Waiting
Login-Verarbeitung ...

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

Chemistry

אלקטרודה Nanopore אלחוטית מסוג סגור לניתוח חלקיקים יחיד

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

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכנת פתרונות

הערה: לב זהירות כללית עבור כל הכימיקלים. להיפטר כימיקלים בשכונה fume, ללבוש כפפות, משקפי מגן, חלוק מעבדה. לשמור נוזלים דליקים אש או ניצוצות. כל הפתרונות מימית הוכנו באמצעות הנדסה גנטית מים (18.2 MΩ ס מ 25 ° c). פתרונות מוכנים היו מסונן באמצעות מסנן גודל הנקבוביות 0.22 μm.

  1. הכנה של אשלגן כלורי פתרון
    1. להמיס 0.074 גרם אשלגן כלורי 100 מ של מים יונים.
  2. הכנת NaBH4 פתרון
    1. להמיס 0.018 גרם נתרן borohydride ב- 10 מ"ל אתנול.
  3. הכנת HAuCl4 פתרון
    1. להמיס 0.010 גרם אשלגן כלורי 1 מ"ל של 1% chloroauric תמיסה חומצית.
  4. הכנת גומי סיליקון
    1. מערבבים גומי סיליקון המכילה בחלק א', חלק ב' (ראה טבלה של חומרים) ביחס של 1:1 לפי נפח.
    2. השתמש גומי סיליקון מעורב כדי לצייר אזור תגובה על השקופית מיד בתקופת סיר 1 דקות.
    3. לרפא את גומי סיליקון מוכן בשקופית במשך 5 דקות.
  5. הכנה של חלקיקי זהב30
    1. להוסיף 4.8 מ ל חומצה chloroauric עם שבר מסה של 1% 40 מיליליטר מים יונים עם בחישה נמרצת.
    2. מחממים את הפתרון לרתיחה.
    3. להוסיף 10 מ של פתרון ציטראט trisodium עם שבר מסה של 1% במהירות לתוך הפתרון.
    4. מחממים את הפתרון 15 דקות נוספות עד הפתרון הסופי יהיה בצבע אדום.
      הערה: במקרה שלנו, הפתרון חומצה chloroauric במהירות נוכה ציטראט trisodium, זה היה ציין כי הפתרון במהירות משתנה מברור-צהוב כהה-שחור.

2. הכנת הגדרת הניסוי

  1. הכנה של מערכת המדידה הנוכחית
    1. הפעלת מערכת המדידה הנוכחית המכיל המגבר הנוכחי (ראה טבלה של חומרים) ומערכת רכישת נתונים נמוך-רעש (ראה טבלה של חומרים)
    2. . הפעילי את מצב מתח-קלאמפ
    3. הגדר את רוחב הפס של מסנן 10 קילו-הרץ וקצב דגימה עד 100 קילו-הרץ.
    4. להרכיב בעיצוב עצמי ספציפי תוצרת בית נחושת כלוב להתגונן. רעש חיצוני עבור תאים ניסיוני, קדם מגבר על המיקרוסקופ הפוך (ראה טבלה של חומרים).
    5. פרוק הקליפה של כלוב פאראדיי, קליפות של מגבר, ומערכת מיקרוסקופ הפוכה.
  2. ההתקנה של מערכת זיהוי כהה-שדה
    1. מהדור nanotip זהב פנימה nanopipette מנוטרת על ידי מיקרוסקופ שדה – כהה.
      הערה: מערכת מיקרוסקופ הפוך (ראה טבלה של חומרים) משמש לקחת תמונות ואת פיזור ספקטרה. מצלמה מצלמות דיגיטלית בצבעים אמיתיים הוא מועסק תמונות של האלקטרודה nanopipette ו- nanopore. הקבל כהה-שדה [מפתח נומרי (NA) = 0.8-0.95)] מנוצל כדי ליצור תאורה של שדה אפל. 10 X (NA = 0.3), 20 X (NA = 0.45), 40 X (NA = 0.6) מטרות משמשים כדי לאסוף תמונות של WNE סגור-סוג. קרינה פלואורסצנטית זיהוי משמש לאימות נוסף אם קיימים פערים בין nanotip לבין הדופן הפנימית של nanopipette. ניסוי זה מבוצע על ידי אחר EMCCD (ראה טבלה של חומרים) משולב גם על המיקרוסקופ הפוכה, האור עירור הוא מנורת כספית מובנה עם מסנן פס-פס של 450 – 490 nm.

3. ייצור של WNE מסוג סגור

  1. ייצור של nanopipettes
    1. הכניסו הנימים קוורץ (ראה טבלה של חומרים) שפופרת צנטרפוגה 15 מ"ל מלא עם אצטון 10 דקות של ניקוי אולטראסוניות.
    2. יוצקים את אצטון, ולאחר מכן הוספת אתנול לתוך הצינור צנטריפוגה אותו.
    3. שמכניסים את נקז צנטריפוגה אולטראסאונד 10 דקות של ניקיון.
    4. מכניסים את נימי הדם עוד צינור צנטריפוגה 15 מ"ל מים יונים הסרה של האתנול, עם 10 דקות של שטיפה.
    5. ללא הרף אולטרה סאונד נקי הנימים שלוש פעמים עם יונים מים כדי להסיר האתנול שיורית.
    6. יבש את נימי הדם באמצעות זרם גז חנקן.
    7. שמור את הנימים שפופרת צנטרפוגה חדש, נקי.
    8. להפעיל את פולר לייזר של2 CO (ראה טבלה של חומרים)
    9. מחממים את פולר למשך 15-20 דקות להבטיח כוח לייזר יציב.
    10. התקן את נימי נקי פולר.
    11. להגדיר את הפרמטרים מושך של חום, הלהט, מהירות, עיכוב, משיכת כוח בלוח של פולר לייזר2 CO בקוטר מסוים. הפרמטר מפורט עבור משיכת של nanopipette בקוטר 30 nm ב פרוטוקול זה מוצגת טבלה 1 (איור 1).
    12. לתקן את nanopipette מוכן על צלחת פטרי עם הדבק לשימוש חוזר (ראה טבלה של חומרים) עבור אפיון נוסף.
  2. ייצור של סגור-סוג WNE
    1. להחדיר μL 10 של הפתרון4 מוכן HAuCl לתוך nanopipette microloader.
    2. Centrifuge את nanopipette במשך 5 דקות ב x סביב 1878 g להסרת בועות אוויר nanopipette.
      הערה: בשלב זה, מיקמנו את nanopipette עם קצה פונה כלפי מטה לתוך בעל תוצרת בית בתוך שפופרת צנטרפוגה 2 מ"ל.
    3. לתקן את nanopipette על coverslip עם גומי סיליקון מוכן (ראה שלב 1.4) ולהגדיר בתוך nanopipette השטח כמו הצד "חבר העמים" והן בחוץ כמו הצד "טראנס".
    4. המתן 5 דקות עד הגומי הוא נרפא.
    5. נפרוס האנסמבל משולב אובייקטיבית של המיקרוסקופ הפוכה.
    6. להפעיל ולהתאים את התאורה כהה-שדה למקד את הטיפ nanopipette תחת מטרה מיקרוסקופ X 10.
    7. שנה 20 X ויעדים X 40 עבור רזולוציה מרחבית גבוהה יותר.
    8. במקום אחד אלקטרודה Ag/AgCl פנימה nanopipette.
    9. מקם את האלקטרודות Ag/AgCl ארציים אחרים לתוך הצד טרנס .
    10. להתחבר זוג אלקטרודות Ag/AgCl קדם מגבר.
    11. הפעל מערכת המדידה הנוכחית ואת התוכנה המתאימה (ראה טבלה של חומרים) עבור ההקלטה הנוכחית יוניים.
    12. להגדיר את פוטנציאל יישומי ל-300 mV.
    13. לאט לאט להוסיף 150 μL של פתרון4 NaBH לתוך הצד טרנס כדי לעורר את התגובה בין HAuCl4 NaBH4 (איור 2).
      הערה: צמצום NaBH4 בתמיסה המימית מתקיים שיעור תגובה אלימה. לכן, הדור של H2 מן ההפחתה של NaBH4 עלול לגרום מבנה פגום של nanotip על ידי הדור של חללים במהלך הגידול nanotip זהב.
    14. במקביל, חשמלית, שטיחות להקליט את המעקב הנוכחי ואת השדה כהה תמונה/פיזור ספקטרה באמצעות הנוכחי מדידה, כהה-שדה זיהוי מערכות (איור 3).
      הערה: הפתרון אתנול הוא תנודתי בתאורה שדה אפל. שים לב לנפח של אתנול במהלך תהליך ייצור.
    15. כבה את פוטנציאל יישומי לאחר יוניים הנוכחי עקיבה בחזרה ל- 0 הפלסטינית.
    16. לשטוף את מוכנה יונים סגור-סוג WNE עם זורמים מים מלמטה עד הקצה.
  3. אפיון סגור-סוג WNE
    1. לאפיין סגור-סוג WNE עם מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM), וזו שיטה כללית פלואורסנציה nanopipettes22,31,32,33,34 .
    2. להשתמש ניסוי פלורסנט של יון סידן כדי לוודא התנאי איטום של nanotip זהב פנימה nanopipette.
      1. מזריקים μL 10 בפתרון2 CaCl לתוך הצד cis סגור מסוג WNE ו- Fluo-8 הפתרון לתוך הצד טרנס .
      2. להתחבר האלקטרודות Ag/AgCl headstage.
    3. החלת דעה קדומה mV 400 פוטנציאליים ולהשתמש את EMCCD (ראה טבלה של חומרים) כדי לפקח על התגובה זריחה באזור עצה. השתמש מיקוד קרן יונים (שיקרתי) לפסל את WNE סגור-סוג מהקצה אל החלק התחתון, ואז לקבוע את האורך של שכבת מתכת פנים או nanotip עם אפיון SEM.
  4. ננו-חלקיק יחיד התנגשות עם סגר-סוג WNE
    1. לשנות את הפתרון בדפנות טרנס ו- cis פתרון אשלגן כלורי לאחר ייצור של WNE סגור-סוג.
    2. העברת μL 50 בפתרון nanoparticle זהב 30 ננומטר לתוך הצד טרנס . להקליט את האות הנוכחי של ננו-חלקיק יחיד אירועי התנגשות פוטנציאלית של 300 mV (איור 5).
    3. לשנות את מתח המופעל כדי לנטר את תדירות משרעת, שינוי צורה של האות הנוכחי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

נדגים בגישה נתיישב כדי לבדות מוגדרים היטב 30 nm nanopore אלחוטית אלקטרודה בהתבסס על nanopipette חרוט קוורץ. הזיוף של nanopipette הוא הפגין איור 1, הכולל שלושה שלבים עיקריים. Microcapillary של הקוטר הפנימי של 0.5 מ מ, קוטר חיצוני של 1.0 מ מ קבוע של פולר, ולאחר מכן לייזר ממוקדת במרכז נימי להמיס את הקוורץ. על-ידי החלת כוחות המסופים של נימי, זה סוף סוף מפריד ויוצר שני חלקים עם טיפים חרוט ננו. הפרמטרים מושך הינם מסופקים בכל טבלה 1 עבור בדיית nanopipettes 30 ננומטר במעבדה שלנו. יצוין, כי הפרמטרים יכול להשתנות אלו שלוחצים לייזר שונים. ניסויים מומלץ להתאים את הפרמטרים על פי עוצמת הלייזר, טמפרטורה, לחות. לאחר פבריקציה נוספת, אפיון SEM נדרש כדי לוודא הקוטר האמיתי של nanopipette.

איור 2 מציג את התהליך של יצירת nanotip זהב בתוך הטיפ nanopipette לאחר תהליך מושך. ראשית, AuCl4– פנימה nanopipette באופן עקבי מקוצצת BH4– ליצירת nanotip של זהב עד הפתיחה של nanopipettes חסומה לחלוטין. לאחר מכן, אלקטרוכימיה דו קוטבית מקדם צמיחה נוספת של nanotip זהב. השתמשנו מערכת איפיון בחיי עיר לעקוב אחר תהליך ייצור WNE מסוג סגור על ידי הקלטה בו זמנית של הנוכחי תגובה, כהה-שדה התמונות (איור 3). באשר האפיון SEM, איור 4 מציגה מבט מלמעלה SEM תמונות של nanopipette חשופות, סגור-סוג WNE. לאחר פיצול שטויות מספק תמונת SEM תצוגה בצד המורפולוגיה של nanotip זהב בתוך WNE סגור-סוג. בניסויים התנגשות יחיד-ננו-חלקיק, חלקיקי זהב נוספים לצד חוצה WNE. ביצועים רעש מצטיינים של קיין זו חושפת את האותות מוסתר עם תדירות גבוהה אות (איור 5).

Figure 1
איור 1: ייצור של nanopipettes. ההליך עבור ייצור הוא כדלקמן: שלב 1) להתקין microcapillary פולר לייזר; שלב 2) חום אמצע נימי עם לייזר2 CO, הפעלת כוח בקצות נימי למשוך אותו; שלב 3) נימי כהה ההולך וצר למטה ומפריד לתוך שני nanopipettes סימטרי בעוד שניות אחדות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: ייצור של WNE סגור-סוג. שלב 1) HAuCl4 ו- NaBH4 פתרונות נוספים צדי cis וחוצה nanopipette, בהתאמה. AuCl4– הוא מופחת על ידי BH4– להפקת זהב-כגדולים nanopipette. שלב 2) לאחר כגדולים חסומה על-ידי זהב שנוצר, אלקטרוכימי התגובה דו-קוטבי מתקיים עם פוטנציאל יישומי לצמיחה נוספת של nanotip זהב. שלב 3) א סגור-סוג WNE סוף סוף מפוברק באורך מיקרומטר nanotip זהב. דמות זו שונתה בהיתר העבודה הקודמת25. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: ניטור חשמלי בו זמנית ורישום פיזור במהלך סגור-סוג WNE פבריקציה נוספת. (א) לאחר תוספת של NaBH4 בצד חוצה nanopipette, הזרם טיפות מיד מ-0 הפלסטינית. לאחר מכן, המעקב הנוכחי חווה מעבר מהיר עקב הדור של זהב. לאחר ~ 150 s, הנוכחי מחזירה 0 הפלסטינית, הוכחת חסימה מלאה של nanopipette. (B) תמונות כהה-שדה במהלך ייצור WNE ב timepoints המקביל 0 s, 10 s, 100 s, ו- 150 s. דמות זו שונתה בהיתר העבודה הקודמת25. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: אפיוני SEM של nanopipette ו- WNE מסוג סגור. (א) תמונת SEM מבט מלמעלה של nanopipette משך בקוטר של 30 ננומטר. (B) מבט מלמעלה תמונת SEM של WNE סגור-סוג בקוטר של 30 ננומטר. (ג) תמונה תצוגה SEM בצד של WNE סגור-סוג אחרי שיקרתי פיצול מהקצה לחלק האחורי של nanopipette. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: יחיד nanoparticle זיהוי התנגשויות עם WNE סגור-סוג. (א) 30 ננומטר זהב חלקיקים נוספים הפתרון לצד טראנס . זוג אלקטרודות Ag/AgCl מועסקים ליישם פוטנציאל הסטייה של 300 mV. הוספה: אות ספייק טיפוסי של התנגשות nanoparticle זהב 30 ננומטר. (B) הנוכחי מעקב ללא חלקיקים, לאחר תוספת של 30 ננומטר זהב חלקיקים בצד חוצה WNE סגור-סוג. דמות זו שונתה בהיתר העבודה הקודמת25. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 להשתנות עבור אלו שלוחצים פיפטה שונים. הסביבה טמפרטורה ולחות יכול להשפיע גם הקוטר סופי של nanopipette.

לאחר ייצור של nanopipette, תגובה כימית יוצר את nanotip מוצק פנימה nanopipette. ב פרוטוקול זה, nanotip זהב נוצר על ידי הפחתת HAuCl4; nanotips מתכת אחרים יכול להיות מפוברק על ידי עיצוב תגובות המתאימים. לאחר חסימה מלאה של קצה nanopipette, קיטוב אלקטרוכימי של nanotip זהב שנוצר מקדם הצמיחה נוספות על פי אלקטרוכימיה הפרעה דו קוטבית. מערכת איפיון אלקטרו-אופטיים מקומיים ואז נבנה כדי להשיג הקלטות סימולטני של עקבות הנוכחי ומידע אופטי בתהליך הצמיחה של nanotip זהב.

על אפיון, זיהוי קרינה פלואורסצנטית יון סידן מסייעת לאמת אם נוצר הפער בין הקיר הפנימי של פיפטה של nanotip זהב. WNE סגור-סוג מוגדר היטב, האזור עצה צריך להיות תמיד כהים בתמונה זריחה. בנוסף, SEM ניתן לאפיין גם nanopipette וגם WNE סגור-סוג. שיקרתי עשוי להיות מועסק לפסל לאורך sidewall של WNE סגור-סוג לחשוף מתכת פנימית הדמיה SEM עוקבות. לכן, המבנה הפנימי לאורכה של קרוב-סוג WNE יכול להיקבע. בעקבות אפיון שלו, WNE סגור-סוג ועשוי היטב הוא מסוגל לשמש ליישומים עוד יותר.

פרוטוקול זה עבור סוג סגור WNE סוללת נתיב חדש למדידות אלקטרוכימיות של חלקיקים יחיד עם הפארמצבטית גבוהה. עם זאת, יש עדיין כמה אתגרים והמגבלות בתהליך ייצור. המגבלה הראשונה כרוכה הקוטר של קצה nanopipette. באופן תיאורטי, כאשר הקוטר עצה יורדת לגודל מולקולה בודדת, הפתרון הנוכחי יכול להיות דרמטי משופרת. עם זאת, זה מאתגר למשוך של nanopipette בקוטר גיל 30 ננומטר עם האסטרטגיה מושך הקיים.

ניתן להרחיב את הפוטנציאל של פרוטוקול WNE זה סגור-סוג ליישומים מעשיים ב- nanosensing. על ידי שילוב nanoelectrodes מסורתית עם מיקרוסקופ אלקטרוכימי סריקה, WNE סגור-סוג יכול לחשוף מיפוי אלקטרוכימי דינמי עבור כמה מיוחד 2-ד/3-ממד ננו. יתר על כן, הפיזור תהודה plasmonic של nanotip זהב ניתן להבחין בו זמנית את תהליך העברת אלקטרונים על ידי חשמל readout והן ההקלטה אופטיים. בזכות תכונותיו גיאומטרי, WNE מסוג סגור עם nanotip חרוט מתאים לניתוח הסלולר עם נזק מכני נמוך.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים אין קונפליקטים של אינטרסים.

Acknowledgments

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

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

כימיה גיליון 145 Nanopore nanopore אלחוטית אלקטרודה חלקיקים בודדים חלקיקי זהב ישות אחת אלקטרוכימי מוגבל חישה
אלקטרודה Nanopore אלחוטית מסוג סגור לניתוח חלקיקים יחיד
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