导读：美国哥伦比亚大学，宾州大学等处研究人员利用纳米孔和商业化半导体技术，设计了一种定制集成电路，构建新型放大芯片纳米检测设备，有效解决了此前纳米孔测序技术存在的信号弱的问题。
DNA测序
美国哥伦比亚大学，宾州大学等处研究人员在Nature Methods杂志上发表文章，他们利用纳米孔和商业化半导体技术，设计了一种定制集成电路，构建新型放大芯片纳米检测设备，可以缩小仪器的体积，用于医学应用。领导这一研究的是哥伦比亚大学电气工程教授Kenneth L Shepard。
在过去十年里，研究人员一直致力于研究纳米孔测序，这种技术可以直接读取长的不用处理的DNA链，原理就是当DNA分子穿过一个设有探测器的纳米级小孔时，识别出序列中的每个碱基。 这种技术成本低，而且更快，但是目前存在的问题就是来自纳米孔的信号很弱，因此尽可能的精确检测这些信号就十分重要了。
文章的第一作者，哥伦比亚大学Jacob K Rosenstein博士表示，“我们将一种小型放大芯片直接放入纳米孔旁边的液室中，这样获得的信号很清晰，能观察到每个每隔一亚微秒经过纳米孔的单分子”，“之前科学家们只能观测到十多微秒时间间隔的纳米孔分子。”
目前许多单分子检测都是通过光学技术完成的，这些技术利用荧光分子在特殊波长中发射光子，但是当荧光非常强的时候，就会出现每个分子通常每秒只会生成几千个光子的问题，无法观测到比毫秒速度更快的事件，因为更快速度成像的图片会太暗了。
Shepard教授解释道，“相反，如果你可以采用电子或者离子检测方法，那么就能在一秒钟内获得上十亿个信号。但电子检测方法的问题就在于没有能与荧光波长过滤器匹配的设备，因此即使信号产生了，也常常被掩盖在背景噪音中。”
Shepard教授研究组与宾州大学一位物理学教授Marija Drndic进行纳米孔传感器的研究。Rosenstein博士设计了一种新型的电子设备，进行了大量的实验室研究，而Drndic研究组则制造了用于新系统的检测纳米孔。“大部分研究组都尝试减缓DNA的速度，而我们的方法却是构建更快的检测设备”，Drndic说，“我们将最灵敏的电子设备，与最灵敏的固态纳米孔结合起来了。”
这一纳米孔检测设备十分简单，而且易于携带，它不需要完整的显微设备，也不需要高功率仪器，唯一需要注意的就是实验细节。Shepard研究组还将继续提升这一技术的性能。不难想象在未来几年里，纳米孔成像技术将对DNA测序，以及其它医学应用产生巨大的影响。
Integrated nanopore sensing platform with sub-microsecond temporal resolution
Jacob K Rosenstein, Meni Wanunu, Christopher A Merchant, Marija Drndic & Kenneth L Shepard
Nanopore sensors have attracted considerable interest for high-throughput sensing of individual nucleic acids and proteins without the need for chemical labels or complex optics. A prevailing problem in nanopore applications is that the transport kinetics of single biomolecules are often faster than the measurement time resolution. Methods to slow down biomolecular transport can be troublesome and are at odds with the natural goal of high-throughput sensing. Here we introduce a low-noise measurement platform that integrates a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) preamplifier with solid-state nanopores in thin silicon nitride membranes. With this platform we achieved a signal-to-noise ratio exceeding five at a bandwidth of 1 MHz, which to our knowledge is the highest bandwidth nanopore recording to date. We demonstrate transient signals as brief as 1 μs from short DNA molecules as well as current signatures during molecular passage events that shed light on submolecular DNA configurations in small nanopores.
文献链接：https://www.nature.com/nmeth/journal/vaop/ncurrent/abs/nmeth.1932.html
