Из этой истории
[×] ЗАКРЫТЬ
ВИДЕО: 36 необычных единиц измерения - mental_floss на YouTube (Ep.10)
Электронно-сканирующая микрофотография устройства для взвешивания молекул. Когда молекула приземляется на мостоподобную часть в центре, она вибрирует с частотой, которая указывает на ее массу. Изображение через Caltech / Скотт Келберг и Майкл Рукс
Как вы думаете, сколько весит молекула? Молекула, представляющая собой единую группу связанных атомов - например, два атома водорода и один кислород, из которых состоит H2O, - почти непостижимо мала. Один моль воды, который составляет примерно 0, 64 унции, содержит 602 214 078 000 000 000 000 000 молекул. Короче говоря, молекулы очень, очень, очень маленькие.
До сих пор ученые могли рассчитывать массу больших групп молекул, только ионизируя их (давая им электрический заряд), а затем наблюдая, как сильно они взаимодействуют с электромагнитным полем, - метод, известный как масс-спектрометрия. Однако у них не было возможности измерить массу одной молекулы.
Но вчера ученые из Калифорнийского технологического института объявили об изобретении устройства, которое непосредственно измеряет массу отдельной молекулы. Как описано в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, крошечный аппарат построен вокруг мостоподобной структуры, которая вибрирует с определенной частотой, основанной на массе молекулы сверху. Точно отслеживая частоту колебаний моста, они могут определить точную массу молекулы.
«Важный прогресс, который мы сделали в этой текущей работе, заключается в том, что теперь она позволяет нам взвешивать молекулы - одну за другой - по мере их поступления», - говорит Майкл Роукс, главный исследователь лаборатории, создавшей бумагу. «Никто никогда не делал этого раньше».
Для невооруженного глаза устройство по существу невидимо - масштаб внизу изображения, полученного с микроскопа, составляет два микрона в длину или две миллионные доли метра. Вибрирующий мост в его центре технически известен как резонатор наноэлектромеханической системы и разрабатывается уже более десяти лет.
В предыдущей работе, опубликованной в 2009 году, исследователи показали, что они могут измерять массу частиц, распыляемых на устройство, но с одним ограничением: он не был достаточно чувствительным, чтобы измерять только одну молекулу за раз. Поскольку конкретное место, где приземлилась частица, влияло на частоту колебаний, и ученые не могли точно знать, где это будет, им нужно было применить несколько сотен идентичных частиц, чтобы найти среднее значение, которое выявило массу.
Прогресс использует новое понимание того, как частота колебаний моста изменяется, когда на него распыляется молекула. Вибрации возникают одновременно в двух режимах: первый режим - качание из стороны в сторону, а второй режим - в форме колеблющейся S-образной волны, которая движется вверх и вниз по мосту. Анализируя, как именно меняется каждая из этих мод при попадании молекулы в устройство, исследователи обнаружили, что они могут определить ее положение и, следовательно, его точную массу.
В ходе исследования ученые продемонстрировали эффективность этого инструмента, измерив массу молекулы, называемой иммуноглобулином М или IgM, антителом, продуцируемым иммунными клетками в крови и которое может существовать в нескольких различных формах. Взвешивая каждую молекулу, они смогли точно определить, какой это тип IgM, намекая на потенциальные будущие медицинские применения. Например, вид рака, известный как макроглобулинемия Вальденстрема, отражается в определенном соотношении молекул IgM в крови пациента, поэтому будущие инструменты, основанные на этом принципе, могут проводить мониторинг крови для выявления дисбалансов антител, свидетельствующих о раке.
Ученые также рассматривают этот тип устройства как помощь биологическим исследователям, изучающим молекулярные механизмы внутри клетки. Поскольку ферменты, которые управляют функционированием клетки, сильно зависят от молекулярных связей на их поверхности, точное взвешивание белков в разное время и в разных типах клеток может помочь нам лучше понять клеточные процессы.
Команда даже предсказывает, что их изобретение может иметь повседневное коммерческое применение. Например, мониторы окружающей среды, которые отслеживают загрязнение наночастиц в воздухе, могут активироваться массивами этих вибрирующих мостов.
Важно отметить, что, по словам ученых, устройство было сконструировано с использованием стандартных методов изготовления полупроводников - таких же, которые используются в обычных электрических цепях, - поэтому его теоретически можно масштабировать до устройств, которые включают в себя сотни или десятки тысяч датчиков с одной молекулой, работающих одновременно. «Благодаря внедрению устройств, созданных методами крупномасштабной интеграции, мы находимся на пути к созданию таких инструментов», - говорит Рукс.
