생명 전좌 실험 용액에 고체 상태의 나노 기공을 제조하는 방법이 제시된다. 높은 전기장의 짧은 펄스를인가함으로써, 나노 기공 직경이 나노 미터 이하로 제어 정밀도로 확대 될 수 있고 그 전기적 잡음 특성이 크게 개선되었다. 이 절차는 실험 조건 하에서 표준 실험실 장비를 사용하여 반응계 내에서 수행된다.
고체 상태의 나노 기공은 핵산과 단백질 1과 같은 단일 생체 분자의 특성에 대한 다양한 도구로 등장했습니다. 다만, 얇은 절연 막에 나노 기공의 생성은 어려운 남아있다. 전문 집속 전자 빔 시스템을 포함하는 제조 방법은 잘 정의 된 나노 기공을 생성 할 수 있지만, 시판 막 안심 저잡음 나노 기공의 수율은 2,3 낮게 유지 및 사이즈 제어가 4,5 사소하다. 여기에, 미세 조정에 높은 전기 분야의 응용 프로그램이 최적의 저잡음 성능을 보장하면서 나노 기공의 크기는 보여줍니다. 높은 전기장이 짧은 펄스는 자연 그대로의 전기 신호를 생성 및 장기간 노출에 나노 미터 이하의 정밀도로 나노 기공의 확대를 허용하는 데 사용됩니다. 이 방법은 (S)의 수율 및 재현성을 향상 표준 실험실 장비를 사용하여 수성 환경에서 반응계에서 행한다올 리드 상태 나노 기공 제조.
생물학 및 고체 나노 기공은 단일 분자 레벨 1 생체 분자 분석을 감지하는 수단을 제공한다. 각각의 나노 기공은 일반적으로 두 가지 액체 저수지 사이를 통과하는 이온 전류에 대한 유일한 도관을 제공, 얇은 절연 막에 포함됩니다. 대규모 콜터 카운터의 원리를 활용하여 나노 기공 실험 그들이 전기영 외부 전기장의 존재하에 나노 기공을 통해 구동되는 것처럼 청구 생체 분자의 길이, 크기, 전하 및 형태를 결정하는 이온 전류의 변화에 관한 것이다.
이러한 α-용혈 같은 생물학적 나노 기공은 일반적으로 더 큰 감도와 낮은 노이즈 특성 3을 제공하지만, 지원하는 지질 이중층은 적용을 제한, 연약하고 고정 된 크기입니다. 고체 나노 기공, 반면에, 얇은 (10-50 NM) 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물 막으로 제조되며 다른 SIZ 제조 될 수있다ES 용이 웨이퍼 스케일 기술 6,7에 통합하고,보다 강력한, 실험 조건의 넓은 범위를 허용 할. 이러한 장점에도 불구하고, 고체 상태의 나노 기공 기술은 생체 분자 연구에 대한 자신의 유용성을 제한하는 몇 가지 실제적인 단점으로 고생. 나노 기공 크기의 제어가 가능하지만, 그것을 특수 장비 및 인력의 숙련을 필요로 달성하기 위해 전형적으로 비싸고 힘드는이다. 예를 들어, 집중 이온 빔에 의해 천공 나노 기공 최근 주 사형 전자 현미경 (SEM) 소재 구체적인 실험 조건 하에서 줄어드는 것으로 나타났다. 다른 방법으로, 투과 전자 현미경 (TEM)에 의해 천공 나노 기공은 빔 조건으로 수성 용매 8에 후속 노광에 따라 확대 또는 축소 할 수있다. 나노 기공의 크기는 화학적 처리 다음으로 변경하거나 할 수있는 경우에, 나노 기공 크기의 달성 가능한 범위는 제한 제어가 곤란하고 심지어 신뢰할특정 액체 환경 9에 몰입 할 때.
고체 상태의 나노 기공을 통해 이온 전류도 높은 소음에서 고통을 수의 소스는 나노 기공 문학 2,3,10,11에서 강렬한 연구 주제이다. 다양한 방법은 전기적 잡음을 줄이기 위해 제안되었지만, 신뢰성, 안정성 저잡음 나노 기공의 수율은 통상적으로 낮다. 드릴링 및 촬상 중에 탄소 질 잔류 물의 증착 종종 완전한 습윤에게 챌린지를 만들고 12을 제거하기 어려울 수 나노 버블의 형성을 일으키는 전기 신호의 질에 해로운 영향을 가질 수있다. 또한, 피 분석 물 분자에 의해 나노 기공의 막힘은 신호 품질의 렌더링이 추가 실험 13,14위한 사용 불가 기공 저하시킨다. 합해서, 이러한 효과는 크게 기능성 나노 기공 장치의 수율을 감소시키고, 고체 나노 기공 연구와 관련된 비용을 증가시킨다.
애플리케이션0.15-0.3 V / nm 범위에서 높은 전기장을 생성하는 자세 / AgCl을 전극과 전압 기는이 문제에 대한 놀라 울 정도로 간단한 솔루션을 제공합니다. 짧은 전압 펄스, 단일 분자 연구를위한 깨끗하고 노이즈가 적은 나노 기공 표면에 최적의주기적인 응용 프로그램을 통해 생산된다. 높은 전기장에 장시간 노출은 나노 기공 직경의 증가의 결과 기공 벽을 구성하는 막 재료의 제거를 개시한다. 이러한 성장은 정확하게 펄스 강도 및 지속 시간을 조정함으로써 제어 될 수있다. 분자가 나노 기공의 표면에 흡착 현재 트레이스 인해 나노 기공의 막힘 실험 과정 동안 저하 같이,이 프로세스는 달리 폐기했을 막힌 장치를 복구하기 위해 반복 될 수있다. 이와 같이, 기능성 나노 기공의 수율은 상기 동일한 장치를 여러 번 사용할 수있는 능력에 의해 증가된다. 이 급속 실험 하에서 액상에서 수행되는이 방법은 몇 가지 장점을 제공한다조건은, 오직 표준 실험실 장비를 필요 소프트웨어 자동화 될 수 있고, 95 % 이상의 수율로 기능적 고품질 나노 기공을 생성한다.
나노 기공의 크기의 제어는 생체 분자 감지 애플리케이션에 기본적인 중요하다. 나노 기공 직경은 프로빙되는 분자의 크기의 주문에 있어야한다; 그들은 시료를 수용 할 수있을만큼 충분히 커야하지만, 최적의 신호대 잡음비를 달성 할 정도로 작아야한다. 크기의 컨트롤이 높은 전기 필드를 적용하는 제시하는 방법을 사용하는 동안은 그 나노 기공의 직경에 단방향에만 프로세스 전반에 걸쳐 증가, 3 ~ 100 나노 미터 사이의 직경을 갖는 나노 기공은 나노 미터 이하의 정밀도로, 구식이 될 수 있습니다. 3-4 nm의 기공이 쉽게 TEM (23)을 이용하여 제조 될 수있는 바와 같이, 이것은 부피 단백질 – 리간드 복합체의 상호 작용에 ssDNA를 구조 프로빙에서 다양한 애플리케이션을위한 고체 나노 기공의 안정적인 제조 할 수있는 장점이있다. 100 nm의 상기 나노 기공의 성장이 매우 빠르고 덜 정확하게 될 수있는 반면,보다 온건 확대 조건은 프로세스보다 나은 제어를 달성하기 위해 사용될 수있다. 들로UCH 효과적인 사이즈 제어를 실현하기위한 가장 중요한 단계는 기 확 효율 원하는 세공 직경을 달성하는데 필요한 정밀도 수준을 양립하기 위해 펄스 강도 및 지속 시간의 선택이다. 이 더욱 확대는 낮은 바이어스하지만 비교 전계 강도를 관찰 얇은 나노 기공 (10-nm의 두께)의 확대에 의해 강조된다. 최종 크기에 따라서는 몇 분만에 서브-100-nm의 직경을 나노 기공을 확대하는 것은 일반적으로 가능하다.
이 배경 소음에서 전위 신호를 구별하는 것은 거의 불가능하다 마찬가지로, 큰 저주파 전류 변동은 단일 분자 연구를 배제. 불완전한 24 일로, 초기 제조 (25)와 나노 기공 벽 (13)에 이물질이 흡착 후 남은 잔류 탄소의 존재가 자주 있습니다 강한 화학 치료를 추가 청소를 필요로하는, 신호 품질이 저하 될 수 있습니다nefficacious. 고체 나노 기공 프로토콜 습윤을 보조 또는 드릴링, 이미징 및 취급 과정에서 남은 임의의 오염을 제거하기 위해 장착 전에 피라니아 용액 또는 산소 플라즈마로 나노 기공 청소의 중요성을 강조하기 위해 흥미롭게 것이 일반적이다. 심지어이 치료를하지만, 나노 기공은 종종 젖은하지 않거나 높은 소음을 계속 보게하고, 실패한 시도에 대한 제안 된 솔루션은 매우 시간이 14을 소비 할 수 있습니다 추가 청소를 수행하는 것입니다. 높은 전기장의인가,이 긴 프로토콜은 응용 분야에 따라 필요하지 않을 수도있다. 그것은 대부분의 장치는, 결과적으로 준비 시간 및 가혹한 화학 처리 할 필요성을 감소, 본원에 기재된 방법을 사용하여 반응계 내에서 재 조절 될 수 있다는 것을 발견 하였다. 전기 노이즈를 완화에서 가장 중요한 단계는 완전히 모공을 적시고 느슨하게 결합 파편을 제거하기 위해 전압 및 / 또는 펄스 지속 기간에 단순 증가이다.이러한 방식으로 처리하여 나노 기공을 확실 같은 DNA와 단백질과 같은 생체 분자 통로 전좌 실험에 사용될 수있다. 이러한 분자가 막힌 시끄러운 전기 신호로 이어지는 기공 벽에 부착하는 경우, 높은 전기장 펄스는 장애물을 제거하고 유체 셀에서 나노 기공 칩의 마운트 해제하지 않고, 추가 실험을위한 저잡음 특성을 회복하기 위해 다시 적용 할 수 있습니다.
설명 된 설정을 사용하여 높은 전기장의 적용을 위해 높은 대역폭 (> 1 kHz에서)에서 감도와 저잡음 특성이 결여 10 V 및 전류 증폭기까지 적용 할 수있는 외부 전원의 필요에 의해 제한된다 단일 분자 감지. 일반적인 생명 실험은 ± 1 V로 제한 저잡음 전류 증폭기에 의존하고 있지만, 그것은 adju 높은 전기장 조절하고 민감한 전류 측정을 모두 수행 할 수있는 하나의 시스템을 설계하는 간단안정 이득. 이러한 제한에도 불구하고, 다른 하나의 설정으로의 전환이 빠르고 간단합니다. 그러한 SEM 4.0, 열 산화 및 8을 재편 막의 사용과 같은 나노 기공의 크기를 제어하기위한 기존의 기술에 비해, 높은 전기장이 표준 장비를 이용하여 실험실 벤치에서 수행하고 제공 할 수있는보다 신속하고 정확하고 덜 비싼 방법을 제안 나노 기공 크기의 광범위한. 신속하고 재현성 저주파 소음을 감소 할 수있는 능력은 또한 초기 제작은 믿을 수있는 이전에 사용 모공이 추가 실험을위한 젊어지게 할 수 있으므로, 고체 상태의 나노 기공의 수명을 연장. 전부, 높은 전기 분야와 에어컨 다양한 두께의 나노 기공의 95 % 이상이 생체 분자 검출에 적합한을 렌더링, 약간의 저주파 잡음 특성을 나타내었다. 제작은 고체 상태의 나노 기공 실험이 더를 접근하고, 따라서 더 쉽고 신뢰할연구자에 적합한 용 및 잠재적으로 더 강력한 제조 공정을 통해 나노 기공 기술의 상용화를 향한 경로를 허용한다.
The authors have nothing to disclose.
우리는 캐나다 자연 과학 및 혁신에 대한 캐나다 재단, 그리고 온타리오 연구 기금의 기술 연구위원회에 의해 지원을 인정합니다. 우리는 나노 기공 소프트웨어 및 계측 설계에 대한 도움 가치있는 토론 및 기술 지원을위한 나노 기공의 제조 및 특성, L. Andrzejewski의 원조 Y. 리우 감사합니다, A. Marziali.
JEM-2100F TEM | JEOL | Drilling requires 200 kV accelerating voltage | |
Axon Axopatch 200B patch-clamp amplifier | Molecular Devices | Low-noise voltage and current amplifier | |
X-Series data acquisition card | National Instruments | PCI-6351 | Interfacing with setup, apply of high electric fields |
LabVIEW 2012 software | National Instruments | Apply voltages, record current, data analysis | |
Current amplifier | Keithley | Current amplification during high electric field pulses | |
30-nm thick silicon nitride TEM membrane windows | Norcada Inc. | NT005X | Substrate in which nanopores are created |
10-nm thick silicon nitride TEM membrane windows | Norcada Inc. | NT005Z | Substrate in which nanopores are created |
Silicone elastomer O-rings | Marian Chicago | HT6135 | Punched for sealing the nanopore chip |
Ag/AgCl electrodes | In Vivo Metric | E255 | |
Nitric acid | Fisher Scientific | 52004P | Used for cleaning cells – handle with caution |
Hydrogen peroxide | Fisher Scientific | H323 | Used for piranha solution – handle with caution |
Sulfuric acid | Fisher Scientific | A300 | Used for piranha solution – handle with caution |
Potassium chloride | Fisher Scientific | P335 | |
HEPES | Fisher Scientific | BP310 | Buffering KCl solution |
Primary Faraday cage | Shielding nanopore cell, electrodes | ||
Secondary Faraday cage | Shielding headstage, electrode wires | ||
Teflon cell | To hold nanopore chip and reservoirs | ||
Hot plate | VWR | Heating piranha solution |