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摘要

在这里, 我们提出了一种用于制造闭式无线纳米粒子电极和随后对单个纳米粒子碰撞进行电化学测量的协议。

摘要

用纳米电化学技术测量单纳米粒子的内在特性具有深刻的基础意义, 对纳米科学具有潜在的影响。然而, 电化学分析单个纳米粒子是具有挑战性的, 因为传感纳米界面是不可控制的。为了应对这一挑战, 我们在这里描述了一种闭式无线纳米粒子电极 (WNE) 的制造和表征, 该电极具有高度可控的形态和出色的重现性。WNE 的简单制造使其能够在一般化学实验室中制备出定义明确的纳米电极, 而无需使用洁净室和昂贵的设备。还重点介绍了30纳米闭式 WNE 在混合物中单个金纳米颗粒分析中的一个应用, 该应用显示了 0.6 pA 的高电流分辨率和 0.01 ms 的高时间分辨率。闭式 Wne 的更有潜力的应用可以从纳米粒子表征扩展到单分子检测和单细胞探测。

引言

纳米粒子由于其催化能力、特殊的光学特性、电活性和高地容比1、2、3 、4. 单纳米粒子的电化学分析是了解纳米水平的固有化学和电化学过程的直接方法。为了实现对单个纳米粒子的高度敏感测量, 以前已经采用了两种电化学方法从当前响应 5、6、7中读出纳米粒子信息。其中一种方法是在纳米电极界面上固定或捕获单个纳米粒子, 用于研究电催化8,9。另一种策略是由与电极表面的单纳米粒子碰撞驱动的, 这种碰撞会产生动态氧化还原过程的瞬态电流波动。

这两种方法都需要与单个纳米粒子直径相匹配的纳米超敏传感接口。然而, 传统的纳米电极制造主要采用了微机电系统 (MEMS) 或激光拉动技术, 这些技术繁琐且不规范10, 11,12, 13岁例如, 基于 mems 的纳米电极制造成本很高, 需要使用洁净室, 从而限制了纳米电极的大量生产和普及。另一方面, 纳米电极的激光拉力制造在很大程度上依赖于操作人员在毛细管内密封和拉拔金属丝过程中的经验。如果金属丝在毛细管中没有很好的密封, 纳米管内壁与金属丝之间的缝隙会极大地产生多余的背景电流噪声, 扩大电源传感区域。这些缺点在很大程度上降低了纳米电极的灵敏度。另一方面, 间隙的存在会扩大电极面积, 降低纳米电极的灵敏度。因此, 由于每个制造过程14、15 中的电极形态无法控制, 因此很难保证可重现的性能。因此, 迫切需要一种具有优良重现性的纳米电极的通用制备方法, 以促进对单个纳米粒子固有特性的电化学探索。

近年来, 纳米孔技术已发展成为一种优雅、无标签的单分子分析方法, 16、17、18、19、20。由于其可控的制造, 纳米管提供了一个纳米尺度的约束, 具有均匀的直径范围从30-200 纳米的激光毛细管拉拔器21,22, 23,24.此外, 这种简单和可重复的制造过程, 确保了纳米管的推广。最近, 我们提出了一个无线纳米粒子电极 (WNE), 它不需要密封在纳米粒子内的金属丝。通过简单、可重复的制造工艺, wne 在纳米粒子内具有纳米级金属沉积, 形成电活性界面 25、26、27、28。.由于 WNE 具有明确的结构和均匀的约束形态, 因此它实现了高电流分辨率和低电阻电容 (RC) 时间常数, 以实现较高的时间分辨率。我们以前报告了两种类型的 Wne, 开放型和闭式, 以实现单实体分析。开式 WNE 采用沉积在纳米粒子内壁上的纳米层, 它将单个实体的法格电流转换为离子电流响应26。通常, 开式 WNE 的直径约为100纳米。为了进一步减小 WNE 的直径, 我们提出了闭式 WNE, 其中固体金属纳米尖端通过化学电化学方法完全占据纳米颗粒尖端。这种方法可以在纳米孔约束内迅速产生30纳米金纳米尖。闭式 WNE 尖端区域定义明确的界面确保了单个纳米粒子电化学测量的高信噪比。由于带电金纳米粒子与闭式 WNE 发生碰撞, 在尖端界面上的超快充放电过程会在离子电流轨迹中引起电容反馈响应 (CFR)。与以往通过29内金属丝的纳米电极进行的单纳米粒子碰撞研究相比,闭式 wne 的电流分辨率较高, 为 0.6P±0.1 pa (rms), 时间分辨率较高, 为 0.01 ms。

在此, 我们描述了一种具有高度可控尺寸和出色重现性的闭式 WNE 的详细制造工艺。在这个协议中, 一个简单的反应之间的头名数-和bh4-是为了产生一个金纳米尖端, 完全阻止一个纳米孔。然后, 采用双极电化学连续生长的金纳米尖端, 达到几个微米的长度内的纳米。这个简单的程序使这种纳米电极制造的实施, 这可以在任何一般化学实验室进行, 没有一个干净的房间和昂贵的设备。为了确定闭式 WNE 的大小、形态和内部结构, 该协议提供了一个详细的表征程序, 使用扫描电子显微镜 (SEM) 和荧光光谱。最近的一个例子是, 它直接测量金纳米粒子 (AuNPs) 与闭合型 WNE 纳米界面碰撞的内在和动态相互作用。我们认为, 闭式 WNE 可能为未来在单实体层面上对活细胞、纳米材料和传感器进行电化学研究铺平道路。

研究方案

1. 解决方案的准备

注: 注意所有化学品的一般安全预防措施。在烟罩中处理化学物质, 戴上手套、护目镜和实验室外套。保持易燃液体远离火源或火花。所有水溶液均采用超纯水 (25°c 时 18.2 MΩ厘米) 制备。使用0.22μm 孔尺寸过滤器对制备的溶液进行过滤。

  1. KCl 溶液的制备
    1. 在100毫升去离子水中溶解0.074 克氯化钾。
  2. Nbh4 溶液的制备
    1. 在10毫升乙醇中溶解0.018 克硼氢化钠。
  3. Hucl4溶液的制备
    1. 在1% 氯尿酸溶液的1毫升中溶解0.010 克氯化钾。
  4. 准备工作硅橡胶
    1. 按容量的比例将含有 A 部分和 B 部分的硅橡胶 (见材料表) 混合。
    2. 在第一次的锅里, 使用混合硅橡胶在滑梯上立即油漆一个反应区。
    3. 将准备好的硅橡胶在滑梯上固化5分钟。
  5. 金纳米粒子的制备 30
    1. 在40毫升的去离子水中加入4.8 毫升的氯尿酸, 质量分数为1%。
    2. 将溶液加热至沸腾。
    3. 在溶液中快速添加质量分数为1% 的柠檬酸三钠溶液的10毫升。
    4. 将溶液加热 15分钟, 直到最终溶液呈红色。
      注: 在我们的例子中, 氯尿酸溶液被柠檬酸三钠迅速还原, 并观察到该溶液迅速从透明黄色变为深黑色。

2. 实验装置的准备

  1. 电流测量系统的准备
    1. 打开包含电流放大器 (见材料表) 和低噪声数据采集系统 (参见材料表) 的电流测量系统
    2. 打开电压夹紧模式。
    3. 将滤波器带宽设置为 10 kHz, 将采样率设置为 100 kHz。
    4. 在倒置显微镜上组装自行设计的专用铜笼, 以屏蔽实验单元的外部噪声和预放大器 (见材料表)。
    5. 接地法拉第笼的外壳、放大器的外壳和倒置显微镜系统。
  2. 暗场检测系统的设置
    1. 用暗场显微镜对纳米颗粒内金纳米尖端的产生进行监测。
      注: 倒置显微镜系统 (见材料表) 用于拍摄图像和散射光谱。采用真彩色 ccd 摄像机拍摄纳米粒子和纳米粒子电极的图像。暗场冷凝器 [数字孔径 (NA) = 0.8–0.95)] 被用来形成暗场照明。10X (NA = 0.3)、20X (NA = 0.45) 和 40X (NA = 0.6) 目标用于收集闭式 WNE 的图像。荧光检测用于进一步验证纳米管的纳米尖端与内壁之间是否存在间隙。本实验由另一个集成在倒置显微镜上的 EMCCD (见材料表) 进行, 激发光是内置的汞灯, 带通滤波器为450-490 纳米。

3. 密闭型 WNE 的制造

  1. 纳米粒子的制备
    1. 将石英毛细血管 (见材料表) 放入一个装有丙酮的15毫升离心管中, 进行10分钟的超声波清洗。
    2. 将丙酮倒出, 然后将乙醇加入同一离心管。
    3. 将离心管放入超声波清洗机中进行10分钟的清洗。
    4. 将毛细血管放入另一个15毫升的离心管中, 用去离子水去除乙醇, 超声波清洗10分钟。
    5. 持续超声波清洁毛细血管三次用去离子水去除残留的乙醇。
    6. 使用氮气流干燥毛细血管。
    7. 将毛细血管放在一个新的、干净的离心管中。
    8. 打开 CO2 激光拉拔器 (参见材料表)
    9. 将拉拔器预热 15-20, 以确保稳定的激光功率。
    10. 在拉拔器中安装清洁的毛细管。
    11. 设置co2激光拉拔器面板上的热、长丝、速度、延迟和拉力参数。此协议中用于拉直径为 30 nm 的纳米粒子的详细参数如表 1所示 (图 1)。
    12. 将制备好的纳米颗粒固定在培养皿上, 并使用可重复使用的粘合剂 (见材料表) 进行进一步表征。
  2. 的制造闭式 WNE
    1. 用微型装载机将制备的 HAuCl4溶液注入纳米。
    2. 在 1878 x 克左右离心纳米管 5分钟, 以去除纳米管中的气泡。
      注: 在这一步中, 我们将尖端朝下的纳米管放置在2毫升离心管内的自制支架中。
    3. 用准备好的硅橡胶将纳米管固定在盖板上 (见步骤 1.4), 并将纳米颗粒内的区域定义为 "cis" 侧, 外部区域为 "trans" 侧.
    4. 等待 5分钟, 直到橡胶被固化。
    5. 将集成的合奏放在倒置显微镜的目标表上。
    6. 打开并调整暗场照明, 以便在10倍显微镜目标下聚焦纳米针尖。
    7. 更改为20X 和40X 目标, 以获得更高的空间分辨率。
    8. 在纳米粒子内放置一个 Ag/AgCl 电极。
    9. 将另一个接地的 Ag/AgCl 电极放入反式侧.
    10. 将一对 Ag/AgCl 电极连接到前放大器。
    11. 打开当前测量系统和相应的软件 (见材料表), 用于离子电流记录。
    12. 将应用的潜力设置为 300 mV。
    13. 慢慢地将 150Μl的nbh4 溶液加入反侧, 以触发 Haucl4和 nbh4之间的反应 (图 2)。
      注: 在水溶液中 Nbh4 的还原发生在剧烈的反应速度.因此, 在金纳米尖端生长过程中, 由于 nbh4 的还原而产生的 H2 可能会导致纳米尖端结构有缺陷.
    14. 同时, 利用电流测量和暗场检测系统, 以电子和光学方式记录电流轨迹和暗场图像散射光谱 (图 3)。
      注: 乙醇溶液在暗场照明下具有挥发性。在制造过程中注意乙醇的体积。
    15. 在离子电流跟踪回 0 pA 后关闭应用的潜力。
    16. 用从底部到尖端流动的去离子水清洗准备好的闭式 WNE。
  3. 的特性闭式 WNE
    1. 用扫描电子显微镜 (sem) 表征闭式 wne, 这是一种表征纳米粒子22、31、32、33、34的通用方法.
    2. 利用钙离子荧光实验验证了纳米颗粒内金纳米尖端的密封条件。
      1. 将10Μl 的 Cicl 2溶液注入闭式 wne 和 fluo-8 溶液的cis侧, 注入反式侧。
      2. 将 Ag/AgCl 电极连接到头台上。
    3. 应用 400 mV 偏置电位, 并使用 EMCCD (见材料表) 来监测尖端区域的荧光响应。利用聚焦离子束 (FIB) 将闭式 WNE 从尖端雕刻到底部, 然后用扫描电镜表征确定内部金属层或纳米尖端的长度。
  4. 单纳米粒子与闭式 WNE 碰撞
    1. 在制造了闭式 WNE 后,将反式和cis侧的溶液改变到 kcl 溶液。
    2. 将50μl 的30纳米金纳米颗粒溶液转移到反式侧。以 300 mV 的可能值记录单个纳米粒子碰撞事件的当前信号 (图 5)。
    3. 更改施加的电压以监测电流信号的频率、振幅和形状变化。

结果

我们展示了一种简单的方法, 可以在石英锥形纳米粒子的基础上制备出定义良好的30nm 无线纳米粒子电极。图 1显示了纳米粒子的制备, 其中包括三个主要步骤。在拉拔器中固定一个内径为 0.5 mm、外径为 1.0 mm 的微毛细管, 然后激光聚焦在毛细管的中心, 以熔化石英。通过对毛细管端子施加力, 最终用纳米圆锥形尖端分离并形成两个部分。拉拔参数见

讨论

制备定义明确的纳米孔是闭式 WNE 制造工艺的第一步。通过将 CO2激光聚焦在毛细管的中心, 一个毛细管分离成两个具有纳米圆锥形尖端的对称纳米粒子。通过调整激光拉拔器的参数, 可以轻松控制直径, 范围从30-200 纳米不等。需要注意的是, 不同的移液器的拉力参数可能会有所不同。环境温度和湿度也会影响纳米管的最终直径。

在制备纳米粒子后, 化学反应会在纳米管?...

披露声明

提交人声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金 (61871183, 21834001)、上海市教育委员会创新项目 (2017-01-07-07-02-e00023)、上海市教育 "陈光" 项目的支持。委员会和上海教育发展基金会 (17CG27)。

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
AcetoneSigma-Aldrich650501Highly flammable and volatile
Analytical balanceMettler ToledoME104E
Axopatch 200B amplifierMolecular Devices
Blu-Tack reusable adhesiveBostik
Centrifuge tubeCorning Inc.Centrifuge Tubes with CentriStar Cap, 15 ml
Chloroauric acidEnergy ChemicalE0601760010HAuCl4
Clampfit 10.4 softwareMolecular Devices
Digidata 1550A digitizerMolecular Devices
DS Fi1c true-color CCD cameraNikon
Ecoflex 5 Addtion cure silicone rubberSmooth-On17050377
Eppendorf Reference 2 pipettesEppendorf49200090410, 100 and 1000 µL
EthanolSigma-Aldrich24102Highly flammable and volatile
Faraday cageCopper
iXon 888 EMCCDAndor
Microcentrifuge tubesAxygen Scientific0.6, 1.5 and 2.0 mL
MicroloaderEppendorf5242 956.00320 µL
Microscope Cover GlassFisher ScientificLOT 1693820 mm*60 mm-1 mm thick
Milli-Q water purifierMilliporeSIMS00000Denton Electron Beam Evaporator
P-2000 laser pullerSutter Instrument
Pipette tipsAxygen Scientific10, 200 and 1,000 µL
Potassium chloride,+D25+A2:F2+A2:F25Sigma AldrichP9333-500GKCl
Quartz pipettesSutterQF100-50-7.5O.D.:1.0 mm, I.D.:0.5 mm, 75 mm length
RefrigeratorSiemens
Silicone thinnerSmooth-On1506330
Silver wireAlfa Aesar11466
Sodium borohydride,Tianlian Chem. Tech.71320NaBH4
Ti-U inverted dark-field microscopeNikon

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