Lille termometer overvåger direkte ændringer i temperaturen, når ioner passerer gennem en nanopore

Forskere fra SANKEN (instituttet for videnskabelig og industriel forskning) ved Osaka University målte de termiske virkninger af ionstrøm gennem en nanopore ved hjælp af et termoelement. De fandt ud af, at under de fleste forhold varierede både strømstyrken og varmeeffekten med påført spænding som forudsagt af Ohms lov. Dette arbejde kan føre til mere avancerede nanoskalasensorer.

Nanoporer, som er bittesmå åbninger i en membran så lille, at kun en enkelt DNA-streng eller viruspartikel kan passere igennem, er en spændende ny platform til at bygge sensorer. Ofte påføres en elektrisk spænding mellem de to sider af membranen for at trække stoffet, der skal analyseres, gennem nanoporen. Samtidig kan ladede ioner i opløsningen transporteres, men deres effekt på temperaturen er ikke blevet grundigt undersøgt. En direkte måling af de termiske effekter forårsaget af disse ioner kan hjælpe med at gøre nanoporer mere praktiske som sensorer.

Nu har et team af forskere ved Osaka University skabt et termoelement lavet af guld og platin nanotråde med et kontaktpunkt på kun 100 nm i størrelse, der fungerede som termometer. Den blev brugt til at måle temperaturen direkte ved siden af ​​en nanopore skåret i en 40 nm tyk film suspenderet på en siliciumwafer.

Joule-opvarmning opstår, når elektrisk energi omdannes til varme af modstanden i en ledning. Denne effekt opstår i brødristere og elektriske komfurer og kan opfattes som uelastisk spredning af elektronerne, når de kolliderer med ledningens kerner. I tilfælde af en nanopore fandt forskerne ud af, at termisk energi blev spredt i forhold til ionstrømmens momentum, hvilket er i overensstemmelse med forudsigelserne i Ohms lov. Da forskerne studerede en 300 nm-størrelse nanopore, registrerede forskerne ionstrømmen af ​​et fosfatbufret saltvand som funktion af påført spænding. "Vi demonstrerede næsten ohmsk adfærd over en lang række eksperimentelle forhold," siger førsteforfatter Makusu Tsutsui.

Med mindre nanoporer blev varmeeffekten mere udtalt, fordi mindre væske fra den køligere side kunne passere igennem for at udligne temperaturen. Som følge heraf kan opvarmningen forårsage en ikke ubetydelig effekt, hvor nanoporer oplever en temperaturstigning på et par grader under standard driftsforhold. "Vi forventer, at der udvikles nye nanopore-sensorer, som ikke kun kan identificere vira, men som måske også kan deaktivere dem på samme tid," siger seniorforfatter Tomoji Kawai. Forskerne foreslog andre situationer, hvor opvarmningen kan være gavnlig - for eksempel for at forhindre nanoporen i at blive tilstoppet af en polymer, eller for at adskille de DNA-strenge, der sekventeres.

Artiklen, "Ionic heat dissipation in solid-state pores," er udgivet i Science Advances . + Udforsk yderligere

In situ ekstraktion og påvisning af DNA ved hjælp af nanoporer