Nanofils supraconducteurs : une avancée quantique dans la détection des ions protéines

L’efficacité de détection est 1 000 fois supérieure à celle des détecteurs d’ions classiques en raison de sa haute sensibilité.

Une équipe de recherche internationale dirigée par le physicien quantique Markus Arndt (Université de Vienne) a réalisé une percée dans la détection des ions protéines : en raison de leur haute sensibilité énergétique, les détecteurs à nanofils supraconducteurs atteignent une efficacité quantique de près de 100 % et dépassent l’efficacité de détection des ions conventionnels. détecteurs à basse énergie par un facteur allant jusqu’à 1 000. Contrairement aux détecteurs classiques, ils peuvent également distinguer les macromolécules grâce à leur énergie d’impact. Cela permet une détection plus sensible des protéines et fournit des informations supplémentaires en spectrométrie de masse. Les résultats de cette étude ont été récemment publiés dans la revue Avancées scientifiques.

Avancées en spectrométrie de masse

La détection, l’identification et l’analyse de macromolécules sont intéressantes dans de nombreux domaines des sciences de la vie, notamment la recherche, le diagnostic et l’analyse des protéines. La spectrométrie de masse est souvent utilisée comme système de détection – une méthode qui sépare généralement les particules chargées (ions) en fonction de leur rapport masse/charge et mesure l’intensité des signaux générés par un détecteur. Cela fournit des informations sur l’abondance relative des différents types d’ions et donc sur la composition de l’échantillon. Cependant, les détecteurs conventionnels n’ont pu atteindre une efficacité de détection et une résolution spatiale élevées que pour les particules à forte énergie d’impact – une limitation qui a maintenant été surmontée par une équipe internationale de chercheurs utilisant des détecteurs à nanofils supraconducteurs.

Utilisation innovante de la supraconductivité

Dans la présente étude, un consortium européen coordonné par l’Université de Vienne, avec des partenaires à Delft (Single Quantum), Lausanne (EPFL), Almere (MSVision) et Bâle (Université), démontre pour la première fois l’utilisation de nanofils supraconducteurs. comme d’excellents détecteurs pour les faisceaux de protéines dans la spectrométrie de masse dite quadripolaire. Les ions de l’échantillon à analyser sont introduits dans un spectromètre de masse quadripolaire où ils sont filtrés.

«Si nous utilisons désormais des nanofils supraconducteurs au lieu des détecteurs conventionnels, nous pouvons même identifier les particules qui frappent le détecteur avec une faible énergie cinétique», explique Markus Arndt, chef de projet du groupe de nanophysique quantique de la faculté de physique de l’université de Vienne. Ceci est rendu possible par une propriété matérielle particulière (supraconductivité) des détecteurs à nanofils.

https://www.eurekalert.org/news-releases/1010012

La clé de cette méthode de détection réside dans le fait que les nanofils entrent dans un état supraconducteur à très basse température, dans lequel ils perdent leur résistance électrique et permettent une circulation de courant sans perte. L’excitation des nanofils supraconducteurs par les ions entrants provoque un retour à l’état conducteur normal (transition quantique). Le changement des propriétés électriques des nanofils lors de cette transition est interprété comme un signal de détection.

« Avec les détecteurs à nanofils que nous utilisons », explique le premier auteur Marcel Strauß, « nous exploitons la transition quantique de l’état supraconducteur à l’état conducteur normal et pouvons ainsi surpasser les détecteurs d’ions conventionnels jusqu’à trois ordres de grandeur. »

En effet, les détecteurs à nanofils ont un rendement quantique remarquable à des énergies d’impact exceptionnellement faibles – et redéfinissent les possibilités des détecteurs conventionnels.

« De plus, un spectromètre de masse adapté avec un tel capteur quantique peut non seulement distinguer les molécules en fonction de leur état de masse à charger, mais aussi les classer en fonction de leur énergie cinétique. Cela améliore la détection et offre la possibilité d’avoir une meilleure résolution spatiale », explique Marcel Strauß.

Les détecteurs à nanofils peuvent trouver de nouvelles applications en spectrométrie de masse, en spectroscopie moléculaire, en déflectométrie moléculaire ou en interférométrie quantique de molécules, où une efficacité élevée et une bonne résolution sont requises, en particulier à faible énergie d’impact.

Effort de collaboration et financement

Single Quantum dirige la recherche sur les détecteurs à nanofils supraconducteurs, les experts de l’EPFL-Lausanne fournissent l’électronique ultra-froide, MSVISION est spécialiste de la spectrométrie de masse et les experts de l’Université de Bâle sont responsables de la synthèse chimique et de la fonctionnalisation des protéines. L’Université de Vienne rassemble tous les composants grâce à son expertise en optique quantique, faisceaux moléculaires et supraconductivité.

Les travaux ont été financés par la Commission européenne dans le cadre du projet SuperMaMa (860713), dédié à la recherche sur les détecteurs supraconducteurs pour la spectrométrie de masse et l’analyse moléculaire. Le financement de la Fondation Gordon & Betty Moore (10771) a contribué à l’analyse des protéines modifiées.

Note

1. En savoir plus sur la figure du laboratoire SuperMaMa : Vue du laboratoire SuperMaMa de l’Université de Vienne. Au premier plan : le spectromètre de masse tandem adapté. Sur la table optique devant : la chambre à ultra-vide avec refroidisseur cryogénique de 3,7 Kelvin. L’insert plaqué or suspendu constitue le bouclier anti-radiation derrière lequel sont installés les détecteurs à nanofils supraconducteurs. Une fois fermées, les protéines sont focalisées sur le détecteur via des électrodes annulaires à travers le trou de quelques millimètres du blindage plaqué or. En arrière-plan : Laser pulsé de forte puissance pour le photoclivage de protéines marquées par lumière visible et ultraviolette.