Nanopore sensing is a powerful tool for the detection of biomolecules. Solid-state nanopores act as single-molecule sensors that can function in harsh conditions. Their resilient nature makes them attractive candidates for taking this technology into the field to measure environmental samples for life detection in space and water quality monitoring. Here, we discuss the fabrication of silicon nitride pores from ∼1.6 to 20 nm in diameter in 20-nm-thick silicon nitride membranes suspended on glass chips and their performance. We detect pure laboratory samples containing a single analyte including DNA, BSA, microRNA, TAT, and poly-D-lys-hydrobromide. We also measured an environmental (mixed-analyte) sample, containing Antarctic dirt provided by NASA Ames. For DNA measurements, in addition to using KCl and NaCl solutions, we used the artificial (synthetic) seawater, which is a mixture of different salts mimicking the composition of natural seawater. These samples were spiked with double-stranded DNA (dsDNA) fragments at different concentrations to establish the limits of nanopore sensitivity in candidate environment conditions. Nanopore chips were cleaned and reused for successive measurements. A stand-alone, 1-MHz-bandwidth Chimera amplifier was used to determine the DNA concentration in artificial seawater that we can detect in a practical time scale of a few minutes. We also designed and developed a new compact nanopore reader, a portable read-out device with miniaturized fluidic cells, which can obtain translocation data at bandwidths up to 100 kHz. Using this new instrument, we record translocations of 400 bp, 1000 bp, and 15000 bp dsDNA fragments and show discrimination by analysis of current amplitude and event duration histograms.

1.
J. J.
Kasianowicz
,
E.
Brandin
,
D.
Branton
, and
D. W.
Deamer
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
93
,
13770
(
1996
).
2.
D.
Branton
,
D. W.
Deamer
,
A.
Marziali
,
H.
Bayley
,
S. A.
Benner
,
T.
Butler
,
M.
Di Ventra
,
S.
Garaj
,
A.
Hibbs
,
X.
Huang
,
S. B.
Jovanovich
,
P. S.
Krstic
,
S.
Lindsay
,
X. S.
Ling
,
C. H.
Mastrangelo
,
A.
Meller
,
J. S.
Oliver
,
Y. V.
Pershin
,
J. M.
Ramsey
,
R.
Riehn
,
G. V.
Soni
,
V.
Tabard-Cossa
,
M.
Wanunu
,
M.
Wiggin
, and
J. A.
Schloss
,
Nat. Biotechnol.
26
,
1146
(
2008
).
3.
M.
Akeson
,
D.
Branton
,
J. J.
Kasianowicz
,
E.
Brandin
, and
D. W.
Deamer
,
Biophys. J.
77
,
3227
(
1999
).
4.
O. K.
Dudko
,
J.
Mathé
,
A.
Szabo
,
A.
Meller
, and
G.
Hummer
,
Biophys. J.
92
,
4188
(
2007
).
5.
K.
Healy
,
B.
Schiedt
,
I. P.
Morrison
, and
A. P.
Morrison
,
Nanomedicine
2
,
875
(
2007
).
6.
T. Z.
Butler
,
M.
Pavlenok
,
I. M.
Derrington
,
M.
Niederweis
, and
J. H.
Gundlach
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
105
,
20647
(
2008
).
7.
M.
Wanunu
,
W.
Morrison
,
Y.
Rabin
,
A. Y.
Grosberg
, and
A.
Meller
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
160
(
2010
).
8.
R.
Kawano
,
A. E. P. P.
Schibel
,
C.
Cauley
, and
H. S.
White
,
Langmuir
25
,
1233
(
2009
).
9.
L.-Q.
Gu
and
J. W.
Shim
,
Analyst
135
,
441
(
2010
).
10.
Z. S.
Siwy
and
S.
Howorka
,
Chem. Soc. Rev.
39
,
1115
(
2010
).
11.
S. W.
Kowalczyk
,
A. R.
Hall
, and
C.
Dekker
,
Nano Lett.
10
,
324
(
2010
).
12.
K. R.
Lieberman
,
G. M.
Cherf
,
M. J.
Doody
,
F.
Olasagasti
,
Y.
Kolodji
, and
M.
Akeson
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
17961
(
2010
).
13.
C. A.
Merchant
,
K.
Healy
,
M.
Wanunu
,
V.
Ray
,
N.
Peterman
,
J.
Bartel
,
M. D.
Fischbein
,
K.
Venta
,
Z.
Luo
,
A. T. C. C.
Johnson
, and
M.
Drndić
,
Nano Lett.
10
,
2915
(
2010
).
14.
D. W.
Deamer
and
M.
Akeson
,
Trends Biotechnol.
18
,
147
(
2000
).
15.
S.
Garaj
,
W.
Hubbard
,
A.
Reina
,
J.
Kong
,
D.
Branton
, and
J. A.
Golovchenko
,
Nature
467
,
190
(
2010
).
16.
U.
Mirsaidov
,
J.
Comer
,
V.
Dimitrov
,
A.
Aksimentiev
, and
G.
Timp
,
Nanotechnology
21
,
395501
(
2010
).
17.
J. E.
Reiner
,
J. J.
Kasianowicz
,
B. J.
Nablo
, and
J. W. F. F.
Robertson
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
107
,
12080
(
2010
).
19.
W.
Timp
,
J.
Comer
, and
A.
Aksimentiev
,
Biophys. J.
102
,
L37
(
2012
).
20.
E. A.
Manrao
,
I. M.
Derrington
,
A. H.
Laszlo
,
K. W.
Langford
,
M. K.
Hopper
,
N.
Gillgren
,
M.
Pavlenok
,
M.
Niederweis
, and
J. H.
Gundlach
,
Nat. Biotechnol.
30
,
349
(
2012
).
21.
S. W.
Kowalczyk
,
D. B.
Wells
,
A.
Aksimentiev
,
C.
Dekker
,
P.
Susan
,
S. W.
Kowalczyk
,
D. B.
Wells
,
A.
Aksimentiev
, and
C.
Dekker
,
Nano Lett.
12
,
1038
(
2012
).
22.
R.
Wei
,
T. G.
Martin
,
U.
Rant
, and
H.
Dietz
,
Angew. Chem., Int. Ed.
51
,
4864
(
2012
).
23.
M.
Langecker
,
V.
Arnaut
,
T. G.
Martin
,
J.
List
,
S.
Renner
,
M.
Mayer
,
H.
Dietz
, and
F. C.
Simmel
,
Science
338
,
932
(
2012
).
24.
B.
Luan
,
D.
Wang
,
R.
Zhou
,
S.
Harrer
,
H.
Peng
, and
G.
Stolovitzky
,
Nanotechnology
23
,
455102
(
2012
).
26.
J. K.
Rosenstein
,
M.
Wanunu
,
C. A.
Merchant
,
M.
Drndic
, and
K. L.
Shepard
,
Nat. Methods
9
,
487
(
2012
).
27.
G. M.
Cherf
,
K. R.
Lieberman
,
H.
Rashid
,
C. E.
Lam
,
K.
Karplus
, and
M.
Akeson
,
Nat. Biotechnol.
30
,
344
(
2012
).
28.
K.
Venta
,
G.
Shemer
,
M.
Puster
,
J. A.
Rodríguez-Manzo
,
A.
Balan
,
J. K.
Rosenstein
,
K.
Shepard
, and
M.
Drndić
,
ACS Nano
7
,
4629
(
2013
).
29.
Y.
He
,
M.
Tsutsui
,
R. H.
Scheicher
,
F.
Bai
,
M.
Taniguchi
, and
T.
Kawai
,
ACS Nano
7
,
538
(
2013
).
30.
A.
Balan
,
B.
Machielse
,
D.
Niedzwiecki
,
J.
Lin
,
P.
Ong
,
R.
Engelke
,
K. L.
Shepard
, and
M.
Drndić
,
Nano Lett.
14
,
7215
(
2014
).
31.
A.
Balan
,
C.-C.
Chien
,
R.
Engelke
, and
M.
Drndić
,
Sci. Rep.
5
,
17775
(
2015
).
32.
S.
Shekar
,
D. J.
Niedzwiecki
,
C.-C.
Chien
,
P.
Ong
,
D. A.
Fleischer
,
J.
Lin
,
J. K.
Rosenstein
,
M.
Drndić
, and
K. L.
Shepard
,
Nano Lett.
16
,
4483
(
2016
).
33.
M.
Jain
,
S.
Koren
,
K. H.
Miga
,
J.
Quick
,
A. C.
Rand
,
T. A.
Sasani
,
J. R.
Tyson
,
A. D.
Beggs
,
A. T.
Dilthey
,
I. T.
Fiddes
,
S.
Malla
,
H.
Marriott
,
T.
Nieto
,
J.
O’Grady
,
H. E.
Olsen
,
B. S.
Pedersen
,
A.
Rhie
,
H.
Richardson
,
A. R.
Quinlan
,
T. P.
Snutch
,
L.
Tee
,
B.
Paten
,
A. M.
Phillippy
,
J. T.
Simpson
,
N. J.
Loman
, and
M.
Loose
,
Nat. Biotechnol.
36
,
338
(
2018
).
34.
G.
Danda
and
M.
Drndić
,
Curr. Opin. Biotechnol.
55
,
124
(
2019
).
35.
A. J.
Storm
,
J. H.
Chen
,
X. S.
Ling
,
H. W.
Zandbergen
, and
C.
Dekker
,
Nat. Mater.
2
,
537
(
2003
).
36.
D.
Fologea
,
M.
Gershow
,
B.
Ledden
,
D. S.
McNabb
,
J. A.
Golovchenko
, and
J.
Li
,
Nano Lett.
5
,
1905
(
2005
).
37.
U. F.
Keyser
,
B. N.
Koeleman
,
S.
Van Dorp
,
D.
Krapf
,
R. M. M. M.
Smeets
,
S. G.
Lemay
,
N. H.
Dekker
, and
C.
Dekker
,
Nat. Phys.
2
,
473
(
2006
).
38.
M.
Rhee
and
M. A.
Burns
,
Trends Biotechnol.
24
,
580
(
2006
).
39.
J. W. F.
Robertson
,
C. G.
Rodrigues
,
V. M.
Stanford
,
K. A.
Rubinson
,
O. V.
Krasilnikov
, and
J. J.
Kasianowicz
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
104
,
8207
(
2007
).
40.
R. M. M.
Smeets
,
U. F.
Keyser
,
N. H.
Dekker
, and
C.
Dekker
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
105
,
417
(
2008
).
41.
K. M.
Halverson
,
R. G.
Panchal
,
T. L.
Nguyen
,
R.
Gussio
,
S. F.
Little
,
M.
Misakian
,
S.
Bavari
, and
J. J.
Kasianowicz
,
J. Biol. Chem.
280
,
34056
(
2005
).
42.
M.
Wanunu
,
T.
Dadosh
,
V.
Ray
,
J.
Jin
,
L.
McReynolds
, and
M.
Drndić
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
807
(
2010
).
43.
K. E.
Venta
,
M. B.
Zanjani
,
X.
Ye
,
G.
Danda
,
C. B.
Murray
,
J. R.
Lukes
, and
M.
Drndić
,
Nano Lett.
14
,
5358
(
2014
).
44.
W. H.
Coulter
, U.S. patent 2656508 (
October 20, 1953
).
45.
46.
A. F.
Davila
and
C. P.
McKay
,
Astrobiology
14
,
534
(
2014
).
47.
48.
K. F.
Bywaters
,
C. P.
McKay
,
A. F.
Davila
, and
R. C.
Quinn
, in
Proceedings of Conference on Biosignature Preservation and Detection in Mars Analog Environments
,
Lake Tahoe, NV
, 16–18 May 2016, paper 2014.
49.
S. S.
Johnson
,
E.
Zaikova
,
D. S.
Goerlitz
,
Y.
Bai
, and
S. W.
Tighe
,
J. Biomol. Tech.
28
,
2
(
2017
).
50.
A.
Mojarro
,
J.
Hachey
,
R.
Bailey
,
M.
Brown
,
R.
Doebler
,
G.
Ruvkun
,
M. T.
Zuber
, and
C. E.
Carr
,
Astrobiology
19
,
1139
(
2019
).
51.
S. L.
Castro-Wallace
,
C. Y.
Chiu
,
K. K.
John
,
S. E.
Stahl
,
K. H.
Rubins
,
A. B. R.
McIntyre
,
J. P.
Dworkin
,
M. L.
Lupisella
,
D. J.
Smith
,
D. J.
Botkin
,
T. A.
Stephenson
,
S.
Juul
,
D. J.
Turner
,
F.
Izquierdo
,
S.
Federman
,
D.
Stryke
,
S.
Somasekar
,
N.
Alexander
,
G.
Yu
,
C. E.
Mason
, and
A. S.
Burton
,
Sci. Rep.
7
,
18022
(
2017
).
52.
K. B.
Bywaters
,
H. J.
Schmidt
,
W.
Vercoutere
,
D.
Deamer
,
A. R.
Hawkins
,
R. C.
Quinn
,
A. S.
Burton
, and
C. P.
McKay
,
ECS Meet. Abstr.
MA2019-02
,
2467
(
2019
).
53.
W. D.
Williams
,
Mar. Freshwater Res.
37
,
177
(
1986
).
54.
D. R.
Kester
,
I. W.
Duedall
,
D. N.
Connors
, and
R. M.
Pytkowicz
,
Limnol. Oceanogr.
12
,
176
(
1967
).
55.
W.-H.
Chuang
,
T.
Luger
,
R. K.
Fettig
, and
R.
Ghodssi
,
J. Microelectromech. Syst.
13
,
870
(
2004
).
56.
I.
Chakraborty
,
W. C.
Tang
,
D. P.
Bame
, and
T. K.
Tang
,
Sens. Actuators, A
83
,
188
(
2000
).
57.
J. J.
Bock
,
J.
Glenn
,
S. M.
Grannan
,
K. D.
Irwin
,
A. E.
Lange
,
H. G.
LeDuc
, and
A. D.
Turner
,
Proc. SPIE
3357
,
297
304
(
1998
).
58.
L. C.
Martin
,
J. D.
Wrbanek
, and
G. C.
Fralick
, in
ICIASF 2001 Record of 19th International Congress Instrumentation in Aerospace Simulation Facilities (Cat. No.01CH37215)
(
University of Michigan
,
2001
), pp.
196
203
.
59.
J. A.
Rodríguez-Manzo
,
M.
Puster
,
A.
Nicolaï
,
V.
Meunier
, and
M.
Drndić
,
ACS Nano
9
,
6555
(
2015
).
60.
M. D.
Fischbein
and
M.
Drndić
,
Nano Lett.
7
,
1329
(
2007
).
61.
C.-C. C.
Chien
,
S.
Shekar
,
D. J.
Niedzwiecki
,
K. L.
Shepard
, and
M.
Drndić
,
ACS Nano
13
,
010545
(
2019
).
62.
M.
Waugh
,
K.
Briggs
,
D.
Gunn
,
M.
Gibeault
,
S.
King
,
Q.
Ingram
,
A. M.
Jimenez
,
S.
Berryman
,
D.
Lomovtsev
,
L.
Andrzejewski
, and
V.
Tabard-Cossa
,
Nat. Protoc.
15
,
122
(
2020
).
63.
G.
Danda
,
P.
Masih Das
,
Y.-C.
Chou
,
J. T.
Mlack
,
W. M.
Parkin
,
C. H.
Naylor
,
K.
Fujisawa
,
T.
Zhang
,
L. B.
Fulton
,
M.
Terrones
,
A. T. C.
Johnson
, and
M.
Drndić
,
ACS Nano
11
,
1937
(
2017
).
64.
G.
Danda
,
P.
Masih Das
, and
M.
Drndić
,
2D Mater.
5
,
035011
(
2018
).
65.
T.
Gilboa
,
E.
Zvuloni
,
A.
Zrehen
,
A. H.
Squires
, and
A.
Meller
,
Adv. Funct. Mater.
(published online).
66.
H.
Yamazaki
,
R.
Hu
,
Q.
Zhao
, and
M.
Wanunu
,
ACS Nano
12
,
012472
(
2018
).
67.
C. L. C.
Ip
,
M.
Loose
,
J. R.
Tyson
,
M.
de Cesare
,
B. L.
Brown
,
M.
Jain
,
R. M.
Leggett
,
D. A.
Eccles
,
V.
Zalunin
,
J. M.
Urban
,
P.
Piazza
,
R. J.
Bowden
,
B.
Paten
,
S.
Mwaigwisya
,
E. M.
Batty
,
J. T.
Simpson
,
T. P.
Snutch
,
E.
Birney
,
D.
Buck
,
S.
Goodwin
,
H. J.
Jansen
,
J.
O’Grady
,
H. E.
Olsen
, and
MinION Analysis and Reference Consortium
,
F1000Research
4
,
1075
(
2015
).
68.
A. K.
Wright
and
M. R.
Thompson
,
Biophys. J.
15
,
137
(
1975
).
You do not currently have access to this content.