Los nanocables superconductores detectan iones de proteínas individuales
Eficacia de detección 1.000 veces superior a la de los detectores de iones convencionales gracias a su alta sensibilidad
Un equipo internacional de investigación dirigido por el físico cuántico Markus Arndt (Universidad de Viena) ha logrado un gran avance en la detección de iones proteínicos: Gracias a su alta sensibilidad energética, los detectores superconductores de nanocables alcanzan una eficiencia cuántica de casi el 100% y superan en hasta 1.000 veces la eficiencia de detección de los detectores de iones convencionales a bajas energías. A diferencia de los detectores convencionales, también pueden distinguir macromoléculas por su energía de impacto. Esto permite una detección más sensible de las proteínas y aporta información adicional en espectrometría de masas. Los resultados de este estudio se han publicado recientemente en la revista Science Advances.
Recuento de proteínas individuales con un nanocable superconductor. El fondo y el nanocable se han modificado en Photoshop con la IA Generative Fill. (Insulina humana PDB:3I40).
Copyright: CC BY-ND 4.0 Quantum Nanophysics University of Vienna
La detección, identificación y análisis de macromoléculas es interesante en muchas áreas de las ciencias de la vida, como la investigación de proteínas, el diagnóstico y la analítica. La espectrometría de masas se utiliza a menudo como sistema de detección, un método que suele separar las partículas cargadas (iones) en función de su relación masa-carga y mide la intensidad de las señales generadas por un detector. Esto proporciona información sobre la abundancia relativa de los distintos tipos de iones y, por tanto, sobre la composición de la muestra. Sin embargo, los detectores convencionales sólo han sido capaces de lograr una alta eficacia de detección y resolución espacial para partículas con una elevada energía de impacto, una limitación que ahora ha superado un equipo internacional de investigadores que utiliza detectores superconductores de nanocables.
Fuerzas unidas para partículas de baja energía
En el estudio actual, un consorcio europeo coordinado por la Universidad de Viena, con socios en Delft (Single Quantum), Lausana (EPFL), Almere (MSVision) y Basilea (Universidad), demuestra por primera vez el uso de nanocables superconductores como excelentes detectores de haces de proteínas en la llamada espectrometría de masas cuadrupolar. Los iones de la muestra que se va a analizar se introducen en un espectrómetro de masas cuadrupolar donde se filtran. "Si ahora utilizamos nanocables superconductores en lugar de detectores convencionales, podemos incluso identificar partículas que golpean el detector con baja energía cinética", explica el director del proyecto, Markus Arndt, del Grupo de Nanofísica Cuántica de la Facultad de Física de la Universidad de Viena. Esto es posible gracias a una propiedad especial del material (superconductividad) de los detectores de nanocables.
Llegar hasta allí con superconductividad
La clave de este método de detección es que los nanocables entran en un estado superconductor a temperaturas muy bajas, en el que pierden su resistencia eléctrica y permiten el flujo de corriente sin pérdidas. La excitación de los nanocables superconductores por iones entrantes provoca la vuelta al estado de conducción normal (transición cuántica). El cambio en las propiedades eléctricas de los nanocables durante esta transición se interpreta como una señal de detección. "Con los detectores de nanocables que utilizamos", explica Marcel Strauß, primer autor del estudio, "aprovechamos la transición cuántica del estado superconductor al estado conductor normal y, de este modo, podemos superar a los detectores de iones convencionales en hasta tres órdenes de magnitud". De hecho, los detectores de nanocables tienen un rendimiento cuántico notable a energías de impacto excepcionalmente bajas, y redefinen las posibilidades de los detectores convencionales: "Además, un espectrómetro de masas adaptado con un sensor cuántico de este tipo no sólo puede distinguir las moléculas en función de su masa respecto a su estado de carga, sino también clasificarlas según su energía cinética. Esto mejora la detección y ofrece la posibilidad de tener una mejor resolución espacial", afirma Marcel Strauß. Los detectores de nanocables pueden encontrar nuevas aplicaciones en espectrometría de masas, espectroscopia molecular, deflectometría molecular o interferometría cuántica de moléculas, donde se requiere alta eficacia y buena resolución, especialmente a baja energía de impacto.
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Publicación original
Marcel Strauß, Armin Shayeghi, Martin F. X. Mauser, Philipp Geyer, Tim Kostersitz, Julia Salapa, Oleksandr Dobrovolskiy, Steven Daly, Jan Commandeur, Yong Hua, Valentin Köhler, Marcel Mayor, Jad Benserhir, Claudio Bruschini, Edoardo Charbon, Mario Castaneda, Monique Gevers, Ronan Gourgues, Nima Kalhor, Andreas Fognini, Markus Arndt; "Highly sensitive single-molecule detection of macromolecule ion beams"; Science Advances, Volume 9
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