超导纳米线检测单个蛋白质离子

灵敏度高，探测效率是传统离子探测器的1000倍

由量子物理学家Markus Arndt(维也纳大学)领导的一个国际研究小组在蛋白质离子的检测方面取得了突破:超导纳米线探测器由于其高能量灵敏度，几乎可以实现100%的量子效率，并且在低能量下超过传统离子探测器的检测效率高达1000倍。与传统探测器相比，它们还可以通过撞击能量来区分大分子。这允许更灵敏的检测蛋白质，并在质谱法提供额外的信息。这项研究的结果最近发表在《科学进展》杂志上。

大分子的检测、鉴定和分析在生命科学的许多领域都很有趣，包括蛋白质研究、诊断和分析。质谱法通常被用作一种检测系统——这种方法通常根据它们的质量电荷比分离带电粒子(离子)，并测量探测器产生的信号强度。这提供了有关不同类型离子的相对丰度的信息，从而提供了样品的组成。然而，传统的探测器只能对具有高冲击能量的粒子实现高探测效率和空间分辨率——一个国际研究小组现在已经使用超导纳米线探测器克服了这一限制。

低能粒子的合力

在目前的研究中，由维也纳大学协调的一个欧洲联盟，与代尔夫特(单一量子)、洛桑(欧洲联邦理工学院)、阿尔米尔(MSVision)和巴塞尔(大学)的合作伙伴，首次展示了超导纳米线作为所谓的四极杆质谱中蛋白质束的优秀探测器的使用。待分析样品中的离子被送入四极质谱仪，在那里它们被过滤。“如果我们现在使用超导纳米线代替传统的探测器，我们甚至可以识别以低动能撞击探测器的粒子，”维也纳大学物理系量子纳米物理小组的项目负责人Markus Arndt解释说。这是由于纳米线探测器的特殊材料特性(超导性)而成为可能。

通过超导性

这种检测方法的关键在于，纳米线在非常低的温度下进入超导状态，在这种状态下，纳米线会失去电阻，从而允许电流无损流动。进入的离子对超导纳米线的激发使其返回到正常的导电状态(量子跃迁)。在这一转变过程中，纳米线电性能的变化被解释为检测信号。“我们使用的纳米线探测器，”第一作者Marcel Strauß说，“我们利用了从超导到正常导电状态的量子跃迁，因此可以比传统的离子探测器高出三个数量级。”事实上，纳米线探测器在极低的冲击能量下具有显著的量子产率，并重新定义了传统探测器的可能性:“此外，采用这种量子传感器的质谱仪不仅可以根据分子的质量和电荷状态区分分子，还可以根据它们的动能对它们进行分类。这改善了探测，并提供了更好的空间分辨率的可能性，”Marcel Strauß说。纳米线探测器可以在质谱、分子光谱、分子偏转或分子量子干涉测量中找到新的应用，这些应用需要高效率和良好的分辨率，特别是在低冲击能量下。

团队&资金

单量子在超导纳米线探测器的研究中处于领先地位，来自EPFL-Lausanne的专家提供超冷电子器件，MSVISION是质谱专家，来自巴塞尔大学的专家负责化学合成和蛋白质功能化。维也纳大学将其在量子光学、分子束和超导方面的专业知识汇集在一起。

这项工作由欧洲委员会资助，作为SuperMaMa项目(860713)的一部分，该项目致力于研究用于质谱和分子分析的超导探测器。Gordon & Betty Moore基金会(10771)资助了对修饰蛋白的分析。

维也纳大学的SuperMaMa实验室。前景:改造后的串联质谱计。在前面的光学台上:3.7开尔文制冷机的超高真空室。悬挂的镀金嵌件是超导纳米线探测器安装的辐射屏蔽层。当关闭时，蛋白质通过镀金屏蔽上的几毫米孔，通过环形电极聚焦到探测器上。背景:高功率脉冲激光用于可见光和紫外光对标记蛋白进行光裂解。

原始出版物:

高灵敏度的大分子离子束单分子检测。马塞尔·斯特劳斯、阿明·沙耶吉、马丁·f·x·毛瑟、菲利普·盖耶、蒂姆·科斯特西茨、朱莉娅·萨拉帕、亚历山大·多布罗沃斯基、史蒂文·戴利、扬·科芒德尔、华勇、瓦伦丁Köhler、马塞尔·马约尔、贾德·本瑟希尔、克劳迪奥·布鲁什尼、爱德华多·恰尔本、马里奥·卡斯塔涅达、莫尼克·格弗斯、罗南·古尔格、尼玛·卡尔霍尔、安德烈亚斯·弗格尼尼和马库斯·阿恩特。科学进步2023。

DOI: 10.1126 / sciadv.adj2801

图片:

图1:维也纳大学SuperMaMa实验室的视图。悬挂的镀金嵌件是超导纳米线探测器安装的辐射屏蔽层。C: Quantennanophysik @ Universität Wien

图2:用超导纳米线计数单个蛋白质。背景和纳米线在Photoshop中使用生成填充AI进行更改。(人胰岛素PDB:3I40)C: CC BY-ND 4.0量子纳米物理维也纳大学。