Supraleiter als Proteindetektor

Einem internationalen Forschungsteam rund um Quantenphysiker Markus Arndt von der Universität Wien ist eine bahnbrechende Entwicklung im Bereich der Detektion von Protein­ionen gelungen: Supra­leitende Nanodraht­detektoren erreichen aufgrund ihrer hohen Energieempfindlichkeit eine fast einhundert­prozentige Quantenausbeute und übertreffen Nachweiseffizienz von herkömmlichen Ionen­detektoren bei kleinen Energien um das Eintausendfache. Im Gegensatz zu herkömmlichen Detektoren können sie die einfliegenden Makro­moleküle auch nach Aufprallenergie unterscheiden. Dies ermöglicht eine empfind­lichere Detektion von Proteinen und zusätzliche Information in der Massen­spektrometrie. 

Der Nachweis, die Identi­fizierung und die Analyse von komplexen Molekülen sind für verschiedene Bereiche der Biowissen­schaften wie etwa der Protein­forschung, Diagnostik oder Analyse extrem wichtig. Als Nachweissystem wird oft die Massen­spektrometrie eingesetzt – eine Methode, die Ionen üblicherweise nach ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis trennt und über einen Detektor die Intensität der dort erzeugten Signale misst. Dies gibt Auskunft über die relative Häufigkeit der verschiedenen Ionenarten und damit über die Zusammen­setzung der Probe. Mit her­kömmlichen und bisher eingesetzten Detektoren konnten eine hohe Nachweis­effizienz und räumliche Auflösung jedoch nur für Teilchen mit hoher Aufprall­energie erzielt werden – Abhilfe für diese Limitierung schaffte nun das Forschungs­team mit dem Einsatz von supraleitenden Nanodraht­detektoren.

Das europäische Konsortium unter Koordination der Universität Wien, mit Partnern in Delft (Single Quantum), Lausanne (EPFL), Almere (MSVision) und an der Universität Basel, demonstriert erstmals die Anwendung supra­leitender Nanodrähte als hervor­ragende Detektoren für Proteinstrahlen in der Quadrupol-Massen­spektrometrie. „Wenn wir anstatt herkömmlicher Detektoren nun supraleitende Nanodrähte einsetzen, dann können wir sogar Teilchen identi­fizieren, die mit niedriger kinetischer Energie auf den Detektor eintreffen“, erklärt Projektleiter Markus Arndt von der Quanten­nanophysik-Gruppe der Universität Wien. Möglich wird dies durch die Supraleit­fähigkeit der Nanodraht­detektoren.

Die Anregung der supra­leitenden Nanodrähte durch eintreffende Ionen bewirkt eine Rückkehr zum normalleitenden Zustand. Die Änderung der elektrischen Eigen­schaften der Nano­drähte bei diesem Übergang wird als Detektions­signal interpretiert. „Mit den verwendeten Nanodraht­detektoren“, so Marcel Strauß, „nutzen wir den Quantenübergang vom supra- zum normal­leitenden Zustand und können so herkömmliche Ionen­detektoren in ihrer Nachweis­leistung um bis zu drei Größenordnungen übertreffen.“ 

Tatsächlich weisen Nanodraht­detektoren eine bemerkens­werte Quantenausbeute bei außergewöhnlich niedrigen Aufprall­energien auf – und definieren die Möglichkeiten herkömmlicher Detektoren neu: „Darüber hinaus kann so ein Quantensensor die Moleküle nicht nur nach ihrem Masse-zu-Ladung-Zustand unterscheiden, sondern auch nach ihrer kinetischen Energie klassi­fizieren. Dies verbessert die Detektion und erlaubt uns auch die räumliche Auflösung der Detektoren zu verbessern“, so Marcel Strauß. Nanodraht­detektoren können neue Anwendungen in der Massen­spektrometrie, Molekül­spektroskopie, Molekül­deflektometrie oder Quanten­interferometrie von Molekülen finden, wo eine hohe Effizienz und gute Auflösung gerade bei kleiner Impact-Energie erforderlich ist.

U. Wien / JOL