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[国外新闻] 微型“天平”可在纳克量级测量分子质量

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发表于 2015-9-10 08:14:42 | 显示全部楼层 |阅读模式

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通过观测耦合微悬臂梁本征态的移动,研究者们能够在纳克级测量分子质量
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耦合微悬臂梁被放置在XY轴级,在压电致动器的反馈控制下运动,以产生自激振荡。图片来源:Yabuno 实验室/日本筑波大学(University of Tsukuba)

利用一个形似极微小的音叉的仪器,日本筑波大学(University of Tsukuba)的研究人员最近研发了一种耦合微悬臂梁,能够进行纳克级质量测量,误差幅度为1%--这种仪器使液态环境中称重单个分子成为可能。该研究成果将于本周发表在由美国物理联合会出版的《应用物理快报》中。

该研究组的耦合微悬臂梁利用自激振荡来测量细胞或亚细胞量级物体的质量。在自激振荡过程中,振荡体的反馈控制着动力源的相位,通过这种方式,振荡体的周期性运动得以维持。

“以往使用耦合微悬臂梁只能探测到微小质量的存在,却无法定量测出具体的质量。我们的方法可以测出具体的质量,并且也不需要特殊的如超高真空的测量环境,”日本筑波大学教授Hiroshi Yabuno说。

Yabuno的研究生Daichi Endo 和Keiichi Higashino进行了实验测量,另外的两名研究生Yasuyuki Yamamoto 和Sohei Matsumoto和日本国家高级产业科学技术研究院(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)的合作者们使用MEMS器件的制作方法共同制作出了耦合微悬臂梁。

因为所有的生物过程在液态环境中才可以进行,这使得该微悬臂梁成为探测某些生物过程的理想工具。比如探测DNA的杂交,以及在单细胞水平上表征整个蛋白质组—这些数据能够告诉人们在在有机体单个细胞内DNA基因组的指令下,哪些蛋白在何时何地被表达出来。

“该方法的特点使我们有理由相信在液态环境中能够获得相同的测量精度,” Yabuno 说。

耦合悬臂是由蚀刻的硅层/绝缘材料层/硅层晶片构成,形似一个微小的音叉,叉齿的尺寸是500x100微米。研究人员通过测定平均直径为15微米,类似一个肝脏细胞大小的聚苯乙烯微球的质量而测试了悬臂的性能。

在他们的实验装置中,微球体被放置在其中的一个叉齿上--在生物系统中,样品通过共价转移被固定,Yabuno说。

叉齿由压电致动器--一种将电信号转换为物理位移的器件--激励。为了诱导悬臂的自激振荡,致动器的运动通过悬臂运动的反馈信号而自动调整。

一个叉齿上的微球体造成了两个叉齿之间的质量差比,从而影响了随后的振动,这种影响由一对激光多普勒振动计测量出,并在悬臂振荡频率的光谱分析中被观察到。

"这种方法可适用于尺寸更小的纳米量级的耦合悬臂,”Yabuno说。“它有望实现对无穷小质量的测量。这是现有的测量方法在任何环境下都无法企及的。”

Yabuno和他的同事下一步的工作是使用微悬臂梁获得生物样品的高精度定量测量,如液体培养基中的人体细胞和DNA。(美国物理联合会 张铮铮)

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