אלקטרודה Nanopore אלחוטית מסוג סגור לניתוח חלקיקים יחיד
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבור ייצור של אלקטרודה nanopore אלחוטית מסוג סגור ומדידה אלקטרוכימי עוקבות של ננו-חלקיק בודד התנגשויות.
Abstract
מדידת תכונות מהותי של חלקיקים בודדים על-ידי nanoelectrochemistry בחשיבותו המהותית עמוק והוא בעל פוטנציאל ההשפעות הננו. עם זאת, electrochemically ניתוח חלקיקים יחיד הוא מאתגר, כמו nanointerface חישה הוא בלתי נשלט. כדי לטפל באתגר זה, נתאר כאן את ייצור ואפיון של אלקטרודה nanopore אלחוטית מסוג סגור (WNE) אשר מוצגים הפארמצבטית מצטיינים ומורפולוגיה מאוד לשליטה. הזיוף נתיישב של WNE מאפשר הכנת nanoelectrodes מוגדרים היטב בתוך מעבדה כימיה כללית ללא השימוש של חדר נקי וכן ציוד יקר. יישום אחד של בן 30 + ננומטר סגור-סוג WNE בניתוח של חלקיקי זהב יחיד בתערובת גם מודגשת, אשר מציג רזולוציה גבוהה הנוכחית של הרשות הפלסטינית 0.6, רזולוציה טמפורלית גבוהה של 0.01 גב’ Accompanied על ידי שלהם קטן ומורפולוגיה מעולה קטרים, יותר יישומים אפשריים של WNEs מסוג סגור ניתן להרחיב מ nanoparticle אפיון גילוי מולקולה בודדת/יון, בודק את החד-תאיים.
Introduction
חלקיקים משכו תשומת לב אדירה בשל תכונות מגוונות כגון שלהם יכולת קטליטי, תכונות אופטי מסוים, electroactivity ויחסי גודל השטח לבנפח גבוה1,2,3, 4. ניתוח אלקטרוכימי של חלקיקים יחיד הוא שיטה ישירה להבנת התהליכים כימי, אלקטרוכימי מהותי ברמת ננו. כדי להשיג מדידות רגישות גבוהה של חלקיקים יחיד, שתי הגישות אלקטרוכימי הוחלו בעבר כדי לקרוא את המידע nanoparticle הנוכחי תגובות5,6,7. אחד גישות אלה כרוך שיתק או לכידה של ננו-חלקיק בודד בממשק של nanoelectrode לחקר electrocatalysis8,9. האסטרטגיה אחרים מונעת על ידי התנגשות ננו-חלקיק בודד עם המשטח של אלקטרודה, אשר יוצרת תנודות הנוכחי ארעי בתהליך דינמי חמצון-חיזור.
שתי השיטות מחייבות הננומטרי העדינה חישה ממשק התואם את הקוטר של חלקיקים בודדים. עם זאת, ייצור מסורתיים של nanoelectrodes שילבה בעיקר את מערכות מיקרו-אלקטרו (MEMS) או לייזר משיכת טכניקות, אשר מייגע, undisciplinable10,11,12, 13. לדוגמה, מבוסס MEMS פבריקציה נוספת של nanoelectrodes הוא יקר ודורש שימוש חדר נקי, הגבלת את ייצור מאסיבי, הפופולריזציה של nanoelectrodes. מצד שני, לייזר משיכת פבריקציה נוספת של nanoelectrodes מסתמכת במידה רבה על החוויה של האופרטורים במהלך אטימה, משיכת חוט מתכת בפנים נימי. אם החוט מתכת אינם נעולים היטב נימי, הפער בין הקיר הפנימי של nanopipette חוט יכול באופן דרמטי להציג את רעשי הרקע עודף הנוכחי, להגדיל את electroactive חישה באזור. מחסרונות אלה להקטין במידה רבה את רגישות nanoelectrode. מצד שני, קיומו של פער ניתן להגדיל את האזור אלקטרודה, להפחית את הרגישות של nanoelectrode. כתוצאה מכך, קשה להבטיח הופעה לשחזור עקב מורפולוגיות בלתי נשלט אלקטרודה כל תהליך ייצור14,15. לכן, שיטת ייצור כללי nanoelectrodes עם הפארמצבטית מעולה נדרשת בדחיפות כדי להקל על אלקטרוכימי חקר התכונות מהותי של חלקיקים בודדים.
לאחרונה, פותחה טכניקת nanopore כמו גישה אלגנטית ללא תווית עבור מולקולה בודדת ניתוח16,17,18,19,20. בשל ייצור לשליטה שלה, nanopipette מספק ריתוק ננו, עם קוטר אחיד הנע בין 30-200 ננומטר על ידי לייזר פולר נימי21,22,23,24 . יתר על כן, הליך ייצור לשחזור ופשוט מבטיחה ההכללה של nanopipette. לאחרונה, אנחנו הציע אלקטרודה אלחוטית nanopore (WNE), אשר לא דורשים אטימה של חוט מתכת בפנים nanopipette. באמצעות תהליך ייצור נתיישב, לשחזור, WNE יש תצהיר מתכת הננומטרי בתוך nanopipette כדי ליצור את electroactive ממשק25,26,27,28 . מאז WNE בעל מבנה מוגדר היטב עם מורפולוגיה אחיד של לידות שלה, הוא משיג ברזולוציה גבוהה הנוכחי, כמו גם התנגדות נמוכה-קיבול (RC) קבוע הזמן לביצוע ברזולוציה הטמפורלית גבוהה. בעבר דיווחנו שני סוגים של WNEs, פתוח- וסוג סגורים-, למימוש ניתוח בישות אחת. WNE פתוח-סוג מעסיק שכבה nanometal שהופקדו על הקיר הפנימי של nanopipette, אשר ממירה הזרם faradic של ישות יחידה התגובה הנוכחית26יונית. בדרך כלל, הקוטר של WNE פתוח-סוג הוא בסביבות 100 ננומטר. כדי להקטין עוד יותר את הקוטר של WNE, הצגנו את WNE סגור-סוג, שבו nanotip מתכת מוצק תופסת באופן מלא את הטיפ nanopipette באמצעות גישה כימית-אלקטרוכימיות. בשיטה זו ניתן להפיק במהירות של nanotip 30 ננומטר זהב בתוך ריתוק. nanopore. הממשק מוגדר היטב באזור קצה של WNE סגור-סוג מבטיחה יחס אות לרעש גבוה למדידות אלקטרוכימיות של חלקיקים בודדים. כמו ננו-חלקיק הזהב טעון מתנגש עם WNE סגור-סוג, תהליך טעינה-מתרוקנת מרביים על הממשק עצה גורם לתגובה משוב קיבולי (CFR) בהמעקב הנוכחי יוניים. בהשוואה של הקודם ננו-חלקיק יחיד התנגשות המחקר ויה nanoelectrode עם מתכת בנקאית בתוך29, WNE סגור-סוג הראה גבוהה יותר הרזולוציה הנוכחית של 0.6 ± 0.1 פאפא (RMS) בעלת רזולוציה טמפורלית גבוהה יותר של 0.01 ms.
במסמך זה, אנו מתארים הליך ייצור מפורט עבור WNE סגור-סוג זה כולל מבוקר מאוד מידות ואת הפארמצבטית מצטיינים. פרוטוקול זה, תגובה פשוטה בין BH4AuCl4– – נועד להפיק nanotip זהב החוסמת לחלוטין כגדולים של nanopipette. לאחר מכן, אלקטרוכימיה דו-קוטבי מאומץ לצמיחה רציפה של nanotip זהב המגיע אורך מספר מיקרומטר פנימה nanopipette. הליך פשוט זה מאפשר את יישום זה ייצור nanoelectrode, אשר יכול להתבצע בכל מעבדה כימיה כללית ללא חדר נקי עם ציוד יקר. כדי לקבוע את גודל, מורפולוגיה ומבנה פנימי של WNE סגור-סוג, פרוטוקול זה מספק הליך אפיון מפורט עם השימוש מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM) וספקטרוסקופיה זריחה. דוגמה אחת האחרונות מודגשת, אשר מודד ישירות את האינטראקציות מהותי ודינאמי של חלקיקי זהב (AuNPs) מתנגשים לכיוון nanointerface של WNE סגור-סוג. אנו מאמינים כי WNE סגור-סוג עלולה לסלול נתיב חדש עבור מחקרים עתידיים אלקטרוכימי של תאים חיים, ננו-חומרים וחיישני ברמות ישות אחת.
Protocol
Representative Results
Discussion
ייצור של nanopipette מוגדרים היטב היא הצעד הראשון בתהליך ייצור WNE מסוג סגור. על ידי התמקדות לייזר2 CO במרכז נימי, נימי אחד מפריד לתוך שני nanopipettes סימטריים עם טיפים חרוט ננו. הקוטר נשלטת בקלות, הנע בין 30-200 ננומטר, על-ידי התאמת הפרמטרים של פולר הלייזר. יצויין, כי הפרמטרים עבור משיכת עלולים להשתנו…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי נבחרת מדעי הטבע קרן של סין (61871183,21834001), חדשנות תוכנית של שנגחאי העירונית לחינוך הנציבות (2017-01-07-00-02-E00023), הפרויקט “צ’אן גואנג” החינוך העירוני שנגחאי הנציבות, קרן פיתוח החינוך שנגחאי (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).
