以石英水晶微量天平測量添加到 DNA 的一個鹼基

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(a) 用來製作 (b) 項之微量天平，而在薄片相反兩面上有金箔層的石英薄片。在金箔層之間施加振盪電壓後，會導致與薄層平面平行的水晶發生振盪現象。[照片版權來自於 LapTech Precision Inc.。] (c) 當將一個胞嘧啶 (C) 核酸組 裝板模添加到 DNA 模板之成長鏈右端時，水晶振盪頻率發生的感應現象。在金箔層上的 DNA 數量為 20 ng/cm2 = 1.2 pmol/cm2。而溫度要被穩定到 ±0.001°C，才能將雜訊限制在 ±0.05 Hz。[數據參考自 H. Yoshimine, T. Kojima, H. Furusawa, and Y. Okahata, “Small Mass-Change Detectable Quartz Crystal Microblance and Its Application to Enzymatic One-Base Elongation on DNA,” Anal. Chem. 2011, 83, 8741。]

如石英一般的物質，當對其施加一個電場而會導致其大小尺寸發生變 化時，就稱之具有壓電 (piezoelectric) 性質。

透過振盪電場刺激而讓石英晶體以其共振頻率方式振動著，而讓石英手錶保持著準確的時間。使用由兩片薄金電極包夾著一片石英的裝置，就能夠使用石英晶體微量天平進行奈克的秤量工作。當有額外的物體附著在金電極表面時，振盪頻率附著上來的質量而比例遞減。若 0.62 ng (奈克， g) 附著到一只 1 面積的金電極時，就會讓石英的 27 MHz 共振頻率值降低了 1 Hz，且能夠被觀察出來這個差異值。

攜帶有遺傳訊息的脫氧核糖核酸 (DNA) 是由被指定為 A、T、C，和 G 四種核酸鹼基系列進行編碼的。在雙股螺旋狀的 DNA 結構中，A 和 T 通常是彼此以氫鍵進行鍵結，而 C 則是和 G 以氫鍵將彼此鍵結在一起。複製 DNA 時，酵素 DNA 聚合會使用單股 DNA 模板鏈，來將 dATP、dTTP、dCTP，和 dGTP 組裝模板組合在一起而形成一條新的互補型 DNA 鏈。在模板上，對應 A 的 T 就會被應用於新鏈的相應位置上。依此類推，A對應 T，C 對應 G，而 G 對應 C。 當使用石英水晶微量天平時，就能夠測量出在 DNA 成長鏈上的單一核酸添加過程。此時要用化學方式將 DNA 定錨在壓電型水晶的金電極上。當正確的核酸被添加上來時，DNA 的質量會增加，所以石英水晶的振盪頻率會遞減下來。在附圖 c，雙股的 DNA 在上方長鏈的右端缺少了 C。 在圖示中顯示出，當存在有 DNA 聚合 ，讓核酸組裝模板被添加到直鏈上，水晶振盪頻率值就會發生變化。而一旦添加了 dTTP、dGTP，或 dATP，就能觀察到在頻率值的很小變化現象。當這些試劑被沖洗掉時，頻率值變化就會被逆轉。然而因為 C 是共價鍵結在末端處，所以 dCTP 的添加過程需要約 50 分鐘，因此會較大的不可逆變化現象。更多的 dCTP 添加過程需要約 85 分鐘，且不會更大的影響效應。因此在 DNA 上的單一核酸質量增加現象，同時也能觀察到 – 4.4 Hz 的頻率值變化情況。