超伝導検出器の生体分子研究利用

筑波大学

数理物質系物理工学域
数理物質融合化学センター
冨田成夫

光量子計測器ワークショップ 2016/3/2

共同研究者
産業技術総合研究所
ナノエレクトロニクス研究部門： 大久保雅隆、浮辺雅宏、志岐成友 STJ開発
創薬基盤研究部門： 高橋勝利
分析計測標準研究部門： 浅川大樹
京都大学工学研究科 斉藤学、間嶋拓也
高エネルギー加速器研究機構： 田邊徹美
筑波大学数理物質系： 笹公和

生体分子反応・質量分析

静電型イオン蓄積リング

筑波大学数理物質科学研究科：植平将嵩、山崎克也、山本直樹
学生さんたち光量子計測器ワークショップ 2016/3/2

Outline of presentation• STJ素子による粒子計測– 原理– 分解能– 線形性• STJを用いた生体分子多量体の研究– イントロダクション– ESI－TOFによる多量体測定– 結果＆考察
光量子計測器ワークショップ 2016/3/2

トンネル接合型超伝導検出器
超伝導検出器Superconductor
Surface
Collision

Insulator

Superconductore ePhononGenerationSignale etunneling
Cooper pair

Bias

Josephson Junction

Binding energy of cooper pair：3.1meV in (Nb)

Energy measurements of keV particles

光量子計測器ワークショップ 2016/3/2

Detection principle of STJ

D. Twerenbold, Rep. Prog. Phys. 349 (1996)
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STJ with mass spectrometer

光量子計測器ワークショップ 2016/3/2

Pulse height spectrum of N+/N22+ (m/z=14)60
赤外線による雑音の増加以外の要因

50

Pulser signal

Counts40
30
20
N+N2+210Vacc  3 kV

0010002000

Channel
光量子計測器ワークショップ 2016/3/2

3000

4000
S. Shiki et al., J. Mass Spectrom. 431686 (2008).

Particle dependence
200C+60Counts

150

波高は入射する分子によって異なる

N+2

Artificial peak
100500050

100

150Channel
光量子計測器ワークショップ 2016/3/2200250300

Pulse height for different molecules

Relative Pulse height

1.00.80.6+

N20.4+

Silver clusters Agn+PFK fragments CmFn

0.2+

Fullerene ions Cn

0.00100

200300400500Mass (amu)
光量子計測器ワークショップ 2016/3/2

600

700

800

Correlation with electronic stopping power
1.1

Relative Pulse height+

N21.0+

Silver clusters Agn+PFK fragments CmFn

0.9+

Fullerene ions Cn

0.80.7
Effect of electronic sputtering?
Sputtered particles carry away a partof energies deposited on STJ

0.60.501020304050(dE/dx)e (eV/Å)

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Tomita et. al., Appl. Phys. Lett. 91, 053507 (2007)

60

7080

STJによる粒子計測
改良点• 分解能、線形性の向上• 二次粒子の発生・散逸の抑制• 2次粒子が散逸しにくい構造• 2次粒子が発生しにくい材料によるコーティング

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STJを用いた生体分子研究• タンパク質多量体の分析• 糖タンパクの構造解析

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アミロイド
β2mのアミロイド
アルツハイマーの原因変成したタンパク質が凝集

diphenilalaninのアミロイド
Nanowireの材料
医学および工学で注目アミロイドの形成過程

C. M. Dobson, Nature 426 (2003).

水に溶けない繊維状のタンパク質

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タンパク質多量体の安定性や崩壊過程研究

Native構造

変成体が凝集してアミロイドを形成
C. M. Dobson, Nature 426 (2003).
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多量体の質量分析における問題点
質量スペクトルにおける多量体のピーク位置m/zの同じものはかさなってしまう。
m/ｚの同じものを分離する必要性がある
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実験
ＪＥＯＬ AccuTOF(JMS-T100LP)

ESI-TOF+
超伝導検出器飛行時間 → m/z
信号波高 → zVa
mとzを独立に決定
試料： Bradykinine (和光純薬)
配列： Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg
分子量： 1060 Da
溶液： H2O:CH3CN:CH3COOH (49:49:2)
濃度： １ｍＭ
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Electrospray ion source

Orifice1電圧

残留ガスとの衝突
Vor1=300V, 65V

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TOFスペクトル
1.0x1048.0x103[BK+H]+Counts

6.0x1034.0x1032.0x10[3BK+H]+3[BK+2H]2+[2BK+H]+

0.0
0500

1000

1500

Time of flight (arb. unit)
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2000

2500

Pulse height distribution
104

q =1

Counts103

q =2

q=3102q=4101

100
0100

200

300

400

500

600

Pulse height (arb. unit)
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700

800

2次元スペクトル

Pulse height (arb. unit)

200

150

[13BK+3H]3+[BK+H]+z>3100z=3[BK+2H]2+

z=250

z=10050100

150

TOF (arb. unit)
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200

1.000
1.585
2.512
3.981
6.310
10.00
15.85
25.12
39.81
63.10
100.0
158.5
251.2
398.1
631.0
1000
1585
2512
3981
6310
10000

[BK+H]+のm/zでの波高分布
105[BK+H]+
104

Counts103

10[2BK+2H]2+

2

101

100
0

102030

Pulse height (arb. unit)
光量子計測器ワークショップ 2016/3/2

4050

Gated spectra
102[6BK+3H]3+

z=3101[18BK+3H]3+010[BK+2H]2+

3Counts10

z=2210101[2BK+2H]2+100[12BK+2H]2+

z=1104
103
102
101
100

[BK+H]+[2BK+H]+

050+++[3BK+H]+ [4BK+H] [5BK+H] [6BK+H]

TOF (arb. unit)

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100150

ଷା

1.000
1.585
2.512
3.981
6.310
10.00
15.85
25.12
39.81
63.10
100.0
158.5
251.2
398.1
631.0
1000
15852512
3981
6310
10000

[BK  2H]n 2 n  [BK  H]n n Energy (arb. unit)

200[2BK  3H]3

[2BK  4H]4 
100[2BK  2H]2 00100200

Time of flight (arb. unit)
光量子計測器ワークショップ 2016/3/2

ା

Energy spectrum for
105[BK+H]+
104

Counts103[2BK+2H]2+102[3BK+3H]3+101

1000100200300

Energy (arb. unit)

光量子計測器ワークショップ 2016/3/2400500

ଶା
105

[BK+2H]2+
fragment y4
104

Counts103[2BK+4H]4+
102

101

100
0100200

300

Energy (arb. unit)
光量子計測器ワークショップ 2016/3/2

400500summary• STJによる粒子計測の問題点• 2次粒子の抑制による分解能および線形性の改善の可能性• ESI-TOFとSTJを組み合わせることによりペプチドクラスターのmおよびzの独立測定を行った。
• 3価の18量体までの生成を確認、4価以上のものも多く存在する。
• [M+H]+には[2M+2H]2+ [3M+3H]3+らしきものは確認できた。
• [2M+3H]3+,[2M+4H]4+も確認• 2量体に特異的な安定性？
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