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La detección de nanoporos se ha convertido en un enfoque versátil para detectar e identificar biomoléculas. Dentro de este marco de referencia, la corriente de iones de respuesta rápida se considera un criterio esencial para la medición precisa de objetos pequeños con un nanoporo.
Estudio: Interferencia de la difusión de iones electroquímicos en la detección de nanoporos. Crédito: Unwind/Shutterstock.com
Un artículo publicado en la revista IScience analiza el papel de la cinética de difusión de iones en la interfaz líquido-electrodo en la detección de nanoporos. Aquí, se observó una disminución lenta y fuerte en la corriente de iones a través de un nanoporo utilizando electrodos de platino (Pt) en una solución salina, lo que indica la influencia significativa de la impedancia generada en la interfaz metal-líquido por la difusión de Cottrell.
Durante la detección de nanopartículas, los pulsos de resistencia se debilitaron, seguidos de un aumento constante de la resistencia en los electrodos parcialmente polarizables. Además, la impedancia de la interfaz junto con la capacitancia del chip de nanoporos degradó la resolución temporal de la corriente de iones de una manera variable en el tiempo. Los hallazgos del presente trabajo pueden ayudar a seleccionar el tamaño y el material ideales de los electrodos para el análisis de partículas y moléculas individuales mediante la corriente de iones.
Nanopore para detectar analitos
Nanopore ayuda a analizar muestras biológicas a nivel de una sola molécula. La detección de nanoporos está emergiendo como un poderoso enfoque sin etiquetas para estudiar las propiedades de las biomoléculas a nivel de una sola molécula.
Aquí, la translocación de especies residentes en un nanoporo cambia efectivamente las propiedades físicas y químicas del interior del nanoporo (conductividad o índice de refracción), que se detectan sin etiquetas.
Cuando una molécula cargada queda atrapada en un nanoporo, modula la corriente de iones, que se registra en tiempo real para revelar las propiedades de la molécula objetivo. Por lo tanto, el nanoporo sirve como un conductómetro que detecta un cambio relativo en el flujo de iones a nivel de nanoescala.
La electroquímica confinada ha atraído un gran interés debido a los intrigantes efectos del nanoconfinamiento en el transporte de masa, la cinética electroquímica y el campo eléctrico. La electroquímica de nanoporos ofrece un método poderoso para abordar los desafíos científicos en nanociencia, bioquímica y conversión y almacenamiento de energía.
Los nanoporos, que proporcionan el espacio confinado electroquímicamente para la absorción de analitos individuales, convierten directamente el comportamiento de las moléculas individuales en lecturas electroquímicas medibles con una alta relación señal-ruido.
En la reacción electroquímica basada en nanoporos, la corriente eléctrica muestra la dinámica en las interfaces electrodo-líquido. Aquí, la aplicación de voltaje conduce a un consumo excesivo de reactivos, lo que perturba la distribución local de iones y posteriormente induce movimientos en la masa, que finalmente conducen a la relajación del gradiente agudo de concentración de iones cerca de la superficie del electrodo. La corriente de iones disminuye gradualmente debido a la difusión de Cottrell y sus propiedades brindan información sobre la naturaleza de los iones.
Papel de los electrodos en la detección de nanoporos
En el presente estudio, se compararon las mediciones de pulsos de resistencia de diferentes nanopartículas de polímero utilizando diferentes tipos de electrodos para investigar la relevancia de la difusión de Cottrell en la detección de nanoporos. Los resultados de este trabajo demuestran el papel de los materiales de los electrodos en los sensores de nanoporos.
El uso de un sistema de electrodos de plata (Ag)/cloruro de plata (AgCl) evitó variaciones en el flujo de corriente iónica en la solución de cloruro, que de otro modo estarían asociadas con variaciones en la concentración de reactivos y productos debido a su adsorción o precipitación en la superficie del electrodo El flujo continuo de iones ayudó así a detectar las partículas y moléculas.
Por otro lado, reemplazar Ag/AgCl con electrodos de Pt resultó en diferentes propiedades de corriente de iones. Aquí el arroyo de poros abiertos (Iporo) mostró una fuerte disminución en comparación con los electrodos de Ag/AgCl. Además, a diferencia de los electrodos de Ag/AgCl, las reacciones electroquímicas en la solución de cloruro no implicaron la precipitación o adsorción de los reactivos, lo que provocó un aumento de la impedancia interfacial.
Mientras que el uso de Ag resultó en una reducción de Iporo y las alturas de los pulsos de resistencia a lo largo del tiempo, el uso de un electrodo de titanio (Ti) resolvió el problema al mantener una corriente de iones estable y pulsos de resistencia de altura uniforme de las nanopartículas de poliestireno, lo que demuestra la utilidad superior del Ti en comparación con Ag/AgCl para el Nanopore detección demostrada.
Conclusión y limitación del estudio
En general, los resultados de este estudio mostraron la importancia de los materiales de los electrodos en la detección de nanoporos. Se ha demostrado que Ag/AgCl es particularmente útil para obtener una corriente de iones sostenida en una solución de cloruro para detecciones confiables de pulso resistivo de partículas y moléculas.
Las reacciones electroquímicas en las superficies de Pt, en contraste con las de los electrodos no polarizables, no dieron como resultado la precipitación o adsorción de los reactivos, lo que provocó un aumento de la impedancia interfacial.
Se ha demostrado que esta resistencia derivada de la difusión de Cottrell reduce significativamente la resolución temporal de las mediciones de corriente de iones y altera la dinámica de translocación de los analitos de una manera variable en el tiempo, lo que hace imposible discriminar entre analitos como virus y proteínas en función de las diferencias en las formas de onda de la señal iónica.
Aunque el presente trabajo demostró el papel de los materiales de los electrodos, el estudio solo se limitó a los nanoporos con un diámetro de 300 nanómetros. Además, dado que los nanoporos más pequeños tienen un mayor valor de resistencia en el nanoporo (Rporo), el papel de la difusión de Cottrell cambia como una división de voltaje a través de la resistencia del resistor en el electrodo (Relemento) se vuelve más pequeño.
Relación
Leong IW, Kishimoto S, Tsutsui M, Taniguchi M (2022). Interferencia de la difusión de iones electroquímicos en la detección de nanoporos. Ciencias. https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105073
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