Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Thermophoresis-Controlled Size-Dependent DNA Translocation through an Array of Nanopores
KTH, Skolan för teknikvetenskap (SCI), Tillämpad fysik, Material- och nanofysik. KTH.ORCID-id: 0000-0002-8962-1844
KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH), Genteknologi. KTH, Centra, Science for Life Laboratory, SciLifeLab.
KTH, Skolan för kemi, bioteknologi och hälsa (CBH), Genteknologi. KTH, Centra, Science for Life Laboratory, SciLifeLab.
Visa övriga samt affilieringar
2018 (Engelska)Ingår i: ACS Nano, ISSN 1936-0851, E-ISSN 1936-086X, Vol. 12, nr 5, s. 4574-4582Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

Large arrays of nanopores can be used for high-throughput biomolecule translocation with applications toward size discrimination and sorting at the single-molecule level. In this paper, we propose to discriminate DNA length by the capture rate of the molecules to an array of relatively large nanopores (50–130 nm) by introducing a thermal gradient by laser illumination in front of the pores balancing the force from an external electric field. Nanopore arrays defined by photolithography were batch processed using standard silicon technology in combination with electrochemical etching. Parallel translocation of single, fluorophore-labeled dsDNA strands is recorded by imaging the array with a fast CMOS camera. The experimental data show that the capture rates of DNA molecules decrease with increasing DNA length due to the thermophoretic effect of the molecules. It is shown that the translocation can be completely turned off for the longer molecule using an appropriate bias, thus allowing a size discrimination of the DNA translocation through the nanopores. A derived analytical model correctly predicts the observed capture rate. Our results demonstrate that by combining a thermal and a potential gradient at the nanopores, such large nanopore arrays can potentially be used as a low-cost, high-throughput platform for molecule sensing and sorting.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
2018. Vol. 12, nr 5, s. 4574-4582
Nyckelord [en]
array; capture rate; electrochemical etching; nanopore; silicon; sorting; thermophoresis
Nationell ämneskategori
Nanoteknik
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-228463DOI: 10.1021/acsnano.8b00961ISI: 000433404500054Scopus ID: 2-s2.0-85047380512OAI: oai:DiVA.org:kth-228463DiVA, id: diva2:1209914
Anmärkning

QC 20180525

Tillgänglig från: 2018-05-24 Skapad: 2018-05-24 Senast uppdaterad: 2018-06-19Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Silicon Nanopore Arrays: Fabrication and Applications for DNA Sensing
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Silicon Nanopore Arrays: Fabrication and Applications for DNA Sensing
2018 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Nanopore biomolecule sensing and sequencing has emerged as a simple but powerful tool for single molecule studies over the past two decades. By elec- trophoretically driving single molecules through a nanometer-sized pore, often sitting in an insulating membrane that separates two buffer solutions, ionic current blockades can be detected to reveal rich information of the molecules, such as DNA length, protein size and conformation, even nucleic acid se- quence. Biological protein pores, as well as solid-state nanopores have been used, but both suffer from relatively low throughput due to the lack of abil- ity to scale up to a large array. In this thesis, we tackled the throughput issue from the fabrication aspect as well as from the detection aspect, aim- ing at a parallel optical single molecule sensing on an array of well-separated nanopores.

From the fabrication aspect, several lithography-based self-regulating meth- ods were tested to obtain nanopore arrays in silicon membranes, including anisotropic KOH etching, thermal oxidation-induced pore shrinkage, metal- assisted etching and electrochemical etching. Among those, the most success- ful method was the electrochemical etching of silicon. By electron-beam or photo lithography, the positions of the pores were defined on a silicon mem- brane. Followed by anisotropic KOH etching, inverted pyramids were formed as etching pits. The nanopores were then formed by anodic etching of silicon in HF. Using this concept, the size of the pores does not depend on the lithog- raphy step; only the positions of pores were defined by lithography. In this way, an array of ∼ 900 pores with an average entrance diameter of 18 ± 4 nm was fabricated on a 120 μm × 120 μm membrane.

From the detection aspect, parallel readout of fluorescence signals from the labelled DNA molecules while translocating through an array of nanopores was performed using a wide-field microscope with a relatively fast CMOS camera recording at 1 KHz frame rate. Statistics of duration and frequency of the translocation events were extracted and studied. It was found that the event duration decreases with rising excitation laser power. This can be attributed to a laser-induced heating effect. Simulation suggested that a sig- nificant thermal gradient was generated at the pore vicinity by the excitation laser due to photon absorption by the silicon membrane. Such temperature rise affects all mass transport in a solution via a viscosity change. The ther- mal effect has also been proven by that conductance of an array of nanopores scales with the laser power. The thermal effect on the translocation frequency has been studied systematically as well. Due to thermophoresis of DNA in a thermal gradient, the thermophoretic force serves as a repulsion force, op- posing the electrophoretic force at the pore vicinity, depleting molecules away from the pore. Because of the molecule-size-dependent thermal depletion, a size-dependent translocation frequency was observed. This can be potentially used for a high throughput molecule sorting by adjusting the balance between the thermophoretic force and the electrophoretic force.

Abstract [sv]

Detektion av biomolekyler med hjälp av nanoporer har under de senaste två decennierna vuxit fram som ett enkelt men kraftfullt verktyg för studi- er av enstaka molekyler. Genom att driva molekyerna elektroforetiskt (med elektriskt fält) genom en nanometer-stor por, som ofta sitter i ett isoleran- de membran som separerar två buffertlösningar, kan molekylerna detekteras genom att jonströmmen genom membranet delvis blockeras. Detta kan ge detaljerad information om de detekterade molekylerna, såsom t ex ett pro- teins storlek, längden på en DNA-sekvens, och även sekvensen på ingående nukleinsyror. Naturliga, biologiska protein-baserade porer, liksom nanoporer gjorda i fasta material har använts, men båda lider av relativt låg effektivitet på grund av svårigheten att skala upp tekniken till stora matriser av nano- porer. I denna avhandling, tacklas denna fråga från både tillverknings-sidan såväl som från detektions-sidan genom att använda en matris av nanoporer för parallell optisk detektering av enskilda molekyler vilket resulterar i en hög ge- nomströmningshastighet. Detta möjliggörs genom att nanoporerna separeras optiskt, dvs med några mikrometers mellanrum.

För att tillverka matriser av nanoporer i kisel-membran har flera olika självreglerande metoder undersökts experimentellt, bland annat anisotrop KOH etsning för att minska porstorleken, termisk oxidation för att krym- pa porer, metall-inducerad etsning samt elektrokemisk etsning. Bland dessa befanns den elektrokemiska metoden ge bäst resultat. För att bestämma posi- tionen av porerna på membranet användes optisk litografi eller elektronstråle- litografi varefter KOH etsning resulterade i pyramid-formade gropar. Dessa initierade sedan etsningen av nanoporer genom membranet i den efterföljan- de elektrokemiska etsprocessen. Genom detta förfarande bestäms inte stor- leken (diametern) på porerna av litografi-processen utan endast deras lägen på membranet. På detta sätt kunde 900 porer med en medel-diameter på 18 ± 4 nm tillverkas på ett membran av storleken 120 μm × 120μm.

Detektering av de fluorescens-inmärkta DNA-molekylerna utfördes paral- lellt genom avläsning av fluorescenssignaler när de passerade genom matrisen av nanoporor med hjälp av ett mikroskop med en relativt snabb CMOS- kamera med video-sekvenser på upp till 1 KHz. Statistiken över tiden för passage genom membranet av enskilda molekyler och frekvens av händelser- na extraherades och studerades. Det visade sig att tiden för passage mins- kade med ökande laser excitation. Detta kan hänföras till en laser-inducerad uppvärmnings-effekt. Uppskattning av denna effekt genom dator-simulering visade att en termisk gradient bildas i närheten av porerna på grund av upp- värmning av kisel-membranet genom absorption av laser-strålen. En sådan temperaturhöjning påverkar all mass-transport i en lösning via ändringar av viskositeten. Den termiska effekten bevisas också av att konduktansen genom matrisen av nanoporer ökar linjärt med lasereffekten. Den termiska effekten på frekvensen av molekyl-passager har också studerats systematiskt. På grund av termofores av DNA i en termisk gradient, verkar den termoforetiska kraf- ten som en repulserande kraft som motsätter sig den elektroforetiska kraften i porområdet. På grund av att utarmningen av molekyler vid porerna beror på storleken observerades en storleks-beroende passage-frekvens. Detta skulle potentiellt kunna användas för molekylsortering med hög genomströmnings- hastighet genom att justera balansen mellan den termoforetiska kraften och den elektroforetiska kraften.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
KTH Royal Institute of Technology, 2018. s. 87
Serie
TRITA-SCI-FOU ; 2018:18
Nyckelord
nanopore, array, electrochemical etching, DNA, optics, thermophoresis
Nationell ämneskategori
Nanoteknik
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-228469 (URN)978-91-7729-804-5 (ISBN)
Disputation
2018-06-15, Sal C, Electrum, Kistagången 16, Stockholm, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Anmärkning

QC 20180525

Tillgänglig från: 2018-05-25 Skapad: 2018-05-24 Senast uppdaterad: 2019-08-20Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

Fulltext saknas i DiVA

Övriga länkar

Förlagets fulltextScopus

Personposter BETA

Sychugov, IlyaLinnros, Jan

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Zhang, MiaoRedin, DavidAhmadian, AfshinSychugov, IlyaLinnros, Jan
Av organisationen
Material- och nanofysikGenteknologiScience for Life Laboratory, SciLifeLab
I samma tidskrift
ACS Nano
Nanoteknik

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 216 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf