Ny chip-baseret platform kunne forenkle målinger af enkelte molekyler

Forskere ved UC Santa Cruz har udviklet en ny tilgang til at studere enkeltmolekyler og nanopartikler ved at kombinere elektriske og optiske målinger på en integreret chipbaseret platform. I et papir offentliggjort den 9. juli i Nano bogstaver , forskerne rapporterede at bruge enheden til at skelne virus fra nanopartikler af lignende størrelse med 100 procent troskab.

Kombination af elektriske og optiske målinger på en enkelt chip giver mere information end hver enkelt teknik alene, sagde den tilsvarende forfatter Holger Schmidt, Kapany -professoren i optoelektronik på Baskin School of Engineering og direktør for W. M. Keck Center for Nanoscale Optofluidics ved UC Santa Cruz. Kandidatstuderende Shuo Liu er første forfatter til papiret.

Den nye chip bygger på tidligere arbejde fra Schmidts laboratorium og hans samarbejdspartnere ved Brigham Young University for at udvikle optofluidic chip-teknologi til optisk analyse af enkeltmolekyler, når de passerer gennem en lille væskefyldt kanal på chippen. Den nye enhed inkorporerer en nanopore, der tjener to funktioner:den fungerer som en "smart gate" til at kontrollere leveringen af ​​individuelle molekyler eller nanopartikler ind i kanalen til optisk analyse; og det tillader elektriske målinger, når en partikel passerer gennem nanoporen.

"Nanoporen leverer et enkelt molekyle ind i den fluidiske kanal, hvor den derefter er tilgængelig til optiske målinger. Dette er et nyttigt forskningsværktøj til at udføre enkelt-molekyle undersøgelser, " sagde Schmidt.

Biologiske nanoporer, en teknologi udviklet af medforfatter David Deamer og andre ved UC Santa Cruz, kan bruges til at analysere en DNA-streng, når den passerer gennem en lille pore indlejret i en membran. Forskere anvender spænding over membranen, som trækker det negativt ladede DNA gennem poren. Nuværende udsving, når DNA bevæger sig gennem poren, giver elektriske signaler, der kan afkodes for at bestemme strengens genetiske sekvens.

Med den nye enhed, forskere er i stand til at indsamle elektriske målinger på en nanopartikel, når den bevæger sig gennem en pore i en fast membran, og mål derefter de optiske signaler, når partiklen møder en lysstråle i kanalen. Ved at korrelere styrken af ​​det nuværende fald, når en partikel bevæger sig gennem poren, intensiteten af ​​det optiske signal, og tidspunktet for hver måling, forskerne er i stand til at skelne mellem partikler med forskellige størrelser og optiske egenskaber og til at bestemme strømningshastigheden af ​​partikler gennem kanalen.

Chippen kan også bruges til at differentiere partikler af lignende størrelse, men forskellig sammensætning. I et eksperiment, forskerne kombinerede influenzavirus med nanokugler med en lignende diameter og placerede blandingen over nanoporen. Virusset blev mærket med et rødt fluorescerende mærke, og perlerne blev mærket med et blåt mærke. Forskerne korrelerede det elektriske signal med den fluorescerende bølgelængde og tidspunktet for hver måling. De fandt ud af, at de blå nanobeads rejste hurtigere gennem kanalen end rød influenzavirus, måske på grund af en forskel i overfladeladning eller masse. Udover at identificere patogener i en blanding, forskerne kan også tælle antallet af viruspartikler.

"Dette kunne bruges som en analytisk enhed til at foretage pålidelige tællinger af viruspartikler i en prøve, "Sagde Schmidt.

I øjeblikket, Schmidts gruppe arbejder på metoder til at tilføje optisk fangst til enheden. Dette ville tillade et molekyle i kanalen at blive holdt på ét sted, undersøgt, og frigivet, med potentiale til at analysere hundredvis af molekyler på en time. "At have alt dette på en chip ville gøre enkeltmolekylære målinger meget lettere og mere bekvemt, " sagde Schmidt.