充當(dāng)質(zhì)譜儀的“度量標(biāo)尺”的新儀器問世

     美國加州理工學(xué)院近日開發(fā)出僅有百萬分之一米大小的納米電子機(jī)械系統(tǒng)(NEMS)諧振器，可實(shí)時測定單個分子的質(zhì)量。該成果刊登在最近一期的《自然·納米技術(shù)》雜志上。

　　過去，科學(xué)家一直依靠現(xiàn)有質(zhì)譜分析技術(shù)測量分子的質(zhì)量，程序十分繁瑣。首先要將被測樣品中成千上萬的分子離子化，使其呈帶電狀態(tài)，然后將這些離子引入電場，根據(jù)它們的運(yùn)動狀態(tài)確定其質(zhì)荷比，進(jìn)而確定它們的質(zhì)量。

　　加州理工學(xué)院的物理學(xué)、應(yīng)用物理學(xué)和生物工程學(xué)教授兼該校納米科學(xué)研究所主任邁克爾·L·若克斯及其同事經(jīng)過十多年努力，開發(fā)出一種微型NEMS諧振器，有效簡化了分子質(zhì)量測量的程序，并使測量器械微型化。這種2微米長、100納米寬的橋狀諧振器，具有很高的振動頻率，可有效充當(dāng)質(zhì)譜儀的“度量標(biāo)尺”。

　　研究論文的第一作者、物理學(xué)家阿斯科沙伊·奈克指出，諧振器的振動頻率與其所測量目標(biāo)的質(zhì)量成正比，振動頻率的變化會與被測物的質(zhì)量變化契合。將一個蛋白放到諧振器上后，諧振器的振動頻率就會下降，而通過這種頻率轉(zhuǎn)換即可測定蛋白的質(zhì)量。

　　研究人員使用該儀器測試了牛血清白蛋白(BSA)的蛋白質(zhì)量，其結(jié)果為66千道爾頓(道爾頓是表示原子或分子質(zhì)量的單位，1道爾頓大約與一個氫原子的質(zhì)量相當(dāng))。他們首先使用電噴霧離子化(ESI)系統(tǒng)使BSA蛋白離子處于蒸汽態(tài)，然后將其噴射到振動頻率為450兆赫茲的NEMS諧振器上，使諧振器的振動頻率降低了1.2千赫茲。相比之下，淀粉酶的蛋白分子所引起的頻率轉(zhuǎn)換大約為3.6千赫茲，其蛋白質(zhì)量約為200千道爾頓，是BSA蛋白質(zhì)量的3倍。

　　奈克指出，諧振器振動頻率的變化還會受到被測分子在諧振器上所處位置的影響，在中心位置引起的頻率變動幅度大于邊緣位置引起的變動幅度。因此，不能僅依靠一次測量就確定分子質(zhì)量的大小，大約需要500次的頻率轉(zhuǎn)換才會得到更精確的結(jié)果。將來，研究人員會設(shè)法使質(zhì)量測量免除分子位置點(diǎn)的干擾。目前這套技術(shù)設(shè)備已有了原型。原則上，這種系統(tǒng)的測量精度可達(dá)1道爾頓，相當(dāng)于一個氫原子的質(zhì)量。但這是下一代裝置才能達(dá)到的目標(biāo)，它不僅要更精細(xì)小巧，還要具有更好的噪聲性能。而研究小組則希望能創(chuàng)建或許含有成千上萬個NEMS諧振器的陣列，通過并行工作，以“在一瞬間”確定成千上萬個分子的質(zhì)量。

　　若克斯教授指出，隨著生命科學(xué)研究的深入，越來越需要進(jìn)行大量的蛋白質(zhì)組學(xué)分析，下一代用于相關(guān)研究的儀器，尤其是用于系統(tǒng)生物學(xué)研究的儀器，一定要能完成這樣的任務(wù)。而半導(dǎo)體微電子加工工藝的發(fā)展，使這種儀器的研制成為可能。

　　此項(xiàng)研究工作得到了美國國立衛(wèi)生研究院、美國國防部高級研究計劃局以及美國空間和海上作戰(zhàn)司令部的支持。