¿Cómo puede la cinética de difusión de iones influir en la detección de nanoporos?

La detección de nanoporos se ha convertido en un enfoque versátil para detectar e identificar biomoléculas. En este marco de referencia, la corriente de iones de respuesta rápida se considera un criterio esencial para medir con precisión objetos pequeños con un nanoporo.

​​​​​​​Estudiar: Interferencia de la difusión de iones electroquímicos en la detección de nanoporos. Haber de imagen: relajarse/Shutterstock.com

Un artículo publicado en la revista ESciencia discutió el papel de la cinética de difusión de iones en la interfaz líquido-electrodo en la detección de nanoporos. Aquí, se observó una reducción lenta y grande en la corriente de iones a través de un nanoporo utilizando electrodos de platino (Pt) en solución salina, lo que sugiere la influencia significativa de la impedancia generada en el metal-líquido a través de la difusión de Cottrell.

Tras la detección de las nanopartículas, los pulsos resistivos se debilitaron, seguidos de un aumento constante de la resistencia en los electrodos parcialmente polarizables. Además, la impedancia interfacial 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 resultados del presente trabajo pueden ayudar a elegir el tamaño y el material ideales de los electrodos para el análisis de partículas y moléculas individuales por corriente iónica.

Nanopore hacia la detección de analitos

Nanopore permite que las muestras biológicas se analicen a nivel de una sola molécula. La detección de nanoporos se expande en un poderoso enfoque sin etiquetas para estudiar las características de las biomoléculas a nivel de molécula única.

Aquí, la translocación de especies que residen en un nanoporo altera efectivamente las propiedades físicas y químicas del interior del nanoporo (conductancia o índice de refracción), detectadas sin etiquetas.

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Cuando una molécula cargada se captura 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 conductómetro que detecta un cambio relativo en el flujo de iones a nanoescala.

La electroquímica en espacios confinados ha atraído un interés considerable debido a los intrigantes efectos del nanoconfinamiento en el transporte de masa, la cinética electroquímica y el campo eléctrico. La electroquímica de nanoporos proporciona un método poderoso para abordar los desafíos científicos en nanociencia, bioquímica y conversión y almacenamiento de energía.

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Los nanoporos que proporcionan el espacio confinado electroquímicamente para el alojamiento de analitos únicos convierten directamente los comportamientos de una sola molécula en lecturas electroquímicas medibles con una alta relación señal-ruido.

En la reacción electroquímica basada en nanoporos, la corriente eléctrica revela la dinámica en las interfaces electrodo-líquido. Aquí, la aplicación de voltaje da como resultado el consumo excesivo de reactivos, alterando la distribución local de iones y posteriormente induciendo movimientos en la masa que finalmente conducen a la relajación del fuerte gradiente de concentración de iones cerca de la superficie del electrodo. La corriente de iones disminuye gradualmente debido a la dispersión de Cottrell y sus características revelan información sobre la naturaleza de los iones.

Papel de los electrodos en la detección de nanoporos

En el presente estudio, se compararon mediciones de pulsos resistivos de varias nanopartículas poliméricas usando diferentes tipos de electrodos para investigar la relevancia de la dispersión de Cottrell en la detección de nanoporos. Los resultados de este trabajo demostraron el papel de los materiales de los electrodos en la detección de nanoporos.

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El uso de un sistema de electrodos de plata (Ag)/cloruro de plata (AgCl) evitó las fluctuaciones en el flujo de corriente de iones en la solución de cloruro, que de otro modo estaban asociadas con la variación en la concentración de reactivos y productos debido a su adsorción o precipitación en la superficie del electrodo. . Por lo tanto, la corriente de iones persistente ayudó a detectar partículas y moléculas.

Por otro lado, reemplazar Ag/AgCl con electrodos de Pt resultó en diferentes características de corriente de iones. Aquí, la corriente de poro abierto (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 implican ninguna precipitación o adsorción de los reactivos, lo que induce una impedancia interfacial creciente.

El uso de Ag resultó en una reducción de Iporo y las alturas de los pulsos resistivos a lo largo del tiempo, el uso de un electrodo de titanio (Ti) resolvió el problema al mantener estable la corriente iónica y las alturas uniformes de los pulsos resistivos de las nanopartículas de poliestireno, lo que demuestra la utilidad superior del Ti en comparación con Ag/AgCl para la detección de nanoporos .

Conclusión y límite del estudio

En general, los resultados de este estudio demostraron la importancia de los materiales de los electrodos en la detección de nanoporos. Se ha demostrado que Ag/AgCl es particularmente útil para obtener corrientes de iones persistentes en solución de cloruro para detecciones confiables de pulso resistivo de partículas y moléculas.

Las reacciones electroquímicas en las superficies de Pt, a diferencia de las de los electrodos no polarizables, no dieron como resultado la precipitación o adsorción de los reactivos, lo que resultó en un aumento de la impedancia interfacial.

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Se ha demostrado que esta resistencia derivada de la dispersión 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 distinguir entre analitos como virus y proteínas en función de las diferencias en formas de onda de la señal de iones.

Aunque el presente trabajo demostró las funciones de los materiales de los electrodos, el estudio se limitó a solo nanoporos de 300 nanómetros de diámetro. Además, dado que los nanoporos más pequeños poseen una mayor resistencia a la resistencia de los nanoporos (Rporo), el papel de la dispersión de Cottrell cambia a medida que la división de voltaje en la resistencia del electrodo (Rella) se vuelve más pequeña.

Referencia

Leong, IW, Kishimoto, S., Tsutsui, M., Taniguchi, M. (2022). Interferencia de la difusión de iones electroquímicos en la detección de nanoporos. ESciencia. https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.105073

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