Waiting
Login-Verarbeitung ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Een gesloten Type draadloze Nanopore-elektrode voor het analyseren van interne nanodeeltjes

Published: March 20, 2019 doi: 10.3791/59003
Automatic Translation
*1, *1, 1, 1, 1
1Key Laboratory for Advanced Materials, School of Chemistry and Molecular Engineering, East China University of Science and Technology
* These authors contributed equally

Summary

Hier presenteren we een protocol voor de fabricage van een gesloten type draadloze nanopore-elektrode en latere elektrochemische waardering voor één nanoparticle botsingen.

Abstract

Het meten van de intrinsieke eigenschappen van één nanodeeltjes door nanoelectrochemistry bezit diep fundamenteel belang en heeft van potentiële effecten in nanoscience. Echter is één nanodeeltjes elektrochemisch te analyseren uitdagend, zoals de sensing nanointerface onbeheersbaar is. Om aan deze uitdaging, beschrijven we hier de fabricage en de karakterisering van een gesloten type draadloze nanopore-elektrode (WNE) dat een zeer controleerbaar morfologie en uitstekende reproduceerbaarheid vertoont. De facile fabricage van WNE kunt de voorbereiding van welomschreven nanoelectrodes in een laboratorium van de algemene chemie zonder het gebruik van een schone kamer en dure apparatuur. Een toepassing van een 30 nm gesloten type WNE in analyse van één gouden nanodeeltjes in het mengsel wordt ook gemarkeerd, waaruit een hoge resolutie van 0.6 pA en hoge temporele resolutie van 0,01 ms. onder begeleiding door hun uitstekende morfologie en kleine blijkt diameters, meer toepassingsmogelijkheden van gesloten type WNEs kunnen worden uitgebreid van de karakterisering van het nanoparticle tot één molecuul/ion detectie en eencellige sonderen.

Introduction

Nanodeeltjes hebben enorme aandacht te wijten aan uiteenlopende functies zoals hun katalytische vermogen, bijzondere optische kenmerken, electroactivity en hoge oppervlakte-naar-volume verhoudingen1,2,3, 4. elektrochemische analyse van enkele nanodeeltjes is een directe methode voor het begrijpen van de intrinsieke chemische en elektrochemische processen op de nanoschaal-niveau. Om te bereiken hooggevoelige metingen van één nanodeeltjes, zijn twee benaderingen van de elektrochemische eerder toegepast om te lezen uit nanoparticle informatie van huidige reacties5,-6,7. Een van deze benaderingen omvat immobilizing of het vastleggen van een individuele nanoparticle op de interface van de nanoelectrode voor de studie van electrocatalysis8,9. De andere strategie wordt gedreven door één nanoparticle botsing met het oppervlak van een elektrode, die een voorbijgaande huidige schommeling van de dynamische redox-proces genereert.

Beide van deze methoden vereisen een nanoschaal-ultrasensitive sensing-interface die overeenkomt met de diameter van enkele nanodeeltjes. Traditionele fabricatie van nanoelectrodes heeft echter voornamelijk opgenomen de micro-elektromechanische systemen (MEMS) of laser trekken van technieken die vervelend en undisciplinable10,11,12zijn, 13. Bijvoorbeeld MEMS gebaseerde fabricage van nanoelectrodes is duur en vereist het gebruik van een schone kamer, de massale productie en de popularisering van de nanoelectrodes te beperken. Aan de andere kant, afhankelijk laser trekken van de fabricage van nanoelectrodes sterk van ervaring van de exploitanten tijdens de verzegeling en het trekken van een metalen draad binnen het capillair. Als de metalen draad niet goed afgesloten in het capillair, kan de kloof tussen de binnenwand van de nanopipette en draad dramatisch introduceren van overtollige huidige achtergrondgeluiden en vergroten van de electroactive sensing gebied. Deze nadelen verlagen grotendeels de gevoeligheid van de nanoelectrode. Aan de andere kant, kan het bestaan van een kloof te vergroten op het gebied van de elektrode en verminderen van de gevoeligheid van de nanoelectrode. Dientengevolge, is het moeilijk te garanderen een reproduceerbare prestaties als gevolg van de oncontroleerbare elektrode morphologies in elke fabricage proces14,15. De methode van een algemene fabricage van nanoelectrodes met uitstekende reproduceerbaarheid is daarom dringend nodig om elektrochemische verkenning van de intrinsieke eigenschappen van één nanodeeltjes.

Onlangs, de nanopore-techniek is ontwikkeld als een elegante en label-vrije benadering voor enkel molecuul analyse16,17,18,19,20. Vanwege zijn controleerbaar fabricage biedt de nanopipette een opsluiting nanoschaal, met een uniforme diameter variërend van 30-200 nm in een laser de trekker van de capillaire21,22,23,24 . Bovendien zorgt deze eenvoudige en reproduceerbare fabricage-procedure voor de veralgemening van de nanopipette. Onlangs, hebben wij voorgesteld een draadloze nanopore-elektrode (WNE), die de afdichting van een metalen draad binnen de nanopipette niet vereist. Via een facile en reproduceerbare Productie-procédé bezit het WNE een afzetting nanoschaal metalen binnen de nanopipette vormen een electroactive interface25,26,27,28 . Aangezien de WNE beschikt over een goed gedefinieerde structuur en uniforme morfologie van het straatkind, behaalt het hoge resolutie, evenals de constante lage weerstand-capaciteit (RC) voor het uitvoeren van hoge temporele resolutie. Eerder berichtten we twee soorten WNEs, open-type en gesloten type, voor het realiseren van eenheid analyse. De open-type WNE maakt gebruik van een nanometal laag gestort op de binnenwand van een nanopipette, die de faradic stroom van één enkele entiteit naar de Ionische huidige reactie26 converteert. De diameter van een open-type WNE is meestal rond de 100 nm. Als u wilt verder verlagen de diameter van WNE, presenteerden we de gesloten type WNE, waarin een solide metalen nanotip volledig in beslag het uiteinde van de nanopipette door middel van een chemische stof-elektrochemische aanpak neemt. Deze methode kan snel genereren een 30 nm gouden nanotip binnen een nanopore opsluiting. De welomschreven interface op het gebied van de tip van een gesloten type WNE zorgt voor een hoge signaal-/ ruisverhouding voor elektrochemische metingen van één nanodeeltjes. Als een opgeladen gouden nanoparticle met de gesloten type WNE botst, induceert een ultrasnelle opladen-ontladen proces op het raakvlak van tip een capacitieve reactie (CFR) in de Ionische huidige trace. In vergelijking met een eerdere één nanoparticle botsing studie via een nanoelectrode met metalen draad binnen29, toonde de gesloten type WNE een hogere resolutie voor 0.6 pA ± 0,1 pA (RMS) en de hogere temporele resolutie van 0,01 ms.

Hierin beschrijven we een gedetailleerde fabricage-procedure voor een gesloten type WNE die heeft zeer gecontroleerd afmetingen en uitstekende reproduceerbaarheid. In dit protocol, een eenvoudige reactie tussen AuCl4- en BH4- is ontworpen voor het genereren van een gouden nanotip die volledig de opening van een nanopipette blokkeert. Dan wordt bipolaire elektrochemie vastgesteld voor continue groei van een gouden nanotip, die de lengte van verschillende micrometer valt binnen de nanopipette bereikt. Deze eenvoudige procedure kunt de uitvoering van de fabricage van deze nanoelectrode, die kan worden uitgevoerd in een laboratorium dat algemene chemie zonder een schone kamer en dure apparatuur. Om te bepalen van de grootte, de morfologie en de innerlijke structuur van een gesloten type WNE, voorziet dit protocol in een procedure van de gedetailleerde karakterisering met gebruik van een Scannende Elektronen Microscoop (SEM) en fluorescentiespectroscopie. Een recent voorbeeld is gemarkeerd, welke maatregelen direct de intrinsieke en dynamische interacties tussen gouden nanodeeltjes (AuNPs) naar de nanointerface van een gesloten type WNE botsen. Wij zijn van mening dat de gesloten type WNE een nieuw pad voor toekomstige elektrochemische studies van levende cellen, nanomaterialen en sensoren op single-entiteit niveaus kan vrijmaken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. bereiding van de oplossingen

Opmerking: Let op algemene voorzorgsmaatregelen voor alle chemische stoffen. Verwijdering van chemische stoffen in een zuurkast, en dragen van handschoenen, bril en een laboratoriumjas. Houd brandbare vloeistoffen uit de buurt van vuur of vonken. Alle waterige oplossingen werden opgesteld op basis van ultrazuiver water (18.2 cm van de MΩ bij 25 ° C). De bereide oplossingen werden gefilterd met behulp van een 0,22 μm poriegrootte filter.

  1. Bereiding van KCl oplossing
    1. Los 0.074 g kaliumchloride in 100 mL gedeïoniseerd water.
  2. Bereiding van NaBH4 -oplossing
    1. Los 0,018 g natriumboorhydride in 10 mL ethanol.
  3. Bereiding van HAuCl4 -oplossing
    1. Los 0,010 g kaliumchloride in 1 mL van de 1% chloroauric zure oplossing.
  4. Voorbereiding van siliconen rubber
    1. Meng silicone rubber met een deelA en deel B (Zie Tabel van materialen) in een verhouding van 1:1.
    2. Hiermee kunt u dat de gemengde silicone rubber verf een gebied van de reactie op de dia direct tijdens de pot 1 min.
    3. Genezen de bereid silicone rubber op de dia voor 5 min.
  5. Voorbereiding van gouden nanodeeltjes30
    1. Voeg 4.8 mL van chloroauric zuur met een gewichtsfractie van 1% in 40 mL gedeïoniseerd water met krachtig roeren.
    2. Verwarm de oplossing aan de kook.
    3. Snel Voeg 10 mL van de citraatoplossing van een Trinatriumcitraat met een gewichtsfractie van 1% in de oplossing.
    4. Verwarm de oplossing voor een extra 15 minuten totdat de definitieve oplossing rood van kleur is.
      Opmerking: In ons geval de chloroauric zure oplossing was snel met verminderd Trinatriumcitraat citraat, en werd naar voren gebracht dat de oplossing snel veranderd van clear-geel donker-zwart.

2. voorbereiding van de experimentele opstelling

  1. Voorbereiding van het huidige meetsysteem
    1. Het huidige systeem van de meting met de huidige versterker inschakelen (Zie Tabel van materialen) en geluidsarme data-acquisitiesysteem (Zie Tabel van materialen)
    2. Zet de spanning-clamp-modus.
    3. Stel de bandbreedte van de filter op 10 kHz en sampling rate tot 100 kHz.
    4. Monteren van een zelf ontworpen specifieke zelfgemaakte koperen kooi te beschermen van externe ruis voor experimentele cellen en de voorversterker op de omgekeerde Microscoop (Zie Tabel van materialen).
    5. Grond van de shell van de kooi van Faraday, schelpen van de versterker, en omgekeerde Microscoop systeem.
  2. Installatie van het detectiesysteem voor donker-veld
    1. Generatie van de gouden nanotip binnen de nanopipette wordt gecontroleerd door de dark - veld Microscoop.
      Opmerking: Een systeem van omgekeerde Microscoop (Zie Tabel van materialen) wordt gebruikt om beelden en scatter spectra. Een ware-digitale CCD kleurencamera wordt gebruikt om beelden van de nanopipette en nanopore-elektrode te nemen. Bolkoeler met donker-veld [numerieke diafragma (NB) = 0,8 – 0.95)] wordt gebruikt om te vormen van een donker-veld verlichting. 10 X (NB = 0,3), 20 X (NB = 0,45), en 40 X (NB = 0.6) doelstellingen worden gebruikt voor het verzamelen van beelden van het gesloten type WNE. Fluorescentie detectie wordt gebruikt moeten verder nagaan of er verschillen tussen de nanotip en de binnenwand van de nanopipette. Dit experiment is uitgevoerd door een andere EMCCD (Zie Tabel van materialen) ook geïntegreerd op de omgekeerde Microscoop, en de excitatie-licht is een ingebouwde kwik-lamp met een band-pass filter van 450 – 490 nm.

3. fabricage van gesloten Type WNE

  1. Fabricage van nanopipettes
    1. Zet de haarvaten van de kwarts (Zie Tabel van materialen) in een tube van 15 mL centrifuge gevuld met aceton voor 10 min van ultrasone reiniging.
    2. Giet af aceton en ethanol toevoegen in de dezelfde centrifugebuis.
    3. Zet de centrifugebuis in een ultrasone reiniger voor 10 min van schoonmaken.
    4. De haarvaten wordt gestoken door een ander 15 mL centrifugebuis met gedeïoniseerd water voor verwijdering van de ethanol, met 10 min van ultrasone reiniging.
    5. Voortdurend ultrasone reinigen de haarvaten driemaal met gedeïoniseerd water om te verwijderen van de resterende ethanol.
    6. Droog de haarvaten met behulp van een gasstroom van stikstof.
    7. Houd de haarvaten in een nieuwe, schone centrifugebuis.
    8. Inschakelen van de CO2 -laser trekker (Zie Tabel van materialen)
    9. Verwarm de trekker voor 15-20 min om een gestage laser macht.
    10. Installeer het schoongemaakte capillair in de trekker.
    11. De trekken parameters van warmte, filament, snelheid, vertraging en trekkracht op het paneel van de CO2 laser trekker voor een specifieke diameter ingesteld. De gedetailleerde parameter voor het trekken van een 30 nm diameter nanopipette in dit protocol wordt weergegeven in tabel 1 (Figuur 1).
    12. Herstellen van de voorbereide nanopipette over een petrischaal met de herbruikbare lijm (Zie Tabel of Materials) voor verdere karakterisering.
  2. Fabricage van gesloten type WNE
    1. Injecteren 10 μL van de bereide HAuCl4 oplossing in de nanopipette met een microloader.
    2. Centrifugeer het nanopipette voor 5 min bij circa 1878 x g voor het verwijderen van luchtbellen in de nanopipette.
      Opmerking: Voor deze stap, we het nanopipette geplaatst met de punt naar beneden in een zelfgemaakte houder binnen een centrifugebuis 2 mL.
    3. Herstellen van de nanopipette op een dekglaasje aan met de bereid silicone rubber (zie stap 1.4) en definieer het gebied binnen de nanopipette als de "GOS" kant en buiten als de "trans" kant.
    4. Wacht 5 minuten tot het rubber is genezen.
    5. De geïntegreerde ensemble op objectieve tafel van de omgekeerde microscoop gelegd.
    6. Inschakelen en aanpassen van de verlichting van de dark-veld om zich te concentreren op het uiteinde van de nanopipette onder een 10 X Microscoop doelstelling.
    7. Wijziging 20 X en 40 X doelstellingen voor een hogere ruimtelijke resolutie.
    8. Plaats één Ag/AgCl-elektrode binnen de nanopipette.
    9. Plaats de andere geaard Ag/AgCl-elektrode in de trans -kant.
    10. Een paar Ag/AgCl elektrodes verbinden met de voorversterker.
    11. Zet het huidige systeem van de meting en de bijbehorende software (Zie Tabel of Materials) voor Ionische huidige opname.
    12. De toegepaste potentieel ingesteld op 300 mV.
    13. Voeg 150 μl van NaBH4 oplossing langzaam in de trans -kant om te activeren van de reactie tussen HAuCl4 en NaBH4 (Figuur 2).
      Opmerking: De vermindering van NaBH4 in waterige oplossing vindt plaats op een heftige reactie in het tarief. Dus, de generatie van H2 uit de vermindering van NaBH4 veroorzaken een gebrekkige structuur van de nanotip door het genereren van Holten tijdens de groei van de gouden nanotip.
    14. Gelijktijdig, elektrisch en optisch record de huidige trace en het donker-veld afbeelding/verstrooiing spectra met behulp van de huidige meting en donker-veld detection systems (Figuur 3).
      Opmerking: De ethanol oplossing is vluchtig onder donker-veld verlichting. Let op de hoeveelheid ethanol tijdens het fabricageproces.
    15. Uitschakelen van de toegepaste potentieel na Ionische huidige traceren terug op 0 pA.
    16. Wassen het voorbereide gesloten type WNE met stromende gede¨ uoniseerd water van de bodem tot aan de vingertop.
  3. Karakterisering van gesloten type WNE
    1. Karakteriseren gesloten type WNE met een Scannende Elektronen Microscoop (SEM), die is een algemene methode voor de karakterisering van nanopipettes22,31,32,33,34 .
    2. Gebruik een calcium ion fluorescerende experiment om te controleren of de verzegeling toestand van de gouden nanotip binnen de nanopipette.
      1. Injecteren 10 μL van CaCl2 oplossing in de cis -zijde van de gesloten type WNE en Fluo-8 oplossing in de trans -kant.
      2. De Ag/AgCl-elektroden aansluit op de headstage.
    3. Een 400 mV vooroordeel potentiële van toepassing en gebruik van de EMCCD (Zie Tabel van materialen) om te controleren de fluorescentie-reactie op het gebied van de tip. Gebruik van focus ionen lichtbundel (FIB) aan het beeldhouwen van het gesloten type WNE vanaf de punt naar beneden, dan bepalen de lengte van de interieur metalen laag of nanotip met SEM karakterisering.
  4. Enkele nanoparticle botsing met gesloten type WNE
    1. De oplossing in de trans - en cis zijden omzetten in een KCl oplossing na vervaardiging van het gesloten type WNE.
    2. Breng 50 μl van 30 nm gouden nanoparticle oplossing in de trans -kant. Opnemen van het huidige signaal van één nanoparticle botsing gebeurtenissen op een potentieel van 300 mV (Figuur 5).
    3. De toegepaste spanning voor het controleren van de frequentie, de amplitude, en de vormverandering van het stroomsignaal wijzigen

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

We blijk geven van een facile aanpak om een welomschreven 30 nm draadloze nanopore-elektrode op basis van een kwarts conische nanopipette. De fabricage van een nanopipette wordt geïllustreerd in Figuur 1, die drie stappen omvat. Een microcapillary met een inwendige diameter van 0,5 mm en buitendiameter van 1,0 mm die worden opgelost met de trekker en een laser is gericht op het midden van het capillair te smelten de quartz. Door krachten aan op de ingangen van het capillair toe te passen het ten slotte scheidt en twee delen met nanoschaal conische tips vormt. De trekken parameters zijn opgenomen in tabel 1 voor het fabriceren van 30 nm nanopipettes in ons lab. Opgemerkt moet worden dat de parameters van verschillende laser trekkers variëren kunnen. Onderzoekers moeten aanpassen van de parameters volgens de macht van de laser, temperatuur en vochtigheid. Na fabricage, is SEM karakterisering vereist om te controleren of de werkelijke diameter van de nanopipette.

Figuur 2 geeft een overzicht van de procedure voor het genereren van een gouden nanotip binnen de nanopipette tip na het trekken proces. Ten eerste is de AuCl4- binnen de nanopipette consequent verlaagd met BH4- voor het genereren van een gouden nanotip tot de opening van de nanopipettes is volledig geblokkeerd. Vervolgens bevordert de bipolaire elektrochemie de verdere groei van de gouden nanotip. We een in situ karakterisering systeem gebruikt voor controle van het fabricageproces van het gesloten type WNE door gelijktijdig opnemen van de huidige reactie en donker-veld beelden (Figuur 3). Wat betreft de karakterisering van de SEM toont Figuur 4 bovenaanzicht SEM beelden van de kale nanopipette en gesloten type WNE. Na FIB splitsen, biedt een kant weergave SEM-beeld de morfologie van de gouden nanotip binnen de gesloten type WNE. In de single-nanoparticle botsing experimenten, worden de gouden nanodeeltjes toegevoegd aan de kant van de trans van de WNE. De uitstekende lawaaiprestaties van deze CNE onthult de verborgen signalen met een frequentie van hoog-signaal (Figuur 5).

Figure 1
Figuur 1: fabricage van nanopipettes. De procedure voor de fabricage is als volgt: stap 1) Installeer een microcapillary in een laser trekker; stap 2) warmte van het midden van het capillair met een CO2 -laser en kracht aan de uiteinden van het capillair te trekken; en stap 3) het capillair kaarsjes neer en scheidt in twee symmetrische nanopipettes in enkele seconden. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: fabricage van het gesloten type WNE. Stap 1) HAuCl4 en NaBH4 oplossingen worden toegevoegd aan de zijkanten van het cis - en trans van de nanopipette, respectievelijk. AuCl4- is verlaagd met BH4- voor het genereren van goud op de opening van de nanopipette. Stap 2) na de opening wordt geblokkeerd door de gegenereerde goud, de bipolaire elektrochemische reactie vindt plaats met de toegepaste potentieel voor verdere groei van de gouden nanotip. Stap 3) A gesloten type WNE is ten slotte vervaardigd met een micrometer-lengte gouden nanotip. Dit cijfer is aangepast met toestemming van eerdere werk25. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: gelijktijdige elektrische bewaking en verstrooiing opnames tijdens gesloten type WNE fabricage. (A) na toevoeging van NaBH4 in de trans -kant van de nanopipette, de huidige drops onmiddellijk vanaf 0 pA. De huidige trace ervaringen vervolgens een snelle overgang als gevolg van de generatie van goud. Na ~ 150 s, de huidige terug naar 0 pA, volledige verstopping van de nanopipette demonstreren. (B) donker-veld afbeeldingen tijdens WNE fabricage op overeenkomstige timepoints van 0 s, 10 s, 100 s en 150 s. Dit cijfer is aangepast met toestemming van eerdere werk25. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: SEM karakteristieken van de nanopipette en de gesloten type WNE. (A) bovenaanzicht SEM-beeld van een getrokken nanopipette met een diameter van 30 nm. (B) bovenaanzicht SEM-beeld van een gesloten type WNE met een diameter van 30 nm. (C) kant weergave SEM afbeelding van een gesloten type WNE na de FIB splitsing van het uiteinde aan de achterkant van de nanopipette. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5 : nanoparticle botsingdetectie met een gesloten type WNE Single. (A) 30 nm gouden nanodeeltjes worden toegevoegd aan de trans kant oplossing. Een paar Ag/AgCl elektrodes werkzaam zijn toe te passen een bias potentieel van 300 mV. Invoegen: een typische spike signaal van een 30 nm gouden nanoparticle botsing. (B) een huidige trace zonder nanodeeltjes en na toevoeging van 30 nm gouden nanodeeltjes in de trans -kant van het gesloten type WNE. Dit cijfer is aangepast met toestemming van eerdere werk25. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Fabricage van een welomschreven nanopipette is de eerste stap in het fabricageproces van gesloten type WNE. Door zich te richten een CO2 -laser in het midden van het capillair, scheidt een capillair in twee symmetrische nanopipettes met conische tips nanoschaal. De diameter is gemakkelijk gecontroleerd, variërend van 30-200 nm, door het aanpassen van de parameters van de laser trekker. Opgemerkt wordt dat de parameters voor het trekken voor verschillende Pipetteer trekkers variëren kunnen. De omgevingstemperatuur en vochtigheid kunnen ook van invloed zijn op de uiteindelijke diameter van de nanopipette.

Na de fabricage van de nanopipette, een chemische reactie genereert de solide nanotip binnen de nanopipette. In dit protocol, wordt een gouden nanotip gevormd door de reductie van HAuCl4; andere metalen nanotips kan worden vervaardigd door het ontwerpen van de bijbehorende reacties. Na volledige verstopping van de nanopipette tip bevordert de elektrochemische polarisatie van de gegenereerde gouden nanotip haar verdere groei volgens bipolaire elektrochemie. Een in-situ karakterisering van elektro-optische systeem is dan opgebouwd om gelijktijdige opnamen van de huidige sporen en optische informatie tijdens het groeiproces van de gouden nanotip.

Voor karakterisering helpt calcium ion fluorescentie detectie verifiëren of de kloof tussen de binnenwand van de pipet en de gouden nanotip ontstaat. Voor een welomschreven gesloten type WNE moet de tip gebied steevast donker in de fluorescentie-afbeelding. SEM kan ook worden gebruikt om te karakteriseren van zowel de nanopipette als de gesloten type WNE. FIB kan worden aangewend om te beeldhouwen langs de zijkant van het gesloten type WNE binnenste metaal voor de latere SEM beeldvorming bloot te stellen. Dus, de lengte en binnenkant structuur van sluiten-type WNE kan worden bepaald. Na haar karakterisering is de goed voorbereide gesloten type WNE geschikt om te worden gebruikt voor verdere toepassingen.

Dit protocol voor gesloten type WNE effent een nieuw pad voor elektrochemische metingen van één nanodeeltjes met hoge reproduceerbaarheid. Er zijn echter nog enkele uitdagingen en beperkingen in deze productie-procédé. De eerste beperking betreft de diameter van het uiteinde van de nanopipette. Theoretisch, als de tip diameter tot een één-molecuul grootte afneemt, de huidige resolutie kan worden drastisch verbeterd. Echter, het is uitdagend om te trekken van een nanopipette met een diameter tot 30 nm met de bestaande trekken strategie.

Het potentieel van dit gesloten type WNE protocol kan worden uitgebreid tot praktische toepassingen in nanosensing. Door de integratie van traditionele nanoelectrodes met een scanning elektrochemische Microscoop, kan de gesloten type WNE dynamische elektrochemische toewijzing voor sommige speciale 2-D/3-d-3-d nanomaterialen onthullen. Bovendien kan de verstrooiing van de Enterprise resonantie van de gouden nanotip worden gebruikt voor gelijktijdig detecteren het elektron overdrachtsproces wordt door zowel elektrische uitlezing en optische recording. Op grond van de geometrische eigenschappen, is de gesloten type WNE met een conische nanotip geschikt voor cellulaire analyse met lage mechanische schade.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs verklaren geen belangenconflicten.

Acknowledgments

Dit onderzoek werd gesteund door de nationale Natural Science Foundation van China (61871183,21834001), innovatie programma van Shanghai gemeentelijk onderwijs Commissie (2017-01-07-00-02-E00023), de "Chen Guang"-Project van het gemeentelijk onderwijs van Shanghai Commissie en Shanghai Education Development Foundation (17CG 27).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Hu, J. S., et al. Mass production and high photocatalytic activity of ZnS nanoporous nanoparticles. Angewandte Chemie International Edtion. 44 (8), 1269-1273 (2005).
  4. 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).
  5. Fang, Y., et al. Plasmonic Imaging of Electrochemical Reactions of Single Nanoparticles. Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2614-2624 (2016).
  6. Mirkin, M. V., Sun, T., Yu, Y., Zhou, M. Electrochemistry at One Nanoparticle. Accounts of Chemical Research. 49 (10), 2328-2335 (2016).
  7. Murray, R. W. Nanoelectrochemistry: metal nanoparticles, nanoelectrodes, and nanopores. Chemical Reviews. 108 (7), 2688-2720 (2008).
  8. Anderson, T. J., Zhang, B. Single-Nanoparticle Electrochemistry through Immobilization and Collision. Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2625-2631 (2016).
  9. Fu, K., Bohn, P. W. Nanopore Electrochemistry: A Nexus for Molecular Control of Electron Transfer Reactions. ACS Central Science. 4 (1), 20-29 (2018).
  10. Zaino, L. P., Ma, C., Bohn, P. W. Nanopore-enabled electrode arrays and ensembles. Microchimica Acta. 183 (3), 1019-1032 (2016).
  11. Katemann, B. B., Schuhmann, W. Fabrication and Characterization of Needle-Type. Electroanalysis. 14 (1), 22-28 (2002).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Li, Y., Bergman, D., Zhang, B. Preparation and electrochemical response of 1-3 nm Pt disk electrodes. Analytical Chemistry. 81 (13), 5496-5502 (2009).
  16. 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).
  17. Cao, C., et al. Discrimination of oligonucleotides of different lengths with a wild-type aerolysin nanopore. Nature Nanotechnology. 11 (8), 713-718 (2016).
  18. Cao, C., Long, Y. -T. Biological Nanopores: Confined Spaces for Electrochemical Single-Molecule Analysis. Accounts of Chemical Research. 51 (2), 331-341 (2018).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Lan, W. J., Holden, D. A., Zhang, B., White, H. S. Nanoparticle transport in conical-shaped nanopores. Analytical Chemistry. 83 (10), 3840-3847 (2011).
  22. 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).
  23. Morris, C. A., Friedman, A. K., Baker, L. A. Applications of nanopipettes in the analytical sciences. Analyst. 135 (9), 2190-2202 (2010).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Gao, R., et al. Dynamic Self-Assembly of Homogenous Microcyclic Structures Controlled by a Silver-Coated Nanopore. Small. 13 (25), 1700234-n/a (2017).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Steinbock, L. J., Otto, O., Chimerel, C., Gornall, J., Keyser, U. F. Detecting DNA folding with nanocapillaries. Nano Letters. 10 (7), 2493-2497 (2010).
  32. Gong, X., et al. Label-free in-flow detection of single DNA molecules using glass nanopipettes. Analytical Chemistry. 86 (1), 835-841 (2013).
  33. Cadinu, P., et al. Double Barrel Nanopores as a New Tool for Controlling Single-Molecule Transport. Nano Letters. 18 (4), 2738-2745 (2018).
  34. 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).

Tags

Chemie kwestie 145 Nanopore draadloze nanopore-elektrode één nanodeeltjes gouden nanodeeltjes eenheid elektrochemische beperkt sensing
Een gesloten Type draadloze Nanopore-elektrode voor het analyseren van interne nanodeeltjes
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Gao, R., Cui, L. F., Ruan, L. Q.,… More

Gao, R., Cui, L. F., Ruan, L. Q., Ying, Y. L., Long, Y. T. A Closed-Type Wireless Nanopore Electrode for Analyzing Single Nanoparticles. J. Vis. Exp. (145), e59003, doi:10.3791/59003 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter