Forskere udvikler dielektroforetiske pincet til giftige nanopartikler

Et koreansk forskerhold har udviklet en teknologi, der muliggør effektiv kontrol af fine partikler og nanoplast, som er væsentlige årsager til menneskelig toksicitet og økosystemforstyrrelser. Denne teknologi, som giver mulighed for sortering i realtid, rensning, og koncentration af nanopartikler, der er usynlige for det menneskelige øje, har stor potentiel anvendelse, ikke kun til fjernelse af giftige partikler fra det naturlige miljø, men også til fjernelse af vira og påvisning af demensrelaterede proteiner og kræftdiagnostiske markører. På grund af dets store anvendelsesområde, denne teknologi tiltrækker stor opmærksomhed i videnskabelige og akademiske kredse.

Forskerholdet, ledet af Dr. Yong-sang Ryu fra Sensor System Research Center i National Agenda Research Division ved Korea Institute of Science and Technology (KIST), arbejder med et team ledet af Dr. Sin-Doo Lee fra Institut for Elektro- og Computerteknik ved Seoul National University, annonceret udviklingen af ​​en nanogap-elektrode, der er i stand til at fange ultrafine flydende partikler så små som 20 nanometer (nm, 1/1000 tykkelsen af ​​et menneskehår). Forskerholdet brugte den nyudviklede elektrode i vellykkede selektive koncentrations- og positioneringseksperimenter for ekstracellulære vesikler (exosomer), som har potentiale inden for lægemiddeludviklingsområdet og som nye diagnostiske markører for kræft og demensrelaterede proteiner.

Forskere over hele verden forfølger teknikker til at manipulere partikler i nanostørrelse uden at beskadige dem. Den optiske pincetteknologi, som modtog Nobelprisen i fysik i 2018, er repræsentativ for sådanne teknologier. Imidlertid, det har vist sig vanskeligt at gå ud over individuel manipulation/måling på partikelniveau og at realisere kommercialisering i massiv skala. Forskere er gentagne gange stødt på tekniske begrænsninger i skaleringsmekanismer til indsamling af, sortering, oprensning og koncentration af partikler, der er 100 nm eller mindre i størrelse; imidlertid, sådanne mekanismer er nødvendige for at arbejde i storskala atmosfæriske miljøer og vandmiljøer.

Det fælles KIST-SNU forskerhold, gennem centimeter-skala enhedsproduktion til partikelkoncentration og oprensningsforsøg, var i stand til at overvinde disse begrænsninger og med succes opskalerede nanogap-elektroderne ved at indsætte nanoskaleret isolatorfilm mellem to elektroder i en lodret justering, gør det muligt at anvende den dielektroforetiske pincetteknologi på store områder. Dielektroforese er en teknologi, hvor bølgelængder, der vibrerer flere hundrede til flere tusinde gange i sekundet, påføres to elektroder for at danne en uensartet elektrisk feltfordeling omkring elektroderne. Elektroderne bruges derefter til at tiltrække eller frastøde partikler i nærheden af ​​nanogaperne.

Det fælles forskerhold gennemførte eksperimenter for at finde teknologier, der kunne bruge universelt tilgængelige halvlederprocesser frem for eksisterende dyrt udstyr. Under forsøgsprocessen, holdet fandt, at den dielektroforetiske kraft produceret af elektroder i et asymmetrisk elektrode-arrangeret lodret array var over 10 gange større end en konventionel horisontalt justeret nanogap-array. Denne opdagelse løste samtidig problemerne med at opskalere og reducerede omkostningerne forbundet med nanogap-teknologien. Ved at bruge den konventionelle vandrette elektrode array produktionsmetode, det er ret dyrt at producere nok nanogap-elektroder til at dække området af en negl. Den nye dielektroforeseteknologi producerer nok nanogap-elektroder til at dække arealet af en LP-disk til en brøkdel af prisen.

Den vertikale nanogap-teknologi udviklet af KIST-forskerholdet gør det muligt at opskalere nanogap-elektrodeteknologien, producere nanogap-elektroder i adskillige former og størrelser, og reducerer enhedsproduktionsomkostningerne radikalt. Som sådan, teknologien har en bred vifte af potentielle anvendelser. Ifølge forskerholdet, når det bruges i luft- eller vandfiltre, nanogap-elektroderne kan fungere under lav spænding (såsom en almindelig AA-celle) for at detektere og fjerne, i realtid, forskellige mikroskopiske flydende partikler såsom fint støv, nanoplast, vira, bakterier, og bakterier.

Dr. Eui-Sang Yu, hovedforfatteren til undersøgelsen, sagde, "Resultatet har fremtidig anvendelse til sortering og rensning af partikler i nanostørrelse, uanset type partikel eller miljø."

Dr. Yong-Sang Ryu fra KIST, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen, tilføjet, "Vi håber, at undersøgelsen kan give brede bidrag til at løse forskellige sociale problemer og forbedre den generelle livskvalitet."