Ny kvantesensorteknik muliggør kernemagnetisk resonansspektroskopi i høj opløsning

Nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi er et meget brugt værktøj til kemisk analyse og molekylær strukturgenkendelse. Fordi det typisk er afhængigt af de svage magnetiske felter produceret af en lille termisk nuklear spin polarisation, NMR lider af dårlig følsomhed sammenlignet med andre analytiske teknikker. Et konventionelt NMR-apparat bruger typisk store prøvevolumener på omkring en milliliter - store nok til at indeholde omkring en million biologiske celler.

I en undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgang X (PRX), forskere fra University of Marylands Quantum Technology Center (QTC) og kolleger rapporterer om en ny kvantesensorteknik, der tillader højopløsnings-NMR-spektroskopi på små molekyler i fortyndet opløsning i et prøvevolumen på 10 picoliter - omtrent svarende til en enkelt celle.

Eksperimenterne rapporteret i avisen, med titlen "Hyperpolariseringsforstærket NMR-spektroskopi med femtomolfølsomhed ved brug af kvantefejl i diamant, " blev udført af forskergruppen af ​​prof. Ronald Walsworth, QTC stiftende direktør. Deres fund er det næste skridt i tidligere resultater, hvor Walsworth og samarbejdspartnere udviklede et system, der udnytter nitrogen-ledige kvantefejl i diamanter til at detektere NMR-signaler produceret af prøver i picoliter-skala. I dette tidligere arbejde, forskerne kunne kun observere signaler fra rene, stærkt koncentrerede prøver.

For at overvinde denne begrænsning, Walsworth og kolleger kombinerede kvantediamant-NMR med en "hyperpolariseringsmetode", der booster prøvens nukleare spinpolarisering - og dermed NMR-signalstyrken - med mere end hundrede gange. Resultaterne rapporteret i PRX indser, for første gang, NMR med femtomol molekylær følsomhed.

Om virkningen af ​​forskningen, Walsworth siger, "Målet i den virkelige verden er at muliggøre kemisk analyse og magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) på niveau med individuelle biologiske celler." MR er en type scanning, der kan behandle detaljerede billeder af dele af kroppen, inklusive hjernen. "Lige nu, MR er begrænset i sin opløsning, og det kan kun afbilde volumener, der indeholder omkring en million celler. At se individuelle celler non-invasivt med MRI (for at hjælpe med at diagnosticere sygdom og besvare grundlæggende spørgsmål inden for biologi) er et af de langsigtede mål for kvantesansforskning, " siger Walsworth.

Forskningspapiret, "Hyperpolarisationsforstærket NMR-spektroskopi med femtomolfølsomhed ved hjælp af kvantefejl i diamant, " Dominik B. Bucher, David R. Glenn, Hongkun Park, Mikhail D. Lukin, og Ronald L. Walsworth, vises i juni 2020-udgaven af ​​tidsskriftet Fysisk gennemgang X .