Name: a closed-type wireless nanopore electrode for analyzing single nanoparticles
Uploaded: 2019-03-20T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Closed-Type Wireless Nanopore Electrode for Analyzing Single Nanoparticles at JoVE.com

Questa ricerca è stata sostenuta dal National Natural Science Foundation of China (61871183,21834001), l'innovazione programma di Shanghai Municipal formazione Commissione (2017-01-07-00-02-E00023), il progetto "Chen Guang" dall'educazione Shanghai Municipal Commissione e Shanghai Education Development Foundation (17CG 27).

1. preparazione delle soluzioni
Nota: Prestare attenzione alle precauzioni generali di sicurezza per tutte le sostanze chimiche. Smaltire i prodotti chimici in una cappa aspirante e indossare guanti, occhiali e un camice da laboratorio. Tenere liquidi infiammabili lontano dal fuoco o scintille. Tutte le soluzioni acquose sono state preparate utilizzando acqua ultrapura (18,2 cm MΩ a 25 ° C). Le soluzioni preparate sono state filtrate utilizzando un filtro di dimensioni dei pori di 0.22 μm.</p...

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	<li>Vajda, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Subnanometre+platinum+clusters+as+highly+active+and+selective+catalysts+for+the+oxidative+dehydrogenation+of+propane.">Subnanometre platinum clusters as highly active and selective catalysts for the oxidative dehydrogenation of propane.</a> Nature Materials. 8 (3), 213-216 (2009).</li><li>Liu, G. L., Long, Y. T., Choi, Y., Kang, T., Lee, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantized+plasmon+quenching+dips+nanospectroscopy+via+plasmon+resonance+energy+transfer.">Quantized plasmon quenching dips nanospectroscopy via plasmon resonance energy transfer.</a> Nature Methods. 4 (12), 1015-1017 (2007).</li><li>Hu, J. 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A., Keyser, U. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Digitally+encoded+DNA+nanostructures+for+multiplexed,+single-molecule+protein+sensing+with+nanopores.">Digitally encoded DNA nanostructures for multiplexed, single-molecule protein sensing with nanopores.</a> Nature Nanotechnology. 11 (7), 645-651 (2016).</li></ol>

Realizzazione di un nanopipette ben definito è il primo passo nel processo di fabbricazione di WNE chiuso-tipo. Mettendo a fuoco un laser di CO2 al centro del capillare, uno vaso capillare separa in due nanopipettes simmetrico con punte coniche su scala nanometrica. Il diametro è controllato facilmente, che vanno da 30-200 nm, regolando i parametri dell'estrattore della laser. Va osservato che i parametri per la trazione possono variare per estrattori diversi pipetta. La temperatura ambientale e l'umidità p...

Le nanoparticelle hanno attirato l'attenzione enorme a causa di diverse caratteristiche come loro capacità catalitica, caratteristiche ottiche particolari, electroactivity ed elevati rapporti superficie-volume1,2,3, 4. analisi elettrochimica delle nanoparticelle singole è un metodo diretto per la comprensione dei processi chimici ed elettrochimici intrinseci a livello di nanoscala. Per ottenere misurazioni altamente sensibile delle singole nanoparticelle, due approcci elettrochimici sono state precedentemente applicati per leggere informazioni di nanoparticelle da corrente risposte5,6,7. Uno di questi approcci coinvolge immobilizzare o catturare una nanoparticella individuo sull'interfaccia del nanoelectrode per lo studio di elettrocatalisi8,9. L'altra strategia è guidata dalla singola nanoparticella collisione con la superficie di un elettrodo, che genera una fluttuazione di corrente transitoria dal processo redox dinamico.
Entrambi questi metodi richiedono un'interfaccia sensibile ultrasensibile di nanoscala che corrisponda al diametro delle singole nanoparticelle. Tuttavia, la fabbricazione tradizionale di nanoelettrodi principalmente ha incorporato i sistemi micro-elettromeccanici (MEMS) o laser tirando tecniche, che sono noioso e undisciplinable10,11,12, 13. Ad esempio, basati su MEMS fabbricazione di nanoelettrodi è costoso e richiede l'uso di una camera pulita, limitazione della massiccia produzione e divulgazione di nanoelettrodi. D'altra parte, laser tirando fabbricazione di nanoelettrodi si basa pesantemente su esperienza degli operatori durante la sigillatura e tirare un filo metallico all'interno del capillare. Se il filo metallico non è ben sigillato nel capillare, il divario tra il filo e la parete interna della nanopipette drammaticamente può introdurre rumore corrente di fondo in eccesso e ingrandire l'elettroattivi rilevamento della zona. Questi inconvenienti in gran parte diminuiscono la sensibilità della nanoelectrode. D'altra parte, l'esistenza di una lacuna può allargare l'area dell'elettrodo e ridurre la sensibilità della nanoelectrode. Di conseguenza, è difficile garantire una performance riproducibile dovuto le morfologie di elettrodo incontrollabile in ogni processo di fabbricazione14,15. Pertanto, un metodo di fabbricazione generale di nanoelettrodi con eccellente riproducibilità è assolutamente necessario per facilitare l'esplorazione elettrochimico delle caratteristiche intrinseche delle singole nanoparticelle.
Recentemente, la tecnica di nanopore è stata sviluppata come un approccio elegante e privo di etichetta per singola molecola analisi16,17,18,19,20. A causa della sua fabbricazione controllabile, il nanopipette fornisce un confinamento su scala nanometrica, con un diametro uniforme che vanno da 30-200 nm da un laser capillare estrattore21,22,23,24 . Inoltre, questa procedura di fabbricazione semplice e riproducibile assicura la generalizzazione della nanopipette. Recentemente, abbiamo proposto un elettrodo nanopore wireless (WNE), che non richiede la tenuta di un filo metallico all'interno del nanopipette. Attraverso un processo di fabbricazione facile e riproducibili, il WNE possiede una deposizione metallica su scala nanometrica entro il nanopipette per formare un elettroattivi interfaccia25,26,27,28 . Poiché il WNE possiede una struttura ben definita e morfologia uniforme dei suoi confini, realizza l'alta risoluzione corrente, così come la costante di tempo di resistenza-capacità bassa (RC) per l'esecuzione di elevata risoluzione temporale. Precedentemente abbiamo segnalato due tipi di WNEs, tipo aperto e chiuso-tipo, per la realizzazione di analisi di singola entità. Il tipo aperto WNE impiega un strato di nanometal depositato sulla parete interna di un nanopipette, che converte la corrente faradica di una singola entità per la risposta corrente ionica26. Di solito, il diametro di un tipo aperto WNE è di circa 100 nm. Per ridurre ulteriormente il diametro di WNE, abbiamo presentato il WNE chiuso-tipo, in cui un nanotip di metallo solido completamente occupa la punta di nanopipette attraverso un approccio chimico-elettrochimica. Questo metodo è in grado di generare rapidamente un nanotip 30 nm oro all'interno di un confinamento nanopore. L'interfaccia ben definita nella zona di punta di un chiuso-tipo WNE assicura un elevato rapporto segnale-rumore per misure elettrochimiche di singole nanoparticelle. Come una nanoparticella d'oro caricata si scontra con il WNE chiuso-tipo, un processo di carica-Scarica ultraveloce all'interfaccia punta induce una risposta di feedback capacitivo (CFR) nella traccia corrente ionica. Rispetto ad un precedente singolo nanoparticella collisione Studio tramite una nanoelectrode con metallo filo all'interno29, il WNE chiuso-tipo ha mostrato una più alta risoluzione corrente di pA di ± 0,1 0,6 pA (RMS) e maggiore risoluzione temporale di 0,01 ms.
Qui, descriviamo una procedura di fabbricazione dettagliato per un WNE chiuso-tipo che è altamente controllato dimensioni e riproducibilità eccezionali. In questo protocollo, una semplice reazione tra AuCl4– e BH4– è progettato per generare un nanotip d'oro che blocca completamente l'orifizio di un nanopipette. Poi, elettrochimica bipolare è adottato per una crescita continua di un nanotip d'oro che raggiunge la lunghezza di parecchi micrometri all'interno del nanopipette. Questa semplice procedura consente l'implementazione di questa fabbricazione di nanoelectrode, che possa essere effettuati in qualsiasi laboratorio di chimica generale senza una camera pulita e costose attrezzature. Per determinare la dimensione, la morfologia e la struttura interna di un WNE di tipo chiuso, questo protocollo fornisce una procedura dettagliata caratterizzazione con uso di un microscopio elettronico a scansione (SEM) e la spettroscopia di fluorescenza. Un esempio recente è evidenziato, che misura direttamente le interazioni intrinseche e dinamiche di nanoparticelle d'oro (AuNPs) collisione verso il nanointerface di un WNE di tipo chiuso. Noi crediamo che il WNE chiuso-tipo può aprire un nuovo percorso per futuri studi elettrochimici delle cellule viventi, nanomateriali e sensori a livello di singolo-entità.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>650501</td>
			<td>Highly flammable and volatile</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analytical balance</td>
			<td>Mettler Toledo</td>
			<td>ME104E</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Axopatch 200B amplifier</td>
			<td>Molecular Devices</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blu-Tack reusable adhesive</td>
			<td>Bostik</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge tube</td>
			<td>Corning Inc.</td>
			<td></td>
			<td>Centrifuge Tubes with CentriStar Cap, 15 ml</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chloroauric acid</td>
			<td>Energy Chemical</td>
			<td>E0601760010</td>
			<td>HAuCl4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clampfit 10.4 software</td>
			<td>Molecular Devices</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digidata 1550A digitizer</td>
			<td>Molecular Devices</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DS Fi1c true-color CCD camera</td>
			<td>Nikon</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ecoflex 5 Addtion cure silicone rubber</td>
			<td>Smooth-On</td>
			<td>17050377</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eppendorf Reference 2 pipettes</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>492000904</td>
			<td>10, 100 and 1000 &#181;L</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>24102</td>
			<td>Highly flammable and volatile</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Faraday cage</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Copper</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>iXon 888 EMCCD</td>
			<td>Andor</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microcentrifuge tubes</td>
			<td>Axygen Scientific</td>
			<td></td>
			<td>0.6, 1.5 and 2.0 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microloader</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>5242 956.003</td>
			<td>20 &#181;L</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope Cover Glass</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>LOT 16938</td>
			<td>20 mm*60 mm-1 mm thick</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Milli-Q water purifier</td>
			<td>Millipore</td>
			<td>SIMS00000</td>
			<td>Denton Electron Beam Evaporator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P-2000 laser puller</td>
			<td>Sutter Instrument</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipette tips</td>
			<td>Axygen Scientific</td>
			<td></td>
			<td>10, 200 and 1,000 &#181;L</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium chloride,+D25+A2:F2+A2:F25</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>P9333-500G</td>
			<td>KCl</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Quartz pipettes</td>
			<td>Sutter</td>
			<td>QF100-50-7.5</td>
			<td>O.D.:1.0 mm, I.D.:0.5 mm, 75 mm length</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Refrigerator</td>
			<td>Siemens</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone thinner</td>
			<td>Smooth-On</td>
			<td>1506330</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver wire</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>11466</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium borohydride,</td>
			<td>Tianlian Chem. Tech.</td>
			<td>71320</td>
			<td>NaBH4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ti-U inverted dark-field microscope</td>
			<td>Nikon</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a closed-type wireless nanopore electrode for analyzing single nanoparticles

Misura le caratteristiche intrinseche delle singole nanoparticelle da nanoelectrochemistry detiene profondo fondamentale importanza ed ha potenziali impatti in nanoscienza. Tuttavia, analizzando elettrochimicamente singole nanoparticelle è impegnativo, come il telerilevamento nanointerface è incontrollabile. Per affrontare questa sfida, descriviamo qui la fabbricazione e caratterizzazione di un elettrodo di tipo chiuso senza fili nanopore (WNE) che presenta una morfologia altamente controllabile e riproducibilità eccezionali. La facile realizzazione di WNE consente la preparazione di nanoelettrodi ben definito in un laboratorio di chimica generale senza l'uso di una camera pulita e costose attrezzature. Una sola applicazione di un 30 nm WNE chiuso-tipo nell'analisi di singole nanoparticelle d'oro nella miscela viene anche evidenziato, che mostra una risoluzione elevata corrente di 0,6 pA e temporale ad alta risoluzione di 0.01 ms accompagnato da loro morfologia eccellente e piccolo diametri, altre applicazioni potenziali di tipo chiuso WNEs possono essere espansa dalla caratterizzazione di nanoparticelle per rilevazione di singola molecola/ioni e unicellulare di sondaggio.

Dimostriamo un facile approccio per fabbricare un elettrodo di wireless nanopore nm 30 ben definito, basato su una nanopipette conica di quarzo. La realizzazione di un nanopipette è illustrata nella Figura 1, che comprende tre fasi principali. Un microcapillary con un diametro interno di 0.5 mm e diametro esterno di 1,0 mm è stato risolto nell'estrattore, poi un laser è focalizzato sul centro del capillare per fondere il quarzo. Applicando forze ai termina...

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A Closed-Type Wireless Nanopore Electrode for Analyzing Single Nanoparticles

Qui, presentiamo un protocollo per la fabbricazione di un elettrodo di tipo chiuso senza fili nanopore e successiva misura elettrochimica delle nanoparticelle singole collisioni.

Un elettrodo di tipo chiuso senza fili Nanopore per analizzare le singole nanoparticelle

Measuring the intrinsic features of single nanoparticles by nanoelectrochemistry holds deep fundamental importance and has potential impacts in ...

Misurare elettrochimicamente la caratteristica intrinseca della singola nanoparticella è di grande importanza nella nanoscienza. Questo metodo dimostra un modo semplice ma altamente riproducibile per costruire un elettrodo nanopore wireless per un'analisi rapida di singole nanoparticelle. La dimensione del nanoelettrodo può raggiungere fino a 30 nanometri con questo semplice metodo di fabbricazione.La risoluzione corrente e la risoluzione temporale durante l'analisi sono rispettivamente 0,6 picoamps e 0,01 millisecondi. Si prevede che questo elettrodo nanopore wireless sarà utilizzato per l'analisi secolare in vivo e non invasiva a causa delle dimensioni su scala nanometrica della punta del nanoelettrodo. La proprietà localizzata di risonanza plasmonica di superficie della nano punta d'oro e la perfetta visione ottica delle nanopipette trasversali potrebbero consentire il rilevamento ottico elettrico su scala nanometrica.I ricercatori interessati alla fabbricazione di elettrodi di nanoporo wireless dovrebbero padroneggiare il processo di versamento della nanopipetta. Perché si tratta di un passo cruciale nella procedura. Dovrebbero prestare attenzione alla temperatura ambientale e all'umidità quando versano la pipetta.Aggiungere innanzitutto 4,8 millilitri di acido cloroaurico con una frazione di massa dall'1% a 40 millilitri di acqua deionizzata con agitazione vigorosa. Quindi scaldare la soluzione a ebollizione. Aggiungere rapidamente 10 millilitri di una soluzione di citrato di trisodio con una frazione di massa dell'1% nella soluzione.Riscaldare la soluzione per altri 15 minuti fino a quando la soluzione finale è di colore rosso. Posizionare i capillari di quarzo in un tubo di centrifuga da 15 millilitri riempito con acetone e pulire in un pulitore ad ultrasuoni per dieci minuti. Al termine, rimuovere l'acetone e aggiungere l'etanolo.Quindi posizionare il tubo di centrifuga nel pulitore ad ultrasuoni per altri dieci minuti di pulizia. Quindi, posizionare i capillari di quarzo in un altro tubo di centrifuga da 15 millilitri con acqua deionizzata per la rimozione dell'etanolo ed eseguire la pulizia ad ultrasuoni per 10 minuti. Asciugare i capillari di quarzo utilizzando un flusso di gas azoto e conservarli in un tubo di centrifuga pulito.In seguito, accendere un estrattore laser ad anidride carbonica e preriri riscaldare per 15-20 minuti per garantire una potenza laser costante. Installare un capillare di quarzo pulito nell'estrattore laser ad anidride carbonica preriscaldato. Impostare i parametri di trazione di calore, filamento, velocità, ritardo e forza di trazione sul pannello dell'estrattore laser ad anidride carbonica per un diametro specifico.Fissare la nanopipetta preparata su una piastra di Petri con un adesivo riutilizzabile per un'ulteriore caratterizzazione. Iniettare 10 microlitri della soluzione di acido cloroaurico preparato nella nanopipetta con un microloader. Centrifugare la nanopipetta per cinque minuti a circa 1.878 volte G per la rimozione delle bolle d'aria nella nanopipetta.Dopo la centrifugazione, fissare la nanopipetta su uno scivolo di copertura con gomma siliconica precedentemente preparata e definire l'area all'interno della nanopipetta come lato cis e all'esterno come lato trans. Dopo aver atteso cinque minuti per la polimerizzazione della gomma, posizionare l'insieme integrato sul tavolo obiettivo di un microscopio rovesciato. Accendere e regolare l'illuminazione del campo scuro per mettere a fuoco la punta della nanopipetta sotto un obiettivo di microscopio 10x.Passare a un obiettivo 40x per una risoluzione termalee più elevata. Quindi posizionare un elettrodo di cloruro d'argento argento all'interno della nanopipetta. Quindi posizionare un secondo elettrodo di cloruro d'argento argento a terra sul lato trans.Collegare gli elettrodi cloruro d'argento argento a un preamplificatore. Attivare il sistema di misurazione corrente e il software corrispondente per la registrazione della corrente ionica. Quindi impostare il potenziale applicato su 300 millivolt.Ora aggiungere lentamente 150 microlitri di soluzione di boroidro di sodio al lato trans per innescare la reazione tra l'acido cloroaurico e il boroidro di sodio. Contemporaneamente, registra elettricamente e otticamente la traccia corrente e gli spettri di dispersione delle immagini del campo scuro utilizzando i sistemi di misurazione della corrente e di rilevamento dei campi scuri. Disattivare il potenziale applicato dopo che la traccia di corrente ionica torna a zero picoamps.Lavare il WNE di tipo chiuso preparato con acqua deionizzata che scorre dal fondo alla punta. Cambiare la soluzione nei lati trans e cis in una soluzione di cloruro di potassio dopo la fabbricazione del WNE di tipo chiuso. Trasferire 50 microlitri della soluzione nanoparticale in oro nanomolare 30 sul lato trans.Quindi registrare il segnale corrente di singoli eventi di collisione di nanoparticelle ad un potenziale di 300 millivolt. Infine, modificare la tensione applicata per monitorare la frequenza, l'ampiezza e il cambiamento di forma del segnale di corrente. La fabbricazione di una nanopipetta comprende tre passaggi principali.Un microcapillare con un diametro interno di 0,5 millimetri e un diametro esterno di 1 millilitro è fissato nell'estrattore, e un laser viene quindi focalizzato sul centro del capillare per fondere il quarzo. Applicando forze ai terminali del capillare, separa e forma infine due parti con punte coniche su scala nanometrica. La procedura di generazione di una nanotip d'oro all'interno della punta della nanopipetta, dopo il processo di trazione è mostrata qui.Un sistema di caratterizzazione in situ è stato utilizzato per monitorare il processo di fabbricazione del WNE di tipo chiuso registrando simultaneamente la risposta corrente e le immagini del campo scuro. Le immagini SEM in alto della nanopipetta nuda e del WNE di tipo chiuso sono mostrate qui dopo che il fascio di ioni di messa a fuoco che divide un'immagine SEM vista laterale fornisce la morfologia della nanotip d'oro all'interno del WNE di tipo chiuso. Negli esperimenti di collisione di singole nanoparticelle, le nanoparticelle d'oro vengono aggiunte al lato trans del WNE.Le eccezionali prestazioni sonore di questo CNE scoprono i segnali nascosti con un'alta frequenza del segnale. Quando si genera la nano punta d'oro, un basso potenziale applicato dovrebbe essere usato per generare l'interfaccia elettrochimica. Un alto potenziale applicato potrebbe accelerare la generazione di oro e provocare strutture difettose nella nano punta.L'alta risoluzione di contrasto e l'alta risoluzione speciale di questo metodo possono aiutare i ricercatori a comprendere ulteriormente il processo di trasferimento degli elettroni su scala nanometrica. Il boroidro di sodio è pericoloso e reagirà violentemente con l'acqua. Si prega di fare attenzione quando si prepara la soluzione di boroidro di sodio.

Research

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Chemistry

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