La spettroscopia di massa, cioè l’identificazione di specie dalla misurazione della massa molecolare, è un importante strumento analitico nella ricerca chimica e biologica: nel tempo questa tecnica ha assunto un ruolo sempre più dominante nelle scienze della vita e in medicina e ora è probabilmente il pilastro della proteomica. Gli spettrofotometri – che sono capaci di un’alta risoluzione in un intervallo di masse oltre diverse centinaia di chilo dalton (il dalton, Da, è l’unità di massa atomica unificata) – sono stati utilizzati per comprendere le strutture di complessi insiemi proteici, ma questo intervallo è uguale o superiore al limite di molte tecniche convenzionali di spettroscopia di massa: fino ad ora non è stato possibile ottenere informazioni sulla massa di singole molecole o nanoparticelle.
I ricercatori del California Institute of Technology (Caltech) guidati da Michael Roukes, in collaborazione con un greuppo del Laboratoire d’électronique des technologies de l’information (CEA-LETI) di Grenoble, hanno costruito un dispositivo denominato “risuonatore nano elettromeccanico” basato sulla spettroscopia di massa (NEMS-MS, NanoElectroMechanical Systems-Mass Spectrometry) che consente di misurare la massa di una singola molecola in tempo reale, analizzando le variazioni delle vibrazioni causate dalla particella quando viene posata sul congegno. I risultati sono stati pubblicati sull’ultimo numero di agosto di Nature Nanotechnology.
Già nel 2009 il gruppo del professor Roukes aveva progettato un prototipo di NEMS-MS, ma questo aveva mostrato un grande limite, perchè la variazione della frequenza di risonanza indotta dall’adsorbimento dell’analita dipendeva sia dalla massa di quest’ultimo sia dalla precisa posizione dell’adsorbimento sul risuonatore: bisognava ripetere le misurazioni con centinaia di particelle identiche per poter fornire una stima della massa e ciò comportava un’enorme perdita di tempo e un estenuante lavoro sperimentale.
Il cuore del nuovo prototipo del NEMS-MS è il risuonatore, che è costituito da una struttura vibrante di silicio lunga dieci micrometri e largo trecento nanometri: lo strumento permette di convertire le vibrazioni del risuonatore in un segnale elettrico. Una singola molecola posta sulla struttura vibrante cambia la frequenza di oscillazione di quest’ultima e dalla variazione i ricercatori possono dedurre sia la massa della particella sia il punto in cui questa si è posata. Si è inoltre scoperto che è necessaria l’analisi dei soli primi due ordini vibrazionali del dispositivo per un risultato completo: il primo ordine di vibrazione è quello per il quale il punto centrale dell’asta compie la massima oscillazione, mentre il secondo ordine si riferisce alle vibrazioni in direzioni opposte delle due metà dell’asta.
Spiega Mehmet Selim Hanay, coinvolto nel progetto: «Ogni misura permette quindi di determinare la massa di una singola particella, cosa che non era possibile con la precedente versione del risuonatore». Gli scienziati dei due istituti hanno dimostrato il potenziale del NEMS, basato sulla spettroscopia di massa, nel misurare la massa di macromolecole proteiche singole in tempo reale: in particolare NEMS-MS può arrivare sopra i 500 kDa, mentre la performance dei sistemi di spettroscopia convenzionali raggiunge masse più elevate: si spera di migliorare il sistema NEMS-MS fino al punto di permettere lo studio e la misurazione di particelle di dimensioni di pochi Dalton.