Nanofili superconduttori rilevano singoli ioni proteici

Un gruppo di ricerca internazionale guidato dal fisico quantistico Markus Arendt (Università di Vienna) ha fatto un grande passo avanti nel rilevamento degli ioni proteici: grazie alla loro elevata sensibilità all’energia, i rilevatori di nanofili superconduttori raggiungono un’efficienza quantistica di quasi il 100% e superano l’efficienza di rilevamento di ioni convenzionali. Rivelatori con energie fino a un fattore 1000. A differenza dei rilevatori convenzionali, possono distinguere anche grandi molecole attraverso la loro energia d’impatto. Ciò consente un rilevamento più sensibile delle proteine ​​e fornisce informazioni aggiuntive nella spettrometria di massa. I risultati di questo studio sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Science Advances.

La scoperta, l’identificazione e l’analisi delle macromolecole è di interesse in molte aree delle scienze della vita, tra cui la ricerca sulle proteine, la diagnostica e l’analisi. La spettrometria di massa viene spesso utilizzata come sistema di rilevamento, un metodo che tipicamente separa le particelle cariche (ioni) in base al loro rapporto massa/carica e misura l’intensità dei segnali generati dal rilevatore. Ciò fornisce informazioni sull’abbondanza relativa dei diversi tipi di ioni e quindi sulla composizione del campione. Tuttavia, i rilevatori convenzionali sono stati in grado di raggiungere un’elevata efficienza di rilevamento e risoluzione spaziale solo per particelle con elevata energia di impatto: una limitazione che ora è stata superata da un team internazionale di ricercatori che utilizzano rilevatori di nanofili superconduttori.

Le forze si uniscono alle particelle a bassa energia

Nel presente studio, un consorzio europeo coordinato dall’Università di Vienna, con partner a Delft (Single Quantum), Losanna (EPFL), Almere (MSVision) e Basilea (Università), dimostra per la prima volta l’uso di nanofili superconduttori come nanofili superconduttori. Ottimi rivelatori di bande proteiche nei cosiddetti spettrometri di massa a quadrupolo. Gli ioni del campione da analizzare vengono inviati ad uno spettrometro di massa a quadrupolo dove vengono filtrati. «Se ora utilizziamo nanofili superconduttori invece dei rilevatori convenzionali, possiamo persino identificare le particelle che colpiscono il rilevatore con una bassa energia cinetica», spiega il leader del progetto Markus Arendt del Gruppo di nanofisica quantistica presso la Facoltà di fisica dell’Università di Vienna. Ciò è reso possibile grazie a una speciale proprietà fisica (superconduttività) dei rilevatori di nanofili.

Raggiungici con la superconduttività

La chiave di questo metodo di rilevamento è che i nanofili entrano in uno stato superconduttore a temperature molto basse, dove perdono la loro resistenza elettrica e consentono alla corrente di fluire senza perdite. L’eccitazione dei nanofili superconduttori da parte degli ioni in arrivo li fa ritornare al loro normale stato di conduzione (transizione quantistica). Il cambiamento nelle proprietà elettriche dei nanofili durante questa trasformazione viene interpretato come un segnale di rilevamento. “Con i nostri rilevatori di nanofili, sfruttiamo la transizione quantistica dalla superconduttività al normale stato conduttivo e possiamo quindi superare i rilevatori di ioni convenzionali fino a tre ordini di grandezza”, afferma il primo autore Marcel Strauss. In effetti, i rilevatori di nanofili hanno notevoli rese quantistiche a energie di impatto eccezionalmente basse – e ridefiniscono le capacità dei rilevatori convenzionali: “Inoltre, uno spettrometro di massa adattato a questo sensore quantistico può non solo differenziare le molecole in base alla loro massa di stato di carica, ma anche tra le molecole in base alla loro massa e al loro stato di carica”. “Questo li classifica anche in base alla loro energia cinetica. Ciò migliora il rilevamento e offre la possibilità di una migliore risoluzione spaziale”, afferma Marcel Strauss. I rilevatori di nanofili potrebbero trovare nuove applicazioni nella spettrometria di massa, nella spettroscopia molecolare, nell’aberrometria molecolare o nell’interferometria quantistica delle molecole, dove sono necessarie alta efficienza e buona risoluzione, soprattutto a bassa energia di impatto.

Squadra e finanza

Single Quantum guida la ricerca sui rilevatori di nanofili superconduttori, gli esperti dell’EPFL di Losanna forniscono l’elettronica ultrafredda, MSVISION è specializzata nella spettrometria di massa e gli esperti dell’Università di Basilea sono responsabili della sintesi chimica e dell’attivazione delle proteine. L’Università di Vienna unisce tutti gli ingredienti con la sua esperienza in ottica quantistica, fasci molecolari e superconduttività.

Questo lavoro è stato finanziato dalla Commissione Europea nell’ambito del progetto SuperMaMa (860713), dedicato alla ricerca sui rivelatori di superconduttività per la spettrometria di massa e l’analisi molecolare. Il finanziamento della Gordon and Betty Moore Foundation (10771) ha contribuito all’analisi delle proteine ​​modificate.

Messaggio originale:

Il rilevamento di singole molecole è altamente sensibile ai fasci ionici macromolecolari. Marcel Strauss, Armin Shaeghi, Martin F. Monique. Jeffers, Ronan Görges, Nima Kalhor, Andreas Fognini e Markus Arendt. Progresso scientifico 2023.

ID digitale: 10.1126/sciadv.adj2801

le immagini:

Figura 1: Veduta del laboratorio SuperMaMa presso l’Università di Vienna. L’accessorio sospeso placcato in oro è lo schermo antiradiazioni dietro il quale sono montati i rilevatori di nanofili superconduttori. R: Quantennanophysik @ Universität Wien

Figura 2: Conteggio di singole proteine ​​utilizzando nanofili superconduttori. Lo sfondo e i nanofili vengono modificati in Photoshop utilizzando l’intelligenza artificiale di riempimento genetico. (Insulina umana PDB:3I40). C: CC BY-ND 4.0 Università di Nanofisica Quantistica Vienna.