Z tohoto příběhu
[×] ZAVŘÍT
VIDEO: 36 neobvyklých jednotek měření - mental_floss na YouTube (Ep.10)
Mikrograf skenování elektronů zařízení pro vážení molekul. Když molekula přistane na můstkovité části ve středu, vibruje při frekvenci, která ukazuje její hmotnost. Obrázek přes Caltech / Scott Kelberg a Michael Roukes
Kolik si myslíte, že molekula váží? Molekula, která je jednou skupinou vázaných atomů - například dva vodíky a jeden kyslík, které tvoří H2O - je téměř nepochopitelně nepatrná. Jeden mol vody, což je zhruba 0, 64 unce, má 602 214 078 000 000 000 000 000 molekul. Molekuly jsou zkrátka opravdu, opravdu, opravdu malé.
Až dosud mohli vědci počítat pouze hmotnost velkých skupin molekul, ionizovali je (dávali jim elektrický náboj) a pak viděli, jak silně interagovali s elektromagnetickým polem, technikou známou jako hmotnostní spektrometrie. Neměli však možnost měřit hmotnost jediné molekuly.
Ale včera vědci z Caltechu oznámili vynález zařízení, které přímo měří hmotnost jednotlivé molekuly. Jak je popsáno v článku publikovaném v časopise Nature Nanotechnology, malý přístroj je postaven na můstkové struktuře, která vibruje při specifické frekvenci na základě hmotnosti molekuly na jejím vrcholu. Přesným sledováním vibrační frekvence můstku mohou určit přesnou hmotnost molekuly.
"Rozhodujícím pokrokem, který jsme v této současné práci dosáhli, je to, že nám nyní umožňuje vážit molekuly - jeden po druhém - jak přicházejí, " říká Michael Roukes, hlavní vyšetřovatel laboratoře, která papír vyrobila. "Nikdo to nikdy předtím neudělal."
Pouhým okem je zařízení v podstatě neviditelné - měřítko ve spodní části obrázku mikroskopu je dvě mikrony nebo dvě miliontiny metru. Vibrační můstek ve svém středu je technicky známý jako nanoelektromechanický systémový rezonátor a vyvíjí se již více než deset let.
V předchozí práci, publikované v roce 2009, vědci ukázali, že dokážou měřit hmotnost částic rozprášených na přístroj, ale s jedním omezením: Nebylo dost citlivé na to, aby měřilo pouze jednu molekulu najednou. Protože konkrétní místo, kde částice dopadla, ovlivnilo vibrační frekvenci a vědci neměli žádný způsob, jak přesně vědět, kde by to mělo být, museli použít několik stovek identických částic, aby našli průměr, který odhalil hmotu.
Tento postup využívá nový pohled na to, jak se vibrační frekvence můstku mění, když se na něj nastříká molekula. K vibracím dochází současně ve dvou režimech: První režim je kývání ze strany na stranu, zatímco druhý režim se vyskytuje ve formě kmitající vlny tvaru S, která se pohybuje nahoru a dolů po můstku. Přesnou analýzou toho, jak se každý z těchto režimů mění, když molekula zasáhne zařízení, vědci zjistili, že mohli určit jeho polohu, a tedy její přesnou hmotnost.
Ve studii vědci prokázali účinnost nástroje měřením hmotnosti molekuly nazývané imunoglobulin M nebo IgM, protilátky produkované imunitními buňkami v krvi, která může existovat v několika různých formách. Vážením každé molekuly dokázali přesně určit, jaký druh IgM to byl, a naznačit tak potenciální budoucí lékařské aplikace. Například rakovina známá jako Waldenströmova makroglobulinémie se odráží v určitém poměru molekul IgM v krvi pacienta, takže budoucí nástroje, které vycházejí z tohoto principu, by mohly monitorovat krev, aby detekovaly protilátkové nerovnováhy indikující rakovinu.
Vědci také předpokládají tento typ zařízení jako pomoc biologickým vědcům, kteří se dívají na molekulární strojní zařízení uvnitř buňky. Protože enzymy, které řídí fungování buňky, jsou velmi závislé na molekulárních vazbách na jejich povrchu, přesné vážení proteinů v různých časech a v různých typech buněk nám může pomoci lépe porozumět buněčným procesům.
Tým dokonce předpovídá, že jejich vynález by mohl mít každodenní komerční aplikace. Environmentální monitory, které například sledují znečištění nanočásticemi ve vzduchu, by mohly být aktivovány řadami těchto vibračních můstků.
Důležité je, že vědci tvrdí, že zařízení bylo konstruováno pomocí standardních metod výroby polovodičů - stejných jako v běžných elektrických obvodech - takže je možné jej teoreticky rozšířit na přístroje, které zahrnují stovky nebo desítky tisíc jedno molekulárních senzorů pracujících najednou. "Se začleněním zařízení, která jsou vyrobena technikami pro rozsáhlou integraci, jsme na dobré cestě k tvorbě takových nástrojů, " říká Roukes.
