Kvantesonder forbedrer dramatisk detektion af nukleare spins

Forskere ved University of Melbourne har demonstreret en måde at detektere nukleare spins i molekyler non-invasivt, leverer et nyt værktøj til bioteknologi og materialevidenskab.

Vigtig forskning inden for medicin og biologi er afhængig af nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi, men indtil nu, den har været begrænset i rumlig opløsning og kræver typisk kraftige mikrobølgefelter. Et hold ledet af professor Lloyd Hollenberg ved University of Melbourne har brugt en kvantesonde til at udføre mikrobølgefri NMR på nanoskala. Resultaterne blev offentliggjort i dag i Naturkommunikation .

"Denne kvantesonde leverer en dramatisk forbedring af NMR-teknologien. Ud over at være i stand til at detektere NMR i langt mindre prøver end konventionelle maskiner, vores teknik kræver ikke anvendelse af mikrobølgefelter, der kan forstyrre biologiske prøver," sagde Hollenberg, der er vicedirektør for Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) og Thomas Baker Chair ved University of Melbourne.

"I NMR er målet at detektere det magnetiske signal fra kernerne i de atomer, der består af molekyler. Men signalet fra det nukleare "spin" er meget svagt, og konventionelle NMR-maskiner kræver mange millioner nukleare spins for at detektere noget. Men, ved at bruge kvanteegenskaberne for en 'defekt' i diamant, vores teknik kan registrere meget mindre volumener ned til kun tusindvis af spins."

Opdagelsen kan overvinde betydelige begrænsninger med konventionelle NMR-metoder, som er afhængige af maskiner, der kan overstige 10 tons.

"Problemet med de store NMR-maskiner i udbredt brug i dag er, at de signaler, vi forsøger at detektere, er ekstremt små, og afstanden fra måleapparatet til objektet, der måles, er meget stor, " sagde Dr. Alastair Stacey, en CQC2T postdoc-forsker.

"Dette skaber to problemer:Maskinen kan kun se en større samling af molekyler, reducerer målingens nøjagtighed. Den skal også bruge meget stærke mikrobølger og magnetiske felter for at nå prøven, men disse processer er invasive og kan påvirke sarte bioprøver, ligesom mikroovnen i dit køkken, især når man forsøger at se væskers molekylære struktur."

Hovedforfatter James Wood beskriver teknikken som "en dramatisk forenkling af atomdetektionsprocessen, hvor vi i det væsentlige kaster lys på en atomisk størrelse defekt i diamant og observerer dens naturlige respons, på et grundlæggende kvanteniveau, til målet nukleare spins i nærheden".

"En stor fordel ved vores tilgang er, at vi ikke griber ind i prøven, når vi afbilder den."

Teknikken giver nye muligheder for forskere.

"Med disse fremskridt inden for kvantesensorteknologi, vi åbner døren til en ny verden af ​​videnskabelig undersøgelse, der kan føre os til at få en bedre forståelse af livets mindste byggesten, sagde Hollenberg.