科學(xué)家發(fā)明一種可以測量單個(gè)分子重量的微型震動(dòng)秤

科學(xué)家們近日研究出一種可以測量單個(gè)分子質(zhì)量的微型“秤”對此相關(guān)科學(xué)家描述稱(chēng),“就像是微型浴室秤一樣,一個(gè)小的震動(dòng)裝置可以測量單個(gè)分子的重量”。該新裝置可以為質(zhì)譜的應用開(kāi)拓新的領(lǐng)域,通過(guò)科學(xué)的測量分子質(zhì)量來(lái)區分它們。然而,關(guān)于這個(gè)裝置的最終用途眾說(shuō)紛紜?!皶r(shí)間會(huì )讓我們知道該裝置對推廣質(zhì)譜儀來(lái)說(shuō)是多么的適用?!?John Kasianowicz(馬里蘭州蓋瑟斯堡國家標準和技術(shù)委員會(huì )的生物物理學(xué)家)說(shuō),他雖沒(méi)有參加這個(gè)新項目的研究,但他認為這是一個(gè)重大進(jìn)步。

傳統的質(zhì)譜利用磁場(chǎng)使帶電粒子的飛行軌跡彎曲,由軌道的彎曲程度可以反映出它們質(zhì)量的大小。但是這對比質(zhì)子重百萬(wàn)倍之多的生物大分子并不適用。這些大分子飛行太慢以至于不能引發(fā)另一側磁場(chǎng)的常規離子檢測器響應。

因此,科學(xué)家們正在探索傳統質(zhì)譜儀的替代品。在超過(guò)十年的時(shí)間里,Michael Roukes 和他的團隊在加利福尼亞州帕薩迪納的加州理工學(xué)院(加州理工學(xué)院)一直做微小震動(dòng)梁試驗,這些震動(dòng)梁是從一些原料(例如硅)中分離出來(lái)的。這種震動(dòng)梁可測重約萬(wàn)分之一數量級的分子質(zhì)量,它通常橫跨一個(gè)縫隙---就像架在山谷中的橋一樣,每秒可以來(lái)回震動(dòng)數百萬(wàn)次。原則上說(shuō),這個(gè)裝置可以測量單個(gè)分子的質(zhì)量:當分子附著(zhù)于震動(dòng)梁上時(shí)(通過(guò)物理吸附的過(guò)程),由于質(zhì)量的增加引起震動(dòng)梁以較低的頻率震動(dòng)。因此,測量分子的質(zhì)量,研究者只需要測量頻移。

然而到這里要停頓一下。頻移也取決于分子落在震動(dòng)梁上的位置,較輕的分子落在梁中間與較重的分子落在靠近梁的一端所產(chǎn)生的頻移差不多。對此, Roukes,博士后Mehmet Selim Hanay和他們在格勒諾布爾的加州理工學(xué)院和法國原子能委員會(huì )的同事們已經(jīng)找出了解決辦法,并在本月的自然-納米技術(shù)雜志上發(fā)表,解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵就是同時(shí)以?xún)煞N不同頻率震動(dòng)該梁。像吉他的弦一樣,一個(gè)梁能以截然不同的形式震動(dòng),每種震動(dòng)都有它各自的頻率。在最低頻率下,整個(gè)震動(dòng)梁從一側彎到另一側(參見(jiàn)圖中,右上的插圖)。在與它相鄰的較高頻率下,橋的兩端朝相反的方向彎曲而中心點(diǎn)保持不動(dòng)。(參見(jiàn)圖中,右下的插圖)事實(shí)上,振動(dòng)梁能夠同時(shí)以這兩種形式震動(dòng)。當單個(gè)分子附著(zhù)于梁上時(shí),橋會(huì )以這兩種形式在不同程度上降低它的頻率。從這兩種頻移中,科學(xué)家既能推斷出分子在梁上的位置還能推算出分子的質(zhì)量。

為了證明這一點(diǎn),他們測量了金的納米粒子附著(zhù)于硅梁上振動(dòng)時(shí)的質(zhì)量。在證明第二個(gè)原理的試驗中,他們測量了人類(lèi)免疫球蛋白抗體M落在一個(gè)長(cháng)10微米,寬300納米,厚160納米的同類(lèi)梁上的質(zhì)量。這些分子通常聚集在一起形成多元復合物,研究人員已經(jīng)解析出了每個(gè)復合物中單體的數目。Kasianowicz說(shuō),沒(méi)有更多的技術(shù)可以測量單個(gè)分子。例如,他和他的同事已經(jīng)研究出一種方法,令單個(gè)分子進(jìn)入到納米孔中來(lái)測量。不過(guò),他說(shuō),與他自己的方法相比,振動(dòng)梁可能會(huì )有更多的應用,尤其是把許多梁放在一個(gè)芯片上?!斑@可能會(huì )使質(zhì)譜像吉利剃須刀一樣的普及”他說(shuō),“你可以用了一個(gè)芯片三四次后把它扔到。

Roukes認為振動(dòng)梁裝置能完全的適應傳統質(zhì)譜,經(jīng)過(guò)一個(gè)世紀的工作,傳統質(zhì)譜已成為了一項高級技術(shù)。例如,他設想用傳感器陣列去鑒定人體血清中的每一個(gè)蛋白質(zhì),即所謂的血漿蛋白質(zhì)組。這一提議引起了一些人的不滿(mǎn)?!拔覀冏隽嗽S多蛋白質(zhì)組的工作,而那個(gè)想法是在曲解它”納什維爾-范德比爾特大學(xué)的分析化學(xué)家John McLean說(shuō),所以該振動(dòng)梁不可能幫助分離出血漿蛋白質(zhì)組中的雜質(zhì)。不過(guò),McLean說(shuō),這項新技術(shù)似乎非常適合研究分子量在1萬(wàn)至10萬(wàn)之間的粒子質(zhì)量,-----一個(gè)對質(zhì)譜來(lái)說(shuō)分子量太大而對其他設備(如電子顯微鏡)來(lái)說(shuō)又太小的范圍:“我認為在質(zhì)量分析的真空地帶,這項新技術(shù)終會(huì )迎來(lái)春天?!保踲ia sciencemag ?