Bezprzewodowa elektroda nanoporowa typu zamkniętego do analizy pojedynczych nanocząstek
March 20th, 2019
Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania bezprzewodowej elektrody nanoporowej typu zamkniętego i późniejszego elektrochemicznego pomiaru zderzeń pojedynczych nanocząstek.
Elektrochemiczny pomiar wewnętrznej cechy pojedynczej nanocząstki ma ogromne znaczenie w nanonauce. Metoda ta demonstruje prosty, ale wysoce powtarzalny sposób budowy bezprzewodowej elektrody nanoporowej do szybkiej analizy pojedynczych nanocząstek. Rozmiar nanoelektrody może osiągnąć nawet 30 nanometrów dzięki tej prostej metodzie wytwarzania.
Rozdzielczość bieżąca i rozdzielczość czasowa podczas analizy wynoszą odpowiednio 0,6 pikoampera i 0,01 milisekundy. Przewiduje się, że ta bezprzewodowa elektroda nanoporowa będzie wykorzystywana do nieinwazyjnej analizy sekularnej in vivo ze względu na rozmiar końcówki nanoelektrody w skali nano. Zlokalizowana powierzchniowa właściwość rezonansu plazmonicznego złotej nanokońcówki i doskonałe widzenie optyczne krzyżowych nanopipet mogą umożliwić elektryczną detekcję optyczną w skali nano.
Naukowcy zainteresowani wytwarzaniem bezprzewodowej elektrody nanoporowej powinni opanować proces nalewania nanopipet. Ponieważ jest to kluczowy krok w procedurze. Podczas nalewania pipety powinni zwracać uwagę na temperaturę otoczenia i wilgotność.
Najpierw dodaj 4,8 mililitra kwasu chloroaurowego o ułamku masowym 1% do 40 mililitrów wody dejonizowanej, energicznie mieszając. Następnie podgrzej roztwór do wrzenia. Szybko dodaj 10 mililitrów roztworu cytrynianu trisodowego o ułamku masowym 1% do roztworu.
Podgrzewaj roztwór przez dodatkowe 15 minut, aż końcowy roztwór będzie koloru czerwonego. Umieść kapilary kwarcowe w 15-mililitrowej probówce wirówkowej wypełnionej acetonem i czyść w myjce ultradźwiękowej przez dziesięć minut. Po zakończeniu usuń aceton i dodaj etanol.
Następnie umieść probówkę wirówkową w myjce ultradźwiękowej na dodatkowe dziesięć minut czyszczenia. Następnie umieść kapilary kwarcowe w innej 15-mililitrowej probówce wirówkowej z wodą dejonizowaną w celu usunięcia etanolu i wykonuj czyszczenie ultradźwiękowe przez 10 minut. Wysuszyć kapilary kwarcowe za pomocą strumienia azotu i przechowywać je w czystej probówce wirówkowej.
Następnie włącz ściągacz laserowy na dwutlenek węgla i podgrzewaj przez 15-20 minut, aby zapewnić stałą moc lasera. Zainstaluj czystą kapilarnę kwarcową we wstępnie podgrzanym ściągaczu laserowym na dwutlenek węgla. Ustaw parametry ciągnięcia ciepła, żarnika, prędkości, opóźnienia i siły ciągnącej na panelu ściągacza laserowego na dwutlenek węgla dla określonej średnicy.
Przygotować nanopipetę przymocować do szalki Petriego za pomocą kleju wielokrotnego użytku w celu dalszej charakterystyki. Wstrzyknąć 10 mikrolitrów przygotowanego roztworu kwasu chloroaurowego do nanopipety za pomocą mikroładowarki. Odwirować nanopipetę przez pięć minut w temperaturze około 1 878 razy G w celu usunięcia pęcherzyków powietrza z nanopipety.
Po odwirowaniu zamocuj nanopipetę na szkiełku nakrywkowym za pomocą wcześniej przygotowanej gumy silikonowej i określ obszar wewnątrz nanopipety jako stronę cis, a na zewnątrz jako stronę trans. Po odczekaniu pięciu minut, aż guma się utwardzi i umieść zintegrowany zestaw na stole obiektywu odwróconego mikroskopu. Włącz i wyreguluj oświetlenie ciemnego pola, aby ustawić ostrość końcówki nanopipety pod obiektywem mikroskopu 10x.
Zmień obiektyw na 40x, aby uzyskać wyższą rozdzielczość przestrzenną. Następnie umieść jedną elektrodę srebrno-srebrno-chlorkową w nanopipecie. Następnie umieść drugą uziemioną elektrodę chlorku srebra i srebra po stronie trans.
Podłącz elektrody chlorku srebra i srebra do przedwzmacniacza amplifier. Włącz system pomiaru prądu i odpowiednie oprogramowanie do rejestracji prądu jonowego. Następnie ustaw zastosowany potencjał na 300 miliwoltów.
Teraz powoli dodaj 150 mikrolitrów roztworu borowodorku sodu po stronie trans, aby wywołać reakcję między kwasem chloroaurowym a borowodorkiem sodu. Równocześnie rejestrują elektrycznie i optycznie ślad prądu i widma rozpraszania obrazu ciemnego pola za pomocą systemów pomiaru prądu i detekcji ciemnego pola. Wyłącz przyłożony potencjał, gdy śledzenie prądu jonowego powróci do zera pikoamperów.
Przygotowany zamknięty typ WNE umyć płynącą wodą dejonizowaną od dołu do końcówki. Zmienić roztwór po stronie trans i cis na roztwór chlorku potasu po wytworzeniu zamkniętego typu WNE. Przenieś 50 mikrolitrów 30 nanomolowego roztworu nanocząstkowego złota na stronę trans.
Następnie zarejestruj bieżący sygnał zderzeń pojedynczych nanocząstek o potencjale 300 miliwoltów. Na koniec zmień przyłożone napięcie, aby monitorować częstotliwość, amplitudę i zmianę kształtu bieżącego sygnału. Wytwarzanie nanopipety składa się z trzech głównych etapów.
Mikrokapilara o średnicy wewnętrznej 0,5 milimetra i średnicy zewnętrznej 1 mililitra jest mocowana w ściągaczu, a następnie laser jest ogniskowany na środku kapilary w celu stopienia kwarcu. Przykładając siły do końców kapilary, w końcu oddziela się i tworzy dwie części ze stożkowymi końcówkami w nanoskali. Procedura generowania złotej nanokońcówki wewnątrz końcówki nanopipety, po procesie ciągnięcia, jest pokazana tutaj.
System charakteryzacji in situ został wykorzystany do monitorowania procesu wytwarzania WNE typu zamkniętego poprzez jednoczesne rejestrowanie obrazów bieżącej odpowiedzi i ciemnego pola. Obrazy SEM z widokiem z góry gołej nanopipety i zamkniętego typu WNE są pokazane tutaj po rozszczepieniu wiązki jonów z boku, obraz SEM w widoku bocznym przedstawia morfologię złotej nanokońcówki wewnątrz zamkniętego typu WNE. W eksperymentach zderzeń pojedynczych nanocząstek nanocząstki złota są dodawane do strony trans WNE.
Wyjątkowa wydajność szumów tego CNE odkrywa ukryte sygnały o wysokiej częstotliwości sygnału. Podczas generowania złotej nano końcówki należy wykorzystać niski potencjał przyłożony do wygenerowania interfejsu elektrochemicznego. Wysoki zastosowany potencjał może przyspieszyć wytwarzanie złota i spowodować wadliwe struktury w nanokońcówce.
Wysoka rozdzielczość kontrastu i wysoka rozdzielczość specjalna tej metody mogą pomóc naukowcom w lepszym zrozumieniu procesu przenoszenia elektronów w skali nano. Borowodorek sodu jest niebezpieczny i będzie gwałtownie reagował z wodą. Należy zachować ostrożność podczas przygotowywania roztworu borowodorku sodu.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł przedstawia protokół wytwarzania zamkniętego typu bezprzewodowej elektrod nanoporowej, umożliwiającej elektrochemiczne pomiary zderzeń pojedynczych nanocząstek. Metoda oferuje powtarzalne podejście do szybkich analiz nanocząstek w skali nanometrów.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nanonauki
- Elektrochemia
- Analiza pojedynczych cząstek
Tło
- Pomiar pojedynczych nanocząstek jest kluczowy dla postępu w nanonaukach.
- Bezprzewodowa elektroda nanoporowa może osiągnąć wielkość do 30 nanometrów.
- Wysoka rozdzielczość prądowa i czasowa są kluczowymi cechami tej metody.
- Technika nadaje się do analizy in vivo i nieinwazyjnej.
Cel badania
- Opracowanie metody szybkich i dokładnych analiz pojedynczych nanocząstek.
- Wykorzystanie unikalnych właściwości elektrody nanoporowej do ulepszonych możliwości wykrywania.
- Ułatwienie detekcji elektrooptycznej w skali nanometrów.
Zastosowane metody
- Wytwarzanie zamkniętego typu bezprzewodowej elektrod nanoporowej.
- Techniki pomiarów elektrochemicznych.
- Analiza zderzeń nanocząstek.
- Wykorzystanie zlokalizowanej rezonansu plazmonowego powierzchniowego.
Główne wyniki
- Metoda wykazuje rozdzielczość prądową 0,6 pikoamperów.
- Osiągnięta rozdzielczość czasowa wynosi 0,01 milisekundy.
- Elektroda nanoporowa jest skuteczna w analizie pojedynczych nanocząstek.
- Podkreślono potencjalne zastosowania w nieinwazyjnej analizie.
Wnioski
- Ten protokół zapewnia prostą i powtarzalną metodę analizy nanocząstek.
- Bezprzewodowa elektroda nanoporowa ma znaczące implikacje dla przyszłych badań.
- Dalsze badania mogą rozszerzyć jej zastosowania w różnych dziedzinach.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Analyzing single nanoparticles with high spatiotemporal resolution supports mechanistic de-risking in early-stage nanomedicine and diagnostic platform development. The closed-type wireless nanopore electrode enables reproducible, label-free detection of nanoparticle properties, improving target validation confidence in discovery workflows. This capability addresses a key inflection point in portfolio triage where nanoparticle behavior predicts downstream translational success.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of intrinsic nanoparticle features such as size, charge, and surface reactivity for target hypothesis testing.
- Operational Value: Provides high current resolution (0.6 pA) and temporal resolution (0.01 ms) for precise single-event discrimination.
- Strategic Value: Supports predictive confidence in nanoparticle behavior, reducing ambiguity in lead candidate selection.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, real-time current traces from nanoparticle collision events for assay readout standardization.
- Operational Value: Facilitates assay reproducibility through well-defined nanoelectrode morphology and wireless design.
- Strategic Value: Enables scalable screening platforms for nanoparticle libraries in therapeutic and diagnostic development.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges discovery and preclinical stages by providing continuous, nanoparticle-specific biophysical data.
- Operational Value: Supports risk-adjusted advancement decisions through consistent, high-fidelity signal detection.
- Strategic Value: Enhances translational continuity by enabling monitoring of nanoparticle stability and interaction in complex biological milieus.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early nanoparticle characterization to lead identification, where single-particle analysis informs structure-activity relationships and formulation stability.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of nanoparticle properties through direct electrochemical measurement of collision dynamics.
- Screening: Delivers assay-ready, quantitative outputs (frequency, amplitude, shape of current signals) for compound or formulation comparison.
- Analytics: Enables statistical analysis of nanoparticle collision frequency and magnitude, aiding in population-level behavioral assessment.
- Translational Research: Connects to preclinical validation by offering a reproducible tool for tracking nanoparticle behavior in simulated biological environments.
- Enterprise Reuse: Represents a modular, adaptable capability for repeated use across nanoparticle projects without cleanroom dependency.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in nanoparticle characterization through high-resolution, label-free detection.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility via controllable nanoelectrode fabrication and wireless operation.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing early, predictive confidence in nanoparticle performance.
- Portfolio Impact: Enables risk-based prioritization of nanoparticle candidates using quantifiable, single-particle metrics.
Implementation Considerations
- Requires expertise in nanoelectrochemistry, laser-based nanopipette pulling, and electrochemical setup.
- Needs instrumentation including carbon dioxide laser puller, potentiostat, amplifier, and dark-field microscopy.
- Demands cross-team standardization of fabrication parameters (e.g., temperature, humidity, pulling force) for consistent WNE performance.
- Involves adaptation considerations when transferring the method to different nanoparticle types or biological matrices.
- Includes practical limitations such as sensitivity to electrode fouling and the need for careful handling of reactive reagents like sodium borohydride.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Title
1:26
Preparation of Gold Nanoparticles
2:00
Fabrication of Nanopipettes
3:21
Fabrication of Closed-type WNE
5:34
Single Nanoparticle Collision with Closed-type WNE
6:13
Results: Fabrication of Closed-type WNE and Electrochemical Measurement of Single Nanoparticle Collisions
7:45
Conclusion
