Tek nano tanecikleri analiz etmek için kapalı tip kablosuz Nanopore elektrot
Summary
Burada, bir protokol kapalı tip kablosuz nanopore elektrot imalatı ve tek nanopartikül çarpışmalar sonraki elektrokimyasal ölçümü için mevcut.
Abstract
Nanoelectrochemistry tarafından tek nano tanecikleri içsel özelliklerini ölçme derin temel önem taşıyor ve Nanobilim içinde potansiyel etkileri vardır. Algılama nanointerface kontrol edilemez olduğu gibi Ancak, mamüllerinin tek nano tanecikleri analiz, meydan okuyor. Bu sorun adrese, biz burada imalat ve son derece kontrol edilebilir morfoloji ve üstün tekrarlanabilirlik sergileyen bir kapalı tip kablosuz nanopore elektrot (WNE) karakterizasyonu açıklayın. WNE facile imalatı bir genel kimya laboratuvar bir temiz oda ve pahalı ekipman kullanımı olmadan iyi tanımlanmış nanoelectrodes hazırlanması sağlar. Bir uygulama bir 30 0.6 pA yüksek geçerli çözünürlüğü ve 0,01 Bayan eşliğinde mükemmel morfoloji ve küçük tarafından yüksek zamansal çözünürlük gösteren kapalı tip WNE karışımı tek altın nano tanecikleri analiz Ayrıca vurgulanan, nm çapları, kapalı tip WNEs daha fazla potansiyel uygulamalar nanopartikül karakterizasyonu tek molekül/iyon algılama ve tek hücreli problama için genişletilebilir.
Introduction
Nano tanecikleri katalitik yeteneği, belirli optik özellikleri, electroactivity ve yüksek yüzey hacim oranları1,2,3, gibi farklı özellikleri nedeniyle çok büyük ilgisini çekti var 4. tek nano tanecikleri elektrokimyasal karaterizasyon Nano düzeyde içsel kimyasal ve elektrokimyasal süreçleri anlamak için doğrudan bir yöntemdir. Tek nano tanecikleri, son derece hassas ölçümler elde etmek için iki elektrokimyasal yaklaşım daha önce geçerli yanıt-e doğru5,6,7nanopartikül bilgi okumak için uygulandı. Bu yaklaşımdan birini immobilizing veya bireysel bir nanopartikül nanoelectrode electrocatalysis8,9çalışma için arabirimde yakalama içerir. Diğer strateji geçici bir geçerli dalgalanması dinamik Redoks işleminden oluşturur bir elektrot yüzeyi ile tek nanopartikül çarpışma tarafından tahrik edilmektedir.
Bu yöntemlerin her ikisi de tek nano tanecikleri çapını eşleşen bir Nano vericiyi algılama arayüzü gerektirir. Ancak, geleneksel nanoelectrodes imalatı esas olarak mikro-elektromekanik sistemler (MEMS) veya lazer teknikleri, sıkıcı ve undisciplinable10,11,12çekerek dahil etti, 13. Örneğin, MEMS tabanlı imalatı nanoelectrodes pahalı ve büyük üretim ve nanoelectrodes popularization kısıtlayan bir temiz oda kullanımını gerektirir. Öte yandan, nanoelectrodes imalatı çekerek lazer ağır mühürleme ve kılcal damar içinde bir metal tel çekme sırasında bu operatörlerin deneyime dayanmaktadır. Metal tel kılcal iyi mühürlü değilse, nanopipette iç duvar ve tel arasında önemli ölçüde aşırı arka plan geçerli paraziti ve alan algılama electroactive büyütmek. Bu sakıncaları büyük ölçüde nanoelectrode duyarlılığını azaltmak. Öte yandan, bir boşluk varlığını elektrot alanı büyütmek ve nanoelectrode duyarlılığını azaltır. Sonuç olarak, her üretim süreci14,15dakika sonra kontrol edilemeyen elektrot türleri Morfoloji nedeniyle tekrarlanabilir bir performans garanti zordur. Bu nedenle, nanoelectrodes mükemmel tekrarlanabilirlik ile genel imalat yöntemi acilen tek nano tanecikleri içsel özelliklerinden elektrokimyasal keşif kolaylaştırmak için gereklidir.
Son zamanlarda, nanopore teknik tek molekül analiz16,17,18,19,20için zarif ve etiket içermeyen bir yaklaşım olarak geliştirilmiştir. Onun kontrol edilebilir üretim sayesinde nanopipette Nano doğumdan 30-200 nm bir lazer kılcal çektirme21,22,23tarafından,24 arasında Tekdüzen çapında sağlar . Ayrıca, bu basit ve tekrarlanabilir üretim yordamı nanopipette genelleme sağlar. Son zamanlarda, bir kablosuz nanopore elektrot (WNE), hangi does değil istemek bir metal tel nanopipette içinde mühürleme evlenme teklif etti. Facile ve tekrarlanabilir imalat sürecinde WNE Nano metal ifade içinde bir electroactive arabirimi25,26,27,28 oluşturmak için nanopipette sahiptir. . İyi tanımlanmış yapısı ve onun vazgeçiremedi Tekdüzen morfolojisi WNE sahip olduğundan, yüksek geçerli çözünürlüğü yanı sıra düşük direnç-kapasite (RC) zaman sabit yüksek zamansal çözünürlük yerine getirmek için sağlar. Biz daha önce WNEs, açık tipli ve kapalı tip, tek varlık analiz gerçekleştirmek için iki tür bildirdi. Açık tipli WNE tek bir varlık faradik akım iyonik geçerli yanıt-26dönüştürür bir nanopipette iç duvarında tevdi nanometal katman kullanır. Genellikle, bir açık tipli WNE çapı yaklaşık 100 olduğunu nm. WNE çapı daha da azaltmak için içinde bir katı metal nanotip kaplar tamamen kimyasal elektrokimyasal bir yaklaşımla nanopipette ucu kapalı tip WNE sundu. Bu yöntem bir 30 nm altın nanotip nanopore doğumdan içinde hızla oluşturabilirsiniz. Kapalı tip WNE ipucu alanda iyi tanımlanmış arabirim tek nano tanecikleri elektrokimyasal ölçümleri için yüksek sinyal gürültü oranı sağlar. Şarj edilmiş bir altın nanopartikül kapalı tip WNE ile çarpıştığında gibi uç arabirimi ultrafast bir şarj-deşarj süreci iyonik geçerli izleme kapasitif geribildirim yanıt (CFR) neden olmaktadır. Nanoelectrode metal tel29içinde bir önceki tek nanopartikül çarpışma çalışma yolu ile karşılaştırıldığında, kapalı tip WNE 0.6 pA ± 0,1 PA (RMS) geçerli çözünürlüğü daha yüksek ve daha yüksek zamansal Çözünürlük 0,01 MS gösterdi.
Burada, boyutları ve üstün tekrarlanabilirlik son derece kontrollü bir kapalı tip WNE için detaylı imalat yordamı açıklar. Bu iletişim kuralı, AuCl4– ve BH4arasında basit bir tepki içinde– bir nanopipette delik tamamen engelleyen bir altın nanotip oluşturmak için tasarlanmıştır. Sonra iki kutuplu elektrokimya nanopipette içinde birkaç mikrometre uzunluğu ulaştığında bir altın nanotip sürekli büyüme için kabul edilir. Bu basit bir prosedür herhangi bir genel kimya laboratuvar bir temiz oda ve pahalı aletler olmadan yapılabilir Bu nanoelectrode imalat uygulama sağlar. Boyutu, morfoloji ve kapalı tip WNE iç yapısını belirlemek için bu iletişim kuralı bir Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve Floresans spektroskopisi kullanımı ile detaylı karakterizasyonu yordam sağlar. Hangi doğrudan altın nano tanecikleri (AuNPs) kapalı tip WNE nanointerface doğru çarpışması, içsel ve dinamik etkileşimler ölçer bir son örnek vurgulanır. Biz kapalı tip WNE canlı hücreler, Nanomalzemeler ve sensörleri tek varlık düzeylerde gelecekteki elektrokimyasal çalışmaları için yeni bir yol açmak inanıyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
İyi tanımlanmış bir nanopipette imalatı kapalı tip WNE imalat işleminin ilk adımdır. CO2 lazer kılcal ortasına üzerine odaklanarak, nano konik ipuçları ile iki simetrik nanopipettes içine bir kılcal ayırır. Çapı kolaylıkla kontrol 30-200 nm, lazer çektirme parametrelerini ayarlayarak değişen. Çekerek için parametreleri için farklı pipet Elcikler değişebilir belirtilmektedir. Ortam sıcaklığı ve nem oranı da nanopipette son çapını etkileyebilir.
S…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı Çin (61871183,21834001), yenilik programı, Şangay Belediye Eğitim Komisyonu (2017-01-07-00-02-E00023), Şangay Belediye eğitim “Chen Guang” projesinden tarafından desteklenmiştir Komisyon ve Shanghai Eğitim Geliştirme Vakfı (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 |
Referenzen
- 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).
