Nature技術創新：首個檢測單分子質量設備
日期：2012-08-28 07:52:37
美國加州理工學院領導的研究小組完成了首個可以測量單個分子質量的機械裝置。研究人員稱，這種新技術將能最終用于診斷疾病，幫助生物學家探索病毒與細胞的分子機制，甚至可以用于更好地檢測納米粒子和空氣污染。
該研究團隊包括在加州理工學院的Kavli納米科學研究所，以及法國CEA研究所等處的研究人員，這項技術，包括CEA-LETI納米器件設備等相關內容，公布在8月26日的 Nature Nanotechnology 雜志在線版本上。
這一設備大小僅一米的百萬分之二那么大，是由一個小型的，振動的橋狀結構組成。當一個粒子或分子經過這座“橋梁”，其質量變化引起的振蕩頻率就能揭示了粒子的重量多少。
“每個粒子經過時，我們就能測量它的質量”，Michael Roukes教授說，“之前沒有人實現過這個。”
這一新儀器是基于過去12年中，Roukes和他的同事研發的一種新技術，在2009年發表的一篇文章中，他們發現，一種橋狀裝置，稱為納機電系統（nanoelectromechanical system ，NEMS）的諧振器，可以測量散布在設備里的單個粒子。然而，麻煩的是所測得的頻率轉變不僅取決于粒子的實際質量，而且也與顆粒降落在哪里有關。不知道粒子的著陸點，研究人員不得不分析檢測500個相同微粒，以確定其質量。
但利用這一最新的改進技術，科學家們只需對一個微粒進行測量。 “在這項工作中我們取得的關鍵進步是，這一設備能讓我們對進入的一個接一個的分子稱重，”Roukes說。
為了能實現這一點，研究人員分析了粒子如何將橋的振動頻率轉向的方式，所有的擺動是由振動模式實現的。研究組發現通過分析頻率變化的兩種模式，能確定粒子的質量和位置，文章的第一作者Mehmet Selim Hanay博士解釋道，“每一次測量中我們可以判斷粒子的質量，這是之前不可能實現的。”
傳統檢測分子質量的方法，是利用質譜測定方法，這種方法將數百萬分子電離，使其獲得一個電荷，然后通過電磁場交互作用，這樣分析它們之間的相互作用，科學家們可以推斷出分子的質量。
這種方法的問題在于，對于大質量的粒子，如蛋白質或病毒，這種方法不管用，因為它們更難獲得一個電荷。因此它們電磁作用太弱，儀器無法精確的測量。
而這一新設備，相反卻能很好的檢測大顆粒的質量。研究人員說，事實上，這一設備可以與現有商業儀器整合在一起，擴充儀器功能，用于檢測更廣泛的分子質量。
為了證明這一設備的可行性，研究人員稱量免疫球蛋白M（IgM）的質量，這是一種由體內免疫細胞生成的抗體。研究人員檢測了每個分子的質量——這些分子在體內具有不同的結構，不同的質量，研究人員能夠計算并確定不同類型的IgM抗體的質量。
這不僅是首次采用納米機械裝置稱量生物分子，而且也證明了這個設備可以用于醫學領域，未來還可以用于監測病人的免疫系統，甚至診斷免疫性疾病。
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