گروهی از محققان آمریکایی نانوحفراتی تولید کرده‌اند که در آنها نویز فرکانس بالا کاهش یافته است. از این حفرات می‌توان در توالی‌سنجی سریع و مطمئن DNA استفاده کرد.
توالی‌سنجی سریع و مطمئن DNA با استفاده از نانوحفره
امروزه توالی‌سنجی DNA یک فرایند زمان‌بر و
گران بهشمار می‌رود. قسمت عمده زمان و هزینه‌ای که برای این کار نیاز است،
به شیمی مورد نیاز برای تکثیر DNA مربوط است.
توالی‌سنجی DNA با استفاده از یک نانوحفره ایده بسیار جالبی است که شاید
روزی ما را قادر سازد یک مولکول منفرد DNA را توالی‌سنجی کنیم؛ بدین ترتیب
نیاز به تکثیر DNA از بین رفته و هزینه توالی‌سنجی یک ژنوم تا زیر ۱۰۰۰
دلار کاهش می‌یابد.
یک نانوحفره سوراخ ایجاد شده در یک غشای نانومتری ساخته شده از موادی همچون
سیلیکون یا نیترید سیلیکون است که قطر آن مشابه قطر DNA است. زمانی که این
حفره در یک الکترولیت شناور شده و پتانسیلی به غشا اعمال می‌شود، جریانی از
آن عبور می‌کند. علاوه‌بر یون‌های الکترولیت، مولکول‌های DNA باردار نیز
تلاش می‌کنند تا از حفره عبور کنند، اما از آنجایی که این حفره بسیار کوچک
است، در آنِ واحد تنها یک مولکول می‌تواند از آن عبور کند.
تشخیص زوج‌بازها
نکته کلیدی توالی سنجی DNA شناسایی الکتریکی زوج‌بازهای آن است. این کار
با اندازه‌گیری اختلاف پتانسیل غشا و یا جریان عبوری از حفره در حین عبور
این زوج‌بازها صورت می‌گیرد. یکی از مشکلات اصلی این کار نسبت سیگنال به
نویز مورد نیاز برای تشخیص میان زوج‌بازهای مختلف است. پهنای باند اندازه‌گیری
و نویز الکتریکی مربوطه تشخیص سیگنال را محدود می‌کند.
برای توالی‌سنجی سریع و مطمئن، نیاز به اندازه‌گیری الکتریکی با نویز پایین
و فرکانس بالا داریم، زیرا سیگنال مورد استفاده برای تشخیص بازها به‌طور
معمول در سطح میکروولت یا پیکوآمپر بوده و همچنین زمان عبور هر زوج‌باز از
حفره حدود ۱۰ نانوثانیه است.
کاهش نویز
اخیراً محققان دانشگاه ایلینویز نانوحفراتی تولید کرده‌اند که در آنها نویز
فرکانس بالا کاهش یافته است. آنها این کار را با سه روش انجام داده‌اند:
افزایش ضخامت غشا، کوچک کردن مساحت غشا برای کاهش ظرفیت خازنی پارازیتی،
استفاده از یک مدار الکتریکی خارجی برای کاهش ظرفیت خازنی غشا. در هر سه
مورد، کاهش ظرفیت خازنی غشا کلید اصلی افزایش کارایی الکتریکی توالی‌سنجی
DNA است. کوچک کردن مساحت غشا راحت‌ترین راهبرد است. در این کار از همان
ابزار لیتوگرافی نوری که برای ساختن مدارات مجتمع معمولی به‌‌کار می‌رود،
استفاده می‌شود.
بهبود ابزار
آنها همچنین از مدلسازی استفاده کرده و نشان داده‌اند که با استفاده از
لایه‌های دی‌الکتریک ضخیم‌تر در بالای غشا، پهنای باند و وضعیت نویز بهبود
می‌یابند. با توجه به اینکه نویز فرکانس بالا و زمان پاسخ‌دهی کم به شدت به
ظرفیت خازنی سامانه غشا-حفره وابسته است، این یافته از اهمیت بالایی
برخودار است. کاهش ظرفیت خازنی موجب می‌شود که مقاومت الکتریکی تنها به
جریان الکترولیت بستگی داشته باشد که ویژگی ذاتی حفره بهشمار رفته و نویز
فرکانس بالای کمی دارد.
جزئیات این کار در مجله Nanotechnology منتشر شده است.
