Юный техник, 2010 № 04

ЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКА Сколько весит ДНК?

На обычных торговых весах точность взвешивания не превышает нескольких граммов. Точность аптечных весов — 5 — 10 мг. Хорошие аналитические весы способны фиксировать микрограммы. Но с меньшими массами весам, использующим земную гравитацию, справиться трудно. Для взвешивания отдельной бактерии, вируса или биологической молекулы был нужен иной подход.

В центре нанотехнологий Корнеллского университета взяли за основу для создания сверхчувствительных весов… доску трамплина для прыжков в воду.

«Трамплин» для микромасс.

Если вы смотрели соревнования по прыжкам в воду, то наверняка замечали, как вибрирует трамплин сразу после прыжка. Причем период колебаний трамплина зависит от его массы — чем она больше, тем период больше.

Понятное дело, для микромасс нужен и соответственно миниатюрный «трамплин». Изготовленный из кремния крошечный кронштейн имеет длину всего 4 мкм и полмикрона в ширину. Без нагрузки он колеблется с частотой 10–15 МГц, то есть 10–15 миллионов колебаний в секунду. Но если на него поместить небольшой груз, частота собственных колебаний системы уменьшается примерно на 50 Гц на каждый аттограмм массы (см. «Подробности для любознательных»).

Собственную частоту кронштейна с образцом определяют, воздействуя на него переменным электрическим полем. Частоту воздействия плавно меняют, наблюдая по отражению лазерного луча за амплитудой колебаний. Как только наступает резонанс и амплитуда колебаний резко увеличивается — измерение сделано, подачу тока тут же прекращают.

Весы-трамплин оказались настолько чувствительны, что, например, для взвешивания бактерий они уже не годятся — тут нужно устройство погрубее. Дело в том, что, например, традиционная для микробиологических исследований Echerichia coll размером 1,4x0,7 микрона весит примерно 660 фемтограммов. Для самых чувствительных в мире весов это слишком большая масса, поэтому бактерию взвешивали на устройстве предыдущего поколения. Различные вирусные частицы весят от 1,5 фемтограмма до 10 аттограммов.

Последнее достижение корнеллских ученых — определение массы одиночной цепочки ДНК. Оказалось, что 1578 нуклеотидов имеют массу около 1 аттограмма. А предельная чувствительность экстремальных корнеллских весов уже перешагнула аттограммовый порог и измеряется сотнями зептограммов.

P.S. И все же абсолютный рекорд принадлежит ныне не Корнеллскому, а Калифорнийскому технологическому университету. Там вместо кремния использовали более твердый карбид кремния, а вместо кронштейна сделали пружинящий мостик длиной 1 мкм и шириной четверть микрона, вибрирующий на частоте около 190 МГц. Это уникальное устройство позволило измерить массу всего в 7 зептограммов, что соответствует 30 атомам ксенона.

Увеличенный фрагмент «трамплина» весов, снятый сканирующим туннельным микроскопом.

ЧТО СКОЛЬКО ВЕСИТ?..

Один грамм весит один кубический сантиметр воды.

Один миллиграмм (т. е. 10^-3 г) — волос средней длины.

Один микрограмм (10^-4 г) — пылинка.

Один нанограмм (10^-8 г) — колония микробов.

Один пикограмм (10^-12 г) — одиночная бактерия.

Один фемтограмм (10^-15 г) — вирус.

Один аттограмм (10^-18 г) — большая макромолекула.

Один зептограмм (10^-21 г) — малая молекула.

Один йоктограмм (10^-24 г) — протон.