Structurally regular nanopore arrays fabricated to contain independently controllable annular electrodes represent a new kind of architecture capable of electrochemically addressing small collections of matter—down to the single entity (molecule, particle, and biological cell) level. Furthermore, these nanopore electrode arrays (NEAs) can also be interrogated optically to achieve single entity spectroelectrochemistry. Larger entities such as nanoparticles and single bacterial cells are investigated by dark-field scattering and potential-controlled single-cell luminescence experiments, respectively, while NEA-confined molecules are probed by single molecule luminescence. By carrying out these experiments in arrays of identically constructed nanopores, massively parallel collections of single entities can be investigated simultaneously. The multilayer metal–insulator design of the NEAs enables highly efficient redox cycling experiments with large increases in analytical sensitivity for chemical sensing applications. NEAs may also be augmented with an additional orthogonally designed nanopore layer, such as a structured block copolymer, to achieve hierarchically organized multilayer structures with multiple stimulus-responsive transport control mechanisms. Finally, NEAs constructed with a transparent bottom layer permit optical access to the interior of the nanopore, which can result in the cutoff of far-field mode propagation, effectively trapping radiation in an ultrasmall volume inside the nanopore. The bottom metal layer may be used as both a working electrode and an optical cladding layer, thus, producing bifunctional electrochemical zero-mode waveguide architectures capable of carrying out spectroelectrochemical investigations down to the single molecule level.

1.
W. H.
Coulter
, U.S. patent 2,656,508 A (20 October 1953).
2.
R. W.
DeBlois
and
C. P.
Bean
,
Rev. Sci. Instrum.
41
,
909
(
1970
).
3.
H.
Swerdlow
,
J. Z.
Zhang
,
D. Y.
Chen
,
H. R.
Harke
,
R.
Grey
,
S.
Wu
,
N. J.
Dovichi
, and
C.
Fuller
,
Anal. Chem.
63
,
2835
(
1991
).
4.
D.
Branton
,
D. W.
Deamer
,
A.
Marziali
,
H.
Bayley
,
S. A.
Benner
,
T.
Butler
,
M.
Di Ventra
,
S.
Garaj
,
A.
Hibbs
,
X.
Huang
,
S. B.
Jovanovich
,
P. S.
Krstic
,
S.
Lindsay
,
X. S.
Ling
,
C. H.
Mastrangelo
,
A.
Meller
,
J. S.
Oliver
,
Y. V.
Pershin
,
J. M.
Ramsey
,
R.
Riehn
,
G. V.
Soni
,
V.
Tabard-Cossa
,
M.
Wanunu
,
M.
Wiggin
, and
J. A.
Schloss
,
Nat. Biotechnol.
26
,
1146
(
2008
).
5.
S.
Howorka
,
S.
Cheley
, and
H.
Bayley
,
Nat. Biotechnol.
19
,
636
(
2001
).
6.
Z.-L.
Hu
,
M.-Z.
Huo
,
Y.-L.
Ying
, and
Y.-T.
Long
,
Angew. Chem. Int. Ed.
60
,
14738
(
2021
).
7.
J.
Wilson
,
L.
Sloman
,
Z.
He
, and
A.
Aksimentiev
,
Adv. Funct. Mater.
26
,
4830
(
2016
).
8.
C. L.
Rice
and
R.
Whitehead
,
J. Phys. Chem.
69
,
4017
(
1965
).
9.
C.
Ho
,
R.
Qiao
,
J. B.
Heng
,
A.
Chatterjee
,
R. J.
Timp
,
N. R.
Aluru
, and
G.
Timp
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
102
,
10445
(
2005
).
10.
J.
Khandurina
,
S. C.
Jacobson
,
L. C.
Waters
,
R. S.
Foote
, and
J. M.
Ramsey
,
Anal. Chem.
71
,
1815
(
1999
).
11.
T.-C.
Kuo
,
L. A.
Sloan
,
J. V.
Sweedler
, and
P. W.
Bohn
,
Langmuir
17
,
6298
(
2001
).
12.
R.
Karnik
,
C.
Duan
,
K.
Castelino
,
H.
Daiguji
, and
A.
Majumdar
,
Nano Lett.
7
,
547
(
2007
).
13.
W. L.
Barnes
,
A.
Dereux
, and
T. W.
Ebbesen
,
Nature
424
,
824
(
2003
).
14.
K. A.
Willets
and
R. P.
Van Duyne
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
58
,
267
(
2007
).
15.
T.-W.
Hwang
,
S. P.
Branagan
, and
P. W.
Bohn
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
4522
(
2013
).
16.
Y.
Zhang
,
R. H.
Terrill
,
T. A.
Tanzer
, and
P. W.
Bohn
,
J. Am. Chem. Soc.
120
,
9969
(
1998
).
17.
18.
K. N.
Knust
,
D.
Hlushkou
,
U.
Tallarek
, and
R. M.
Crooks
,
ChemElectroChem
1
,
850
(
2014
).
19.
L. R.
Gibson
,
S. P.
Branagan
, and
P. W.
Bohn
,
Small
9
,
90
(
2013
).
20.
V. V.
Swaminathan
,
L. R.
Gibson
,
M.
Pinti
,
S.
Prakash
,
P. W.
Bohn
, and
M. A.
Shannon
,
J. Nanopart. Res.
14
,
951
(
2012
).
21.
Y.
Ahmadi
,
E.
De Llano
, and
I.
Barisic
,
Nanoscale
10
,
7494
(
2018
).
22.
X.
Ji
,
C.
Xiao
,
W.-F.
Lau
,
J.
Li
, and
J.
Fu
,
Biosens. Bioelectron.
82
,
240
(
2016
).
23.
G. M. L.
Messina
,
C.
Passiu
,
A.
Rossi
, and
G.
Marletta
,
Nanoscale
8
,
16511
(
2016
).
24.
L.
Franceschini
,
M.
Soskine
,
A.
Biesemans
, and
G.
Maglia
,
Nat. Commun.
4
,
2415
(
2013
).
25.
T. S.
Metzger
,
R.
Tel-Vered
, and
I.
Willner
,
Small
12
,
1605
(
2016
).
26.
K.
Peng
,
H.
Zhao
,
Y.
Yuan
,
R.
Yuan
, and
X.
Wu
,
Biosens. Bioelectron.
55
,
366
(
2014
).
27.
M.
Riedel
,
W. J.
Parak
,
A.
Ruff
,
W.
Schuhmann
, and
F.
Lisdat
,
ACS Catal.
8
,
5212
(
2018
).
28.
L.
Chen
,
Y.
Honsho
,
S.
Seki
, and
D. L.
Jiang
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
6742
(
2010
).
29.
F.-R. F.
Fan
and
A. J.
Bard
,
Science
267
,
871
(
1995
).
30.
J. C.
Byers
,
B.
Paulose Nadappuram
,
D.
Perry
,
K.
McKelvey
,
A. W.
Colburn
, and
P. R.
Unwin
,
Anal. Chem.
87
,
10450
(
2015
).
31.
R.-J.
Yu
,
Y.-L.
Ying
,
R.
Gao
, and
Y.-T.
Long
,
Angew. Chem. Int. Ed.
58
,
3706
(
2019
).
32.
Y.
Liu
,
C.
Xu
,
P.
Yu
,
X.
Chen
,
J.
Wang
, and
L.
Mao
,
ChemElectroChem
5
,
2954
(
2018
).
33.
F. O.
Laforge
,
J.
Carpino
,
S. A.
Rotenberg
, and
M. V.
Mirkin
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
104
,
11895
(
2007
).
34.
K.
Fu
,
D.
Han
,
C.
Ma
, and
P. W.
Bohn
,
Faraday Discuss.
193
,
51
(
2016
).
35.
S.-R.
Kwon
,
S.
Baek
,
K.
Fu
, and
P. W.
Bohn
,
Small
20
,
1907249
(
2020
).
36.
K.
Fu
,
D.
Han
,
G. M.
Crouch
,
S.-R.
Kwon
, and
P. W.
Bohn
,
Small
14
,
17032481
(
2018
).
37.
J.-Y.
Kim
,
D.
Han
,
G. M.
Crouch
,
S.-R.
Kwon
, and
P. W.
Bohn
,
Anal. Chem.
91
,
4568
(
2019
).
38.
K.
Fu
,
D.
Han
,
C.
Ma
, and
P. W.
Bohn
,
Nanoscale
9
,
5164
(
2017
).
39.
C.
Ma
,
N. M.
Contento
, and
P. W.
Bohn
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
7225
(
2014
).
40.
S.
Baek
,
S.-R.
Kwon
,
K.
Fu
, and
P. W.
Bohn
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
55116
(
2020
).
41.
L. P.
Zaino
,
D. A.
Grismer
,
D.
Han
,
G. M.
Crouch
, and
P. W.
Bohn
,
Faraday Discuss.
184
,
101
(
2015
).
42.
D.
Han
,
G. M.
Crouch
,
K.
Fu
,
L. P.
Zaino
, and
P. W.
Bohn
,
Chem. Sci.
8
,
5345
(
2017
).
43.
D.
Han
,
S.-R.
Kwon
,
K.
Fu
,
G. M.
Crouch
, and
P. W.
Bohn
, in
Electrochemical Zero-Mode Waveguide Studies of Single Enzyme Reactions
,
Cork, Ireland
(
IEEE
,
2019
).
44.
V.
Sundaresan
and
P. W.
Bohn
,
Chem. Sci.
11
,
10951
(
2020
).
45.
S.
Baek
,
D.
Han
,
S. R.
Kwon
,
V.
Sundaresan
, and
P. W.
Bohn
,
Anal. Chem.
94
, 3970 (
2021
).
46.
L. A.
Baker
,
J. Am. Chem. Soc.
140
,
15549
(
2018
).
47.
B.
Schuler
and
H.
Hofmann
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
23
,
36
(
2013
).
48.
H.
Ren
and
M. A.
Edwards
,
Curr. Opin. Electrochem.
25
,
100632
(
2021
).
49.
H.-W.
Wang
,
S.-M.
Lu
,
M.
Chen
, and
Y.-T.
Long
,
Curr. Opin. Electrochem.
34
,
100999
(
2022
).
50.
K.
Fu
,
S.-R.
Kwon
,
D.
Han
, and
P. W.
Bohn
,
Acc. Chem. Res.
53
,
719
(
2020
).
51.
D. D.
Doorneweerd
,
W. A.
Henne
,
R. G.
Reifenberger
, and
P. S.
Low
,
Langmuir
26
,
15424
(
2010
).
52.
S.
Pahlow
,
S.
Stöckel
,
S.
Pollok
,
D.
Cialla-May
,
P.
Rösch
,
K.
Weber
, and
J.
Popp
,
Anal. Chem.
88
,
1570
(
2016
).
53.
A.
Talebi Bezmin Abadi
,
A. A.
Rizvanov
,
T.
Haertlé
, and
N. L.
Blatt
,
BioNanoScience
9
,
778
(
2019
).
54.
C. A.
Michael
,
D.
Dominey-Howes
, and
M.
Labbate
,
Front. Public Health
2
, 1-8 (
2014
).
55.
W.
Liu
,
H. J.
Kim
,
E. M.
Lucchetta
,
W.
Du
, and
R. F.
Ismagilov
,
Lab Chip
9
,
2153
(
2009
).
56.
J. Q.
Boedicker
,
M. E.
Vincent
, and
R. F.
Ismagilov
,
Angew. Chem. Int. Ed.
48
,
5908
(
2009
).
57.
K.
Leung
,
H.
Zahn
,
T.
Leaver
,
K. M.
Konwar
,
N. W.
Hanson
,
A. P.
Page
,
C.-C.
Lo
,
P. S.
Chain
,
S. J.
Hallam
, and
C. L.
Hansen
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
109
,
7665
(
2012
).
58.
K.
Zhao
,
B. S.
Tseng
,
B.
Beckerman
,
F.
Jin
,
M. L.
Gibiansky
,
J. J.
Harrison
,
E.
Luijten
,
M. R.
Parsek
, and
G. C. L.
Wong
,
Nature
497
,
388
(
2013
).
59.
J.
Zhao
,
L. P.
Zaino III
, and
P. W.
Bohn
,
Faraday Discuss.
164
,
57
(
2013
).
60.
S. P.
Branagan
,
N. M.
Contento
, and
P. W.
Bohn
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
8617
(
2012
).
61.
Y.-T.
Kao
,
C.
Saxena
,
T.-F.
He
,
L.
Guo
,
L.
Wang
,
A.
Sancar
, and
D.
Zhong
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
13132
(
2008
).
62.
A. J.
Bard
,
J. A.
Crayston
,
G. P.
Kittlesen
,
T.
Varco Shea
, and
M. S.
Wrighton
,
Anal. Chem.
58
,
2321
(
1986
).
63.
J. E.
Bartelt
,
M. R.
Deakin
,
C.
Amatore
, and
R. M.
Wightman
,
Anal. Chem.
60
,
2167
(
1988
).
64.
O.
Niwa
,
M.
Morita
, and
H.
Tabei
,
Anal. Chem.
62
,
447
(
1990
).
65.
Z. P.
Aguilar
,
W. R.
Vandaveer
, and
I.
Fritsch
,
Anal. Chem.
74
,
3321
(
2002
).
66.
B.
Wolfrum
,
M.
Zevenbergen
, and
S.
Lemay
,
Anal. Chem.
80
,
972
(
2008
).
67.
C.
Ma
,
N. M.
Contento
,
L. R.
Gibson
, and
P. W.
Bohn
,
ACS Nano
7
,
5483
(
2013
).
68.
N.
Godino
,
X.
Borrisé
,
F. X.
Muñoz
,
F. J.
del Campo
, and
R. G.
Compton
,
J. Phys. Chem. C
113
,
11119
(
2009
).
69.
C.
Ma
,
N. M.
Contento
,
L. R.
Gibson
, and
P. W.
Bohn
,
Anal. Chem.
85
,
9882
(
2013
).
70.
V. A. T.
Dam
,
W.
Olthuis
, and
A.
van den Berg
,
Analyst
132
,
365
(
2007
).
71.
F.
Zhu
,
J.
Yan
,
M.
Lu
,
Y.
Zhou
,
Y.
Yang
, and
B.
Mao
,
Electrochim. Acta
56
,
8101
(
2011
).
72.
S.-R.
Kwon
,
K.
Fu
,
D.
Han
, and
P. W.
Bohn
,
ACS Nano
12
,
12923
(
2018
).
73.
K.
Fu
,
D.
Han
,
S.-R.
Kwon
, and
P. W.
Bohn
,
ACS Nano
12
,
9177
(
2018
).
74.
H.
Feng
,
X.
Lu
,
W.
Wang
,
N.-G.
Kang
, and
J. W.
Mays
,
Polym. Polym. Compos.
9
,
494
(
2017
).
75.
L.
Guo
,
Y.
Wang
, and
M.
Steinhart
,
Chem. Soc. Rev.
50
,
6333
(
2021
).
76.
T.
Guo
,
J.
Gao
,
X.
Qin
,
X.
Zhang
, and
H.
Xue
,
Polym. Polym. Compos.
10
,
723
(
2018
).
77.
C.
Pinto-Gómez
,
F.
Pérez-Murano
,
J.
Bausells
,
L. G.
Villanueva
, and
M.
Fernández-Regúlez
,
Polymers
12
,
2432
(
2020
).
78.
J.
Lindqvist
,
D.
Nyström
,
E.
Ostmark
,
P.
Antoni
,
A.
Carlmark
,
M.
Johansson
,
A.
Hult
, and
E.
Malmström
,
Biomacromolecules
9
,
2139
(
2008
).
79.
B.
Yameen
,
M.
Ali
,
R.
Neumann
,
W.
Ensinger
,
W.
Knoll
, and
O.
Azzaroni
,
Nano Lett.
9
,
2788
(
2009
).
80.
Z.
Zhang
,
X.-Y.
Kong
,
K.
Xiao
,
Q.
Liu
,
G.
Xie
,
P.
Li
,
J.
Ma
,
Y.
Tian
,
L.
Wen
, and
L.
Jiang
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
14765
(
2015
).
81.
Z.
Liu
,
W.
Wang
,
R.
Xie
,
X.-J.
Ju
, and
L.-Y.
Chu
,
Chem. Soc. Rev.
45
,
460
(
2016
).
82.
Y.
Wu
,
K.
Wang
,
H.
Tan
,
J.
Xu
, and
J.
Zhu
,
Langmuir
33
,
9889
(
2017
).
83.
M. R.
Powell
,
L.
Cleary
,
M.
Davenport
,
K. J.
Shea
, and
Z. S.
Siwy
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
798
(
2011
).
84.
S. N.
Smirnov
,
I. V.
Vlassiouk
, and
N. V.
Lavrik
,
ACS Nano
5
,
7453
(
2011
).
85.
S.-R.
Kwon
,
S.
Baek
, and
P. W.
Bohn
,
Faraday Discuss.
233
,
283
(
2022
).
86.
D. G.
Castner
and
B. D.
Ratner
,
Surf. Sci.
500
,
28
(
2002
).
87.
H.
Cölfen
and
S.
Mann
,
Angew. Chem. Int. Ed.
42
,
2350
(
2003
).
88.
A.
Doron
,
E.
Katz
, and
I.
Willner
,
Langmuir
11
,
1313
(
1995
).
89.
J.
Zhao
,
S. P.
Branagan
, and
P. W.
Bohn
,
Appl. Spectrosc.
66
,
163
(
2012
).
90.
J. M.
Moran-Mirabal
and
H. G.
Craighead
,
Methods
46
,
11
(
2008
).
91.
P.
Turunen
,
A. E.
Rowan
, and
K.
Blank
,
FEBS Lett.
588
,
3553
(
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.