米乐m6官方网站 (AIST；所长：Tamotsu Nomakuchi) 仪器前沿研究所超光谱系统研究小组 Masaki Koike（组长）（所长：Masataka Ohkubo）与 Roberto Cristiano、Istituto di Cibernetica、Consiglio Nazionale delle 合作开发了超导纳米带离子探测器Ricerche（CNR；主任：Russo Maurizio）和横滨国立大学 Nobuyuki Yoshikawa（教授）（校长：Kunio Suzuki）。

具有纳米结构超导带的探测器，施加偏置电流，可以通过离子撞击探测器表面时产生的声子（声音）引起的超导-正常跃迁来探测离子。实现了与传统离子检测器相当的快速响应时间（纳秒），并且实现了不会因大质量离子而降低的检测性能。这是通过在几毫米的面积内串联和并联排列几十纳米厚、几百纳米宽的超导带（铌或氮化铌）来实现的²。纳秒信号可以通过使用快速超导数字电路来读取。此外，检测器还可以通过改变偏置电流来确定离子的电荷数。超导探测器有望克服传统飞行时间质谱仪 (TOF MS) 的限制。

这项技术的详细信息将于 2012 年 5 月 20 日至 24 日在加拿大温哥华举行的第 60 届美国质谱学会质谱及相关主题会议上公布。

超导纳米带离子探测器照片(a)和示意图(b)

彩虹色是通过纳米结构的衍射产生的。刻度为 1 毫米 (a)。铌或氮化铌带材 厚度为几十纳米，宽度为几百纳米 (b)。

TOF MS 对于生命科学来说是不可或缺的。在光谱仪中，原子或分子被电离并被几千伏的电压加速飞出一定的距离，然后由离子检测器检测到离子。飞行时间的测量提供了一种识别原子或分子或分析分子结构的方法。离子检测器应具有快速（纳秒）响应时间，以确保足够高的质量分辨率。在传统的TOF MS仪器中，由于离子检测器的检测灵敏度较低，可测量的范围仅限于小于4000的质量范围。此外，传统仪器无法测量离子的电荷数，因此无法直接确定离子的质量。

AIST 一直致力于科学、技术和工业领域的先进分析仪器的研发。作为其努力的一部分，AIST 一直致力于通过使用超导技术来突破质谱分析的技术或固有限制（参见今天的 AIST卷。 9、第 8 号）。

该研发项目得到了科学研究补助金、基础研究（A）“配备用于高质量分子的超导纳米带状线检测器的质谱仪的开发（2010财年至2013财年）”的支持。该探测器是在产业技术研究所纳米加工设施中利用产业技术研究所的IBEC创新平台制造的。与CNR的国际合作研究是通过日本学术振兴会外国研究员博士后奖学金进行的。除了离子检测之外，超导传感器还可应用于红外光子、X射线和太赫兹波。国际电工委员会技术委员会 90 (IEC TC90) 正在对超导传感器进行标准化。

图1比较了传统离子探测器和开发的超导探测器的探测原理。由于质谱仪中离子的能量较低（只有几keV），蛋白质离子等重离子对检测器表面的冲击轻微，导致检测器表面粘附。传统上，为了检测碰撞，从表面释放的一个二次电子通过电子倍增被放大。随着离子质量的增加，二次电子发射概率降低，从而降低检测灵敏度。另一方面，在超导探测器中，利用离子碰撞产生声子以避免灵敏度下降。即使是轻微的撞击也会产生声子，因此可以进行与质量无关的检测。

超导探测器具有纳米级超导体带（铌或氮化铌），厚度为几十纳米，宽度为几百纳米。纳米条在几毫米的面积内串联和并联排列²。纳米带的排列对于实现纳米结构的优异性能和足够大的敏感区域非常重要，这对实际应用很重要。当冷却至约 -270 °C 时，探测器将变得超导。当带的宽度小于1微米时，离子撞击产生的声子引起从超导态到正常态的局部转变，从而导致在带宽度上形成正常带。正常带会产生电阻。电阻出现会产生纳秒电压脉冲，使快速离子检测成为可能。由于声子是由任何质量的离子撞击产生的，因此可以在纳秒时间尺度上以高灵敏度检测到宽质量范围的离子。

图1：传统离子检测与超导离子检测之间的差异

在质谱分析中，重离子只会造成轻微的影响，例如粘附在检测器表面。 如此轻微的撞击会产生声子，超导状态会被破坏。

图2显示了血管紧张素I的肽激素离子撞击超导探测器时观察到的电压脉冲波形。人们认识到脉冲宽度非常窄（小于 1 ns）。类似地，用具有较高分子量的免疫球蛋白 G 多聚体观察到纳秒脉冲。该探测器能够探测到分子量高达 600,000 的重离子。

为了读出这些快速脉冲，开发了单通量量子 (SFQ) 集成电路。 SFQ电路使用SFQ作为信息媒介。使用该电路，可以通过将快速电压输出脉冲转换为 SFQ 来测量质谱。

图2：响应血管紧张素I（一种生物分子）的一个离子的冲击而产生的纳秒输出脉冲的波形(a)； 以及用于将输出脉冲转换为数字信号的超导数字电路(b)

SFQ电路采用国际超导技术中心微细加工工艺制作。

此外，还发现可以通过改变施加到检测器的偏置电流来确定离子电荷数。图3是测量溶菌酶多聚体离子的示例。当偏置电流较低时，如图3（a）所示，仅观察到单体至六聚体的二价离子。当偏置电流增加时，如图3（b）所示，主要观察到单体至六聚体的一价离子。普通质谱法无法区分具有相同性质的一价离子和二价离子m/z，例如一价单体离子和二价二聚体离子。然而，这些离子可以通过使用超导探测器来区分。同样的重叠发生在单价二聚体离子和二价四价聚体离子等之间。

图3：溶菌酶多聚体的分析示例

例如，作为二价二聚体离子 (2+2)，仅少量生产，具有相同的 m/z作为一价单体离子 (1+1)，普通质谱仪无法 区分它们。超导探测器可以识别二价二聚体离子的弱峰。

为了实现多样化的高通量分析，研究人员计划增加探测器的敏感面积并提高超导数字电路的数据处理能力。运行所开发的超导探测器需要-270°C的极低温度。然而，他们开发了一种不需要供应液氦的自动冷却系统。研究人员预计将在两年内开发出配备所开发的超导探测器的飞行时间质谱仪，并能够通过 AIST 的 IBEC 创新平台接受分析请求。