Jugal Saharia, een voormalige PhD-student aan de SMU, bereidt zich voor om te testen hoe goed CT-CDB werkt om solid-state nanopores (SSNs) te creëren, terwijl het ook mogelijk wordt om geblokkeerde nanopores zelf te reinigen. Credit: SMU
SMU en de University of Rhode Island hebben een goedkope en gebruiksvriendelijke methode gepatenteerd om vaste nanoporiën (SSN’s) te creëren. Daarmee is het ook mogelijk om geblokkeerde nanoporiën zelf te reinigen.
De techniek die ‘chemically-tuned controlled dielectric breakdown’ (CT-CDB) heet, pakt twee belangrijke problemen aan waardoor vaste nanoporiën (die te klein zijn om met het menselijk oog te zien) niet vaker worden gebruikt om biosensoren te bouwen die biologische en chemische reacties van een bepaald monster kunnen meten.
Biosensoren hebben brede medische toepassingen en maken snelle, vroege en effectieve diagnose en monitoring van ziekten mogelijk.
“We hebben nanoporiën geproduceerd die de nadelen van vaste nanoporiën (SSN’s) ruimschoots hebben overwonnen met behulp van deze techniek”, aldus een van de patenthouders, MinJun Kim, die de Robert C. Womack Chair is aan de Lyle School of Engineering van SMU en hoofdonderzoeker is van het BAST Lab.
SSN’s zijn ideaal voor biosensing, omdat ze minder kostbaar zijn om te maken in vergelijking met bestaande technologie en realtime-analyse van een klein monster mogelijk maken. Bovendien zijn kunstmatig gemaakte SSN’s steviger dan natuurlijk voorkomende nanoporiën in ons lichaam, waardoor ze gemakkelijker te gebruiken zijn in nanodevices.
SSN-apparaten bestaan uit een klein gaatje, of nanoporie, in wat een membraan wordt genoemd. Dit is een dun laagje materiaal dat een barrière vormt tussen twee reservoirs gevuld met ionische oplossingen.
Wanneer er een elektrische spanning over het membraan wordt aangelegd, stroomt er een ionenstroom door de nanoporie.
Om meer te weten te komen over een bepaalde substantie, brengen onderzoekers een klein monster door de porie in een van de reservoirs; elk biomolecuul registreert vervolgens zijn eigen signaal terwijl het door de nanoporie gaat vanwege een verandering in het elektrische veld. Deze elektrische stroomsignalen maken het mogelijk om de biologische en chemische eigenschappen van die substantie te bepalen.
“Een snelle en eenvoudige manier om een enkele nanoporie te maken, is door gebruik te maken van gecontroleerde diëlektrische doorslag, of CDB, op nanoschaal”, aldus Kim.
Diëlektrische doorslag treedt op wanneer een elektrisch isolerend materiaal (een diëlektricum) na blootstelling aan hoge spanning plotseling een geleider wordt, waardoor er stroom doorheen kan stromen. CDB is afhankelijk van het toepassen van een spanning over een isolerend membraan om een hoog elektrisch veld te genereren, terwijl de geïnduceerde lekstroom wordt bewaakt.
De geïnduceerde lekstroom wordt toegeschreven aan tunneling van elektronen door vallen, of inherente defecten die aanwezig zijn op de membranen. Na een bepaalde tijd hopen de geladen vallen zich op en uiteindelijk treedt er diëlektrische afbraak van het membraan op, wat resulteert in een enkele nanoporie.
Er zijn echter twee terugkerende problemen met poriën die met deze aanpak worden vervaardigd: afwijkingen in de open-poriënstroom en onomkeerbare vastplakken van analyten.
Drifts in open-pore stroom zijn geleidelijke veranderingen of fluctuaties in de basisstroom die door een nanopore stroomt wanneer deze niet geblokkeerd is. Deze drifts kunnen de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van metingen die met behulp van solid-state nanopores worden uitgevoerd, beïnvloeden.
Irreversibele analytbinding houdt in dat de stof die wordt gemeten of geanalyseerd (de analyt) permanent aan de nanoporie gebonden raakt in plaats van erdoorheen te gaan.
Beide problemen kunnen ertoe leiden dat onderzoekers moeite hebben om op lange termijn consistente metingen uit nanoporiën te verkrijgen.
Om deze obstakels te overwinnen, hebben onderzoekers van SMU en de University of Rhode Island een methode ontwikkeld om CDB te modificeren met een chemisch additief dat bekendstaat als natriumhypochloriet, of NaOCl, bij de ontwikkeling van SSN’s met dunne siliciumnitridemembranen.
Door natriumhypochloriet toe te voegen, ontstonden nanoporiën die aanzienlijk minder vatbaar waren voor verstopping dan conventioneel vervaardigde nanoporiën en die ook resulteerden in poriën zonder driften in open-poriënstromen, ontdekten onderzoekers. Deze voordelen verminderden de downtime tussen experimenten.
“Dit resulteerde in een totaal andere oppervlaktechemie van de nanoporiën, waardoor hun prestaties aanzienlijk verbeterden”, aldus Kim.
Kim is internationaal bekend om zijn bijdragen aan de ontwikkeling van nano- en microbiotica en hun brede toepassingen voor nanomedicijnen. Zo heeft hij apparaten ontwikkeld die op een dag medicijnen kunnen leveren aan tumoren, verstopte slagaders kunnen opruimen en artsen kunnen helpen zien wat er gebeurt in de moeilijkst bereikbare ruimtes van het lichaam.
Mede-uitvinders van CT-CDB zijn Nuwan Bandara en Buddini Karawdeniya, universitair docenten aan de afdeling Chemie en Biochemie van de Ohio State University; Jugal Saharia, universitair docent Werktuigbouwkunde aan de faculteit Techniek van de University of Houston-Clear Lake; en Jason Dwyer, hoogleraar scheikunde aan de University of Rhode Island.
Bandara en Karawdeniya zijn voormalige postdoctorale onderzoekers van SMU en werken in het BAST Lab, terwijl Saharia een voormalige Ph.D.-student van Kim is.
Meer informatie:
Het Amerikaanse Patent- en Merkenbureau heeft meer informatie over het patent, uitgegeven op 14 mei, hier.
Aangeboden door Southern Methodist University
