06.12.2023

Supraleiter als Proteindetektor

Nanodrähte weisen Proteinionen mit extrem hoher Effizienz nach.

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. 

Abb.: Illustration eines Proteindetektors aus einem supraleitenden Nanodraht.
Abb.: Illustration eines Proteindetektors aus einem supraleitenden Nanodraht.
Quelle: Quantennanophysik, U. Wien

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

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