基于Resistive-Pulse技術(shù)的微米孔內(nèi)顆粒輸運研究.pdf

1、自1950年代發(fā)明至今，Resistive-Pulse檢測技術(shù)憑借其實驗操作簡便、超高通量、信號可重復(fù)性好、檢測精度高并能實現(xiàn)單個顆粒特征的有效識別等明顯優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于生物分子、病毒、顆粒和細(xì)胞等物質(zhì)的檢測。檢測物質(zhì)的尺寸范圍從納米到微米量級，在基因測序、病毒檢測和疾病預(yù)防與治療方面具有廣闊的應(yīng)用前景。為了模擬病毒和細(xì)胞的過孔檢測，本文中我們基于Resistive-Pulse方法使用徑跡刻蝕的微米孔對不同人工合成顆粒的過孔特征進行了檢

2、測。借助人工顆粒的檢測研究，我們可以簡化生物顆粒的過孔情況，進而發(fā)現(xiàn)一般性規(guī)律，并揭示潛在的物理圖景，從而為生物物質(zhì)檢測研究提供必要的參考。Resistive-Pulse技術(shù)通過測量顆粒過孔信號的阻塞電流幅值和過孔時間可以對其尺寸和表面電荷屬性進行檢測。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴顆粒形狀對顆粒過孔阻塞電流的影響。借助內(nèi)壁粗糙的微米孔，檢測了球狀顆粒和兩種不同長度的棒狀顆粒。結(jié)果顯示在得到的離子電流信號內(nèi)包含著過孔物體的長度信息。

3、通過將實驗中的阻塞電流幅值與基于顆粒體積的理論預(yù)測對比，發(fā)現(xiàn)短棒狀顆粒在過孔時會發(fā)生旋轉(zhuǎn)，引起一個較大的體積占位并產(chǎn)生較大的阻塞電流幅值。進而，實現(xiàn)了相似體積的球狀顆粒與棒狀顆粒的成功分辨。⑵顆粒表面電荷密度對其過孔時間的影響。檢測了兩種不同帶電屬性的顆粒在不同pH溶液內(nèi)的過孔速度。發(fā)現(xiàn)顆粒的過孔速度與其表面電荷密度具有復(fù)雜的對應(yīng)關(guān)系。強帶電表面顆粒的過孔速度隨著溶液pH的升高而出現(xiàn)異常下降。我們認(rèn)為這主要是由于以下三方面共同作用的結(jié)果

4、:i.表面的離子凝聚，ii.顆粒表面的非對稱雙電層，iii.孔和顆粒帶電表面形成的電滲流。此外，通過測量不同電場下的強帶電顆粒的阻塞電流信號，實驗驗證了顆粒表面離子凝聚現(xiàn)象的出現(xiàn)。⑶顆粒表面電荷密度對其阻塞電流的影響。通過檢測三種不同帶電屬性的顆粒在pH8和pH10溶液內(nèi)的阻塞電流幅值。發(fā)現(xiàn)400nm強帶電顆?？梢援a(chǎn)生較同尺寸中性顆粒明顯增加的阻塞電流信號。通過數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)強帶電顆粒在過孔過程中會產(chǎn)生對孔內(nèi)離子濃度的調(diào)整。故而，所觀測

5、到的強帶電顆粒的阻塞電流幅值不僅反映了過孔顆粒的物理體積，還包含了其過孔過程所產(chǎn)生的離子排除區(qū)域的體積。而在高濃度鹽溶液中，強帶電顆粒產(chǎn)生的阻塞電流幅值與同體積中性顆粒的相同。⑷孔的形狀對顆粒過孔時間的影響。通過使用內(nèi)徑不均的微米孔，發(fā)現(xiàn)直徑～400nm的顆粒在粗糙圓柱孔內(nèi)的過孔時間具有方向特異性，即顆粒從孔的不同方向過孔時所需時間不同。我們認(rèn)為這主要是由于顆粒從不同方向過孔時匯聚到孔軸線的程度不同，導(dǎo)致顆粒過孔時所選路徑具有方向相關(guān)性

6、。借助內(nèi)徑不均的微米孔我們展示了一個顆粒過孔時間方向特異性最簡單的系統(tǒng)。⑸孔的形狀對顆粒過孔阻塞電流的影響。借助錐形微米孔，發(fā)現(xiàn)了孔內(nèi)顆粒過孔阻塞電流幅值的方向特異性。當(dāng)中性顆粒從孔的大端進入時，其產(chǎn)生的阻塞電流幅值要比從小端進入時產(chǎn)生的大。而帶電顆粒卻當(dāng)從小端進入時具有較大的阻塞電流幅值。通過數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象與孔內(nèi)電壓調(diào)節(jié)的離子濃度分布有關(guān)。在一個電壓下，如果孔內(nèi)形成離子排除區(qū)域，就會造成顆粒阻塞電流幅值升高。反之，如果孔內(nèi)的離