Addressing Challenges in Ion-Selectivity Characterization in Nanopores

化学 表征(材料科学) 纳米孔 选择性 纳米技术 离子 有机化学 催化作用 材料科学
作者
S. B. Zhang,Jinfeng Wang,Andriy Yaroshchuk,Qiujiao Du,Pengyang Xin,Merlin L. Bruening,Fan Xia
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c00603
摘要

Ion selectivity is the basis for designing smart nanopore/channel-based devices, e.g., ion separators and biosensors. Quantitative characterization of ion selectivities in nanopores often employs the Nernst or Goldman-Hodgkin-Katz (GHK) equation to interpret transmembrane potentials. However, the direction of the measured transmembrane potential drop is not specified in these equations, and selectivity values calculated using absolute values of transmembrane potentials do not directly reveal the ion for which the membrane is selective. Moreover, researchers arbitrarily choose whether to use the Nernst or GHK equation and overlook the significant differences between them, leading to ineffective quantitative comparisons between studies. This work addresses these challenges through (a) specifying the transmembrane potential (sign) and salt concentrations in terms of working and reference electrodes and the solutions in which they reside when using the Nernst and GHK equations, (b) reporting of both Nernst-selectivity and GHK-selectivity along with solution compositions and transmembrane potentials when comparing different nanopores/channels, and (c) performing simulations to define an ideal selectivity for nanochannels. Experimental and modeling studies provide significant insight into these fundamental equations and guidelines for the development of nanopore/channel-based devices.
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