Diamant-spin-off-teknologi kan føre til billige medicinske billeddannelses- og lægemiddelopdagelsesværktøjer

Det lyder måske selvmodsigende, men diamanter er nøglen til en ny teknik, der kan give et meget billigt alternativ til medicinsk billeddannelse og medicin til at opdage medicin på mange millioner dollars.

Et internationalt team ledet af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley opdagede, hvordan man udnytter defekter i nanoskala- og mikroskala -diamanter og potentielt øger følsomheden af ​​magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og nuklear magnetisk resonans (NMR) ) systemer, samtidig med at behovet for deres dyre og omfangsrige superledende magneter elimineres.

"Dette har været et mangeårigt uløst problem på vores område, og vi var i stand til at finde en måde at overvinde det på og vise, at løsningen er meget enkel, "sagde Ashok Ajoy, en postdoktor i Materials Sciences Division ved Berkeley Lab, og Institut for Kemi ved UC Berkeley, der fungerede som hovedforfatter af undersøgelsen. "Ingen har nogensinde gjort dette før. Mekanismen, som vi opdagede, er helt ny."

MR -maskiner bruges til at lokalisere kræftsvulster og hjælpe med udviklingen af ​​behandlingsplaner, mens NMR-maskiner bruges til at undersøge atomskala struktur og kemi af lægemiddelforbindelser og andre molekyler.

Den nye teknik, beskrevet i 18. maj -udgaven af Videnskab fremskridt tidsskrift, kunne føre til direkte brug af disse små diamanter til hurtig og forbedret biologisk billeddannelse. Forskere vil også søge at overføre denne særlige tuning, kendt som spin -polarisering, til en ufarlig væske såsom vand, og at injicere væsken i en patient for hurtigere MR -scanninger. De små partiklers høje overfladeareal er nøglen til denne indsats, forskere bemærket.

Forøgelse af denne spin -polarisering i elektronerne i diamanternes atomer kan sammenlignes med at justere nogle kompassnåle, der peger i mange forskellige retninger i samme retning. Disse "hyperpolariserede" spins kunne give en skarpere kontrast til billeddannelse end konventionelle superledende magneter.

"Denne vigtige opdagelse i hyperpolarisering af nano- og mikroskala-diamanter har enorme videnskabelige og kommercielle konsekvenser, "Ajoy sagde, da nogle af de mest avancerede MR- og NMR -maskiner kan være utroligt dyre og uden for rækkevidde for nogle hospitaler og forskningsinstitutioner.

"Dette kan hjælpe med at udvide markedet for MR og NMR, " han sagde, og kan også potentielt krympe enhederne fra rumstørrelse til bordplade, som "har været drømmen fra starten." Ajoy er medlem af Alex Pines forskningslaboratorium ved UC Berkeley - Pines er senior fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division, og en pioner inden for udviklingen af ​​NMR som forskningsværktøj.

Forskere havde kæmpet for at overvinde et problem med korrekt orientering af diamanterne for at opnå en mere ensartet spinpolarisering - og dette problem var endnu mere udtalt i samlinger af meget små diamanter, der præsenterede et kaotisk virvar af orienteringer. Tidligere bestræbelser, for eksempel, havde undersøgt, om boring af bittesmå træk i diamantprøver kunne hjælpe med at kontrollere deres spinpolarisering.

De afstemmelige spin -egenskaber i diamanter med defekter kendt som nitrogen -ledige stillinger - hvor nitrogenatomer indtager kulstofatomer i diamanternes krystalstruktur - er også blevet undersøgt til potentiel brug i kvanteberegning. I disse applikationer, forskere søger at kontrollere elektronernes spinpolarisering som en måde at transmittere og gemme information som dem og nuller i mere konventionel magnetisk computerdatalagring.

I den seneste undersøgelse, forskere fandt ud af, at ved at zappe en samling af mikroskala diamanter med grønt laserlys, udsætter den for et svagt magnetfelt, og fejer hen over prøven med en mikrobølgeovnskilde, de kunne forbedre denne kontrollerbare spin -polarisationsegenskab i diamanterne hundredvis af gange sammenlignet med konventionelle MRI- og NMR -maskiner.

Emanuel Druga, en elektriker i UC Berkeley College of Chemistry R &D -butikker, udtænkt et stort måleværktøj til den nye teknik, der viste sig at være med til at bekræfte og finjustere spin-polarisationsegenskaberne for diamantprøverne. "Det gav os mulighed for at fejlsøge dette på cirka en uge, "Sagde Ajoy.

Enheden hjalp forskere med at finde en god størrelse til diamantkrystallerne. I starten de brugte krystaller, der målte omkring 100 mikron, eller 100 milliontedele af en meter på tværs. De bittesmå prøver af lyserøde diamanter ligner fint rødt sand. Efter test, de fandt ud af, at diamanter, der måler omkring 1 til 5 mikron, også udførte cirka to gange.

De små diamanter kan fremstilles i økonomiske processer ved at konvertere grafit til diamant, for eksempel.

Forskerteamet har allerede udviklet et miniaturiseret system, der bruger komponenter fra hylden til at producere laserlyset, mikrobølgeenergi, og magnetfelt, der kræves for at producere spinpolarisationen i diamantprøverne, og de har ansøgt om patenter på teknikken og hyperpolarisationssystemet.

"Du kan tænke på at eftermontere eksisterende NMR -magneter med et af disse systemer, "sagde Raffi Nazaryan, der deltog i undersøgelsen som bachelorforsker ved Berkeley Lab og UC Berkeley. Prototyper af systemet koster kun flere tusinde dollars, bemærkede han.

Selvom snurren er kortvarig, forskere sagde, at de undersøger måder at kontinuerligt polarisere prøverne, og forsker også i, hvordan denne polarisering kan overføres til væsker. glæde sagde, "Vi kan potentielt genbruge væsken, så den flyder i en lukket sløjfe, eller fortsæt med at injicere nypolariseret væske. "