Un gruppo di ricerca internazionale guidato dal fisico quantistico Markus Arndt (Università di Vienna) ha ottenuto una svolta nel rilevamento degli ioni proteici:grazie alla loro elevata sensibilità all'energia, i rilevatori di nanofili superconduttori raggiungono un'efficienza quantistica quasi del 100% e superano l'efficienza di rilevamento degli ioni convenzionali rilevatori a bassa energia con un fattore fino a 1.000.
A differenza dei rilevatori convenzionali, possono distinguere le macromolecole anche in base all'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 .
Il rilevamento, l'identificazione e l'analisi delle macromolecole sono interessanti in molti settori 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 da un 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 energia ad alto impatto, una limitazione che ora è stata superata da un team internazionale di ricercatori che utilizzano rilevatori di nanofili superconduttori.
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 eccellenti rivelatori per fasci di proteine nella cosiddetta spettrometria di massa a quadrupolo. Gli ioni del campione da analizzare vengono immessi in 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 Arndt del Quantum Nanophysical Group presso la Facoltà di Fisica dell'Università di Vienna. Ciò è reso possibile da una speciale proprietà del materiale (superconduttività) dei rilevatori di nanofili.
La chiave di questo metodo di rilevamento è che i nanofili entrano in uno stato superconduttore a temperature molto basse, in cui perdono la loro resistenza elettrica e consentono un flusso di corrente senza perdite. L'eccitazione dei nanofili superconduttori da parte degli ioni in entrata provoca il ritorno al normale stato di conduzione (transizione quantistica). Il cambiamento nelle proprietà elettriche dei nanofili durante questa transizione viene interpretato come un segnale di rilevamento.
"Con i rilevatori di nanofili che utilizziamo", afferma il primo autore Marcel Strauß, "sfruttiamo la transizione quantistica dallo stato superconduttore allo stato di conduzione normale e possiamo quindi superare i rilevatori di ioni convenzionali fino a tre ordini di grandezza."
In effetti, i rilevatori di nanofili hanno una resa quantistica notevole a energie di impatto eccezionalmente basse e ridefiniscono le possibilità dei rilevatori convenzionali:"Inoltre, uno spettrometro di massa adattato con un sensore quantistico di questo tipo può non solo distinguere le molecole in base alla loro massa rispetto allo stato di carica, ma classificarli anche in base alla loro energia cinetica. Ciò migliora il rilevamento e offre la possibilità di avere una migliore risoluzione spaziale," afferma Marcel Strauß.
I rilevatori di nanofili possono trovare nuove applicazioni nella spettrometria di massa, nella spettroscopia molecolare, nella deflettometria molecolare o nell'interferometria quantistica delle molecole, dove sono richieste alta efficienza e buona risoluzione, soprattutto a bassa energia di impatto.
Ulteriori informazioni: Marcel Strauß et al, Rilevamento altamente sensibile di singole molecole di fasci ionici di macromolecole, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj2801
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
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