(Bio)Molecular Transport and Recognition in Heavy Ion Track-Etched Polymeric Nanopores

This thesis is focused on the potential applications of ion track-etched nanopores in polymeric membranes, such as molecular separation, gating and biosensing. The nanopores are fabricated in polyethylene terephthalate (PET) membranes by heavy ion track-etching technique. Ion track technology provides the feasibility to produce membranes with nanopores of desired diameters and geometries. The characterizations of the nanopores are performed by field emission scanning electron microscopy, replica technique and conductometry measurements. Heavy ion irradiation and subsequent track-etching lead to the generation of carboxylic groups (–COOH) on the inner pore walls. At neutral pH, nanopores are cation-selective due to the presence of ionized carboxylate groups (–COO–) on the pore surface. The chemical modification of –COOH groups with amino-terminated molecules switches the surface polarity from negative to positive which in turn flipped the nanopore perm-selective behaviour. Polymeric membranes containing cylindrical nanopores are employed for the transport of ionic organic (bio)molecules through the nanopores. The nanopores have the ability to selectively transport and discriminate the molecules based on their size and charge. For the transport studies main focus is the modulation of pore density, pore diameter, ionic strength of buffer solution and electric field which affect the ionic selectivity and flux of the membrane. Moreover, the polyethyleneimine (PEI) modified pores are also applicable as gate to control the ionic/molecular flux across the membrane. Finally, single (conical and cylindrical) nanopores modified with boronic acid receptor are studied for the molecular recognition of monosaccharides and glycoprotein inside confined geometries. The recognition events are observed by measuring the current – voltage (I–V) curves in an electrolyte solution in the presence of glucose, fructose and glycoprotein separately.

Die vorliegende Arbeit zeigt potenzielle Anwendungen Ionenspur-geätzter Nanoporen in Polymermembranen, wie zum Beispiel molekulare Trennung, Steuerung und Detektion. Die untersuchten Nanoporen wurden in Polyethylenterephthalat (PET) durch Schwerionenspurätztechnik erzeugt. Diese bietet die Möglichkeit, Nanoporen mit erwünschten Durchmessern und Geometrien herzustellen. Die Charakterisierung der Nanoporen wurde mittels Feldemissions-Raster-Elektronenmikroskopie, Replika-Technik und Leitfähigkeitsmessungen vorgenommen. Polymermembranen mit zylindrischen Nanoporen wurden für den Transport ionischer organischer Moleküle und Biomoleküle eingesetzt. Schwerionenbestrahlung und nachfolgendes Spur-Ätzen führen zur Erzeugung von Carboxyl-Gruppen (–COOH) an den inneren Porenwänden. Bei neutralem pH-Wert sind Nanoporen kationenselektiv aufgrund der Gegenwart von ionisierten Carboxylat-Gruppen (–COO–) auf der Porenoberfläche. Die chemische Modifikation von –COOH-Gruppen mit Amino-terminierten Molekülen wechselt die Oberflächenpolarität von negativ zu positiv, wodurch das permselektive Verhalten der Nanoporen umgedreht wird. Die Nanoporen lassen bestimmte Analytmoleküle entsprechend ihrer Größe und Ladung bevorzugt hindurchtreten und diskriminieren andere. Das Hauptaugenmerk dieser Studie lag auf der Variation der Porendichte, des Porendurchmessers, der Ionenstärke der Pufferlösung und des elektrischen Felds, die die ionische Selektivität und den Durchfluss durch die Membranen beeinflussen. Zusätzlich sind die Polyethylenimin-(PEI)-modifizierten Poren auch anwendbar als Gate mit verschiedenen Zuständen des ionischen/molekularen Durchflusses durch die Membranen. Schließlich wurden einzelne (konische und zylindrische) Nanoporen, die mit Borsäure-Rezeptor modifiziert wurden, bezüglich der molekularen Erkennung von Monosacchariden und Glykoproteinen durch eingeschränkte Geometrie untersucht. Es wurden Erkennungsereignisse durch die Messung von Strom-Spannungs (I-V)-Kurven in einer Elektrolytlösung in Gegenwart von Glucose, Fructose und Glykoprotein erhalten.