Only Perception: 首款奈米級質譜儀「秤」出一個分子的質量

2009-07-24

首款奈米級質譜儀「秤」出一個分子的質量

First nanoscale mass spectrometer created
http://www.physorg.com/news167490673.html

July 22nd, 2009

利用大小只有百萬分之一公尺的裝置，加州理工學院（Caltech）的物理學家已開發出一種技術，能「即時」測量單一個分子的質量。

傳統上分子的質量是利用質譜儀（mass spectrometry）來測量，其中，由成千上百個分子所組成的樣本被離子化，以產生帶電版本的分子，即離子。這些離子接著被導向一電場，在此它們的運動（其質量與電荷都經過精心安排），能測定其質荷比。於此，它們的質量最終能被確定。

這項新技術，由 Michael L. Roukes（加州理工一位物理學、應用物理與生物工程教授，加州理工 Kavli 奈米科學研究所副主管）及其同僚發展超過 10 年以上，並利用非常微小的奈米機電系統（NEMS）共振器（resonators）將這個過程簡化與微型化。這個如橋樑般的共振器（那有 2 微米長與 100 奈米寬）在高頻下振動，並有效地充當質譜儀的「秤（scale）」。

"這個共振器振動的頻率與其質量直接成比例，" 研究物理學家 Askshay Naik 表示，一篇出現在最新一期 Nature Nanotechnology 上，有關該研究之論文的第一作者。振動頻率的變化，接著與質量的改變相符。

"當一個蛋白質落在共振器上，它會導致共振器的振動頻率減少，而頻率的偏移與蛋白質的質量成比例，" Naik 說。

如同論文中所描述的，這些研究者利用這套儀器來測量牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）這種蛋白的質量，那已知具有 66 kilodaltons（kDa，dalton，道耳吞、道爾頓，是一種質量單位，用來描述原子與分子的質量，1 dalton 約等於一個氫原子的質量）的質量。

BSA 蛋白離子是利用一種電灑游離（electrospray ionization，ESI）系統，以蒸汽形態產生。這些離子接著噴灑在 NEMS 共振器上，那在 450 MHz 的頻率下振動。"抵達這個 NEMS 的蛋白質通量，猶如一分鐘內只有一到二個蛋白落在共振器上，" Naik 表示。

當 BSA 蛋白分子落在共振器上時，該共振器的振動頻率減少達 1.2 kHz -- 一種小，但很容易偵測的變化。相較之下，β-澱粉酶（beta-amylase）蛋白分子，其質量約 200 kDa，或 BSA 的三倍，導致約 3.6 kHz 的最大頻率偏移。

Naik 表示，原則上應能使用這套系統來測量質量上 1 dalton 的差異，那相當於單個氫原子，不過這將需要次世代的、基於奈米線的裝置，那更小且甚至有更好的雜訊表現。

因為蛋白質降落在共振器上的位置也會影響頻率偏移 -- 例如，落在共振器中央會導致比落在中央二側與兩端還要更大的改變 -- "再已發表的研究中，我們無法在單一測量中分辨質量，而是要大約 500 次的頻率跳躍，" Naik 說。在未來，研究者們將使質量的測量與被取樣分子的降落位置去耦合（decouple）。這項技術，他們已經製作出原型，將很快使複雜混合物的質譜（mass spectra）能被建立，一個分子接著一個分子。

最後，Roukes 等人希望創造出或許有數千個這種 NEMS 質譜儀的陣列，以平行方式運作，那能夠「立即」測定成千上百個分子的質量，Naik 說。

如 Roukes 所指，"生命科學的次世代儀器 -- 尤其是系統生物學，那能使我們對生物系統進行逆向工程 -- 須以非常高的輸出才能使蛋白質體的（proteomic）分析成為可能。我們方法的潛在力量是，它是基於半導體的微電子學製造，那允許或許是人類最複雜技術的創造。"

※ 相關報導：

＊ Towards single-molecule nanomechanical mass spectrometry
http://www.nature.com/nnano/journal/v4/n7/abs/nnano.2009.152.html

A. K. Naik, M. S. Hanay, W. K. Hiebert, X. L. Feng &
M. L. Roukes
Nature Nanotechnology 4, 445 - 450 (2009)
doi: 10.1038/nnano.2009.152

...Here, we report the first demonstration of mass spectrometry based on single biological molecule detection with a nanoelectromechanical system. In our nanoelectromechanical–mass spectrometry system, nanoparticles and protein species are introduced by electrospray injection from the fluid phase in ambient conditions into vacuum, and are subsequently delivered to the nanoelectromechanical system detector by hexapole ion optics. Precipitous frequency shifts, proportional to the mass, are recorded in real time as analytes adsorb, one by one, onto a phase-locked, ultrahigh-frequency nanoelectromechanical resonator. These first nanoelectromechanical system–mass spectrometry spectra, obtained with modest mass sensitivity from only several hundred mass adsorption events, presage the future capabilities of this approach. We also outline the substantial improvements that are feasible in the near term, some of which are unique to nanoelectromechanical system based-mass spectrometry.