[論文レビュー] Detection of polystyrene sphere translocations using resizable elastomeric nanopores

Geoff R. Willmott, Lara H. Bauerfeind|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2010

Nanopore and Nanochannel Transport Studies参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、イオン電流パルスを用いて、可変サイズのエラストマー性ナノポアを通る200 nmおよび800 nmのカルボキシル化ポリスチレン球の透過を検出することを示した。主な貢献は、絶対的パルス高さに基づく破壊的でないポアサイズ推定法であり、最も狭いポア半径が支配的要因であることが、変動するひずみ、電圧、粒子濃度の下で検証された。

ABSTRACT

Resizable elastomeric nanopores have been used to measure pulses of ionic current caused by carboxylated polystyrene spheres of diameter 200 nm and 800 nm. The nanopores represent a novel technology which enables nanoscale resizing of a pore by macroscopic actuation of an elastomeric membrane. Three different pores were employed with variable applied strain, transmembrane potential, particle concentration and sphere radius. Theory describing current pulse magnitude has been extended to conical pore geometry. A consistent method for interpretation of data close to the noise threshold has been introduced, and experimental data has been used to compare several methods for efficient, non-destructive calculation of pore dimensions. The most effective models emphasize the absolute pulse size, which is predominantly determined by the opening radius at the narrowest part of the roughly conical pores, rather than the profile along the entire pore length. Experiments were carried out in a regime for which both electro-osmotic and electrophoretic transport are significant.

研究の動機と目的

• 可変サイズのエラストマー性ナノポアを用いた単一粒子透過センシングの実現可能性を示すこと。
• ポア幾何学的形状、印加ひずみ、膜間電圧、粒子濃度がイオン電流信号に与える影響を調査すること。
• 抵抗パルスデータを解釈するための理論モデルを比較し、破壊的測定を伴わずにポアサイズを推定する最も正確な非破壊的手法を特定すること。
• 動的で可変ポアを持つシステムにおいて、真の透過イベントとノイズやバックグラウンド活動を区別する課題に対処すること。
• ケイ酸性ナノポア内での粒子移動を支配する電気泳動力および電気オスマシス的輸送の役割を評価すること。

提案手法

• エラストマー膜に再密封可能なエラストマー性ナノポアをフォーミングし、マクロなひずみを印けることで、ポアサイズをさまざまな直径に可変化させた。
• 膜間電圧と粒子濃度を変化させながら、200 nmおよび800 nmのカルボキシル化ポリスチレン球の透過中にイオン電流測定を実施した。
• 理論モデルを円すい形ポア幾何学に拡張し、電気力学的効果（電気泳動および電気オスマシス的流れ）を組み込んだ。
• パルス高さ解析では、最大遮断電流に注目し、モデルは絶対的パルス高さをポアサイズの主な指標として強調した。
• 全実験にわたって一貫したノイズ閾値を適用し、モーダルな透過ピークを特定するとともに、真のイベントとバックグラウンドフラクチュエーションを区別した。
• 破壊的特性評価を伴わずに、最も狭いポア半径を推定する精度を評価するために、実験データを用いて複数の理論モデルを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 印加ひずみ、膜間電圧、粒子濃度の変化が、ポリスチレン球透過中のイオン電流パルスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 可変ナノポアにおける抵抗パルスデータからポアサイズを予測する理論モデルの中で、どのモデルが最も正確か？
• RQ3 電気泳動力および電気オスマシス的力が、円すい形エラストマー性ナノポア内での粒子輸送をどれほど支配しているか？
• RQ4 絶対的パルス高さのみで、最も狭いポア半径を信頼性高く非破壊的に推定できるか？
• RQ5 動的で可変ポアを持つシステムにおいて、透過イベントをノイズや非透過粒子の活動から信頼性高く区別するにはどうすればよいか？

主な発見

• 抵抗パルスの大きさは、ベースラインのポア抵抗に比例して増加し、より小さなポアでは明確な信号が得られることを示し、オーム則に従うものと一致した。
• パルスサイズは粒子体積にほぼ比例し、200 nmから800 nmの球体への変化で顕著に増加した。これは体積スケーリング予測を支持するものであった。
• パルスサイズは印加電圧にほとんど依存しなかったことから、実験領域では主にオーム則に従うI-V関係であることが確認された。
• 最も正確なポアサイズ推定は、絶対的パルス高さに基づくモデルによって達成された。特に粒子がポアの最も狭い部分に位置する場合に顕著であった。
• 全ポアプロファイル統合に依存するモデルよりも、最も狭いポア半径に注目するモデルが優れていた。これは、局所的な幾何学的形状が信号解釈を支配することが示された。
• 実験的ばらつきは、システムの動的かつ可変ポア性に起因するとされ、内部ポア幾何学および表面電荷効果のより良い特徴付けの必要性が強調された。