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8通道CMOS电压钳位电流前置放大器的光学显微照片图片由Michael Quinn提供科学家继续改进纳米技术并寻找新用途通过使用商业半导体技术设计定制集成电路,研究人员开发出一种可测量纳米孔的装置误差比商业仪器少,并且可以看到单个分子在一微秒内通过孔隙随着纳米技术变得越来越普遍,研究人员正在使用它来使医疗诊断更小,更快,更便宜,以便更好地诊断疾病,了解更多关于继承的特性,以及更多但是随着传感器变小,测量它们变得更加困难 - 在任何测量需要多长时间和精确度之间总是需要权衡

当信号非常弱时,权衡特别大A由电气工程教授Ken Shepard领导的哥伦比亚工程公司的研究人员团队与宾夕法尼亚大学的同事一起,已经找到了一种方法来测量纳米孔 - 薄膜中的小孔,可以检测单个生物分子,如DNA和蛋白质 - 误差小于商业仪器可以实现的误差他们已经小型化了通过使用商业半导体技术设计定制集成电路进行测量,围绕新放大器芯片构建纳米孔测量他们的研究可在自然方法的在线出版物中获得纳米孔是令人兴奋的科学家,因为它们可能导致极低成本和快速的DNA测序但来自纳米孔的信号非常微弱,因此尽可能干净地测量它们至关重要“我们将一个微小的放大器芯片直接放入纳米孔旁边的液体室中,信号非常干净,我们可以看到单个分子穿过毛孔的时间只有一微秒,“电子学博士候选人雅各布罗森斯坦说哥伦比亚工程公司的cal工程和论文的主要作者“以前,科学家只能看到留在孔中超过10微秒的分子”目前许多单分子测量都使用光学技术制作,这些技术使用的荧光分子在特定的波长但是,虽然荧光非常强大,但它的主要限制是每个分子通常每秒只产生几千个光子“这意味着你看不到发生的任何事情比几毫秒更快,因为你可以拍摄任何图像Rosenstein的顾问Shepard解释说:“另一方面,如果你可以使用测量电子或离子的技术,你可以每秒获得数十亿个信号

问题在于电子测量没有相当于一个荧光波长滤波器,所以即使信号通过,它也经常被埋在背景噪声中“Shepard的小组一直在多年来一直关注单分子测量研究各种新型转导平台他们开始使用纳米孔传感器之后宾夕法尼亚大学物理学教授Marija Drndic于2009年在哥伦比亚工程学院举办了研讨会“我们看到了其他人使用经典的电生理学放大器来测量纳米孔,这些放大器主要针对较慢的测量进行了优化,“Shepard指出,”因此我们设计了自己的集成电路,而不是“Rosenstein设计了新的电子设备并完成了宾夕法尼亚大学的Drndic团队的大部分实验室工作

然后团队在他们的新系统中测量的纳米孔“虽然大多数团体正试图减缓DNA,但我们的方法是建立更快的电子产品,”Drndic说道,“我们将最敏感的电子产品与最敏感的固态纳米孔结合起来”能够对单个分子进行纯电子测量非常令人兴奋,罗森斯坦说:“对于纳米测量的设置非常简单,轻便它不需要复杂的显微镜或高功率的仪器;它只需要注重细节您可以很容易地想象纳米孔技术在未来几年内对DNA测序和其他医疗应用产生重大影响“Shepard的团队正在继续改进这些技术”下一代设计,“他说,”我们可以进一步提高10倍,并测量持续时间仅为100纳秒的事物 我们的实验室还在开发基于碳纳米管晶体管的其他电子单分子技术,这些技术可以利用类似的电子电路

这是一个激动人心的时刻!“这项研究由美国国立卫生研究院,半导体研究公司和海军研究办公室资料来源:哥伦比亚大学Holly Evarts图片:Michael Quinn

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