När nanoteknik blir allt mer allmänt förekommande, forskare använder det för att göra medicinsk diagnostik mindre, snabbare, och billigare, för att bättre kunna diagnostisera sjukdomar, lär dig mer om ärftliga egenskaper, och mer. Men när sensorerna blir mindre, att mäta dem blir svårare – det finns alltid en avvägning mellan hur lång tid det tar att göra en mätning och hur exakt den är. Och när en signal är mycket svag, avvägningen är särskilt stor.

Ett team av forskare vid Columbia Engineering, leds av elektroteknikprofessor Ken Shepard, tillsammans med kollegor vid University of Pennsylvania, har kommit på ett sätt att mäta nanoporer – små hål i ett tunt membran som kan detektera enskilda biologiska molekyler som DNA och proteiner – med mindre fel än vad som kan uppnås med kommersiella instrument. De har miniatyriserat mätningen genom att designa en anpassad integrerad krets med kommersiell halvledarteknik, bygga nanopormätningen runt det nya förstärkarchippet. Deras forskning kommer att publiceras i Advance Online Publication på Naturmetoder s hemsida den 18 mars.

Nanoporer är spännande forskare eftersom de kan leda till extremt låg kostnad och snabb DNA-sekvensering. Men signalerna från nanoporer är mycket svaga, så det är ytterst viktigt att mäta dem så rent som möjligt.

"Vi satte ett litet förstärkarchip direkt in i vätskekammaren bredvid nanoporen, och signalerna är så rena att vi kan se enstaka molekyler passera genom poren på bara en mikrosekund, säger Jacob Rosenstein, en Ph.D. kandidat i elektroteknik vid Columbia Engineering och huvudförfattare till uppsatsen. "Tidigare, forskare kunde bara se molekyler som stannar i porerna i mer än 10 mikrosekunder."

Många enkelmolekylmätningar görs för närvarande med hjälp av optiska tekniker, som använder fluorescerande molekyler som avger fotoner vid en viss våglängd. Men, medan fluorescens är mycket kraftfull, dess stora begränsning är att varje molekyl vanligtvis bara producerar några tusen fotoner per sekund. "Detta betyder att du inte kan se något som händer snabbare än några millisekunder, eftersom alla bilder du kan ta skulle vara för mörka, " förklarar Shepard, som är Rosensteins rådgivare. "Å andra sidan, om du kan använda tekniker som mäter elektroner eller joner, du kan få miljarder signaler per sekund. Problemet är att för elektroniska mätningar finns det ingen motsvarighet till ett fluorescerande våglängdsfilter, så även om signalen kommer igenom, den är ofta begravd i bakgrundsljud."

Shepards grupp har varit intresserade av mätningar av en molekyl i flera år och tittat på en mängd nya transduktionsplattformar. De började arbeta med nanoporsensorer efter Marija Drndic, professor i fysik vid University of Pennsylvania, höll ett seminarium på Columbia Engineering 2009. "Vi såg att nästan alla andra mäter nanoporer med klassiska elektrofysiologiska förstärkare, som mestadels är optimerade för långsammare mätningar, ", konstaterar Shepard. "Så vi designade vår egen integrerade krets istället."

Rosenstein designade den nya elektroniken och gjorde mycket av labbarbetet. Drndics grupp vid University of Pennsylvania tillverkade nanoporerna som teamet sedan mätte i sitt nya system.

"Medan de flesta grupper försöker bromsa DNA, vårt tillvägagångssätt är att bygga snabbare elektronik, " säger Drndic. "Vi kombinerade den känsligaste elektroniken med de känsligaste nanoporerna i fast tillstånd."

"Det är väldigt spännande att kunna göra rent elektroniska mätningar av enstaka molekyler, ", säger Rosenstein. "Inställningen för nanopormätningar är väldigt enkel och portabel. Det kräver inte ett komplicerat mikroskop eller kraftfulla instrument; det kräver bara uppmärksamhet på detaljer. Du kan lätt föreställa dig att nanopore-teknologi har en stor inverkan på DNA-sekvensering och andra medicinska tillämpningar inom de närmaste åren."

Shepards grupp fortsätter att förbättra dessa tekniker. "Med nästa generations design, " han säger, "vi kanske kan få en ytterligare 10X förbättring, och mäta saker som bara varar 100 nanosekunder. Vårt labb arbetar också med andra elektroniska enmolekylära tekniker baserade på kolnanorörstransistorer, som kan utnyttja liknande elektroniska kretsar. Det här är en spännande tid!"