31/07/2012
Un team di ricercatori del RIIF-AIST di Tsukuba, dell'ICIB-CNR di Pozzuoli e della Yokohama National University, utilizzando superconduttori nano-strutturati, ha sviluppato un rivelatore ad alta sensibilità di ioni di grande peso molecolare basato su nanostrip superconduttive. Il rivelatore ha prestazioni che consentono di superare gli attuali limiti degli spettrometri di massa TOF
Un team di ricercatori del RIIF-AIST di Tsukuba, dell'ICIB-CNR di Pozzuoli e della Yokohama National University ha sviluppato un rivelatore di ioni basato su nanostrip superconduttive. Il rivelatore ha prestazioni che consentono di superare i limiti degli attuali spettrometri di massa TOF. Gli spettrometri di massa a tempo di volo (TOF-MS) sono indispensabili nelle scienze della vita. Nello spettrometro, atomi o molecole sono ionizzate e accelerate da una tensione di qualche kilovolt per volare per una certa distanza, e quindi gli ioni sono rivelati da un rivelatore. Una misura del tempo di volo fornisce il modo per identificare atomi o molecole o per analizzare la struttura delle molecole. I rivelatori di ioni devono avere un tempo di risposta veloce (nanosecondi) per garantire una risoluzione di massa sufficientemente buona. Negli strumenti TOF-MS convenzionali, a causa della minore sensibilità di rivelazione dei rivelatori ionici, il range misurabile è limitato a valori di massa inferiori a 4000 Dalton. Inoltre, il numero di carica degli ioni non può essere misurato con gli strumenti tradizionali, e perciò la massa dello ione non può essere determinata direttamente. Un team di ricercatori del RIIF - Research Institute of Instrumentation Frontier (Masataka Ohkubo, Masaki Koike, Nobuyuki Zen, Koji Suzuki) in collaborazione con l'ICIB-CNR (Roberto Cristiano, Mikkel Ejrnaes e Alessandro Casaburi) e con la Yokohama National University (Nobuyuki Yoshikawa) ha recentemente presentato a Vancouver al 60° Congresso su Mass Spectrometry and Allied Topics dell'American Society for Mass Spectrometry i risultati ottenuti: usando superconduttori nano-strutturati è possibile rivelare ioni in un ampio range di numeri di massa con un tempo di risposta veloce (nanosecondi); i numeri di carica possono essere determinati (prima questo era impossibile); ci si aspetta che questa tecnologia contribuisca alle industrie dei settori bio e chimico attraverso l'uso in spettrometria di massa di molecole di grande peso molecolare come le proteine. Il rivelatore con stripes superconduttive nano-strutturate, alle quali è applicata una corrente, possono rivelare ioni grazie alla transizione superconduttore-normale indotta dai fononi (quanti di suono) prodotti dall'impatto degli ioni sulla superficie del rivelatore. Si ottengono una veloce risposta (nanosecondi) comparabile a quella dei convenzionali ion detectors e prestazioni che non degradano all'aumentare della massa degli ioni. Ciò si raggiunge disponendo in serie e parallelo le stripes superconduttive (niobio o nitruro di niobio) che hanno uno spessore di poche decine di nanometri e sono larghe poche centinaia di nanometri per ricoprire un'area di qualche mm2. La disposizione delle nano-strips è importante al fine di realizzare sia le eccellenti proprietà di una nanostruttura sia un'area sensibile sufficientemente grande che è fondamentale per un uso pratico del rivelatore. Il rivelatore diventa superconduttivo quando è raffreddato a circa -270 °C. Se la larghezza delle stripes è inferiore a 1 µm, I fononi prodotti dall'impatto degli ioni inducono una transizione locale dallo stato superconduttivo allo stato normale, che risulta nella formazione di una sezione normale attraverso l'intera larghezza della strip. La sezione normale causa una resistenza elettrica. La creazione di resistenza genera un impulso di tensione di pochi nanosecondi che rende possibile la rivelazione veloce degli ioni. Poiché I fononi sono generati dall'impatto di ioni di qualsiasi massa, anche ioni di grande massa possono essere rivelati nella scala temporale dei nanosecondi con grande sensibilità. I segnali al nanosecondo possono essere letti tramite un veloce circuito digitale superconduttore. Inoltre, il rivelatore è in grado di determinare i numeri di carica degli ioni variando la corrente di polarizzazione del rivelatore. In questo modo sono superati i limiti che attualmente affliggono gli spettrometri TOF-MS convenzionali. Impulsi di tensione di larghezza < 1 ns sono stati osservati quando uno ione di un ormone di un peptide di angiotensina I impatta sul rivelatore superconduttivo e con multimeri di immunoglobulina G che hanno un maggiore peso molecolare. Il rivelatore è stato capace di rivelare ioni pesanti fino a un peso molecolare di 600.000. Per far funzionare il rivelatore sviluppato è richeista una temperature di -270 °C, molto bassa. Tuttavia, il gruppo giapponese sta sviluppando un sistema automatico di raffreddamento che non richede l'usoa di liquidi criogenici (elio liquido). In due anni, i ricercatori si aspettano di realizare uno spettrometro di massa a tempo di volo con il rivelatore sviluppato che sia pronto per un'attività di servizio alla ricerca per i gruppi dell'AIST. Oltre alla rivelazione di ioni, i rivelatori superconduttivi a nanostrip sono sviluppati per essere applicati alla rivelazione di singoli fotoni nell'infrarosso, nei raggi X e per la rivelazione di radiazione terahertz. I rivelatori superconduttivi stanno per essere standardizzati dall'International Electrotechnical Commission Technical Committee 90 (IEC TC90).
Per informazioni:
Roberto Cristiano, ICIB-CNR, Pozzuoli (NA), via Campi Flegrei 34, 081 867 5320, 335297122, r.cristiano@cib.na.cnr.it
http://www.aist.go.jp/aist_e/latest_research/2012/20120731/20120731.html
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