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Functionalization and Application of Ion Track-Etched Nanochannels in Polymer Membranes

Ali, Mubarak :
Functionalization and Application of Ion Track-Etched Nanochannels in Polymer Membranes.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Functionalization and Application of Ion Track-Etched Nanochannels in Polymer Membranes
Language: English
Abstract:

Nanochannels fabricated in ion-tracked polymer membranes have a great range of applications in biotechnology, where they are suitable for sensing biomolecules, and act as stimuli-responsive devices and molecular filters of high selectivity. For all these applications, it is highly desirable to control the channel-surface properties, i.e. to functionalize the surface in order to match specific requirements concerning hydrophobicity, selectivity, and interaction with molecules passing through the channel. In ion-tracked polymer membranes, single conical nanochannels were fabricated by selective chemical etching of the damage trails caused by the ions along their trajectories, resulting in the generation of carboxylate groups on the channel surface. These groups were functionalized with molecules having variable polarity and chemical groups that act as binding sites for different analytes. As is well-known, the negatively or positively charged conical nanochannels selectively transport cations or anions, respectively. This rectifies ionic current flowing through the channel. The success of functionalization procedure was examined and proven by measuring the asymmetric current-voltage (I-V) curves and permselectivity of the channel. The functionalized single conical nanochannels were successfully used for the electrochemical interaction of bovine serum albumin. The work presented here also includes the fabrication and characterization, both experimentally and theoretically of a single amphoteric nanochannel, functionalized with lysine and histidine chains, whose positive and negative charges are very sensitive to external pH. This nanofluidic diode with amphoteric chains attached to the channel surface allows for a broad set of rectification properties supported by a single nanodevice. A new facile approach was also introduced to incorporate biosensing elements into nanochannels by using electrostatic self-assembly of bifunctional macromolecular ligands which were used for the biospecific recognition of protein analytes. This approach also enables the creation of supramolecular multilayered structures inside the nanochannels that are stabilized by strong ligand-receptor interactions. The integration of “smart” polymer brushes, constituted of zwitterionic monomers in polyimide conical nanochannels, to obtain a new highly functional signal-responsive chemical nanodevice, has been reported for the first time. This strategy enables a higher degree of control over rectification properties, when compared with charged monolayer assemblies. Moreover, nanochannels were also functionalized with poly-N-isopropylacrylamide and poly(4-vinyl pyridine) brushes to display temperature and pH controlled gating properties, respectively.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Nanokanäle in Ionenspur-geätzten Polymermembranen haben ein breites Spektrum von Anwendungen in der Biotechnologie. Sie sind geeignet zur Detektion von Biomolekülen, wirken als gezielt ansprechbare Nanostrukturen und stellen hochselektive molekulare Filter dar. Für all diese Anwendungen ist es sehr wichtig, Kontrolle über die Eigenschaften der Kanalwände auszuüben, also deren Oberfläche so zu funktionalisieren, dass spezifische Anforderungen bezüglich der Hydrophobizität, Selektivität und Wechselwirkung mit durch den Kanal durchtretenden Molekülen erfüllt werden. Einzelne konische Nanokanäle wurden durch gezieltes chemisches Ätzen der geschädigten Bereiche entlang Ionenspuren in Polymermembranen erzeugt. Diese Behandlung resultierte in der Erzeugung von Carboxyl-Gruppen auf der Oberfläche der Kanalwände. Diese Gruppen wurden sowohl mit Molekülen mit variabler Polarität als auch mit chemischen Gruppen, die als Bindungsstellen für verschiedene Analyte dienen, funktionalisiert. Es ist wohlbekannt, dass durch negativ oder positiv geladene konische Nanokanäle entweder Kationen oder Anionen bevorzugt hindurchtreten können. Dadurch wird der Ionenstrom durch den Kanal gleichgerichtet. Das Gelingen des Verfahrens zur Funktionalisierung wurde durch die Messung der asymmetrischen Strom-Spannungs (I-V) Kurven und der Permselektivität der Kanäle geprüft und nachgewiesen. Die funktionalisierten konischen Einzelkanäle wurden erfolgreich für die elektrochemische Wechselwirkung mit bovinem Serumalbumin verwendet. Die hier präsentierte Arbeit beinhaltet auch die Herstellung und die, sowohl experimentelle als auch theoretische, Charakterisierung eines amphoteren einzelnen Nanokanals, der mit Lysin- und Histidin-Ketten funktionalisiert wurde und dessen Ladungszustand somit sehr empfindlich auf den äußeren pH-Wert reagiert. Diese nanofluide Diode, die durch die Anlagerung amphoterer Ketten auf der Oberfläche eines Nanokanals entsteht, vereint eine große Bandbreite an Gleichrichtungseigenschaften in einer einzelnen Nanostruktur. Des Weiteren wurde ein neuer, einfacher Ansatz zur Integration biosensorischer Elemente in Nanokanäle eingeführt, bei dem elektrostatische Selbstanordnung bifunktioneller makromolekularer Liganden auf den Kanalwänden ausgenutzt wurde. Diese Liganden wurden wiederum zur spezifischen Detektion von Protein-Analyten verwendet. Der hier gezeigte Ansatz ermöglicht auch die Herstellung supramolekularer, mehrlagiger Strukturen innerhalb der Nanokanäle, welche von starken Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen stabilisiert werden. Die Integration „intelligenter“ Polymer-Bürsten, bestehend aus zwitterionischen Monomeren in konischen Polyimid-Nanokanälen, durch die eine neue, hochfunktionelle, gezielt über Signale ansprechbare chemische Nanostruktur entsteht, wurde zum ersten Mal berichtet. Verglichen mit anderen Anordnungen aus geladenen Monolagen ermöglicht die hier gezeigte Strategie einen höheren Grad an Kontrolle über die Gleichrichtungseigenschaften. Zusätzlich wurden Nanokanäle mit Poly-N-Iospropylacrylamid und Poly(4-Vinylpyridin) Bürsten funktionalisiert, um die Durchfluss-Eigenschaften auch thermisch oder über den pH-Wert kontrollieren zu können.German
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: Fachbereich Chemie
Date Deposited: 13 Nov 2009 12:46
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-19527
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang and Schneider, Prof. Dr. Jörg J.
Refereed: 26 October 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1952
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