一种用于分析单纳米粒子的闭式无线纳米粒子电极
Summary
在这里, 我们提出了一种用于制造闭式无线纳米粒子电极和随后对单个纳米粒子碰撞进行电化学测量的协议。
Abstract
用纳米电化学技术测量单纳米粒子的内在特性具有深刻的基础意义, 对纳米科学具有潜在的影响。然而, 电化学分析单个纳米粒子是具有挑战性的, 因为传感纳米界面是不可控制的。为了应对这一挑战, 我们在这里描述了一种闭式无线纳米粒子电极 (WNE) 的制造和表征, 该电极具有高度可控的形态和出色的重现性。WNE 的简单制造使其能够在一般化学实验室中制备出定义明确的纳米电极, 而无需使用洁净室和昂贵的设备。还重点介绍了30纳米闭式 WNE 在混合物中单个金纳米颗粒分析中的一个应用, 该应用显示了 0.6 pA 的高电流分辨率和 0.01 ms 的高时间分辨率。闭式 Wne 的更有潜力的应用可以从纳米粒子表征扩展到单分子检测和单细胞探测。
Introduction
纳米粒子由于其催化能力、特殊的光学特性、电活性和高地容比1、2、3 、4. 单纳米粒子的电化学分析是了解纳米水平的固有化学和电化学过程的直接方法。为了实现对单个纳米粒子的高度敏感测量, 以前已经采用了两种电化学方法从当前响应 5、6、7中读出纳米粒子信息。其中一种方法是在纳米电极界面上固定或捕获单个纳米粒子, 用于研究电催化8,9。另一种策略是由与电极表面的单纳米粒子碰撞驱动的, 这种碰撞会产生动态氧化还原过程的瞬态电流波动。
这两种方法都需要与单个纳米粒子直径相匹配的纳米超敏传感接口。然而, 传统的纳米电极制造主要采用了微机电系统 (MEMS) 或激光拉动技术, 这些技术繁琐且不规范10, 11,12, 13岁例如, 基于 mems 的纳米电极制造成本很高, 需要使用洁净室, 从而限制了纳米电极的大量生产和普及。另一方面, 纳米电极的激光拉力制造在很大程度上依赖于操作人员在毛细管内密封和拉拔金属丝过程中的经验。如果金属丝在毛细管中没有很好的密封, 纳米管内壁与金属丝之间的缝隙会极大地产生多余的背景电流噪声, 扩大电源传感区域。这些缺点在很大程度上降低了纳米电极的灵敏度。另一方面, 间隙的存在会扩大电极面积, 降低纳米电极的灵敏度。因此, 由于每个制造过程14、15 中的电极形态无法控制, 因此很难保证可重现的性能。因此, 迫切需要一种具有优良重现性的纳米电极的通用制备方法, 以促进对单个纳米粒子固有特性的电化学探索。
近年来, 纳米孔技术已发展成为一种优雅、无标签的单分子分析方法, 16、17、18、19、20。由于其可控的制造, 纳米管提供了一个纳米尺度的约束, 具有均匀的直径范围从30-200 纳米的激光毛细管拉拔器21,22, 23,24.此外, 这种简单和可重复的制造过程, 确保了纳米管的推广。最近, 我们提出了一个无线纳米粒子电极 (WNE), 它不需要密封在纳米粒子内的金属丝。通过简单、可重复的制造工艺, wne 在纳米粒子内具有纳米级金属沉积, 形成电活性界面 25、26、27、28。.由于 WNE 具有明确的结构和均匀的约束形态, 因此它实现了高电流分辨率和低电阻电容 (RC) 时间常数, 以实现较高的时间分辨率。我们以前报告了两种类型的 Wne, 开放型和闭式, 以实现单实体分析。开式 WNE 采用沉积在纳米粒子内壁上的纳米层, 它将单个实体的法格电流转换为离子电流响应26。通常, 开式 WNE 的直径约为100纳米。为了进一步减小 WNE 的直径, 我们提出了闭式 WNE, 其中固体金属纳米尖端通过化学电化学方法完全占据纳米颗粒尖端。这种方法可以在纳米孔约束内迅速产生30纳米金纳米尖。闭式 WNE 尖端区域定义明确的界面确保了单个纳米粒子电化学测量的高信噪比。由于带电金纳米粒子与闭式 WNE 发生碰撞, 在尖端界面上的超快充放电过程会在离子电流轨迹中引起电容反馈响应 (CFR)。与以往通过29内金属丝的纳米电极进行的单纳米粒子碰撞研究相比,闭式 wne 的电流分辨率较高, 为 0.6P±0.1 pa (rms), 时间分辨率较高, 为 0.01 ms。
在此, 我们描述了一种具有高度可控尺寸和出色重现性的闭式 WNE 的详细制造工艺。在这个协议中, 一个简单的反应之间的头名数-和bh4-是为了产生一个金纳米尖端, 完全阻止一个纳米孔。然后, 采用双极电化学连续生长的金纳米尖端, 达到几个微米的长度内的纳米。这个简单的程序使这种纳米电极制造的实施, 这可以在任何一般化学实验室进行, 没有一个干净的房间和昂贵的设备。为了确定闭式 WNE 的大小、形态和内部结构, 该协议提供了一个详细的表征程序, 使用扫描电子显微镜 (SEM) 和荧光光谱。最近的一个例子是, 它直接测量金纳米粒子 (AuNPs) 与闭合型 WNE 纳米界面碰撞的内在和动态相互作用。我们认为, 闭式 WNE 可能为未来在单实体层面上对活细胞、纳米材料和传感器进行电化学研究铺平道路。
Protocol
Representative Results
Discussion
制备定义明确的纳米孔是闭式 WNE 制造工艺的第一步。通过将 CO2激光聚焦在毛细管的中心, 一个毛细管分离成两个具有纳米圆锥形尖端的对称纳米粒子。通过调整激光拉拔器的参数, 可以轻松控制直径, 范围从30-200 纳米不等。需要注意的是, 不同的移液器的拉力参数可能会有所不同。环境温度和湿度也会影响纳米管的最终直径。
在制备纳米粒子后, 化学反应会在纳米管?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
本研究得到了国家自然科学基金 (61871183, 21834001)、上海市教育委员会创新项目 (2017-01-07-07-02-e00023)、上海市教育 “陈光” 项目的支持。委员会和上海教育发展基金会 (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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