微型“天平”可在納克量級(jí)測(cè)量分子質(zhì)量

通過(guò)觀測(cè)耦合微懸臂梁本征態(tài)的移動(dòng)，研究者們能夠在納克級(jí)測(cè)量分子質(zhì)量

耦合微懸臂梁被放置在XY軸級(jí)，在壓電致動(dòng)器的反饋控制下運(yùn)動(dòng)，以產(chǎn)生自激振蕩。圖片來(lái)源：Yabuno 實(shí)驗(yàn)室/日本筑波大學(xué)(University of Tsukuba)

利用一個(gè)形似極微小的音叉的儀器，日本筑波大學(xué)(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(jìn)行納克級(jí)質(zhì)量測(cè)量，誤差幅度為1%--這種儀器使液態(tài)環(huán)境中稱重單個(gè)分子成為可能。該研究成果將于本周發(fā)表在由美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)出版的《應(yīng)用物理快報(bào)》中。

該研究組的耦合微懸臂梁利用自激振蕩來(lái)測(cè)量細(xì)胞或亞細(xì)胞量級(jí)物體的質(zhì)量。在自激振蕩過(guò)程中，振蕩體的反饋控制著動(dòng)力源的相位，通過(guò)這種方式，振蕩體的周期性運(yùn)動(dòng)得以維持。

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

Yabuno的研究生Daichi Endo 和Keiichi Higashino進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，另外的兩名研究生Yasuyuki Yamamoto 和Sohei Matsumoto和日本國(guó)家高級(jí)產(chǎn)業(yè)科學(xué)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?yàn)樗械纳镞^(guò)程在液態(tài)環(huán)境中才可以進(jìn)行，這使得該微懸臂梁成為探測(cè)某些生物過(guò)程的理想工具。比如探測(cè)DNA的雜交，以及在單細(xì)胞水平上表征整個(gè)蛋白質(zhì)組—這些數(shù)據(jù)能夠告訴人們?cè)谠谟袡C(jī)體單個(gè)細(xì)胞內(nèi)DNA基因組的指令下，哪些蛋白在何時(shí)何地被表達(dá)出來(lái)。

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

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(gè)微小的音叉，叉齒的尺寸是500x100微米。研究人員通過(guò)測(cè)定平均直徑為15微米，類似一個(gè)肝臟細(xì)胞大小的聚苯乙烯微球的質(zhì)量而測(cè)試了懸臂的性能。

在他們的實(shí)驗(yàn)裝置中，微球體被放置在其中的一個(gè)叉齒上--在生物系統(tǒng)中，樣品通過(guò)共價(jià)轉(zhuǎn)移被固定，Yabuno說(shuō)。

叉齒由壓電致動(dòng)器--一種將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為物理位移的器件--激勵(lì)。為了誘導(dǎo)懸臂的自激振蕩，致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)通過(guò)懸臂運(yùn)動(dòng)的反饋信號(hào)而自動(dòng)調(diào)整。

一個(gè)叉齒上的微球體造成了兩個(gè)叉齒之間的質(zhì)量差比，從而影響了隨后的振動(dòng)，這種影響由一對(duì)激光多普勒振動(dòng)計(jì)測(cè)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(jí)的耦合懸臂，”Yabuno說(shuō)。“它有望實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)窮小質(zhì)量的測(cè)量。這是現(xiàn)有的測(cè)量方法在任何環(huán)境下都無(wú)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(cè)量，如液體培養(yǎng)基中的人體細(xì)胞和DNA。（美國(guó)物理聯(lián)合會(huì) 張錚錚）