単一ナノ粒子を分析するための密閉型無線ナノポア電極
Summary
ここでは、密閉型無線ナノポア電極の作製と単一ナノ粒子の衝突のそれに続く電気化学的測定のためのプロトコルを提案する.
Abstract
Nanoelectrochemistry による単一ナノ粒子の本質的な特徴を測定深い基本的な重要性を保持しているし、ナノサイエンスの潜在的な影響を持っています。ただし、単一ナノ粒子の電気化学的分析として挑戦、センシング ナノグリーンは手に負えない。このような課題に対処するため述べるここ作製と展示形態が高度制御と優れた再現性密閉型無線ナノポア電極 (WNE) の評価。WNE の安易な作製には、クリーン ルームや高価な機器を使用せず一般の化学実験で明確に定義された電極の準備ができます。1 つのアプリケーション、30 の 0.6 pA の高い現在の解像度を示し、高時間分解能 0.01 さん伴う優れた形態、小型密閉型 WNE 混合物単一金ナノ粒子の分析では強調 nm単一分子・ イオンの検出そして単一セルのプロービングにナノ粒子のキャラクタリゼーションから直径、密閉型 WNEs のより多くの潜在的なアプリケーションを拡張できます。
Introduction
ナノ粒子が触媒機能、特定の光学機能、electroactivity、高の表面・体積比1,2,3、など多様な機能のため多大な注目を集めています。4. 単一ナノ粒子の電気化学的解析、ナノスケール レベルで本質的な化学的・電気化学的プロセスを理解するための直接法。単一ナノ粒子の非常に敏感な測定を達成するために 2 つの電気化学的アプローチは、現在応答5,6,7からナノ粒子の情報を読み出すため以前適用されています。これらの方法の 1 つには、固定または電極8,9の研究によりのインターフェイス上の個々 のナノ粒子をキャプチャが含まれます。その他の戦略は、動的な酸化還元プロセスから過渡電流の揺らぎを生成する電極の表面で単一ナノ粒子衝突によって駆動されます。
これらのメソッドの両方は、単一ナノ粒子の直径に一致するナノスケールの超高感度センシング インターフェイスを必要があります。ただし、電極の伝統的な製造主に搭載マイクロ電気機械システム (MEMS) または退屈と undisciplinable10、11,12である技術を引っ張ってレーザー 13。たとえば、電極の作製を MEMS ベースは高く、大規模な生産および電極の普及を制限するクリーン ルームの使用が必要です。その一方で、電極の作製を引っ張ってレーザーは中にシールと毛細血管の内側の金属ワイヤのプル、オペレーターの経験に大きく依存します。金属ワイヤで毛細血管にしっかりと密封されてない場合、nanopipette の内壁とワイヤ間のギャップを大幅に余分なバック グラウンド電流ノイズを導入し、ゲルロボットのセンシング エリアを拡大します。これらの欠点は、主として、違いの感度を低下させます。一方、ギャップの存在は、電極面積を拡大し、違いの感度を低減できます。結果として、各製造プロセス14,15で手に負えない電極形態による再現性のあるパフォーマンスを保証するは難しいです。したがって、再現性の優れたナノ電極の一般的な製造方法は単一ナノ粒子の本質的な機能の電気化学的探査を容易にすることが急務します。
最近では、ナノ細孔技術は単一分子解析16,17,18,19,20のエレガントでラベル無料アプローチとして開発されたが。その制御の作製により、nanopipette はレーザー キャピラリー引き手21,22,23,24 で 30-200 nm に至る均一径ナノ閉じ込めを提供しています。.さらに、このシンプルで再現性のある施工により、nanopipette の一般化です。最近、我々 は、nanopipette 内部の金属ワイヤーのシーリングを必要としない無線ナノポア電極 (WNE) を提案しました。安易なと再現可能な製造プロセスを通じて、WNE 所有、ゲルロボット インターフェイス25,26,27,28 を形成する nanopipette 内のナノスケール金属蒸着.WNE では、明確に定義された構造およびその制限の制服の形態を所有している、ので、それは高い時間分解能を実行するための低抵抗容量 (RC) 時定数と同様に、現在の高解像度を実現します。以前、我々 は WNEs、開放型と密閉型、単一のエンティティ分析を実現するための 2 つのタイプを報告しました。オープン型の WNE イオン電流応答26に単一のエンティティのガルバニ電流の電流を変換する nanopipette の内壁に堆積したナノメタル層を採用しています。通常、オープン型 WNE の直径は約 100 nm。WNE の直径をさらに低減、固体金属ナノ針状が完全に化学・電気化学的アプローチを通じて nanopipette 先端を占める密閉型 WNE を提案します。このメソッドは、ナノポア閉じ込め中 30 nm の金ナノ針状を急速に生成できます。密閉型 WNE の先端領域で明確に定義されたインタ フェースは、単一ナノ粒子の電気化学測定の高い信号対雑音比を保証します。充電された金ナノ粒子は、密閉型の WNE と衝突とヒント界面超高速充放電プロセスはイオンの現在のトレースで容量性フィードバックの応答 (CFR) を誘導します。以前単一ナノ粒子衝突研究を介して金属と違い29内部配線と比較して、密閉型の WNE を示した 0.6 pA ± 0.1 pA (RMS) の高い現在の解像度と高い時間分解能 0.01 ms。
ここで、寸法と優れた再現性を制御高密閉型 WNE の詳細作製手順について述べる。このプロトコル、単純な AuCl4–と BH4反応で–は、nanopipette のオリフィスを完全にブロックする金ナノ針状を生成する設計されています。バイポーラ電気化学は、nanopipette 内の数 μ m の長さに達する金ナノ針状の持続的成長を採用しています。この簡単な手順がこの違い製造、クリーン ルームと高価な機器を使わず、一般的な化学の研究室で実施することができますを実現。 にします。サイズ、形態、および密閉型 WNE の内部構造を確認するのには、このプロトコルは、走査型電子顕微鏡 (SEM) と蛍光分光法の利用による詳細な評価手順を提供します。金ナノ粒子 (結果) 衝突の密閉型 WNE ナノグリーンへの本質的な動的な相互作用を直接測定する 1 つの最近の例は、強調表示されます。密閉型の WNE が単一エンティティ レベル センサー、ナノ材料、細胞の電気化学的研究の将来の新しいパスを開くかもしれないと考えています。
Protocol
Representative Results
Discussion
明確に定義された nanopipette の作製は、密閉型の WNE 作製プロセスの最初のステップです。キャピラリーの中央に CO2レーザの焦点を当て、1 つ毛細血管はナノスケール円錐先端の 2 つの対称的なピペットに分割します。直径は至るまで 30-200 nm レーザーの引き手のパラメーターを調整することにより、簡単に制御されます。それは異なるピペットの引き手を引いてのパラメーターが変化…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は中国の国家自然科学基金 (61871183,21834001)、イノベーション プログラムの上海市教育委員会 (2017-01-07-00-02-E00023)、上海市教育から「広陳」プロジェクトでサポートされている委員会・上海教育開発財団 (17 CG 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 |
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