Транспортные явления в нанофлюидике

Перенос жидкости в нанометровых объектах и вокруг них, имеющих хотя бы один характерный размер менее 100 нм, обусловливает возникновение явлений, невозможных на более крупных масштабах. Эта область исследований получила название «нанофлюидика» лишь недавно, однако имеет глубокие корни в науке и технике. В последние годы нанофлюидика значительно развивалась, что подтверждается существенными научными и практическими достижениями. В настоящем обзоре рассматриваются физические свойства и механизмы функционирования наиболее распространённых структур, таких как нанометровые отверстия и нанопроволоки в растворе на чипе. Поскольку при миниатюризации отношение площади поверхности к объёму возрастает, в наноканалах оно имеет высокое значение, что приводит к переносу, управляемому поверхностным зарядом, обеспечивает разделение ионов и описывается всеобъемлющей электрокинетической теорией. Селективность по заряду наиболее выражена, если длина экранирования Дебая сопоставима с наименьшим размером поперечного сечения наноканала, что приводит к формированию нанометрового отверстия, преимущественно содержащего противоионы. Эти уникальные свойства способствуют разделению биомолекул по заряду на границе микроканала и наноканала. Кроме того, в области этого барьера свободной энергии можно осуществлять разделение по размеру, если размеры биомолекул и наноперетяжек сопоставимы. Нанопоры и нанопроволоки также основаны на интересных физических концепциях; поскольку эти структуры обеспечивают чувствительное, безметочное и электродетектирование биомолекул в реальном времени, соответствующие технологии обладают большим потенциалом для наук о жизни. Цель настоящего обзора — описать физические механизмы на нанометровом масштабе, где возникают новые явления, чтобы использовать эти уникальные свойства и реализовать интегрированные системы подготовки и анализа образцов.