Van dit verhaal
[×] SLUITEN
VIDEO: 36 ongebruikelijke meeteenheden - mental_floss op YouTube (Ep.10)
Een elektronenaftastende microfoto van het molecuulweegapparaat. Wanneer een molecuul op het brugachtige deel in het midden landt, trilt het met een frequentie die zijn massa aangeeft. Afbeelding via Caltech / Scott Kelberg en Michael Roukes
Hoeveel denk je dat een molecuul weegt? Een molecuul, dat een enkele groep gebonden atomen is - de twee waterstofatomen en één zuurstof die bijvoorbeeld H2O vormen - is bijna onbegrijpelijk klein. Een mol water, dat ongeveer 0, 64 ounces is, heeft 602.214.078.000.000.000.000.000 moleculen. Moleculen zijn kortom heel, heel, heel klein.
Tot nu toe konden wetenschappers alleen de massa van grote groepen moleculen berekenen, door ze te ioniseren (ze een elektrische lading te geven) en vervolgens te zien hoe sterk ze een interactie aangingen met een elektromagnetisch veld, een techniek die bekend staat als massaspectrometrie. Ze hadden echter geen enkele manier om de massa van een enkel molecuul te meten.
Maar gisteren hebben wetenschappers van Caltech de uitvinding aangekondigd van een apparaat dat de massa van een afzonderlijke molecule direct meet. Zoals beschreven in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology, is het kleine apparaat gebouwd rond een brugachtige structuur die trilt met een specifieke frequentie op basis van de massa van het molecuul erop. Door de trillingsfrequentie van de brug nauwkeurig te volgen, kunnen ze de exacte massa van het molecuul bepalen.
"De kritische vooruitgang die we in dit huidige werk hebben geboekt, is dat we nu moleculen kunnen wegen - een voor een - zodra ze binnenkomen, " zegt Michael Roukes, de hoofdonderzoeker van het laboratorium dat het papier heeft geproduceerd. "Niemand heeft dit ooit eerder gedaan."
Voor het blote oog is het apparaat in wezen onzichtbaar - de schaal onderaan het microscoopbeeld hierboven is twee micron lang, of twee miljoenste van een meter. De trillende brug in het midden staat technisch bekend als een nano-elektromechanische systeemresonator en is al meer dan tien jaar in ontwikkeling.
In eerder werk, gepubliceerd in 2009, toonden de onderzoekers aan dat ze de massa deeltjes die op het apparaat werden gesproeid konden meten, maar met één beperking: het was niet gevoelig genoeg om slechts één molecuul per keer te meten. Omdat de specifieke locatie waar een deeltje landde de trillingsfrequentie beïnvloedde, en de wetenschappers geen manier hadden om precies te weten waar dit zou zijn, moesten ze enkele honderden identieke deeltjes toepassen om een gemiddelde te vinden, dat de massa onthulde.
De vooruitgang maakt gebruik van een nieuw inzicht in de manier waarop de trillingsfrequentie van de brug verandert wanneer er een molecuul op wordt gesproeid. De trillingen treden gelijktijdig op in twee modi: de eerste modus is zwaaiend van links naar rechts, terwijl de tweede modus optreedt in de vorm van een oscillerende S-vormige golf die op en neer de brug beweegt. Door precies te analyseren hoe elk van deze modi verandert wanneer het molecuul het apparaat raakt, ontdekten de onderzoekers dat ze de positie en dus de exacte massa ervan konden bepalen.
In de studie hebben de onderzoekers de effectiviteit van het hulpmiddel aangetoond door de massa te meten van een molecuul genaamd immunoglobuline M of IgM, een antilichaam dat wordt geproduceerd door immuuncellen in het bloed en dat in verschillende vormen kan bestaan. Door elke molecule te wegen, konden ze precies bepalen wat voor soort IgM het was, wat duidde op mogelijke toekomstige medische toepassingen. Een soort kanker die bekend staat als Waldenström macroglobulinemie, bijvoorbeeld, wordt weerspiegeld in een bepaalde verhouding IgM-moleculen in het bloed van een patiënt, dus toekomstige instrumenten die op dit principe voortbouwen, kunnen bloed controleren om antilichaamonevenwichtigheden aan te duiden die wijzen op kanker.
De wetenschappers zien dit type apparaat ook als een hulpmiddel voor biologische onderzoekers die de moleculaire machines in een cel onderzoeken. Omdat de enzymen die de werking van een cel aansturen sterk afhankelijk zijn van moleculaire aanhechtingen op hun oppervlak, kan het nauwkeurig wegen van eiwitten op verschillende tijdstippen en in verschillende soorten cellen ons helpen cellulaire processen beter te begrijpen.
Het team voorspelt zelfs dat hun uitvinding dagelijkse commerciële toepassingen zou kunnen hebben. Milieumonitors die nanodeeltjesvervuiling in de lucht volgen, kunnen bijvoorbeeld worden geactiveerd door arrays van deze trillende bruggen.
Belangrijk is, zeggen de wetenschappers, dat het apparaat is geconstrueerd met behulp van standaard halfgeleiderfabricagemethoden - dezelfde die wordt gebruikt in gangbare elektrische circuits - dus het kan theoretisch worden opgeschaald naar apparaten met honderd- of tienduizenden sensoren met één molecuul die tegelijkertijd werken. "Met de integratie van de apparaten die zijn gemaakt door technieken voor grootschalige integratie, zijn we goed op weg om dergelijke instrumenten te maken", zegt Roukes.
