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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll für die Fertigung einer Elektrode geschlossen Typ drahtlose Nanopore und elektrochemische Folgebewertung des einzigen Nanopartikel Kollisionen.

Zusammenfassung

Messung der intrinsischen Funktionen von einzelnen Nanopartikeln durch Nanoelectrochemistry hält tief grundlegenden Bedeutung und hat mögliche Auswirkungen im Bereich der Nanowissenschaften. Allerdings ist elektrochemisch analysieren einzelne Nanopartikel Herausforderung, da die Fernerkundung Nanointerface unkontrollierbar ist. Um dieses Problem zu lösen, beschreiben wir hier die Herstellung und Charakterisierung einer geschlossen Typ drahtlose Nanopore Elektrode (WNE), das eine sehr kontrollierbar Morphologie und hervorragende Reproduzierbarkeit aufweist. Die einfache Herstellung von WNE ermöglicht die Erstellung von klar definierten Nanoelectrodes in einem allgemeinen Chemielabor ohne den Einsatz von ein sauberes Zimmer und teure Ausrüstung. Eine Anwendung von einem 30 nm geschlossen Typ WNE Analyse der einzelnen gold-Nanopartikel in der Mischung ebenfalls hervorgehoben wird, das zeigt eine aktuelle hochauflösende 0,6 pA und hoher zeitlicher Auflösung von 0,01 Ms. begleitet durch ihre hervorragende Morphologie und kleine Durchmesser, weitere Anwendungsmöglichkeiten der geschlossen-Typ macht können aus Nanopartikel Charakterisierung einzelner Moleküle/Ionen-Erkennung und einzellige sondieren erweitert werden.

Einleitung

Nanopartikel haben enorme Aufmerksamkeit durch verschiedene Merkmale wie ihre katalytische Fähigkeit, optische Besonderheiten, Electroactivity und hohe Oberflächen-Volumen-Verhältnis1,2,3, 4. elektrochemische Analyse der einzelnen Nanopartikel ist eine direkte Methode für das Verständnis der intrinsischen chemische und elektrochemische Prozesse auf Nano-Ebene. Um hochempfindliche Messungen der einzelnen Nanopartikeln zu erreichen, wurden zwei elektrochemische Ansätze zuvor angewendet um Nanopartikel Informationen aus aktuellen Antworten5,6,7auszulesen. Einer dieser Ansätze beinhaltet Immobilisierung oder bei der Erfassung eines einzelnen Nanopartikel auf der Oberfläche des Nanoelectrode für das Studium der Electrocatalysis8,9. Die andere Strategie treibt einzelne Nanopartikel Kollision mit der Oberfläche einer Elektrode erzeugt eine vorübergehende aktuelle Fluktuation aus dem dynamischen Redox-Prozess.

Beide Methoden benötigen eine nanoskalige Gromer Fernerkundung Schnittstelle, die den Durchmesser des einzelnen Nanopartikeln entspricht. Traditionelle Herstellung von Nanoelectrodes hat jedoch vor allem integriert, Mikro-elektromechanische Systeme (MEMS) oder Laser-Techniken, die sind langweilig und undisciplinable10,11,12ziehen, 13. Z. B. MEMS-basierte Herstellung von Nanoelectrodes ist teuer und erfordert den Einsatz von einem Reinraum, Beschränkung der Massenproduktion und Popularisierung des Nanoelectrodes. Auf der anderen Seite stützt sich Laser ziehen Herstellung von Nanoelectrodes auf Erfahrungen der Betreiber bei der Abdichtung und ziehen aus einem Metalldraht innerhalb der Kapillare. Wenn der Metalldraht nicht gut verschlossen in der Kapillare ist, die Lücke zwischen der Innenwand der Nanopipette und Draht drastisch einzuführen überschüssige aktuelle Hintergrundgeräusche und vergrößern das elektroaktive Tastfeld. Diese Nachteile verringert weitgehend die Empfindlichkeit der Nanoelectrode. Auf der anderen Seite kann die Existenz eines Spaltes Vergrößerung der Elektrodenfläche und reduzieren Sie die Empfindlichkeit der Nanoelectrode. Infolgedessen ist es schwer, eine reproduzierbare Leistung aufgrund der unkontrollierbaren Elektrode Morphologien in jeder Fertigung Prozess14,15garantieren. Eine allgemeine Herstellungsverfahren von Nanoelectrodes mit hervorragende Reproduzierbarkeit ist also dringend notwendig, um elektrochemische Exploration der intrinsischen Eigenschaften von einzelnen Nanopartikeln zu erleichtern.

Vor kurzem wurde die Nanopore-Technik als elegant und markierungsfreie Ansatz für Einzelmolekül-Analyse16,17,18,19,20entwickelt. Aufgrund seiner steuerbaren Herstellung bietet die Nanopipette eine nanoskalige Entbindung mit einem einheitlichen Durchmesser von 30-200 nm bis hin durch einen Laser Kapillare Puller21,22,23,24 . Dieses einfache und reproduzierbare Herstellung Verfahren gewährleistet zudem, die Verallgemeinerung der Nanopipette. Vor kurzem haben wir eine drahtlose Nanopore Elektrode (WNE), erfordern nicht die Abdichtung aus einem Metalldraht innerhalb der Nanopipette vorgeschlagen. Durch eine einfache und reproduzierbare Herstellung besitzt die WNE eine nanoskalige Metallabscheidung innerhalb der Nanopipette bilden eine elektroaktive Schnittstelle25,26,27,28 . Da die WNE eine klar definierte Struktur und einheitliche Morphologie der seine Grenzen hat, erreicht er hohe aktuelle Auflösung sowie niedrige Widerstand-Kapazität (RC) Zeitkonstante für die Durchführung von hohen zeitlichen Auflösung. Wir berichteten bereits zwei Arten von macht, offenen und geschlossen-Typ, für die Realisierung der Einheit Analyse. Die Open-Art WNE beschäftigt eine Nanometal Schicht abgeschieden auf der Innenwand eine Nanopipette, die Bartholow Strom einer einzelnen Entität in die ionische aktuelle Antwort26umwandelt. In der Regel ist eine Open-Type WNE rund 100 nm. Um den Durchmesser des WNE weiter zu verringern, haben wir die geschlossene WNE, in dem eine solide Metall Nanotip voll die Nanopipette Spitze durch eine chemische elektrochemische Ansatz einnimmt. Diese Methode kann schnell eine 30 nm gold Nanotip innerhalb einer Nanopore Entbindung generieren. Die klar definierte Schnittstelle im Bereich Tipp des eine geschlossene WNE sorgt für ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis für elektrochemische Messungen von einzelnen Nanopartikeln. Wie eine geladene gold-Nanopartikel mit geschlossen Typ WNE kollidiert, induziert ein ultraschneller Aufladung-Entladung Prozess an der Spitze-Schnittstelle eine kapazitive Feedback-Antwort (CFR) in der Ionischen aktuelle Ablaufverfolgung. Im Vergleich zu ein vorherigen einzelnen Nanopartikel Kollision Studie über eine Nanoelectrode mit Metall Draht innen29, zeigte geschlossene WNE eine höhere aktuelle Auflösung von 0,6 pA ± 0,1 pA (RMS) und höhere zeitliche Auflösung von 0,01 ms.

Hier beschreiben wir eine detaillierte Fertigung Verfahren für eine geschlossene WNE, die Dimensionen und hervorragende Reproduzierbarkeit hoch gesteuert hat. In diesem Protokoll, eine einfache Reaktion zwischen AuCl4– und BH4– wurde entwickelt, um eine goldene Nanotip zu generieren, die die Öffnung von einem Nanopipette vollständig blockiert. Dann ist bipolar Elektrochemie für ein kontinuierliches Wachstum von gold Nanotip angenommen, die die Länge der einige Mikrometer in die Nanopipette erreicht. Dieses einfache Verfahren ermöglicht die Umsetzung dieses Nanoelectrode Fertigung, die in jedem allgemeine Chemie-Labor ohne ein sauberes Zimmer und teure Ausrüstung durchgeführt werden kann. Um die Größe, Morphologie und innere Struktur der eine geschlossene WNE bestimmen, enthält dieses Protokoll eine detaillierte Charakterisierung Prozedur mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) und Fluoreszenz-Spektroskopie. Ein aktuelles Beispiel wird hervorgehoben, welche Maßnahmen direkt die intrinsischen und dynamische Wechselwirkungen von gold-Nanopartikeln (AuNPs) in Richtung der Nanointerface eine geschlossene WNE kollidieren. Wir glauben, dass die geschlossene WNE einen neuen Weg für zukünftige elektrochemische Studien von lebenden Zellen, Nanomaterialien und Sensoren auf Single-Entität Ebenen ebnen kann.

Protokoll

1. Vorbereitung der Lösungen

Hinweis: Achten Sie auf Allgemeine Sicherheitshinweise für alle Chemikalien. Entsorgung von Chemikalien in einer Dampfhaube und tragen Handschuhe, Schutzbrille und einen Laborkittel. Halten Sie brennbare Flüssigkeiten fern von Feuer oder Funken. Alle wässrige Lösungen wurden mit Reinstwasser (18,2 MΩ cm bei 25 ° C) zubereitet. Die vorbereiteten Lösungen wurden mit 0,22 μm Porengröße Filter gefiltert.

  1. Vorbereitung der KCl-Lösung
    1. 0,074 g Kaliumchlorid in 100 mL entionisiertem Wasser auflösen.
  2. Vorbereitung der NaBH4 Lösung
    1. 0,018 g von Natriumborohydrid in 10 mL Ethanol auflösen.
  3. Vorbereitung der HAuCl4 -Lösung
    1. 0,010 g Kaliumchlorid in 1 mL 1 % Chloroauric Säure auflösen.
  4. Vorbereitung der Silikon-Kautschuk
    1. Mischen Sie Silikon-Kautschuk, Teil A und Teil B (siehe Tabelle der Materialien) in einem Verhältnis von 1:1 nach Volumen enthalten.
    2. Verwenden Sie die gemischten Silikon-Kautschuk um Reaktionsfläche mit der Folie unmittelbar während der Topfzeit von 1 min zu malen.
    3. Die vorbereiteten Silikon-Kautschuk auf der Folie für 5 min zu heilen.
  5. Vorbereitung von gold-Nanopartikeln30
    1. 4,8 mL Chlorogoldsäure mit einem Massenanteil von 1 % in 40 mL entionisiertem Wasser unter kräftigen rühren hinzugeben.
    2. Erhitzen Sie die Lösung zum Kochen.
    3. Fügen Sie schnell 10 mL einer Trinatrium Citrat-Lösung mit einem Massenanteil von 1 % in der Lösung.
    4. Erhitzen Sie die Lösung für eine zusätzliche 15 Minuten, bis die endgültige Lösung in der Farbe Rot ist.
      Hinweis: In unserem Fall die Chloroauric Säure Lösung schnell sank um Trinatrium Citrat, und es wurde festgestellt, dass die Lösung schnell, von klar-gelb geändert bis dunkel-schwarz.

2. Vorbereitung des experimentellen Aufbaus

  1. Vorbereitung der aktuellen Messsystem
    1. Schalten Sie das aktuelle Messsystem mit den Stromverstärker (siehe Tabelle der Materialien) und geräuscharme Datenerfassungssystem (siehe Tabelle der Materialien)
    2. Schalten Sie die Spannung-Clamp-Modus.
    3. Legen Sie die Filter-Bandbreite auf 10 kHz und Sampling-Rate bis 100 kHz.
    4. Montieren Sie einen selbst entworfenen spezifische hausgemachte Kupfer Käfig um Außenlärm für experimentelle Zellen und der Vorverstärker auf der inversen Mikroskop zu schützen (siehe Tabelle der Materialien).
    5. Boden der Schale der Faraday-Käfig, Schalen von Verstärker und inversen Mikroskop-System.
  2. Setup des dunkel-Bereich Detection system
    1. Generation von gold Nanotip innerhalb der Nanopipette wird durch die Dunkelheit – Bereich Mikroskop überwacht.
      Hinweis: Eine umgekehrtes Mikroskopsystem (siehe Tabelle der Materialien) wird verwendet, Bilder und Scatter Spektren zu nehmen. Eine True-Color CCD-Digitalkamera wird eingesetzt, um Bilder der Nanopipette und Nanopore Elektrode. Ein dunkel-Feld-Kondensator [numerische Apertur (NA) = 0,8 – 0,95)] wird genutzt, um einen dunklen Bereich Beleuchtung bilden. 10 X (NA = 0,3), 20 X (NA = 0,45), und 40 X (NA = 0,6) Ziele werden verwendet, um Bilder von der geschlossene WNE sammeln. Fluoreszenz-Detektion wird verwendet, um weiter zu prüfen, ob gibt es Lücken zwischen der Nanotip und der Innenwand des die Nanopipette. Dieses Experiment erfolgt durch ein anderes EMCCD (siehe Tabelle der Materialien) auch auf den inversen Mikroskop integriert und das Anregungslicht ist eine integrierte Quecksilber-Lampe mit einem Bandpass-Filter von 450-490 nm.

3. Herstellung von geschlossen Typ WNE

  1. Herstellung von nanopipettes
    1. Setzen Sie die Quarz-Kapillaren (siehe Tabelle der Materialien) in einem 15 mL Zentrifugenröhrchen mit Aceton für 10 min der Ultraschallreinigung gefüllt.
    2. Gießen von Aceton, dann Ethanol in der gleichen Zentrifugenröhrchen.
    3. Legen Sie die Zentrifugenröhrchen in einem Ultraschallreiniger für 10 min der Reinigung.
    4. Legen Sie die Kapillaren in eine weitere 15 mL Zentrifugenröhrchen mit entionisiertem Wasser zur Entfernung des Ethanols, mit 10 min der Ultraschallreinigung.
    5. Immer wieder Ultraschall reinigen die Kapillaren dreimal mit entionisiertem Wasser um die restlichen Ethanol zu entfernen.
    6. Trocknen Sie die Kapillaren mit einem Stickstoff-Gas-Strom.
    7. Halten Sie die Kapillaren in einer neuen, sauberen Zentrifugenröhrchen.
    8. Schalten Sie die CO2 -Laser-Puller (siehe Tabelle der Materialien)
    9. Heizen Sie den Abzieher für 15-20 min zu einem stetigen Laserleistung zu gewährleisten.
    10. Installieren Sie die gereinigte Kapillare in den Abzieher.
    11. Stellen Sie die ziehende Parameter von Hitze, Filament, Geschwindigkeit, Verzögerung und Zugkraft im Bereich der CO2 -Laser-Abzieher für einen bestimmten Durchmesser ein. Der detaillierte Parameter für das Ziehen einer 30 nm Durchmesser Nanopipette in diesem Protokoll wird in Tabelle 1 (Abbildung 1) angezeigt.
    12. Vorbereitete Nanopipette auf eine Petrischale mit der wiederverwendbaren Kleber befestigen (siehe Tabelle der Materialien) zur weiteren Charakterisierung.
  2. Herstellung von geschlossen-Typ WNE
    1. Injizieren Sie 10 μL der vorbereiteten HAuCl4 Lösung mit einer Microloader in den Nanopipette.
    2. Zentrifugieren Sie die Nanopipette für 5 min bei etwa 1878 X g zum Entfernen von Luftblasen in der Nanopipette.
      Hinweis: In diesem Schritt haben wir die Nanopipette mit der Spitze nach unten in einen hausgemachten Halter innerhalb einer 2 mL Zentrifugenröhrchen.
    3. Befestigen Sie die Nanopipette auf einem Deckgläschen mit vorbereiteten Silikon-Kautschuk (siehe Punkt 1.4) und definieren den Bereich innerhalb der Nanopipette als der "GUS" Seite und außen als der "Trans"-Seite.
    4. Warten Sie der Kautschuk ausgehärtet ist 5 min.
    5. Das integrierte Ensemble auf den objektiven Tisch von der inversen Mikroskop gelegt.
    6. Einschalten und Einstellen der dunkel-Bereich Beleuchtung die Nanopipette Spitze unter einem 10 X Mikroskopobjektiv zu konzentrieren.
    7. Ändern Sie auf 20 X und 40 X Ziele für eine höhere räumliche Auflösung.
    8. Legen Sie eine Ag/AgCl-Elektrode im Inneren der Nanopipette.
    9. Legen Sie die anderen geerdete Ag/AgCl-Elektrode in der Trans -Seite.
    10. Ag/AgCl-Elektroden an den Vorverstärker anschließen.
    11. Schalten Sie das aktuelle Messsystem und die entsprechende Software (siehe Tabelle der Materialien) für ionische aktuelle Aufnahme.
    12. Legen Sie das angewandte Potenzial auf 300 mV.
    13. Fügen Sie langsam 150 μL NaBH4 Lösung in die Trans -Seite zum Auslösen der Reaktion zwischen HAuCl4 und NaBH4 (Abbildung 2).
      Hinweis: Die Reduzierung der NaBH4 in wässriger Lösung erfolgt mit einer heftigen Reaktion Rate. Daher kann die Generierung von H2 aus dem Abbau von NaBH4 eine fehlerhafte Struktur der Nanotip von der Generation von Hohlräumen während des Wachstums gold Nanotip induzieren.
    14. Gleichzeitig, elektrisch und optisch erfassen die aktuelle Ablaufverfolgung und dunkel-Bereich Bild/Streuung Spektren der aktuellen Messung und dunkel-Bereich Detektionssysteme (Abbildung 3).
      Hinweis: Die Ethanol-Lösung ist flüchtig unter dunklen Bereich Beleuchtung. Achten Sie auf das Volumen von Ethanol in den Fertigungsprozess.
    15. Schalten Sie das angewandte Potenzial nach ionische aktuelle Rückverfolgung auf 0 PA.
    16. Waschen Sie die vorbereiteten geschlossen Typ WNE mit fließenden deionisiertes Wasser vom Boden bis zur Spitze.
  3. Charakterisierung von geschlossen-Typ WNE
    1. Geschlossen-Typ WNE mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM), zu charakterisieren, das ist eine allgemeine Methode zur Charakterisierung von Nanopipettes22,31,32,33,34 .
    2. Verwenden Sie eine Kalzium-Ionen fluoreszierende Experiment um Abdichtung Zustand von gold Nanotip innerhalb der Nanopipette sicherzustellen.
      1. Injizieren Sie 10 μL CaCl2 -Lösung in der Cis -Seite der geschlossene WNE und Fluo-8 Lösung in die Trans -Seite.
      2. Ag/AgCl-Elektroden an den Headstage anschließen.
    3. Ein 400 mV Bias potenzielle Anwendung und Nutzung der EMCCD (siehe Tabelle der Materialien), die Fluoreszenz Resonanz im Tip-Bereich zu überwachen. Verwenden Sie Fokus-Ionen Beam (FIB), um die geschlossene WNE von der Spitze nach unten zu Formen, dann bestimmen Sie die Länge des inneren Metallschicht oder Nanotip mit SEM Charakterisierung.
  4. Einzelne Nanopartikel Kollision mit geschlossen Typ WNE
    1. Ändern Sie die Lösung in den Trans- und Cis -Seiten zu einer KCl-Lösung nach der Herstellung der geschlossene WNE.
    2. Übertragen Sie 50 μL 30 nm gold-Nanopartikel-Lösung in der Trans -Seite. Aufnehmen das Stromsignal von einzelnen Nanopartikel-Collision-Events auf einem Potential von 300 mV (Abbildung 5).
    3. Ändern Sie die angelegte Spannung um die Frequenz, Amplitude und Formänderung des aktuellen Signals zu überwachen.

Ergebnisse

Wir zeigen einen oberflächlichen Ansatz, um eine wohldefinierte 30 nm drahtlose Nanopore Elektrode basierend auf einer konischen Nanopipette Quarz zu fabrizieren. Die Herstellung von einem Nanopipette zeigt sich in Abbildung 1, umfasst drei wesentliche Schritte. Ein Microcapillary mit einem Innendurchmesser von 0,5 mm und 1,0 mm Außendurchmesser in den Abzieher fixiert ist, dann ein Laser konzentriert sich auf die Mitte der Kapillare zu den Quarz schmelzen....

Diskussion

Herstellung von einem klar definierten Nanopipette ist der erste Schritt in der Fertigung geschlossen Typ WNE. Durch die Fokussierung eines CO2 Lasers auf das Zentrum der Kapillare, trennt eine Kapillare in zwei symmetrische Nanopipettes mit nanoskaligen konischen Spitzen. Der Durchmesser ist leicht kontrolliert und reicht von 30-200 nm, durch Anpassung der Parameter von der Laser-Abzieher. Es wird darauf hingewiesen, dass die Parameter für das ziehen für verschiedene Pipette Abzieher variieren können. Die ...

Offenlegungen

Die Autoren erklären keine Interessenkonflikte.

Danksagungen

Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (61871183,21834001), Innovation Programm des Shanghai Municipal Bildung Kommission (2017-01-07-00-02-E00023), das "Chen Guang" Projekt des Shanghai Municipal Bildung unterstützt Kommission und Shanghai Education Development Foundation (17CG 27).

Materialien

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

Referenzen

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