Nanofluïdische platforms kunnen afstembaar materiaaltransport bieden voor biosensing, chemische detectie en filtratie. Onderzoek in het verleden had geleid tot electief en gecontroleerd ionentransport op basis van elektrische, optische en chemische poortmethoden van complexe nanostructuren. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Jake Rabinowitz en een team van onderzoekers in elektrotechniek, biologische wetenschappen en biomedische technologie aan de Columbia University, New York, ONS., mechanisch gecontroleerd nanofluïdisch transport met behulp van nanobellen. Ze genereerden mechanisch de nanobellen die stabiel waren gemaakt via oppervlaktespelden en verifieerden ze met behulp van cryogene transmissie-elektronenmicroscopietechnieken. De bevindingen zijn relevant voor de engineering van nanofluïdische apparaten en toepassingen op basis van nanopipetten.

Onderzoek naar de stabiliteit van nanobellen

In dit werk, Rabinowitz et al. bestudeerde hoe nanobellen het nanofluïdische transport controleerden door metastabiele nanobellen in nanopipetkanalen te genereren. Op het oppervlak vastgezette nanobellen bevinden zich op vloeistof-vaste grensvlakken en kunnen fysieke en thermodynamische voorspellingen van onmiddellijke ontbinding trotseren. Onderzoekers hebben de lange levensduur van nanobellen toegeschreven aan een reeks effecten, inclusief vloeistofoververzadiging met gas en gasophoping op driefasige interfaces; een isolerend oxide, geleidende koolstof en vloeibare elektrolyt interface. Een gemeenschappelijk kenmerk van deze mechanismen is de vermindering van de concentratiegradiënt in de gasfase tussen het oppervlak van de nanobellen en de met gas verzadigde bulkoplossing. Op het oppervlak vastgezette nanobellen bieden een verscheidenheid aan toepassingen om ionentransport in nanofluïdische kanalen te regelen (rectificeren of verbeteren) terwijl ze selectief massatransport aansturen. Bij bredere toepassingen nanobellen zijn geschikt voor waterbehandeling, gerichte beeldvorming en medicijnafgifte.

Tijdens de experimenten, Rabinowitz et al. genereerde metastabiele nanobellen in nanopipetkanalen door elektrolytstromen door grensvlak-elektrolytfilms om te leiden. Ze bevestigden de aanwezigheid van nanobellen in nanopipetten met behulp van cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) met transmissie-elektronenmicroscopie. Het team heeft de nanopipetten met nanobellen gemonitord tijdens langetermijnstudies om hun metastabiliteit te verifiëren. en bevestigde de uitkomst met behulp van een numeriek model.

Detectie van nanobellen met cryo-EM en elektronische karakterisering

Rabinowitz et al. eerste gevulde nanopipetten met elektrolyten, terwijl u de tips blootgesteld aan lucht houdt. Door deze pipetten te verwijderen en opnieuw onder te dompelen in de elektrolyt, ze lieten hydrostatische druk toe om extra elektrolyten in de punt te drijven, terwijl de oppervlaktespanning de luchtleemtes in stand hield. De mechanische concurrentie tussen de hydrostatische druk en oppervlaktespanning creëerde nanobellen in verschillende groottes, om nanobubble-configuraties binnen een enkele nanopipet te wijzigen.

De onderzoekers maten eerst de ionenstromen met behulp van een set uniform geprepareerde nanopipetten gevuld met een neutrale buffer, waarbij ionische omstandigheden van de omringende elektrolyt de stroom-spanningsrespons van het nanokanaal bepaalden. Ze bevestigden de metastabiliteit van nanobellen vanwege de reproduceerbaarheid van gelijkgerichte ionische stroommetingen, over opeenvolgende spanningszwaaien en bevestigde de bezetting van nanobellen in nanopipetten met behulp van cryo-EM. Het team analyseerde verschillende elektronische metingen die waren voorbereid op verschillende configuraties van nanobellen om te begrijpen hoe hun grootte het nanofluïdische transport beïnvloedde.

Nanofluïdisch transport en door nanobellen versterkte ionengeleiding

Grootteafhankelijke veranderingen van nanobellen zouden de fluïdische respons van de nanopipet kunnen beheersen en het nanofluïdische transportgedrag kunnen wijzigen. Het team gebruikte ionentransportsimulaties om het nanofluïdische model te ondersteunen en repliceerde de experimentele trends door stroom-spanningsreacties en impedantiesimulaties te simuleren om het experimentele systeem te begrijpen. Het team onderzocht de pH-afhankelijkheid van nanobellen, waar verminderde hydroxide-omstandigheden (pH 2) op ingesloten bellen resulteerden in een negatieve lading, terwijl verhoogde hydroxide-omstandigheden (pH 12) hun ladingsdichtheid verhoogden.

Rabinowitz et al. credited the nanobubble-induced current enhancement to nonlinear electroosmotic flows driven by ion concentration enrichment. Bijvoorbeeld, intrinsic nanopipette rectification (alternating current-to-direct current power conversion) in the presence of 140 mM potassium chloride (KCl) electrolyte, allowed them to substantiate nanobubbles as the source of conductance enhancement. With further dilution, a nanobubble in 5 mM KCl produced even stronger conductance enhancement and rectification. The team compared the concentration dependence of nanobubble conductance enhancement to observe surface-to-bulk conductance ratios, comparable to those observed in surface charge-governed transport through a nanopore.

Nanobubble metastability model

The team then used reproducible and geometry-dependent measurements, to show the stability of nanobubbles over a period of minutes, unperturbed by electric fields. By monitoring long-term bubble-plugged nanopipettes, they noted slow nanobubble growth, where a nanopipette containing 3M KCl showed a rectification ratio of 1.3 and an average resistance of 54 megaohms. Rabinowitz explained the steady nanobubble growth in gas oversaturated liquid using a dynamic equilibrium model for nanobubble-electrolyte gas exchange and estimated the dissolved gas concentration at the nanopipette wall using finite element modeling and gas law relations.

Outlook

Op deze manier, Jake Rabinowitz and colleagues characterized ion transport through nanobubble-plugged nanopipettes and observed nanobubble metastability under these conditions. The team demonstrated composite nanochannels with tunable ionic currents, atomically thin electrolyte films and effective apertures comparable to biological ion channels. The team showed the ability to improve nanochannel conductivity in the forward rectification direction and credited the observations to nonlinear electrokinetic phenomena. They developed a mechanical technique in this study to generate nanobubbles inside nanopipettes and fabricate these transport systems. The transport effects detailed in this work are relevant to applications that rely on ionic currents through nanopipettes, including patch clamp electrophysiology and scanning ion conductance microscopy. In addition to that, the phenomenon of long-term nanobubble growth without an external source of gas oversaturation presents a new system that can provide insight into three-phase interface dynamics.

© 2020 Wetenschap X Netwerk