[논문 리뷰] Detection of polystyrene sphere translocations using resizable elastomeric nanopores

Geoff R. Willmott, Lara H. Bauerfeind|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 02.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 이온 전류 펄스를 이용해 늘어나는 고무성 나노구멍을 통과하는 200 nm 및 800 nm의 캑복실화된 폴리스티렌 구슬의 탐지 가능성을 입증한다. 주요 기여는 절대 펄스 높이를 기반으로 한 내구성 있고 파괴적이지 않은 구멍 크기 추정 방법으로, 가장 좁은 구멍 반지름이 다양한 변형, 전압 및 입자 농도 조건에서 가장 중요한 요소임을 검증한 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 입자 크기의 단일 입자 통과 감지를 위한 늘어나는 고무성 나노구멍의 가능성을 입증하기 위해.
• 나노구멍 형상, 적용된 변형, 막 전위 및 입자 농도가 이온 전류 신호에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 저항 펄스 데이터를 해석하기 위한 이론 모델을 비교하고, 가장 정확하고 파괴적이지 않은 구멍 크기 측정 방법을 규명하기 위해.
• 동적이고 변형 가능한 구멍을 갖는 시스템에서 진짜 통과 사건과 잡음 및 배경 활동을 구분하는 데 도전 과제를 다루기 위해.
• 구형 나노구멍을 통과하는 입자 이동에 있어 전기역학적 및 전기오스모틱 힘의 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• 유연성 있는 막에 있는 재봉합 가능한 고무성 나노구멍을 제작하고, 매크로스코픽 변형을 통해 다양한 직경 범위에서 구멍 크기를 조절하였다.
• 다양한 막 전위 및 입자 농도 조건에서 200 nm 및 800 nm의 캑복실화된 폴리스티렌 구슬의 통과 동안 이온 전류 측정을 실시하였다.
• 이론 모델을 구형 구멍 형상으로 확장하여 전기역학적 효과, 즉 전기역학적 및 전기오스모틱 유량을 포함시켰다.
• 펄스 높이 분석은 최대 차단 전류에 중점을 두었으며, 모델은 절대 펄스 크기를 구멍 크기의 주요 지표로 강조하였다.
• 모든 실험에 동일한 잡음 임계값을 적용하여 모달 통과 피크를 식별하고 배경 변동과 진짜 사건을 구분하였다.
• 실험 데이터를 사용하여 여러 이론 모델을 비교하여, 파괴적 특성 측정 없이도 가장 좁은 구멍 반지름을 정확하게 추정할 수 있는지 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적용된 변형, 막 전위 및 입자 농도의 변화가 폴리스티렌 구슬 통과 시 이온 전류 펄스에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다양한 나노구멍에서 저항 펄스 데이터로부터 구멍 크기를 가장 정확하게 예측하는 이론 모델은 무엇인가?
• RQ3 전기역학적 및 전기오스모틱 힘은 구형 고무성 나노구멍을 통과하는 입자 이동을 얼마나 지배하는가?
• RQ4 절대 펄스 높이만으로도 가장 좁은 구멍 반지름을 신뢰할 수 있고 비파괴적으로 추정할 수 있는가?
• RQ5 다이나믹하게 변화하는 시스템에서 통과 사건을 잡음 및 비통과 입자 활동과 신뢰성 있게 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 저항 펄스의 크기가 기본 구멍 저항과 비례하여 증가함을 확인하여, 더 작은 구멍에서는 더 명확한 신호를 얻을 수 있었으며, 이는 오옴의 법칙과 일치한다.
• 펄스 크기가 입자 부피에 비례하여 약간 증가함을 확인하여, 200 nm에서 800 nm로의 변화에서 부피 비례 예측이 뒷받침됨을 보였다.
• 적용 전압에 따른 펄스 크기 변화가 거의 없었으며, 실험 영역에서 주로 오옴의 I-V 관계를 따름을 확인하였다.
• 절대 펄스 높이 기반의 모델이 가장 정확한 구멍 크기 추정을 이룩하였으며, 특히 입자가 구멍의 가장 좁은 부분에 위치했을 때 성능이 뛰어났다.
• 전체 구멍 프로파일 통합에 의존하는 모델보다 가장 좁은 구멍 반지름을 강조한 모델이 더 우수한 성능을 보였으며, 이는 국소적 형상이 신호 해석에 지배적인 영향을 미친다는 것을 시사한다.
• 실험적 산란은 시스템의 다이나믹하고 변형 가능한 구멍 특성 때문이며, 내부 구멍 형상 및 표면 전하 효과의 보다 향상된 특성 분석의 필요성을 강조한다.