微型“天平”可在納克量級測量分子質(zhì)量

通過觀測耦合微懸臂梁本征態(tài)的移動，研究者們能夠在納克級測量分子質(zhì)量

耦合微懸臂梁被放置在XY軸級，在壓電致動器的反饋控制下運動，以產(chǎn)生自激振蕩。圖片來源：Yabuno 實驗室/日本筑波大學(University of Tsukuba)

利用一個形似極微小的音叉的儀器，日本筑波大學(University of Tsukuba)的研究人員最近研發(fā)了一種耦合微懸臂梁，能夠進行納克級質(zhì)量測量，誤差幅度為1%--這種儀器使液態(tài)環(huán)境中稱重單個分子成為可能。該研究成果將于本周發(fā)表在由美國物理聯(lián)合會出版的《應用物理快報》中。

該研究組的耦合微懸臂梁利用自激振蕩來測量細胞或亞細胞量級物體的質(zhì)量。在自激振蕩過程中，振蕩體的反饋控制著動力源的相位，通過這種方式，振蕩體的周期性運動得以維持。

“以往使用耦合微懸臂梁只能探測到微小質(zhì)量的存在，卻無法定量測出具體的質(zhì)量。我們的方法可以測出具體的質(zhì)量，并且也不需要特殊的如超高真空的測量環(huán)境，”日本筑波大學教授Hiroshi Yabuno說。

Yabuno的研究生Daichi Endo 和Keiichi Higashino進行了實驗測量，另外的兩名研究生Yasuyuki Yamamoto 和Sohei Matsumoto和日本國家高級產(chǎn)業(yè)科學技術(shù)研究院（National Institute of Advanced Industrial Science and Technology）的合作者們使用MEMS器件的制作方法共同制作出了耦合微懸臂梁。

因為所有的生物過程在液態(tài)環(huán)境中才可以進行，這使得該微懸臂梁成為探測某些生物過程的理想工具。比如探測DNA的雜交，以及在單細胞水平上表征整個蛋白質(zhì)組—這些數(shù)據(jù)能夠告訴人們在在有機體單個細胞內(nèi)DNA基因組的指令下，哪些蛋白在何時何地被表達出來。

“該方法的特點使我們有理由相信在液態(tài)環(huán)境中能夠獲得相同的測量精度，” Yabuno 說。

耦合懸臂是由蝕刻的硅層/絕緣材料層/硅層晶片構(gòu)成，形似一個微小的音叉，叉齒的尺寸是500x100微米。研究人員通過測定平均直徑為15微米，類似一個肝臟細胞大小的聚苯乙烯微球的質(zhì)量而測試了懸臂的性能。

在他們的實驗裝置中，微球體被放置在其中的一個叉齒上--在生物系統(tǒng)中，樣品通過共價轉(zhuǎn)移被固定，Yabuno說。

叉齒由壓電致動器--一種將電信號轉(zhuǎn)換為物理位移的器件--激勵。為了誘導懸臂的自激振蕩，致動器的運動通過懸臂運動的反饋信號而自動調(diào)整。

一個叉齒上的微球體造成了兩個叉齒之間的質(zhì)量差比，從而影響了隨后的振動，這種影響由一對激光多普勒振動計測量出，并在懸臂振蕩頻率的光譜分析中被觀察到。

"這種方法可適用于尺寸更小的納米量級的耦合懸臂，”Yabuno說。“它有望實現(xiàn)對無窮小質(zhì)量的測量。這是現(xiàn)有的測量方法在任何環(huán)境下都無法企及的。”

Yabuno和他的同事下一步的工作是使用微懸臂梁獲得生物樣品的高精度定量測量，如液體培養(yǎng)基中的人體細胞和DNA。（美國物理聯(lián)合會 張錚錚）