Nyutvecklade nanovalvor tillåter flödet av enskilda nanopartiklar i vätskor att kontrolleras i små kanaler. Detta är av intresse för lab-on-a-chip-applikationer såsom materialvetenskap och biomedicin.

Forskare från ETH Zürich har utvecklat små ventiler som gör det möjligt att separera och sortera enskilda nanopartiklar i vätskor. Ventilerna kan användas för ett mycket brett spektrum av små partiklar, inklusive enskilda metall- och halvledarnanopartiklar, viruspartiklar, liposomer och större biomolekyler såsom antikroppar.

Nanoventilerna fungerar annorlunda än klassiska ventiler, som används för att mekaniskt stänga och öppna flöden i rörledningar, som i en kran. "Dessa mekaniska ventiler kan miniatyriseras, men inte så långt som vi skulle behöva för nanoskala applikationer, "förklarar ETH -professor Poulikakos." Om kanalerna är tunnare än några dussin mikrometer, de kan inte stängas mekaniskt och öppnas med någon regelbundenhet. "

Flaskhals med elektroder

För att öppna och stänga nanopartikelflödet i ultratunna kanaler, ETH -forskarna använde elektriska krafter. De arbetade med kanaler etsade in i ett kiselchip. Dessa hade en diameter på bara 300 till 500 nanometer - mindre än en hundradel av diametern på ett hår. De konstruerade sedan nanoventiler i dessa kanaler genom att förminska kanalerna vid önskade ventilplatser med hjälp av nanolitografi och placera en elektrod på båda sidor av dessa flaskhalsar.

Nanopartiklar i rent vatten kan inte helt enkelt passera genom flaskhalsen; för dem, ventilen i sitt grundläge är stängd. Genom att aktivera elektroden på särskilda sätt, det elektriska fältet i flaskhalsen kan ändras. Detta leder till en kraft som verkar på alla närvarande nanopartiklar, som pressar partiklarna genom flaskhalsen - så öppnas ventilen.

Nanopartiklar i en saltlösning, dock, beter sig annorlunda:de kan passera genom flaskhalsen i dess grundläge - för dem, ventilen är "öppen". Men som forskarna kunde visa kan dessa partiklar stoppas vid elektroderna genom en skicklig tillämpning av alternerande elektriska fält. På det här sättet, till exempel, biologiska partiklar som virus, liposomer och antikroppar som vanligtvis finns i saltlösningar både i naturen och i laboratoriet kan enkelt manipuleras.

Kontroll av vibrerande nanopartiklar

"Det är i grunden svårt att undersöka enskilda nanopartiklar i en vätska, eftersom brunisk rörelse verkar på nanoskala, "förklarar Hadi Eghlidi, Seniorforskare i Poulikakos grupp. De små partiklarna förblir inte stilla utan vibrerar i stället konstant, med en rörelseradie som är många gånger deras diameter. "Dock, vi kan fånga molekylerna i ett litet utrymme mellan två eller flera ventiler och sedan undersöka dem under ett mikroskop, till exempel."

Som en del av ett proof of concept, forskarna förberedde ett isolerings- och sorteringslås med en korsning och tre ventiler på ett kiselchip (se bilden ovan). En individuell nanopartikel kan fångas upp och undersökas vid korsningen. Ventilerna kan sedan styras så att partikeln lämnar systemet genom en av två utloppskanaler, så att nanopartiklar i en vätska kan sorteras i två klasser. Tillsammans med kollegor från Zürichs universitet, ETH -forskarna lyckades använda systemet för att manipulera små halvledarnanopartiklar (kvantprickar) och antikroppar - båda med en diameter på bara 10 nanometer.

Lab-on-a-chip-applikationer

Som forskarna betonar, det är, i princip, möjligt att arrangera ett komplext nanokanalsystem med valfritt antal styrbara ventiler på ett kiselchip. "Genom att finjustera det elektriska fältet vid elektroderna, i framtiden kan det vara möjligt att använda ventilerna som filter, låta partiklar med särskilda fysikaliska egenskaper passera genom att blockera andra, säger Christian Höller, en doktorand i Poulikakos grupp.

Forskarna skulle nu vilja utveckla tekniken tillsammans med partners för att göra den klar för standardanvändning inom forskning. Eftersom det gör det möjligt att sortera partiklar på ett litet chip, till exempel, det kan vara av intresse för materialvetenskap, kemi eller biomedicin. Det kan också vara möjligt att använda denna teknik för att isolera syntetiska eller biologiska partiklar för att undersöka dem mikroskopiskt eller att analysera dem under påverkan av farmaceutiska läkemedel.