Abstract

We use optical trapping to deliver molecular targets to the vicinity of a nanopore for high-throughput single molecule analysis on an optofluidic chip. DNA detection rates increase over 80× to enable detection at attomolar concentrations.

© 2019 Optical Society of America under the terms of the OSA Open Access Publishing Agreement

Full Article  |  PDF Article
OSA Recommended Articles
Single-particle analysis with 2D electro-optical trapping on an integrated optofluidic device

Mahmudur Rahman, Matthew A. Stott, Yucheng Li, Aaron R. Hawkins, and Holger Schmidt
Optica 5(10) 1311-1314 (2018)

Optofluidic chips with nanochannels for dynamic molecular detection using enhanced fluorescence

P. A. Postigo, R. Alvaro, A. Juarros, and S. Merino
Biomed. Opt. Express 7(9) 3289-3298 (2016)

Automated bead-trapping apparatus and control system for single-molecule DNA sequencing

Greg Bashford, Don Lamb, Dan Grone, Bob Eckles, Kevin Kornelsen, Lyle Middendorf, and John Williams
Opt. Express 16(5) 3445-3455 (2008)

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. D. Deamer, M. Akeson, and D. Branton, Nat. Biotechnol. 34, 518 (2016).
    [Crossref]
  2. C. Dekker, Nat. Nanotechnol. 2, 209 (2007).
    [Crossref]
  3. A. Han, M. Creus, G. Schürmann, V. Linder, T. R. Ward, N. F. de Rooij, and U. Staufer, Anal. Chem. 80, 4651 (2008).
    [Crossref]
  4. K. J. Freedman, L. M. Otto, A. P. Ivanov, A. Barik, S.-H. Oh, and J. B. Edel, Nat. Commun. 7, 10217 (2016).
    [Crossref]
  5. M. Wanunu, W. Morrison, Y. Rabin, A. Y. Grosberg, and A. Meller, Nat. Nanotechnol. 5, 160 (2010).
    [Crossref]
  6. G. Maglia, M. R. Restrepo, E. Mikhailova, and H. Bayley, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 19720 (2008).
    [Crossref]
  7. H. Cai, J. W. Parks, T. A. Wall, M. A. Stott, A. Stambaugh, K. Alfson, A. Griffiths, R. A. Mathies, R. Carrion, J. L. Patterson, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Sci. Rep. 5, 14494 (2015).
    [Crossref]
  8. H. Schmidt and A. R. Hawkins, Nat. Photonics 5, 598 (2011).
    [Crossref]
  9. S. Liu, Y. Zhao, J. W. Parks, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Nano Lett. 14, 4816 (2014).
    [Crossref]
  10. S. Kühn, P. Measor, E. J. Lunt, B. S. Phillips, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Lab Chip 9, 2212 (2009).
    [Crossref]
  11. S. Kühn, E. J. Lunt, B. S. Phillips, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Opt. Lett. 34, 2306 (2009).
    [Crossref]
  12. H. Cai, M. A. Stott, D. Ozcelik, J. W. Parks, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Biomicrofluidics 10, 064116 (2016).
    [Crossref]

2016 (3)

D. Deamer, M. Akeson, and D. Branton, Nat. Biotechnol. 34, 518 (2016).
[Crossref]

K. J. Freedman, L. M. Otto, A. P. Ivanov, A. Barik, S.-H. Oh, and J. B. Edel, Nat. Commun. 7, 10217 (2016).
[Crossref]

H. Cai, M. A. Stott, D. Ozcelik, J. W. Parks, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Biomicrofluidics 10, 064116 (2016).
[Crossref]

2015 (1)

H. Cai, J. W. Parks, T. A. Wall, M. A. Stott, A. Stambaugh, K. Alfson, A. Griffiths, R. A. Mathies, R. Carrion, J. L. Patterson, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Sci. Rep. 5, 14494 (2015).
[Crossref]

2014 (1)

S. Liu, Y. Zhao, J. W. Parks, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Nano Lett. 14, 4816 (2014).
[Crossref]

2011 (1)

H. Schmidt and A. R. Hawkins, Nat. Photonics 5, 598 (2011).
[Crossref]

2010 (1)

M. Wanunu, W. Morrison, Y. Rabin, A. Y. Grosberg, and A. Meller, Nat. Nanotechnol. 5, 160 (2010).
[Crossref]

2009 (2)

S. Kühn, P. Measor, E. J. Lunt, B. S. Phillips, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Lab Chip 9, 2212 (2009).
[Crossref]

S. Kühn, E. J. Lunt, B. S. Phillips, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Opt. Lett. 34, 2306 (2009).
[Crossref]

2008 (2)

A. Han, M. Creus, G. Schürmann, V. Linder, T. R. Ward, N. F. de Rooij, and U. Staufer, Anal. Chem. 80, 4651 (2008).
[Crossref]

G. Maglia, M. R. Restrepo, E. Mikhailova, and H. Bayley, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 19720 (2008).
[Crossref]

2007 (1)

C. Dekker, Nat. Nanotechnol. 2, 209 (2007).
[Crossref]

Akeson, M.

D. Deamer, M. Akeson, and D. Branton, Nat. Biotechnol. 34, 518 (2016).
[Crossref]

Alfson, K.

H. Cai, J. W. Parks, T. A. Wall, M. A. Stott, A. Stambaugh, K. Alfson, A. Griffiths, R. A. Mathies, R. Carrion, J. L. Patterson, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Sci. Rep. 5, 14494 (2015).
[Crossref]

Barik, A.

K. J. Freedman, L. M. Otto, A. P. Ivanov, A. Barik, S.-H. Oh, and J. B. Edel, Nat. Commun. 7, 10217 (2016).
[Crossref]

Bayley, H.

G. Maglia, M. R. Restrepo, E. Mikhailova, and H. Bayley, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 19720 (2008).
[Crossref]

Branton, D.

D. Deamer, M. Akeson, and D. Branton, Nat. Biotechnol. 34, 518 (2016).
[Crossref]

Cai, H.

H. Cai, M. A. Stott, D. Ozcelik, J. W. Parks, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Biomicrofluidics 10, 064116 (2016).
[Crossref]

H. Cai, J. W. Parks, T. A. Wall, M. A. Stott, A. Stambaugh, K. Alfson, A. Griffiths, R. A. Mathies, R. Carrion, J. L. Patterson, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Sci. Rep. 5, 14494 (2015).
[Crossref]

Carrion, R.

H. Cai, J. W. Parks, T. A. Wall, M. A. Stott, A. Stambaugh, K. Alfson, A. Griffiths, R. A. Mathies, R. Carrion, J. L. Patterson, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Sci. Rep. 5, 14494 (2015).
[Crossref]

Creus, M.

A. Han, M. Creus, G. Schürmann, V. Linder, T. R. Ward, N. F. de Rooij, and U. Staufer, Anal. Chem. 80, 4651 (2008).
[Crossref]

de Rooij, N. F.

A. Han, M. Creus, G. Schürmann, V. Linder, T. R. Ward, N. F. de Rooij, and U. Staufer, Anal. Chem. 80, 4651 (2008).
[Crossref]

Deamer, D.

D. Deamer, M. Akeson, and D. Branton, Nat. Biotechnol. 34, 518 (2016).
[Crossref]

Deamer, D. W.

S. Liu, Y. Zhao, J. W. Parks, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Nano Lett. 14, 4816 (2014).
[Crossref]

S. Kühn, P. Measor, E. J. Lunt, B. S. Phillips, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Lab Chip 9, 2212 (2009).
[Crossref]

Dekker, C.

C. Dekker, Nat. Nanotechnol. 2, 209 (2007).
[Crossref]

Edel, J. B.

K. J. Freedman, L. M. Otto, A. P. Ivanov, A. Barik, S.-H. Oh, and J. B. Edel, Nat. Commun. 7, 10217 (2016).
[Crossref]

Freedman, K. J.

K. J. Freedman, L. M. Otto, A. P. Ivanov, A. Barik, S.-H. Oh, and J. B. Edel, Nat. Commun. 7, 10217 (2016).
[Crossref]

Griffiths, A.

H. Cai, J. W. Parks, T. A. Wall, M. A. Stott, A. Stambaugh, K. Alfson, A. Griffiths, R. A. Mathies, R. Carrion, J. L. Patterson, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Sci. Rep. 5, 14494 (2015).
[Crossref]

Grosberg, A. Y.

M. Wanunu, W. Morrison, Y. Rabin, A. Y. Grosberg, and A. Meller, Nat. Nanotechnol. 5, 160 (2010).
[Crossref]

Han, A.

A. Han, M. Creus, G. Schürmann, V. Linder, T. R. Ward, N. F. de Rooij, and U. Staufer, Anal. Chem. 80, 4651 (2008).
[Crossref]

Hawkins, A. R.

H. Cai, M. A. Stott, D. Ozcelik, J. W. Parks, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Biomicrofluidics 10, 064116 (2016).
[Crossref]

H. Cai, J. W. Parks, T. A. Wall, M. A. Stott, A. Stambaugh, K. Alfson, A. Griffiths, R. A. Mathies, R. Carrion, J. L. Patterson, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Sci. Rep. 5, 14494 (2015).
[Crossref]

S. Liu, Y. Zhao, J. W. Parks, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Nano Lett. 14, 4816 (2014).
[Crossref]

H. Schmidt and A. R. Hawkins, Nat. Photonics 5, 598 (2011).
[Crossref]

S. Kühn, P. Measor, E. J. Lunt, B. S. Phillips, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Lab Chip 9, 2212 (2009).
[Crossref]

S. Kühn, E. J. Lunt, B. S. Phillips, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Opt. Lett. 34, 2306 (2009).
[Crossref]

Ivanov, A. P.

K. J. Freedman, L. M. Otto, A. P. Ivanov, A. Barik, S.-H. Oh, and J. B. Edel, Nat. Commun. 7, 10217 (2016).
[Crossref]

Kühn, S.

S. Kühn, E. J. Lunt, B. S. Phillips, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Opt. Lett. 34, 2306 (2009).
[Crossref]

S. Kühn, P. Measor, E. J. Lunt, B. S. Phillips, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Lab Chip 9, 2212 (2009).
[Crossref]

Linder, V.

A. Han, M. Creus, G. Schürmann, V. Linder, T. R. Ward, N. F. de Rooij, and U. Staufer, Anal. Chem. 80, 4651 (2008).
[Crossref]

Liu, S.

S. Liu, Y. Zhao, J. W. Parks, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Nano Lett. 14, 4816 (2014).
[Crossref]

Lunt, E. J.

S. Kühn, P. Measor, E. J. Lunt, B. S. Phillips, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Lab Chip 9, 2212 (2009).
[Crossref]

S. Kühn, E. J. Lunt, B. S. Phillips, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Opt. Lett. 34, 2306 (2009).
[Crossref]

Maglia, G.

G. Maglia, M. R. Restrepo, E. Mikhailova, and H. Bayley, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 19720 (2008).
[Crossref]

Mathies, R. A.

H. Cai, J. W. Parks, T. A. Wall, M. A. Stott, A. Stambaugh, K. Alfson, A. Griffiths, R. A. Mathies, R. Carrion, J. L. Patterson, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Sci. Rep. 5, 14494 (2015).
[Crossref]

Measor, P.

S. Kühn, P. Measor, E. J. Lunt, B. S. Phillips, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Lab Chip 9, 2212 (2009).
[Crossref]

Meller, A.

M. Wanunu, W. Morrison, Y. Rabin, A. Y. Grosberg, and A. Meller, Nat. Nanotechnol. 5, 160 (2010).
[Crossref]

Mikhailova, E.

G. Maglia, M. R. Restrepo, E. Mikhailova, and H. Bayley, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 19720 (2008).
[Crossref]

Morrison, W.

M. Wanunu, W. Morrison, Y. Rabin, A. Y. Grosberg, and A. Meller, Nat. Nanotechnol. 5, 160 (2010).
[Crossref]

Oh, S.-H.

K. J. Freedman, L. M. Otto, A. P. Ivanov, A. Barik, S.-H. Oh, and J. B. Edel, Nat. Commun. 7, 10217 (2016).
[Crossref]

Otto, L. M.

K. J. Freedman, L. M. Otto, A. P. Ivanov, A. Barik, S.-H. Oh, and J. B. Edel, Nat. Commun. 7, 10217 (2016).
[Crossref]

Ozcelik, D.

H. Cai, M. A. Stott, D. Ozcelik, J. W. Parks, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Biomicrofluidics 10, 064116 (2016).
[Crossref]

Parks, J. W.

H. Cai, M. A. Stott, D. Ozcelik, J. W. Parks, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Biomicrofluidics 10, 064116 (2016).
[Crossref]

H. Cai, J. W. Parks, T. A. Wall, M. A. Stott, A. Stambaugh, K. Alfson, A. Griffiths, R. A. Mathies, R. Carrion, J. L. Patterson, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Sci. Rep. 5, 14494 (2015).
[Crossref]

S. Liu, Y. Zhao, J. W. Parks, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Nano Lett. 14, 4816 (2014).
[Crossref]

Patterson, J. L.

H. Cai, J. W. Parks, T. A. Wall, M. A. Stott, A. Stambaugh, K. Alfson, A. Griffiths, R. A. Mathies, R. Carrion, J. L. Patterson, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Sci. Rep. 5, 14494 (2015).
[Crossref]

Phillips, B. S.

S. Kühn, P. Measor, E. J. Lunt, B. S. Phillips, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Lab Chip 9, 2212 (2009).
[Crossref]

S. Kühn, E. J. Lunt, B. S. Phillips, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Opt. Lett. 34, 2306 (2009).
[Crossref]

Rabin, Y.

M. Wanunu, W. Morrison, Y. Rabin, A. Y. Grosberg, and A. Meller, Nat. Nanotechnol. 5, 160 (2010).
[Crossref]

Restrepo, M. R.

G. Maglia, M. R. Restrepo, E. Mikhailova, and H. Bayley, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 19720 (2008).
[Crossref]

Schmidt, H.

H. Cai, M. A. Stott, D. Ozcelik, J. W. Parks, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Biomicrofluidics 10, 064116 (2016).
[Crossref]

H. Cai, J. W. Parks, T. A. Wall, M. A. Stott, A. Stambaugh, K. Alfson, A. Griffiths, R. A. Mathies, R. Carrion, J. L. Patterson, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Sci. Rep. 5, 14494 (2015).
[Crossref]

S. Liu, Y. Zhao, J. W. Parks, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Nano Lett. 14, 4816 (2014).
[Crossref]

H. Schmidt and A. R. Hawkins, Nat. Photonics 5, 598 (2011).
[Crossref]

S. Kühn, P. Measor, E. J. Lunt, B. S. Phillips, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Lab Chip 9, 2212 (2009).
[Crossref]

S. Kühn, E. J. Lunt, B. S. Phillips, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Opt. Lett. 34, 2306 (2009).
[Crossref]

Schürmann, G.

A. Han, M. Creus, G. Schürmann, V. Linder, T. R. Ward, N. F. de Rooij, and U. Staufer, Anal. Chem. 80, 4651 (2008).
[Crossref]

Stambaugh, A.

H. Cai, J. W. Parks, T. A. Wall, M. A. Stott, A. Stambaugh, K. Alfson, A. Griffiths, R. A. Mathies, R. Carrion, J. L. Patterson, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Sci. Rep. 5, 14494 (2015).
[Crossref]

Staufer, U.

A. Han, M. Creus, G. Schürmann, V. Linder, T. R. Ward, N. F. de Rooij, and U. Staufer, Anal. Chem. 80, 4651 (2008).
[Crossref]

Stott, M. A.

H. Cai, M. A. Stott, D. Ozcelik, J. W. Parks, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Biomicrofluidics 10, 064116 (2016).
[Crossref]

H. Cai, J. W. Parks, T. A. Wall, M. A. Stott, A. Stambaugh, K. Alfson, A. Griffiths, R. A. Mathies, R. Carrion, J. L. Patterson, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Sci. Rep. 5, 14494 (2015).
[Crossref]

Wall, T. A.

H. Cai, J. W. Parks, T. A. Wall, M. A. Stott, A. Stambaugh, K. Alfson, A. Griffiths, R. A. Mathies, R. Carrion, J. L. Patterson, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Sci. Rep. 5, 14494 (2015).
[Crossref]

Wanunu, M.

M. Wanunu, W. Morrison, Y. Rabin, A. Y. Grosberg, and A. Meller, Nat. Nanotechnol. 5, 160 (2010).
[Crossref]

Ward, T. R.

A. Han, M. Creus, G. Schürmann, V. Linder, T. R. Ward, N. F. de Rooij, and U. Staufer, Anal. Chem. 80, 4651 (2008).
[Crossref]

Zhao, Y.

S. Liu, Y. Zhao, J. W. Parks, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Nano Lett. 14, 4816 (2014).
[Crossref]

Anal. Chem. (1)

A. Han, M. Creus, G. Schürmann, V. Linder, T. R. Ward, N. F. de Rooij, and U. Staufer, Anal. Chem. 80, 4651 (2008).
[Crossref]

Biomicrofluidics (1)

H. Cai, M. A. Stott, D. Ozcelik, J. W. Parks, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Biomicrofluidics 10, 064116 (2016).
[Crossref]

Lab Chip (1)

S. Kühn, P. Measor, E. J. Lunt, B. S. Phillips, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Lab Chip 9, 2212 (2009).
[Crossref]

Nano Lett. (1)

S. Liu, Y. Zhao, J. W. Parks, D. W. Deamer, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Nano Lett. 14, 4816 (2014).
[Crossref]

Nat. Biotechnol. (1)

D. Deamer, M. Akeson, and D. Branton, Nat. Biotechnol. 34, 518 (2016).
[Crossref]

Nat. Commun. (1)

K. J. Freedman, L. M. Otto, A. P. Ivanov, A. Barik, S.-H. Oh, and J. B. Edel, Nat. Commun. 7, 10217 (2016).
[Crossref]

Nat. Nanotechnol. (2)

M. Wanunu, W. Morrison, Y. Rabin, A. Y. Grosberg, and A. Meller, Nat. Nanotechnol. 5, 160 (2010).
[Crossref]

C. Dekker, Nat. Nanotechnol. 2, 209 (2007).
[Crossref]

Nat. Photonics (1)

H. Schmidt and A. R. Hawkins, Nat. Photonics 5, 598 (2011).
[Crossref]

Opt. Lett. (1)

Proc. Natl. Acad. Sci. USA (1)

G. Maglia, M. R. Restrepo, E. Mikhailova, and H. Bayley, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 19720 (2008).
[Crossref]

Sci. Rep. (1)

H. Cai, J. W. Parks, T. A. Wall, M. A. Stott, A. Stambaugh, K. Alfson, A. Griffiths, R. A. Mathies, R. Carrion, J. L. Patterson, A. R. Hawkins, and H. Schmidt, Sci. Rep. 5, 14494 (2015).
[Crossref]

Cited By

OSA participates in Crossref's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (2)

Fig. 1.
Fig. 1. (a) Schematic of trap assisted capture rate enhancement (TACRE) principle: Molecular targets are released for detection from microbeads (gold) held in dual beam optical trap, (b) experimental setup on a nanopore optofluidic device with intersecting liquid-core (LC, blue) and solid-core (SC, gray) waveguides, and (c) cross-section of LC channel showing nanopore integration process (Inset: SEM image of a drilled nanopore).
Fig. 2.
Fig. 2. (a) Still picture of a trapped microbead, (b) nanopore current trace after thermal release and detection of DNAs showing monotonic increase in event frequency with number of beads trapped (Inset: Example of a multi-DNA translocation), and (c) detection rate improvement with number of trapped beads relative to unconcentrated bulk solution (symbols: data; line: linear fit).