Hochempfindliche Nanodrähte erkennen Ionenstrahlen
Forschende, die von den EU-finanzierten Projekten SuperMaMa und ATTRACT unterstützt werden, haben beim Detektieren von Protein-Ionen mithilfe supraleitender Nanodrähte einen wichtigen Meilenstein erreicht. Dank ihrer hohen energieabhängigen Empfindlichkeit ist mit supraleitenden Nanodrahtdetektoren eine Quanteneffizienz von annähernd 100 % zu erreichen. Die Erkennung von Protein-Ionen kann bis zu 1 000 Mal effizienter als bei konventionellen Ionendetektoren erfolgen. Auch Makromoleküle können anhand ihrer Aufprallenergie unterschieden werden, was mit herkömmlichen Detektoren nicht möglich ist. Diese Fähigkeit ermöglicht den empfindlicheren Nachweis von Proteinen und liefert bei der Massenspektrometrie zusätzliche Daten. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht. In Bereichen wie der Proteinforschung, Diagnostik und Analytik müssen Makromoleküle wissenschaftlich nachgewiesen und analysiert werden. Das Mittel der Wahl ist in Fällen dieser Art oft die Massenspektrometrie. Bei diesem Verfahren werden die in einer Probe vorhandenen Ionen entsprechend ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis getrennt und die Intensität der von einem Detektor erzeugten Signale gemessen. Die üblichen Detektoren arbeiten jedoch nur bei Teilchen mit hoher Aufprallenergie effizient, was ein Manko darstellte, das das EU-unterstützte Forschungsteam nun mit supraleitenden Nanodrahtdetektoren überwinden konnte.
Exzellente Detektoren
Das wissenschaftliche Team zeigt erstmalig, dass supraleitende Nanodrähte hervorragende Detektoren für Proteinstrahlen in der Quadrupol-Massenspektrometrie sein können, bei der Ionen aufgrund der Stabilität ihrer Flugbahnen mithilfe eines oszillierenden elektrischen Felds im Quadrupol getrennt werden. „Wenn wir anstatt herkömmlicher Detektoren nun supraleitende Nanodrähte einsetzen, dann können wir sogar Teilchen identifizieren, die mit niedriger kinetischer Energie auf dem Detektor eintreffen“, erklärt Studienhauptautor Prof. Markus Arndt von der Universität Wien, Österreich, die das Projekt SuperMaMa koordiniert, in einer Pressemitteilung auf der Website der Universität. Möglich wird dies durch die Supraleitfähigkeit der Nanodrähte. Wie also läuft das Ganze ab? Wie in der Pressemitteilung beschrieben, gehen die „Nanodrähte bei sehr niedrigen Temperaturen in einen supraleitenden Zustand über“, verlieren ihren elektrischen Widerstand und gestatten einen energieverlustfreien Stromfluss. Die Anregung der supraleitenden Nanodrähte durch eintreffende Ionen bewirkt eine Rückkehr zum normalleitenden Zustand. Während dieses Quantenübergangs wird die Änderung der elektrischen Eigenschaften der Nanodrähte als Detektionssignal interpretiert. „Mit den von uns verwendeten Nanodrahtdetektoren nutzen wir den Quantenübergang vom supra- zum normalleitenden Zustand aus und können so herkömmliche Ionendetektoren in ihrer Nachweisleistung um bis zu drei Größenordnungen übertreffen“, erklärt Erstautor Marcel Strauß, ebenfalls von der Universität Wien. Nanodrahtdetektoren weisen eine bemerkenswerte Quantenausbeute bei niedrigen Aufprallenergien auf. „Darüber hinaus kann ein mit einem Quantensensor ausgestattetes Massenspektrometer 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 optimieren“, so der Erstautor. Die Entdeckung bereitet neuen Anwendungen für Nanodrahtdetektoren in Bereichen, die eine hohe Effizienz und gute Auflösung bei geringer Aufprallenergie erfordern, den Weg. Die beiden Projekte SuperMaMa (Superconducting Mass Spectrometry and Molecule Analysis) und ATTRACT (breAkThrough innovaTion pRogrAmme for a pan-European Detection and Imaging eCosysTem) sind abgeschlossen. Weitere Informationen: SuperMaMa-Projektwebsite ATTRACT-Projektwebsite
Schlüsselbegriffe
SuperMaMa, ATTRACT, Quanten-, Quant, Nanodraht, supraleitender Nanodraht, Detektor, Massenspektrometrie, Energie, Protein-Ionen
