美國(guó)加州理工學(xué)院近日開發(fā)出僅有百萬(wàn)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(shí)測(cè)定單個(gè)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(cè)量分子的質(zhì)量，程序十分繁瑣。首先要將被測(cè)樣品中成千上萬(wàn)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(chǎng)，根據(jù)它們的運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)化了分子質(zhì)量測(cè)量的程序，并使測(cè)量器械微型化。這種2微米長(zhǎng)、100納米寬的橋狀諧振器，具有很高的振動(dòng)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(dòng)頻率與其所測(cè)量目標(biāo)的質(zhì)量成正比，振動(dòng)頻率的變化會(huì)與被測(cè)物的質(zhì)量變化契合。將一個(gè)蛋白放到諧振器上后，諧振器的振動(dòng)頻率就會(huì)下降，而通過這種頻率轉(zhuǎn)換即可測(cè)定蛋白的質(zhì)量。

　　研究人員使用該儀器測(cè)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(gè)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(dòng)頻率為450兆赫茲的NEMS諧振器上，使諧振器的振動(dòng)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(dòng)頻率的變化還會(huì)受到被測(cè)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(dòng)幅度大于邊緣位置引起的變動(dòng)幅度。因此，不能僅依靠一次測(cè)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(huì)得到更精確的結(jié)果。將來，研究人員會(huì)設(shè)法使質(zhì)量測(cè)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(cè)量精度可達(dá)1道爾頓，相當(dāng)于一個(gè)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(wàn)個(gè)NEMS諧振器的陣列，通過并行工作，以“在一瞬間”確定成千上萬(wàn)個(gè)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(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院、美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局以及美國(guó)空間和海上作戰(zhàn)司令部的支持。