微縮版:新型奈米裝置可稱量單個分子

一個微小的共振梁,長度僅為百萬分之十米,可以即時測量分子或奈米顆粒的質量

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節食者和健身愛好者如果以道爾頓為單位追蹤他們的體重減輕,可能會感覺更好。即使是短時間的慢跑也能幫助你減掉幾個堯道爾頓,這是一個常用於生物化學的質量單位,相當於原子質量單位。(當然,沒有哪個注重體重的人會想知道他們以這個單位計算的完整體重——美國男性平均體重約為 5 X 1028 道爾頓。)

即使是兆道爾頓,即一百萬道爾頓,也是一個微小的測量單位——一個直徑為五奈米的金顆粒重量僅為幾個兆道爾頓。(一奈米是十億分之一米。)但加州理工學院和法國格勒諾布林政府資助的研究機構 CEA–Leti 的研究人員製造出了一種可以稱量甚至比兆道爾頓更輕的單個物體的秤,包括奈米顆粒和人類抗體分子。 該裝置是同類首個可以即時確定單個分子和奈米顆粒質量的裝置,研究人員在一項研究中報告說,該研究於 8 月 26 日線上發表在《自然奈米技術》雜誌上。(《大眾科學》是自然出版集團的一部分。)

該裝置的核心是一個奈米機電諧振器——一個以兩種音調同時振動的微小的矽梁。 “這就像以基頻和諧波振動吉他弦一樣,”研究合著者、加州理工學院物理學家邁克爾·魯克斯說。 “我們正在用靜電激勵連續撥動它。” 光束呈對角線穿過照片(上方); 它的長度為 10 微米,寬度為 300 奈米。(一微米是百萬分之一米。)


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將光束末端連線到裝置其餘部分的微小臂透過稱為壓阻效應的現象將諧振器的振動轉換為電訊號。 “那裡最小的部件會稍微彎曲,當它們彎曲時,它們的電阻會發生變化,”魯克斯說。 “因此我們可以將運動讀作電阻的變化。” 單個分子落在光束上會使兩種音調的頻率向下移動,並且透過隨之而來的電阻變化,研究人員可以推斷出顆粒的質量及其沿光束的著陸位置。

該裝置對單個分子的靈敏度使研究人員能夠對直徑為 5 奈米和 10 奈米的金奈米顆粒集合以及重量略低於 1 兆道爾頓的抗體分子免疫球蛋白 M 進行質譜分析——透過質量識別混合物中的各種顆粒。(事實證明,天然分子的構造比人造奈米顆粒的構造更一致,人造奈米顆粒的質量在顆粒與顆粒之間波動約五倍。)

魯克斯指出,過去的諧振器能夠測量分子質量,但只能在數百個相同的分子沉積到光束上之後才能進行。 “我們實際上無法逐個分子地知道它們的質量是多少,”他說。 新的、更靈敏的版本應該允許研究人員進行質譜分析,以識別混合樣品中各種不同的顆粒。 例如,研究人員可以分析生物樣本,以尋找具有已知質量的指示性生物標誌物。 “如果我們能夠逐個進行分析,現在我們就可以開始研究各種不同事物的任意複雜混合物了,”他說。

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