美國加州理工學院近日開發(fā)出僅有百萬分之一米大小的納米電子機械系統(tǒng)(NEMS)諧振器，可實時測定單個分子的質量。該成果刊登在最近一期的《自然·納米技術》雜志上。
過去，科學家一直依靠現(xiàn)有質譜分析技術測量分子的質量，程序十分繁瑣。首先要將被測樣品中成千上萬的分子離子化，使其呈帶電狀態(tài)，然后將這些離子引入電場，根據(jù)它們的運動狀態(tài)確定其質荷比，進而確定它們的質量。
加州理工學院的物理學、應用物理學和生物工程學教授兼該校納米科學研究所主任邁克爾·L·若克斯及其同事經過十多年努力，開發(fā)出一種微型NEMS諧振器，有效簡化了分子質量測量的程序，并使測量器械微型化。這種2微米長、100納米寬的橋狀諧振器，具有很高的振動頻率，可有效充當質譜儀的“度量標尺”。
研究論文的第一作者、物理學家阿斯科沙伊·奈克指出，諧振器的振動頻率與其所測量目標的質量成正比，振動頻率的變化會與被測物的質量變化契合。將一個蛋白放到諧振器上后，諧振器的振動頻率就會下降，而通過這種頻率轉換即可測定蛋白的質量。
研究人員使用該儀器測試了牛血清白蛋白(BSA)的蛋白質量，其結果為66千道爾頓(道爾頓是表示原子或分子質量的單位，1道爾頓大約與一個氫原子的質量相當)。他們首先使用電噴霧離子化(ESI)系統(tǒng)使BSA蛋白離子處于蒸汽態(tài)，然后將其噴射到振動頻率為450兆赫茲的NEMS諧振器上，使諧振器的振動頻率降低了1.2千赫茲。相比之下，淀粉酶的蛋白分子所引起的頻率轉換大約為3.6千赫茲，其蛋白質量約為200千道爾頓，是BSA蛋白質量的3倍。
奈克指出，諧振器振動頻率的變化還會受到被測分子在諧振器上所處位置的影響，在中心位置引起的頻率變動幅度大于邊緣位置引起的變動幅度。因此，不能僅依靠一次測量就確定分子質量的大小，大約需要500次的頻率轉換才會得到更精確的結果。將來，研究人員會設法使質量測量免除分子位置點的干擾。目前這套技術設備已有了原型。原則上，這種系統(tǒng)的測量精度可達1道爾頓，相當于一個氫原子的質量。但這是下一代裝置才能達到的目標，它不僅要更精細小巧，還要具有更好的噪聲性能。而研究小組則希望能創(chuàng)建或許含有成千上萬個NEMS諧振器的陣列，通過并行工作，以“在一瞬間”確定成千上萬個分子的質量。
若克斯教授指出，隨著生命科學研究的深入，越來越需要進行大量的蛋白質組學分析，下一代用于相關研究的儀器，尤其是用于系統(tǒng)生物學研究的儀器，一定要能完成這樣的任務。而半導體微電子加工工藝的發(fā)展，使這種儀器的研制成為可能。
此項研究工作得到了美國國立衛(wèi)生研究院、美國國防部高級研究計劃局以及美國空間和海上作戰(zhàn)司令部的支持。
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