Un electrodo Nanopore inalámbricas cerradas para el análisis de las nanopartículas individuales

Summary

Aquí, presentamos un protocolo para la fabricación de un electrodo nanopore inalámbricas cerradas y posterior medición electroquímica de colisiones de nanopartículas individuales.

Abstract

Medición de las características intrínsecas de las nanopartículas individuales por demostrable tiene profunda importancia y posibles impactos en Nanociencia. Sin embargo, analizando electroquímicamente nanopartículas solo es un reto, como el sensor nanointerface es incontrolable. Para abordar este desafío, se describen aquí la fabricación y caracterización de un electrodo nanopore inalámbricas cerradas (vino) que exhibe una morfología altamente controlable y reproducibilidad excepcional. La fácil fabricación de vino permite la preparación de nanoelectrodos definidas en un laboratorio de química general sin el uso de un equipo caro y limpio. Una aplicación de 30 nm cerradas vino en análisis de nanopartículas de oro individuales en la mezcla también se destaca, que muestra una resolución actual de 0,6 pA y alta resolución temporal de 0.01 Sra. acompañado por su excelente morfología y pequeñas diámetros, más aplicaciones potenciales de WNEs cerradas pueden ser ampliados de caracterización de nanopartículas y detección única molécula/ion unicelular de sondeo.

Introduction

Las nanopartículas han atraído gran atención debido a diversas características como su capacidad catalítica, características ópticas, electroactivity y alta relación superficie a volumen^{1,2,3, 4}. análisis electroquímico de nanopartículas individuales es un método directo para la comprensión de los procesos químicos y electroquímicos intrínsecos a nivel de nanoescala. Para lograr mediciones altamente sensibles de nanopartículas individuales, dos métodos electroquímicos se han aplicado anteriormente para leer información de nanopartículas de actual respuestas^5,6,7. Uno de estos enfoques consiste en inmovilizar o capturando un nanopartículas individuales de la interfaz de la nanoelectrode para el estudio de Electrocatálisis^8,9. La otra estrategia es impulsada por nanopartículas única colisión con la superficie de un electrodo, que genera una fluctuación corriente transitoria del proceso dinámico redox.

Ambos de estos métodos requieren una interfaz detección ultrasensible de nanoescala que coincide con el diámetro de las nanopartículas individuales. Sin embargo, la tradicional fabricación de nanoelectrodos principalmente ha incorporado los sistemas micro electromecánicos (MEMS) o láser tirando de técnicas, que son tediosas y undisciplinable^{10,11,12, 13}. Por ejemplo, fabricación basados en MEMS de nanoelectrodos es costoso y requiere el uso de una sala limpia, restringiendo la producción masiva y la popularización de nanoelectrodos. Por otra parte, láser tirando fabricación de nanoelectrodos depende en gran medida la experiencia de los operadores durante el cierre y tirando de un alambre de metal dentro del tubo capilar. Si el alambre de metal no está bien sellado en el capilar, el espacio entre la pared interna de la nanopipette y alambre dramáticamente puede presentar exceso ruido actual y ampliar electroactivos área de detección. Estos inconvenientes disminuyen en gran medida la sensibilidad de la nanoelectrode. Por otro lado, la existencia de una brecha puede agrandar el área del electrodo y reducir la sensibilidad de la nanoelectrode. En consecuencia, es difícil garantizar un desempeño reproducible debido a la morfología del electrodo incontrolable en cada proceso de fabricación^14,15. Por lo tanto, un método de fabricación general de nanoelectrodos con excelente reproducibilidad es urgente para facilitar la exploración electroquímica de las características intrínsecas de las nanopartículas individuales.

Recientemente, la técnica nanopore se ha desarrollado como un enfoque elegante y libre de etiqueta para la sola molécula análisis^{16,17,18,19,20}. Debido a su fabricación controlable, el nanopipette proporciona un aislamiento de la nanoescala, con diámetro uniforme de 30-200 nm de un láser capilar tirador^21,22,23,24 . Por otra parte, este procedimiento simple y reproducible de fabricación asegura la generalización de la nanopipette. Recientemente, hemos propuesto un electrodo nanopore inalámbrica (vino), que no requiere el lacre de un alambre de metal dentro de la nanopipette. A través de un proceso de fabricación fácil y reproducible, el vino posee una deposición metal de nanoescala en lo nanopipette para formar un electroactivos interfaz^25,26,27,28 . Puesto que el vino posee una estructura bien definida y morfología uniforme de sus confinamientos, logra alta resolución actual así como la constante de tiempo de baja resistencia-capacitancia (RC) para la realización de alta resolución temporal. Divulgamos previamente dos tipos de WNEs, tipo abierto y cerrado-tipo, para la realización de análisis de la entidad. El vino tipo abierto emplea una capa de nanometal depositada sobre la pared interna de un nanopipette, que convierte la corriente farádica de una sola entidad al corriente iónica de respuesta²⁶. Generalmente, el diámetro de un vino de tipo abierto es alrededor de 100 nm. Para disminuir aún más el diámetro del vino, nos presenta el vino cerradas, en la que un nanotip de metal sólido ocupa completamente la punta de nanopipette a través de un enfoque químico-electroquímica. Este método puede generar rápidamente un 30 nanotip nm oro dentro de un confinamiento nanopore. La interfaz bien definida en la zona de la punta de un vino de tipo cerrado asegura un alto cociente signal-to-noise para medidas electroquímicas de nanopartículas individuales. Como una nanopartícula de oro cargada choca con el cerrado-tipo vino, un proceso ultrarrápido de carga-descarga en el interfaz de punta induce una respuesta de la realimentación capacitiva (CFR) en el rastro corriente iónica. En comparación con un anterior sola nanopartícula colisión estudio a través de un nanoelectrode con el metal del alambre dentro de²⁹, el cerrado-tipo vino mostraron una mayor resolución actual del pA del 0,6 ± 0.1 pA (RMS) y una resolución temporal más alta de 0,01 ms.

Adjunto, describimos un procedimiento de fabricación detallado para un vino de tipo cerrado que ha controlado muy excelente reproducibilidad y dimensiones. En este protocolo, una simple reacción entre AuCl₄^– y BH₄^– está diseñado para generar un nanotip de oro que bloquea completamente el orificio de un nanopipette. Electroquímica bipolar es adoptado para el crecimiento continuo de un nanotip de oro que llega a la longitud de varios micrómetros en el nanopipette. Este procedimiento simple permite la implementación de esta fabricación de nanoelectrode, que puede realizarse en cualquier laboratorio de química general sin un equipo caro y limpio. Para determinar el tamaño, morfología y estructura interna de un vino de tipo cerrado, este protocolo proporciona un procedimiento de caracterización detallada con el uso de un microscopio electrónico de barrido (MEB) y espectroscopia de fluorescencia. Un ejemplo reciente se destaca, que mide directamente las interacciones intrínsecas y dinámicas de nanopartículas de oro (AuNPs) chocar hacia la nanointerface de un vino de tipo cerrado. Creemos que el cerrado-tipo vino puede allanar un nuevo camino para futuros estudios electroquímicos de las células vivas, nanomateriales y sensores de nivel de entidad individual.

Protocol

1. preparación de soluciones Nota: Preste atención a las precauciones Generales de seguridad para todos los productos químicos. Disponer de productos químicos en una campana de humos y utilizar guantes, gafas y una capa del laboratorio. Mantenga los líquidos inflamables lejos de fuego o chispas. Todas las soluciones acuosas se prepararon con agua ultrapura (18.2 MΩ cm a 25 ° C). Las soluciones preparadas se filtraron usando un filtro de tamaño de poro de 0,22 μm. Pr…

Representative Results

Demostramos un enfoque fácil para fabricar un bien definido electrodo 30 de nanopore inalámbrica en nm basada en un nanopipette cónico de cuarzo. La fabricación de un nanopipette se demuestra en la figura 1, que incluye tres pasos principales. Un microcapillary con un diámetro interno de 0,5 mm y 1,0 mm de diámetro exterior se fija en el extractor, y luego un láser se enfoca en el centro del tubo capilar para fundir el cuarzo. Mediante la aplicación d…

Discussion

Fabricación de una nanopipette bien definida es el primer paso en el proceso de fabricación de vino de tipo cerrado. Enfocando un láser de CO₂ en el centro del tubo capilar, tubo uno capilar separa en dos nanopipettes simétricos con puntas cónicas de nanoescala. El diámetro se controla fácilmente, que van desde 30-200 nm, ajustando los parámetros del tirador láser. Se observa que los parámetros de tracción pueden variar para tiradores de pipeta diferente. La temperatura ambiental y la humedad tambi?…

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