Ett tvärvetenskapligt team av forskare från University of Pennsylvania har nu tillämpat en spetsteknik för snabb gensekvensering mot mätning av andra nanoskopiska strukturer. Genom att passera sfärer och stavar i nanoskala genom ett litet hål i ett membran, laget kunde mäta de elektriska egenskaperna hos dessa strukturers ytor.

Deras resultat tyder på nya sätt att använda denna teknik, känd som "nanopore -translokation, "för att analysera objekt i minsta skala.

Forskningen leds av Marija Drndić, professor vid Institutionen för fysik och astronomi i Penn's School of Arts &Sciences; Jennifer Lukes, docent vid Institutionen för maskinteknik och tillämpad mekanik i Penn's School of Engineering and Applied Science; och Christopher Murray, en Penn integrerar kunskapsprofessor som har möten i båda skolorna genom institutionerna för kemi och materialvetenskap och teknik. Kimberly Venta, från Drndićs labb, och Mehdi Bakhshi Zanjani, från Lukes lab, var medförfattare i tidningen, och Xingchen Ye och Gopinath Danda bidrog också till arbetet.

Under de senaste åren har Drndićs laboratorium har undersökt en metod för gensekvensering som involverar DNA -translokation genom en nanopor. Tekniken innefattar vanligtvis trådning av DNA, suspenderad i en jonvätska, genom ett litet hål i ett tunt membran. Var och en av de fyra baserna i en DNA -sekvens förväntas blockera olika mängder av bländaren när de passerar genom, så att ett annat antal joner kan passera tillsammans med dem. I de flesta nanoporesekvenser, forskare försöker identifiera baser genom att läsa förändringar i den omgivande jonströmmen när den passerar genom nanoporen.

Denna teknik har sina rötter i en enhet som kallas en Coulter -räknare. Sådana anordningar har använts i decennier för att räkna och sortera mikroskopiska partiklar, som blodkroppar och bakterier. Principen är densamma; partiklar med större diametrar blockerar mer av bländaren, reducera den elektriska strömmen mätt med elektroder placerade ovanför och under bländaren. Denna teknik har använts på partiklar som vanligtvis är i mikroskala, dock, medan DNA -baser är på nanoskala, tusen gånger mindre.

Framsteg inom nanoteknik har gjort det möjligt för forskare att göra mindre och mindre porer, och tidiga framgångar med att använda denna teknik med DNA föreslog att den också kan tillämpas för att bättre mäta andra nanoskala strukturer. Sfäriska nanokristaller och avlånga nanoroder, till exempel, tros ha potentiella användningsområden inom medicin, elektronik och andra områden, men deras egenskaper måste mätas noggrant innan de kan bli fina, anpassade för sina ultimata applikationer.

För detta ändamål, medlemmarna i Drndićs kontingent använde sin sekvensbestämning med kiselnitrid -nanoporer, som kan anpassas för att fungera i olika storlekar mellan nano- och mikrovågarna.

"En stor egenskap hos solid-state nanoporer är att vi kan ändra diametrar efter behag, "Sa Drndić." Vi kan använda ett elektronmikroskop för att borra dem i vilken storlek och form vi vill, till skillnad från porer i biologiska membran, där vi skulle behöva hitta ett nytt system varje gång. "

För deras mätmål, teamet drog nytta av Murray -laboratoriets expertis när det gäller att tillverka guldnanosfärer och nanoroder av uniformstorlek som är täckta med ligander som ger dem en övergripande positiv laddning. Ytkemin för dessa nanopartiklar var en attraktiv matchning för translokationstekniken, som bygger på att dra laddade föremål genom poren.

"Graden av ligandtäckning på ytan av nanopartiklar påverkar kraftigt nanopartikelfunktionen och kvaliteten, "sa Murray." Det är en anledning till att vi måste kunna mäta dem mer detaljerat. "

Teamet använde först de sfäriska nanopartiklarna för att kalibrera sitt mätsystem.

"För sfäriska nanopartiklar med laddade ligander på ytan, sa Venta, "det finns en välkänd metod för att bestämma ytladdningstätheten, och därmed ytligandens densitet. Dock, denna metod misslyckas för icke-sfäriska nanopartiklar. "

För att komma runt denna begränsning, laget anlitade modelleringsexpertis från Lukes grupp.

"Baserat på data från experimenten och våra beräkningsmodeller, "Zanjani sa, "vi kan beräkna ytladdningstätheten för nanoroderna baserat på deras diameter. Omvänt, om vi vet deras ytladdningstäthet, vi kan extrapolera deras diameter. Samma metod kan också användas för att karakterisera en mängd andra nanopartiklar med olika storlekar och former ".

Vid utvecklingen av modellen för att förstå sambandet mellan dessa egenskaper, laget hittade också något oväntat. När nanoroder passerar genom poren, de reducerar vanligtvis jonströmmen genom porerna, eftersom de minskar mängden utrymme som joner kan bo i. Dock, ibland registrerades en ökning av jonström genom porer.

Teamet bestämde att detta var ett annat område där pordiametern var kritisk. I genomsnitt, porerna som de borrade var 20 nanometer i diameter, med några få nanometer bredare eller smalare. När vi tittar närmare på dessa ovanliga, strömökande mätningar, de bestämde att paradoxalt, de smalaste porerna utlöste dem. Detta föreslog att mekanismen hade något att göra med närheten mellan nanoroden och kanten av poren.

"Det är något med interaktionen mellan stavarna och porerna som orsakar dessa" positiva "händelser, "sade Lukes." Även om det finns mindre utrymme för jonerna att passera, vi tror att strömmen ökar eftersom de laddade ytorna på stavarna och porerna lockar en ännu högre koncentration av joner än vad som normalt skulle vara där för större porer. "

Detta fenomen kan potentiellt utnyttjas som ett annat sätt att mäta partiklar som passerar genom nanoporer. Ytterligare forskning kommer att ge en tydligare bild av diametertoleranserna som är nödvändiga för partiklar i olika former. Andra aspekter av poren, som om den har en avsmalnande, timglasform kontra en slät, cylindrisk, kan också undersökas för att se om de gör skillnad i vilken typ av signaler som kan spelas in.

"Den här typen av studier hade inte varit möjliga utan Penn's Materials Science Research and Engineering Center, "Sa Drndić." Utifrån fysiken, kemi, materialvetenskap, Maskinteknik ger oss en unik möjlighet att upptäcka intressanta fenomen och samtidigt utveckla deras praktiska tillämpningar. "