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Chemistry

एकल नैनोकणों के विश्लेषण के लिए एक बंद प्रकार का बेतार नैनोपोर इलेक्ट्रोड

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

यहां, हम एक बंद प्रकार के निर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल वर्तमान वायरलेस नैनोपोर इलेक्ट्रोड और बाद में एकल नैनोलेख collisions के विद्युत रासायनिक माप ।

Abstract

नैनोइलेक्ट्रोकैमिस्ट्री द्वारा एकल नैनोकणों की आंतरिक विशेषताओं को मापने से गहरे मौलिक महत्त्व का आकलन होता है और नैनोसाइंस में संभावित प्रभाव पड़ता है । हालांकि, इलेक्ट्रोकेमिकल एकल नैनोकणों का विश्लेषण चुनौतीपूर्ण है, के रूप में संवेदन नैनोकणों बेकाबू है । इस चुनौती का पता करने के लिए, हम यहां का निर्माण और एक बंद-प्रकार के लक्षण वर्णन वायरलेस ट्विटर इलेक्ट्रोड (wne) है कि एक उच्च नियंत्रणीय आकारिकी और बकाया reproducibility दर्शाती का विवरण । wne के सतही निर्माण एक सामांय रसायन प्रयोगशाला में एक साफ कमरे और महंगे उपकरणों के उपयोग के बिना अच्छी तरह से परिभाषित nanoइलेक्ट्रोड की तैयारी में सक्षम बनाता है । एक 30 एनएम बंद का एक आवेदन-मिश्रण में एक सोने नैनोकणों के विश्लेषण में प्रकार wne भी प्रकाश डाला गया है, जो ०.६ फिलीस्तीनी अथॉरिटी और ०.०१ एमएस के उच्च लौकिक संकल्प के एक उच्च वर्तमान संकल्प से पता चलता है उनके उत्कृष्ट आकारिकी और छोटे के साथ व्यास, बंद प्रकार WNEs के अधिक संभावित अनुप्रयोगों नैनोलेख लक्षण वर्णन से एकल अणु/आयन का पता लगाने और एकल सेल जांच करने के लिए विस्तारित किया जा सकता है ।

Introduction

नैनोकणों अपने उत्प्रेरक की क्षमता, विशेष रूप से ऑप्टिकल सुविधाओं, इलेक्ट्रोसक्रियता, और उच्च सतह से मात्रा अनुपात1,2,3, के रूप में विविध सुविधाओं के कारण जबरदस्त ध्यान आकर्षित किया है 4. एकल नैनोकणों के विद्युत रासायनिक विश्लेषण नैनोस्केल स्तर पर आंतरिक रासायनिक और विद्युत रासायनिक प्रक्रियाओं को समझने के लिए एक प्रत्यक्ष विधि है । एकल नैनोकणों के अत्यधिक संवेदनशील माप को प्राप्त करने के लिए, दो विद्युत रासायनिक दृष्टिकोण पहले से बाहर वर्तमान प्रतिक्रियाएं5,6,7से nanoparticles जानकारी पढ़ने के लिए लागू किया गया है । इन तरीकों में से एक को immobilizing या नैनोइलेक्ट्रोड के इंटरफेस पर एक व्यक्ति nanoparticle पर कब्जा करने के लिए electrocatalysis8,9के अध्ययन के लिए शामिल है । अंय रणनीति एक इलेक्ट्रोड, जो गतिशील रेडॉक्स प्रक्रिया से एक क्षणिक वर्तमान अस्थिरता उत्पंन की सतह के साथ एकल nanoparticle टकराव से प्रेरित है ।

इन विधियों के दोनों एक नेनो ultrasensitive संवेदन अंतरफलक है कि एकल नैनोकणों के व्यास से मेल खाता है की आवश्यकता है । हालांकि, nanoइलेक्ट्रोड के पारंपरिक निर्माण मुख्य रूप से सूक्ष्म विद्युत प्रणालियों (MEMS) या लेजर खींच तकनीक है, जो थकाऊ और unअनुशासनयोग्य10,11,12, शामिल किया गया है 13. उदाहरण के लिए, nanoइलेक्ट्रोड के MEMS आधारित निर्माण महंगा है और एक साफ कमरे के उपयोग की आवश्यकता है, बड़े पैमाने पर उत्पादन और nanoइलेक्ट्रोड के लोकप्रिय सीमित. दूसरी ओर, nanoइलेक्ट्रोड के लेजर पुलिंग निर्माण सील और केशिका के अंदर एक धातु तार की खींच के दौरान ऑपरेटरों के अनुभव पर काफी निर्भर करता है । यदि धातु तार अच्छी तरह से केशिका में बंद नहीं है, नैनोपिपेटाइट और तार की भीतरी दीवार के बीच अंतर नाटकीय रूप से अतिरिक्त पृष्ठभूमि वर्तमान शोर परिचय कर सकते है और electroactive संवेदन क्षेत्र में इजाफा । ये कमियां काफी हद तक नैनोइलैक्ट्रोड की संवेदनशीलता को कम करते हैं । दूसरी ओर, एक अंतराल के अस्तित्व इलेक्ट्रोड क्षेत्र विस्तार और नैनोइलेक्ट्रोड की संवेदनशीलता को कम कर सकते हैं. एक परिणाम के रूप में, यह एक निर्माण प्रक्रिया14,15में बेकाबू इलेक्ट्रोड morphologies के कारण एक reproducible प्रदर्शन की गारंटी मुश्किल है । इसलिए, नैनोइलेक्ट्रोड्स की एक सामान्य निर्माण विधि उत्कृष्ट पुनरुद्ग्रहणशीलता के साथ एक नैनोकणों की आंतरिक विशेषताओं के इलेक्ट्रोकेमिकल अन्वेषण की सुविधा के लिए तत्काल आवश्यक है ।

हाल ही में, नैनोपोर तकनीक एकल अणु विश्लेषण के लिए एक सुरुचिपूर्ण और लेबल मुक्त दृष्टिकोण के रूप में विकसित किया गया है16,17,18,19,20. अपने नियंत्रणीय निर्माण के कारण, नैनोपिपेटे एक वर्दी व्यास के साथ एक लेजर केशिका डांड़ी द्वारा 30-200 एनएम से लेकर21,22,23,24 . इसके अलावा, यह सरल और पुनर्प्राप्य निर्माण प्रक्रिया नैनोपिपेटाइट का सामान्यीकरण सुनिश्चित करता है । हाल ही में, हम एक वायरलेस नैनोपोर इलेक्ट्रोड (WNE), जो नैनोपिपेटाइट के अंदर एक धातु के तार की सीलिंग की आवश्यकता नहीं है का प्रस्ताव रखा । एक नया और पुनरुद्धारक निर्माण प्रक्रिया के माध्यम से, wne नैनो के भीतर एक नैनोस्केल धातु जमाव के पास एक इलेक्ट्रोएक्टिव इंटरफेस बनाने के लिए25,26,27,28 . चूंकि WNE एक अच्छी तरह से परिभाषित संरचना और अपने confinements की एक समान आकृति विज्ञान के पास है, यह उच्च कालिक संकल्प के रूप में के रूप में अच्छी तरह से कम प्रतिरोध-समाई (आर सी) समय के लिए निरंतर के रूप में के रूप में अधिक वर्तमान संकल्प प्राप्त करता है । हम पहले WNEs के दो प्रकार की सूचना, खुले प्रकार और बंद प्रकार, एक इकाई विश्लेषण को साकार करने के लिए । खुले प्रकार WNE एक नैनोपिपेट, जो आयनिक वर्तमान प्रतिक्रिया26करने के लिए एक एकल इकाई के faradic वर्तमान धर्मांतरित की भीतरी दीवार पर जमा एक नैनोमेटल परत कार्यरत हैं । आमतौर पर, एक खुले प्रकार WNE के व्यास के आसपास १०० एनएम है । आगे WNE के व्यास को कम करने के लिए, हम बंद प्रकार WNE, जिसमें एक ठोस धातु नैनोटिप पूरी तरह से एक रासायनिक विद्युत दृष्टिकोण के माध्यम से nanopipette टिप पर कब्जा प्रस्तुत किया । इस विधि तेजी से एक नैनोपोर कारावास के अंदर एक 30 एनएम गोल्ड नैनोटिप उत्पंन कर सकते हैं । एक बंद प्रकार WNE के टिप क्षेत्र में अच्छी तरह से परिभाषित अंतरफलक एक उच्च संकेत करने वाली एकल नैनोकणों की विद्युत माप के लिए शोर अनुपात सुनिश्चित करता है । के रूप में एक आरोप लगाया सोने nanoparticle बंद प्रकार wne, एक ultrafast टिप इंटरफ़ेस पर चार्ज निर्वहन प्रक्रिया के साथ टकरा ईओण वर्तमान ट्रेस में एक capacitive प्रतिक्रिया प्रतिक्रिया (cfr) लाती है । 29के अंदर धातु के तार के साथ एक नैनोइलेक्ट्रोड के माध्यम से पिछले एक nanoparticle टकराव अध्ययन की तुलना में, बंद प्रकार wne ०.६ pa ± ०.१ पीए (RMS) और ०.०१ ms के उच्च लौकिक संकल्प के एक उच्च वर्तमान संकल्प दिखाया ।

इसके साथ ही, हम एक बंद प्रकार WNE कि अत्यधिक नियंत्रित आयामों और बकाया reproducibility है के लिए एक विस्तृत निर्माण प्रक्रिया का वर्णन । इस प्रोटोकॉल में, aucl4के बीच एक सरल प्रतिक्रिया- और BH4- एक सोने की nanotip है कि पूरी तरह से एक नैनोपिपेटाइट के छिद्र ब्लॉक बनाया गया है । फिर, द्विध्रुवी इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री एक गोल्ड नैनोटिप के निरंतर विकास के लिए अपनाई जाती है जो नैनोपिपेटाइट के अंदर कई माइक्रोमीटर की लंबाई तक पहुंचती है । यह सरल प्रक्रिया इस नैनोइलेक्ट्रोड निर्माण, जो एक साफ कमरे और महंगे उपकरणों के बिना किसी भी सामान्य रसायन प्रयोगशाला में किया जा सकता है के कार्यांवयन के लिए सक्षम बनाता है । आकार, आकृति विज्ञान, और एक बंद प्रकार WNE की भीतरी संरचना का निर्धारण करने के लिए, इस प्रोटोकॉल एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) और प्रतिदीप्ति स्पेक्ट्रोस्कोपी के उपयोग के साथ एक विस्तृत लक्षण वर्णन प्रक्रिया प्रदान करता है । एक ताजा उदाहरण है, जो सीधे सोने नैनोकणों (aunps) के आंतरिक और गतिशील बातचीत एक बंद प्रकार wne के नैनोकणों की ओर टकराने उपायों पर प्रकाश डाला है । हम मानते है कि बंद प्रकार WNE रहने वाले कोशिकाओं, नैनो, और एकल निकाय के स्तर पर सेंसर के भविष्य के इलेक्ट्रोकेमिकल अध्ययन के लिए एक नया रास्ता प्रशस्त हो सकता है ।

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Protocol

1. समाधान की तैयारी

नोट: सभी रसायनों के लिए सामांय सुरक्षा सावधानियों पर ध्यान देना । एक धूआं हुड में रसायनों के निपटान, और दस्ताने, काले चश्मे पहनते हैं, और एक प्रयोगशाला कोट । ज्वलनशील तरल पदार्थ को आग या स्पार्क्स से दूर रखें । सभी जलीय समाधान ultrapure पानी (१८.२ MΩ 25 डिग्री सेल्सियस पर सेमी) का उपयोग कर तैयार किया गया था । तैयार समाधान एक ०.२२ μm ताकना-आकार फिल्टर का उपयोग कर फ़िल्टर किया गया ।

  1. केसीएल समाधान की तैयारी
    1. विआयनीकृत पानी की १०० मिलीलीटर में पोटेशियम क्लोराइड के ०.०७४ ग्राम भंग ।
  2. नभ4 हल की तैयारी
    1. इथेनॉल के 10 मिलीलीटर में सोडियम बोरोहाइड्राइड के ०.०१८ जी भंग ।
  3. हयूसीएल4 समाधान की तैयारी
    1. 1% chloroauric एसिड समाधान के 1 मिलीलीटर में पोटेशियम क्लोराइड के ०.०१० ग्राम भंग ।
  4. की तैयारी सिलिकॉन रबर
    1. मिश्रण सिलिकॉन भाग एक और भाग बी युक्त रबर ( सामग्री की मेजदेखें) 1:1 के अनुपात में मात्रा से ।
    2. मिश्रित सिलिकॉन रबर का प्रयोग करें स्लाइड में एक प्रतिक्रिया क्षेत्र तुरंत 1 मिनट के पॉट समय के दौरान पेंट ।
    3. 5 मिनट के लिए स्लाइड पर तैयार सिलिकॉन रबर का इलाज ।
  5. सोने के नैनोकणों की तैयारी30 को
    1. ४.८ मिलीलीटर क्लोरोऑरिक एसिड की एक सामूहिक अंश के साथ जोड़ें 1% की ४० मिलीलीटर में जोरदार सरगर्मी के साथ विआयनीकृत पानी ।
    2. एक फोड़ा करने के लिए समाधान गर्मी ।
    3. जल्दी से समाधान में 1% की एक सामूहिक अंश के साथ एक trisodium साइट्रेट समाधान के 10 मिलीलीटर जोड़ें ।
    4. एक अतिरिक्त 15 मिनट के लिए समाधान गर्मी अंतिम समाधान रंग में लाल है जब तक ।
      नोट: हमारे मामले में, क्लोरोऑरिक एसिड समाधान तेजी से trisodium साइट्रेट द्वारा कम किया गया था, और यह पाया गया कि समाधान तेजी से स्पष्ट-पीले से काले काले करने के लिए बदल दिया ।

2. प्रयोगात्मक सेटअप की तैयारी

  1. वर्तमान मापन प्रणाली की तैयारी
    1. वर्तमान एंपलीफायर युक्त मौजूदा माप प्रणाली को चालू करें ( सामग्री की तालिकादेखें) और कम शोर डेटा अर्जन प्रणाली ( सामग्री की तालिकादेखें)
    2. वोल्टेज दबाना मोड पर स्विच करें ।
    3. 10 kHz और १०० kHz करने के लिए नमूना दर के लिए फिल्टर बैंडविड्थ सेट करें ।
    4. एक आत्म डिजाइन विशिष्ट घर का बना तांबे के पिंजरे के लिए बाह्य शोर को ढाल के लिए प्रयोगात्मक कोशिकाओं और पूर्व प्रवर्धक उल्टे माइक्रोस्कोप पर ( सामग्री की मेजदेखें) ।
    5. फैराडे केज, एम्पलीफायर के गोले, और उल्टे माइक्रोस्कोप सिस्टम का शेल पिसे ।
  2. डार्क-फील्ड डिटेक्शन सिस्टम का सेटअप
    1. नैनोपिपेटाइट के अंदर सोने की नैनो का उत्पादन डार्क-फील्ड माइक्रोस्कोप द्वारा मॉनीटर किया जाता है ।
      नोट: एक उल्टे माइक्रोस्कोप प्रणाली ( सामग्री की मेजदेखें) छवियों और तितर बितर स्पेक्ट्रा लेने के लिए प्रयोग किया जाता है. एक सच्चे रंग डिजिटल सीसीडी कैमरा नैनोपिपेटाइट और नैनोपोर इलेक्ट्रोड की छवियों को लेने के लिए कार्यरत है । एक अंधेरे क्षेत्र कंडेनसर [संख्यात्मक एपर्चर (NA) = 0.8 – 0.95)] एक अंधेरे क्षेत्र रोशनी बनाने के लिए उपयोग किया जाता है । 10X (NA = ०.३), 20X (एनए = ०.४५), और 40X (NA = ०.६) उद्देश्य बंद प्रकार WNE की छवियों को इकट्ठा करने के लिए उपयोग किया जाता है । प्रतिदीप्ति संसूचन का प्रयोग आगे सत्यापित करने के लिए किया जाता है कि नैनो और नैनोपिपेटाइट की भीतरी दीवार के बीच अंतराल है । यह प्रयोग एक और EMCCD द्वारा किया जाता है ( सामग्री की मेजदेखें) भी उल्टे माइक्रोस्कोप पर एकीकृत, और उत्तेजन प्रकाश एक बैंड के साथ एक निर्मित पारा लैंप है-450 के पास फिल्टर-490 एनएम ।

3. बंद प्रकार WNE के निर्माण

  1. नैनोपिपेटीस का निर्माण
    1. क्वार्ट्ज केशिकाओं रखो ( सामग्री की मेजदेखें) एक 15 मिलीलीटर केन्द्रापसारक ट्यूब एसीटोन के साथ अल्ट्रासोनिक सफाई के 10 मिनट के लिए भरा ।
    2. एसीटोन बंद डालो, तो एक ही सेंट्रीफ्यूज ट्यूब में इथेनॉल जोड़ें ।
    3. सफाई के 10 मिनट के लिए एक अल्ट्रासोनिक क्लीनर में सेंट्रीफ्यूज ट्यूब रखो ।
    4. इथेनॉल को हटाने के लिए विआयनीकृत पानी के साथ एक और 15 मिलीलीटर सेंट्रीफ्यूज ट्यूब में केशिकाओं रखो, अल्ट्रासोनिक सफाई के 10 मिनट के साथ ।
    5. लगातार अल्ट्रासोनिक केशिकाओं साफ अवशिष्ट इथेनॉल को दूर करने के लिए विआयनीकृत पानी के साथ तीन बार ।
    6. नाइट्रोजन गैस स्ट्रीम का उपयोग कर केशिकाओं सूखी ।
    7. एक नई, साफ सेंट्रीफ्यूज ट्यूब में केशिकाओं रखो ।
    8. सीओ2 लेजर खींचने पर बारी ( सामग्री की मेजदेखें)
    9. Preheat 15-20 मिनट के लिए खींचने के लिए एक स्थिर लेजर शक्ति सुनिश्चित करने के लिए ।
    10. डांड़ी में साफ केशिका स्थापित करें ।
    11. गर्मी, रेशा, वेग, देरी के खींच मापदंडों सेट, और एक विशिष्ट व्यास के लिए सह2 लेजर खींचने के पैनल पर बल खींच । इस प्रोटोकॉल में 30 एनएम व्यास नैनोपिपेटाइट खींचने के लिए विस्तृत पैरामीटर तालिका 1 (चित्र 1) में दिखाया गया है ।
    12. आगे के लक्षण वर्णन के लिए ( सामग्री की मेजदेखें) पुन: प्रयोज्य चिपकने वाला एक पेट्री डिश पर तैयार नैनोपिपेटाइट ठीक करें ।
  2. के निर्माण बंद-प्रकार WNE
    1. एक माइक्रोलोडर के साथ नैनोपिपेटाइट में तैयार HAuCl4 समाधान के 10 μl सुई ।
    2. नैनोपिपेटाइट में वायु बुलबुले को हटाने के लिए लगभग १८७८ x g पर 5 मिनट के लिए नैनोपिपेटाइट सेंट्रीफ्यूज ।
      नोट: इस कदम के लिए, हम एक 2 मिलीलीटर सेंट्रीफ्यूज ट्यूब के भीतर एक घर का बना धारक में नीचे का सामना करना पड़ टिप के साथ nanopipette रखा ।
    3. तैयार सिलिकॉन रबर के साथ एक coverslip पर नैनोपिपेटाइट फिक्स (कदम १.४ देखें) और "सीआईएस" पक्ष के रूप में और बाहर "पार" पक्ष के रूप में नैनोपिपेटे के अंदर क्षेत्र को परिभाषित ।
    4. जब तक रबड़ ठीक हो जाए तब तक 5 मिनट प्रतीक्षा करें ।
    5. उल्टे माइक्रोस्कोप की वस्तुनिष्ठ सारणी पर एकीकृत एनसेंबल रखो.
    6. चालू करें और एक 10X माइक्रोस्कोप उद्देश्य के तहत नैनोपिपेटाइट टिप ध्यान केंद्रित करने के लिए अंधेरे क्षेत्र रोशनी समायोजित करें ।
    7. एक उच्च स्थानिक संकल्प के लिए 20X और 40X उद्देश्यों के लिए बदलें ।
    8. नैनोपिपेटाइट के अंदर एक एजी/एसीएल इलेक्ट्रोड लगाएं ।
    9. अन्य कूटी एजी/एसीएल इलेक्ट्रोड को ट्रांस साइड में रखें ।
    10. एजी/एजीसीएल इलेक्ट्रोड की एक जोड़ी को पूर्व प्रवर्धक से कनेक्ट करें ।
    11. वर्तमान माप प्रणाली और इसी सॉफ्टवेयर ( सामग्री की मेजदेखें) आयनिक वर्तमान रिकॉर्डिंग के लिए चालू करें ।
    12. ३०० mV करने के लिए लागू क्षमता सेट करें ।
    13. धीरे से पार पक्ष में नभ4 समाधान के १५० Μl जोड़ें haucl4 और नभ4 के बीच प्रतिक्रिया को ट्रिगर करने के लिए (चित्रा 2).
      नोट: जलीय विलयन में नभ4 की कमी हिंसक अभिक्रिया दर पर घटित होती है । इसलिए, एच2 के उत्पादन नभ4 की कमी से सोने नैनोटिप विकास के दौरान cavities की पीढ़ी के द्वारा नैनोटिप की एक दोषपूर्ण संरचना पैदा कर सकता है ।
    14. इसके साथ ही, विद्युत और ऑप्टीकली वर्तमान माप और डार्क-फील्ड डिटेक्शन सिस्टम (चित्र 3) का उपयोग करके वर्तमान ट्रेस और डार्क-फील्ड इमेज/कैटरिंग स्पेक्ट्रा रिकॉर्ड करते हैं ।
      नोट: इथेनॉल समाधान अंधेरे क्षेत्र रोशनी के तहत अस्थिर है । निर्माण प्रक्रिया के दौरान इथेनॉल की मात्रा पर ध्यान देना ।
    15. लागू करने के बाद ईओण वर्तमान 0 फिलीस्तीनी अथॉरिटी वापस पता लगाने की क्षमता बंद करें ।
    16. तैयार बंद-प्रकार wne नीचे से टिप करने के लिए बहती विआयनीकृत पानी के साथ धो लें ।
  3. के लक्षण वर्णन बंद-प्रकार WNE
    1. एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) के साथ बंद प्रकार wne, जो नैनोपिप्ट्स के लक्षण वर्णन के लिए एक सामान्य तरीका है22,31,३२,३३,३४ .
    2. नैनोपिपेटाइट के अंदर गोल्ड नैनोटिप की सीलिंग की स्थिति सत्यापित करने के लिए कैल्शियम आयन फ्लोरोसेंट प्रयोग का प्रयोग करें ।
      1. पार पक्ष में बंद प्रकार wne और fluo-8 समाधान के सीआईएस पक्ष में cacl2 समाधान के 10 μl सुई ।
      2. Ag/AgCl इलेक्ट्रोड को हेडस्टेज से कनेक्ट करें ।
    3. एक ४०० mV पूर्वाग्रह क्षमता लागू करें और EMCCD का उपयोग करें ( सामग्री की मेजदेखें) टिप क्षेत्र में प्रतिदीप्ति प्रतिक्रिया की निगरानी करने के लिए. का प्रयोग करें फोकस आयनों बीम (FIB) के लिए नीचे टिप से बंद प्रकार WNE खोदना, तो आंतरिक धातु परत या SEM लक्षण वर्णन के साथ nanotip की लंबाई निर्धारित करते हैं ।
  4. बंद प्रकार WNE के साथ एकल नैनोपलेख टकराव
    1. ट्रांस और सीआईएस पक्षों में समाधान बंद प्रकार wne के निर्माण के बाद एक kcl समाधान करने के लिए बदलें ।
    2. ट्रांस साइड में 30 एनएम गोल्ड नैनोपलेख सॉल्यूशन का ५० Μl ट्रांसफर । ३०० mV की क्षमता पर एकल nanoparticle टकराव की घटनाओं के वर्तमान संकेत रिकॉर्ड (चित्रा 5).
    3. वर्तमान सिग्नल की आवृत्ति, आयाम, और आकार परिवर्तन की निगरानी करने के लिए लागू वोल्टेज बदलें ।

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Representative Results

हम एक सुपरिभाषित 30 एनएम वायरलेस नैनोपोर इलेक्ट्रोड को क्वार्ट्ज शंक्वाकार नैनोपिपेटाइट के आधार पर बनाने के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदर्शित करते हैं । एक नैनोपिपेटाइट का निर्माण चित्रा 1में प्रदर्शित किया जाता है, जिसमें तीन मुख्य कदम शामिल हैं । ०.५ मिमी और १.० मिमी के बाहरी व्यास के एक भीतरी व्यास के साथ एक microcapillary खींचने में तय है, तो एक लेजर केशिका के केंद्र पर क्वार्ट्ज पिघल करने के लिए ध्यान केंद्रित किया है । केशिका के टर्मिनलों के लिए बलों को लागू करने से, यह अंततः अलग और नेनो शंकु सुझावों के साथ दो भागों रूपों । खींच मापदंडों हमारी प्रयोगशाला में 30 एनएम नैनोपिप्ट्स fabricating के लिए तालिका 1 में प्रदान की जाती हैं । यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि मापदंडों अलग लेजर खींचने से भिंन हो सकते हैं । Experimenters लेजर शक्ति, तापमान, और नमी के अनुसार मापदंडों को समायोजित करना चाहिए । निर्माण के बाद, SEM लक्षण वर्णन नैनोपिपेटाइट के सही व्यास को सत्यापित करने के लिए आवश्यक है ।

चित्रा 2 खींच प्रक्रिया के बाद nanopipette टिप के अंदर एक सोने nanotip पैदा करने की प्रक्रिया से पता चलता है । पहले, aucl4- नैनोपिपेटे के अंदर लगातार BH 4 से कम है- एक सोने nanotip उत्पंन करने के लिए जब तक nanopipette के उद्घाटन पूरी तरह से अवरुद्ध है । फिर, द्विध्रुवी इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री गोल्ड नैनोटिप के आगे के विकास को बढ़ावा देता है । हम एक स्वस्थानी लक्षण वर्णन प्रणाली में इस्तेमाल के लिए बंद-प्रकार wne के निर्माण की प्रक्रिया की निगरानी के लिए वर्तमान प्रतिक्रिया और अंधेरे क्षेत्र छवियों की एक साथ रिकॉर्डिंग द्वारा (चित्रा 3) । SEM लक्षण वर्णन के लिए के रूप में, चित्रा 4 नंगे नैनोपिपेटे और बंद प्रकार wne के शीर्ष देखें SEM छवियों से पता चलता है । fib बंटवारे के बाद, एक पक्ष देखें SEM छवि बंद प्रकार wne अंदर सोने nanotip की आकारिकी प्रदान करता है । एकल-नैनोलेख टकराव प्रयोगों में, गोल्ड नैनोकणों को WNE के ट्रांस साइड में जोड़ दिया जाता है । इस CNE के बकाया शोर प्रदर्शन एक उच्च संकेत आवृत्ति के साथ छिपा संकेतों को उजागर करता है (चित्रा 5).

Figure 1
चित्र 1: नैनोपिपेट्स का निर्माण । निर्माण के लिए प्रक्रिया इस प्रकार है: चरण 1) एक लेजर खींचने में एक माइक्रोकेशिका स्थापित; कदम 2) एक सह2 लेजर के साथ केशिका के बीच गर्मी और केशिका के सिरों पर बल लागू करने के लिए इसे खींच; और चरण 3) केशिका नीचे tapers और कई सेकंड में दो सममित नैनोपिपेट्स में अलग करता है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: बंद प्रकार WNE के निर्माण । चरण 1) HAuCl4 और नभ4 समाधान के सीआईएस और ट्रांस नैनोपिपेटे के पक्ष में जोड़ रहे हैं, क्रमशः । aucl4- बिहार4से कम है- nanopipette छिद्र में सोना उत्पंन करने के लिए । चरण 2) के बाद छिद्र उत्पन्न सोने के द्वारा अवरुद्ध है, द्विध्रुवी विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया सोने नैनोटिप के आगे के विकास के लिए लागू की क्षमता के साथ जगह लेता है. चरण 3) एक बंद प्रकार WNE अंत में एक micrometer-लंबाई गोल्ड नैनोटिप के साथ निर्मित है । यह आंकड़ा पिछले25काम से अनुमति के साथ संशोधित किया गया है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्रा 3: एक साथ बिजली की निगरानी और कैटरिंग बंद प्रकार WNE निर्माण के दौरान रिकॉर्डिंग । (क) नैनोपिपेट्टे के ट्रांस साइड में एनएबीएच4 के अलावा, वर्तमान में 0 पीए से तुरंत गिरता है । फिर, वर्तमान ट्रेस सोने की पीढ़ी के कारण एक त्वरित संक्रमण अनुभव करता है । के बाद ~ १५० s, 0 pA करने के लिए वर्तमान रिटर्न, नैनोपिपेटाइट की पूरी रुकावट का प्रदर्शन । (ख) wne निर्माण के दौरान 0 एस, 10 एस, १०० एस, और १५० एस के इसी timepoints पर अंधेरे क्षेत्र छवियां । यह आंकड़ा पिछले25काम से अनुमति के साथ संशोधित किया गया है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4: SEM नैनोपिपेटाइट और बंद प्रकार WNE के characterizations । (क) 30 एनएम के व्यास के साथ एक खींचा नैनोपिपेटाइट की शीर्ष दृश्य SEM छवि । (ख) एक बंद-प्रकार wne के 30 एनएम के एक व्यास के साथ शीर्ष देखें SEM छवि । (ग) साइड व्यू SEM एक बंद-प्रकार wne के बाद टिप से fib बंटवारे नैनोपिपेटाइट के पीछे के लिए । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्रा 5: एक बंद प्रकार WNE साथ एकल nanoparticle टकराव का पता लगाने । (क) ट्रांस साइड सॉल्यूशन में 30 एनएम गोल्ड नैनोकणों को जोड़ा जाता है । एजी/एजीसीएल इलेक्ट्रोड की एक जोड़ी ३०० एमवी की पूर्वाग्रह क्षमता लागू करने के लिए कार्यरत हैं । संमिलित करें: एक 30 एनएम सोने nanoparticle टकराव के एक ठेठ स्पाइक संकेत । (ख) नैनोकणों के बिना एक वर्तमान ट्रेस और बंद प्रकार wne के पार पक्ष में 30 एनएम सोने नैनोकणों के अलावा । यह आंकड़ा पिछले25काम से अनुमति के साथ संशोधित किया गया है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

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Discussion

एक अच्छी तरह से परिभाषित नैनोपिपेटाइट के निर्माण बंद प्रकार WNE निर्माण प्रक्रिया में पहला कदम है । केशिका के केंद्र पर एक सह2 लेजर ध्यान केंद्रित करके, एक केशिका नेनो शंकु सुझावों के साथ दो सममित नैनोपिपेट्स में अलग करता है । व्यास आसानी से नियंत्रित किया जाता है, 30-200 एनएम से लेकर, लेजर खींचने के मापदंडों का समायोजन करके । यह उल्लेखनीय है कि खींच के लिए मापदंडों अलग पिपेट खींचने के लिए भिन्न हो सकते हैं । पर्यावरणीय तापमान और आर्द्रता भी नैनोपिपेटाइट के अंतिम व्यास को प्रभावित कर सकते हैं ।

नैनोपिपेटाइट के निर्माण के बाद, एक रासायनिक प्रतिक्रिया नैनोपिपेटाइट के अंदर ठोस नैनोटिप उत्पन्न करता है । इस प्रोटोकॉल में, एक गोल्ड नैनोटिप HAuCl4की कमी से बना है; अंय धातु नैनो युक्तियां इसी प्रतिक्रियाओं डिजाइन द्वारा निर्मित किया जा सकता है । नैनोपिपेटाइट टिप की पूरी रुकावट के बाद, उत्पन्न सोने के नैनोटिप के इलेक्ट्रोकेमिकल ध्रुवीकरण द्विध्रुवी विद्युत रसायन के अनुसार इसके आगे के विकास को बढ़ावा देता है । एक में सीटू इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल लक्षण वर्णन प्रणाली तो सोने nanotip की वृद्धि की प्रक्रिया के दौरान वर्तमान अंश और ऑप्टिकल जानकारी की एक साथ रिकॉर्डिंग प्राप्त करने के लिए निर्माण किया है ।

लक्षण वर्णन के लिए, कैल्शियम आयन प्रतिदीप्ति का पता लगाने में मदद करता है सत्यापित करें कि अंतर पिपेट की भीतरी दीवार और गोल्ड नैनोटिप के बीच उत्पन्न होता है । एक अच्छी तरह से परिभाषित बंद प्रकार WNE के लिए, टिप क्षेत्र निरपवाद रूप से प्रतिदीप्ति छवि में अंधेरा होना चाहिए । इसके अलावा, SEM दोनों नैनोपिपेटाइट और बंद प्रकार WNE की विशेषता के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । FIB को बाद SEM इमेजिंग के लिए भीतरी धातु को बेनकाब करने के लिए बंद प्रकार WNE के sidewall साथ नकाशी नियोजित किया जा सकता है । इसलिए, लंबाई और अंदर बंद प्रकार WNE की संरचना निर्धारित किया जा सकता है । इसके लक्षण वर्णन के बाद, अच्छी तरह से तैयार बंद-प्रकार WNE आगे अनुप्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया जा करने में सक्षम है ।

बंद के लिए इस प्रोटोकॉल-प्रकार wne उच्च reproducibility के साथ एकल नैनोकणों के विद्युत रासायनिक माप के लिए एक नया रास्ता प्रशस्त करता है । हालांकि, अभी भी कुछ चुनौतियों और इस निर्माण प्रक्रिया में सीमाएं हैं । पहली सीमा नैनोपिपेटाइट टिप का व्यास शामिल है । सैद्धांतिक रूप से, जब टिप व्यास एक एकल अणु आकार को घटाता है, वर्तमान संकल्प नाटकीय रूप से बढ़ाया जा सकता है । हालांकि, यह मौजूदा पुलिंग रणनीति के साथ 30 एनएम के तहत एक व्यास के साथ एक नैनोपिपेटाइट खींचने के लिए चुनौतीपूर्ण है ।

इस बंद-प्रकार WNE प्रोटोकॉल की क्षमता nanosensing में व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए विस्तारित किया जा सकता है । एक स्कैनिंग विद्युत माइक्रोस्कोप के साथ पारंपरिक नैनोइलेक्ट्रोड्स को शामिल करके, बंद प्रकार WNE कुछ विशेष 2-डी/3-डी नैनो के लिए गतिशील इलेक्ट्रोकेमिकल मानचित्रण प्रकट कर सकते हैं । इसके अलावा, गोल्ड नैनोटिप के plasmonic अनुनाद बिखरने एक साथ दोनों विद्युत readout और ऑप्टिकल रिकॉर्डिंग द्वारा इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण की प्रक्रिया का पता लगाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । अपने ज्यामितीय गुणों के आधार पर, एक शंकु नैनोटिप के साथ बंद प्रकार WNE कम यांत्रिक क्षति के साथ सेलुलर विश्लेषण के लिए अनुकूल है ।

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Disclosures

लेखक हितों का टकराव नहीं घोषित करते हैं.

Acknowledgments

इस शोध को राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन ऑफ चाइना (61871183, 21834001), शंघाई नगर शिक्षा आयोग के नवाचार कार्यक्रम (2017-01-07-00-02-E00023), शंघाई नगर शिक्षा से "चेन गुआंग" परियोजना का समर्थन प्राप्त था आयोग और शंघाई शिक्षा विकास फाउंडेशन (17CG27) ।

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

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References

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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).

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