Werken met een apparaat dat enigszins lijkt op een microscopisch kleine stemvork, onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba in Japan hebben onlangs gekoppelde microcantilevers ontwikkeld die massametingen kunnen doen in de orde van nanogrammen met een foutmarge van slechts 1 procent, waardoor het mogelijk is om individuele moleculen in vloeibare omgevingen te wegen. De bevindingen worden deze week gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven , van AIP Publishing.

De gekoppelde microcantilevers van de groep meten massa op cellulaire en subcellulaire schaal door gebruik te maken van zelf-opgewonden oscillatie, een proces waarbij de terugkoppeling van een oscillerend lichaam de fase regelt van de krachtbron die erop inwerkt, waardoor een aanhoudende periodieke beweging mogelijk is.

"In tegenstelling tot eerdere metingen met gekoppelde uitkragingen, die het bestaan ​​van een kleine massa kan detecteren, maar de massa niet kwantitatief kan meten, het vereist geen speciale meetomgeving, zoals een ultrahoog vacuüm, " zei Hiroshi Yabuno, een professor aan de Universiteit van Tsukaba in Japan.

Yabuno's afgestudeerde studenten Daichi Endo en Keiichi Higashino voerden de metingen uit, en Yasuyuki Yamamoto en Sohei Matsumoto, medewerkers van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, construeerde de gekoppelde microcantilevers met behulp van MEMS-apparaatproductiemethoden.

Omdat alle biologische processen in een vloeibare omgeving moeten plaatsvinden, dit maakt de uitkragingen van de groep ideaal voor processen zoals het detecteren van DNA-hybridisatie en karakterisering, op het niveau van een enkele cel, hele proteomen - gegevens die globaal in zo'n cel laten zien welke eiwitten waar en wanneer tot expressie worden gebracht als gevolg van instructies in het DNA-genoom van een organisme.

"Van de kenmerken van de voorgestelde methode, het is gemakkelijk te verwachten dat we dezelfde nauwkeurigheid kunnen verkrijgen in een vloeibare omgeving, ' zei Yabuno.

De gekoppelde uitkraging, opgebouwd uit een geëtste silicium-isolator-siliciumwafel, lijkt op een kleine stemvork waarvan de uitsteeksels 500 bij 100 micrometer meten. De onderzoekers testten de capaciteiten van hun cantilever door de massa van polystyreenmicrosferen te meten, die een gemiddelde diameter van 15,0 micrometer hebben - dezelfde orde van grootte als een levercel.

In hun opstelling, een bol werd op een van de uitsteeksels geplaatst - in een biologisch systeem, monsters zouden worden aangebracht door covalente mobilisatie, zei Yabuno.

De uitsteeksels werden vervolgens beide gestimuleerd door een piëzo-actuator, een apparaat dat een elektrisch signaal omzet in een gecontroleerde fysieke verplaatsing. Om zelf opgewekte oscillatie in de cantilevers te induceren, de beweging van de actuator wordt automatisch aangepast door een geschikte feedback die verwijst naar de beweging van een van de cantilevers.

De aanwezigheid van de bol op een van de tanden resulteert in een massaverschilverhouding tussen de twee, die de daaruit voortvloeiende trillingen beïnvloedt, zoals gemeten door een paar laser Doppler-vibrometers en waargenomen in spectrumanalyse van de oscillerende frequenties van de cantilever.

"De methode kan worden toegepast op kleinere, nanoschaal, gekoppelde uitkragingen, Yabuno zei. "Het kan worden verwacht om de meting van oneindig kleine massa te realiseren, wat met bestaande methoden onmogelijk is, zelfs in elke meetomgeving."

Toekomstig werk voor Yabuno en zijn collega's omvat het gebruik van de cantilevers om zeer nauwkeurige kwantitatieve metingen van biologische monsters zoals menselijke cellen en DNA in vloeibare media te verkrijgen.