단일 나노 입자 분석에 대 한 폐쇄-타입 무선 Nanopore 전극

Summary

여기, 선물이 폐쇄 형 무선 nanopore 전극의 제조 및 단일 나노 입자 충돌의 후속 전기 측정에 대 한 프로토콜.

Abstract

단일 나노 입자의 본질적인 기능을 측정 하는 nanoelectrochemistry에 의해 깊은 근본적인 중요성을 보유 하 고 nanoscience에 잠재적인 영향을 하고있다. 그러나, 단일 나노 입자를 화학적 분석은 도전, 감지 nanointerface 제어 되지 않습니다. 이 문제를 해결 하기 위해 우리가 설명 여기 제조 및 높은 제어 형태와 뛰어난 재현성을 전시 하는 폐쇄-타입 무선 nanopore 전극 (WNE)의 특성. WNE의 손쉬운 제조 클린 룸 및 고가의 장비를 사용 하지 않고 일반 화학 실험실에서 잘 정의 된 nanoelectrodes의 준비를 수 있습니다. 30의 한 응용 0.6 pA의 현재 고해상도 우수한 형태 및 작은 0.01 양 동행의 높은 시간 해상도 보여주는 nm 폐쇄 유형 WNE 혼합물에서 단일 금 나노 입자의 분석에 또한 강조 표시 직경, 폐쇄-타입 WNEs의 더 많은 잠재적인 응용 프로그램은 단일 분자/이온 검출 및 단일 셀 프로 빙을 나노 특성에서 확장할 수 있습니다.

Introduction

나노 입자 그들의 촉매 능력, 특정 광학 기능, electroactivity, 및 높은 표면 볼륨 비율^1,2,3, 등 다양 한 기능으로 인해 엄청난 관심을 받고 있다 ⁴. 단일 나노 입자의 전기 화학 분석은 나노 수준에서 본질적인 화학 및 전기 화학 프로세스를 이해 하기 위한 직접적인 방법. 단일 나노 입자의 매우 중요 한 측정을 달성 하기 위해 두 가지 전기 화학 방법 이전 현재 응답^5,,67에서 나노 정보를 읽을 수 적용 되었습니다 했습니다. 이러한 방법 중 하나는 immobilizing 또는 electrocatalysis^8,9의 연구에 대 한 nanoelectrode의 인터페이스에 개별 나노 입자를 캡처 작업이 포함 됩니다. 다른 전략은 과도 전류 변동 동적 산화 과정에서 생성 된 전극의 표면와 단일 나노 입자 충돌에 의해 구동 됩니다.

이러한 메서드의 모두 단일 나노 입자의 직경 일치 하 나노 磁 감지 인터페이스가 필요 합니다. 그러나, nanoelectrodes의 전통적인 제조 주로 통합 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS) 또는 당기는 지루하고 undisciplinable^{10,,1112, 기술, 레이저 13}. 예를 들어 nanoelectrodes의 MEMS 기반 제작 소모 되며 대규모 생산 및 nanoelectrodes의 대중화를 제한 하는 클린 룸의 사용 해야 합니다. 다른 한편으로, nanoelectrodes의 제조를 당겨 레이저 씰링 동안 모 세관 내부 금속 와이어의 연산자의 경험에 크게 의존 합니다. 금속 와이어는 모 세관에서 잘 밀봉 하지 않으면는 nanopipette의 내부 벽과 와이어 사이 간격 및 수 있습니다 극적으로 초과 전류 잡음을 소개 electroactive 감지 영역을 확대. 이러한 단점이 크게는 nanoelectrode의 감도 감소. 다른 한편으로, 간격의 존재는 전극 영역을 확대 하 고는 nanoelectrode의 감도 줄일 수 있습니다. 결과적으로, 각 제조 과정^14,15통제 전극 형태학으로 재현 성능을 보장 하기 어렵다. 따라서, 우수한 재현성 nanoelectrodes의 일반적인 제조 방법 단일 나노 입자의 본질적인 기능 전기 탐사를 촉진 하기 위하여 긴급 하 게 필요 합니다.

최근, nanopore 기술은 단일 분자 분석^{16,17,,1819,20}대는 세련 되 고 레이블 없는 접근 방식으로 개발 되었습니다. 그것의 제어 제조 때문는 nanopipette는 레이저 모 세관 끌어당기는^{21,,2223,24 30-200 nm에서까지 균일 한 직경을 가진 나노 스케일 감 제공} . 또한,이 간단 하 고 재현할 수 제작 절차는 nanopipette의 일반화를 보장합니다. 최근에, 우리는 nanopipette 내부 금속 와이어의 씰링을 요구 하지 않는 무선 nanopore 전극 (WNE) 제안 했다. 손쉬운 고 재현할 수 제작 과정을 통해는 WNE 소유 프로그램 electroactive 인터페이스^{25,,2627,28 nanopipette 내에서 나노 금속 증 착} . 이후는 WNE 잘 정의 된 구조와 그것의 진출의의 균일 한 형태를가지고, 그것은 높은 시간 해상도 수행 하기 위한 낮은 저항 커패시턴스 (RC) 시간 상수 뿐 아니라 현재 고해상도 달성 한다. 우리는 이전 WNEs, 오픈 형 및 폐쇄 유형, 단일 엔터티 분석을 실현 하기 위한 두 가지 유형의 보고. 오픈 형 WNE 이오니아 현재 응답²⁶에 단일 엔터티의 유도 전류를 변환 하는 nanopipette의 내부 벽에 nanometal 레이어를 사용 합니다. 일반적으로, 오픈 형 WNE의 직경은 약 100 nm. 더 WNE의 직경 감소, 우리는 단단한 금속 nanotip 완전히 화학 전기 방식을 통해 nanopipette 팁 차지 폐쇄-타입 WNE 제시. 이 방법은 빠르게 nanopore 감 금 안에 30 nm 금 nanotip를 생성할 수 있습니다. 폐쇄-타입 WNE 팁 영역에서 잘 정의 된 인터페이스는 단일 나노 입자의 전기 측정에 대 한 높은 신호 대 잡음 비율을 보장합니다. 충전된 금 나노 폐쇄 유형 WNE 충돌로 팁 인터페이스에서 초고속 충전-방전 과정 이오니아 현재 추적에 용량 성 피드백 응답 (CFR)를 유도 한다. 이전 단일 나노 입자 충돌 연구 통해 금속 nanoelectrode²⁹내부 와이어에 비해, 폐쇄-타입 WNE 0.6 pA ± 0.1 pA (RMS)의 더 높은 현재 해상도 0.01 ms의 높은 시간 해상도 보여주었다.

여기, 우리 차원과 뛰어난 재현성 높은 제어는 폐쇄 유형 WNE에 대 한 자세한 제작 절차를 설명 합니다. 이 프로토콜, 간단한 반응 AuCl₄^– BH₄사이^– 는 nanopipette의 구멍을 완전히 차단 하는 골드 nanotip를 생성 하도록 설계 되었습니다. 다음, 양극 전기는 nanopipette 안에 몇 마이크로미터의 길이 도달 하는 골드 nanotip의 지속적인 성장을 위해 채택 된다. 이 간단한 절차는 클린 룸 및 고가의 장비 없이 모든 일반 화학 실험실에서 실시 될 수 있습니다이 nanoelectrode 제조의 구현 수 있습니다. 크기, 형태, 및 폐쇄 유형 WNE의 내부 구조를 확인 하려면이 프로토콜 스캐닝 전자 현미경 (SEM) 및 형광 분광학의 사용과 상세한 특성화 절차를 제공 합니다. 한 최근의 예를 들어 강조 표시를 직접 폐쇄 유형 WNE의 nanointerface 쪽으로 충돌 하는 금 나노 입자 (AuNPs)의 기본 및 동적 상호 작용을 측정 됩니다. 우리는 폐쇄 유형 WNE 살아있는 세포, 나노 재료, 및 단일 엔터티 수준에서 센서의 미래의 전기 화학 연구에 대 한 새로운 경로 깔 다 수 있습니다 믿습니다.

Protocol

1입니다. 솔루션의 준비 참고: 주의 모든 화학 물질에 대 한 일반적인 안전 주의를 기울입니다. 증기 두건에서 화학 물질의 폐기 하십시오 그리고 장갑, 고글, 및 실험실 외 투를 착용. 화재 또는 불꽃 가연성 액체를 보관. 모든 수성 해결책 초순 18.2 m ω cm (25 ° C에서)를 사용 하 여 준비 되었다. 준비 된 솔루션 0.22 μ m 기 공 크기 필터를 사용 하 여 필터링 했다. KCl…

Representative Results

석 영 원뿔 nanopipette에 따라 잘 정의 된 30 nm 무선 nanopore 전극을 조작 하는 손쉬운 접근 방식을 설명 합니다. 그림 1, 세 가지 주요 단계를 포함 하는 nanopipette의 제조 시연입니다. 0.5 m m의 안 직경 및 외부 직경 1.0 m m의 microcapillary는 끌어당기는 사람에 고정 한 다음 레이저 용융 석 영을 모 세관의 센터에 초점을 맞추고. 모 세관의 터미널에 힘을 적용 ?…

Discussion

잘 정의 된 nanopipette의 제조 폐쇄 유형 WNE 제조 프로세스에서 첫 번째 단계입니다. CO₂ 레이저는 모 세관의 중심에 초점을 맞춤 으로써 한 모 세관 nanoscale 원뿔 끝을 가진 2 개의 대칭 nanopipettes로 구분 합니다. 직경은 쉽게 제어 레이저 끌어당기는의 매개 변수를 조정 하 여 30-200 nm에서 배열. 그것은 철수에 대 한 매개 변수 다른 피 펫 pullers 위한 다 수 지적 했다. 환경 온도 습도는 nanopipette의…

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