Ett internationellt forskarlag under ledning av kvantfysikern Markus Arndt (University of Wien) har uppnått ett genombrott i detektering av proteinjoner:Tack vare sin höga energikänslighet uppnår supraledande nanotrådsdetektorer nästan 100 % kvanteffektivitet och överträffar detektionseffektiviteten för konventionella joner. detektorer vid låg energi med en faktor på upp till 1 000.
I motsats till konventionella detektorer kan de också särskilja makromolekyler genom sin slagenergi. Detta möjliggör mer känslig detektering av proteiner och det ger ytterligare information inom masspektrometri. Resultaten av denna studie publicerades nyligen i tidskriften Science Advances .
Detektion, identifiering och analys av makromolekyler är intressant inom många områden inom biovetenskap, inklusive proteinforskning, diagnostik och analys. Masspektrometri används ofta som ett detektionssystem - en metod som vanligtvis separerar laddade partiklar (joner) enligt deras mass-till-laddning-förhållande och mäter intensiteten på signalerna som genereras av en detektor. Detta ger information om den relativa förekomsten av de olika typerna av joner och därför provets sammansättning.
Konventionella detektorer har dock bara kunnat uppnå hög detekteringseffektivitet och rumslig upplösning för partiklar med hög slagkraft – en begränsning som nu har övervunnits av ett internationellt team av forskare som använder supraledande nanotrådsdetektorer.
I den aktuella studien visar ett europeiskt konsortium koordinerat av universitetet i Wien, med partners i Delft (Single Quantum), Lausanne (EPFL), Almere (MSVision) och Basel (Universitet), för första gången användningen av supraledande nanotrådar som utmärkta detektorer för proteinstrålar i så kallad kvadrupolmasspektrometri. Joner från provet som ska analyseras matas in i en kvadrupolmasspektrometer där de filtreras.
"Om vi nu använder supraledande nanotrådar istället för konventionella detektorer kan vi till och med identifiera partiklar som träffar detektorn med låg kinetisk energi", förklarar projektledaren Markus Arndt från Quantum Nanophysics Group vid Fysiska fakulteten vid universitetet i Wien. Detta möjliggörs av en speciell materialegenskap (superledning) hos nanotrådsdetektorerna.
Nyckeln till denna detekteringsmetod är att nanotrådar går in i ett supraledande tillstånd vid mycket låga temperaturer, där de tappar sitt elektriska motstånd och tillåter förlustfritt strömflöde. Excitering av de supraledande nanotrådarna av inkommande joner orsakar en återgång till det normala ledande tillståndet (kvantövergång). Förändringen i de elektriska egenskaperna hos nanotrådarna under denna övergång tolkas som en detektionssignal.
"Med nanotrådsdetektorerna vi använder", säger första författaren Marcel Strauß, "exploaterar vi kvantövergången från supraledande till normalt ledande tillstånd och kan därmed överträffa konventionella jondetektorer med upp till tre storleksordningar."
Faktum är att nanotrådsdetektorer har ett anmärkningsvärt kvantutbyte vid exceptionellt låga anslagsenergier - och omdefinierar möjligheterna med konventionella detektorer:"Dessutom kan en masspektrometer anpassad med en sådan kvantsensor inte bara särskilja molekyler enligt deras massa till laddningstillstånd, utan klassificera dem också efter deras kinetiska energi. Detta förbättrar detekteringen och ger möjlighet till bättre rumslig upplösning, säger Marcel Strauß.
Nanotrådsdetektorer kan hitta nya tillämpningar inom masspektrometri, molekylär spektroskopi, molekylär deflektometri eller kvantinterferometri av molekyler, där hög effektivitet och bra upplösning krävs, särskilt vid låg stötenergi.
Mer information: Marcel Strauß et al, Mycket känslig enkelmolekyldetektion av makromolekyljonstrålar, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj2801
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av universitetet i Wien
