Superledende nanotråde detekterer enkelte proteinioner

Et internationalt forskerhold ledet af kvantefysiker Markus Arndt (University of Wien) har opnået et gennembrud inden for detektion af proteinioner:På grund af deres høje energifølsomhed opnår superledende nanotrådsdetektorer næsten 100 % kvanteeffektivitet og overstiger detektionseffektiviteten for konventionelle ioner detektorer ved lave energier med en faktor på op til 1.000.

I modsætning til konventionelle detektorer kan de også skelne makromolekyler ved deres slagenergi. Dette giver mulighed for mere følsom påvisning af proteiner, og det giver yderligere information inden for massespektrometri. Resultaterne af denne undersøgelse blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Science Advances .

Påvisning, identifikation og analyse af makromolekyler er interessant inden for mange områder af biovidenskab, herunder proteinforskning, diagnostik og analyse. Massespektrometri bruges ofte som et detektionssystem - en metode, der typisk adskiller ladede partikler (ioner) i henhold til deres masse-til-ladning-forhold og måler intensiteten af ​​de signaler, der genereres af en detektor. Dette giver information om den relative mængde af de forskellige typer ioner og derfor prøvens sammensætning.

Konventionelle detektorer har dog kun været i stand til at opnå høj detektionseffektivitet og rumlig opløsning for partikler med høj slagkraft – en begrænsning, som nu er blevet overvundet af et internationalt hold af forskere, der bruger superledende nanotrådsdetektorer.

I den aktuelle undersøgelse demonstrerer et europæisk konsortium koordineret af Universitetet i Wien, med partnere i Delft (Single Quantum), Lausanne (EPFL), Almere (MSVision) og Basel (Universitet), for første gang brugen af ​​superledende nanotråde som fremragende detektorer til proteinstråler i såkaldt quadrupol massespektrometri. Ioner fra prøven, der skal analyseres, føres ind i et quadrupol massespektrometer, hvor de filtreres.

"Hvis vi nu bruger superledende nanotråde i stedet for konventionelle detektorer, kan vi endda identificere partikler, der rammer detektoren med lav kinetisk energi," forklarer projektleder Markus Arndt fra Quantum Nanophysics Group på det Fysiske Fakultet ved Wiens Universitet. Dette er gjort muligt af en særlig materialeegenskab (superledningsevne) hos nanotrådsdetektorerne.

Nå dertil med superledning

Nøglen til denne detektionsmetode er, at nanotråde går ind i en superledende tilstand ved meget lave temperaturer, hvor de mister deres elektriske modstand og tillader tabsfri strøm. Excitation af de superledende nanotråde af indkommende ioner forårsager en tilbagevenden til den normale ledende tilstand (kvanteovergang). Ændringen i de elektriske egenskaber af nanotrådene under denne overgang tolkes som et detekteringssignal.

"Med de nanotrådsdetektorer, vi bruger," siger førsteforfatter Marcel Strauß, "udnytter vi kvanteovergangen fra den superledende til den normale ledende tilstand og kan således overgå konventionelle iondetektorer med op til tre størrelsesordener."

Faktisk har nanotrådsdetektorer et bemærkelsesværdigt kvanteudbytte ved usædvanligt lave anslagsenergier - og omdefinerer mulighederne for konventionelle detektorer:"Derudover kan et massespektrometer tilpasset med en sådan kvantesensor ikke kun skelne molekyler i henhold til deres masse til ladningstilstand, men klassificere dem også efter deres kinetiske energi. Dette forbedrer detektionen og giver mulighed for bedre rumlig opløsning," siger Marcel Strauß.

Nanotrådsdetektorer kan finde nye anvendelser inden for massespektrometri, molekylær spektroskopi, molekylær deflektometri eller kvanteinterferometri af molekyler, hvor høj effektivitet og god opløsning er påkrævet, især ved lav slagenergi.

Flere oplysninger: Marcel Strauß et al., Meget følsom enkelt-molekyle detektion af makromolekyle ionstråler, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj2801

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Universitetet i Wien