Nanoboble-styret nanofluidisk transport

Nanofluidiske platforme kan tilbyde afstembar materialetransport til biosensing, kemisk påvisning og filtrering. Tidligere forskning havde opnået elektiv og kontrolleret iontransport baseret på elektrisk, optiske og kemiske gating-metoder af komplekse nanostrukturer. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Videnskabens fremskridt , Jake Rabinowitz og et team af forskere inden for elektroteknik, biologiske videnskaber og biomedicinsk teknik ved Columbia University, New York, OS., mekanisk styret nanofluidisk transport ved hjælp af nanobobler. De genererede mekanisk nanoboblerne, der blev gjort stabile via overfladenålning og verificerede dem ved hjælp af kryogene transmissionselektronmikroskopiteknikker. Resultaterne er relevante for nanofluidisk enhedskonstruktion og nanopipettebaserede applikationer.

Undersøgelse af nanoboblers stabilitet

I dette arbejde, Rabinowitz et al. undersøgt, hvordan nanobobler kontrollerede nanofluidisk transport ved at generere metastabile nanobobler i nanopipettekanaler. Overfladefaste nanobobler findes ved væske-faststof-grænseflader og kan trodse fysiske og termodynamiske forudsigelser om øjeblikkelig opløsning. Forskere har krediteret nanoboblers lange levetid til en række effekter, herunder væskeovermætning med gas- og gasakkumulering ved trefasegrænseflader; et isolerende oxid, ledende kulstof og flydende elektrolytgrænseflade. Et fællestræk ved disse mekanismer er reduktionen af ​​gasfasekoncentrationsgradienten mellem nanobobleoverfladen og den bulkgasmættede opløsning. Surface-pinned nanobobler præsenterer en række applikationer til at kontrollere (korrigere eller forbedre) iontransport i nanofluidkanaler, mens de driver selektiv massetransport. I bredere anvendelser, nanobobler er velegnede til vandbehandling, målrettet billeddannelse og lægemiddellevering.

Under forsøgene, Rabinowitz et al. genererede metastabile nanobobler i nanopipettekanaler ved at aflede elektrolytstrømme gennem grænsefladeelektrolytfilm. De bekræftede tilstedeværelsen af ​​nanobobler inde i nanopipetter ved hjælp af kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) med transmissionselektronmikroskopi. Holdet overvågede de nanoboble-tilsluttede nanopipetter under langtidsundersøgelser for at verificere deres metastabilitet, og bekræftede resultatet ved hjælp af en numerisk model.

Detektering af nanobobler med kryo-EM og elektronisk karakterisering

Rabinowitz et al. første fyldte nanopipetter med elektrolytter, mens du holder spidserne udsat for luft. Ved at fjerne og nedsænke disse pipetter i elektrolytten, de tillod hydrostatisk tryk at drive yderligere elektrolytter ind i spidsen, mens overfladespændingen bibeholdt lufthullerne. Den mekaniske konkurrence mellem det hydrostatiske tryk og overfladespænding skabte nanobobler i forskellige størrelser, at ændre nanoboblekonfigurationer inden for en enkelt nanopipette.

Forskerne målte først ionstrømmene ved hjælp af et sæt ensartet forberedte nanopipetter fyldt med en neutral buffer, hvor ioniske forhold af den omgivende elektrolyt bestemte nanokanalens strøm-spændingsrespons. De bekræftede metastabiliteten af ​​nanobobler på grund af reproducerbarheden af ​​ensrettede ionstrømsmålinger, på tværs af på hinanden følgende spændingssweep og bekræftede nanoboblebelægningen inde i nanopipetter ved hjælp af cryo-EM. Holdet analyserede flere elektroniske målinger forberedt til forskellige nanoboblekonfigurationer for at forstå, hvordan deres størrelse påvirkede nanofluidisk transport.

Nanofluidisk transport og nanoboble-forstærket ionkonduktans

Størrelsesafhængige ændringer af nanobobler kunne kontrollere nanopipettens flydende respons og ændre den nanofluidiske transportadfærd. Holdet brugte iontransportsimuleringer til at understøtte den nanofluidiske model og gentog de eksperimentelle tendenser ved at simulere strømspændingsresponser og impedanssimuleringer for at forstå det eksperimentelle system. Holdet undersøgte pH-afhængigheden af ​​nanobobler, hvor reducerede hydroxidforhold (pH 2) på indesluttede bobler resulterede i en negativ ladning, mens øgede hydroxidbetingelser (pH 12) øgede deres ladningstæthed.

Rabinowitz et al. credited the nanobubble-induced current enhancement to nonlinear electroosmotic flows driven by ion concentration enrichment. For eksempel, intrinsic nanopipette rectification (alternating current-to-direct current power conversion) in the presence of 140 mM potassium chloride (KCl) electrolyte, allowed them to substantiate nanobubbles as the source of conductance enhancement. With further dilution, a nanobubble in 5 mM KCl produced even stronger conductance enhancement and rectification. The team compared the concentration dependence of nanobubble conductance enhancement to observe surface-to-bulk conductance ratios, comparable to those observed in surface charge-governed transport through a nanopore.

Nanobubble metastability model

The team then used reproducible and geometry-dependent measurements, to show the stability of nanobubbles over a period of minutes, unperturbed by electric fields. By monitoring long-term bubble-plugged nanopipettes, they noted slow nanobubble growth, where a nanopipette containing 3M KCl showed a rectification ratio of 1.3 and an average resistance of 54 megaohms. Rabinowitz explained the steady nanobubble growth in gas oversaturated liquid using a dynamic equilibrium model for nanobubble-electrolyte gas exchange and estimated the dissolved gas concentration at the nanopipette wall using finite element modeling and gas law relations.

Outlook

På denne måde Jake Rabinowitz and colleagues characterized ion transport through nanobubble-plugged nanopipettes and observed nanobubble metastability under these conditions. The team demonstrated composite nanochannels with tunable ionic currents, atomically thin electrolyte films and effective apertures comparable to biological ion channels. The team showed the ability to improve nanochannel conductivity in the forward rectification direction and credited the observations to nonlinear electrokinetic phenomena. They developed a mechanical technique in this study to generate nanobubbles inside nanopipettes and fabricate these transport systems. The transport effects detailed in this work are relevant to applications that rely on ionic currents through nanopipettes, including patch clamp electrophysiology and scanning ion conductance microscopy. In addition to that, the phenomenon of long-term nanobubble growth without an external source of gas oversaturation presents a new system that can provide insight into three-phase interface dynamics.

© 2020 Science X Network