Исследование проводимости нанопипеток в зависимости от их формы и размеров

Введение. Стеклянные пипетки с микро- и наноразмерным выходным отверстием применяются для неразрушающего исследования морфологии нативных биологических объектов в жидкой фазе, в биосенсорах и 3D-печати. Форма и размеры пипеток оказывают решающее влияние на их ионную проводимость и механическую устойчивость, что напрямую влияет на результаты измерений с их использованием. В работе исследована ионная проводимость при изменении формы и размера пипеток, полученных при разных условиях их формирования. Обнаружен и изучен эффект нелинейной проводимости ионного тока высокоаспектных нанопипеток с размерами выходного отверстия от 100 нм и менее. Метод. Формирование стеклянных пипеток осуществлялось под воздействием нагрева и последующего осевого растягивания капилляров под механической нагрузкой. Форма и размеры сформированных пипеток определялись с использованием сканирующего электронного микроскопа. Металлизация поверхности пипеток тонким слоем золота с целью улучшения их визуализации в электронном микроскопе проводилась методом магнетронного распыления. Измерение ионной проводимости и диаметра выходного отверстия пипетки выполнен методом вольтамперометрии. Основные результаты. Выявлена зависимость изменения ионной проводимости от формы и размера стеклянных пипеток, полученных при вариации параметров тепловой вытяжки. Установлены параметры тепловой вытяжки, обеспечивающие формирование нанопипеток конической и высокоаспектной форм с выходными отверстиями 100–200 нм и углом схождения при вершине 3–8°, применяемыми в сканирующей капиллярной микроскопии. Получены пипетки с выходным отверстием 500–1000 нм и углом схождения 3–5°, используемые в методе локальной фиксации потенциала (patch-clamp). Показано, что при использовании высокоаспектных нанопипеток с сопротивлениями ионной проводимости около 50–100 МОм и размерами выходного отверстия 100 нм и менее возникает эффект селективной проводимости ионного тока. Обсуждение. Установлено, что результаты работы позволят формировать пипетки с заданной проводимостью, формой и размерами. Показано, что учет эффектов нелинейной проводимости дает возможность применения высокоаспектных нанопипеток в таких областях, как сканирующая капиллярная микроскопия, метод patch-clamp, микро- и нанообъемная инжекция веществ в клетки, нанобиопсия и капиллярная 3D-печать.

1. Shergin D.A., Iakovlev A.P., Gorelkin P.V., Salikhov S.V., Erofeev A.S. Latest advances in scanning ion-conductance microscopy and nanopipette systems for single-cell analysis under serial conditions // Moscow University Physics Bulletin. 2023. V. 78. N 6. P. 729–743. https://doi.org/10.3103/s0027134923060152

2. Gao J., Liao C., Liu S., Xia T., Jiang G. Nanotechnology: new opportunities for the development of patch-clamps // Journal of Nanobiotechnology. 2021. V. 19. N 1. P. 97. https://doi.org/10.1186/s12951-021-00841-4

3. Li Z.-Y., Liu Y.-Y., Li Y.-J., Wang W., Song Y., Zhang J., Tian H. High-preservation single-cell operation through a photo-responsive hydrogel-nanopipette system // Angewandte Chemie International Edition. 2021. V. 60. N 10. P. 5157–5161. https://doi.org/10.1002/anie.202013011

4. Ruan M., Hu W., Ma Y., Zhan Z., Hu C. Automated electrowettingbased nanobiopsy system for adherent cells // Proc. of the IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (ICMA). 2 0 2 3 . P. 2442 – 2447 . https://doi.org/10.1109/icma57826.2023.10215734

5. Pandey P., Sesena-Rubfiaro A., Khatri S., He J. Development of multifunctional nanopipettes for controlled intracellular delivery and single-entity detection // Faraday Discussions. 2022. V. 233. P. 315– 335. https://doi.org/10.1039/d1fd00057h

6. Brown K.T., Flaming D.G. Advanced Micropipette Techniques for Cell Physiology. Wiley, 1986. 296 p.

7. Yaul M., Bhatti R., Lawrence S. Evaluating the process of polishing borosilicate glass capillaries used for fabrication of in-vitro fertilization (IVF) micro-pipettes // Biomedical Microdevices. 2008. V. 10. N 1. P. 123–128. https://doi.org/10.1007/s10544-007-9117-8

8. Neher E., Sakmann B. Single-channel currents recorded from membrane of denervated frog muscle fibres // Nature. 1976. V. 260. P. 799–802. https://doi.org/10.1038/260799a0

9. Sakmann B., Neher E. Single-Channel Recording. Springer, 1983. 50 p.

10. Hansma P.K., Drake B., Marti O., Gould S.A.C., Prater C.B. The scanning ion-conductance microscope // Science. 1989. V. 243. N 4891. P. 641–643. https://doi.org/10.1126/science.2464851

11. Novak P., Li C., Shevchuk A.I., Stepanyan R., Caldwell M., Hughes S., et al. Nanoscale live-cell imaging using hopping probe ion conductance microscopy // Nature Methods. 2009. V. 6. N 4. P. 279– 281. https://doi.org/10.1038/nmeth.1306

12. Morris C.A., Chen C.C., Baker L.A. Transport of redox probes through single pores measured by scanning electrochemical-scanning ion conductance microscopy (SECM-SICM) // Analyst. 2012. V. 137. N 13. P. 2933–2938. https://doi.org/10.1039/c2an16178h

13. Pellegrino M., Orsini P., Pellegrini M., Baschieri P., Dinelli F., Petracchi D., et al. Integrated SICM-AFM-optical microscope to measure forces due to hydrostatic pressure applied to a pipette // Micro and Nano Letters. 2012. V. 7. N 4. P. 317–320. https://doi.org/10.1049/mnl.2011.0670

14. Zhang P., Aydemir N., Alkaisi M., Williams D.E., Travas-Sejdic J. Direct writing and characterization of three-dimensional conducting polymer PEDOT arrays // ACS Applied Materials & Interfaces. 2018. V. 10. N 14. P. 11888–11895. https://doi.org/10.1021/acsami.8b02289

15. Meister A., Gabi M., Behr P., Studer P., Vörös J., Niedermann P., et al. FluidFM: Combining atomic force microscopy and nanofluidics in a universal liquid delivery system for single cell applications and beyond // Nano Letters. 2009. V. 9. N 6. P. 2501–2507. https://doi.org/10.1021/nl901384x

16. Stuber A., Schlotter T., Hengsteler J., Nakatsuka N. Solid-state nanopores for biomolecular analysis and detection // Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. 2024. V. 187. P. 283–316. https://doi.org/10.1007/10_2023_240

17. Wang X.-F., Duan Y.-F., Zhu Y.-Q., Liu Z.-J., Zhang R.-H., Wu Y.-C., et al. An insulin-modified pH-responsive nanopipette based on ion current rectification // Sensors. 2024. V. 24. N 13. P. 4264. https://doi.org/10.2139/ssrn.4821677

18. Wang Y., Kececi K., Mirkin M.V., Mani V., Sardesai N., Rusling J.F. Resistive-pulse measurements with nanopipettes: detection of Au nanoparticles and nanoparticle-bound anti-peanut IgY // Chemical Science. 2013. V. 4. N 2. P. 655–663. https://doi.org/10.1039/c2sc21502k

19. Kececi K., Dinler A., Kaya D. Review-Nanopipette applications as sensors, electrodes, and probes: a study on recent developments //Journal of The Electrochemical Society. 2022. V. 169. N 2. P. 027502. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ac4e58

20. Xu C., Yang D., Wang Y., Liu R., Wang F., Tian Z., Hu K. Micro/ nanoelectrode-based electrochemical methodology for single cell and organelle analysis // Nano Research. 2024. V. 17. N 1. P. 196–206. https://doi.org/10.1007/s12274-023-6210-0

21. Zhou Y., Sun L., Watanabe S., Ando T. Recent advances in the glass pipet: from fundament to applications // Analytical Chemistry. 2022. V. 94. N 1. P. 324–335. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c04462

22. Chen M., Lee H., Yang J., Xu Z., Huang N., Chan B.P., Kim J.T. Parallel, multi-material electrohydrodynamic 3D Nanoprinting // Small. 2020. V. 16. N 13. P. 1906402. https://doi.org/10.1002/smll.201906402

23. Brown A.L., Johnson B.E., Goodman M.B. Making patch-pipettes and sharp electrodes with a programmable puller // Journal of Visualized Experiments. 2008. V. 20. P. 939. https://doi.org/10.3791/939

24. Stockslager M.A., Capocasale C.M., Holst G.L., Simon M.D., Li Y., McGruder D.J., et al. Optical method for automated measurement of glass micropipette tip geometry // Precision Engineering. 2016. V. 46. P. 88–95. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2016.04.003

25. Nitz H., Kamp J., Fuchs H. A combined scanning ion-conductance and shear-force microscope // Probe Microscopy. 1998. V. 1. N 2. P.187–200.

26. Lukashenko S.Y., Gorbenko O.M., Felshtyn M.L., Sapozhnikov I.D., Kirilenko D.A., Pichakhchi S.V., Zhukov M.V., Golubok A.O. Ionic conductivity in nanopipettes: experiment and model // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2025. V. 16. N 4. P. 441–449. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2025-16-4-441-449

27. Жуков М.В., Лукашенко С.Ю., Сапожников И.Д., Фельштын М.Л., Горбенко О.М., Пичахчи С.В., Голубок А.О. Многомодовый сканирующий микроскоп ионной проводимости с системой пьезоинерциального перемещения // Научное приборостроение. 2022. Т. 32. № 4. С. 68–87. https://doi.org/10.18358/np-32-4-i6887

28. Yin X., Zhang S., Dong Y., Liu S., Gu J., Chen Y., Zhang X., Zhang X., Shao Y. Ionic current rectification in organic solutions with quartz nanopipettes // Analytical Chemistry. 2015. V. 87. N 17. P. 9070–9077. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5b02337

29. Zhang S., Chen W., Song L., Wang X., Sun W., Song P., et al. Recent advances in ionic current rectification based nanopore sensing: a mini-review // Sensors and Actuators Reports. 2021. V. 3. P. 100042. https://doi.org/10.1016/j.snr.2021.100042

30. Zhou Y., Liao X., Han J., Chen T., Wang C. Ionic current rectification in asymmetric nanofluidic devices // Chinese Chemical Letters. 2020. V. 31. N 9. P. 2414–2422. https://doi.org/10.1016/j.cclet.2020.05.033

31. Lu Z. Mechanism of rectification in inward-rectifier K+ channels // Annual Review of Physiology. 2004. V. 66. P. 103–129. https://doi.org/10.1146/annurev.physiol.66.032102.150822

32. Vilozny B., Wollenberg A.L., Actis P., Hwang D., Singaram B., Pourmand N. Carbohydrate-actuated nanofluidic diode: switchable current rectification in a nanopipette // Nanoscale. 2013. V. 5. N 19. P. 9214–9221. https://doi.org/10.1039/c3nr02105j