Lavorare con un dispositivo che assomiglia leggermente a un microscopico diapason, i ricercatori dell'Università di Tsukuba in Giappone hanno recentemente sviluppato microcantilever accoppiati in grado di effettuare misurazioni di massa dell'ordine dei nanogrammi con solo un margine di errore dell'1%, potenzialmente consentendo la pesatura di singole molecole in ambienti liquidi. I risultati sono pubblicati questa settimana in Lettere di fisica applicata , da AIP Publishing.

I microcantilever accoppiati del gruppo misurano la massa su scala cellulare e subcellulare utilizzando l'oscillazione autoeccitata, un processo in cui la retroazione di un corpo oscillante controlla la fase della fonte di energia che agisce su di esso, consentendo un movimento periodico sostenuto.

"A differenza delle precedenti misurazioni effettuate da cantilever accoppiati, che può rilevare l'esistenza di una piccola massa ma non può misurare quantitativamente la massa, non richiede un ambiente di misurazione speciale, come un vuoto ultraelevato, " disse Hiroshi Yabuno, professore all'Università di Tsukaba in Giappone.

Gli studenti laureati di Yabuno Daichi Endo e Keiichi Higashino hanno eseguito le misurazioni, e Yasuyuki Yamamoto e Sohei Matsumoto, collaboratori presso l'Istituto Nazionale di Scienze e Tecnologie Industriali Avanzate, costruito i microcantilever accoppiati utilizzando metodi di produzione di dispositivi MEMS.

Poiché tutti i processi biologici devono avvenire in un ambiente liquido, questo rende i cantilever del gruppo ideali per processi come il rilevamento dell'ibridazione del DNA e la caratterizzazione, a livello di singola cellula, interi proteomi:dati che mostrano globalmente all'interno di una tale cellula quali proteine ​​sono espresse dove e quando come risultato delle istruzioni contenute nel genoma del DNA di un organismo.

"Dalle caratteristiche del metodo proposto, è facile aspettarsi di poter ottenere la stessa precisione in un ambiente liquido, "ha detto Yabuno.

Il cantilever accoppiato, costruito da un wafer di silicio-isolante-silicio inciso, assomiglia a un minuscolo diapason i cui rebbi misurano 500 per 100 micrometri. I ricercatori hanno testato le capacità del loro cantilever misurando la massa delle microsfere di polistirene, che hanno un diametro medio di 15,0 micrometri, lo stesso ordine di grandezza di una cellula epatica.

Nella loro configurazione, una sfera è stata posta su uno dei rebbi - in un sistema biologico, i campioni sarebbero fissati mediante mobilizzazione covalente, ha detto Yabuno.

I rebbi sono stati quindi entrambi stimolati da un attuatore piezoelettrico, un dispositivo che converte un segnale elettrico in uno spostamento fisico controllato. Per indurre l'oscillazione autoeccitata nei cantilever, il moto dell'attuatore è regolato automaticamente da un opportuno feedback riferito al moto di uno dei cantilever.

La presenza della sfera su uno dei rebbi determina un rapporto di differenza di massa tra i due, che influenza le conseguenti vibrazioni, misurato da una coppia di vibrometri laser Doppler e osservato nell'analisi spettrale delle frequenze oscillanti del cantilever.

"Il metodo può essere applicato a più dimensioni ridotte, su scala nanometrica, cantilever accoppiati, " Disse Yabuno. "Ci si può aspettare che realizzi la misurazione della massa infinitesimale, che è impossibile nei metodi esistenti, anche in qualsiasi ambiente di misurazione."

Il lavoro futuro di Yabuno e dei suoi colleghi prevede l'utilizzo dei cantilever per ottenere misurazioni quantitative ad alta precisione di campioni biologici come cellule umane e DNA in mezzi liquidi.