Их результаты предлагают новые способы использования этой техники, известной как «перемещение нанопор», для анализа объектов в мельчайших масштабах.Исследование проводилось под руководством Марии Дрндич, профессора кафедры физики и астрономии Школы искусств Пенна.
Наук; Дженнифер Лукес, доцент кафедры машиностроения и прикладной механики Школы инженерии и прикладных наук Пенсильвании; и Кристофер Мюррей, профессор Пенсильвании по вопросам интеграции знаний, который работает в обеих школах на факультетах химии, материаловедения и инженерии. Кимберли Вента из лаборатории Дрндича и Мехди Бахши Занджани из лаборатории Лукеса были соавторами статьи, и Синчен Йе и Гопинатх Данда также внесли свой вклад в работу.
Он был опубликован в Nano Letters.В течение последних нескольких лет лаборатория Drndic изучала подход к секвенированию генов, включающий транслокацию ДНК через нанопоры. Этот метод обычно включает продевание ДНК, взвешенной в ионной жидкости, через крошечное отверстие в тонкой мембране. Ожидается, что каждое из четырех оснований последовательности ДНК будет блокировать разное количество отверстий при прохождении через них, что позволяет различному количеству ионов проходить вместе с ними.
В большинстве случаев секвенирования нанопор исследователи пытаются идентифицировать основания, считывая изменения в окружающем ионном токе, когда он проходит через нанопоры.Этот метод уходит корнями в устройство, известное как счетчик Коултера.
Такие устройства десятилетиями использовались для подсчета и сортировки микроскопических частиц, таких как клетки крови и бактерии. Принцип тот же; частицы большего диаметра блокируют большую часть апертуры, уменьшая электрический ток, измеряемый электродами, расположенными выше и ниже апертуры. Однако этот метод использовался для частиц, которые обычно имеют микромасштаб, в то время как основания ДНК находятся в наномасштабе, в тысячу раз меньше.Достижения в области нанотехнологий позволили исследователям создавать все меньшие и меньшие поры, и первые успехи в использовании этого метода с ДНК показали, что его также можно применять для лучшего измерения других наноразмерных структур.
Например, считается, что сферические нанокристаллы и продолговатые наностержни могут иметь потенциальное применение в медицине, электронике и других областях, но их свойства необходимо точно измерить, прежде чем они смогут быть точными и настроенными для их конечного применения.С этой целью члены контингента Drndic использовали свои исследования по секвенированию с использованием нанопор нитрида кремния, которые можно настроить для работы с различными размерами от нано- и микромасштабов.
«Отличительной особенностью твердотельных нанопор является то, что мы можем изменять диаметр по своему желанию», — сказал Дрндич. «Мы можем использовать электронный микроскоп, чтобы просверлить их любого размера и формы, в отличие от пор в биологических мембранах, где нам каждый раз нужно находить новую систему».Для своих целей измерения команда использовала опыт лаборатории Мюррея в создании золотых наносфер и наностержней одинакового размера, покрытых лигандами, которые дают им общий положительный заряд. Химический состав поверхности этих наночастиц хорошо сочетается с методом транслокации, который основан на протягивании заряженных объектов через поры.«Степень покрытия лигандом на поверхности наночастиц сильно влияет на функцию и качество наночастиц», — сказал Мюррей. «Это одна из причин, по которой мы должны иметь возможность измерять их более подробно».
Команда сначала использовала сферические наночастицы для калибровки своей измерительной системы.«Для сферических наночастиц с заряженными лигандами на их поверхности, — сказал Вента, — существует хорошо известный метод определения поверхностной плотности заряда и, следовательно, плотности поверхностного лиганда.
Однако этот метод не работает для несферических наночастиц».Чтобы обойти это ограничение, команда привлекла опыт моделирования из группы Люкса.«Основываясь на данных, полученных в результате экспериментов и наших вычислительных моделей, — сказал Занджани, — мы можем рассчитать плотность поверхностного заряда наностержней на основе их диаметра.
И наоборот, если мы знаем их поверхностную плотность заряда, мы можем экстраполировать их диаметр. Тот же метод можно использовать для характеристики множества других наночастиц с разными размерами и формами ».При разработке модели для понимания взаимосвязи между этими свойствами команда также обнаружила кое-что неожиданное.
Когда наностержни проходят через поры, они обычно уменьшают ионный ток через поры, так как они уменьшают количество пространственных ионов, которые могут заселить. Однако иногда регистрировалось увеличение ионного тока через поры.Команда определила, что это еще одна область, где диаметр пор имеет решающее значение.
В среднем просверленные ими поры имели диаметр 20 нанометров, а некоторые на несколько нанометров шире или уже. Присмотревшись к этим необычным измерениям, увеличивающим ток, они определили, что, как это ни парадоксально, их запускали самые узкие поры. Это предполагает, что механизм имеет какое-то отношение к близости между наностержнем и краем поры.«Есть что-то во взаимодействии между стержнями и порами, которое вызывает эти« положительные »события», — сказал Лукес. «Несмотря на то, что для ионов меньше места, мы думаем, что ток увеличивается, потому что заряженные поверхности стержней и пор притягивают еще более высокую концентрацию ионов, чем обычно бывает для более крупных пор».
Это явление потенциально можно использовать как другой способ измерения частиц, проходящих через нанопоры. Дальнейшие исследования позволят получить более четкое представление о допусках на диаметр, необходимых для частиц различной формы.
Другие аспекты поры, например, имеет ли она сужающуюся форму песочных часов по сравнению с гладкой цилиндрической формой, также могут быть исследованы, чтобы увидеть, влияют ли они на типы сигналов, которые могут быть записаны.«Подобные исследования были бы невозможны без Научно-исследовательского и инженерного центра Пенна», — сказал Дрндич. «Опираясь на физику, химию, материаловедение, машиностроение, мы получаем уникальную возможность открывать интересные явления, одновременно продвигая их практическое применение».
Исследование было поддержано Национальным научным фондом через Научно-технический центр Пенна и стипендию для аспирантов.