柯朴 2004年04月27日 17:11
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50纳米的黄金圆点熔化在大约4微米长的悬臂振荡器的末端。
黄金圆点表层沉淀是厚度为一个分子、质量为6×10-18克的
含硫化学药品。（图片由康奈尔大学Craighead小组提供） |
康奈尔大学的研究人员利用亚显微仪器已经能够检测出单个细胞的质量。现在他们正在把目标对准病毒，他们使用的天平测量等级已经小到了难以形容的10
-21量级。
此项研究的带头人、康奈尔大学工程学教授Harold Craighead报告说，他们通过记录微小的振荡悬臂在振动周期中，每增加一次质量而产生的变化来测量像6×10
-18克物质的质量。
研究人员把亚显微仪器称为纳米电子机械系统，缩写为NEMS，其大小要用毫微米来测量（宽度相当于3个硅原子），而现在NEMS测量质量的精度达到了10
-18量级。例如一个小病毒的质量大约10×10
-18克。
这项研究是先前检测10的-15次方克级质量等级实验的延伸，实验中包括测量单个E.大肠杆菌细菌的质量大约为665×10
-15克。最近的一个实验，通过减小NEMS悬臂尺寸并将它们封闭装入真空中而提高了测量的灵敏度。研究人员最后说，这个技术可以应用于检测和识别微小生物和生物分子。
研究人员采用硅和氮化硅材料制成微小的悬臂。设想它是长4微米、宽500毫微米的跳水板，恰似你在跳水板上起跳落下产生振动一样，微小的悬臂也能在外加电场的作用下或激光照射下开始运动。激光灯照射在NEMS上并通过观察反射光的变化来测量出振动频率。这个技术与去年制作康奈尔纳米吉他的技术相似，纳米吉他是为了证明纳米制造的可能性。
一个物体的振动频率除了受其他作用外也受质量的作用，吉他的重音弦比轻音弦振动慢一些并且发出低音调。这些微小的悬臂以无线电波的频率在1至15兆赫范围内振动，正因为它们从如此小的计量级开始以至于只要增加很微小的质量，就能产生可测量的频率变化。
对于细胞检测，研究人员在悬臂上涂上带E.大肠杆菌的抗体，然后把仪器浸在盛有细胞的溶液里。一些细胞就附着在仪器表面上，这样额外的质量变化就改变了振动频率。在正好只有一个细胞附在悬臂上的一种情况下，也就有可能检测单个细胞的质量了。
通常，抗体也与病毒颗粒或蛋白质一起附着在悬臂上，研究人员说，《应用物理》杂志上报告的实验是，他们把直径50纳米的微小黄金圆点附着在悬臂的末端。这些金点在有能够自然与之结合的含硫有机化学物质存在的情况下，在表面会形成由几百个分子组成的单细胞层。从这些导致的振动频率的变化，研究者可以计算出附着到典型的50纳米金点上的质量是6.3×10
-18克。
在测试不同的悬臂长度和另一种类型的两端之间悬浮的振荡器之后，研究人员计算出可测量的最低质量为0.37×10
-18克。他们表示，利用这种精确度，NEMS的测量范围可以扩展到10
-21克量级，或10
-18的千分之一。通过把适当的抗体或其他能附着于研究对象的材料涂在悬臂上，NEMS的灵敏度可以使其用于检测和确定DNA分子、蛋白质和其他生物分子。
Craighead教授的研究生助手Ilic报告说，他们已经完成病毒的测量，只是现在的报纸还没有报道。
该项研究报告发表在4月1日出版的《应用物理》杂志上。
