Een interdisciplinair team van onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania heeft nu een geavanceerde techniek toegepast voor snelle gensequencing voor het meten van andere nanoscopische structuren. Door bollen en staafjes op nanoschaal door een klein gaatje in een membraan te laten gaan, het team was in staat om de elektrische eigenschappen van de oppervlakken van die structuren te meten.

Hun bevindingen suggereren nieuwe manieren om deze techniek te gebruiken, bekend als "nanopore translocatie, " om objecten op de kleinste schaal te analyseren.

Het onderzoek werd geleid door Marija Drndić, hoogleraar bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde in Penn's School of Arts &Sciences; Jennifer Lucas, universitair hoofddocent bij de afdeling Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica in Penn's School of Engineering and Applied Science; en Christopher Murray, een Penn Integrates Knowledge Professor die aanstellingen heeft in beide scholen via de afdelingen Chemie en Materials Science and Engineering. Kimberly Venta, van Drndić's laboratorium, en Mehdi Bakhshi Zanjani, van Lukes' lab, waren co-lead auteurs op het papier, en Xingchen Ye en Gopinath Danda droegen ook bij aan het werk.

De afgelopen jaren, Het laboratorium van Drndić heeft een benadering van gen-sequencing onderzocht, waarbij DNA-translocatie door een nanoporie is betrokken. De techniek omvat meestal het inrijgen van DNA, gesuspendeerd in een ionische vloeistof, door een klein gaatje in een dun membraan. Van elk van de vier basen van een DNA-sequentie wordt verwacht dat ze verschillende hoeveelheden van de opening blokkeren als ze er doorheen gaan, waardoor een ander aantal ionen mee kan gaan. Bij de meeste nanoporiën-sequencing, onderzoekers proberen basen te identificeren door veranderingen in de omringende ionenstroom te lezen terwijl deze door de nanoporie gaat.

Deze techniek heeft zijn wortels in een apparaat dat bekend staat als een Coulter-teller. Dergelijke apparaten worden al tientallen jaren gebruikt om microscopisch kleine deeltjes te tellen en te sorteren, zoals bloedcellen en bacteriën. Het principe is hetzelfde; deeltjes met grotere diameters blokkeren meer van de opening, het verminderen van de elektrische stroom gemeten door elektroden die boven en onder de opening zijn geplaatst. Deze techniek is gebruikt op deeltjes die zich typisch op microschaal bevinden, echter, overwegende dat DNA-basen zich op nanoschaal bevinden, duizend keer kleiner.

Vooruitgang in nanotechnologie heeft onderzoekers in staat gesteld steeds kleinere poriën te maken, en vroege successen bij het gebruik van deze techniek met DNA suggereerden dat het ook zou kunnen worden toegepast om andere structuren op nanoschaal beter te meten. Bolvormige nanokristallen en langwerpige nanostaafjes, bijvoorbeeld, waarvan wordt gedacht dat ze mogelijk worden gebruikt in de geneeskunde, elektronica en andere gebieden, maar hun eigenschappen moeten nauwkeurig worden gemeten voordat ze goed kunnen zijn, afgestemd op hun ultieme toepassingen.

Daartoe, de leden van Drndić's contingent maakten gebruik van hun sequencing-onderzoek met siliciumnitride-nanoporiën, die kan worden aangepast om te werken op verschillende maten tussen de nano- en microschalen.

"Een geweldig kenmerk van nanoporiën in vaste toestand is dat we naar believen van diameter kunnen veranderen, Drndić zei. "We kunnen een elektronenmicroscoop gebruiken om ze te boren in elke maat en vorm die we willen, in tegenstelling tot poriën in biologische membranen, waar we elke keer een nieuw systeem zouden moeten vinden."

Voor hun meetdoelen, het team maakte gebruik van de expertise van het Murray-lab bij het maken van gouden nanobolletjes en nanostaafjes van uniforme grootte die bedekt zijn met liganden die ze een algehele positieve lading geven. De oppervlaktechemie van deze nanodeeltjes was een aantrekkelijke match voor de translocatietechniek, die afhankelijk is van het trekken van geladen objecten door de porie.

"De mate van liganddekking op het oppervlak van nanodeeltjes heeft een grote invloed op de functie en kwaliteit van nanodeeltjes, "zei Murray. "Dat is een reden waarom we ze in meer detail moeten kunnen meten."

Het team gebruikte eerst de bolvormige nanodeeltjes om hun meetsysteem te kalibreren.

"Voor bolvormige nanodeeltjes met geladen liganden op hun oppervlak, " zei Venta, "Er is een bekende methode om de oppervlakteladingsdichtheid te bepalen, en dus de oppervlakteliganddichtheid. Echter, deze methode faalt voor niet-sferische nanodeeltjes."

Om deze beperking te omzeilen, het team deed beroep op modelleringsexpertise van de groep van Lukes.

"Op basis van de gegevens die zijn verkregen uit de experimenten en onze rekenmodellen, "Zanjani zei, "We kunnen de oppervlakteladingsdichtheid van de nanostaafjes berekenen op basis van hun diameter. Omgekeerd, als we hun oppervlakteladingsdichtheid kennen, we kunnen hun diameter extrapoleren. Dezelfde methode kan ook worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan andere nanodeeltjes met verschillende maten en vormen te karakteriseren".

Bij het ontwikkelen van het model voor het begrijpen van de relatie tussen deze eigenschappen, het team vond ook iets onverwachts. Als nanostaafjes door de porie gaan, ze verminderen typisch de ionenstroom door de poriën, omdat ze de hoeveelheid ruimte-ionen die kunnen bewonen verminderen. Echter, soms werd een toename van de ionenstroom door de poriën geregistreerd.

Het team stelde vast dat dit een ander gebied was waar de poriediameter van cruciaal belang was. Gemiddeld, de poriën die ze boorden hadden een diameter van 20 nanometer, met sommige een paar nanometer breder of smaller. Als we deze ongewone, stroomverhogende metingen, zij bepaalden dat, paradoxaal genoeg, de smalste poriën veroorzaakten ze. Dit suggereerde dat het mechanisme iets te maken had met de nabijheid tussen de nanostaaf en de rand van de porie.

"Er is iets met de interactie tussen de staafjes en de poriën die deze 'positieve' gebeurtenissen veroorzaakt, " zei Lukes. "Ook al is er minder ruimte voor de ionen om door te gaan, we denken dat de stroom toeneemt omdat de geladen oppervlakken van de staven en poriën een nog hogere concentratie ionen aantrekken dan normaal voor grotere poriën."

Dit fenomeen zou mogelijk kunnen worden benut als een andere manier om deeltjes te meten die door nanoporiën gaan. Nader onderzoek zal een duidelijker beeld geven van de diametertoleranties die nodig zijn voor deeltjes met verschillende vormen. Andere aspecten van de porie, alsof het een taps toelopende, zandlopervorm versus een gladde, cilindrische, kunnen ook worden onderzocht om te zien of ze een verschil maken in het soort signalen dat kan worden geregistreerd.

"Dit soort onderzoek zou niet mogelijk zijn geweest zonder Penn's Materials Science Research and Engineering Center, "Zei Drndić. "Tekenend op natuurkunde, scheikunde, materiaal kunde, werktuigbouwkunde biedt ons een unieke kans om interessante fenomenen te ontdekken en tegelijkertijd hun praktische toepassingen te verbeteren."