Engineering Nanopores for Biomolecular Sensing, Transport and Trapping
Doktorsavhandling, 2026

The ability to study and control biomolecules at the single-molecule level offers new possibilities to improve our understanding of life. Many single-molecule methods, however, require the molecules to be immobilised or exposed to external forces, which may alter their natural behaviour. This thesis presents new types of nanostructures and surface functionalisations with polymer brushes, tailored for sensing, transport and trapping of biomolecules, with the aim of non-intrusive, long-term trapping of proteins in a nanoscale cavity.

Nanopore sensors detect single molecules through transient modulations of the ionic current as they pass through a nanopore. New algorithms for baseline correction and event detection are introduced, which enable accurate event frequency analysis at high voltages and thereby label-free, calibration-free quantification of analytes. Long measurements at high voltages also require stable pores, which motivated the fabrication of nanopores by electron beam lithography and reactive ion etching, a wafer-scale process that can produce both single pores and arrays. With these pores, the strong electric field in nanopores was shown to disrupt even strong biomolecular interactions, implying that binding affinities determined with nanopore sensors may differ from those in the absence of a field.

To keep proteins trapped, they must be prevented from escaping by diffusion, for instance by a barrier of polymer brushes. Nanopores were therefore functionalised with brushes of poly(ethylene glycol) or poly(N-(2-hydroxyethyl)acrylamide), and the voltage bias used in nanopore sensing was used to drive biomolecules through the brush barrier. Both DNA and proteins of different size and charge passed through these nanopores only above a threshold voltage, with no leakage at lower voltages. This demonstrates voltage-controlled transport of biomolecules with single-molecule readout.

Finally, a pore-cavity-pore device with material-selective surface functionalisation is presented, together with preliminary trapping results. Loading such a cavity through a polymer brush functionalised nanopore would make it possible to count the molecules as they enter, giving ultimate control over the trapping. Together, these results lay the foundation for loading, counting and non-intrusively retaining individual proteins in nanoscale cavities.

proteins

nanofabrication

biomolecular trapping

polymer brushes

solid-state nanopores

surface engineering

resistive pulse sensing

Viva
Opponent: Michael Mayer, University of Fribourg, Switzerland

Författare

Julia Järlebark

Chalmers, Kemi och kemiteknik, Tillämpad kemi

Solid-State Nanopore Sensors: Analyte Quantification by Event Frequency Analysis at High Voltages

Analytical Chemistry,;Vol. 97(2025)p. 4359-4364

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Polymer Brushes on Silica Nanostructures Prepared by Aminopropylsilatrane Click Chemistry: Superior Antifouling and Biofunctionality

ACS Applied Materials & Interfaces,;Vol. 15(2023)p. 10228-10239

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Järlebark J., Medin J., Shaji A,. Liu W., Andersson J., Dahlin A., Generic Single Biomolecule Translocation Control in Soft Nanopores

The Electric Field in Solid State Nanopores Causes Dissociation of Strong Biomolecular Interactions

Nano Letters,;Vol. 25(2025)p. 9654-9661

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Nanokammare som ska fånga och räkna enskilda proteiner

Proteiner och DNA är livets byggstenar, och genom att studera dem kan vi förstå mer om biologiska processer och hur sjukdomar uppstår. Allra mest kan vi lära oss genom att följa enskilda molekyler, men de är så små och rör sig så snabbt att de lätt försvinner. Många metoder håller därför fast molekylerna eller utsätter dem för krafter som kan förändra deras naturliga beteende.

I den här avhandlingen utvecklas nanostrukturer som ska göra det möjligt att fånga in enskilda proteiner i en liten kammare, där de kan studeras under lång tid utan att påverkas. Ingången till kammaren är en nanopor, ett hål som bara är några tiotals nanometer brett. När en molekyl passerar genom poren ger den upphov till en kort elektrisk signal. Nya dataanalysmetoder gör det möjligt att räkna dessa signaler noggrant, även vid de höga spänningar som behövs, och därmed veta hur många molekyler som har fångats in.

För att molekylerna inte ska smita ut igen har porerna klätts med polymerborstar, tätt packade polymerkedjor som fungerar som en barriär. Resultaten visar att proteiner och DNA bara tar sig igenom borstarna när en tillräckligt hög spänning läggs på, och annars stannar kvar.

Avhandlingen visar också hur själva nanokammaren kan tillverkas, med lovande första resultat för infångning av DNA. På sikt kan tekniken användas för att följa hur enskilda proteiner ändrar form och samverkar med andra molekyler, vilket kan ge ny grundläggande kunskap om hur proteiner fungerar.

Single Molecule Analysis in Nanoscale ReactionChambers SIMONANO2

Europeiska kommissionen (EU) (EC/H2020/101001854), 2021-02-01 -- 2026-01-31.

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Ämneskategorier (SSIF 2025)

Nanoteknik

Biofysik

Infrastruktur

Myfab (inkl. Nanotekniklaboratoriet)

DOI

10.63959/chalmers.dt/5951

ISBN

978-91-8103-494-3

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5951

Utgivare

Chalmers

Viva

Opponent: Michael Mayer, University of Fribourg, Switzerland

Mer information

Senast uppdaterat

2026-10-05