微缩版:新型纳米设备可称量单个分子

一个微小的共振梁,长度仅为百万分之十米,可以实时测量分子或纳米颗粒的质量

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节食者和健身爱好者如果以道尔顿为单位追踪他们的体重减轻,可能会感觉更好。即使是短时间的慢跑也能帮助你减掉几个尧道尔顿,这是一个常用于生物化学的质量单位,相当于原子质量单位。(当然,没有哪个注重体重的人会想知道他们以这个单位计算的完整体重——美国男性平均体重约为 5 X 1028 道尔顿。)

即使是兆道尔顿,即一百万道尔顿,也是一个微小的测量单位——一个直径为五纳米的金颗粒重量仅为几个兆道尔顿。(一纳米是十亿分之一米。)但加州理工学院和法国格勒诺布尔政府资助的研究机构 CEA–Leti 的研究人员制造出了一种可以称量甚至比兆道尔顿更轻的单个物体的秤,包括纳米颗粒和人类抗体分子。 该设备是同类首个可以实时确定单个分子和纳米颗粒质量的设备,研究人员在一项研究中报告说,该研究于 8 月 26 日在线发表在《自然纳米技术》杂志上。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)

该设备的核心是一个纳米机电谐振器——一个以两种音调同时振动的微小的硅梁。 “这就像以基频和谐波振动吉他弦一样,”研究合著者、加州理工学院物理学家迈克尔·鲁克斯说。 “我们正在用静电激励连续拨动它。” 光束呈对角线穿过照片(上方); 它的长度为 10 微米,宽度为 300 纳米。(一微米是百万分之一米。)


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将光束末端连接到设备其余部分的微小臂通过称为压阻效应的现象将谐振器的振动转换为电信号。 “那里最小的部件会稍微弯曲,当它们弯曲时,它们的电阻会发生变化,”鲁克斯说。 “因此我们可以将运动读作电阻的变化。” 单个分子落在光束上会使两种音调的频率向下移动,并且通过随之而来的电阻变化,研究人员可以推断出颗粒的质量及其沿光束的着陆位置。

该设备对单个分子的灵敏度使研究人员能够对直径为 5 纳米和 10 纳米的金纳米颗粒集合以及重量略低于 1 兆道尔顿的抗体分子免疫球蛋白 M 进行质谱分析——通过质量识别混合物中的各种颗粒。(事实证明,天然分子的构造比人造纳米颗粒的构造更一致,人造纳米颗粒的质量在颗粒与颗粒之间波动约五倍。)

鲁克斯指出,过去的谐振器能够测量分子质量,但只能在数百个相同的分子沉积到光束上之后才能进行。 “我们实际上无法逐个分子地知道它们的质量是多少,”他说。 新的、更灵敏的版本应该允许研究人员进行质谱分析,以识别混合样品中各种不同的颗粒。 例如,研究人员可以分析生物样本,以寻找具有已知质量的指示性生物标志物。 “如果我们能够逐个进行分析,现在我们就可以开始研究各种不同事物的任意复杂混合物了,”他说。

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