Tästä tarinasta
[×] SULJE
VIDEO: 36 epätavallista mittayksikköä - mental_floss YouTube (Ep.10)
Elektroneja skannaava mikrotunniste molekyylin punnituslaitteesta. Kun molekyyli laskeutuu sillan kaltaiselle osalle keskellä, se värähtelee taajuudella, joka osoittaa sen massan. Kuva Caltech / Scott Kelbergin ja Michael Roukesin kautta
Kuinka paljon luulet molekyylin painavan? Molekyyli, joka on yksi sitoutuneiden atomien ryhmä - esimerkiksi kaksi vetyä ja yksi happi, jotka muodostavat esimerkiksi H2O: n - on melkein käsittämättömästi pieni. Yhdessä moolissa vettä, joka on noin 0, 64 unssia, on 602 214 078 000 000 000 000 000 molekyyliä. Lyhyesti sanottuna molekyylit ovat todella, todella, todella pieniä.
Tähän asti tutkijat ovat voineet laskea vain suurten molekyyliryhmien massan, ionisoimalla ne (antamalla heille sähkövarauksen) ja näkemällä sitten kuinka voimakkaasti ne ovat vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen kentän kanssa, tekniikka, joka tunnetaan massaspektrometriana. Heillä ei ollut kuitenkaan mitään keinoa mitata yksittäisen molekyylin massaa.
Mutta eilen Caltechin tutkijat ilmoittivat keksinnästä laitteen, joka mittaa suoraan yksittäisen molekyylin massaa. Kuten Nature Nanotechnology -lehdessä julkaistiin, pieni laite on rakennettu siltamaisen rakenteen ympärille, joka värisee tietyllä taajuudella sen päällä olevan molekyylin massan perusteella. Seuraamalla tarkasti sillan värähtelytaajuutta he voivat määrittää molekyylin tarkan massan.
"Kriittinen edistysaskel, jonka olemme tehneet tässä työssä, on, että se antaa meille mahdollisuuden punnita molekyylejä yksi kerrallaan, kun ne tulevat sisään", sanoo paperin valmistaneen laboratorion tutkija Michael Roukes. "Kukaan ei ole koskaan tehnyt tätä ennen."
Paljain silmin laite on olennaisesti näkymätön - mikroskooppikuvan alareunassa oleva asteikko on kaksi mikronia pitkä tai kaksi miljoonasosaa metriä. Keskellä oleva värähtevä silta tunnetaan teknisesti nanoelektromekaanisena järjestelmän resonaattorina, ja sitä on kehitetty yli kymmenen vuoden ajan.
Edellisessä, vuonna 2009 julkaistussa tutkimuksessa tutkijat osoittivat pystyvänsä mittaamaan laitteeseen suihkutettujen hiukkasten massan, mutta yhdellä rajoituksella: Se ei ollut tarpeeksi herkkä mittaamaan vain yksi molekyyli kerrallaan. Koska tarkka sijainti, johon hiukkas laskeutui, vaikutti värähtelytaajuuteen eikä tutkijoilla ollut mitään keinoa tietää tarkalleen missä tämä olisi, heidän piti levittää useita satoja identtisiä hiukkasia löytääkseen keskiarvon, joka paljasti massan.
Ennakko käyttää uutta käsitystä siitä, miten sillan värähtelytaajuus muuttuu, kun molekyyli suihkutetaan siihen. Värähtelyt esiintyvät kahdessa tilassa samanaikaisesti: Ensimmäinen tila on sivuttaissuuntainen heiluminen, kun taas toinen moodi esiintyy värähtelevän S-muotoisen aallon muodossa, joka liikkuu ylös ja alas siltaa. Analysoimalla tarkalleen kuinka nämä molemmat moodit muuttuvat, kun molekyyli osuu laitteeseen, tutkijat havaitsivat voivansa määrittää sen sijainnin ja siten sen tarkan massan.
Tutkimuksessa tutkijat osoittivat työkalun tehokkuuden mittaamalla immunoglobuliini M: ksi tai IgM: ksi kutsutun molekyylin massa, vasta-aine, jota veren immuunisolut tuottavat ja joka voi esiintyä useissa eri muodoissa. Punnitsemalla jokainen molekyyli he pystyivät määrittämään tarkalleen, millainen IgM se oli, vihjaten mahdollisille tuleville lääketieteellisille sovelluksille. Esimerkiksi eräänlainen syöpä, jota kutsutaan Waldenströmin makroglobulinemiaksi, heijastuu IgM-molekyylien erityisellä suhteella potilaan veressä, joten tähän periaatteeseen perustuvat tulevat välineet voisivat seurata verta havaitakseen syöpään viittaavien vasta-aineiden epätasapainon.
Tutkijat näkevät myös tämän tyyppisen laitteen apuna biologisille tutkijoille, jotka tutkivat solun sisällä olevaa molekyylikoneistoa. Koska entsyymit, jotka ohjaavat solun toimintaa, ovat suuresti riippuvaisia molekyylin kiinnittymisistä niiden pinnalle, proteiinien tarkka punnitseminen eri aikoina ja erityyppisissä soluissa voisi auttaa meitä ymmärtämään paremmin soluprosesseja.
Ryhmä ennustaa jopa, että heidän keksinnöllään voisi olla päivittäisiä kaupallisia sovelluksia. Ympäristömonitorit, jotka seuraavat esimerkiksi ilman nanohiukkasten pilaantumista, voitaisiin aktivoida näiden värähtelevien siltojen ryhmillä.
Tärkeää on, tutkijoiden mukaan, laite on rakennettu käyttämällä tavanomaisia puolijohteiden valmistusmenetelmiä - samoja kuin tavanomaisissa sähköpiireissä -, joten se voidaan teoreettisesti skaalata laitteisiin, jotka sisältävät satoja tai kymmeniä tuhansia saman molekyylin antureita, jotka toimivat kerralla. "Kun sisällytetään laitteita, jotka on valmistettu laaja-alaiseen integraatioon liittyvillä tekniikoilla, olemme hyvissä ajoilla luomassa sellaisia instrumentteja", Roukes sanoo.
