Fra denne historien
[×] STENGT
VIDEO: 36 Uvanlige måleenheter - mental_floss på YouTube (Ep.10)
En elektronskanningsmikrograf av molekylveieanordningen. Når et molekyl lander på den brolignende delen i sentrum, vibrerer det med en frekvens som indikerer dens masse. Bilde via Caltech / Scott Kelberg og Michael Roukes
Hvor mye tror du et molekyl veier? Et molekyl, som er en gruppe med bundne atomer - de to hydrogenene og ett oksygen som utgjør H2O, for eksempel - er nesten uforståelig lite. En mol vann, som er omtrent 0, 64 gram, har 602 214 078 000 000 000 000 molekyler. Molekyler er kort sagt veldig, veldig små.
Frem til nå kunne forskere bare beregne massen til store grupper av molekyler, ved å ionisere dem (gi dem en elektrisk ladning) og deretter se hvor sterkt de samhandlet med et elektromagnetisk felt, en teknikk kjent som massespektrometri. De hadde imidlertid ingen måte å måle massen til et enkelt molekyl.
Men i går kunngjorde forskere fra Caltech oppfinnelsen av en enhet som direkte måler massen til et individuelt molekyl. Som beskrevet i en artikkel publisert i tidsskriftet Nature Nanotechnology, er det lille apparatet bygget rundt en brolignende struktur som vibrerer med en spesifikk frekvens basert på massen til molekylet på toppen av det. Ved nøyaktig å spore broens vibrasjonsfrekvens, kan de bestemme molekylets eksakte masse.
"Den kritiske utviklingen vi har gjort i dette arbeidet er at det nå lar oss veie molekyler - en etter en - når de kommer inn, " sier Michael Roukes, hovedetterforsker for laboratoriet som produserte papiret. "Ingen har gjort dette før."
For det blotte øye er enheten i hovedsak usynlig - skalaen nederst på mikroskopbildet over er to mikron lang, eller to milliondeler av en meter. Den vibrerende broen i sentrum er teknisk kjent som en nanoelektromekanisk systemresonator og har vært under utvikling i over et tiår.
I tidligere arbeider, publisert i 2009, viste forskerne at de kunne måle massen av partikler som ble sprayet på apparatet, men med en begrensning: Det var ikke følsomt nok til å måle bare ett molekyl om gangen. Fordi det spesifikke stedet der en partikkel landet, påvirket vibrasjonsfrekvensen, og forskerne ikke hadde noen måte å vite nøyaktig hvor dette ville være, trengte de å bruke flere hundre identiske partikler for å finne et gjennomsnitt, som avslørte massen.
Fremskriten bruker en ny innsikt i hvordan vibrasjonsfrekvensen til broen endres når et molekyl sprøytes på den. Vibrasjonene forekommer i to modus samtidig: Den første modusen svinger side om side, mens den andre modusen skjer i form av en svingende S-formet bølge som beveger seg opp og nedover broen. Ved å analysere nøyaktig hvordan hver av disse modiene endres når molekylet treffer enheten, fant forskerne at de kunne bestemme dens posisjon, og dermed dens eksakte masse.
I studien demonstrerte forskerne effektiviteten av verktøyet ved å måle massen til et molekyl kalt immunoglobulin M, eller IgM, et antistoff produsert av immunceller i blodet og som kan eksistere i flere forskjellige former. Ved å veie hvert molekyl, klarte de å bestemme nøyaktig hvilken type IgM det var, og antydet om potensielle fremtidige medisinske anvendelser. En slags kreft, kjent som Waldenström macroglobulinemia, gjenspeiles for eksempel av et bestemt forhold av IgM-molekyler i pasientens blod, slik at fremtidige instrumenter som bygger på dette prinsippet kan overvåke blod for å oppdage antistoffubalanser som tyder på kreft.
Forskerne ser også for seg denne typen apparater som et hjelpemiddel for biologiske forskere som ser på det molekylære maskineriet i en celle. Siden enzymene som driver en celles funksjon er veldig avhengige av molekylære tilknytninger på overflaten, kan det å veie proteiner til forskjellige tider og i forskjellige typer celler hjelpe oss å forstå cellulære prosesser bedre.
Teamet spår til og med at oppfinnelsen deres kan ha kommersielle applikasjoner i hverdagen. Miljøovervåking som sporer forurensning av nanopartikler i luften, kan for eksempel aktiveres av matriser av disse vibrerende broene.
Det er viktig, sier forskerne, at enheten ble konstruert ved bruk av standardmetallhåndteringsmetoder - de samme som brukes i vanlige elektriske kretsløp - slik at den teoretisk kan skaleres opp til apparater som inkluderer hundrevis eller titusenvis av enkeltmolekylsensorene som opererer samtidig. "Med innbyggingen av enhetene som er laget av teknikker for storstilt integrasjon, er vi på god vei til å lage slike instrumenter, " sier Roukes.
