Udvikling af bedre nanopore-teknologi

På det enkleste niveau, nanoporer er (nanometer-størrelse) huller i en isolerende membran. Hullet tillader ioner at passere gennem membranen, når der påføres en spænding, resulterer i en målbar strøm. Når et molekyle passerer gennem en nanopore, forårsager det en ændring i strømmen, dette kan bruges til at karakterisere og endda identificere individuelle molekyler. Nanoporer er ekstremt kraftige enkeltmolekyle biosensing-enheder og kan bruges til at detektere og sekventere DNA, RNA, og endda proteiner. For nylig, det er blevet brugt i SARS-CoV-2-virussekventering.

Faststofnanoporer er en ekstremt alsidig type nanopore dannet i ultratynde membraner (mindre end 50 nanometer), lavet af materialer som siliciumnitrid (SiN _x ). Solid-state nanoporer kan skabes med en række diametre og kan modstå en lang række forhold. En af de mest tiltalende teknikker til fremstilling af nanoporer er Controlled Breakdown (CBD). Denne teknik er hurtig, reducerer fremstillingsomkostninger, kræver ikke specialudstyr, og kan automatiseres.

CBD er en teknik, hvor et elektrisk felt påføres på tværs af membranen for at inducere en strøm. På et tidspunkt, en stigning i strømmen observeres, betyder poredannelse. Spændingen reduceres derefter hurtigt for at sikre fremstilling af en enkelt, lille nanopore.

De mekanismer, der ligger til grund for denne proces, er ikke blevet fuldstændig belyst, og derfor besluttede et internationalt hold, der involverede ITQB NOVA, at undersøge, hvordan elektrisk ledning gennem membranen opstår under nedbrud, nemlig hvordan oxidations- og reduktionsreaktioner (også kaldet redoxreaktioner, de indebærer elektrontab eller -forstærkning, henholdsvis) påvirke processen. At gøre dette, holdet skabte tre enheder, hvor det elektriske felt påføres membranen (en siliciumrig SiN _x membran) på forskellige måder:via metalelektroder på begge sider af membranen; via elektrolytopløsninger på begge sider af membranen; og via en blandet enhed med en metalelektrode på den ene side og en elektrolytopløsning på den anden.

Resultaterne viste, at redoxreaktioner skal forekomme ved membran-elektrolyt-grænsefladen, mens metalelektroderne omgår dette behov. Holdet viste også, at på grund af dette fænomen, nanopore-fremstilling kunne lokaliseres til visse regioner ved at udføre CBD med metalmikroelektroder på membranoverfladen. Endelig, ved at variere indholdet af silicium i membranen, forskerne viste, at ledning og nanoporedannelse er meget afhængig af membranmaterialet, da det begrænser den elektriske strøm i membranen.

"Kontrol af placeringen af ​​nanoporer har været interessant for os i en årrække", siger James Yates. Pedro Sousa tilføjer, at "vores resultater tyder på, at CBD kan bruges til at integrere porer med komplementære mikro- eller nanostrukturer, såsom tunnelelektroder eller felteffektsensorer, på tværs af en række forskellige membranmaterialer."  Disse enheder kan derefter bruges til påvisning af specifikke molekyler, såsom proteiner, DNA, eller antistoffer, og anvendt på en bred vifte af scenarier, herunder pandemiovervågning eller fødevaresikkerhed.

Forskningen blev offentliggjort i tidsskriftet Lille .