Konik ve çift-konik geometrili nanogözeneklerde parçacık duyarlılığı simülasyonu

Abstract

Nanogözeneklerin kullanımı, iyonik akım sinyalini okuyarak parçacık geçişini algılama prensibine dayanan bir tekniktir. Nanogözenekler, DNA analizi başta olmak üzere hayvan/bitki hücreleri ile bakteriyofaj ve virüs gibi mikroorganizmalar ve çeşitli diğer nanoparçacıklar hakkında bilgi edinilmesinde kullanılır. Bir çeşit biyosensör olan nanogözenekler elektrolit dolu bir ortamı ikiye ayıran yalıtkan bir membranın üzerinde bulunur. Ortama potansiyel (ve basınç) farkı uygulandığında elektrolit ve beraberinde bulunan partiküller harekete geçer ve gözenekten geçişleri sırasında meydana gelen akım değişimi ile sinyal okuması yapılarak parçacığın şekli ve boyutu hakkında veri elde edilir. Sinyaller kondaktif, rezistif veya bifazik olabilir, bu farklılıklar gözenek geometrisi, membran yükü ve parçacık yüzey yükü, iyonik konsantrasyon, potansiyel fark parametrelerine bağlı olarak oluşur. Asimetrik geometrili nanogözeneklerin karakteristiği olan rektifikasyon davranışı da incelenmeye değer bir başka özelliktir. Rektifikasyon elektrik devrelerindeki diyot devre elemanının özelliğine benzer bir davranış olup akımın bir yönde daha belirgin gerçekleşirken diğer yönde az gerçekleşmesidir. Bu çalışmada, konik, tek-tip çift-konik ve çift-tip çift-konik nanogözenek geometrilerinde öncelikle iyonik akımın gösterdiği rektifikasyon davranışları incelenmiştir. Daha sonra farklı boyuttaki parçacıkların konik, tek-tip çift-konik ve çift-tip çift-konik geometrili üç farklı nanogözenekten geçişleri için MATHEMATICA™ RandomChoice fonksiyonu ile rastgele parçacık geçiş sıralaması oluşturulmuştur. Parçacıkların gözeneklerden geçişleri sırasında oluşturdukları akım(direnç) sinyalleri Comsol Multiphysics™ programı ile elde edilmiştir. Oluşan sinyaller MATLAB™ programında okutularak parçacıkların gözenekten peş peşe geçişleri ile oluşan sinyal grafikleri elde edilmiştir ve bu şekilde üç farklı geometrinin parçacık geçişlerine karşı gösterdikleri duyarlılıklarının kıyaslaması için yeni sonuçlar elde edilmiştir. Sinyal analizi yapıldığında tek-tip çift-konik gözenek geometrisinin parçacık algılama ve boyut analizlerinde daha başarılı olduğu görülmüştür. Küçük çaplı parçacık geçişlerinde ise çift-tip çift-konik geometrili gözenekten daha yüksek hassasiyet elde edilmiştir. Konik geometrili gözenek ise diğer ikisine göre daha zayıf sinyal sağlamaktadır. Son bölümde elde edilen veriler dikkate alınarak parçacık duyarlılığı için en uygun nanogözenek geometrisi belirlenmiş ve bu geometri idealize edilerek yeni bir gözenek geometrisi önermesi yapılmıştır.

The use of nanopores is a technique based on the principle of detecting particle translocation by reading the ionic current signal. Nanopores provide information, particularly during DNA analysis, on microorganisms such as bacteriophages and viruses, as well as other nanoparticles. Nanopores, which are some sort of biosensor, reside on an insulating membrane that bisects an electrolyte-filled environment. When the potential or pressure difference is applied, the electrolyte and the accompanying particles translocate from one cell to other, then the signal is read by the flow drop that occurs during the passage of particles through the pore, and the data about the shape and size of the particle is obtained. The signal can be conductive, resistive or biphasic, these differences occure depending on pore geometry, surface charges, ionic concentration, potential difference parameters. The rectification behavior, which is characteristic of asymetric geometric nanopores, is another feature worth investigating. Rectification is a behavior similar to that of a diode element in an electrical circuit, where the current is more pronounced in one direction than the reverse direction. In this study, rectification bahaviours of ionic currents were investigated in conical, single-tip/double-conic and double-tip/double-conic nanopore geometries. Then, the signal differences that created by particles at different sizes during the translocation from three different nanopore geometries, which are conical, single-tip/double-conic and double-tip/double-conic, are obtained using Comsol Multiphysics™ and MATLAB™ programmes, also by comparing the sensitivity of these three different geometries against particle translocations. When the signal analysis was performed, single-tip/double-conic pore geometry was found to be more effective in particle detection and particle size analysis. For small particles, higher sensitivity is achieved with double-tip/double-conic pore than other two geometries. Conic geometric pore provides weaker signals than the other two. At the end of this study, considering the novel results obtained in the simulations, a superior nanopore geometry for particle sensitivity is designed and proposed.