Water-Compression Gating of Nanopore Transport

纳米孔 电场 生物分子 材料科学 纳米技术 化学物理 石墨烯 化学 物理 量子力学
作者
James F. Wilson,Aleksei Aksimentiev
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:120 (26) 被引量:28
标识
DOI:10.1103/physrevlett.120.268101
摘要

Electric field-driven motion of biomolecules is a process essential to many analytics methods, in particular, to nanopore sensing, where a transient reduction of nanopore ionic current indicates the passage of a biomolecule through the nanopore. However, before any molecule can be examined by a nanopore, the molecule must first enter the nanopore from the solution. Previously, the rate of capture by a nanopore was found to increase with the strength of the applied electric field. Here, we theoretically show that, in the case of narrow pores in graphene membranes, increasing the strength of the electric field can not only decrease the rate of capture, but also repel biomolecules from the nanopore. As the strong electric field polarizes water near and within the nanopore, the high gradient of the field also produces a strong dielectrophoretic force that compresses the water. The pressure difference caused by the sharp water density gradient produces a hydrostatic force that repels DNA or proteins from the nanopore, preventing, in certain conditions, their capture. We show that such local compression of fluid can regulate the transport of biomolecules through nanoscale passages in the absence of physical gates and sort proteins according to their phosphorylated states.
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