Nanofluidik bietet Lösungen für die Untersuchung chemischer Einzelmolekülreaktionen
"Nanofluidische Geräte haben das Potenzial, ein fantastisches experimentelles Werkzeug zu werden, um die Dynamik von Lösungsreaktionen zu erforschen"
Bei einer chemischen Reaktion treffen die Moleküle verschiedener Stoffe aufeinander und bilden neue Moleküle, wodurch sich die Bindungen ihrer Atome verändern. Die Moleküle stoßen in einem extrem geringen Abstand - einem Nanometer oder weniger - und in extrem kurzer Zeit zusammen. Das macht es schwierig, die Details chemischer Reaktionen auf molekularer Ebene zu untersuchen. Die meisten experimentellen Erkenntnisse, die zur Erklärung der Dynamik von Einzelmolekülreaktionen verwendet werden, wurden durch die Untersuchung von Reaktionen in Gasen gewonnen. Die überwältigende Mehrheit der chemischen Reaktionen findet jedoch in Flüssigkeiten statt, so dass die Erforschung der Reaktionsdynamik von Einzelmolekülen in Lösungen eine große Herausforderung darstellt, für die es nur sehr wenige experimentelle Werkzeuge gibt.
In dem Moment, in dem zwei einzelne Moleküle, die in der Nanofluidik-Vorrichtung gefangen sind, zusammenstoßen, können sie miteinander reagieren.
Yan Xu, Osaka Metropolitan University
Eine nanofluidische Vorrichtung - eine wenige Quadratzentimeter große Glasplatte mit nanometergroßen nanofluidischen Kanälen - bietet eine teströhrenähnliche Umgebung, in der einzelne Moleküle eingeschlossen werden können. Aber nanofluidische Geräte haben das Potenzial, in Kombination mit verschiedenen bestehenden analytischen Instrumenten mit hoher zeitlicher Auflösung eingesetzt zu werden, um extrem schnelle Einzelmolekülreaktionen zu untersuchen.
Die Autoren der Übersichtsarbeit, Associate Professor Yan Xu und Dr. Nattapong Chantipmanee von der Osaka Metropolitan University Graduate School of Engineering, haben Prinzipien und Technologien entwickelt, um Nanomaterialien, Biomaterialien und Moleküle auf Einzelmolekülebene frei zu manipulieren. Die in ihrem Bericht behandelten Methoden nutzen grundlegende Technologien wie nanofluidische Verarbeitung, funktionale Integration und fluidische Steuerung und Messung und leisten damit Pionierarbeit bei der Integration verschiedener Bereiche durch den Einsatz von Nanofluidik. Um die Einzelmoleküldynamik von Reaktionen in Lösung mit Hilfe ihrer einzigartigen nanofluidischen Geräte zu erforschen, arbeiten sie an der Lösung von Problemen wie der präzisen Manipulation kleiner Moleküle in Lösung und der Messung ihrer extrem schnellen Reaktionen im Nano- bis Pikosekundenbereich.
Die Forscher veröffentlichten ihren Übersichtsartikel über die Reaktionsdynamik von Einzelmolekülen in Lösung, die durch nanofluidische Geräte ermöglicht wird, in der Januar-Ausgabe 2023 von TrAC Trends in Analytical Chemistry. Als Pioniere auf diesem neuen Gebiet bietet der Bericht einen Überblick aus der Vogelperspektive, einschließlich des Stands der Forschung und Entwicklung, künftiger Herausforderungen und der Frage, wohin diese neuen Entdeckungen führen könnten.
"Nanofluidische Geräte haben das Potenzial, ein fantastisches experimentelles Werkzeug zu werden, um die Dynamik von Lösungsreaktionen aufzuklären. Ich hoffe, dass diese Arbeit mehr Forscher ermutigen wird, sich diesem aufstrebenden Forschungsgebiet anzuschließen", sagte Professor Xu.
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