Recent advances in nanotechnology have produced the first sensor transducers capable of resolving the adsorption and desorption of single molecules. Examples include near infrared fluorescent single-walled carbon nanotubes that report single-molecule binding via stochastic quenching. A central question for the theory of such sensors is how to analyze stochastic adsorption events and extract the local concentration or flux of the analyte near the sensor. In this work, we compare algorithms of varying complexity for accomplishing this by first constructing a kinetic Monte Carlo model of molecular binding and unbinding to the sensor substrate and simulating the dynamics over wide ranges of forward and reverse rate constants. Methods involving single-site probability calculations, first and second moment analysis, and birth-and-death population modeling are compared for their accuracy in reconstructing model parameters in the presence and absence of noise over a large dynamic range. Overall, birth-and-death population modeling was the most robust in recovering the forward rate constants, with the first and second order moment analysis very efficient when the forward rate is large (>10−3 s−1). The precision decreases with increasing noise, which we show masks the existence of underlying states. Precision is also diminished with very large forward rate constants, since the sensor surface quickly and persistently saturates.

2.
T. J.
Ha
,
A. Y.
Ting
,
J.
Liang
,
W. B.
Caldwell
,
A. A.
Deniz
,
D. S.
Chemla
,
P. G.
Schultz
, and
S.
Weiss
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
96
(
3
),
893
(
1999
).
3.
A. A.
Deniz
,
M.
Dahan
,
J. R.
Grunwell
,
T. J.
Ha
,
A. E.
Faulhaber
,
D. S.
Chemla
,
S.
Weiss
, and
P. G.
Schultz
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
96
(
7
),
3670
(
1999
).
4.
T.
Ha
,
T. A.
Laurence
,
D. S.
Chemla
, and
S.
Weiss
,
J. Phys. Chem. B
103
(
33
),
6839
(
1999
).
5.
X. H.
Xu
and
E. S.
Yeung
,
Science
275
(
5303
),
1106
(
1997
).
6.
D. Y.
Chen
and
N. J.
Dovichi
,
Anal. Chem.
68
(
4
),
690
(
1996
).
7.
E.
Geva
and
J. L.
Skinner
,
Chem. Phys. Lett.
288
(
2–4
),
225
(
1998
).
8.
B. J.
Davis
,
A. K.
Swan
,
M. S.
Unlu
,
W. C.
Karl
,
B. B.
Goldberg
,
J. C.
Schotland
, and
P. S.
Carney
,
J. Opt. Soc. Am. A Opt. Image Sci. Vis.
24
(
11
),
3587
(
2007
).
9.
T.
Funatsu
,
Y.
Harada
,
M.
Tokunaga
,
K.
Saito
, and
T.
Yanagida
,
Nature
(London)
374
(
6522
),
555
(
1995
).
10.
J.
Eid
,
A.
Fehr
,
J.
Gray
,
K.
Luong
,
J.
Lyle
,
G.
Otto
,
P.
Peluso
,
D.
Rank
,
P.
Baybayan
,
B.
Bettman
,
A.
Bibillo
,
K.
Bjornson
,
B.
Chaudhuri
,
F.
Christians
,
R.
Cicero
,
S.
Clark
,
R.
Dalal
,
A.
Dewinter
,
J.
Dixon
,
M.
Foquet
,
A.
Gaertner
,
P.
Hardenbol
,
C.
Heiner
,
K.
Hester
,
D.
Holden
,
G.
Kearns
,
X. X.
Kong
,
R.
Kuse
,
Y.
Lacroix
,
S.
Lin
,
P.
Lundquist
,
C. C.
Ma
,
P.
Marks
,
M.
Maxham
,
D.
Murphy
,
I.
Park
,
T.
Pham
,
M.
Phillips
,
J.
Roy
,
R.
Sebra
,
G.
Shen
,
J.
Sorenson
,
A.
Tomaney
,
K.
Travers
,
M.
Trulson
,
J.
Vieceli
,
J.
Wegener
,
D.
Wu
,
A.
Yang
,
D.
Zaccarin
,
P.
Zhao
,
F.
Zhong
,
J.
Korlach
, and
S.
Turner
,
Science
323
(
5910
),
133
(
2009
).
11.
G.
Peleg
,
P.
Ghanouni
,
B. K.
Kobilka
, and
R. N.
Zare
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
98
(
15
),
8469
(
2001
).
12.
L. P.
Watkins
and
H.
Yang
,
Biophys. J.
86
(
6
),
4015
(
2004
).
13.
O.
Krichevsky
and
G.
Bonnet
,
Rep. Prog. Phys.
65
(
2
),
251
(
2002
).
14.
T. E.
Turner
,
S.
Schnell
, and
K.
Burrage
,
Comput. Biol. Chem.
28
(
3
),
165
(
2004
).
15.
H. P.
Lu
,
L. Y.
Xun
, and
X. S.
Xie
,
Science
282
(
5395
),
1877
(
1998
).
16.
K. A.
Henzler-Wildman
,
V.
Thai
,
M.
Lei
,
M.
Ott
,
M.
Wolf-Watz
,
T.
Fenn
,
E.
Pozharski
,
M. A.
Wilson
,
G. A.
Petsko
,
M.
Karplus
,
C. G.
Hubner
, and
D.
Kern
,
Nature
(London)
450
(
7171
),
838
(
2007
).
17.
X. W.
Zhuang
,
H.
Kim
,
M. J. B.
Pereira
,
H. P.
Babcock
,
N. G.
Walter
, and
S.
Chu
,
Science
296
(
5572
),
1473
(
2002
).
18.
B. P.
English
,
W.
Min
,
A. M.
van Oijen
,
K. T.
Lee
,
G. B.
Luo
,
H. Y.
Sun
,
B. J.
Cherayil
,
S. C.
Kou
, and
X. S.
Xie
,
Nat. Chem. Biol.
2
(
2
),
87
(
2006
).
19.
A.
Miyawaki
,
J.
Llopis
,
R.
Heim
,
J. M.
McCaffery
,
J. A.
Adams
,
M.
Ikura
, and
R. Y.
Tsien
,
Nature (London)
388
(
6645
),
882
(
1997
).
20.
B.
Schuler
,
E. A.
Lipman
, and
W. A.
Eaton
,
Nature (London)
419
(
6908
),
743
(
2002
).
21.
Y. W.
Jia
,
D. S.
Talaga
,
W. L.
Lau
,
H. S. M.
Lu
,
W. F.
DeGrado
, and
R. M.
Hochstrasser
,
Chem. Phys.
247
(
1
),
69
(
1999
).
22.
A. A.
Deniz
,
T. A.
Laurence
,
G. S.
Beligere
,
M.
Dahan
,
A. B.
Martin
,
D. S.
Chemla
,
P. E.
Dawson
,
P. G.
Schultz
, and
S.
Weiss
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
97
(
10
),
5179
(
2000
).
23.
S.
Weiss
,
Nat. Struct. Biol.
7
(
9
),
724
(
2000
).
24.
D. S.
Talaga
,
W. L.
Lau
,
H.
Roder
,
J. Y.
Tang
,
Y. W.
Jia
,
W. F.
DeGrado
, and
R. M.
Hochstrasser
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
97
(
24
),
13021
(
2000
).
25.
L.
Romberg
,
D. W.
Pierce
, and
R. D.
Vale
,
J. Cell Biol.
140
(
6
),
1407
(
1998
).
26.
Y.
Suzuki
,
T.
Yasunaga
,
R.
Ohkura
,
T.
Wakabayashi
, and
K.
Sutoh
,
Nature (London)
396
(
6709
),
380
(
1998
).
27.
A. N.
Kapanidis
,
N. K.
Lee
,
T. A.
Laurence
,
S.
Doose
,
E.
Margeat
, and
S.
Weiss
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
101
(
24
),
8936
(
2004
).
28.
R.
Rigler
,
A.
Pramanik
,
P.
Jonasson
,
G.
Kratz
,
O. T.
Jansson
,
P. A.
Nygren
,
S.
Stahl
,
K.
Ekberg
,
B. L.
Johansson
,
S.
Uhlen
,
M.
Uhlen
,
H.
Jornvall
, and
J.
Wahren
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
96
(
23
),
13318
(
1999
).
29.
E.
Haustein
and
P.
Schwille
,
Methods
29
(
2
),
153
(
2003
).
30.
K.
Bacia
and
P.
Schwille
,
Methods
29
(
1
),
74
(
2003
).
31.
L. A.
Neely
,
S.
Patel
,
J.
Garver
,
M.
Gallo
,
M.
Hackett
,
S.
McLaughlin
,
M.
Nadel
,
J.
Harris
,
S.
Gullans
, and
J.
Rooke
,
Nat. Methods
3
(
1
),
41
(
2006
).
32.
M. C.
Leake
,
J. H.
Chandler
,
G. H.
Wadhams
,
F.
Bai
,
R. M.
Berry
, and
J. P.
Armitage
,
Nature (London)
443
(
7109
),
355
(
2006
).
33.
H.
Jin
,
D. A.
Heller
,
M.
Kalbacova
,
J. H.
Kim
,
J. Q.
Zhang
,
A. A.
Boghossian
,
N.
Maheshri
, and
M. S.
Strano
,
Nat. Nanotechnol.
5
(
4
),
302
(
2010
).
34.
L.
Cognet
,
D. A.
Tsyboulski
,
J. D. R.
Rocha
,
C. D.
Doyle
,
J. M.
Tour
, and
R. B.
Weisman
,
Science
316
(
5830
),
1465
(
2007
).
35.
J. Q.
Zhang
,
A. A.
Boghossian
,
P. W.
Barone
,
A.
Rwei
,
J. H.
Kim
,
D.
Lin
,
D. A.
Heller
,
A. J.
Hilmer
,
N.
Nair
,
N. F.
Reuel
, and
M. S.
Strano
,
J. Am. Chem. Soc.
133
(
3
),
567
(
2011
).
36.
D. A.
Heller
,
H.
Jin
,
B. M.
Martinez
,
D.
Patel
,
B. M.
Miller
,
T. K.
Yeung
,
P. V.
Jena
,
C.
Hobartner
,
T.
Ha
,
S. K.
Silverman
, and
M. S.
Strano
,
Nat. Nanotechnol.
4
(
2
),
114
(
2009
).
37.
H.
Jin
,
D. A.
Heller
,
J. H.
Kim
, and
M. S.
Strano
,
Nano Lett.
8
(
12
),
4299
(
2008
).
38.
D. S.
Talaga
,
Curr. Opin. Colloid Interface Sci.
12
(
6
),
285
(
2007
).
39.
M.
Andrec
,
R. M.
Levy
, and
D. S.
Talaga
,
J. Phys. Chem. A
107
(
38
),
7454
(
2003
).
40.
M.
Jager
,
A.
Kiel
,
D. P.
Herten
, and
F. A.
Hamprecht
,
ChemPhysChem
10
(
14
),
2486
(
2009
).
41.
G. F.
Schroder
and
H.
Grubmuller
,
J. Chem. Phys.
119
(
18
),
9920
(
2003
).
42.
H.
Yang
,
G. B.
Luo
,
P.
Karnchanaphanurach
,
T. M.
Louie
,
I.
Rech
,
S.
Cova
,
L. Y.
Xun
, and
X. S.
Xie
,
Science
302
(
5643
),
262
(
2003
).
43.
T. C.
Messina
,
H. Y.
Kim
,
J. T.
Giurleo
, and
D. S.
Talaga
,
J. Phys. Chem. B
110
(
33
),
16366
(
2006
).
44.
S. A.
McKinney
,
C.
Joo
, and
T.
Ha
,
Biophys. J.
91
(
5
),
1941
(
2006
).
45.
C.
Joo
,
S. A.
McKinney
,
M.
Nakamura
,
I.
Rasnik
,
S.
Myong
, and
T.
Ha
,
Cell
126
(
3
),
515
(
2006
).
46.
D. S.
Talaga
,
J. Phys. Chem. A
110
(
31
),
9743
(
2006
).
47.
D. S.
Talaga
,
J. Phys. Chem. A
113
(
17
),
5251
(
2009
).
48.
A. F.
Voter
, in
Radiation Effects in Solids
, edited by
E. A. K.
Kurt
,
E.
Sickafus
, and
Blas P.
Uberuaga
(
Springer, NATO Publishing Unit
,
Dordrecht
,
2005
).
49.
D. M.
Harrah
and
A. K.
Swan
,
ACS Nano
5
(
1
),
647
(
2010
).
50.
51.
D. T.
Gillespie
,
J. Phys. Chem.
81
(
25
),
2340
(
1977
).
52.
Z. W.
Ulissi
,
J. Q.
Zhang
,
A. A.
Boghossian
,
N. F.
Reuel
,
S. F. E.
Shimizu
,
R. D.
Braatz
, and
M. S.
Strano
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
1690
(
2011
).
53.
J. W. J.
Kerssemakers
,
E. L.
Munteanu
,
L.
Laan
,
T. L.
Noetzel
,
M. E.
Janson
, and
M.
Dogterom
,
Nature (London)
442
(
7103
),
709
(
2006
).
54.
S. R.
Eddy
,
Nat. Biotechnol.
22
(
10
),
1315
(
2004
).
55.
T.
Jahnke
and
W.
Huisinga
,
J. Math. Biol.
54
(
1
),
1
(
2007
).
56.
P. D.
Feigin
,
Adv. Appl. Probab.
8
(
4
),
712
(
1976
).
57.
Y. M.
Wang
and
H. P.
Lu
,
J. Phys. Chem. B
114
(
19
),
6669
(
2010
).
58.
H. P.
Lu
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
(
15
),
6734
(
2011
).
59.
You do not currently have access to this content.