SMU und die University of Rhode Island haben ein kostengünstiges und einfach anzuwendendes Verfahren zur Erzeugung von Feststoffnanoporen (Solid-State Nanopores, SSNs) patentiert, das zugleich die Selbstreinigung verstopfter Nanoporen ermöglicht.
Die als „chemisch abgestimmter kontrollierter dielektrischer Durchbruch“ (CT-CDB) bezeichnete Technik befasst sich mit zwei zentralen Problemen, die bislang verhindert haben, dass Festkörper-Nanoporen – die zu klein sind, um vom menschlichen Auge wahrgenommen zu werden – häufiger zum Bau von Biosensoren eingesetzt werden, mit denen sich biologische und chemische Reaktionen einer bestimmten Probe messen lassen.
Biosensoren finden in der Medizin breite Anwendung und ermöglichen eine schnelle, frühzeitige und wirksame Diagnose und Überwachung von Krankheiten.
„Mit dieser Technik haben wir Nanoporen hergestellt, die die herkömmlichen Nachteile von Festkörpernanoporen (SSNs) bei weitem übertreffen“, sagte einer der Patentinhaber, MinJun Kim, Inhaber des Robert C. Womack-Lehrstuhls an der Lyle School of Engineering der SMU und leitender Forscher des BAST Lab.
SSNs sind ideal für die Biosensorik, da ihre Herstellung im Vergleich zu bestehenden Technologien weniger kostspielig ist und sie eine Echtzeitanalyse einer kleinen Probe ermöglichen. Außerdem sind künstlich hergestellte SSNs stabiler als natürlich vorkommende Nanoporen in unserem Körper, was ihre Verwendung in Nanogeräten erleichtert.
SSN-Geräte bestehen aus einem winzigen Loch oder einer Nanopore in einer sogenannten Membran, einer dünnen Materialschicht, die eine Barriere zwischen zwei mit ionischen Lösungen gefüllten Reservoirs bildet.
Wenn elektrische Spannung an die Membran angelegt wird, fließt ein Ionenstrom durch die Nanopore.
Um mehr über eine bestimmte Substanz zu erfahren, leiten die Forscher eine winzige Probe durch die Pore in eines der Reservoirs. Jedes Biomolekül registriert dann aufgrund einer Änderung des elektrischen Felds sein eigenes Signal, wenn es durch die Nanopore gelangt. Diese elektrischen Stromsignale ermöglichen es, die biologischen und chemischen Eigenschaften dieser Substanz zu bestimmen.
„Ein schneller und einfacher Ansatz zur Herstellung einer einzelnen Nanopore ist die Verwendung eines kontrollierten dielektrischen Durchschlags oder CDB im Nanomaßstab“, sagte Kim.
Ein dielektrischer Durchschlag tritt auf, wenn ein elektrisch isolierendes Material (ein Dielektrikum) nach Einwirkung hoher Spannung plötzlich zu einem Leiter wird und Strom durchfließen kann. Bei einem dielektrischen Durchschlag wird Spannung an eine isolierende Membran angelegt, um ein hohes elektrisches Feld zu erzeugen, während der induzierte Leckstrom überwacht wird.
Der induzierte Leckstrom wird auf das Tunneln von Elektronen durch Fallen oder inhärente Defekte in den Membranen zurückgeführt. Nach einer gewissen Zeit sammeln sich die geladenen Fallen an und schließlich kommt es zum dielektrischen Durchschlag der Membran, was zu einer einzelnen Nanopore führt.
Bei Poren, die mit diesem Verfahren hergestellt werden, treten jedoch immer zwei Probleme auf: Driften im offenen Porenstrom und irreversibles Anhaften der Analyten.
Driften im offenen Porenstrom sind allmähliche Änderungen oder Schwankungen des Grundstroms, der durch eine Nanopore fließt, wenn diese nicht blockiert ist. Diese Driften können die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Messungen mit Festkörper-Nanoporen beeinträchtigen.
Von irreversiblem Analythaften spricht man, wenn die zu messende oder zu analysierende Substanz – der Analyt – dauerhaft an die Nanopore gebunden wird, anstatt durch sie hindurchzudringen.
Beide Probleme können die Fähigkeit der Forscher beeinträchtigen, langfristige und konsistente Messungen von Nanoporen zu erhalten.
Um diese Hürden zu überwinden, haben Forscher der SMU und der University of Rhode Island eine Methode entwickelt, um CDB bei der Entwicklung von SSNs mit dünnen Siliziumnitridmembranen mit einem chemischen Zusatzstoff namens Natriumhypochlorit oder NaOCl zu modifizieren.
Die Zugabe von Natriumhypochlorit führte zu Nanoporen, die deutlich weniger anfällig für Verstopfungen waren als herkömmlich hergestellte Nanoporen und zudem keine Driften in den offenen Porenströmungen aufwiesen, wie die Forscher herausfanden. Diese Vorteile reduzierten die Ausfallzeiten zwischen den Experimenten.
„Dies führte zu einer dramatisch anderen Oberflächenchemie der Nanoporen, was ihre Leistung deutlich verbesserte“, sagte Kim.
Kim ist international bekannt für seine Beiträge zur Entwicklung von Nano- und Mikrobiotika und deren breite Anwendungsmöglichkeiten in der Nanomedizin. So hat er beispielsweise Geräte entwickelt, die eines Tages Medikamente zu Tumoren transportieren, verstopfte Arterien freimachen und Ärzten dabei helfen könnten, zu sehen, was in den am schwersten erreichbaren Bereichen des Körpers vor sich geht.
Miterfinder von CT-CDB sind Nuwan Bandara und Buddini Karawdeniya, Assistenzprofessoren im Fachbereich Chemie und Biochemie der Ohio State University, Jugal Saharia, Assistenzprofessor für Maschinenbau im Fachbereich Ingenieurwissenschaften der University of Houston-Clear Lake, und Jason Dwyer, Chemieprofessor an der University of Rhode Island.
Bandara und Karawdeniya sind ehemalige Postdoktoranden der SMU, die im BAST-Labor arbeiten, während Saharia eine ehemalige Doktorandin von Kim ist.
Mehr Informationen:
Das US-Patent- und Markenamt hat weitere Informationen über das Patent, das am 14. Mai erteilt wurde. Hier.