To-dimensionel (2-D) nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi med en mikrofluidisk diamant kvantesensor

Kvantesensorer baseret på nitrogen-ledige (NV) centre i diamant er en lovende detektionsmåde for nuklear magnetisk resonansspektroskopi på grund af deres mikronskala detektionsvolumen og ikke-induktive-baserede prøveopdagelseskrav. En udfordring, der eksisterer, er at tilstrækkeligt realisere høj spektral opløsning kombineret med koncentrationsfølsomhed til multidimensionel NMR -analyse af picolitre prøvevolumener. I en ny rapport nu Videnskab fremskridt , Janis Smits og et tværfagligt forskerhold i afdelingerne for højteknologiske materialer, Fysik og astronomi i USA og Letland tog fat på udfordringen ved rumligt at adskille polariserings- og detekteringsfaser af eksperimentet i en mikrofluid platform.

De realiserede en spektral opløsning på 0,65 ± 0,05 Hz, en forbedring i størrelsesorden sammenlignet med tidligere diamant-NMR-undersøgelser. Ved hjælp af platformen, de udførte 2-D-korrelationsspektroskopi af flydende analytter med et effektivt detektionsvolumen på ~ 40 picoliter. Forskergruppen brugte diamantkvantesensorer som in-line mikrofluidiske NMR-detektorer i et stort skridt fremad til applikationer inden for massebegrænset kemisk analyse og enkeltcellet biologi.

Nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi er en kraftfuld og veletableret teknik til komposition, strukturel og funktionel analyse inden for en række videnskabelige discipliner. Ved konventionel NMR-spektrometri er signal-støj-forholdet (SNR) stærkt afhængigt af den eksterne feltstyrke (B ₀ ). Da spektralopløsningen steg, B ₀ også steget, motivere udviklingen af ​​stadig større og dyrere superledende magneter til forbedret opløsning og SNR, resulteret i en dobbelt stigning i feltstyrke inden for de sidste 25 år.

Imidlertid, selv med store B ₀ værdier, påvisning af mikroskala -mængder, der ofte kræves isotopmærkning, koncentrerede prøver og lange eksperimentelle tidslinjer. For at forbedre følsomheden for små prøvevolumener, forskere udviklede miniature induktive spoler, hvilket tillod flere fremskridt, herunder spektroskopi af ægceller og in vitro -diagnostik. De eksisterende følsomheds- og detektionsgrænser er endnu suboptimale til metabolisk analyse af enkeltpattedyrsceller eller for inklusion i in-line mikrofluidiske assays. Som en alternativ NMR -detektionsstrategi, kvantesensorer baseret på nitrogen-ledige (NV) centre i diamant er opstået på grund af deres sub-mikrometer rumlige opløsning og ikke-induktive-baserede detektion.

Forskere har tidligere implementeret metoden til at opdage tidlige nanoskalaudsving i nuklear magnetisering for at forbedre polarisering. De brugte viskøse opløsningsmidler til at forbedre frekvensopløsningen til ~ 100 Hz for at opnå opløsning af store kemiske skift ved B ₀ =3 T (Tesla). Selvom der kan foretages yderligere forbedringer i opløsningen ved at øge detektionsmængden (V), de var til en pris for SNR. I det nuværende arbejde, Smits et al. rapportere en forbedring af størrelsesordenen i spektral opløsning for at realisere en koncentrationsfølsomhed på ~ 27 M s ^1/2 . For at opnå dette, de adskilte rumligt polarisations- og detektionsfaserne i eksperimentet i en mikrofluidisk opsætning.

Forskergruppen brugte stærke permanente magneter (1,5 Tesla) til at generere nuklear spin-polarisering og udførte detektionen ved 13 mT ved hjælp af Helmholtz-spoler for at forenkle opgaven med at stabilisere NMR-linjebredder til sub-hertz-niveauer. De letter brugen af ​​diamantkvantesensorer som in-line mikrofluidiske NMR-detektorer ved lave mikrobølgefrekvenser. Forbedringerne tillod Smits et al. at udføre todimensionel (2-D) korrelationsspektroskopi (COZY) af flydende analytter inden for et effektivt detektionsvolumen på ~ 40 pL (pico-liter). Forskerne agter at kombinere denne platform med fremskridt inden for dynamisk nuklear polarisering ved hjælp af eksterne polarisationsmidler og potentielt optisk hyperpolarisering med NV-centre for at tillade NMR-spektroskopi af metabolitter ved fysiologiske koncentrationer ved enkeltcellet rumlig opløsning.

I den eksperimentelle opsætning, Smits et al. opbevarede væske-analytterne i en helium-trykbeholder med variable strømningshastigheder på op til 50 µl/s. Boligtiden for analytterne omtrentlige 6s, længere end spin -afslapningstiden for de undersøgte analytter (f.eks T ₁ for vand ≈ 3s), der fører til en ligevægtspolarisering på ~ 5x10 ^-6 . Analytten strømmede derefter til et detektionsområde til identifikation ved NV NMR. For at udføre NV NMR -detektion, forskerne brugte et specialbygget epifluorescensmikroskop og orienterede diamantmembraner fremstillet i undersøgelsen, på fire mulige NV -akser for at justere med magnetfeltet i opsætningen.

Smits et al. fremstillede den mikrofluidiske chip til at huse diamantsensoren, enheden indeholdt en kobberflis på et glasglas til at levere mikrobølgerne. Forskerne inkluderede også en radiofrekvens (RF) excitationssløjfe mellem diamanten og feedback -NMR -spolen, og en mikrofluid kanal, der omslutter diamantsensoren og den kontaktende analyt. De konstruerede mikrofluidiske porte til at kombinere eksternt analytrør i chippen og brugte en laserstråle med en diameter på 20 µm til at excitere NV-centrene gennem en 35 µm tyk diamantmembran.

Forskergruppen anvendte efterfølgende en række XY8-5 mikrobølge-pulssekvenser til NV-centret for at detektere det nukleare AC-felt. De brugte deioniseret vand til at bestemme apparatets grænser for følsomhed og spektral opløsning. For at optimere spektralopløsningen, de justerede gradientkompensationsspolerne og demonstrerede kapaciteterne ved NV NMR -spektrometeret ved at opnå proton -NMR -spektre af forskellige væske -analytter.

For eksempel, forskerne opnåede karakteristiske NV NMR -spektre for trimethylphosphat (TMP) og 1, 4-difluorbenzen (DFB) forbindelser i undersøgelsen. Efter at have fastlagt potentialet for at detektere NMR-spektre med sub-hertz-opløsning og høje signal-til-støj-forhold (SNR'er) for de to forbindelser, de brugte platformen til at udføre 2-D COZY NMR-spektroskopi. For det, Smits et al. udførte to varianter af 2-D COZY-analysen for at undersøge nukleare interaktioner inden for DFB (1, 4-difluorobensen) og udførte alle simuleringer ved hjælp af SPINACH softwarepakken til 2-D NMR.

Den demonstrerede sub-hertz-opløsning og multidimensionale NMR-teknikker kan bane vejen for brugen af ​​diamantkvantesensorer inden for in-line bindestregsanalyse, enkeltcellet metabolomik og massegrænset farmakodynamik. Smits et al. sigte mod den resulterende høje rumlige opløsning og epifluorescensformat for at lette kemisk analyse med høj gennemløb og NMR-billeddannelse af cellekulturer med enkeltcellet opløsning. Begrænsninger for den foreliggende indretning omfatter de betydelige gennemsnitstider, der kræves ved fysiologiske koncentrationer, der spænder fra mikromolar til millimolær volumen. Forskerne foreslår at bruge højere magnetfelter med længere og mere følsomme XY8-N mikrobølge-pulssekvenser for at forbedre NMR-følsomhed og fotonopsamlingseffektivitet i modsætning til de eksisterende metoder. På lang sigt, de forventer, at de største gevinster i følsomhed vil ske via ikke-invasive optiske hyperpolarisationsmetoder.

Brug af lav ekstern feltstyrke (B ₀ ) på 13 mT var en anden begrænsning i undersøgelsen, da den begrænsede evnen til at løse spektral opdeling på grund af kemiske skift. Teamet sigter mod at forbedre den kemiske skiftopløsning ved at øge B ₀ til ~ 0,25 T, ved hjælp af det foreliggende detektionsskema. Ud over, selvom NMR -mikrofluid -sensoren havde et effektivt detektionsvolumen på ~ 40 pL, forskerne krævede flere milliliter analyt for at fylde apparatets samlede strøm. Fremtidige mikrofluidiske chips kan derfor enten miniaturisere eller udelade præpolariseringstrin eller bruge mindre mikrofluidiske kanaler til påvisning i et større fluidsystem.

På denne måde, Janis Smits og medarbejdere demonstrerede brugen af ​​diamantkvantesensorer til mikrofluidiske NMR-applikationer. De viste, at adskillelse af polariserings- og detektionstrin muliggjorde en forbedring af størrelsesordenen i spektralopløsning sammenlignet med eksisterende diamant-NMR-undersøgelser. Forskerne validerede platformen ved at udføre 2-D NMR på væskeanalyser og foreslå dens fremtidige anvendelser inden for tværfaglige forskningsområder.

© 2019 Science X Network