Måling af massen af ​​molekyler på nanoskala

Arbejde med en enhed, der minder lidt om en mikroskopisk lille stemmegaffel, forskere ved University of Tsukuba i Japan har for nylig udviklet koblede mikrocantilevers, der kan foretage massemålinger i størrelsesordenen nanogram med kun en 1 procents fejlmargin – hvilket potentielt muliggør vejning af individuelle molekyler i flydende miljøer. Resultaterne offentliggøres i denne uge i Anvendt fysik bogstaver , fra AIP Publishing.

Gruppens koblede mikrocantilever måler masse på cellulær og subcellulær skala ved at bruge selv-exciteret oscillation, en proces, hvor feedback fra et oscillerende legeme styrer fasen af ​​strømkilden, der virker på det, giver mulighed for vedvarende periodisk bevægelse.

"I modsætning til de tidligere målinger foretaget af koblede udkragere, som kan påvise eksistensen af ​​en lille masse, men ikke kan måle massen kvantitativt, det kræver ikke et specielt målemiljø, såsom et ultrahøjt vakuum, " sagde Hiroshi Yabuno, en professor ved University of Tsukaba i Japan.

Yabunos kandidatstuderende Daichi Endo og Keiichi Higashino udførte målingerne, og Yasuyuki Yamamoto og Sohei Matsumoto, samarbejdspartnere ved National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, konstruerede de koblede mikrocantilevers ved hjælp af MEMS-enhedsfremstillingsmetoder.

Da alle biologiske processer skal foregå i et flydende miljø, dette gør gruppens cantilevers ideelle til processer såsom påvisning af DNA-hybridisering og karakterisering, på enkeltcelleniveau, hele proteomer - data, der viser globalt i en sådan celle, hvilke proteiner der udtrykkes hvor og hvornår som følge af instruktioner indeholdt i en organismes DNA-genom.

"Fra funktionerne i den foreslåede metode, det er let at forvente, at vi kan opnå den samme nøjagtighed i et flydende miljø, " sagde Yabuno.

Den koblede udkrager, konstrueret af en ætset silicium-isolator-silicium wafer, ligner en lille stemmegaffel, hvis kroge måler 500 gange 100 mikrometer. Forskerne testede deres cantilevers kapacitet ved at måle massen af ​​polystyren mikrokugler, som har en gennemsnitlig diameter på 15,0 mikrometer - samme størrelsesorden som en levercelle.

I deres opsætning, en kugle blev placeret på en af ​​grenene - i et biologisk system, prøver ville blive påført ved kovalent mobilisering, sagde Yabuno.

Stigene blev derefter begge stimuleret af en piezo-aktuator, en enhed, der konverterer et elektrisk signal til en kontrolleret fysisk forskydning. For at fremkalde selv-exciterede svingninger i udkragerne, aktuatorens bevægelse justeres automatisk af en passende feedback, der refererer til bevægelsen af ​​en af ​​udkragerne.

Kuglens tilstedeværelse på en af ​​grenene resulterer i et masseforskelforhold mellem de to, som påvirker de efterfølgende vibrationer, som målt af et par laser-doppler-vibrometre og observeret i spektrumanalyse af cantileverens oscillerende frekvenser.

"Metoden kan anvendes til mere nedskårne, nano-skala, koblede udkragere, " sagde Yabuno. "Det kan forventes at realisere målingen af ​​infinitesimal masse, hvilket er umuligt i eksisterende metoder, selv i alle målemiljøer."

Fremtidigt arbejde for Yabuno og hans kolleger involverer at bruge cantilevers til at opnå høj nøjagtige kvantitative målinger af biologiske prøver såsom humane celler og DNA i flydende medier.