Ventiler til små partikler

Nyudviklede nanoventiler gør det muligt at kontrollere strømmen af ​​individuelle nanopartikler i væsker i bittesmå kanaler. Dette er af interesse for lab-on-a-chip applikationer såsom i materialevidenskab og biomedicin.

Forskere fra ETH Zürich har udviklet bittesmå ventiler, der gør det muligt at adskille og sortere individuelle nanopartikler i væsker. Ventilerne kan bruges til en meget bred vifte af bittesmå partikler, herunder individuelle metal- og halvledernanopartikler, virus partikler, liposomer og større biomolekyler såsom antistoffer.

Nanoventilerne fungerer anderledes end klassiske ventiler, som bruges til mekanisk at lukke og åbne flow i rørledninger, som i et tryk. "Disse mekaniske ventiler kan miniaturiseres, men ikke så langt, som vi ville have brug for til applikationer i nanoskala, " forklarer ETH-professor Poulikakos. "Hvis kanaler er tyndere end et par dusin mikrometer, de kan ikke lukkes mekanisk og åbnes med nogen regelmæssighed."

Flaskehals med elektroder

For at åbne og lukke nanopartikelstrømmen i ultratynde kanaler, ETH-forskerne gjorde brug af elektriske kræfter. De arbejdede med kanaler ætset ind i en siliciumchip. Disse havde en diameter på kun 300 til 500 nanometer - mindre end en hundrededel af diameteren af ​​et menneskehår. De konstruerede derefter nanoventiler i disse kanaler ved at indsnævre kanalerne på ønskede ventilplaceringer ved hjælp af nanolitografi og placere en elektrode på begge sider af disse flaskehalse.

Nanopartikler i rent vand kan ikke bare passere gennem flaskehalsen; for dem, ventilen i sin grundtilstand er lukket. Ved at aktivere elektroden på bestemte måder, det elektriske felt i flaskehalsen kan ændres. Dette fører til en kraft, der virker på eventuelle tilstedeværende nanopartikler, som presser partiklerne gennem flaskehalsen – sådan "åbnes" ventilen.

Nanopartikler i en saltvandsopløsning, imidlertid, opfører sig anderledes:de kan passere gennem flaskehalsen i sin grundtilstand – for dem, ventilen er "åben". Men som forskerne var i stand til at vise, kan disse partikler stoppes ved elektroderne gennem en dygtig anvendelse af vekslende elektriske felter. På denne måde for eksempel, biologiske partikler såsom vira, liposomer og antistoffer, der normalt er til stede i saltvandsvæsker både i naturen og i laboratoriet, kan let manipuleres.

Styring af vibrerende nanopartikler

"Det er grundlæggende svært at undersøge individuelle nanopartikler i en væske, fordi Brownsk bevægelse virker på nanoskalaen, " forklarer Hadi Eghlidi, Seniorforsker i Poulikakos' gruppe. De små partikler forbliver ikke stille, men vibrerer i stedet konstant, med en bevægelsesradius, der er mange gange deres diameter. "Imidlertid, vi kan fange molekylerne i et lille mellemrum mellem to eller flere ventiler og derefter undersøge dem under et mikroskop, for eksempel."

Som en del af et proof of concept, forskerne forberedte en isolerings- og sorteringslås med et kryds og tre ventiler på en siliciumchip (se billedet ovenfor). En individuel nanopartikel kan fanges og undersøges i krydset. Ventilerne kan derefter styres, så partiklen forlader systemet gennem en af ​​to udløbskanaler, gør det muligt at sortere nanopartikler i en væske i to klasser. Sammen med kolleger fra universitetet i Zürich, det lykkedes for ETH-forskerne at bruge systemet til at manipulere små halvledernanopartikler (kvanteprikker) og antistoffer – begge med en diameter på kun 10 nanometer.

Lab-on-a-chip applikationer

Som forskerne understreger, det er, i princippet, muligt at arrangere et komplekst nanokanalsystem med et hvilket som helst antal kontrollerbare ventiler på en siliciumchip. "Ved at finjustere det elektriske felt ved elektroderne, i fremtiden kunne det være muligt at bruge ventilerne som et filter, lader partikler med særlige fysiske egenskaber passere igennem, mens de blokerer andre, siger Christian Höller, en ph.d.-studerende i Poulikakos' gruppe.

Forskerne vil nu gerne videreudvikle teknologien sammen med partnere for at bringe den klar til standardanvendelse i forskning. Da det gør det muligt at sortere partikler på en lille chip, for eksempel, det kunne være af interesse inden for materialevidenskab, kemi eller biomedicin. Det kan også være muligt at bruge denne teknik til at isolere syntetiske eller biologiske partikler for at undersøge dem mikroskopisk eller til at analysere dem under påvirkning af farmaceutiske lægemidler.