En sluten typ trådlösa Nanopore elektrod för att analysera enstaka nanopartiklar
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för tillverkning av en sluten typ trådlösa nanopore elektrod och efterföljande elektrokemiska mätning av enda nanopartiklar kollisioner.
Abstract
Mäta de inneboende egenskaperna hos enda nanopartiklar av nanoelectrochemistry rymmer djupt grundläggande betydelse och har potentiella effekter i nanovetenskap. Dock är elektrokemiskt analysera enstaka nanopartiklar utmanande, eftersom den lastkännande nanointerface är okontrollerbar. För att möta denna utmaning, beskriver vi här tillverkning och karakterisering av en sluten typ trådlösa nanopore elektrod (WNE) som uppvisar en mycket kontrollerbar morfologi och utestående reproducerbarhet. Facile tillverkning av WNE möjliggör utarbetandet av väl definierade nanoelectrodes i en allmän kemi laboratoriet utan användning av en rent och dyr utrustning. En tillämpning av en 30 nm sluten typ WNE i analys av enda guld nanopartiklar i blandningen markeras också, som visar en hög nuvarande upplösning av 0.6 pA och hög temporal upplösning av 0,01 ms. åtföljs av sin utmärkta morfologi och små diametrar, fler potentiella tillämpningar av sluten typ WNEs kan utökas från nanopartiklar karakterisering till enda molekyl/ion upptäckt och encelliga sondering.
Introduction
Nanopartiklar har fått enorm uppmärksamhet på grund av olika funktioner såsom deras katalytiska förmåga, särskilt optiska funktioner, electroactivity och hög yta till volym nyckeltal1,2,3, 4. elektrokemisk analys av enstaka nanopartiklar är en direkt metod för att förstå de inneboende kemiska och elektrokemiska processerna på nanoskala nivå. För att uppnå mycket känsliga mätningar av enda nanopartiklar, har två elektrokemiska metoder tidigare använts för att läsa ut nanopartiklar information från nuvarande Svaren5,6,7. En av dessa metoder innebär immobilizing eller fånga en enskilda nanopartiklar i gränssnittet på nanoelectrode för studier av elektrokatalys8,9. Den andra strategin drivs av enda nanopartiklar kollision med ytan av en elektrod, som genererar en övergående nuvarande fluktuation från dynamiska redox processen.
Båda metoderna kräver en nanoskala ultrasensitive fjärranalys gränssnitt som motsvarar diametern på enda nanopartiklar. Traditionell tillverkning av nanoelectrodes har dock främst införlivat den mikro-elektromekaniska system (MEMS) eller laser dra tekniker, som är tråkiga och undisciplinable10,11,12, 13. Till exempel MEMS-baserade tillverkning av nanoelectrodes är dyrt och kräver användning av ett renrum, begränsar massiv produktion och popularisering av nanoelectrodes. Däremot, beroende laser dra tillverkning av nanoelectrodes starkt erfarenhet av operatörerna under förseglingen och dra i en metalltråd inuti kapillären. Om metalltråd inte är väl tillslutna i kapillären, kan klyftan mellan den inre väggen av nanopipette och wire dramatiskt införa nuvarande överskott bakgrundsljud och förstora den elektroaktiva sensing område. Dessa nackdelar minska i hög grad känsligheten hos nanoelectrode. Däremot, kan förekomsten av en lucka förstora området elektrod och minska känsligheten hos nanoelectrode. Följaktligen är det svårt att garantera en reproducerbar prestanda på grund av de okontrollerbara elektrod morfologier i varje fabrication process14,15. Därför behövs omgående en allmän fabrication metod för nanoelectrodes med utmärkt reproducerbarhet att underlätta elektrokemiska utforskning av de inneboende egenskaperna hos enda nanopartiklar.
Nyligen, den nanopore tekniken har utvecklats som en elegant och etikett-gratis strategi för enda molekyl analys16,17,18,19,20. På grund av dess kontrollerbar fabrication ger nanopipette ett nanoskala instängdhet, med en enhetlig diameter som sträcker sig från 30-200 nm av en laser Capil avdragare21,22,23,24 . Dessutom säkerställer proceduren enkel och reproducerbara fabrication generalizationen av nanopipette. Nyligen har föreslagit vi en trådlös nanopore elektrod (WNE), som inte kräver tätning av en metalltråd inuti nanopipette. Genom en lättköpt och reproducerbara fabrication process äger WNE en nanoskala metall nedfall inom nanopipette att bilda en elektroaktiva gränssnitt25,26,27,28 . Sedan WNE äger en väl definierad struktur och enhetlig morfologi av dess interneringar, uppnår det hög nuvarande upplösning samt låg resistens-kapacitans (RC) tidskonstant för att utföra hög temporal upplösning. Tidigare rapporterade vi två typer av WNEs, open-typ och sluten typ, för att förverkliga enda enhet analys. I öppen typ WNE sysselsätter ett nanometal lager deponeras på den inre väggen av en nanopipette, som konverterar faradic strömmen av en enda enhet till den joniska nuvarande svar26. Vanligtvis, en öppen typ WNE diameter är omkring 100 nm. För att ytterligare minska diametern på WNE, presenterade vi den sluten typ WNE, som upptar en solid metall nanotip fullt nanopipette spetsen genom en kemisk-elektrokemisk metod. Denna metod kan snabbt generera en 30 nm guld nanotip inuti en nanopore inneslutning. Väl definierade gränssnittet på området tip i en sluten typ WNE säkerställer en hög signal-brus-förhållande för elektrokemiska mätningar av enda nanopartiklar. Som en laddad guld nanopartiklar kolliderar med den sluten typ WNE, inducerar en ultrasnabb laddning-urladdning process i gränssnittet tip en kapacitiv feedback svar (CFR) i Joniska nuvarande spårningen. Den sluten typ WNE jämfört med en tidigare enda nanopartiklar kollision studie via en nanoelectrode med metall tråd inuti29, och visade en högre nuvarande upplösning i 0.6 pA ± 0,1 pA (RMS) och högre temporal upplösning 0,01 MS.
Häri, beskriver vi en detaljerad fabrication förfarande för en sluten typ WNE som har mycket kontrollerat dimensioner och utestående reproducerbarhet. I detta protokoll, en enkel reaktion mellan AuCl4– och BH4– är utformade för att generera en guld nanotip som helt blockerar öppningen av en nanopipette. Sedan antas bipolär elektrokemi för kontinuerlig tillväxt av en guld nanotip som når flera mikrometer inuti nanopipette längd. Denna enkla procedur kan genomförandet av detta nanoelectrode fabrication, som kan utföras i ett laboratorium som allmän kemi utan rena rum och dyr utrustning. För att bestämma storlek, morfologi och inre struktur av en sluten typ WNE, ger detta protokoll en detaljerad karakterisering procedur med användning av ett svepelektronmikroskop (SEM) och fluorescens-spektroskopi. Ett färskt exempel är markerat, som mäter direkt de inneboende och dynamisk interaktion av guld nanopartiklar (AuNPs) kolliderar mot nanointerface av en sluten typ WNE. Vi anser att den sluten typ WNE kan bana en ny väg för framtida elektrokemiska studier av levande celler, nanomaterial och sensorer på singel-enhet nivåer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tillverkning av en väldefinierad nanopipette är det första steget i tillverkningsprocessen sluten typ WNE. Genom att fokusera en CO2 laser på mitten av kapillären, avskiljer en kapillär in två symmetriska nanopipettes med nanoskala koniska tips. Diameter styrs enkelt, allt från 30-200 nm, genom att justera parametrarna för den laser avdragare. Det bör noteras att parametrarna för att dra kan variera för olika pipett avdragare. Miljömässiga temperaturen och luftfuktigheten kan också påverka den …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning stöddes av den nationella naturvetenskap Foundation i Kina (61871183,21834001), Innovation Program av Shanghai kommunal utbildning kommissionen (2017-01-07-00-02-E00023), projektet ”Chen Guang” från Shanghai kommunala utbildningen Kommissionen och 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).
