Travailler avec un appareil qui ressemble légèrement à un diapason microscopiquement minuscule, des chercheurs de l'Université de Tsukuba au Japon ont récemment développé des micro-porte-à-faux couplés qui peuvent effectuer des mesures de masse de l'ordre du nanogramme avec seulement une marge d'erreur de 1%, permettant potentiellement de peser des molécules individuelles dans des environnements liquides. Les résultats sont publiés cette semaine dans Lettres de physique appliquée , des éditions AIP.

Les micro-porte-à-faux couplés du groupe mesurent la masse à l'échelle cellulaire et subcellulaire en utilisant une oscillation auto-excitée, un processus dans lequel la rétroaction d'un corps oscillant contrôle la phase de la source d'alimentation agissant sur lui, permettant un mouvement périodique soutenu.

"Contrairement aux mesures précédentes faites par des cantilevers couplés, qui peut détecter l'existence d'une petite masse mais ne peut pas mesurer quantitativement la masse, il ne nécessite pas d'environnement de mesure particulier, comme un ultravide, " dit Hiroshi Yabuno, professeur à l'Université de Tsukaba au Japon.

Les étudiants diplômés de Yabuno, Daichi Endo et Keiichi Higashino, ont effectué les mesures, et Yasuyuki Yamamoto et Sohei Matsumoto, collaborateurs de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées, construit les microporte-à-faux couplés à l'aide de méthodes de fabrication de dispositifs MEMS.

Comme tous les processus biologiques doivent avoir lieu dans un environnement liquide, cela rend les cantilevers du groupe idéaux pour des processus tels que la détection de l'hybridation de l'ADN et la caractérisation, au niveau de la cellule unique, protéomes entiers :données qui montrent globalement au sein d'une telle cellule quelles protéines sont exprimées où et quand à la suite d'instructions contenues dans le génome de l'ADN d'un organisme.

« D'après les caractéristiques de la méthode proposée, il est facile de s'attendre à obtenir la même précision dans un environnement liquide, " dit Yabouno.

Le porte-à-faux couplé, construit à partir d'une plaquette de silicium-isolant-silicium gravée, ressemble à un petit diapason dont les dents mesurent 500 sur 100 micromètres. Les chercheurs ont testé les capacités de leur porte-à-faux en mesurant la masse de microsphères de polystyrène, qui ont un diamètre moyen de 15,0 micromètres, le même ordre de grandeur qu'une cellule hépatique.

Dans leur configuration, une sphère a été placée sur l'une des branches - dans un système biologique, des échantillons seraient apposés par mobilisation covalente, dit Yabouno.

Les broches ont ensuite toutes deux été stimulées par un actionneur piézo, un dispositif qui convertit un signal électrique en un déplacement physique contrôlé. Afin d'induire une oscillation auto-excitée dans les porte-à-faux, le mouvement de l'actionneur est automatiquement ajusté par une rétroaction appropriée se référant au mouvement de l'un des porte-à-faux.

La présence de la sphère sur l'une des branches entraîne un rapport de différence de masse entre les deux, qui affecte les vibrations qui s'ensuivent, tel que mesuré par une paire de vibromètres laser Doppler et observé dans l'analyse spectrale des fréquences d'oscillation du cantilever.

"La méthode peut être appliquée à des tailles plus réduites, à l'échelle nanométrique, porte-à-faux couplés, " Yabuno a dit. " On peut s'attendre à réaliser la mesure de la masse infinitésimale, ce qui est impossible dans les méthodes existantes, même dans n'importe quel environnement de mesure."

Les travaux futurs de Yabuno et de ses collègues consistent à utiliser les cantilevers pour obtenir des mesures quantitatives de haute précision d'échantillons biologiques tels que des cellules humaines et de l'ADN dans des milieux liquides.