قطب نانوبوري لاسلكية مغلقة لتحليل واحد جسيمات نانوية
Summary
نقدم هنا، بروتوكولا لقياس الكهروكيميائية اللاحقة من الاصطدامات نانوحبيبات واحدة وتلفيق القطب نانوبوري لاسلكية مغلقة.
Abstract
قياس السمات الجوهرية من جسيمات نانوية واحدة من نانويليكتروكهيميستري يحمل أهمية أساسية عميقة والآثار المحتملة في الحفز. ومع ذلك، اليكتروتشيميكالي تحليل جسيمات نانوية واحد يمثل تحديا، كما لا يمكن السيطرة عليها نانوينتيرفيس الاستشعار عن. لمواجهة هذا التحدي، ونحن تصف هنا بتصنيع وتوصيف نانوبوري لاسلكية مغلقة القطب (ون) الذي يسلك مورفولوجية يمكن السيطرة عليها بدرجة عالية، وإمكانية تكرار نتائج بارزة. تلفيق ون سهلة تمكن إعداد nanoelectrodes المعالم في مختبر كيمياء عامة دون استخدام غرفة نظيفة ومعدات باهظة الثمن. تطبيق واحد 30 نانومتر ون مغلقة في تحليل لجسيمات نانوية ذهبية واحدة في الخليط يبرز أيضا، مما يدل على ارتفاع قرار الحالي للسلطة الفلسطينية 0.6 وعالية الدقة الزمنية للسيدة 0.01 المرافقين مورفولوجيا ممتازة والصغيرة ويمكن توسيع أقطار، المزيد من التطبيقات المحتملة لونيس مغلقة من توصيف نانوحبيبات جزيء واحد/أيون الكشف والتحقيق في خلية واحدة.
Introduction
جسيمات نانوية اجتذبت اهتماما هائلا بسبب ميزات متنوعة مثل قدرة الحفاز، والسمات البصرية الخاصة، اليكترواكتيفيتي، وارتفاع نسبة السطح إلى الحجم1،2،3، 4-التحليل الكهروكيميائية لجسيمات نانوية واحد أسلوب مباشر لفهم العمليات الكيميائية والكهروكيميائيه الجوهرية على مستوى النانو. لتحقيق قياسات حساسة للغاية من جسيمات نانوية واحد، طبقت نهجين الكهروكيميائية مسبقاً لقراءة معلومات نانوحبيبات من الردود الحالية5،،من67. واحد هذه النهج ينطوي على شل حركة أو الاستيلاء نانوحبيبات فردية على الواجهة نانويليكترودي لدراسة اليكتروكاتاليسيس8،9. الاستراتيجية الأخرى التي تحركها نانوحبيبات واحد بعد اصطدامها بالسطح القطب، الذي يولد تقلبات الحالية عابرة من عملية الأكسدة الحيوية.
كل من هذه الأساليب تتطلب النانو واجهة الاستشعار عن أولتراسينسيتيفي الذي يطابق القطر من جسيمات نانوية واحد. ومع ذلك، بدمج التصنيع التقليدية من nanoelectrodes أساسا النظم الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS) أو الليزر سحب التقنيات، والتي تكون مملة وأونديسسيبلينابل10،،من1112، 13. على سبيل المثال، تستند إلى ممس تلفيق nanoelectrodes مكلفة وتتطلب استخدام غرفة نظيفة، تقييد إنتاج ضخمة وتعميم nanoelectrodes. من ناحية أخرى، الليزر سحب تلفيق nanoelectrodes تعتمد اعتماداً كبيرا على خبرة المشغلين أثناء إغلاق وسحب سلك معدني داخل شعري. إذا لم يكن الأسلاك المعدنية مختومة جيدا في شعري، الفجوة بين الجدار الداخلي نانوبيبيتي والأسلاك يمكن جذريا إدخال الضوضاء الخلفية الزائدة الحالية وتكبير اليكترواكتيفي الاستشعار عن المنطقة. هذه العيوب إلى حد كبير انخفاض حساسية نانوليكترودي. من ناحية أخرى، وجود فجوة يمكن توسيع المجال الكهربائي والحد من حساسية نانوليكترودي. نتيجة لذلك، من الصعب ضمان أداء استنساخه بسبب مورفولوجيس الكهربائي لا يمكن السيطرة عليها في كل عملية تصنيع14،15. ولذلك، أسلوب تصنيع عامة nanoelectrodes مع إمكانية تكرار نتائج ممتازة هي حاجة ماسة لتسهيل استكشاف الكهروكيميائية من السمات الجوهرية لجسيمات نانوية واحد.
وقد وضعت مؤخرا، تقنية نانوبوري كنهج الأنيق وخالية من التسمية لجزيء واحد تحليل16،17،،من1819،20. سبب تلفيق يمكن التحكم به، يوفر نانوبيبيتي حبس النانو، يبلغ قطرها موحدة تتراوح بين 30-200 نانومتر قبل ليزر ساحبة شعرية21،،من2223،24 . وعلاوة على ذلك، يضمن هذا الإجراء تلفيق بسيطة واستنساخه بالتعميم نانوبيبيتي. في الآونة الأخيرة، اقترحنا نانوبوري لاسلكية قطب (ون)، التي لا تتطلب ختم سلك معدني داخل نانوبيبيتي. من خلال عملية تصنيع السطحية واستنساخه، يملك ون ترسب معادن النانو داخل نانوبيبيتي تشكل اليكترواكتيفي واجهة25،،من2627،28 . نظراً ون تمتلك بنية محددة تحديداً جيدا ومورفولوجية موحدة في ولادات، فإنه يحقق عالية الدقة الحالية، فضلا عن انخفاض المقاومة-السعة (اتفاقية روتردام) وقت ثابت لأداء عالية الدقة الزمنية. ونحن سابقا ذكرت نوعين من ونيس، نوع مفتوحة ومغلقة، لتحقيق تحليل كيان واحد. ويعمل ون مفتوحة من نوع طبقة نانوميتال أودعت في الجدار الداخلي نانوبيبيتي، الذي يحول الحالية فراديك من كيان واحد ل الاستجابة الحالية الأيونية26. عادة، هو قطر ون مفتوحة من نوع حوالي 100 نانومتر. كذلك ينخفض قطر ون، قدمنا ون مغلقة، التي تحتل نانوتيب معدنية صلبة تماما نصيحة نانوبيبيتي من خلال اتباع نهج كيميائية الكهروكيميائية. يمكن إنشاء هذا الأسلوب سرعة نانوتيب 30 نانومتر الذهب داخل حبس نانوبوري. واجهة واضحة المعالم في مجال تلميح ون مغلقة يضمن نسبة الإشارة إلى الضوضاء عالية للقياسات الكهروكيميائية لجسيمات نانوية واحد. كما يصطدم نانوحبيبات الذهب التهمة الموجهة إليه مع ون مغلقة، يدفع عملية شحن-أداء فائق السرعة في الواجهة تلميح استجابة التغذية مرتدة بالسعة (CFR) في تتبع الأيونية الحالية. مقارنة سابقة نانوحبيبات واحد اصطدام دراسة عبر الأسلاك نانوليكترودي مع المعدن داخل29، أظهر ون مغلقة القرار الحالي أعلى من 0.6 ± 0.1 السلطة الفلسطينية السلطة الفلسطينية (RMS) وأعلى الأزمنة 0.01 مللي ثانية.
هنا، نحن تصف إجراء تصنيع مفصلة ون مغلقة بدرجة عالية تسيطر على الأبعاد وإمكانية تكرار نتائج بارزة. في هذا البروتوكول، ورد فعل بسيط بين البوسنة والهرسك4وأوكل4– – يهدف إلى توليد نانوتيب الذهب الذي يمنع تماما الفوهة من نانوبيبيتي. ثم اعتمد كهربية بين القطبين للنمو المتواصل نانوتيب الذهبية التي يبلغ طول ميكرومتر عدة داخل نانوبيبيتي. يتيح هذا الإجراء البسيط تنفيذ هذا تلفيق نانوليكترودي، التي يمكن أن تنفذ في أي مختبر الكيمياء العامة دون غرفة نظيفة ومعدات باهظة الثمن. لتحديد حجم ومورفولوجيا، والبنية الداخلية ون مغلقة، يوفر هذا البروتوكول إجراء توصيف مفصل باستخدام المسح الضوئي المجهر الإلكتروني (SEM) والتحليل الطيفي الأسفار. وأبرز الأمثلة الحديثة، هو الذي يقيس مباشرة التفاعلات الجوهرية والحيوية من اصطدام جسيمات نانوية الذهب (أونبس) نحو نانوينتيرفيس من ون مغلقة. ونحن نعتقد أن ون مغلقة قد يمهد طريقا جديداً للمستقبل الدراسات الكهروكيميائية للخلايا الحية، والمواد النانوية، وأجهزة الاستشعار في مستويات كيان واحد.
Protocol
Representative Results
Discussion
تلفيق نانوبيبيتي المعالم هو الخطوة الأولى في عملية تصنيع ون مغلقة. بتركيز ليزر2 CO في وسط شعري، يفصل شعري واحد إلى اثنين نانوبيبيتيس متناظرة مع نصائح المخروطية النانو. يتم التحكم بسهولة القطر، تتراوح ما بين 30-200 نانومتر، عن طريق تعديل معلمات ساحبة ليزر. تجدر الإشارة إلى أنه يمكن أن تخت…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا البحث كان تدعمها مؤسسة العلوم الطبيعية الوطنية الصينية (61871183,21834001)، والابتكار البرنامج من شانغهاي البلدية التعليم اللجنة (2017-01-07-00-02-E00023)، ومشروع “تشن قوانغ” من “التعليم بلدية شانغهاي” اللجنة ومؤسسة شانغهاي لتنمية التعليم (17CG 27).
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 |
References
- Vajda, S., et al. Subnanometre platinum clusters as highly active and selective catalysts for the oxidative dehydrogenation of propane. Nature Materials. 8 (3), 213-216 (2009).
- Liu, G. L., Long, Y. T., Choi, Y., Kang, T., Lee, L. P. Quantized plasmon quenching dips nanospectroscopy via plasmon resonance energy transfer. Nature Methods. 4 (12), 1015-1017 (2007).
- Hu, J. S., et al. Mass production and high photocatalytic activity of ZnS nanoporous nanoparticles. Angewandte Chemie International Edtion. 44 (8), 1269-1273 (2005).
- Martinez, B., Obradors, X., Balcells, L., Rouanet, A., Monty, C. Low temperature surface spin-glass transition in γ-Fe 2 O 3 nanoparticles. Physical Review Letters. 80 (1), 181 (1998).
- Fang, Y., et al. Plasmonic Imaging of Electrochemical Reactions of Single Nanoparticles. Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2614-2624 (2016).
- Mirkin, M. V., Sun, T., Yu, Y., Zhou, M. Electrochemistry at One Nanoparticle. Accounts of Chemical Research. 49 (10), 2328-2335 (2016).
- Murray, R. W. Nanoelectrochemistry: metal nanoparticles, nanoelectrodes, and nanopores. Chemical Reviews. 108 (7), 2688-2720 (2008).
- Anderson, T. J., Zhang, B. Single-Nanoparticle Electrochemistry through Immobilization and Collision. Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2625-2631 (2016).
- Fu, K., Bohn, P. W. Nanopore Electrochemistry: A Nexus for Molecular Control of Electron Transfer Reactions. ACS Central Science. 4 (1), 20-29 (2018).
- Zaino, L. P., Ma, C., Bohn, P. W. Nanopore-enabled electrode arrays and ensembles. Microchimica Acta. 183 (3), 1019-1032 (2016).
- Katemann, B. B., Schuhmann, W. Fabrication and Characterization of Needle-Type. Electroanalysis. 14 (1), 22-28 (2002).
- Penner, R. M., Heben, M. J., Longin, T. L., Lewis, N. S. Fabrication and use of nanometer-sized electrodes in electrochemistry. Science. 250 (4984), 1118-1121 (1990).
- Watkins, J. J., et al. Zeptomole voltammetric detection and electron-transfer rate measurements using platinum electrodes of nanometer dimensions. Analytical Chemistry. 75 (16), 3962-3971 (2003).
- Liu, Y., Li, M., Zhang, F., Zhu, A., Shi, G. Development of Au Disk Nanoelectrode Down to 3 nm in Radius for Detection of Dopamine Release from a Single Cell. Analytical Chemistry. 87 (11), 5531-5538 (2015).
- Li, Y., Bergman, D., Zhang, B. Preparation and electrochemical response of 1-3 nm Pt disk electrodes. Analytical Chemistry. 81 (13), 5496-5502 (2009).
- Kasianowicz, J. J., Brandin, E., Branton, D., Deamer, D. W. Characterization of individual polynucleotide molecules using a membrane channel. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93 (24), 13770-13773 (1996).
- Cao, C., et al. Discrimination of oligonucleotides of different lengths with a wild-type aerolysin nanopore. Nature Nanotechnology. 11 (8), 713-718 (2016).
- Cao, C., Long, Y. -. T. Biological Nanopores: Confined Spaces for Electrochemical Single-Molecule Analysis. Accounts of Chemical Research. 51 (2), 331-341 (2018).
- Sha, J. J., Si, W., Xu, W., Zou, Y. R., Chen, Y. F. Glass capillary nanopore for single molecule detection. Science China-Technological Sciences. 58 (5), 803-812 (2015).
- Ying, Y. L., Zhang, J., Gao, R., Long, Y. T. Nanopore-based sequencing and detection of nucleic acids. Angewandte Chemie International Edition. 52 (50), 13154-13161 (2013).
- Lan, W. J., Holden, D. A., Zhang, B., White, H. S. Nanoparticle transport in conical-shaped nanopores. Analytical Chemistry. 83 (10), 3840-3847 (2011).
- Karhanek, M., Kemp, J. T., Pourmand, N., Davis, R. W., Webb, C. D. Single DNA molecule detection using nanopipettes and nanoparticles. Nano Letters. 5 (2), 403-407 (2005).
- Morris, C. A., Friedman, A. K., Baker, L. A. Applications of nanopipettes in the analytical sciences. Analyst. 135 (9), 2190-2202 (2010).
- Yu, R. -. J., Ying, Y. -. L., Gao, R., Long, Y. -. T. Confined Nanopipette Sensing: From Single Molecules, Single Nanoparticles to Single Cells. Angewandte Chemie Interntaional Edition. , (2018).
- Gao, R., et al. A 30 nm Nanopore Electrode: Facile Fabrication and Direct Insights into the Intrinsic Feature of Single Nanoparticle Collisions. Angewandte Chemie Interntaional Edition. 57 (4), 1011-1015 (2018).
- Ying, Y. L., et al. Asymmetric Nanopore Electrode-Based Amplification for Electron Transfer Imaging in Live Cells. Journal of the American Chemical Society. 140 (16), 5385-5392 (2018).
- Gao, R., Ying, Y. L., Hu, Y. X., Li, Y. J., Long, Y. T. Wireless Bipolar Nanopore Electrode for Single Small Molecule Detection. Analytical Chemistry. 89 (14), 7382-7387 (2017).
- Gao, R., et al. Dynamic Self-Assembly of Homogenous Microcyclic Structures Controlled by a Silver-Coated Nanopore. Small. 13 (25), (2017).
- Kim, B. K., Kim, J., Bard, A. J. Electrochemistry of a single attoliter emulsion droplet in collisions. Journal of the American Chemical Society. 137 (6), 2343-2349 (2015).
- Lee, P. C., Meisel, D. Adsorption and surface-enhanced Raman of dyes on silver and gold sols. Journal of Physical Chemistry. 86 (17), 3391-3395 (1982).
- Steinbock, L. J., Otto, O., Chimerel, C., Gornall, J., Keyser, U. F. Detecting DNA folding with nanocapillaries. Nano Letters. 10 (7), 2493-2497 (2010).
- Gong, X., et al. Label-free in-flow detection of single DNA molecules using glass nanopipettes. Analytical Chemistry. 86 (1), 835-841 (2013).
- Cadinu, P., et al. Double Barrel Nanopores as a New Tool for Controlling Single-Molecule Transport. Nano Letters. 18 (4), 2738-2745 (2018).
- Bell, N. A., Keyser, U. F. Digitally encoded DNA nanostructures for multiplexed, single-molecule protein sensing with nanopores. Nature Nanotechnology. 11 (7), 645-651 (2016).
