Name: fine-tuning the size and minimizing the noise of solid-state nanopores
Uploaded: 2013-10-31T20:00:00
Duration: 9 min 43 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fine-tuning the Size and Minimizing the Noise of Solid-state Nanopores at JoVE.com

Мы признаем поддержку по естественным наукам и инженерным исследовательского совета Канады, Канадского фонда инноваций, и Научно-исследовательского фонда Онтарио. Мы благодарим Y. Liu для помощи в изготовлении нанопор и характеристики, Л. Анджеевский за полезные обсуждения и технической поддержки, и А. Marziali за помощь в нанопор программного обеспечения и дизайна приборов.

<ol>
	<li>Venkatesan, B. M., Bashir, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanopore+sensors+for+nucleic+acid+analysis.">Nanopore sensors for nucleic acid analysis.</a> Nat. Nanotechnol. 6 (10), 615-624 (2011).</li><li>Smeets, R. M. M., Keyser, U. F., Dekker, N. H., Dekker, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noise+in+Solid-State+Nanopores.">Noise in Solid-State Nanopores.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105 (2), 417-421 (2008).</li><li>Tabard-Cossa, V., Trivedi, D., Wiggin, M., Jetha, N. N., Marziali, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noise+analysis+and+reduction+in+solid-state+nanopores.">Noise analysis and reduction in solid-state nanopores.</a> Nanotechnology. 18, 4484-4418 (2007).</li><li>Wu, M. -. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Control+of+Shape+and+Material+Composition+of+Solid-State+Nanopores.">Control of Shape and Material Composition of Solid-State Nanopores.</a> Nano Lett. 9 (1), 479-484 (2009).</li><li>Prabhu, A. S., Freedman, K. J., Robertson, J. W. F., Nikolov, Z., Kasianowicz, J. J., Kim, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=SEM-induced+shrinking+of+solid-state+nanopores+for+single+molecule+detection.">SEM-induced shrinking of solid-state nanopores for single molecule detection.</a> Nanotechnology. 22, 425302 (2011).</li><li>Li, J., Stein, D., McMullan, C., Branton, D., Aziz, M. J., Golovchenko, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ion-beam+sculpting+at+nanometre+length+scales.">Ion-beam sculpting at nanometre length scales.</a> Nature. 412 (6843), 166-169 (2001).</li><li>Rosenstein, J. K., Wanunu, M., Merchant, C. A., Drndic, M., Shepard, K. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Integrated+nanopore+sensing+platform+with+sub-microsecond+temporal+resolution.">Integrated nanopore sensing platform with sub-microsecond temporal resolution.</a> Nat. Methods. 9 (5), 487-492 (2012).</li><li>Vanden Hout, M., Hall, A. R., Wu, M. Y., Zandbergen, H. W., Dekker, C., Dekker, N. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+nanopore+size,+shape+and+stability.">Controlling nanopore size, shape and stability.</a> Nanotechnology. 21, 115304 (2010).</li><li>Li, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Size+evolution+and+surface+characterization+of+solid-state+nanopores+in+different+aqueous+solutions.">Size evolution and surface characterization of solid-state nanopores in different aqueous solutions.</a> Nanoscale. 4 (5), 1572-1576 (2012).</li><li>Smeets, R., Dekker, N., Dekker, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-frequency+noise+in+solid-state+nanopores.">Low-frequency noise in solid-state nanopores.</a> Nanotechnology. 20, 095501 (2009).</li><li>Beamish, E., Kwok, H., Tabard-Cossa, V., Godin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Precise+control+of+the+size+and+noise+of+solid-state+nanopores+using+high+electric+fields.">Precise control of the size and noise of solid-state nanopores using high electric fields.</a> Nanotechnology. 23 (40), 405301 (2012).</li><li>Smeets, R. M. M., Keyser, U. F., Wu, M. Y., Dekker, N. H., Dekker, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanobubbles+in+Solid-State+Nanopores.">Nanobubbles in Solid-State Nanopores.</a> Phys. Rev. Lett. 97 (8), 088101 (2006).</li><li>Niedzwiecki, D. J., Grazul, J., Movileanu, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-Molecule+Observation+of+Protein+Adsorption+onto+an+Inorganic+Surface.">Single-Molecule Observation of Protein Adsorption onto an Inorganic Surface.</a> J. Am. Chem. Soc. 132 (31), 10816-10822 (2010).</li><li>Niedzwiecki, D. J., Movileanu, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monitoring+Protein+Adsorption+with+Solid-state+Nanopores.">Monitoring Protein Adsorption with Solid-state Nanopores.</a> J. Vis. Exp. (58), e3560 (2011).</li><li>Wanunu, M., Meller, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Single-molecule analysis of nucleic acids and DNA-protein interactions. Single-molecule techniques: a laboratory manual. , 395-420 (2008).</li><li>Tabard-Cossa, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Instrumentation+for+Low-Noise+High-Bandwidth+Nanopore+Recording.">Instrumentation for Low-Noise High-Bandwidth Nanopore Recording.</a> Engineered Nanopores for Bioanalytical Applications. , 59-93 (2013).</li><li>Kowalczyk, S. W., Grosberg, A. Y., Rabin, Y., Dekker, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+the+conductance+and+DNA+blockade+of+solid-state+nanopores.">Modeling the conductance and DNA blockade of solid-state nanopores.</a> Nanotechnology. 22 (31), 315101 (2011).</li><li>Siwy, Z., Fuli&#324;ski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Origin+of+1/f&#945;+Noise+in+Membrane+Channel+Currents.">Origin of 1/f&#945; Noise in Membrane Channel Currents.</a> Phys. Rev. Lett. 89 (15), 158101 (2002).</li><li>Liebes, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reconstructing+solid+state+nanopore+shape+from+electrical+measurements.">Reconstructing solid state nanopore shape from electrical measurements.</a> Appl. Phys. Lett. 97 (22), 223105 (2010).</li><li>Kim, M. J., Wanunu, M., Bell, D. C., Meller, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+Fabrication+of+Uniformly+Sized+Nanopores+and+Nanopore+Arrays+for+Parallel+DNA+Analysis.">Rapid Fabrication of Uniformly Sized Nanopores and Nanopore Arrays for Parallel DNA Analysis.</a> Adv. Mater. 18 (23), 3149-3153 (2006).</li><li>Smeets, R. M. M., Keyser, U. F., Krapf, D., Wu, M. -. Y., Dekker, N. H., Salt Dekker, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dependence+of+Ion+Transport+and+DNA+Translocation+through+Solid-State+Nanopores.">Dependence of Ion Transport and DNA Translocation through Solid-State Nanopores.</a> Nano Lett. 6 (1), 89-95 (2006).</li><li>Wanunu, M., Dadosh, T., Ray, V., Jin, J., McReynolds, L., Drndi&#263;, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+electronic+detection+of+probe-specific+microRNAs+using+thin+nanopore+sensors.">Rapid electronic detection of probe-specific microRNAs using thin nanopore sensors.</a> Nat. Nanotechnol. 5 (11), 807-814 (2010).</li><li>Dekker, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solid-state+nanopores.">Solid-state nanopores.</a> Nat. Nanotechnol. 2 (4), 209-215 (2007).</li><li>Powell, M. R., Cleary, L., Davenport, M., Shea, K. J., Siwy, Z. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electric-field-induced+wetting+and+dewetting+in+single+hydrophobic+nanopores.">Electric-field-induced wetting and dewetting in single hydrophobic nanopores.</a> Nat. Nanotechnol. 6 (12), 798-802 (2011).</li><li>Egerton, R. F., Li, P., Malac, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Radiation+damage+in+the+TEM+and+SEM.">Radiation damage in the TEM and SEM.</a> Micron. 35 (6), 399-409 (2004).</li></ol>

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Контроль размера нанопор имеет принципиальное значение в приложениях биомолекулярных зондирования. Диаметры нанопор должна быть порядка размеров молекул зондируемой; они должны быть достаточно большим, чтобы вместить образец, но достаточно малы, чтобы достичь оптимального шум сигнал-. В то время как контроль размера с использованием метода подарил применения высоких электрических полей является однонаправленным в том, что диаметров нанопор только увеличивается на протяжении всего процесса, нанопор диаметром от 3-100 нм может быть вылепленный, с точностью субнанометровой. Как 3-4 нм поры могут быть легко изготовлены с использованием ПЭМ 23, это позволяет для надежного изготовления полупроводниковых нанопор для широкого диапазона приложений от зондирующего структуру оцДНК взаимодействию громоздких белок-лиганд. В то время как рост нанопор выше 100 нм может быть очень быстрым и менее точным, более умеренные условия, увеличивающие могут быть использованы для достижения лучшего контроля над процессом. Как суч, самый важный шаг для достижения эффективного контроля размер является выбор силы и длительности импульса, чтобы сбалансировать увеличения эффективности и уровня точности, требуемой для достижения желаемого диаметра пор. Это еще более подчеркивается расширения тонких нанопор (толщина 10-нм), где увеличение наблюдается более низкий уклон, но сопоставимый напряженность электрического поля. В зависимости от окончательного размера, как правило, можно увеличить нанопоры диаметрам суб-100 нм в течение нескольких минут. Точно так же, большие низкочастотные колебания тока исключает одной молекулы исследования, как это почти невозможно отличить транслокационные сигналы от фонового шума. Неполное смачивания 24, наличие углеродистых остатков, оставшихся после первоначальной изготовления 25 и адсорбции мусора на нанопор стенки 13 может ухудшить качество сигнала, что требует дополнительной очистки с резкими химических обработок, которые часто яnefficacious. Интересно, что он является общим для протоколы твердотельные нанопор, чтобы подчеркнуть важность очистки нанопор в пираньи растворе или с кислородной плазмы перед установкой, чтобы помочь смачивание или удалить любые загрязнения, оставшиеся от процессов бурения, обработки изображений и обработки. Даже с этим лечение, однако, нанопор часто не мокрой или продолжают демонстрировать высокую шум, и предложил решение для неудачных попыток, чтобы выполнить дополнительную очистку, которая может быть очень много времени 14. С применением высоких электрических полей, эти длинные протоколы не может быть необходимым в зависимости от применения. Было установлено, что большинство устройств может быть восстановленные на месте с использованием метода, описанного здесь, следовательно уменьшая время подготовки и необходимость иметь дело с агрессивных химикатов. Наиболее важные шаги в смягчении электрический шум является простое увеличение напряжения и / или длительности импульса, чтобы полностью смочить поры и удалить слабо связанных мусора.Нанопоры обработанные таким образом надежно могут быть использованы в экспериментах биомолекулы транслокации, таких, как прохождении ДНК и белков. Если эти молекулы придерживаться стенки поры, ведущие к забитой и шумной электрический сигнал, высокие импульсы электрического поля могут быть восстановлены, чтобы удалить препятствия и восстановить свойства с низким уровнем шума для дальнейших экспериментов, без размонтирования чипа нанопор от жидкостной ячейке. Применение сильных электрических полях на установке, описанной ограничивается требованием внешнего источника питания, которые могут применять до 10 V и усилителя тока, в которых отсутствуют чувствительность и свойства с низким уровнем шума при высокой пропускной способностью (&gt; 1 кГц) для зондирования одной молекулы. В то время как типичные биомолекулярные эксперименты полагаться на текущей малошумящий усилитель, которая ограничена ± 1 В, это несложно спроектировать единую систему, которая может выполнить как высокую кондиционирование электрического поля и чувствительной измерения тока с ADJUстабильный прирост. Несмотря на это ограничение, переход от одной установки на другую быстро и просто. По сравнению с существующими методами для управления размером нанопор такие как использование SEM 5, термического окисления и мембраны переформирования 8, высокие электрические поля предлагаем быстрое и более точное и менее дорогой методологию, которая может быть выполнена и в лаборатории с использованием стандартного оборудования и обеспечить более широкий диапазон размеров нанопор. Способность быстро и воспроизводимо снизить низкочастотный шум и делает первоначальный изготовление более надежным и продлевает срок службы полупроводниковых нанопор, как ранее используемые поры может быть обновленным для дальнейших экспериментов. В общей сложности, более 95% нанопор различной толщины условных с сильных электрических полях демонстрировала очень слабую низкочастотного шума характеристику, что делает их подходящими для биомолекул зондирования. Изготовление, таким образом, проще и надежнее, делая эксперименты твердотельные нанопор более ДоступнаяBLE для исследователей и потенциально позволяя для пути к коммерциализации нанопор технологий посредством более надежных процессов изготовления.

Биологическое и полупроводниковых нанопор обеспечивают средства зондирования биомолекулярные анализируемых на уровне одной молекулы 1. Индивидуальные нанопор, как правило, встроены в изолирующих мембран, обеспечивая только трубопровод для ионного тока, чтобы пройти между двумя жидкими водоемов. Используя принципы крупномасштабных Coulter счетчиков, нанопор эксперименты касаются изменений в ионного тока для определения длины, размер, заряд и конформации заряженных биомолекул, как они электрофореза приводом через нанопоры в присутствии внешнего электрического поля. В то время как биологические нанопор, такие как α-гемолизина как правило, предлагают более высокую чувствительность и низким уровнем шума свойства 3, поддерживая липидный бислой является хрупким и фиксированный размер, что ограничивает их применение. Полупроводниковых нанопор, с другой стороны, изготовлены в тонкой (10-50 нм) нитрида кремния или оксида кремния мембран и может быть изготовлена ​​из различных SIZэс, легко интегрируется с пластины масштабных технологий 6,7, и являются более надежными, что позволяет использовать более широкий спектр экспериментальных условиях. Несмотря на эти преимущества, технологии твердотельных нанопор страдают от ряда практических недостатков, которые ограничивают их полезность для биомолекулярных исследований. В то время как контроль размера нанопор возможно, оно, как правило, дорого и трудоемко для достижения, требуя специального оборудования и квалифицированного персонала. Например, нанопоры, пробуренные сфокусированного ионного пучка были недавно показано, чтобы уменьшить при определенных экспериментальных условиях в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) 5. В других подходах, нанопор, пробуренные с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) может увеличить или уменьшить в зависимости от условий пучка и последующего воздействия водных растворителях 8. В этих случаях достижима диапазон размеров нанопор ограничен, трудно контролировать, и даже ненадежны как размер нанопор может изменить следующий химической обработки илипри погружении в определенной жидкой среде 9. Ионный ток через полупроводниковых нанопор также могут страдать от повышенного шума, источники которых интенсивно исследуются темы в нанопор литературы 2,3,10,11. В то время как различные методы были предложены для уменьшения электрического шума, доходность надежных, стабильных малошумящих нанопор как правило, низка. Отложение углеродистых остатков в процессе бурения и обработки изображений могут иметь пагубные последствия для электрической качества сигнала, часто делая полное смачивание вызов и вызывая образование нанопузырьков, которые могут быть трудно удалить 12. Кроме того, засорение нанопор молекулами анализируемого вещества ухудшает качество сигнала рендеринга поры непригодным для дальнейшего эксперимента 13,14. В целом, эти эффекты значительно уменьшить выход функциональных устройств нанопор и увеличивает затраты, связанные с исследованиями твердотельного нанопор. Применимостьции напряжения с Ag / AgCl электроды для получения высоких электрических полей в диапазоне 0,15-0,3 V / нм представляет собой удивительно простое решение этих проблем. Через циклического применения коротких импульсов напряжения, чистой, с низким уровнем шума нанопор поверхности идеально подходит для одиночных молекул исследований производится. Продолжительное воздействие высоких электрических полей инициирует удаление мембранного материала, образующего стенки поры, в результате чего увеличение диаметра нанопор. Этот рост может быть точно управлять, подстраивая силу и длительности импульса. Поскольку текущие следы ухудшить течение эксперимента из-за засорения нанопор как молекулы адсорбируются на поверхности нанопор, этот процесс может повторяться для восстановления забиты устройства, которые иначе были бы отброшены. Таким образом, доходность функциональных нанопор дополнительно увеличивается за счет возможности использовать то же устройство несколько раз. Этот способ имеет несколько преимуществ, как он быстро выполняется в жидкости под экспериментальныеусловия, требуется только стандартный лабораторного оборудования, могут быть автоматизированы с помощью программного обеспечения, а также производит функциональные высококачественные нанопор с выходом более 95%.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="516">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">JEM-2100F TEM</td>
			<td style="width:136px;">JEOL</td>
			<td style="width:81px;"></td>
			<td style="width:83px;">Drilling requires 200 kV accelerating voltage</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Axon Axopatch 200B patch-clamp amplifier</td>
			<td style="width:136px;">Molecular Devices</td>
			<td style="width:81px;"></td>
			<td>Low-noise voltage and current amplifier</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">X-Series data acquisition card</td>
			<td style="width:136px;">National Instruments</td>
			<td style="width:81px;">PCI-6351</td>
			<td>Interfacing with setup, apply of high electric fields</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">LabVIEW 2012 software</td>
			<td style="width:136px;">National Instruments</td>
			<td style="width:81px;"></td>
			<td>Apply voltages, record current, data analysis</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Current amplifier</td>
			<td style="width:136px;">Keithley</td>
			<td style="width:81px;"></td>
			<td>Current amplification during high electric field pulses</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">30-nm thick silicon nitride TEM membrane windows</td>
			<td style="width:136px;">Norcada Inc.</td>
			<td style="width:81px;">NT005X</td>
			<td>Substrate in which nanopores are created</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">10-nm thick silicon nitride TEM membrane windows</td>
			<td style="width:136px;">Norcada Inc.</td>
			<td style="width:81px;">NT005Z</td>
			<td>Substrate in which nanopores are created</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Silicone elastomer O-rings</td>
			<td style="width:136px;">Marian Chicago</td>
			<td style="width:81px;">HT6135</td>
			<td>Punched for sealing the nanopore chip</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ag/AgCl electrodes</td>
			<td style="width:136px;">In Vivo Metric</td>
			<td style="width:81px;">E255</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Nitric acid</td>
			<td style="width:136px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:81px;">52004P</td>
			<td>Used for cleaning cells - handle with caution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Hydrogen peroxide</td>
			<td style="width:136px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:81px;">H323</td>
			<td>Used for piranha solution - handle with caution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Sulfuric acid</td>
			<td style="width:136px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:81px;">A300</td>
			<td>Used for piranha solution - handle with caution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Potassium chloride</td>
			<td style="width:136px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:81px;">P335</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">HEPES</td>
			<td style="width:136px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:81px;">BP310</td>
			<td>Buffering KCl solution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Primary Faraday cage</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:81px;"></td>
			<td>Shielding nanopore cell, electrodes</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Secondary Faraday cage</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:81px;"></td>
			<td>Shielding headstage, electrode wires</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Teflon cell</td>
			<td style="width:136px;"></td>
			<td style="width:81px;"></td>
			<td>To hold nanopore chip and reservoirs</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Hot plate</td>
			<td style="width:136px;">VWR</td>
			<td style="width:81px;"></td>
			<td>Heating piranha solution</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fine-tuning the size and minimizing the noise of solid-state nanopores

Полупроводниковых нанопор появились как универсальный инструмент для характеристики отдельных биомолекул, таких как нуклеиновые кислоты и белки 1. Тем не менее, создание нанопор в тонкого изоляционного мембраны остается сложной. Способы изготовления с участием специализированных систем целенаправленной электронных лучей может производить четкие нанопор, но выход надежных и малошумных нанопор в коммерчески доступных мембран остается низким 2,3 и контроль размер нетривиально 4,5. Здесь, применение сильных электрических полях для тонкой настройки размер нанопор при одновременном обеспечении оптимальной производительности с низким уровнем шума демонстрируется. Эти короткие импульсы сильного электрического поля используются для производства нетронутой электрический сигнал и позволяют для увеличения нанопор с точностью субнанометровой на длительном воздействии. Этот способ выполняется на месте в водной среде с помощью стандартного лабораторного оборудования, повышение урожайности и воспроизводимость снанопор изготовление Olid-государство.

Нанопор, используемые в этом исследовании, были пробурены в 30 нм или 10 нм нитрида кремния толщиной мембранных окон. В то время как протокол, описанный могут быть применены к полупроводниковых нанопор различного материала, изготовленных с использованием любого способа, они, как правило, пробуренных с использованием предварительно установленных протоколов 11,14 помощью ПЭМ. Нанопоры пробуренные с помощью ПЭМ, как правило, в пределах 4-8 нм в диаметре (рис. 2). Хотя оба 30-нм и 10-нм мембраны могут быть установлены и кондиционером с вышеприведенной схемой, смещения напряжения, описанные см., необходимые для 30-нм мембран если не указано иное. Для мембран различного размера, приложенное напряжение должны быть скорректированы, чтобы генерировать электрическое поле в диапазоне 0,15-0,3 V / нм внутри нанопор. На рисунке 3а показаны два типовых проводимости, следы 10-нм нанопор в толстой оболочкой 30-нм до и после лечения с сильных электрических полях. По монтажа недавно гбороздчатой ​​нанопор, вероятность получения нестабильную и шумной ионной сигнал тока, демонстрируя высокую степень низкочастотной колебания, как правило, высока. Нанопор показано на рисунке 3а подчеркивает это поведение. Его проводимость значительно меньше, чем ожидалось для нанопор его размера, скорее всего из-за неполного смачивания. По заявлению высоких электрических полях 0,27 В / нм величины производимого 8 V импульсов (90 импульсов 2 продолжительности сек), нанопор становится полностью мокрой и впоследствии увеличена до 21 нм в диаметре. В этот момент пор демонстрирует стабильную проводимость со свойствами низким уровнем шума. Количественный анализ шума в подобных нанопор показан как спектральная плотность мощности участков в рисунке 3b. Шум амплитуда низкочастотного из unwet и / или забитые поры очень высока (&gt; 20 пА RMS), что делает их непригодными для использования в эксперименте. По кондиционирования с сильных электрических полях, мощности шума на низких частотах (&lt;10 кГц) является diminisхед почти на 3 порядка и готов к малошумящих экспериментов. На рисунке 4а показана типичная измерения тока как потенциал, приложенный пульсирует между сильных электрических полях для увеличения и низкие периоды измерения электрического поля. После каждого последующего импульса, в результате ионный ток через нанопоры в измерительного напряжения (т.е. нанопор проводимости) увеличивает на конечную величину. Это показывает, что нанопор увеличивается в размерах, а диаметр D может быть выведено из его проведении G в растворе проводимости σ, аппроксимации нанопор как имеющие цилиндрическую геометрию эффективной длиной л эфф. В то время как различные другие модели существуют для соотнесения нанопор проводимость его геометрии 17,19-21, следующее соотношение, который включает в себя геометрическую термин и термин сопротивления доступа, было доказано действительны для ТЭМ-пробуренных нанопор в высокой концентрации соликонцентрации, в широком диапазоне диаметров, представляющих интерес для двухцепочечной ДНК транслокации 17,22. <img alt="" src="/files/ftp_upload/51081/51081eqn.jpg" width="150px" /> Как только желаемый диаметр достигнут, процесс автоматически останавливается с помощью программного обеспечения. Полученный диаметр нанопор может быть подтверждена с помощью точных измерений IV, как показано на фиг.4b. Важно отметить, что нанопоры, обработанные с использованием высоких электрических полей полностью функциональны. Это подтверждено обнаружением λ транслокации ДНК, как показано в проводимости следов представленных на фиг.5а. На этой фигуре дцДНК приводится посредством двух нанопор, которые были увеличены до 11 нм и 32-нм с использованием описанного способа. В каждом случае, базовый проводимость чрезвычайно стабильна и ясные блокады наблюдаются как молекулы дц перемещать через нанопоры, показывая высокое отношение сигналУровнем шума одиночных молекул транслокация события, как по сравнению с необработанными пор, которые обладают высокой шума. Как показано на вставках фиг.5а, множественные дискретные уровни блокированию наблюдаются как отдельные свернутых молекул перемещать, как и ожидалось для нанопор этих размеров. Гистограммы нанопор проводимости во время транслокации событий через каждую пору показаны на рисунке 5б. Малошумящих свойства нанопор выявить четкие, легко разрешимые пики, соответствующие базовым (без ДНК), один (одна нить ДНК - развернутый) и двойные блокирования состояния (две цепочки ДНК - в сложенном виде). Следует отметить тот факт, что изменение проводимости, соответствующий одной молекулы двухцепочечной ДНК, занимающего пору отличается для больших и малых нанопор. Это косвенно свидетельствует о том, что применение высоких электрических полей на самом деле расширения существующих нанопор, как можно было бы наблюдать то же самое амплитуда блокирования Если создавались другие поры или трещины в тон мембраны в процессе 17. Аналогично, фиг.6 иллюстрирует эффективность высоких электрических полей для увеличения нанопоры, изготовленные в мембранах различной толщины. Здесь нанопор создан в 10-нм SiNx мембраны изначально частично unwet, показывая нестабильную и относительно небольшую проводимость. По заявлению переменного ± 3 В (± 0,3 В / нм) импульсами 4 длительности сек (30 всего), нанопор намокает и проявляет идеальные характеристики IV для 3 нм поры. Методология была затем повторяется в течение 400 последующих импульсов и нанопор был увеличен до 8 нм. Это расширение, выполненное в сопоставимых электрических полей, но ниже, приложенное напряжение смещения, чем для нанопор, изготовленных в 30-нм мембран, показывает, что процесс в первую очередь электрическое поле приводом. Поскольку ток блокада получают путем транслокации через более тонкой мембраны больше, чем производится в толстых поры, нанопор в тонких мембранОбработанный таким образом может быть использован для изучения более короткие молекулы, такие как белки с повышенной чувствительностью. <img alt="Рисунок 1" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51081/51081fig1.jpg" width="600px" /> Рисунок 1. Nanopore клеток сборки. Нитрида кремния мембрана, содержащая нанопор помещается между силиконовыми прокладками из эластомера, которые, в свою очередь, сжатого двумя тефлоновыми полуэлементов содержащих резервуаров электролита. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51081/51081fig1highres.jpg" target="_blank">Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение</a> . <img alt="Рисунок 2" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51081/51081fig2.jpg" width="600px" /> Рисунок 2. Кондиционирование Nanopore и расширение установки. Нанопор пробурена в 30 нм толщиной нитрида кремния мембраны (слева) соединяет два резервуара электролита.Компьютер используется для управления либо усилитель патч-зажим или внешнего блока питания (DAQ карты), которая применяется потенциальную предвзятость по нанопор через Ag / AgCl электродами, погруженными в водоемах электролитов. Усилитель тока передает ионный ток, измеренный для мониторинга в реальном времени с помощью компьютерных программ. Эта цифра была изменена с [11]. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51081/51081fig2highres.jpg" target="_blank">Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение</a> . <img alt="Рисунок 3" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51081/51081fig3.jpg" width="600px" /> Рисунок 3. Текущие следы до и после применения сильных электрических полях. (А) По монтажа, и даже после очистки с пираньи решения, проводимость нанопор неустойчива и меньше, чем ожидалось для цилиндрического 10-нм поры (синий). После применения 2 сек импульсов 8 V,нанопор полностью смачивают и увеличенный, демонстрируя стабильную проводимость и может быть использован для молекулярно-биологических экспериментов зондирования (зеленый). (Б) спектральная плотность мощности участки не полностью смоченной и забитой нанопор (синий и оранжевый, соответственно). При приложении 200 мс импульсов 8 V, нанопор были смочены и мусор удаляется (зеленый и красный соответственно). Эта цифра была изменена с [11]. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51081/51081fig3highres.jpg" target="_blank">Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение</a> . <img alt="Рисунок 4" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51081/51081fig4.jpg" width="600px" /> Рисунок 4. Nanopore увеличения с помощью высоких электрических полей. (А) Чередование расширения и измерения возможных погрешностей (красный) показывает, что ионный ток через нанопоры (синий) увеличивается в конечных этапов. В результате поведениеИзмерение Ance может использоваться для вывода диаметром нанопор. Как только желаемый диаметр был достигнут, процесс останавливается. (Б) измерения Точные IV из проводимости подтверждают, что размеры нанопор увеличились. Такие участки обеспечивают более точную оценку размера пор, чем текущие значения точечных так как они могут быть в форме и их симметрично и Омическая поведение может быть подтверждена. Эта цифра была изменена с [11]. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51081/51081fig4highres.jpg" target="_blank">Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение</a> . <img alt="Рисунок 5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51081/51081fig5.jpg" width="600px" /> Рисунок 5. Транслокация ДНК через условные нанопор. (А) Добавление двухцепочечной ДНК (48,5 кб) с одной стороны нанопор при смещении 150 мВ производит переходные блокады в кондактанса следов 11-нм (синий) и 32-нм ПОРэс (красный). (Б) Гистограммы проводимости каждого из нанопор показать дискретные пики, соответствующие базовым, одноместные и двухместные события транслокационные. Эта цифра была изменена с [11]. <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51081/51081fig5highres.jpg" target="_blank">Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение</a> . <img alt="Рисунок 6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/51081/51081fig6.jpg" width="600px" /> Рисунок 6. Расширение нанопор в 10 нм мембран. Нанопор в 10 нм мембраны первоначально экспонаты очень мало проводимости и асимметричные ВАХ (оранжевые). По заявлению 30 импульсов, чередующихся между ± 3 V (4 длительности сек), нанопор смачивает и демонстрирует идеальные свойства IV с проводимостью в соответствии с ожидаемой для 3 нм поры (синий). Еще 400 импульсов ± 3 V увеличивает нанопор диаметром до 8 нм(Зеленый). <a href="http://www.jove.com/files/ftp_upload/51081/51081fig6highres.jpg" target="_blank">Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение</a> .

Watch this Scientific Journal Video about Fine-tuning the Size and Minimizing the Noise of Solid-state Nanopores at JoVE.com

Fine-tuning the Size and Minimizing the Noise of Solid-state Nanopores

Методология подготовки полупроводниковых нанопор в растворе для биомолекулярных экспериментов транслокационных представлена. Применяя короткие импульсы сильных электрических полях, диаметр нанопор может быть контролируемо пополнился субнанометровой точностью и его электрическая шумовые характеристики значительно улучшены. Эта процедура выполняется на месте с использованием стандартного лабораторного оборудования в экспериментальных условиях.

Точная настройка размера и Минимизация шума полупроводниковых нанопор

Solid-state nanopores have emerged as a versatile tool for the characterization of single biomolecules such as nucleic acids and proteins1. However, the ...

Research

JoVE Journal

Engineering

Controlling the Size, Shape and Stability of Supramolecular Polymers in Water

Контроль размера, формы и стабильность супрамолекулярных полимеров в воде

For aqueous based supramolecular polymers, the simultaneous control over shape, size and stability is very difficult1. At the same time, the ability to do ...

Solid-state Graft Copolymer Electrolytes for Lithium Battery Applications

Твердотельные привитой сополимер электролитов для литиевых аккумуляторов Приложения

Battery safety has been a very important research area over the past decade. Commercially available lithium ion batteries employ low flash point (&lt;80 ...

Monolayer Contact Doping of Silicon Surfaces and Nanowires Using Organophosphorus Compounds

Монослоя Связаться легирования кремния поверхностей и нанопроволок Использование фосфорорганических соединений

Monolayer Contact Doping (MLCD) is a simple method for doping of surfaces and nanostructures1. MLCD results in the formation of highly controlled, ultra ...

Casting Protocols for the Production of Open Cell Aluminum Foams by the Replication Technique and the Effect on Porosity

Кастинг протоколы по производству открытого Сотовые алюминиевые Пены по репликации Техника и влияние на пористость

Metal foams are interesting materials from both a fundamental understanding and practical applications point of view. Uses have been proposed, and in many ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

Создание массивов с помощью оптических насыщающихся переходов - Изготовление и характеристика

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Electron Channeling Contrast Imaging for Rapid III-V Heteroepitaxial Characterization

Электрон Ченнелинг Контрастность изображений для быстрого III-V гетероэпитаксиального Характеристика

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging ...

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Количественное водорода концентрации в поверхностных и интерфейсных слоев и сыпучих материалов через профилирование по глубине с анализом ядерной реакции

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

Use of Sacrificial Nanoparticles to Remove the Effects of Shot-noise in Contact Holes Fabricated by E-beam Lithography

Использование жертвенной наночастицами для устранения эффекта дробового шума в контактных отверстий сфабриковано E-лучевую литографию

Nano-patterns fabricated with extreme ultraviolet (EUV) or electron-beam (E-beam) lithography exhibit unexpected variations in size. This variation has ...

Preparation of Liquid-exfoliated Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets with Controlled Size and Thickness: A State of the Art Protocol

Получение жидкостным слущенных переходных металлов дихалькогенидных нанолистов с контролируемыми размера и толщины: Государство Протокола Арт

We summarize recent advances in the production of liquid-exfoliated transition metal dichalcogenide (TMD) nanosheets with controlled size and thickness. ...

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Целенаправленные Ион луч изготовление Nanobatteries ЛИПОН основе твердотельных литий ионный на месте тестирования

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...