Создан первый масс-спектрометр в наномасштабе

Масса молекулы традиционно измеряется при помощи масс-спектрометрии, при которой образцы, содержащие десятки тысяч молекул, ионизируются для получения заряженных молекул или ионов. Эти ионы затем помещаются в электрическое поле, где их движение, обусловленное зарядом и массой, позволяет определить отношение массы к заряду. Исходя из этого, масса таких частиц может быть определена однозначно.

Новый метод, разработанный в результате 10-летней работы Майклом Руксом (Michael Roukes), профессор физики Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology, Caltech), и его коллегами, упростил и миниатюризировал процесс за счет использования крошечных NEMS-резонаторов (nanoelectromechanical system). Мостовые резонаторы 2 мкм длиной и 100 нм шириной колеблются с высокой частотой и служат измерительным механизмом масс-спектрометра.

"Частота, на которой колеблется резонатор, прямо пропорциональна его массе", — объясняет Эскшей Найк (Askshay Naik), участник исследования. Соответственно, изменение частоты колебаний связано с изменением массы. Исследователи использовали этот инструмент для испытания образца альбумина бычьей сыворотки (bovine serum albumin, BSA), который имеет массу 66 кДа. Ионы этого белка образуются за счет электрораспылительной ионизации. Эти ионы распыляются на NEMS-резонатор, который осуществляет колебания на частоте 450 МГц.

Поток белков, достигающих NEMS, таков, что только 1-2 белка попадают на резонатор за минуту. Когда молекула BSA-белка падает на резонатор, частота колебаний резонатора уменьшается на 1,2 кГц, и это изменение легко обнаруживается. Но поскольку место падения белка на резонатор также оказывает влияние на величину изменения частоты колебаний резонатора, нельзя говорить о массе образца после одного измерения, поэтому необходима выборка из порядка 500 замеров, о чем справедливо напоминают ученые. Но в будущем исследователи планируют развести измерения массы от точки падения молекулы при создании выборки.

Эта методика в скором времени позволит проводить масс-спектрометрические исследования сложных смесей, молекулу за молекулой. И в конечном счете, Рукс вместе с коллегами надеются создать массивы сотен тысяч NEMS-спектрометров, работающих одновременно, для мгновенного определения масс сотен тысяч молекул.