Измерение нанокристаллов с помощью нанопор
Междисциплинарная группа исследователей из Пенсильванского университета применила передовую технологию быстрого секвенирования генов для измерения других наноразмерных структур. Пропуская наносферы и наностержни через крошечное отверстие в мембране, команда смогла измерить электрические свойства поверхностей этих структур.
Их результаты указывают на новые способы использования этой техники, известной как "транслокация через нанопору", для анализа объектов в наномасштабе.
Исследование возглавили Мария Дрндич (физика и астрономия), Дженнифер Лукес (механика и прикладная механика) и Кристофер Мюррей (химия и материаловедение). Соавторами выступили Кимберли Вента и Мехди Бахши Занджани.
Принцип метода
Техника основана на методе секвенирования ДНК через нанопору, который, в свою очередь, восходит к счетчику Култера. Заряженные частицы в ионной жидкости проталкиваются через нанопору в мембране. Частица блокирует часть отверстия, что приводит к изменению ионного тока, регистрируемого электродами. Амплитуда изменения тока коррелирует с размером и свойствами частицы.
- Нанопоры: Использовались нанопоры из нитрида кремния, диаметр которых можно произвольно менять (в среднем ~20 нм) с помощью электронного микроскопа.
- Наночастицы: Исследовались сферические наночастицы и наностержни из золота с положительно заряженными лигандами на поверхности.
- Задача: Определить плотность поверхностного заряда (и, следовательно, плотность лигандов) для наностержней, для которых стандартные методы не работают.
Результаты и открытия
- Модель для наностержней: На основе экспериментальных данных и вычислительных моделей команда разработала метод, позволяющий по измеренному току определять плотность поверхностного заряда наностержней по их диаметру, и наоборот.
- Неожиданный эффект: Вместо ожидаемого снижения ионного тока при прохождении наностержня через пору, в некоторых случаях наблюдалось его увеличение. Этот парадоксальный эффект был связан с самыми узкими порами.
- Объяснение: Исследователи полагают, что в очень узких порах близость заряженных поверхностей стержня и поры приводит к притяжению и концентрации дополнительных ионов в оставшемся зазоре, что и увеличивает ток.
Значение и перспективы
- Метод позволяет точно характеризовать поверхностные свойства наночастиц различной формы, что критически важно для их применения в медицине и электронике.
- Обнаруженный эффект увеличения тока может быть использован как новый способ детектирования и измерения частиц.
- Дальнейшие исследования будут изучать влияние диаметра и формы пор (цилиндрическая, в виде песочных часов) на сигнал.
"Это исследование было бы невозможно без междисциплинарного сотрудничества в рамках нашего центра", — отметила Мария Дрндич.