Forskare vid UC Santa Cruz har utvecklat en ny metod för att studera enskilda molekyler och nanopartiklar genom att kombinera elektriska och optiska mätningar på en integrerad chipbaserad plattform. I en tidning publicerad 9 juli i Nanobokstäver , forskarna rapporterade att de använde enheten för att skilja virus från nanopartiklar av liknande storlek med 100 procent trohet.
Att kombinera elektriska och optiska mätningar på ett enda chip ger mer information än endera tekniken ensam, sade motsvarande författare Holger Schmidt, Kapany professor i optoelektronik vid Baskin School of Engineering och chef för W. M. Keck Center for Nanoscale Optofluidics vid UC Santa Cruz. Doktorand Shuo Liu är första författare till tidningen.
Det nya chipet bygger på tidigare arbete från Schmidts laboratorium och hans medarbetare vid Brigham Young University för att utveckla optofluidic chip-teknik för optisk analys av enstaka molekyler när de passerar genom en liten vätskefylld kanal på chipet. Den nya enheten innehåller en nanopore som har två funktioner:den fungerar som en "smart gate" för att kontrollera leveransen av individuella molekyler eller nanopartiklar in i kanalen för optisk analys; och det tillåter elektriska mätningar när en partikel passerar genom nanoporen.
"Nanoporen levererar en enda molekyl in i vätskekanalen, där den sedan är tillgänglig för optiska mätningar. Detta är ett användbart forskningsverktyg för att göra enmolekylstudier, "Sa Schmidt.
Biologiska nanoporer, en teknologi utvecklad av medförfattaren David Deamer och andra vid UC Santa Cruz, kan användas för att analysera en DNA-sträng när den passerar genom en liten por inbäddad i ett membran. Forskare lägger spänning över membranet, som drar det negativt laddade DNA:t genom poren. Aktuella fluktuationer när DNA:t rör sig genom poren ger elektriska signaler som kan avkodas för att bestämma strängens genetiska sekvens.
Med den nya enheten, forskare kan samla elektriska mätningar på en nanopartikel när den rör sig genom en por i ett fast membran, och mät sedan de optiska signalerna när partikeln möter en ljusstråle i kanalen. Genom att korrelera styrkan av strömminskningen när en partikel rör sig genom poren, intensiteten hos den optiska signalen, och tiden för varje mätning, forskarna kan skilja mellan partiklar med olika storlekar och optiska egenskaper och bestämma partiklarnas flödeshastighet genom kanalen.
Chipet kan också användas för att skilja partiklar av liknande storlek men olika sammansättning. I ett experiment, forskarna kombinerade influensavirus med nanopärlor med liknande diameter och placerade blandningen ovanför nanopore. Viruset märktes med en röd fluorescerande etikett och pärlorna märktes med en blå etikett. Forskarna korrelerade den elektriska signalen med den fluorescerande våglängden och tiden för varje mätning. De fann att de blå nanobeadarna färdades snabbare genom kanalen än rött influensavirus, kanske på grund av en skillnad i ytladdning eller massa. Förutom att identifiera patogener i en blandning, forskarna kan också räkna antalet viruspartiklar.
"Detta kan användas som en analysanordning för att göra tillförlitliga mätningar av viruspartiklar i ett prov, " sa Schmidt.
För närvarande, Schmidts grupp arbetar med metoder för att lägga till optisk fällning till enheten. Detta skulle tillåta en molekyl i kanalen att hållas på ett ställe, undersökt, och släppt, med potential att analysera hundratals molekyler på en timme. "Att ha allt detta på ett chip skulle göra mätningar av en enda molekyl mycket enklare och bekvämare, " sa Schmidt.
