Было сделано множество попыток создать синтетический аналог биологического канала. Для этого использовались диэлектрические мембраны, в которых высокоэнергетическими ионами, либо электронными пучками вытравливались нанопоры. Однако такие каналы были электроизолирующими, что делало электростатический контроль концентрации ионов внутри поры или их потока через нее невозможным.
Ученые из Института Передовой Науки и Технологий Бекмена и отделения Компьютерной и Электрической Инженерии Университета Иллинойса (Beckman Institute for Advanced Science and Technology, Department of Electrical and Computer Engineering University of Illinois) предложили использовать полупроводниковые мембраны, состоящие из двух пространственно разделенных слоев допированного кремния (толщина каждого слоя – 12 нм) с проводимостью n и p типа. Поры имеют форму двойного конуса с внутренним радиусом 1 нм и радиусами внешних отверстий 6 нм. Вся поверхность мембраны, включая нанопоры, покрыта слоем SiO2 толщиной 8 Å, который имеет постоянный отрицательный заряд.
Известно, что для того, чтобы проявлять селективность или быть способным к ректификации, канал должен быть электрически ассиметричным относительно плоскости мембраны. Электростатический потенциал предложенных мембран положителен со стороны слоя с n-типом проводимости и отрицателен со стороны слоя с р-типом проводимости. Такое строение мембраны позволяет усилить модуляцию проводимости за счет изменения потенциального рельефа внутри каналов. Вследствие существования частичного дипольного заряда на поверхности мембраны, p-n-переход вызывает появление дипольного ионного заряда в нанопоре, перестраиваемого с помощью электрического подмагничивания области перехода. Это приводит к значительному повышению способности мембраны к ионной фильтрации и ректификации.
Данная технология может быть использована для детектирования отдельных молекул и секвенирования ДНК: магнитно изменяя потенциальный рельеф мембраны можно протащить молекулу ДНК через нанопору, а р-n-переход использовать для детектирования изменения электрического сигнала, так как каждая пара азотистых оснований несет различный заряд. Такое применение мембран очень перспективно, так как может нести в себе большую экономическую выгоду.
Статья опубликована в Nano Letters.
