Une électrode de Type fermé sans fil Nanopore pour analyser les nanoparticules unique

Summary

Nous présentons ici un protocole pour la fabrication d’une électrode de type fermé sans fil nanopore et mesure électrochimique de collisions nanoparticule unique.

Abstract

Mesurer les caractéristiques intrinsèques des nanoparticules unique par nanoelectrochemistry revêt une importance profonde fondamentale et a des impacts potentiels en nanoscience. Cependant, analyse électrochimique des nanoparticules seul est difficile, comme la télédétection nanointerface est incontrôlable. Pour relever ce défi, nous décrivons ici la fabrication et la caractérisation d’une électrode de type fermé sans fil nanopore (WNE) qui présente une morphologie très contrôlable et la reproductibilité remarquable. La fabrication facile de WNE permet la préparation des nanoélectrodes bien définis dans un laboratoire de chimie générale sans l’utilisation d’une salle blanche et des équipements coûteux. Une seule demande d’un 30 nm WNE type fermé dans l’analyse des nanoparticules d’or unique dans le mélange est également mis en évidence, qui montre une haute résolution actuelle de 0,6 pA et haute résolution temporelle de 0,01 m accompagné par leur morphologie excellente et petit diamètres, plus les applications potentielles des zones de type fermé peuvent être étendus de la caractérisation des nanoparticules de détection unique molécule/ions et monocellulaires sonder.

Introduction

Nanoparticules ont attiré une attention considérable en raison de diverses caractéristiques telles que leur capacité catalytique, caractéristiques optiques particulières, électroactivité et des rapports élevés de surface-volume^{1,2,3, 4}. analyse électrochimique des nanoparticules unique est une méthode directe pour comprendre les processus chimiques et électrochimiques intrinsèques à l’échelle nanométrique. Pour obtenir des mesures très sensibles des nanoparticules unique, deux approches électrochimiques ont été appliqués auparavant pour lire les informations de nanoparticules des cours réponses^5,6,7. Une de ces approches consiste à immobiliser ou capturer une nanoparticule individuel sur l’interface de le nanoelectrode pour l’étude de l’électrocatalyse^8,9. L’autre stratégie repose nanoparticule unique de collision avec la surface d’une électrode, ce qui génère une fluctuation de courante transitoire du processus d’oxydo-réduction dynamique.

Ces deux méthodes nécessitent une interface de détection ultrasensible nanométriques qui correspond au diamètre des nanoparticules unique. Toutefois, une fabrication traditionnelle des nanoélectrodes intègre principalement les systèmes microélectromécaniques (MEMS) ou le laser tirant des techniques, qui sont fastidieux et undisciplinable^{10,11,12, 13}. Par exemple, fabrication de microsystème électromécanique-basés de nanoélectrodes est coûteuse et nécessite l’utilisation d’une chambre propre, limitant la production massive et la vulgarisation des nanoélectrodes. En revanche, laser tirant fabrication des nanoélectrodes s’appuie fortement sur l’expérience des opérateurs au cours de l’étanchéité et la traction d’un fil métallique à l’intérieur du capillaire. Si le fil métallique n’est pas bien scellé dans le capillaire, l’écart entre la paroi interne de la nanopipette et le fil peut considérablement introduire l’excès de bruit actuel et agrandir les polymères électroactifs, zone de détection. Ces inconvénients largement diminuent la sensibilité de la nanoelectrode. En revanche, l’existence d’une lacune peut agrandir la zone de l’électrode et réduire la sensibilité de la nanoelectrode. En conséquence, il est difficile de garantir une performance reproductible en raison de la morphologie électrode incontrôlable dans chaque processus de fabrication^14,15. Par conséquent, une méthode de fabrication générales des nanoélectrodes avec excellente reproductibilité est urgent pour faciliter l’exploration électrochimique des caractéristiques intrinsèques des nanoparticules unique.

Récemment, la technique nanopore a été développée comme une approche élégante et sans étiquette pour seule molécule analyse^{16,17,18,19,20}. En raison de sa fabrication contrôlable, le nanopipette offre un confinement de l’échelle nanométrique, avec un diamètre constant allant de 30 à 200 nm par un laser capillaire extracteur^21,22,23,24 . En outre, cette procédure de fabrication simple et reproductible garantit la généralisation de le nanopipette. Récemment, nous avons proposé une nanopore sans fil électrode (WNE), qui ne nécessite pas l’étanchéité d’un fil métallique à l’intérieur de la nanopipette. Grâce à un procédé de fabrication facile et reproductible, la WNE possède un dépôt métallique échelle nanométrique dans la nanopipette pour former un électroactifs interface^25,26,27,28 . Puisque la WNE possède une structure bien définie et une morphologie uniforme de ses accouchements, elle atteint haute résolution actuelle ainsi que la constante de temps faible résistance-condensateur (RC) pour l’exécution de haute résolution temporelle. Nous avons déjà indiqué deux types de zones, de type ouvert et fermé-type, pour réaliser l’analyse de l’entité unique. Le type ouvert WNE emploie une couche nanométriques déposée sur la paroi d’un nanopipette, qui convertit le courant faradique d’une seule entité au courant ionique réponse²⁶. Généralement, le diamètre d’un type ouvert WNE est autour de 100 nm. Pour réduire encore le diamètre de WNE, nous vous présentions la WNE de type fermé, dans lequel un nanopointes métallique solide occupe entièrement la pointe de nanopipette à travers une approche chimique-électrochimique. Cette méthode peut générer rapidement un nanopointes de 30 nm or à l’intérieur d’un confinement nanopore. L’interface bien définie à la zone de la pointe d’un WNE type fermé assure un rapport signal sur bruit élevé pour des mesures électrochimiques des nanoparticules unique. Comme une nanoparticule d’or chargée entre en collision avec la WNE de type fermé, un processus de charge-décharge ultrarapide à l’interface de pointe entraîne une réponse de rétroaction capacitif (CFR) dans la trace du courante ionique. Par rapport à un précédent nanoparticule unique collision étude via un nanoelectrode en métal de fil à l’intérieur de²⁹, la WNE type fermé a montré une meilleure résolution actuelle de 0,6 pA ± 0,1 pA (RMS) et la meilleure résolution temporelle de 0,01 ms.

Ici, nous décrivons une procédure détaillée de fabrication pour un WNE type fermé qui a fortement contrôlé de dimensions et la reproductibilité remarquable. Dans ce protocole, une simple réaction entre AuCl₄^– et BH₄^– est conçu pour générer un nanopointes or qui bloque complètement l’orifice d’un nanopipette. Ensuite, électrochimie bipolaire est adopté pour une croissance continue d’un nanopointes or qui atteint la longueur de plusieurs micromètres à l’intérieur de la nanopipette. Cette procédure simple permet la mise en œuvre de cette fabrication de nanoelectrode, qui peut être effectuée dans un laboratoire de chimie générale sans une chambre propre et un matériel coûteux. Pour déterminer la taille, la morphologie et la structure interne d’un WNE de type fermé, ce protocole prévoit une procédure de caractérisation détaillée avec l’aide d’un microscope électronique à balayage (MEB) et la spectroscopie de fluorescence. Un exemple récent est mis en évidence, qui mesure directement les interactions intrinsèques et dynamiques des nanoparticules d’or (AuNPs) entrant en collision vers le nanointerface d’un WNE de type fermé. Nous croyons que la WNE fermé-type pourrait ouvrir une nouvelle voie pour de futures études électrochimiques de cellules vivantes, nanomatériaux et des capteurs au niveau de single-entité.

Protocol

1. préparation des Solutions Remarque : Faire attention aux consignes de sécurité générales pour tous les produits chimiques. Disposer de produits chimiques dans une hotte aspirante et porter des gants, des lunettes et une blouse de laboratoire. Garder des liquides inflammables loin de feu ou d’étincelles. Toutes les solutions aqueuses ont été préparées à l’aide de l’eau ultrapure (18,2 cm MΩ à 25 ° C). Les solutions préparées ont été filtrées à l’aide d’un filtre …

Representative Results

Nous démontrons une approche facile pour fabriquer une électrode nanopore sans fil 30 bien défini de nm basé sur un nanopipette conique de quartz. La fabrication d’un nanopipette est illustrée dans la Figure 1, qui comprend trois grandes étapes. Un microcapillaire avec 0,5 mm de diamètre intérieur et extérieur diamètre de 1,0 mm est fixé dans l’extracteur, puis un laser se concentre sur le centre du capillaire pour faire fondre le quartz. En ap…

Discussion

Fabrication d’une nanopipette bien définie est la première étape dans le processus de fabrication de type fermé WNE. En se concentrant un CO₂ laser vers le centre du capillaire, un capillaire se sépare en deux nanopipettes symétriques avec embouts coniques nanométriques. Le diamètre est facilement contrôlable, allant de 30 à 200 nm, en ajustant les paramètres de l’extracteur de laser. Il est à noter que les paramètres pour la traction peuvent varier pour arrache la pipette différents. La temp…

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