Small Structures:可用于单纳米颗粒分析的可定制化微型3D孔

电阻脉冲传感(RPS)作为一种对纳米级物体(如病毒、粒子、胶体和单个生物分子)进行溶液内表征的分析技术,引起了人们的极大关注。在RPS中,将电压和/或压力梯度施加在两个分开的电解液池上,迫使分析物通过微孔/纳米孔移位。这会导致在两个储层之间测得的电阻的瞬时变化,称为电阻脉冲。通过所获得的电阻性脉冲信号(如脉冲幅度和持续时间),可以反映颗粒的物理和化学性质的信息,以及例子与孔之间相互作用的精确动力学。

因此,电阻脉冲感测(RPS)已成为单分子和纳米颗粒分析的关键平台。而在RPS系统中,起着核心作用的是传感孔的几何形状结构,以及相应的微孔制备方法。然而,现有的研究可以产生具有精确的入口直径的孔,但依然不能产生具有复杂3D内部结构的孔。

针对这一问题,来自昆士兰大学的Matt Trau课题组及其合作者,通过引入了基于双光子聚合(TPP)的纳米光刻技术,首次实现了RPS孔的可靠、可定制化制备,相关成果发表在Small Structures上(doi.org/10.1002/sstr.202000011)。

双光子聚合(TPP)纳米光刻技术,可以快速、准确地对微观结构进行3D原型制作。在TPP中,飞秒脉冲激光束紧紧聚焦在由单体和光引发剂混合而成的光敏抗蚀材料上。通过选择光引发剂的化学性质和激光频率,可以控制抗蚀剂需要吸收两个光子的能量来触发交联反应。而激光束的短脉冲宽度,可以确保仅在物镜的焦点处才会有显著的概率,使得两个光子重叠并同时被抗蚀剂吸收。这导致光敏抗蚀剂材料仅在焦点处发生局部交联,并且通过使焦点向内移动穿过液体材料,可以形成任意的3D结构。

通过精密的光学器件,他们基于TPP纳米光刻成功地制备了具有不同锥角的精确微孔和纳米孔,并对这些精确的3D孔进行了研究,以进行相应的RPS分析。例如,顺式和锥形孔用于研究孔的优先传输能力,对称孔用于进行纳米粒子位置的电学跟踪,而圆柱孔则用于分析相同尺寸、化学性质不同的纳米粒子的表面电荷。

对微孔的几何形状的完全控制,使得更复杂的RPS分析成为可能,因为它可以在整个易位事件中直接测量颗粒的位置和速度。这不仅可以提高粒度和电荷测量的准确性,而且可以利用调整后的流体速度剖面或孔隙表面层进行新颖的分析。在这项研究中,通过TPP纳米光刻技术,实现“量身定制”的3D微孔设计,其孔径可小至600 nm,为新的RPS应用提供了更多的机会,同时可用于研究易位物体的物理和运输特性。