Z tej historii
[×] ZAMKNIJ
WIDEO: 36 niezwykłych jednostek miary - mental_floss na YouTube (odc.10)
Mikrograf skanujący elektrony urządzenia do ważenia cząsteczek. Kiedy cząsteczka wyląduje na części mostkowej w środku, wibruje z częstotliwością wskazującą jej masę. Zdjęcie za pośrednictwem Caltech / Scott Kelberg i Michael Roukes
Jak myślisz, ile waży cząsteczka? Cząsteczka, która jest pojedynczą grupą związanych atomów - na przykład dwa wodory i jeden tlen, które tworzą H2O - jest prawie niezrozumiale maleńka. Jeden mol wody, który wynosi około 0, 64 uncji, ma 602 214 078 000 000 000 000 000 cząsteczek. Krótko mówiąc, cząsteczki są naprawdę bardzo małe.
Do tej pory naukowcy mogli jedynie obliczyć masę dużych grup cząsteczek, jonizując je (dając im ładunek elektryczny), a następnie obserwując, jak silnie oddziaływali z polem elektromagnetycznym, techniką znaną jako spektrometria mas. Nie mieli jednak możliwości zmierzenia masy pojedynczej cząsteczki.
Ale wczoraj naukowcy z Caltech ogłosili wynalazek urządzenia, które bezpośrednio mierzy masę pojedynczej cząsteczki. Jak opisano w artykule opublikowanym w czasopiśmie Nature Nanotechnology, maleńki aparat zbudowany jest wokół podobnej do mostu struktury, która wibruje z określoną częstotliwością w oparciu o masę cząsteczki na niej. Dokładnie śledząc częstotliwość drgań mostka, mogą określić dokładną masę cząsteczki.
„Krytyczny postęp, jaki dokonaliśmy w tej bieżącej pracy, polega na tym, że pozwala ona teraz na ważenie cząsteczek - jeden po drugim - w miarę ich wchodzenia”, mówi Michael Roukes, główny badacz laboratorium, które wyprodukowało papier. „Nikt jeszcze tego nie zrobił”.
Gołym okiem urządzenie jest w zasadzie niewidoczne - skala u dołu powyższego obrazu mikroskopu ma długość dwóch mikronów, czyli dwóch milionowych części metra. Most wibracyjny w jego centrum jest technicznie znany jako rezonator systemu nanoelektromechanicznego i jest rozwijany od ponad dekady.
W poprzedniej pracy, opublikowanej w 2009 r., Naukowcy wykazali, że mogą mierzyć masę cząstek rozpylanych na aparat, ale z jednym ograniczeniem: nie była wystarczająco czuła, aby zmierzyć tylko jedną cząsteczkę na raz. Ponieważ konkretne miejsce, w którym wylądowała cząstka, wpłynęło na częstotliwość drgań, a naukowcy nie mogli dokładnie wiedzieć, gdzie to będzie, musieli zastosować kilkaset identycznych cząstek, aby znaleźć średnią, która ujawniłaby masę.
Postęp wykorzystuje nowy wgląd w to, jak zmienia się częstotliwość drgań mostka, gdy zostanie na niego rozpylona cząsteczka. Wibracje występują jednocześnie w dwóch trybach: pierwszy tryb to kołysanie się na boki, podczas gdy drugi tryb występuje w postaci oscylującej fali w kształcie litery S, która porusza się w górę i w dół mostu. Analizując dokładnie, jak zmienia się każdy z tych trybów, gdy cząsteczka uderza w urządzenie, naukowcy odkryli, że mogą określić jego pozycję, a tym samym dokładną masę.
W badaniu naukowcy wykazali skuteczność narzędzia, mierząc masę cząsteczki zwanej immunoglobuliną M lub IgM, przeciwciała wytwarzanego przez komórki odpornościowe we krwi, które mogą występować w kilku różnych postaciach. Ważąc każdą cząsteczkę, byli w stanie dokładnie określić, jaki to rodzaj IgM, wskazując na potencjalne przyszłe zastosowania medyczne. Rodzaj raka zwany na przykład makroglobulinemią Waldenströma znajduje odzwierciedlenie w szczególnym stosunku cząsteczek IgM we krwi pacjenta, więc przyszłe instrumenty oparte na tej zasadzie mogłyby monitorować krew w celu wykrycia nierównowagi przeciwciał wskazujących na raka.
Naukowcy przewidują również, że tego typu urządzenie będzie pomocne dla biologów zajmujących się badaniem mechanizmów molekularnych wewnątrz komórki. Ponieważ enzymy, które napędzają funkcjonowanie komórki, są wysoce zależne od przyczepów molekularnych na ich powierzchni, dokładne ważenie białek w różnych momentach i w różnych typach komórek może pomóc nam lepiej zrozumieć procesy komórkowe.
Zespół przewiduje nawet, że ich wynalazek może mieć codzienne zastosowania komercyjne. Na przykład monitory środowiskowe, które śledzą zanieczyszczenie nanocząstkami w powietrzu, mogą być aktywowane przez układy tych wibrujących mostów.
Co ważne, naukowcy twierdzą, że urządzenie zostało zbudowane przy użyciu standardowych metod wytwarzania półprzewodników - takich samych, jakie stosuje się w popularnych obwodach elektrycznych - dzięki czemu można je teoretycznie skalować do aparatów zawierających setki lub dziesiątki tysięcy czujników jednocząsteczkowych działających jednocześnie. „Dzięki wprowadzeniu urządzeń wykonanych technikami integracji na dużą skalę jesteśmy na dobrej drodze do stworzenia takich instrumentów”, mówi Roukes.
