद प्रकार, एक इकाई विश्लेषण को साकार करने के लिए । खुले प्रकार WNE एक नैनोपिपेट, जो आयनिक वर्तमान प्रतिक्रिया26करने के लिए एक एकल इकाई के faradic वर्तमान धर्मांतरित की भीतरी दीवार पर जमा एक नैनोमेटल परत कार्यरत हैं । आमतौर पर, एक खुले प्रकार WNE के व्यास के आसपास १०० एनएम है । आगे WNE के व्यास को कम करने के लिए, हम बंद प्रकार WNE, जिसमें एक ठोस धातु नैनोटिप पूरी तरह से एक रासायनिक विद्युत दृष्टिकोण के माध्यम से nanopipette टिप पर कब्जा प्रस्तुत किया । इस विधि तेजी से एक नैनोपोर कारावास के अंदर एक 30 एनएम गोल्ड नैनोटिप उत्पंन कर सकते हैं । एक बंद प्रकार WNE के टिप क्षेत्र में अच्छी तरह से परिभाषित अंतरफलक एक उच्च संकेत करने वाली एकल नैनोकणों की विद्युत माप के लिए शोर अनुपात सुनिश्चित करता है । के रूप में एक आरोप लगाया सोने nanoparticle बंद प्रकार wne, एक ultrafast टिप इंटरफ़ेस पर चार्ज निर्वहन प्रक्रिया के साथ टकरा ईओण वर्तमान ट्रेस में एक capacitive प्रतिक्रिया प्रतिक्रिया (cfr) लाती है । 29के अंदर धातु के तार के साथ एक नैनोइलेक्ट्रोड के माध्यम से पिछले एक nanoparticle टकराव अध्ययन की तुलना में, बंद प्रकार wne ०.६ pa ± ०.१ पीए (RMS) और ०.०१ ms के उच्च लौकिक संकल्प के एक उच्च वर्तमान संकल्प दिखाया ।
इसके साथ ही, हम एक बंद प्रकार WNE कि अत्यधिक नियंत्रित आयामों और बकाया reproducibility है के लिए एक विस्तृत निर्माण प्रक्रिया का वर्णन । इस प्रोटोकॉल में, aucl4के बीच एक सरल प्रतिक्रिया– और BH4– एक सोने की nanotip है कि पूरी तरह से एक नैनोपिपेटाइट के छिद्र ब्लॉक बनाया गया है । फिर, द्विध्रुवी इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री एक गोल्ड नैनोटिप के निरंतर विकास के लिए अपनाई जाती है जो नैनोपिपेटाइट के अंदर कई माइक्रोमीटर की लंबाई तक पहुंचती है । यह सरल प्रक्रिया इस नैनोइलेक्ट्रोड निर्माण, जो एक साफ कमरे और महंगे उपकरणों के बिना किसी भी सामान्य रसायन प्रयोगशाला में किया जा सकता है के कार्यांवयन के लिए सक्षम बनाता है । आकार, आकृति विज्ञान, और एक बंद प्रकार WNE की भीतरी संरचना का निर्धारण करने के लिए, इस प्रोटोकॉल एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) और प्रतिदीप्ति स्पेक्ट्रोस्कोपी के उपयोग के साथ एक विस्तृत लक्षण वर्णन प्रक्रिया प्रदान करता है । एक ताजा उदाहरण है, जो सीधे सोने नैनोकणों (aunps) के आंतरिक और गतिशील बातचीत एक बंद प्रकार wne के नैनोकणों की ओर टकराने उपायों पर प्रकाश डाला है । हम मानते है कि बंद प्रकार WNE रहने वाले कोशिकाओं, नैनो, और एकल निकाय के स्तर पर सेंसर के भविष्य के इलेक्ट्रोकेमिकल अध्ययन के लिए एक नया रास्ता प्रशस्त हो सकता है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
एक अच्छी तरह से परिभाषित नैनोपिपेटाइट के निर्माण बंद प्रकार WNE निर्माण प्रक्रिया में पहला कदम है । केशिका के केंद्र पर एक सह2 लेजर ध्यान केंद्रित करके, एक केशिका नेनो शंकु सुझावों के साथ दो सममित नै?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध को राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन ऑफ चाइना (61871183, 21834001), शंघाई नगर शिक्षा आयोग के नवाचार कार्यक्रम (2017-01-07-00-02-E00023), शंघाई नगर शिक्षा से “चेन गुआंग” परियोजना का समर्थन प्राप्त था आयोग और शंघाई शिक्षा विकास फाउंडेशन (17CG27) ।
Materials
| Acetone | Sigma-Aldrich | 650501 | Highly flammable and volatile |
| Analytical balance | Mettler Toledo | ME104E | |
| Axopatch 200B amplifier | Molecular Devices | ||
| Blu-Tack reusable adhesive | Bostik | ||
| Centrifuge tube | Corning Inc. | Centrifuge Tubes with CentriStar Cap, 15 ml | |
| Chloroauric acid | Energy Chemical | E0601760010 | HAuCl4 |
| Clampfit 10.4 software | Molecular Devices | ||
| Digidata 1550A digitizer | Molecular Devices | ||
| DS Fi1c true-color CCD camera | Nikon | ||
| Ecoflex 5 Addtion cure silicone rubber | Smooth-On | 17050377 | |
| Eppendorf Reference 2 pipettes | Eppendorf | 492000904 | 10, 100 and 1000 µL |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 24102 | Highly flammable and volatile |
| Faraday cage | Copper | ||
| iXon 888 EMCCD | Andor | ||
| Microcentrifuge tubes | Axygen Scientific | 0.6, 1.5 and 2.0 mL | |
| Microloader | Eppendorf | 5242 956.003 | 20 µL |
| Microscope Cover Glass | Fisher Scientific | LOT 16938 | 20 mm*60 mm-1 mm thick |
| Milli-Q water purifier | Millipore | SIMS00000 | Denton Electron Beam Evaporator |
| P-2000 laser puller | Sutter Instrument | ||
| Pipette tips | Axygen Scientific | 10, 200 and 1,000 µL | |
| Potassium chloride,+D25+A2:F2+A2:F25 | Sigma Aldrich | P9333-500G | KCl |
| Quartz pipettes | Sutter | QF100-50-7.5 | O.D.:1.0 mm, I.D.:0.5 mm, 75 mm length |
| Refrigerator | Siemens | ||
| Silicone thinner | Smooth-On | 1506330 | |
| Silver wire | Alfa Aesar | 11466 | |
| Sodium borohydride, | Tianlian Chem. Tech. | 71320 | NaBH4 |
| Ti-U inverted dark-field microscope | Nikon |
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