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Un equipo de investigación multinacional de la Universidad de Viena, dirigido por el físico cuántico Markus Arndt, ha logrado avances significativos en la identificación de iones de proteínas. A bajas energías, los detectores de nanocables superconductores superan a los detectores de iones convencionales en eficiencia de detección hasta en 1.000 debido a su alta sensibilidad energética, lo que permite una eficiencia cuántica de alrededor del 100%.
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A diferencia de los detectores tradicionales, también pueden distinguir macromoléculas en función de su energía de impacto. Esto proporciona información adicional a la espectrometría de masas y permite una identificación de proteínas más sensible. El diario Avances científicos publicó los resultados del estudio.
La investigación, el diagnóstico y el análisis de proteínas son solo algunas de las áreas de las ciencias de la vida en las que resulta fascinante la detección, identificación y análisis de macromoléculas. La espectrometría de masas es un dispositivo de detección ampliamente utilizado que estudia la intensidad de las señales producidas por un detector y, a menudo, divide partículas cargadas (iones) en función de su relación masa-carga.
La abundancia relativa de los diferentes tipos de iones y la composición de la muestra se describen en detalle aquí. Los detectores de nanocables superconductores han permitido a un equipo internacional de investigadores superar la limitación de que los detectores tradicionales sólo podían lograr una alta eficiencia de detección y resolución espacial para partículas con alta energía de impacto.
Juntos por las partículas de baja energía
Un consorcio europeo liderado por la Universidad de Viena y con socios de Delft (Single Quantum), Lausana (EPFL), Almere (MSVision) y Basilea (Universidad) señala por primera vez el potencial de los nanocables superconductores como detectores superiores de haces de proteínas en la espectrometría de masas de cuadrupolo. Un espectrómetro de masas cuadrupolo recibe los iones de la muestra a examinar y los filtra.
Si ahora utilizamos nanocables superconductores en lugar de detectores convencionales, podremos incluso identificar partículas que impacten en el detector con baja energía cinética.
Markus Arndt, director de proyectos, Grupo de Nanofísica Cuántica, Facultad de Física, Universidad de Viena
La superconductividad, una característica material única de los detectores de nanocables, lo hace posible.
Llegar allí con superconductividad
El secreto de esta técnica de detección es que los nanocables entran en un estado superconductor a temperaturas extremadamente bajas, en el que pierden su resistencia eléctrica y permiten un flujo de corriente sin pérdidas.
Se produce una transición cuántica cuando los iones entrantes excitan los nanocables superconductores, lo que da como resultado un retorno al estado de conducción normal. Durante esta transición, las propiedades eléctricas modificadas de los nanocables se interpretan como una señal de reconocimiento.
Con los detectores de nanocables que utilizamos, aprovechamos la transición cuántica del estado superconductor al estado normalmente conductor y, por lo tanto, podemos superar a los detectores de iones convencionales en hasta tres órdenes de magnitud.
Marcel Strauss, autor principal del estudio y colaborador del proyecto, Universidad de Viena
De hecho, los detectores de nanocables están redefiniendo las capacidades de los detectores tradicionales, ofreciendo un rendimiento cuántico sorprendente con energías de impacto notablemente bajas.
“Además, un espectrómetro de masas equipado con un sensor cuántico de este tipo no sólo puede distinguir moléculas en función de su estado de carga de masa, sino también clasificarlas en función de su energía cinética. Esto mejora la detección y ofrece la posibilidad de una mejor resolución espacial.“añadió Strauss.
En áreas que requieren alta eficiencia y alta resolución, especialmente con energía de bajo impacto, como la espectrometría de masas, la espectroscopia molecular, la deflectometría molecular o la interferometría cuántica de moléculas, los detectores de nanocables pueden encontrar nuevas aplicaciones.
Equipo y financiación
La investigación sobre detectores de nanocables superconductores está dirigida por Single Quantum, la electrónica ultrafría está a cargo de expertos de EPFL-Lausana, la espectrometría de masas está especializada en MSVISION y la síntesis química y la funcionalización de proteínas están a cargo de expertos de la Universidad de Basilea. La Universidad de Viena combina todos los elementos con su experiencia en superconductividad, haces moleculares y óptica cuántica.
El proyecto SuperMaMa (860713), cuyo objetivo es investigar detectores superconductores para espectrometría de masas y análisis molecular, proporcionó financiación para el estudio. La financiación para el estudio de las proteínas modificadas provino de la Fundación Gordon & Betty Moore (10771).
Referencia de la revista:
Strauss, M, et. Alabama. (2023) Detección altamente sensible de una sola molécula de haces de iones de macromoléculas. Avances científicos. doi:10.1126/sciadv.adj2801.
Fuente: http://www.univie.ac.at/
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