Ontwikkeling van betere nanoporiëntechnologie

Op het eenvoudigste niveau zijn nanoporiën (nanometergrote) gaten in een isolerend membraan. Door het gat kunnen ionen door het membraan gaan wanneer er een spanning op wordt gezet, wat resulteert in een meetbare stroom. Wanneer een molecuul door een nanoporie gaat, veroorzaakt dit een verandering in de stroom, dit kan worden gebruikt om individuele moleculen te karakteriseren en zelfs te identificeren. Nanoporiën zijn extreem krachtige biosensing-apparaten met één molecuul en kunnen worden gebruikt om DNA, RNA en zelfs eiwitten te detecteren en te sequensen. Onlangs is het gebruikt bij de SARS-CoV-2-virussequencing.

Solid-state nanoporiën zijn een uiterst veelzijdig type nanoporiën gevormd in ultradunne membranen (minder dan 50 nanometer), gemaakt van materialen zoals siliciumnitride (SiN_x). Solid-state nanoporiën kunnen worden gemaakt met verschillende diameters en zijn bestand tegen een groot aantal omstandigheden. Een van de meest aansprekende technieken om nanoporiën te fabriceren is Controlled Breakdown (CBD). Deze techniek is snel, verlaagt de fabricagekosten, vereist geen gespecialiseerde apparatuur en kan worden geautomatiseerd.

CBD is een techniek waarbij een elektrisch veld over het membraan wordt aangelegd om een ​​stroom op te wekken. Op een gegeven moment wordt een piek in de stroom waargenomen, wat duidt op porievorming. De spanning wordt dan snel verlaagd om de fabricage van een enkele, kleine nanoporie te verzekeren.

De mechanismen die ten grondslag liggen aan dit proces zijn niet volledig opgehelderd, dus besloot een internationaal team waarbij ITQB NOVA betrokken was verder te onderzoeken hoe elektrische geleiding door het membraan plaatsvindt tijdens afbraak, namelijk hoe oxidatie- en reductiereacties (ook wel redoxreacties genoemd, ze impliceren elektronenverlies of -winst, respectievelijk) het proces beïnvloeden. Om dit te doen, creëerde het team drie apparaten waarin het elektrische veld wordt toegepast op het membraan (een siliciumrijke SiN_x membraan) op verschillende manieren: via metalen elektroden aan beide zijden van het membraan; via elektrolytoplossingen aan beide zijden van het membraan; en via een gemengd apparaat met aan de ene kant een metalen elektrode en aan de andere kant een elektrolytoplossing.

Resultaten toonden aan dat redoxreacties moeten plaatsvinden op het membraan-elektrolyt-interface, terwijl de metalen elektroden deze behoefte omzeilen. Het team toonde ook aan dat, vanwege dit fenomeen, de fabricage van nanoporiën in bepaalde regio’s kan worden gelokaliseerd door CBD uit te voeren met metalen micro-elektroden op het membraanoppervlak. Ten slotte toonden de onderzoekers door het gehalte aan silicium in het membraan te variëren aan dat geleiding en vorming van nanoporiën sterk afhankelijk is van het membraanmateriaal, aangezien het de elektrische stroom in het membraan beperkt.

“Het beheersen van de locatie van nanoporiën is al een aantal jaren interessant voor ons”, zegt James Yates. Pedro Sousa voegt eraan toe dat “onze bevindingen suggereren dat CBD kan worden gebruikt om poriën te integreren met complementaire micro- of nanostructuren, zoals tunnelelektroden of veldeffectsensoren, in een reeks verschillende membraanmaterialen.” Deze apparaten kunnen vervolgens worden gebruikt voor de detectie van specifieke moleculen, zoals eiwitten, DNA of antilichamen, en worden toegepast op een breed scala aan scenario’s, waaronder pandemische surveillance of voedselveiligheid.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Klein.