Ионная проводимость в нанопипетках: эксперимент и модель

В этой работе представлено исследование ионной проводимости в стеклянных нанопипетках с внутренними диаметрами при вершине в диапазоне 80–100 нм, заполненных буферным раствором. Используется комбинация экспериментальных измерений и теоретического моделирования. Для описания ионной проводимости использовалась совмещенная модель Пуассона-Нернста-Планка-Навье-Стокса, учитывающая электроосмотический и электрофоретический потоки и эффекты межионного взаимодействия. Рассчитанные значения ионных токов хорошо согласуются с экспериментальными вольт-амперными характеристиками. Сравнение между рассчитанными и измеренными данными позволяет с хорошей точностью оценить внутренний диаметр при вершине нанопипетки. Моделирование также выявляет особенность в пространственном распределении электроосмотического потока в области вершины нанопипетки, управляемую геометрией вершины и апертуры нанопипетки. Полученные результаты предоставляют новые данные об ионной проводимости в наносистемах, важные для разработки аналитических платформ и инструментов на основе нанопипеток для биомедицинских задач.

1. Yaul, M.; Bhatti, R.; Lawrence, S. Evaluating the process of polishing borosilicate glass capillaries used for fabrication of in-vitro fertilization(iVF) micro-pipettes. Biomed Microdevices. 2008, 10, 123–128.

2. Brown K.T. Flaming D.G. Advanced micropipette techniques for cell physiology. Wiley, San Francisco, 1995.

3. Sakmann B., Neher E. Single-channel recording. Plenum Press, New York, 1983.

4. Neher E., Sakmann B. Single-channel currents recorded from membrane of denervated frog muscle-fibers. Nature, 1976, 260, P. 799–802.

5. Page A., Perry D., Unwin P.R. Multifunctional scanning ion conductance microscopy. Proc. R. Soc. A., 2017, 473, P. 20160889.

6. Stuber A., Schlotter T., Hengsteler J., Nakatsuka N. Solid-State Nanopores for Biomolecular Analysis and Detection. In: Lisdat F., Plumere, N. ´ (eds) Trends in Biosensing Research. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, Springer, Cham, 2023, 1, P. 187.

7. Wang X.F., Duan Y.F., Zhu Y.Q., Liu Z.J., Wu Y.C., Liu T.H., Zhang L., Wei J.F., Liu G.C. An insulin-modified pH-responsive nanopipette based on ion current rectification. Sensors, 2024, 24(13), P. 4264.

8. Wang Y., Kececi K., Mirkin M.V., Mani V., Sardesai N., Rusling J.F. Resistive-pulse measurements with nanopipettes: detection of Au nanoparticles and nanoparticle-bound anti-peanut IgY. Chem Sci., 2013, 4(2), P. 655–663.

9. Kececi K., Dinler A., Kaya D. Review – Nanopipette applications as sensors, electrodes, and probes: A study on recent developments. J. Electrochem. Soc., 2022, 169(2), P. 027502.

10. Xu C., Yang D., Wang Y., Liu R., Wang F., Tian Z., Hu K. Micro/nanoelectrode-based electrochemical methodology for single cell and organelle analysis. Nano Research, 2024, 17(1), P. 196–206.

11. Sze J.Y.Y., Ivanov A.P., Cass A.E.G. et al. Single molecule multiplexed nanopore protein screening in human serum using aptamer modified DNA carriers. Nat. Commun., 2017, 8, P. 1552.

12. Nitz H., Kamp J., Fuchs H. A combined scanning ion-conductance and shear-force microscope. Probe Microsc., 1998, 7(1), P. 187–200.

13. Terejanszky P., Makra I., Furjes P., Gyurcsanyi R.E. Calibration-less sizing and quantitation of polymeric nanoparticles and viruses with quartz nanopipettes Anal. Chem., 2014, 86, P. 4688–4697.

14. Constantin D., Siwy Z. Poisson-Nernst-Planck model of ion current rectification through a nanofluidic diode. Phys. Rev. E., 2007, 76, P. 041202.

15. Chaparro C.V., Herrera L.V., Melendez A.M., Miranda D.A. Considerations on electrical impedance measurements of electrolyte solutions in a ´four-electrode cell. J. Phys. Conf. Series, 2016, 687, P. 012101.

16. Perry D., Momotenko D., Lazenby R.A., Kang M., Unwin P.R. Characterization of nanopipettes. Anal. Chem., 2016, 88, P. 5523–5530.

17. Woermann D. Analysis of non-ohmic electrical current–voltage characteristic of membranes carrying a single track-etched conical pore. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B, 2002, 194, P. 458–462.

18. Woermann D. Electrochemical transport properties of a cone-shaped nanopore: high and low electrical conductivity states depending on the sign of an applied electrical potential difference. Phys. Chem. Chem. Phys., 2003, 5, P. 1853.

19. Cervera J., Schiedt B., Ramirez P.A Poisson/Nernst-Planck model for ionic transport through synthetic conical nanopores. Europhys. Lett., 2005, 71, P. 35.

20. Apel P., Korchev Y.E., Siwy Z., Spohr R., Yoshida M. Diode-like single-ion track membrane prepared by electro-stopping. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B, 2001, 184, P. 337.

21. Tao D., Jiang L. & Jin M. A Method of preparation of Ag/AgCl chloride selective electrode. J. Wuhan Univ. Technol.-Mat. Sci. Edit., 2018, 33, P. 767–771.

22. Lukashenko S.Y. et al. Behavioral features of the approach curve of a scanning ion-conductance microscope. J. Surf. Investig, 2023, 17, P. 585–591.

23. Laurance N. Self-diffusion of the chlorine ion in sodium chloride. Phys. Rev., 1960, 120, P. 57–62.

24. Girault H.H. Analytical and Physical Electrochemistry. New York, EPFL Press, 2004.

25. Amadu M., Miadonye A. Determination of the point of zero charge PH of borosilicate glass surface using capillary imbibition method. Int. J. Chem., 2017, 9, P. 67–84.

26. Brown K.T., Flaming D.G. Advanced micropipette techniques for cell physiology, John Wiley & Sons, New York, 1986.

27. Rheinlaender J., Schaffer T.E. An accurate model for the ion current-distance behavior in scanning ion conductance microscopy allows for cali- ¨bration of pipet tip geometry and tip-sample distance. Anal. Chem., 2017, 89, P. 11875–11880.

28. Rabinowitz J., Edwards M.A., Whittier E., Jayant K., Shepard K.L. Nanoscale fluid vortices and nonlinear electroosmotic flow drive Ion current rectification in the presence of concentration gradients. J. Phys. Chem. A , 2019, 123(38), P. 8285–8293.