Nanoskala MR udvikles

(Phys.org) – To uafhængige grupper af videnskabsmænd i USA og Tyskland har reduceret magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) ned til nanoskalaen, hvilket kan gøre dem i stand til i fremtiden ikke-destruktivt at detektere og afbilde små molekyler såsom proteiner ved stuetemperatur og -tryk. Tidligere, nanoskala billeddannelse var kun mulig ved ekstremt lave temperaturer og tryk.

MR fungerer ved at detektere svage elektromagnetiske felter produceret af kernerne af atomer såsom brint i de molekyler, der undersøges, og den kollektive resonans af disse felter. Det er i stand til at afbilde strukturer uden at ødelægge dem, hvilket gør det nyttigt til scanning af kroppe, men dens relativt lave følsomhed har indtil nu begrænset dens anvendelse i lille skala til kemikalier med volumen målt i mikrometer i bedste fald.

To artikler publiceret i tidsskriftet Videnskab beskrive forskningen udført af de to separate grupper, som begge brugte mørke pletter, eller nitrogen-tomgang (NV) defekter, på overfladen af ​​diamanter. Diamant er magnetisk inert, fordi den udelukkende består af carbonatomer bundet kovalent, og der er ingen frie elektroner. Imidlertid, der kan være ufuldkommenheder såsom NV'er, hvor et enkelt kulstof er erstattet af et nitrogenatom, støder op til en ledig plads i gitteret, hvor der mangler et kulstofatom. NV'erne har en fri elektron, hvilket giver den unikke magnetiske egenskaber, og det er disse egenskaber, de to forskerhold udnyttede.

Det første hold, ledet af Daniel Rugar og John Mamim fra Almaden Research Center i San Jose, Californien, brugte mørke pletter af diamanter til at detektere svage magnetiske felter i materialer nær diamantoverfladen. Rugars gruppe syntetiserede ekstremt ren diamant med NV-centre tæt på overfladen og overlejrede den med en 60 nanometer tyk polymer. De påførte derefter et oscillerende magnetfelt. Dr. Rugar forklarede, at når du skinner grønt lys på de mørke pletter, fluorescerer de i rødt, og lysstyrken afhænger af NV-centrets magnetiske tilstand. Eksterne magnetfelter i nærheden kan påvirke spin af NV-centerelektronen, hvilket igen påvirker lysstyrken af ​​den fluorescerende røde.

Det andet hold, ledet af Friedemann Reinhard fra universitetet i Stuttgart, brugte også nitrogen-tomgangsdefekter på ekstremt rene prøver af syntetiseret diamant, men de brugte dem til at registrere NMR-spektrene for en række kemikalier placeret på overfladen af ​​diamanten. Dr. Reinhard sagde, at deres metode var mere passiv end de metoder, der blev brugt af Rugars team, men det gør det lidt nemmere at implementere.

Forskningen er vigtig, fordi det er vanskeligt at bestemme proteinstrukturer konventionelt, som involverer at udtrykke og rense proteinerne og derefter krystallisere dem. At kunne tage et MR-billede ville forenkle processen og gøre det muligt at udarbejde strukturerne af alle proteiner. I øjeblikket er forskningen fra begge hold på et "principielt bevis"-niveau, ifølge Rugars team, og mere forskning er nødvendig, før teknikkerne kan bruges til at afbilde molekyler.

© 2013 Phys.org