Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van kwantumfysicus Markus Arndt (Universiteit van Wenen) heeft een doorbraak bereikt in de detectie van eiwitionen:vanwege hun hoge energiegevoeligheid bereiken supergeleidende nanodraaddetectoren bijna 100% kwantumefficiëntie en overtreffen ze de detectie-efficiëntie van conventionele ionen detectoren bij lage energieën met een factor tot 1.000.

In tegenstelling tot conventionele detectoren kunnen ze macromoleculen ook onderscheiden op basis van hun impactenergie. Dit maakt een gevoeligere detectie van eiwitten mogelijk en levert aanvullende informatie op bij massaspectrometrie. De resultaten van dit onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

De detectie, identificatie en analyse van macromoleculen is interessant op veel gebieden van de levenswetenschappen, waaronder eiwitonderzoek, diagnostiek en analyse. Massaspectrometrie wordt vaak gebruikt als detectiesysteem:een methode die doorgaans geladen deeltjes (ionen) scheidt op basis van hun massa-ladingsverhouding en de intensiteit meet van de signalen die door een detector worden gegenereerd. Dit geeft informatie over de relatieve hoeveelheid van de verschillende soorten ionen en daarmee de samenstelling van het monster.

Conventionele detectoren zijn er echter alleen in geslaagd een hoge detectie-efficiëntie en ruimtelijke resolutie te bereiken voor deeltjes met een hoge impactenergie – een beperking die nu is overwonnen door een internationaal team van onderzoekers die supergeleidende nanodraaddetectoren gebruiken.

In de huidige studie demonstreert een Europees consortium, gecoördineerd door de Universiteit van Wenen, met partners in Delft (Single Quantum), Lausanne (EPFL), Almere (MSVision) en Basel (Universiteit), voor het eerst het gebruik van supergeleidende nanodraden als uitstekende detectoren voor eiwitbundels in zogenaamde quadrupoolmassaspectrometrie. Ionen uit het te analyseren monster worden in een quadrupool-massaspectrometer gevoerd waar ze worden gefilterd.

"Als we nu supergeleidende nanodraden gebruiken in plaats van conventionele detectoren, kunnen we zelfs deeltjes identificeren die de detector met lage kinetische energie raken", legt projectleider Markus Arndt van de Quantum Nanophysics Group van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Wenen uit. Dit wordt mogelijk gemaakt door een speciale materiaaleigenschap (supergeleiding) van de nanodraaddetectoren.

Je komt er met supergeleiding

De sleutel tot deze detectiemethode is dat nanodraden bij zeer lage temperaturen in een supergeleidende toestand terechtkomen, waarin ze hun elektrische weerstand verliezen en verliesloze stroom mogelijk maken. Excitatie van de supergeleidende nanodraden door binnenkomende ionen veroorzaakt een terugkeer naar de normale geleidende toestand (kwantumovergang). De verandering in de elektrische eigenschappen van de nanodraden tijdens deze transitie wordt geïnterpreteerd als een detectiesignaal.

"Met de nanodraaddetectoren die we gebruiken", zegt eerste auteur Marcel Strauß, "maken we gebruik van de kwantumovergang van de supergeleidende naar de normaal geleidende toestand en kunnen we zo tot drie ordes van grootte beter presteren dan conventionele ionendetectoren."

Nanodraaddetectoren hebben inderdaad een opmerkelijke kwantumopbrengst bij uitzonderlijk lage impactenergieën – en herdefiniëren de mogelijkheden van conventionele detectoren:‘Bovendien kan een massaspectrometer die is aangepast met een dergelijke kwantumsensor niet alleen moleculen onderscheiden op basis van hun massa en hun ladingstoestand, maar classificeer ze ook op basis van hun kinetische energie. Dit verbetert de detectie en biedt de mogelijkheid voor een betere ruimtelijke resolutie", zegt Marcel Strauß.

Nanodraaddetectoren kunnen nieuwe toepassingen vinden in massaspectrometrie, moleculaire spectroscopie, moleculaire deflectometrie of kwantuminterferometrie van moleculen, waarbij hoge efficiëntie en goede resolutie vereist zijn, vooral bij lage impactenergie.

Meer informatie: Marcel Strauß et al, Zeer gevoelige detectie van individuele moleculen van ionenbundels van macromoleculen, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj2801

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Universiteit van Wenen