Een gesloten Type draadloze Nanopore-elektrode voor het analyseren van interne nanodeeltjes
Summary
Hier presenteren we een protocol voor de fabricage van een gesloten type draadloze nanopore-elektrode en latere elektrochemische waardering voor één nanoparticle botsingen.
Abstract
Het meten van de intrinsieke eigenschappen van één nanodeeltjes door nanoelectrochemistry bezit diep fundamenteel belang en heeft van potentiële effecten in nanoscience. Echter is één nanodeeltjes elektrochemisch te analyseren uitdagend, zoals de sensing nanointerface onbeheersbaar is. Om aan deze uitdaging, beschrijven we hier de fabricage en de karakterisering van een gesloten type draadloze nanopore-elektrode (WNE) dat een zeer controleerbaar morfologie en uitstekende reproduceerbaarheid vertoont. De facile fabricage van WNE kunt de voorbereiding van welomschreven nanoelectrodes in een laboratorium van de algemene chemie zonder het gebruik van een schone kamer en dure apparatuur. Een toepassing van een 30 nm gesloten type WNE in analyse van één gouden nanodeeltjes in het mengsel wordt ook gemarkeerd, waaruit een hoge resolutie van 0.6 pA en hoge temporele resolutie van 0,01 ms. onder begeleiding door hun uitstekende morfologie en kleine blijkt diameters, meer toepassingsmogelijkheden van gesloten type WNEs kunnen worden uitgebreid van de karakterisering van het nanoparticle tot één molecuul/ion detectie en eencellige sonderen.
Introduction
Nanodeeltjes hebben enorme aandacht te wijten aan uiteenlopende functies zoals hun katalytische vermogen, bijzondere optische kenmerken, electroactivity en hoge oppervlakte-naar-volume verhoudingen1,2,3, 4. elektrochemische analyse van enkele nanodeeltjes is een directe methode voor het begrijpen van de intrinsieke chemische en elektrochemische processen op de nanoschaal-niveau. Om te bereiken hooggevoelige metingen van één nanodeeltjes, zijn twee benaderingen van de elektrochemische eerder toegepast om te lezen uit nanoparticle informatie van huidige reacties5,–6,7. Een van deze benaderingen omvat immobilizing of het vastleggen van een individuele nanoparticle op de interface van de nanoelectrode voor de studie van electrocatalysis8,9. De andere strategie wordt gedreven door één nanoparticle botsing met het oppervlak van een elektrode, die een voorbijgaande huidige schommeling van de dynamische redox-proces genereert.
Beide van deze methoden vereisen een nanoschaal-ultrasensitive sensing-interface die overeenkomt met de diameter van enkele nanodeeltjes. Traditionele fabricatie van nanoelectrodes heeft echter voornamelijk opgenomen de micro-elektromechanische systemen (MEMS) of laser trekken van technieken die vervelend en undisciplinable10,11,12zijn, 13. Bijvoorbeeld MEMS gebaseerde fabricage van nanoelectrodes is duur en vereist het gebruik van een schone kamer, de massale productie en de popularisering van de nanoelectrodes te beperken. Aan de andere kant, afhankelijk laser trekken van de fabricage van nanoelectrodes sterk van ervaring van de exploitanten tijdens de verzegeling en het trekken van een metalen draad binnen het capillair. Als de metalen draad niet goed afgesloten in het capillair, kan de kloof tussen de binnenwand van de nanopipette en draad dramatisch introduceren van overtollige huidige achtergrondgeluiden en vergroten van de electroactive sensing gebied. Deze nadelen verlagen grotendeels de gevoeligheid van de nanoelectrode. Aan de andere kant, kan het bestaan van een kloof te vergroten op het gebied van de elektrode en verminderen van de gevoeligheid van de nanoelectrode. Dientengevolge, is het moeilijk te garanderen een reproduceerbare prestaties als gevolg van de oncontroleerbare elektrode morphologies in elke fabricage proces14,15. De methode van een algemene fabricage van nanoelectrodes met uitstekende reproduceerbaarheid is daarom dringend nodig om elektrochemische verkenning van de intrinsieke eigenschappen van één nanodeeltjes.
Onlangs, de nanopore-techniek is ontwikkeld als een elegante en label-vrije benadering voor enkel molecuul analyse16,17,18,19,20. Vanwege zijn controleerbaar fabricage biedt de nanopipette een opsluiting nanoschaal, met een uniforme diameter variërend van 30-200 nm in een laser de trekker van de capillaire21,22,23,24 . Bovendien zorgt deze eenvoudige en reproduceerbare fabricage-procedure voor de veralgemening van de nanopipette. Onlangs, hebben wij voorgesteld een draadloze nanopore-elektrode (WNE), die de afdichting van een metalen draad binnen de nanopipette niet vereist. Via een facile en reproduceerbare Productie-procédé bezit het WNE een afzetting nanoschaal metalen binnen de nanopipette vormen een electroactive interface25,26,27,28 . Aangezien de WNE beschikt over een goed gedefinieerde structuur en uniforme morfologie van het straatkind, behaalt het hoge resolutie, evenals de constante lage weerstand-capaciteit (RC) voor het uitvoeren van hoge temporele resolutie. Eerder berichtten we twee soorten WNEs, open-type en gesloten type, voor het realiseren van eenheid analyse. De open-type WNE maakt gebruik van een nanometal laag gestort op de binnenwand van een nanopipette, die de faradic stroom van één enkele entiteit naar de Ionische huidige reactie26 converteert. De diameter van een open-type WNE is meestal rond de 100 nm. Als u wilt verder verlagen de diameter van WNE, presenteerden we de gesloten type WNE, waarin een solide metalen nanotip volledig in beslag het uiteinde van de nanopipette door middel van een chemische stof-elektrochemische aanpak neemt. Deze methode kan snel genereren een 30 nm gouden nanotip binnen een nanopore opsluiting. De welomschreven interface op het gebied van de tip van een gesloten type WNE zorgt voor een hoge signaal-/ ruisverhouding voor elektrochemische metingen van één nanodeeltjes. Als een opgeladen gouden nanoparticle met de gesloten type WNE botst, induceert een ultrasnelle opladen-ontladen proces op het raakvlak van tip een capacitieve reactie (CFR) in de Ionische huidige trace. In vergelijking met een eerdere één nanoparticle botsing studie via een nanoelectrode met metalen draad binnen29, toonde de gesloten type WNE een hogere resolutie voor 0.6 pA ± 0,1 pA (RMS) en de hogere temporele resolutie van 0,01 ms.
Hierin beschrijven we een gedetailleerde fabricage-procedure voor een gesloten type WNE die heeft zeer gecontroleerd afmetingen en uitstekende reproduceerbaarheid. In dit protocol, een eenvoudige reactie tussen AuCl4– en BH4– is ontworpen voor het genereren van een gouden nanotip die volledig de opening van een nanopipette blokkeert. Dan wordt bipolaire elektrochemie vastgesteld voor continue groei van een gouden nanotip, die de lengte van verschillende micrometer valt binnen de nanopipette bereikt. Deze eenvoudige procedure kunt de uitvoering van de fabricage van deze nanoelectrode, die kan worden uitgevoerd in een laboratorium dat algemene chemie zonder een schone kamer en dure apparatuur. Om te bepalen van de grootte, de morfologie en de innerlijke structuur van een gesloten type WNE, voorziet dit protocol in een procedure van de gedetailleerde karakterisering met gebruik van een Scannende Elektronen Microscoop (SEM) en fluorescentiespectroscopie. Een recent voorbeeld is gemarkeerd, welke maatregelen direct de intrinsieke en dynamische interacties tussen gouden nanodeeltjes (AuNPs) naar de nanointerface van een gesloten type WNE botsen. Wij zijn van mening dat de gesloten type WNE een nieuw pad voor toekomstige elektrochemische studies van levende cellen, nanomaterialen en sensoren op single-entiteit niveaus kan vrijmaken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fabricage van een welomschreven nanopipette is de eerste stap in het fabricageproces van gesloten type WNE. Door zich te richten een CO2 -laser in het midden van het capillair, scheidt een capillair in twee symmetrische nanopipettes met conische tips nanoschaal. De diameter is gemakkelijk gecontroleerd, variërend van 30-200 nm, door het aanpassen van de parameters van de laser trekker. Opgemerkt wordt dat de parameters voor het trekken voor verschillende Pipetteer trekkers variëren kunnen. De omgevingstemper…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gesteund door de nationale Natural Science Foundation van China (61871183,21834001), innovatie programma van Shanghai gemeentelijk onderwijs Commissie (2017-01-07-00-02-E00023), de “Chen Guang”-Project van het gemeentelijk onderwijs van Shanghai Commissie en Shanghai Education Development Foundation (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).
