Закрытого типа беспроводных Нанопор электрод для анализа одного наночастиц
Summary
Здесь мы представляем протокол для изготовления электрода закрытого типа беспроводных Нанопор и последующих электрохимические измерения одного наночастиц столкновений.
Abstract
Измерения внутренней функции единого наночастиц nanoelectrochemistry проводит глубокое фундаментальное значение и потенциальные последствия в нанонауки. Однако электрохимически анализа одного наночастиц является сложной задачей, как зондирования nanointerface неконтролируемой. Для решения этой проблемы, мы опишем здесь изготовления и характеристика закрытого типа беспроводных Нанопор электрода (WNE), что экспонаты очень управляемой морфологией и выдающиеся воспроизводимость. Легковесные изготовление WNE позволяет подготовке четко nanoelectrodes в общей химии лаборатории без использования чистой комнаты и дорогостоящего оборудования. Одно приложение 30 Нм, также выделяется WNE закрытого типа в анализе одного наночастиц золота в смесь, которая показывает высокое текущее разрешение 0.6 Па и высоким временным разрешением 0,01 г-жа сопровождении их отличные морфологии и малых диаметры, больше возможностей применения закрытого типа WNEs может быть расширена от характеристика наночастиц одной молекулы/Ион обнаружения и проверки одной ячейки.
Introduction
Наночастицы привлекают огромное внимание из-за различных функций, таких как их каталитической способности, оптические особенности, electroactivity и высокой поверхности к объему соотношения1,2,3, 4. Электрохимический анализ одного наночастиц является прямой метод для понимания внутренней химических и электрохимических процессов на нано уровне. Для достижения высокочувствительный измерения одного наночастиц, двух электрохимических подходы применялись ранее зачитать наночастиц информацию из текущего ответы5,6,7. Один из этих подходов включает иммобилизации или захват отдельных наночастиц на интерфейсе nanoelectrode для изучения электрокатализа8,9. Другая стратегия управляется одной наночастиц столкновения с поверхностью электрода, который создает временные текущие колебания от динамических окислительно-восстановительного процесса.
Оба этих метода требуют наноразмерных сверхчувствительная зондирования интерфейса, который соответствует диаметр одного наночастиц. Однако традиционные изготовление nanoelectrodes главным образом включил микро электромеханических систем (МЭМС) или лазер потянув методы, которые являются утомительным и undisciplinable10,11,12, 13. К примеру МЭМС-изготовление nanoelectrodes дорого и требует использования чистую комнату, ограничение в массовое производство и популяризацию nanoelectrodes. С другой стороны лазер потянув изготовление nanoelectrodes опирается на опыт операторов во время уплотнения и потянув из металлической проволоки внутри капилляра. Если металлическая проволока не хорошо запечатанный в капилляр, разрыв между внутренней стенки nanopipette и проволока может резко превышение фона текущего шум и увеличить Электроактивные зондирования области. Эти недостатки основном уменьшение чувствительности nanoelectrode. С другой стороны существование разрыва может увеличить площадь электрода и уменьшить чувствительность nanoelectrode. Как следствие трудно гарантировать воспроизводимость производительности из-за неконтролируемой электрода морфологии в каждом процесс изготовления14,15. Таким образом общее производство метод nanoelectrodes с отличную воспроизводимость срочно необходима для облегчения электрохимические исследования встроенных функций единого наночастиц.
Недавно был разработан метод Нанопор как элегантный и этикетка свободный подход для одной молекулы анализ16,,1718,19,20. Благодаря контролируемым изготовление nanopipette обеспечивает наноразмерных родов, с единой диаметром от 30-200 Нм лазер капиллярного съемник21,22,23,24 . Кроме того эта процедура простой и воспроизводимое производство обеспечивает обобщение nanopipette. Недавно мы предложили беспроводной Нанопор электрода (WNE), которая не требует герметизации металлической проволоки внутри nanopipette. Через изготовление снисходительный и воспроизводимый процесс WNE обладает наноразмерных осаждения металла в nanopipette сформировать Электроактивные интерфейс25,26,27,28 . Так как WNE обладает четкой структуры и единообразных морфологии его заключения, он достигает высокой текущее разрешение, а также постоянная времени низкого сопротивления емкость (RC) для выполнения высокого временного разрешения. Мы сообщалось ранее два типа WNEs, открытого типа и закрытого типа, для реализации одной сущности анализа. Открытого типа WNE использует нанометаллов слоя, нанесенного на внутренней стенке nanopipette, который преобразует фарадических тока одну сущность ионной текущий ответ26. Как правило, диаметр открытого типа WNE составляет около 100 Нм. Для дальнейшего уменьшения диаметра WNE, мы представили WNE закрытого типа, в котором твердые металлические nanotip полностью занимает кончик nanopipette через химико электрохимический подход. Этот метод можно быстро генерировать 30 nm золота nanotip внутри Нанопор родов. Четко интерфейс на кончик области WNE закрытого типа обеспечивает высокое соотношение сигнал шум для электрохимических измерений одного наночастиц. Как взимается наночастиц золота сталкивается с WNE закрытого типа, сверхбыстрой зарядки разрядки процесс на кончик интерфейс вызывает ответ емкостной обратной связи (CFR) в ионных текущей трассировке. По сравнению с предыдущей одного наночастиц столкновения исследования через nanoelectrode с металлической проволоки внутри29, закрытого типа WNE показали выше текущее разрешение 0,6 ± 0,1 Па Па (RMS) и временным разрешением 0,01 МС.
Здесь мы описываем изготовление подробные процедуры для WNE закрытого типа, который контролируема размеры и выдающиеся воспроизводимость. В этот протокол, простой реакции между AuCl4– и BH4– предназначен для создания Золотой nanotip, что полностью блокирует отверстие nanopipette. Затем биполярный электрохимии принимается для непрерывного роста золота nanotip, который достигает длины нескольких микрометров внутри nanopipette. Эта простая процедура позволяет осуществление этой nanoelectrode изготовления, который может осуществляться в любой лаборатории общей химии без чистой комнате и дорогостоящего оборудования. Чтобы определить размер, морфология и внутренняя структура WNE закрытого типа, этот протокол обеспечивает подробную характеристику процедуры с использованием сканирующего электронного микроскопа (SEM) и флуоресцентной спектроскопии. Одним из последних примеров выделена, которая непосредственно измеряет внутренние и динамического взаимодействия наночастиц золота (AuNPs) столкновения к nanointerface WNE закрытого типа. Мы считаем, что WNE закрытого типа может проложить новый путь для будущих исследований электрохимических живых клеток, наноматериалы и датчики уровня одной сущности.
Protocol
Representative Results
Discussion
Изготовление четко nanopipette является первым шагом в процессе изготовления WNE закрытого типа. Сосредоточив CO2 лазера на центр капилляра, один капилляр разделяется на две симметричные nanopipettes с наночастицами конической советы. Диаметр легко управляется, начиная от 30-200 Нм, регулируя па…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Фонд национального естественных наук Китая (61871183,21834001), инновационной программы из Шанхая муниципального образования Комиссии (2017-01-07-00-02-E00023), проект «Чэнь Гуан» от Шанхай муниципального образования Комиссия и Фонд развития образования Шанхай (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).
