国立产业技术综合研究所［会长：中钵良二］（以下简称“AIST”）纳米电子研究部[研究部主任安田哲二]超导光谱电子组Nobuyuki Zen，首席研究员，Masahiro Ukibe，研究组组长电子与光子技术研究部[研究部负责人森雅彦]超导电子组高级首席研究员Yasunori Mawatari与日本电报电话公司国立固体物理研究所首席研究员（现任北见工业大学教授）Hiroyuki Shibata合作[总裁Hiroo Uoura]（以下简称“NTT”）开发了一种具有最高性能的材料金属超导体中的超导转变温度硼化镁2（二硼化镁）超导分子探测器
超导分子探测器已商用质谱仪的分子检测器难以检测的蛋白质等重分子，可以100%的灵敏度进行检测。然而，很难将其安装在典型的质谱仪中，因为它需要使用大型且昂贵的冰箱冷却至接近绝对零（0 K（开尔文））。
新开发的超导分子探测器可以在10 K以上的温度下探测生物分子，因此可以在塑料罐（20升）大小的小型冰箱中运行，并且制冷所需的电量不到3千瓦时（传统冰箱的1/25），与典型的家用空调差不多*)它可以很容易地安装在任何人都可以使用的通用质谱仪中，并且有望得到广泛的工业应用。
该成果于2015年6月1日（美国东部时间）发表在《美国科学杂志》上应用物理快报
*) 使用制冷量为 4 kW 的空调数小时时的能耗。
 |
| 超导分子探测器和MgB的性能2可以冷却超导分子探测器的小型节能冰箱 |
在医学和药物发现领域用于分析化学物质的质谱仪中的典型分子检测器中，当分子碰撞时，电子从检测器表面喷射并作为电信号输出。然而，即使蛋白质等重分子发生碰撞，电子也不会被喷射而不会被检测到。相比之下，在使用超导体的超导分子探测器中，由于分子的碰撞，超导状态在探测器表面的微小区域被破坏，正常导通状态（产生有限电阻），即使是重分子也能准确检测，并且具有在室温下运行的传统分子检测器无法获得的检测性能。
然而，迄今为止用于分子探测器的超导体都是铌或铌化合物，其超导转变温度较低，并且存在安装成本和冷却超导分子探测器的设备占用空间的问题。当超导分子探测器的工作温度变高时，可以用节能、紧凑的冰箱进行冷却，并且可以容易地连接到通用分析设备，因此需要一种使用具有高超导转变温度的超导体的分子探测器。
在AIST，我们将生命创新定位为优先问题，作为医疗和药物发现领域创新技术发展的一部分，我们一直致力于利用超导技术来突破分子探测器的技术和理论限制（2012 年 5 月 18 日 AIST 新闻稿、2005 年 3 月 24 日 AIST 新闻稿）。 AIST实现了传统分子检测器原理上无法测量的双原子分子中二价离子的检测以及电中性粒子的直接检测，在利用超导技术进行分子检测方面处于世界领先地位。然而，超导分子探测器的工作温度仍保持在03至4 K范围内。
与此同时，在推动量子密码通信中高灵敏度、高效率地检测单光子的光子探测器的研究的同时，NTT 使用了 MgB2我们积累了最先进的薄膜生产和微加工技术，并且是世界上第一个开发红外波长范围技术的单光子检测到（NTT 技术杂志 2011 年 6 月号，第 58-61 页）。
这次，两者都是具有优异超导性能的MgB2在分子探测方面，我们进行了研发，旨在创造一种更通用的超导分子探测器。
这项研究和开发得到了日本学术振兴会科学研究补助金（基础研究 C，项目编号 25420350）的支持。
具有 39 K 高超导转变温度的 MgB2创建了一个超导分子探测器。膜厚10nm、线宽250nm的MgB2带状线一笔写成蜿蜒形状，分子探测器尺寸为50×50 µm2这种超导分子探测器安装在市售的质谱仪上，酶。可以确认对应于一个溶菌酶分子(单体)的峰和对应于通过两个溶菌酶分子聚集形成的二聚体的峰。考虑面积比的检测灵敏度约为室温下操作的传统检测器的四倍。另外，这是在冷却装置温度13K下测定的，MgB2这显示了使用超导体的分子探测器的有用性。该冰箱工作温度为10 K，高效节能，功耗不到常规产品的五分之一，重量不到常规产品的五分之一，结构紧凑、重量轻，可轻松连接市售分析设备。
此外，新开发的MgB2超导分子探测器如何探测分子TDGL（瞬态金茨堡-朗道方程）和热扩散方程图1(b)中的黑点是生理活性物质碰撞时观察到的电压脉冲波形，与理论分析的输出波形（蓝线）吻合良好。脉冲宽度很快，小于1纳秒，表明TDGL可以在皮秒时间尺度上跟踪超导-常导转变。分子与带材碰撞后，立即形成一个称为热点的微小常导区域，但通过求解 TDGL 和热扩散方程，MgB2第一次清楚地看到，地带中的热点随时间而变化（图 1(c)）。时间变化的概要如图1(d)所示。热点在极短的时间内，即分子碰撞后16皮秒内生长至约1μm的长度，中心温度升至48K。此后，常导区缓慢收缩，碰撞后410皮秒，常导区完全消失，MgB2带材恢复到原来的超导状态。
通过分子碰撞生成 MgB2我们发现条带中形成了约1μm的常导区域，这表明可以以1μm的精度识别碰撞位置。成像质谱是一种可以同时分析样品中分子的位置和质量的技术，可应用于医学、制药、农业和工程等广泛领域。分子探测器用MgB2使用超导分子探测器，有望实现空间（位置）分辨率小于 100 nm（不到传统方法的十分之一）的成像质谱分析。
 |
| 图1(a)在13K冷却温度下分析溶菌酶质量的示例，(b)1个血管紧张素I离子碰撞对应的输出脉冲波形(黑点)和超导理论分析的信号波形(蓝线)，(c)分子碰撞产生的正常传导区域的大小随时间的变化，(d)分子碰撞产生的正常传导区域的大小随时间的变化示意图分子碰撞 |
硼化镁2图 2 显示了使用超导分子检测器进行成像质谱的示例。这可以更详细地分析分布在细胞内但过去无法检测到的药物和蛋白质之间的相互作用，预计将有助于开发副作用更少的药物。目标是在四年内创建一种通用超导分子探测器，可以轻松安装在商用成像质谱仪中。
 |
| 图 2 MgB2使用超导分子探测器成像质谱的未来前景 |