Greg Madejski hield zijn adem in terwijl hij in de microscoop keek, proberen twee chips ter grootte van een vingernagel aan elkaar te lassen:een kleine chip met een nanofilter bovenop een andere chip met een DNA-sensor.

Het was frustrerend werk. De chips maakten geen goed contact met elkaar. Madejski prikte zachtjes in de chips, tuurde toen over de bovenkant van de microscoop.

En uitgeademd.

De plotselinge vlaag van warme lucht vloog over het nanofilter, overbrengen naar de sensor - precies op het doel. Het "ongeluk" bracht Madejski tot een belangrijk inzicht:de waterdamp in zijn adem was op het apparaat gecondenseerd, waardoor het nanofilter heel netjes aan de sensor hecht.

"Het was als een echt high-tech tijdelijke tatoeage die ik per ongeluk heb gemaakt; likken en plakken!" zegt de promovendus in het lab van James McGrath, een professor in biomedische technologie aan de Universiteit van Rochester.

En zo werd waterdamp een integraal onderdeel van de ontwikkeling en het ontwerp van een nieuw apparaat voor het detecteren van DNA-biomarkers die verband houden met ziekten. Gemaakt door McGrath's lab in samenwerking met professor Vincent Tabard-Cossa en afgestudeerde student Kyle Briggs aan de Universiteit van Ottawa, het apparaat wordt beschreven in een artikel dat online is gepubliceerd op Nano Letters. Het artikel, en een afbeelding van Madejski's zelfgemaakte animatie van het apparaat in werking, zal worden gemarkeerd op de omslag van het gedrukte nummer van februari 2018.

'Een opmerkelijke structuur'

Het apparaat bestaat uit drie ultradunne lagen:

• een nanoporeus siliciumnitridemembraan dat als voorfilter dient.
• een biosensormembraan met een enkele nanoporie.
• een afstandslaag die deze slechts 200 nm van elkaar scheidt.

De opstelling creëert een nanoholte gevuld met minder dan een femtoliter vloeistof - of ongeveer een miljoen keer kleiner dan de kleinste regendruppels.

Tijdens bedrijf, het apparaat gebruikt een elektrisch veld om een ​​DNA-streng naar een van de poriën van het voorfilter te lokken en vervolgens door de nanoholte te gaan om de porie van het onderliggende sensormembraan te bereiken. Dit veroorzaakt veranderingen in de elektrische stroom van het apparaat die kunnen worden gedetecteerd en geanalyseerd. Het feit dat DNA zichzelf op een consistente manier moet verlengen om door de combinatie van twee membranen te gaan, verbetert de precisie en reproduceerbaarheid van detectie.

"Dit is een opmerkelijke structuur, ", zegt McGrath. "We hebben een geïntegreerd systeem gebouwd met een zeer poreus filter binnen moleculair bereik van een sensor. Ik denk dat er veel sensoren zijn, vooral degenen die op zoek zijn naar biomarkers in ruwe biologische vloeistoffen, dat zou profiteren van het wegfilteren van ongewenste moleculen direct stroomopwaarts van de detector."

De fabricagemethode maakt de nanoholte onmiddellijk nat, wat op nanoschaal vaak moeilijk is. Het apparaat bevat tientallen van deze nanoholtes, wat uiteindelijk de hoeveelheid materiaal kan verhogen die kan worden gescreend door parallelle biomarkerdetectie mogelijk te maken.

Problemen oplossen die anderen moeten oplossen

Het laboratorium van Tabard-Cossa gebruikt solid-state nanoporiën om nieuwe manieren te vinden om afzonderlijke moleculen te manipuleren en te karakteriseren. Zijn lab was geïnteresseerd in het vinden van nieuwe materialen die kunnen worden gebruikt voor de detectie van biomarkers. Het voorfilter in het nieuwe apparaat lost een probleem op met andere silicium nanoporiëndetectoren:ze hebben meer kans op verstopping dan alternatieve apparaten die die biologische poriën gebruiken voor detectie. biologische membranen, anderzijds, zijn minder stabiel dan nanoporiën in vaste toestand, merkte McGrath op.

"We passen onze membraantechnologieën graag toe om problemen op te lossen die anderen moeten oplossen. Dit is een heel mooi voorbeeld., ' zegt McGrath.

McGrath is mede-oprichter van SiMPore, een op de universiteit gebaseerde startup die zeer draagbare, op chips gebaseerde apparaten die siliciummembranen bevatten voor een verscheidenheid aan toepassingen, van biologische detectie tot dialyse.

"Ik denk dat we op korte termijn de praktische voordelen van deze technologie gaan realiseren, " zegt hij. Een tweede generatie van het nieuwe apparaat, ontwikkeld bij SiMPore, bevat het voorfilter direct op de chips tijdens de productie op waferschaal, "zodat er niemand meer op ademt, " merkt hij op. "Het is eigenlijk allemaal gebouwd als één eenheid en zou toekomstige studies heel gemakkelijk moeten maken. Dat is een eerbetoon aan de vindingrijkheid bij SiMPore en een behoorlijke erfenis voor Greg."