Nanopores cảm thấy nhiệt: Đột phá có thể dẫn đến công nghệ giải trình tự DNA hiệu quả hơn

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Osaka sử dụng một nhiệt kế nhỏ để theo dõi trực tiếp sự thay đổi nhiệt độ khi các ion đi qua lỗ nano, điều này có thể dẫn đến công nghệ giải trình tự DNA hiệu quả hơn.

Các nhà khoa học từ SANKEN (Viện Nghiên cứu Khoa học và Công nghiệp) tại Đại học Osaka đã đo hiệu ứng nhiệt của dòng ion qua một lỗ nano bằng cặp nhiệt điện. Họ phát hiện ra rằng, trong hầu hết các điều kiện, cả dòng điện và công suất đốt nóng đều thay đổi theo điện áp đặt vào như dự đoán của định luật Ohm. Công việc này có thể dẫn đến các cảm biến kích thước nano tiên tiến hơn.

Nanopores, là những lỗ nhỏ trong màng nhỏ đến mức chỉ một sợi DNA hoặc hạt virus có thể đi qua, là một nền tảng mới thú vị để xây dựng cảm biến. Thông thường, một điện áp được đặt giữa hai mặt của màng để hút chất cần phân tích qua lỗ nano. Đồng thời, các ion tích điện trong dung dịch có thể được vận chuyển, nhưng ảnh hưởng của chúng đối với nhiệt độ vẫn chưa được nghiên cứu rộng rãi. Phép đo trực tiếp các hiệu ứng nhiệt gây ra bởi các ion này có thể giúp làm cho các lỗ nano trở nên thiết thực hơn như các cảm biến.

Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Osaka đã tạo ra một cặp nhiệt điện làm bằng dây nano vàng và bạch kim với điểm tiếp xúc chỉ có kích thước 100 nm, dùng như nhiệt kế. Nó được sử dụng để đo nhiệt độ trực tiếp bên cạnh một lỗ nano được cắt thành một màng dày 40 nm lơ lửng trên một tấm silicon.

Quá trình đốt nóng xảy ra khi năng lượng điện được biến đổi thành nhiệt bởi điện trở trong dây dẫn. Hiệu ứng này xảy ra trong lò nướng bánh mì và bếp điện, và có thể được coi là sự tán xạ không đàn hồi của các electron khi chúng va chạm với hạt nhân của dây. Trong trường hợp của một hạt nano, các nhà khoa học nhận thấy rằng năng lượng nhiệt bị tiêu tán tương ứng với động lượng của dòng ion, điều này phù hợp với dự đoán của định luật Ohm. Khi nghiên cứu một hạt nano có kích thước 300 nm, các nhà nghiên cứu đã ghi lại dòng điện ion của một dung dịch muối đệm photphat dưới dạng hàm của điện áp đặt vào. Tác giả đầu tiên Makusu Tsutsui cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh hành vi gần như ohmic trong một loạt các điều kiện thử nghiệm.

Với các lỗ nano nhỏ hơn, hiệu ứng sưởi ấm trở nên rõ rệt hơn, vì ít chất lỏng hơn từ phía làm mát có thể đi qua để cân bằng nhiệt độ. Do đó, việc sưởi ấm có thể gây ra một tác động không đáng kể, với các lỗ nano bị tăng nhiệt độ vài độ trong điều kiện hoạt động tiêu chuẩn. Tác giả cấp cao Tomoji Kawai cho biết: “Chúng tôi mong đợi sự phát triển của các cảm biến nanopore mới không chỉ có thể xác định vi rút mà còn có thể vô hiệu hóa chúng cùng lúc”. Các nhà nghiên cứu đã đề xuất các tình huống khác mà việc gia nhiệt có thể có lợi – ví dụ, để ngăn lỗ nano không bị polyme làm tắc nghẽn hoặc tách các sợi DNA đang được giải trình tự.

Tham khảo: “Tản nhiệt ion trong các lỗ rỗng ở trạng thái rắn” ngày 11 tháng 2 năm 2022, Science Advances .
DOI: 10.1126 / sciadv.abl7002

Theo Scitechdaily