Forskere bruger diamanturenheder til at se på den mikroskopiske skala

Det er ikke ofte, man ser 50 år gammelt udstyr i et moderne fysiklaboratorium, endsige finde det i centrum for banebrydende forskning. Men derefter, de fleste sådanne laboratorier drives ikke af Ronald Walsworth.

En senior fysiker ved Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics og medlem af fysikafdelingens fakultet, Walsworth, sammen med postdoc-stipendiater David Glenn og Dominik Bucher, udviklet et system, der bruger nitrogen-tomgangscentre (urenheder i atomare skala i diamanter) til at læse de nuklear magnetiske resonans (NMR) signaler produceret af prøver så små som en enkelt celle. Og de gjorde det på et stramt budget ved at bruge en gammel, doneret elektromagnet.

Systemet vil gøre det muligt for forskere at kigge ind i tidligere usete biologiske processer såvel som materialers kemiske egenskaber, og kunne hjælpe med at åbne døren til svar på en lang række nye spørgsmål inden for områder lige fra kondenseret stof fysik til kemi til neurobiologi. Arbejdet er beskrevet i et papir, der for nylig er udgivet i Natur .

"Dette giver os for første gang et værktøj til at udføre NMR på prøver, der ligner volumenet af en enkelt celle, mens den stadig opretholder høj spektral opløsning, Walsworth sagde. "Der er to store udfordringer, vi løser med dette arbejde. Der er den rumlige størrelse, eller mængden af ​​prøverne, og den anden er den spektrale opløsning. For at udføre nyttig NMR-spektroskopi i disse små skalaer, du skal have begge dele."

Vanskeligheden ved at opnå begge dele, Walsworth sagde, hænger delvist sammen med måden NMR fungerer på.

Opdaget på Harvard i 1940'erne, NMR virker ved at excitere atomerne i en prøve ved at bruge kraftige magnetfelter og måle de radiofrekvenser, de udsender. Da hvert molekyle udsender specifikke frekvenser, kemikere og fysikere har lært at læse disse radiospektre for at lære alt fra forskellige molekylers materialeegenskaber til, hvordan proteiner foldes.

I konventionelle systemer, disse signaler måles ved hjælp af trådspoler svarende til radioantenner. For mindre prøver, imidlertid, signalerne er simpelthen for svage til at detektere, så forskere – inklusive Walsworth og fysikprofessor Mikhail Lukin – begyndte for mere end ti år siden at udforske at bruge nitrogen-vacancy-centre (NV) til at samle dem op.

"En af de allerførste ideer, vi havde til NV-centre, var at bruge dem til små volumen NMR, ned til niveauet af enkelte atomer eller molekyler, " sagde Walsworth. "Vi havde denne vision for 10 eller 12 år siden, og det har taget mange år at forbedre teknologien for at nå til dette punkt."

Fra deres første nanoskala-detektion af et NMR-signal i 2013, Walsworth sagde, Harvard-forskere raffinerede NV-teknologien, og var i 2014 i stand til at detektere en enkelt proton. I 2016 havde de brugt NV til at fange NMR-signalet produceret af et enkelt protein. Selvom de kunne detektere signaler fra små prøver, NV-centrene var langt fra ideelle.

"Da vi opdagede enkelte proteiner, det var med NMR-spektraltoppe, der var 10 kilohertz brede i frekvens, " sagde Walsworth. "Men adskillelsen mellem frekvenser i NMR kan være så lille som et par hertz. Så vi var i stand til at opdage et protein, men alle de kemiske detaljer i spektret blev vasket ud."

At få den detalje fra prøver i nanoskala, han sagde, forbliver en udfordring, fordi kvantemekaniske udsving, der ville være uvæsentlige i større prøver, forbliver dominerende i små skalaer, og molekyler i opløsning diffunderer væk fra sensoren, hvilket resulterer i lavere opløsning.

"Så der er iboende problemer med prøver på nanoskala, men du løser straks disse problemer, hvis du bakker op til mikronskalaen, " sagde Walsworth. "Det er stadig omfanget af individuelle celler, som er meget mindre end noget, du kan gøre med konventionelle NMR-systemer, og er stadig af stor interesse for kemikere og biologer."

Udførelse af NV NMR-eksperimenter med prøver i mikronskala krævede en stor magnet, der var ud over laboratoriets budget. Så Walsworth og kolleger blev doneret en 1965 elektromagnet fra Columbia University, som blev arrangeret med hjælp fra Roger Fu, assisterende professor i jord- og planetvidenskab. Men det efterlod stadig Walsworth og kolleger med udfordringen med at omgå de løsningsproblemer, der er forbundet med at bruge NV-centre.

"En af disse udfordringer er, at NV-centrets spins, hvad er det, de opdager, kun forblive sammenhængende i omkring et millisekund, sagde han. For tre år siden, vi havde en idé om at omgå den grænse ved at bruge en teknik, vi kalder synkroniseret udlæsning."

Normalt, Walsworth sagde, videnskabsmænd ville udføre en række uafhængige NMR-målinger, derefter gennemsnit dem sammen for at producere en endelig måling. Walsworth og kolleger, imidlertid, udviklet en teknik til at tage gentagne målinger udløst af et ur, der var synkroniseret med NMR-signalet. Ved at sætte disse mål sammen, de var i stand til at måle signaler med langt højere opløsning end før.

Holdet testede derefter systemet mod tre typer molekyler - trimethylphosphat, xylen, og ethylformiat - for at vise, at det ikke kun var i stand til at detektere NMR-signaler, men for at opnå spektrale opløsninger ned til omkring en hertz, tilstrækkelig til at observere vigtige kemiske signaturer på mikronskalaen for første gang.

"Vi var i stand til at vise, at systemet virker på disse molekyler, som var de enkleste spektre vi kunne finde og stadig kalder dem komplekse, " sagde Walsworth. "Dette er spændende ... Vi har løst et teknisk problem, men vi har stadig mere arbejde at gøre, før vi anvender dette på videnskabelige problemer."

Harvard's Office of Technology Development har beskyttet den intellektuelle ejendomsret i forbindelse med dette projekt og undersøger kommercialiseringsmuligheder.

Fremadrettet, Walsworth sagde, at han planlægger at fortsætte med at udforske måder at booste signalet fra mikron-skala prøver med et mål om at gøre systemet både hurtigere - testene beskrevet i undersøgelsen tog så lang tid som 10 timer at opnå data - og mere anvendelige til levende prøver.

Forskere skal også fokusere på at forbedre følsomheden af ​​NV-centrene, han sagde, så de kan detektere svage signaler produceret prøver i svage koncentrationer.

"Vi er nødt til at øge følsomheden med flere størrelsesordener for at gøre alt, hvad vi vil gøre, " sagde han. "At få disse systemer til at fungere i denne lille skala er en stor udfordring nu i marken."