科学探索|科学家使用微型“温度计”测量离子通过纳米孔的温度变化科学家使用微型“温度计”测

大阪大学的研究人员使用一个微型“温度计”直接监测离子通过纳米孔时的温度变化，这可能导致更有效的DNA测序技术。来自大阪大学SANKEN（科学与工业研究所）的科学家们使用一个热电偶测量了离子流通过纳米孔时的热效应。他们发现，在大多数条件下，正如欧姆定律所预测的那样，电流和加热功率都随着施加的电压而变化。这项工作可能会带来更先进的纳米级传感器。
【科学探索|科学家使用微型“温度计”测量离子通过纳米孔的温度变化】

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纳米孔是膜上的微小开口，小到只有一条DNA链或病毒颗粒可以通过，是一个令人兴奋的构建传感器的新平台。通常，在膜的两面之间施加电压，以吸引待分析的物质通过纳米孔。同时，溶液中的带电离子可以被输送，但它们对温度的影响还没有被广泛研究。对这些离子引起的热效应的直接测量有助于使纳米孔作为传感器更加实用。
现在，大阪大学的一个研究小组创造了一个由金和铂纳米线制成的热电偶，其接触点大小仅有100纳米，可作为温度计。它被用来直接测量悬浮在硅片上的40纳米厚的薄膜上切割的纳米孔旁边的温度。
当电能通过电线中的电阻转化为热量时，就会发生焦耳加热。这种效应发生在烤面包机和电炉中，可以认为是电子与电线的核碰撞时产生的非弹性散射。在纳米孔的情况下，科学家们发现热能的耗散与离子流的动量成正比，这与欧姆定律的预测相一致。当研究一个300纳米大小的纳米孔时，研究人员记录了磷酸盐缓冲盐水的离子电流作为应用电压的函数。研究第一作者Makusu Tsutsui说：“我们在广泛的实验条件下展示了近乎欧姆的行为。”
对于较小的纳米孔，加热效果变得更加明显，因为来自较冷一侧的液体能够通过以平衡温度。因此，加热可能造成不可忽视的影响，在标准操作条件下，纳米孔会出现几度的温度上升。“我们期望开发出新型的纳米孔传感器，不仅可以识别病毒，而且可能同时能够使其失活，”资深作者 Tomoji Kawai说。研究人员提出了加热可以带来好处的其他情况--例如，防止纳米孔被聚合物堵塞，或分离被测序的DNA链等。