Η μικροσκοπική μηχανική ζυγαριά ζυγίζει μόρια ένα κάθε φορά
Όπως μια μικροσκοπική ζυγαριά μπάνιου, ένα μικροσκοπικό δονούμενο gizmo μπορεί να ζυγίζει μεμονωμένα μόρια, αναφέρει μια ομάδα φυσικών. Η νέα συσκευή θα μπορούσε να ανοίξει νέες σφαίρες φασματοσκοπίας μάζας, την επιστήμη της μέτρησης της μάζας των μορίων για να βοηθήσει στην αναγνώρισή τους. Ωστόσο, οι απόψεις ποικίλλουν σχετικά με την τελική χρησιμότητα της τεχνικής.
"Πόσο εφαρμόσιμο θα είναι αυτό στη γενικευμένη φασματοσκοπία μάζας, ο χρόνος θα δείξει", λέει ο John Kasianowicz, βιοφυσικός στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας στο Gaithersburg, Maryland, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη. "Αλλά νομίζω ότι αυτό είναι μια σημαντική πρόοδος."
Η παραδοσιακή φασματοσκοπία μάζας χρησιμοποιεί ένα μαγνητικό πεδίο για να κάμψει τη διαδρομή των ηλεκτρικά φορτισμένων μορίων. Το πόσο είναι λυγισμένο το μονοπάτι τους αποκαλύπτει τη μάζα τους. Αλλά αυτή η τεχνική δεν είναι ιδανική για βιομόρια jumbo που ζυγίζουν περίπου ένα εκατομμύριο φορές περισσότερο από ένα πρωτόνιο. Αυτά τα βαριά μόρια κινούνται τόσο αργά, για παράδειγμα, που δεν ενεργοποιούν τους συμβατικούς ανιχνευτές σωματιδίων που βρίσκονται στην άλλη πλευρά του μαγνητικού πεδίου.
Έτσι οι επιστήμονες διερευνούν εναλλακτικές λύσεις. Για περισσότερο από μια δεκαετία, ο Michael Roukes και η ομάδα του στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech) στην Πασαντίνα πειραματίζονται με μικροσκοπικές δονητικές δέσμες που χαράσσουν από υλικά όπως το πυρίτιο. Ζυγίζοντας περίπου ένα τρισεκατομμυριοστό του γραμμαρίου, μια τέτοια δέσμη εκτείνεται γενικά σε ένα κενό, όπως μια γέφυρα που κρέμεται πάνω από μια κοιλάδα, και μπορεί να γίνει να δονείται από πλευρά σε πλευρά με εκατομμύρια κύκλους ανά δευτερόλεπτο.
Κατ' αρχήν, μια τέτοια συσκευή μπορεί να μετρήσει τη μάζα ενός μορίου:Όταν ένα μόριο κολλάει σε μια τέτοια δέσμη (μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται φυσιορόφηση), η προστιθέμενη μάζα προκαλεί τη δόνηση της δέσμης σε χαμηλότερη συχνότητα. Έτσι, για να μετρήσουν τη μάζα του μορίου, οι ερευνητές χρειάζεται μόνο να μετρήσουν αυτή τη μετατόπιση συχνότητας.
Υπάρχει ένα πρόβλημα, ωστόσο. Η μετατόπιση συχνότητας εξαρτάται επίσης από το σημείο της δέσμης που προσγειώνεται το μόριο, έτσι ώστε ένα ελαφρύτερο μόριο που προσγειώνεται στη μέση της δέσμης μπορεί να προκαλέσει την ίδια μετατόπιση συχνότητας με ένα βαρύτερο μόριο που προσγειώνεται πιο κοντά στο ένα άκρο.
Τώρα, ο Ρουκές, ο μεταδιδακτορικός του Μεχμέτ Σελίμ Χανάι και οι συνάδελφοί του στο Caltech και στη Γαλλική Επιτροπή Ατομικής Ενέργειας στη Γκρενόμπλ βρήκαν έναν τρόπο να ξεπεράσουν αυτή την ασάφεια. Το κλειδί είναι να κουνηθεί η γέφυρα ταυτόχρονα σε δύο διαφορετικές συχνότητες, αναφέρουν οι ερευνητές αυτόν τον μήνα στο Nature Nanotechnology .
Όπως μια χορδή κιθάρας, μια γέφυρα μπορεί να δονείται σε διακριτά μοτίβα κίνησης ή τρόπους λειτουργίας, καθένας από τους οποίους έχει τη δική του ξεχωριστή συχνότητα. Στη λειτουργία χαμηλότερης συχνότητας, ολόκληρη η δέσμη υποκλίνεται δίπλα-δίπλα. (Βλ. εικόνα, πάνω δεξιά ένθετο.) Στην επόμενη λειτουργία υψηλότερης συχνότητας, τα δύο μισά της γέφυρας λυγίζουν σε αντίθετες κατευθύνσεις ενώ το σημείο στο κέντρο παραμένει ακίνητο. (Βλ. εικόνα, κάτω αριστερά ένθετο.) Στην πραγματικότητα, η δέσμη μπορεί να δονείται και στις δύο αυτές λειτουργίες ταυτόχρονα. Όταν ένα μόριο κολλήσει στη γέφυρα, θα μειώσει τη συχνότητα και των δύο τρόπων κατά διαφορετικά ποσά. Από αυτές τις δύο μετατοπίσεις συχνότητας, οι επιστήμονες μπορούν να συναγάγουν τόσο τη θέση του μορίου στη δέσμη όσο και τη μάζα του.
Για να το αποδείξουν, μέτρησαν τις μάζες των νανοσωματιδίων χρυσού καθώς μανδάλωσαν πάνω σε μια δονούμενη δέσμη πυριτίου. Σε μια δεύτερη επίδειξη αρχής, μέτρησαν τις μάζες των μορίων του αντισώματος ανθρώπινης ανοσοσφαιρίνης Μ που προσγειώθηκαν σε μια παρόμοια γέφυρα μήκους 10 μικρομέτρων, πλάτους 300 νανόμετρων και πάχους 160 νανόμετρων. Τα μόρια γενικά συγκεντρώνονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν σύμπλοκα πολλαπλών μονάδων και οι ερευνητές ανέλυσαν τον αριθμό των μονάδων σε κάθε σύμπλοκο.
Δεν υπάρχουν πολλές άλλες τεχνικές που μπορούν να μετρήσουν μεμονωμένα μόρια, λέει ο Kasianowicz. Για παράδειγμα, αυτός και οι συνεργάτες του έχουν αναπτύξει μια μέθοδο κατά την οποία μεμονωμένα μόρια κολλάνε σε πόρους μεγέθους νανομέτρων. Αλλά σε σύγκριση με τη δική του μέθοδο, η δονούμενη δέσμη μπορεί να έχει περισσότερες εφαρμογές, λέει, ειδικά αν πολλές δέσμες μπορούν να τοποθετηθούν σε ένα μόνο τσιπ. "Αυτό έχει την ευκαιρία να είναι το ξυράφι Gillette της φασματοσκοπίας μάζας", λέει. "Χρησιμοποιείτε ένα τσιπ τρεις ή τέσσερις φορές και μετά το πετάτε."
Ο Roukes πιστεύει ότι η τεχνική δόνησης δέσμης μπορεί ακόμη και να πάει από τα δάχτυλα στα νύχια με την παραδοσιακή φασματομετρία μάζας, η οποία μετά από έναν αιώνα δουλειάς έχει γίνει υψηλή τέχνη. Για παράδειγμα, οραματίζεται τη χρήση μιας σειράς αισθητήρων για την αναγνώριση κάθε πρωτεΐνης στον ορό του ανθρώπινου αίματος, το λεγόμενο πρωτεϊνικό πλάσμα.
Αυτή η πρόταση σηκώνει μερικά φρύδια. «Κάνουμε πολλή εργασία με πρωτεώματα πλάσματος και αυτή η [ιδέα] το διευρύνει πραγματικά», λέει ο John McLean, ένας αναλυτικός χημικός στο Πανεπιστήμιο Vanderbilt στο Νάσβιλ. Η τεχνική του Roukes μετρά μόνο τη μάζα και δεν προσδιορίζει χημικά κανένα μόριο, λέει ο McLean, επομένως μπορεί να μην είναι χρήσιμη για την επίλυση του μπερδεύματος στο πρωτεώμα του πλάσματος.
Ωστόσο, λέει ο McLean, η νέα τεχνική φαίνεται ιδανική για τη μελέτη μορίων με μάζα μεταξύ 1 εκατομμυρίου και 10 εκατομμυρίων φορές μεγαλύτερη από αυτή του πρωτονίου, ένα εύρος πολύ βαρύ για την παραδοσιακή φασματοσκοπία μάζας και πολύ ελαφρύ για άλλες τεχνικές όπως η ηλεκτρονική μικροσκοπία:"Νομίζω ότι υπάρχει μια πραγματικά καλή θέση για αυτό σε αυτή τη γη της μάζας."
