Penn -team studerer nanokrystaller ved at føre dem gennem små porer

Et tværfagligt team af forskere fra University of Pennsylvania har nu anvendt en banebrydende teknik til hurtig gensekvensering mod måling af andre nanoskopiske strukturer. Ved at føre nanoskala kugler og stænger gennem et lille hul i en membran, teamet var i stand til at måle de elektriske egenskaber ved disse strukturers overflader.

Deres fund tyder på nye måder at bruge denne teknik på, kendt som "nanopore -translokation, "at analysere objekter i den mindste skala.

Undersøgelsen blev ledet af Marija Drndić, professor i Institut for Fysik og Astronomi i Penn's School of Arts &Sciences; Jennifer Lukes, lektor i Institut for Maskinteknik og Anvendt Mekanik i Penn's School of Engineering and Applied Science; og Christopher Murray, en Penn integrerer vidensprofessor, der har aftaler på begge skoler gennem afdelingerne for kemi og materialevidenskab og teknik. Kimberly Venta, fra Drndićs laboratorium, og Mehdi Bakhshi Zanjani, fra Lukes 'laboratorium, var medlederforfattere på papiret, og Xingchen Ye og Gopinath Danda bidrog også til arbejdet.

I de sidste år har Drndićs laboratorium har undersøgt en tilgang til gensekvensering, der involverer DNA -translokation gennem en nanopore. Teknikken involverer typisk trådning af DNA, suspenderet i en ionisk væske, gennem et lille hul i en tynd membran. Hver af de fire baser i en DNA -sekvens forventes at blokere forskellige mængder af blænde, når de passerer igennem, hvilket tillader et andet antal ioner at passere igennem sammen med dem. I de fleste nanopore sekventering, forskere forsøger at identificere baser ved at læse ændringer i den omgivende ionstrøm, når den passerer gennem nanoporen.

Denne teknik har sine rødder i en enhed kendt som en Coulter -tæller. Sådanne anordninger har været brugt i årtier til at tælle og sortere mikroskopiske partikler, som blodlegemer og bakterier. Princippet er det samme; partikler med større diametre blokerer mere af blændeåbningen, reducere den elektriske strøm målt ved elektroder placeret over og under blænde. Denne teknik er blevet brugt på partikler, der typisk er på mikroskalaen, imidlertid, der henviser til, at DNA -baser er på nanoskalaen, tusinde gange mindre.

Fremskridt inden for nanoteknologi har gjort det muligt for forskere at lave mindre og mindre porer, og tidlige succeser med at bruge denne teknik med DNA foreslog, at den også kunne anvendes til bedre at måle andre nanoskala strukturer. Sfæriske nanokrystaller og aflange nanoroder, for eksempel, menes at have potentielle anvendelser inden for medicin, elektronik og andre områder, men deres egenskaber skal måles nøjagtigt, før de kan blive fine, indstillet til deres ultimative applikationer.

Til det formål, medlemmerne af Drndićs kontingent trak på deres sekventeringsforskning, der involverede siliciumnitrid -nanoporer, som kan tilpasses til at arbejde i forskellige størrelser mellem nano- og mikroskalaerne.

"Et stort træk ved solid-state nanoporer er, at vi kan ændre diametre efter behag, "Sagde Drndić." Vi kan bruge et elektronmikroskop til at bore dem i den størrelse og form, vi ønsker, i modsætning til porer i biologiske membraner, hvor vi skulle finde et nyt system hver gang. "

For deres målmål, teamet trak på Murray labs ekspertise i at lave ensartede guld nanosfærer og nanoroder, der er dækket med ligander, der giver dem en samlet positiv ladning. Overfladekemien af ​​disse nanopartikler var et attraktivt match til translokationsteknikken, som er afhængig af at tegne ladede objekter gennem poren.

"Graden af ​​liganddækning på overfladen af ​​nanopartikler påvirker i høj grad nanopartikelfunktionen og kvaliteten, "sagde Murray." Det er en af ​​grundene til, at vi skal være i stand til at måle dem mere detaljeret. "

Holdet brugte først de sfæriske nanopartikler til at kalibrere deres målesystem.

"For sfæriske nanopartikler med ladede ligander på deres overflade, sagde Venta, "der er en velkendt metode til bestemmelse af overfladeladningstætheden, og dermed overfladeligandens densitet. Imidlertid, denne metode mislykkes for ikke-sfæriske nanopartikler. "

For at komme uden om denne begrænsning, teamet hentede modelleringsekspertise fra Lukes 'gruppe.

"Baseret på dataene fra eksperimenterne og vores beregningsmodeller, "Sagde Zanjani, "vi kan beregne overfladeladningstætheden af ​​nanoroderne baseret på deres diameter. Omvendt hvis vi kender deres overfladeladningstæthed, vi kan ekstrapolere deres diameter. Den samme metode kan også bruges til at karakterisere en række andre nanopartikler med forskellige størrelser og former ".

Ved udviklingen af ​​modellen til forståelse af forholdet mellem disse egenskaber, holdet fandt også noget uventet. Når nanoroder passerer gennem poren, de reducerer typisk ionstrømmen gennem porerne, da de reducerer mængden af ​​rumioner, som ioner kan bebo. Imidlertid, undertiden blev der registreret en stigning i ionstrøm gennem porer.

Holdet fastslog, at dette var et andet område, hvor porediameteren var kritisk. Gennemsnitlig, porerne, de borede, var 20 nanometer i diameter, med nogle få nanometer bredere eller smallere. Når man ser nærmere på disse usædvanlige, strømforøgende målinger, de bestemte, at paradoksalt nok, de smalleste porer udløste dem. Dette antydede, at mekanismen havde noget at gøre med nærheden mellem nanoroden og kanten af ​​poren.

"Der er noget ved samspillet mellem stængerne og porerne, der forårsager disse 'positive' begivenheder, "sagde Lukes." Selvom der er mindre plads til ionerne at passere igennem, vi tror, ​​at strømmen stiger, fordi stængernes og porernes ladede overflader tiltrækker en endnu højere koncentration af ioner, end der normalt ville være der for større porer. "

Dette fænomen kan potentielt udnyttes som en anden måde at måle partikler, der passerer gennem nanoporer. Yderligere forskning vil give et klarere billede af de diametertolerancer, der er nødvendige for partikler i forskellige former. Andre aspekter af poren, som hvis den har en konisk, timeglasform kontra en glat, cylindrisk, kan også undersøges for at se, om de gør en forskel i den slags signaler, der kan registreres.

"Denne form for undersøgelse ville ikke have været mulig uden Penn's Materials Science Research and Engineering Center, "Sagde Drndić." Baseret på fysik, kemi, materialevidenskab, maskinteknik giver os en unik mulighed for at opdage interessante fænomener, samtidig med at de fremmer deres praktiske anvendelser på samme tid. "