極小のバスルーム スケールのように、小さな振動ギズモが個々の分子の重さを量ることができる、と物理学者のチームは報告しています。この新しいデバイスは、分子の質量を測定して分子を特定する科学である質量分析の新しい領域を開く可能性があります。ただし、この手法の最終的な有用性についてはさまざまな意見があります。
「これが一般化された質量分析にどの程度適用されるかは、時が経てばわかります」と、メリーランド州ゲイザースバーグにある国立標準技術研究所の生物物理学者である John Kasianowicz は言う。 「しかし、これは大きな進歩だと思います。」
従来の質量分析では、磁場を使用して荷電分子の経路を曲げます。それらのパスがどれだけ曲がっているかによって、それらの質量が明らかになります。しかし、この手法は、陽子の約 100 万倍の重さのジャンボ生体分子には理想的ではありません。たとえば、これらの重い分子は非常にゆっくりと移動するため、磁場の反対側にある従来の粒子検出器をトリガーしません。
そのため、科学者は代替案を模索しています。パサデナにあるカリフォルニア工科大学 (Caltech) の Michael Roukes と彼のチームは、10 年以上にわたり、シリコンなどの材料から切り出された小さな振動梁を実験してきました。約 1 兆分の 1 グラムの重さのこのような梁は、通常、谷に架かる橋のように隙間にまたがり、1 秒あたり数百万サイクルで左右に振動させることができます。
原則として、このようなデバイスは分子の質量を測定できます。分子がそのようなビームに付着すると (物理吸着と呼ばれるプロセスを介して)、追加された質量によってビームがより低い周波数で振動します。したがって、分子の質量を測定するには、研究者はその周波数シフトを測定するだけで済みます。
ただし、問題があります。周波数シフトは、分子がビームのどこに着地するかにも依存するため、ビームの中央に着地する軽い分子は、一方の端近くに着地する重い分子と同じ周波数シフトを生成する可能性があります。
現在、Roukes 氏と彼のポスドク Mehmet Selim Hanay 氏、およびカリフォルニア工科大学とグルノーブルのフランス原子力委員会の同僚は、そのあいまいさを回避する方法を見つけました。鍵となるのは、橋を 2 つの異なる周波数で同時に振動させることである、と研究者らは今月の Nature Nanotechnology で報告しています。 .
ギターの弦のように、ブリッジは異なるパターンの動き、つまりモードで振動することができ、それぞれが独自の周波数を持っています。最低周波数モードでは、ビーム全体が左右に曲がります。 (図、右上の差し込み図を参照してください。) 次の高周波数モードでは、ブリッジの 2 つの半分が反対方向に湾曲しますが、中央の点は静止したままです。 (図、左下の挿入図を参照してください。) 実際、ビームはこれらの両方のモードで同時に振動することができます。分子がブリッジにくっつくと、両方のモードの周波数が異なる量だけ低下します。これらの 2 つの周波数シフトから、科学者はビーム上の分子の位置とその質量の両方を推測できます。
それを証明するために、彼らは金ナノ粒子が振動しているシリコンビームに引っ掛かったときの質量を測定しました。 2 つ目の原理実証では、長さ 10 マイクロメートル、幅 300 ナノメートル、厚さ 160 ナノメートルの同様の橋に着陸する抗体ヒト免疫グロブリン M の分子の質量を測定しました。分子は一般に凝集してマルチユニット複合体を形成し、研究者は各複合体のユニット数を決定しました。
カシアノウィッツ氏によると、個々の分子を測定できる技術は他にあまりありません。たとえば、彼と同僚は、個々の分子がナノメートルサイズの細孔に閉じ込められる方法を開発しました。しかし、彼自身の方法と比較して、振動ビームはより多くのアプリケーションを持っている可能性があると彼は言います。 「これは、質量分析におけるジレットのかみそりになる可能性があります」と彼は言います。 「チップを 3 ～ 4 回使ってから捨てる。」
Roukes は、振動ビーム技術は従来の質量分析法と互角に渡り合うことさえできると考えている。たとえば、彼は一連のセンサーを使用して、ヒト血清中のすべてのタンパク質、いわゆる血漿プロテオームを特定することを想定しています。
その提案は眉をひそめます。 「私たちは多くの血漿プロテオーム研究を行っており、その[アイデア]は本当にそれを拡張しています」とナッシュビルのヴァンダービルト大学の分析化学者であるジョン・マクリーンは言います. Roukes の技術は質量のみを測定し、分子を化学的に特定するものではない、と McLean は述べている。
それでも、McLean は、この新しい技術は、陽子の 100 万倍から 1000 万倍の質量を持つ分子を研究するのに理想的であり、その範囲は従来の質量分析には重すぎ、電子顕微鏡などの他の技術には軽すぎると考えています。この無人の大衆の土地で、それにとって本当に良いニッチです."
