Физики из Калифорнийского технологического института в сотрудничестве с Лабораторией электроники и информационных технологий при Комиссариате атомной и альтернативной энергетики (CEA-LETI) в Гренобле создали первое электромеханическое устройство, способное измерять массу единичных молекул.

Основным элементом нановесов является вибрирующая изогнутая пластинка длиной в несколько микрометров, подключённая к микроэлектродам. Когда молекула вещества приходит в соприкосновение с пластинкой, частота колебаний последней изменяется пропорционально массе частицы.

Устройство нановесов по данным сканирующей электронной микроскопии (фото: Caltech / Scott Kelberg and Michael Roukes)

Устройство базируется на двенадцатилетних разработках в области наноэлектромеханических систем (NEMS). Принцип работы его основного компонента был впервые описан в 2009 году – тогда появился первый резонатор, реагирующий на отдельные микрочастицы. Понадобилось ещё три года изысканий для повышения чувствительности и создания на его основе полноценных высокоточных весов.

Основная проблема заключалась в том, что на изменение частоты влияла не только масса частицы, но и место её соприкосновения с пластинкой, а также слабые взаимодействия, обусловленные распределением электронной плотности. Устранить эти неопределённости стало возможным благодаря отказу от схемы простых периодических колебаний в пользу вибрационных моделей.

В новых весах пластинка постоянно переключается между предустановленными режимами вибрации, а по суммарной картине изменения частот можно точно судить о массе частицы, даже если она будет представлена отдельной молекулой.

В отличие от масс-спектрометрии, для работы с новым методом нет необходимости в предварительной ионизации миллионов частиц. Впервые стало возможным быстро измерять массу отдельных молекул в нативном виде.

Отдельным преимуществом новинки является способность точно определять массу высокомолекулярных органических веществ, которые трудно ионизируются. Речь идёт о белковых молекулах, липопротеинах, иммуноглобулинах, вирусах и других частицах, определение которых классическими методами затруднено.

Нановесы будут крайне востребованы во многих современных областях, включая микробиологию, иммунологию, фармакологию, генетику и наноконструирование.