@ 2012.09.19 , 19:09

科学家发明一种可以测量单个分子重量的微型震动秤

科学家们近日研究出一种可以测量单个分子质量的微型“秤”对此相关科学家描述称,“就像是微型浴室秤一样,一个小的震动装置可以测量单个分子的重量”。该新装置可以为质谱的应用开拓新的领域,通过科学的测量分子质量来区分它们。然而,关于这个装置的最终用途众说纷纭。“时间会让我们知道该装置对推广质谱仪来说是多么的适用。” John Kasianowicz(马里兰州盖瑟斯堡国家标准和技术委员会的生物物理学家)说,他虽没有参加这个新项目的研究,但他认为这是一个重大进步。

传统的质谱利用磁场使带电粒子的飞行轨迹弯曲,由轨道的弯曲程度可以反映出它们质量的大小。但是这对比质子重百万倍之多的生物大分子并不适用。这些大分子飞行太慢以至于不能引发另一侧磁场的常规离子检测器响应。

因此,科学家们正在探索传统质谱仪的替代品。在超过十年的时间里,Michael Roukes 和他的团队在加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院(加州理工学院)一直做微小震动梁试验,这些震动梁是从一些原料(例如硅)中分离出来的。这种震动梁可测重约万分之一数量级的分子质量,它通常横跨一个缝隙---就像架在山谷中的桥一样,每秒可以来回震动数百万次。原则上说,这个装置可以测量单个分子的质量:当分子附着于震动梁上时(通过物理吸附的过程),由于质量的增加引起震动梁以较低的频率震动。因此,测量分子的质量,研究者只需要测量频移。

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然而到这里要停顿一下。频移也取决于分子落在震动梁上的位置,较轻的分子落在梁中间与较重的分子落在靠近梁的一端所产生的频移差不多。对此, Roukes,博士后Mehmet Selim Hanay和他们在格勒诺布尔的加州理工学院和法国原子能委员会的同事们已经找出了解决办法,并在本月的自然-纳米技术杂志上发表,解决这个问题的关键就是同时以两种不同频率震动该梁。像吉他的弦一样,一个梁能以截然不同的形式震动,每种震动都有它各自的频率。在最低频率下,整个震动梁从一侧弯到另一侧(参见图中,右上的插图)。在与它相邻的较高频率下,桥的两端朝相反的方向弯曲而中心点保持不动。(参见图中,右下的插图)事实上,振动梁能够同时以这两种形式震动。当单个分子附着于梁上时,桥会以这两种形式在不同程度上降低它的频率。从这两种频移中,科学家既能推断出分子在梁上的位置还能推算出分子的质量。

为了证明这一点,他们测量了金的纳米粒子附着于硅梁上振动时的质量。在证明第二个原理的试验中,他们测量了人类免疫球蛋白抗体M落在一个长10微米,宽300纳米,厚160纳米的同类梁上的质量。这些分子通常聚集在一起形成多元复合物,研究人员已经解析出了每个复合物中单体的数目。Kasianowicz说,没有更多的技术可以测量单个分子。例如,他和他的同事已经研究出一种方法,令单个分子进入到纳米孔中来测量。不过,他说,与他自己的方法相比,振动梁可能会有更多的应用,尤其是把许多梁放在一个芯片上。“这可能会使质谱像吉利剃须刀一样的普及”他说,“你可以用了一个芯片三四次后把它扔到。

Roukes认为振动梁装置能完全的适应传统质谱,经过一个世纪的工作,传统质谱已成为了一项高级技术。例如,他设想用传感器阵列去鉴定人体血清中的每一个蛋白质,即所谓的血浆蛋白质组。这一提议引起了一些人的不满。“我们做了许多蛋白质组的工作,而那个想法是在曲解它”纳什维尔-范德比尔特大学的分析化学家John McLean说,所以该振动梁不可能帮助分离出血浆蛋白质组中的杂质。不过,McLean说,这项新技术似乎非常适合研究分子量在1万至10万之间的粒子质量,-----一个对质谱来说分子量太大而对其他设备(如电子显微镜)来说又太小的范围:“我认为在质量分析的真空地带,这项新技术终会迎来春天。”本文译自 sciencemag,由译者 老人爱怡 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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