独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）测量前沿研究部[Masataka Okubo，研究部主任] 高光谱系统开发研究小组 Masanori Koike，与意大利科学委员会控制论研究所 Roberto Cristiano 博士 [主任：Russo Marigio]（以下简称“CNR”）以及国立大学法人横滨国立大学（以下简称“国立大学法人”）铃木国夫校长 Nobuyuki Yoshikawa 教授合作``横滨国立大学''）超导我们开发了纳米带离子探测器。
该探测器向超导体施加电流偏置，离子碰撞时产生声音声子破坏的事实来检测离子。通过在数毫米的面积上串联和并联布置数十纳米厚、数百纳米宽的超导体（铌或氮化铌）带状线，研究人员能够实现与传统离子检测器相当的纳秒级高速响应，并且即使对于大质量离子也不会劣化检测特性。他们还成功地使用高速超导数字电路读取纳秒信号。此外，该检测器可以通过改变操作条件来区分离子的电荷数。预计飞行时间质谱仪的性能将会提高。
该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 届美国质谱学会上公布。
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超导纳米带离子探测器外观(a)及结构示意图(b) 由于纳米带的衍射，彩虹颜色是可见的。刻度尺为 1 毫米 (a)。铌或氮化铌带状线的厚度为几十纳米，线宽为几百纳米(b)。 |
飞行时间质谱是生命科学领域重要的分析设备之一。原子和分子电离后，用几千伏的电压加速，飞行一定距离，由离子探测器检测，根据飞行时间对原子和分子进行识别和结构分析。为了获得足够的质量分辨率，离子检测器需要纳秒级的快速响应时间。然而，当质量超过约 4,000 时，检测灵敏度会降低，这限制了可分析的质量范围。另一个限制是无法直接确定离子的质量，因为无法确定离子上的电荷数。
AIST一直在研究和开发用于科学、技术和工业领域研究和开发的先进测量和分析设备。作为这项工作的一部分，我们一直致力于使用超导技术来克服质谱仪探测器的技术和理论限制（AIST 今日第 9 卷第 8 期 [PDF：11MB]）。
这项研究和开发得到了科学研究补助金（A）“使用超导纳米带状分子探测器的巨分子质谱分析（2010-2010财年）”的支持。该探测器是使用 AIST 先进设备共享创新平台在纳米加工设施中制造的。此外，通过日本学术振兴会特别外国研究员计划，与CNR进行了国际联合研究。除离子传感器外，还有红外光子、X射线、太赫兹波等各种传感器，国际电工委员会技术委员会90（IEC TC90）正在致力于超导传感器的标准化。
图1比较了传统离子探测器和新开发的超导探测器的探测原理。在质谱仪中，离子的能量为几千米电子伏特，因此蛋白质等大质量离子只会引起微弱的碰撞，导致它们粘附在探测器表面。传统上，为了检测这一点，使用电子倍增管放大由于碰撞而偶尔从表面发射的二次电子。随着二次电子质量的增加，其发射变得更加困难，导致检测灵敏度下降。另一方面，超导探测器利用了离子碰撞时产生的声音（声子）打破超导状态的事实。
这次，我们开发了一种纳米结构的超导探测器，其中超导体（铌或氮化铌）的带状线的厚度小至几十纳米，宽度几百纳米，并在几毫米的面积内串联和并联排列。它将纳米结构超导体的优异特性与足够的敏感区域结合在一起，这对于探测器来说非常重要。当冷却至约 -270 °C 时，该探测器将变得超导。由于带状线被细化至纳米尺寸的线宽，当离子碰撞产生声子时，带状线的整个宽度从超导状态转变为常导状态，从而产生电阻。该电阻产生纳秒量级的电压脉冲，从而可以高速检测离子。此外，由于声子在与任何质量的离子碰撞时以几乎相同的方式产生，因此即使是大质量的分子也可以高灵敏度和高速检测。
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图1 传统离子检测与超导离子检测的区别 在质谱分析中，高质量离子只会引起微弱的碰撞，导致它们粘附在探测器表面。在这种情况下，也会产生声音（声子），从而破坏超导性。 |
图2显示了一种称为血管紧张素I激素的生物分子离子与新开发的超导探测器碰撞时观察到的电压脉冲波形。脉冲宽度很快，小于1纳秒。此外，对于具有较大分子量的免疫球蛋白多聚体也观察到类似的纳秒脉冲。这样，即使是分子量为60万的高质量离子也能被高速检测到。
为了处理这个高速脉冲，单通量量子 (SFQ)作为信息媒介。利用该电路，他们成功地将离子碰撞检测器时产生的高速电压脉冲转换为SFQ并测量质谱。
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图2 生物分子血管紧张素I的单个离子(a)与将输出脉冲转换为数字信号的超导数字电路(SFQ)碰撞所对应的纳秒输出脉冲波形(b)
SFQ电路采用国际超导工业技术研究中心的微加工工艺制造。 |
我们发现可以通过改变施加到检测器的电流偏置值来识别离子上的电荷数量。图 3 显示了溶菌酶。多聚体这是测量离子的示例。当电流偏压较低时，仅观察到单体至六聚体二价离子，如（a）所示。当偏压增加时，主要观察到从单体到六聚体的一价离子，如(b)所示。例如，在普通质谱分析中，m/z的二聚体的一价离子和二价离子，但利用超导性就变得可能。二聚体中的单价离子和四聚体中的二价离子也发生类似的重叠。
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图3 溶菌酶多聚体分析示例。 例如少量二价离子 (2+2) 是一价离子 (1+1) 和m/z它们是相同的，无法通过普通质谱分析来区分。使用新开发的超导探测器，可以提取二聚体中二价离子的弱峰。 |
未来，为了实现多种高通量分析，我们计划扩大探测器的敏感面积，提高超导数字电路的数据处理能力。虽然新开发的超导探测器需要-270°C的极低温环境才能运行，但我们已经构建了不需要液氦供应的自动冷却系统，并且计划在两年内开发出配备超导探测器的飞行时间质谱仪，并通过先进设备共享创新平台接受分析请求。