“或轻于鸿毛”，我们到底能测到多轻？丨科技最前线

司马迁在《报任少卿书》写到，“人固有一死，或重于泰山，或轻于鸿毛”，成为千古名句，这里的鸿毛指大雁的羽毛，在古人眼中常用来代表极轻之物。那么，它到底有多轻呢？大约不到100毫克（0.1克），显然这已是古代杆秤无法分辨的质量。

随着科技的进步，电子秤已经走进千家万户的厨房，大妈们在探讨美食的时候也不忘告诉你油盐酱醋要加多少克。在实验室里，电子天平可以精确称量一粒食盐的质量，大约2-3毫克（10^-3克），甚至可以测出一厘米长度头发的质量（约0.1毫克，10^-4克）。实验室最高精度的电子天平可以精确到10微克（10^-5克）质量的变化，但任何风吹草动都会严重影响称量结果。再高精度的就得是热天平了，目前国际上最高灵敏度的热天平精度可到0.1微克（10^-7克）。但是，面对一个重仅3-4纳克（10^-9克）的人体细胞，它已无能为力。这时就要请石英晶振微天平（QCM）出场了，它理论上的分辨率可以达到皮克量级（10^-12克），不仅可以测细胞质量还能测量细胞生长过程中质量的微弱变化，测个细菌（约10^-12克）也不在话下，这也几乎是人类检测限的天花板了。

▲天平（图片来自网络）

都皮克了还能测得更轻么？还有必要测吗？

当今世界科技发展中，无论是绿色能源中的先进电池和氢能源存储，还是环境保护中的二氧化碳捕获与转化利用，亦或是我国“双碳战略”实施中的先进催化技术和化工产业换代升级，都离不开新型功能材料的研发与应用。这其中，研究功能材料与目标微小分子间的相互作用过程和特性至关重要。“工欲善其事，必先利其器”，这就要求检测仪器的测量精度很高。另一方面，在实际测量中，与功能材料作用的分子数量是动态变化的，要获得相互作用的热力学与动力学特性就需要在程序变温过程中实现持续地实时称量。这就导致高精度的QCM等方法并不适合在真实测试条件下使用，因此测量仪器的实际精度往往远低于极限检测限。

简而言之，我们所需的科学仪器不仅要具备极低的检测限，而且要能够实时测量，最好还能集成快速精准控温等功能，否则会严重阻碍新材料的研发。

既要精度高又要集成多功能还要速度快，这个难题能解吗？

近期，中国科学院上海微系统与信息技术研究所李昕欣团队采用微电子机械系统（MEMS）工艺国际首创了基于微机械悬臂梁结构的谐振测量芯片技术，制造出全世界最灵敏的“秤”，其质量分辨率达到亚皮克级（即10^-13克）水平。更重要的是，该芯片在MEMS微悬臂梁上集成了谐振激励器件、频率读出电路和样品程序升温加热与控温元件，能够在超快速程序变温过程中原位、实时、连续地测量极微小质量变化。当与顶端样品区待测材料作用的分子数目变化时，会导致悬臂梁谐振频率变化，继而可以换算出质量变化值。

在前期的研究中，团队将芯片成功用于监测单个癌细胞在施药治疗全过程中的质量变化和DNA分子片断可逆捕捉三磷酸腺苷（ATP分子，细胞中提供能量的单元）的过程，测量出分子间结合作用的热力学与动力学参数，为生物和药理研究提供了新的路径。更难得的是，该芯片可通过MEMS工艺进行晶圆级的低成本规模制造，满足大批量应用需求。

▲ 变温谐振集成悬臂梁芯片的结构图（左图）；晶圆级批量制造的变温谐振集成微悬臂梁芯片（右图）。

在此基础上，团队结合材料界表面物理化学和催化动力学理论，进一步开发出相关软硬件，开创性地研发出系列高端热分析与吸附分析仪器，填补了界面分子作用热力学与动力学整套参数测量仪的国际空白，并在全球率先建立了国家标准，有力推动了科学的进步。比如，团队研发的集成芯片式热重分析仪（μTGA），分析能力较现有进口仪器有数量级提升。

▲基于谐振悬臂梁的热力学/动力学整套参数提取流程示意图（左图）；以谐振微悬臂梁为核心检测器件开发的一系列科学仪器（右图）。

基于μTGA的超级性能，团队在测量催化活性方面变革性提出“原位测量解析精确求解”的新原理新方法。目前行业广泛应用的程序升温脱附（temperature programmed desorption，TPD）测试方法，实验过程耗时2-3天，而且得到的活化能准确性较差，甚至经常不能得到合理的结果。而团队在样品程序升温的原位处，直接用谐振频率与样品质量减少之间的线性关系精确测量程序升温过程中位点上脱附的气体分子数目，即可直接获得位点数据和TPD谱线结果。

该方法直接颠覆了前述TPD测试中写入中外教科书中的估测方法，因为芯片的集成优势测试更快更准，比现有TPD技术的检测精度至少高4个数量级。目前，团队自主研发的系列高端科学仪器正在做行业推广应用，并已远销至发达国家的多个科学实验室，为我国高端科学仪器摆脱进口依赖、走向世界迈出了坚实的一步。

来源：中国科学院上海微系统与信息技术研究所