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美国加州理工学院近日开发出仅有百万分之一米大小的纳米电子机械系统(NEMS)谐振器，可实时测定单个分子的质量。该成果刊登在最近一期的《自然•纳米技术》杂志上。
过去，科学家一直依靠现有质谱分析技术测量分子的质量，程序十分繁琐。首先要将被测样品中成千上万的分子离子化，使其呈带电状态，然后将这些离子引入电场，根据它们的运动状态确定其质荷比，进而确定它们的质量。
加州理工学院的物理学、应用物理学和生物工程学教授兼该校纳米科学研究所主任迈克尔•L•若克斯及其同事经过十多年努力，开发出一种微型NEMS谐振器，有效简化了分子质量测量的程序，并使测量器械微型化。这种2微米长、100纳米宽的桥状谐振器，具有很高的振动频率，可有效充当质谱仪的“度量标尺”。
研究论文的第一作者、物理学家阿斯科沙伊•奈克指出，谐振器的振动频率与其所测量目标的质量成正比，振动频率的变化会与被测物的质量变化契合。将一个蛋白放到谐振器上后，谐振器的振动频率就会下降，而通过这种频率转换即可测定蛋白的质量。
研究人员使用该仪器测试了牛血清白蛋白(BSA)的蛋白质量，其结果为66千道尔顿(道尔顿是表示原子或分子质量的单位，1道尔顿大约与一个氢原子的质量相当)。他们首先使用电喷雾离子化(ESI)系统使BSA蛋白离子处于蒸汽态，然后将其喷射到振动频率为450兆赫兹的NEMS谐振器上，使谐振器的振动频率降低了1.2千赫兹。相比之下，淀粉酶的蛋白分子所引起的频率转换大约为3.6千赫兹，其蛋白质量约为200千道尔顿，是BSA蛋白质量的3倍。
奈克指出，谐振器振动频率的变化还会受到被测分子在谐振器上所处位置的影响，在中心位置引起的频率变动幅度大于边缘位置引起的变动幅度。因此，不能仅依靠一次测量就确定分子质量的大小，大约需要500次的频率转换才会得到更精确的结果。将来，研究人员会设法使质量测量免除分子位置点的干扰。目前这套技术设备已有了原型。原则上，这种系统的测量精度可达1道尔顿，相当于一个氢原子的质量。但这是下一代装置才能达到的目标，它不仅要更精细小巧，还要具有更好的噪声性能。而研究小组则希望能创建或许含有成千上万个NEMS谐振器的阵列，通过并行工作，以“在一瞬间”确定成千上万个分子的质量。
若克斯教授指出，随着生命科学研究的深入，越来越需要进行大量的蛋白质组学分析，下一代用于相关研究的仪器，尤其是用于系统生物学研究的仪器，一定要能完成这样的任务。而半导体微电子加工工艺的发展，使这种仪器的研制成为可能。
此项研究工作得到了美国国立卫生研究院、美国国防部高级研究计划局以及美国空间和海上作战司令部的支持。