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

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

​​​​Estudiar: Interferencia de la difusión electroquímica de iones en la detección de nanoporos. Crédito de la imagen: Unwind/Shutterstock.com

Un artículo publicado en la revista ISciencia 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 grande y lenta en la corriente iónica a través de un nanoporo utilizando electrodos de platino (Pt) en una solución salina, lo que sugiere una influencia significativa de la impedancia generada en la interfaz metal-líquido a través de la difusión de Cottrell.

Durante la detección de 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 iónica de una manera variable en el tiempo. Los hallazgos del presente trabajo pueden ayudar en la elección del tamaño y material ideal de los electrodos para el análisis de partículas y moléculas aisladas por la corriente iónica.

Nanoporo para la detección de analitos

Nanopore ayuda a analizar muestras biológicas a nivel de una sola molécula. La detección de nanoporos está evolucionando hacia un poderoso enfoque sin etiquetas para investigar las características de las biomoléculas a nivel de una sola molécula.

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

Cuando una molécula cargada se captura dentro de un nanoporo, modula la corriente iónica, 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 en un espacio confinado 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 proporciona 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 el alojamiento de analitos individuales 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 un consumo excesivo de reactivos, alterando la distribución local de iones y posteriormente induciendo movimientos de masa que finalmente conducen a la relajación del fuerte gradiente de concentración de iones cerca de la superficie del electrodo. La corriente iónica disminuye gradualmente debido a la difusión 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 las mediciones de pulsos resistivos de varias nanopartículas poliméricas usando diferentes tipos de electrodos para investigar la relevancia de la difusión de Cottrell en la detección de nanoporos. Los hallazgos del presente trabajo demostraron el papel de los materiales de los electrodos en la detección de nanoporos.

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

Por otro lado, la sustitución de electrodos de Ag/AgCl por electrodos de Pt resultó en diferentes características de corriente iónica. Aquí, la corriente de poro abierto (I_poro) mostró una gran 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 involucraron precipitación o adsorción de los reactivos, lo que indujo una impedancia interfacial creciente.

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

Conclusión y limitación 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 especialmente útil para obtener una corriente iónica persistente en una solución de cloruro para la detección fiable de partículas y moléculas mediante pulso resistivo.

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.

Se ha demostrado que esta resistencia derivada de la difusión de Cottrell reduce significativamente la resolución temporal de las mediciones de corriente iónica y altera la dinámica de translocación de los analitos de una manera variable en el tiempo, lo que hace imposible distinguir analitos como virus y proteínas en función de las diferencias en las formas. de onda de señal iónica.

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, como los nanoporos más pequeños tienen una resistencia de mayor resistencia en el nanoporo (R_poro), el papel de la difusión de Cottrell cambia a medida que la división de voltaje a través del resistor de resistencia en el electrodo (R_él) se vuelve más pequeño.

Referencia

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

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