MR, på en molekylær skala:Team udvikler system, der kan se ind i atomstrukturen af ​​individuelle molekyler

I årtier, videnskabsmænd har brugt teknikker som røntgenkrystallografi og kernemagnetisk resonans (NMR) billeddannelse til at få uvurderlig indsigt i molekylernes atomare struktur. Sådanne bestræbelser har længe været hæmmet af det faktum, at de kræver store mængder af et bestemt molekyle, ofte i ordnet og krystalliseret form, at være effektiv - hvilket gør det næsten umuligt at kigge ind i strukturen af ​​de fleste molekyler.

Harvard-forskere siger, at disse problemer snart kan være en saga blot.

Et team af forskere, ledet af professor i fysik og anvendt fysik Amir Yacoby, har udviklet et magnetisk resonansbilleddannelsessystem (MRI), der kan producere billeder i nanoskala, og kan en dag tillade forskere at kigge ind i atomstrukturen af ​​individuelle molekyler. Deres arbejde er beskrevet i et papir i Nature Nanotechnology den 23. marts.

"Det, vi har demonstreret i dette nye papir, er evnen til at få meget høj rumlig opløsning, og en fuldt operationel MR-teknologi, " sagde Yacoby. "Dette arbejde er rettet mod at opnå detaljerede oplysninger om molekylær struktur. Hvis vi kan afbilde et enkelt molekyle og identificere, at der er et brintatom her og et kulstof der ... kan vi få information om strukturen af ​​mange molekyler, som ikke kan afbildes med nogen anden teknik i dag."

Selvom det endnu ikke er præcist nok til at fange billeder i atomskala af et enkelt molekyle, systemet er allerede blevet brugt til at tage billeder af enkelte elektronspin. Efterhånden som systemet forfines, Yacoby sagde, at han forventer, at det i sidste ende vil være præcist nok til at kigge ind i strukturen af ​​molekyler.

Mens systemet designet af Yacoby og kolleger fungerer på nogenlunde samme måde som konventionelle MRI'er gør, lighederne slutter der.

"Hvad vi har gjort, i det væsentlige, er at tage en konventionel MR og miniaturisere den, " sagde Yacoby. "Funktionelt, det fungerer på samme måde, men ved at gøre det, vi har været nødt til at ændre nogle af komponenterne, og det har gjort det muligt for os at opnå langt større opløsning end konventionelle systemer."

Yacoby sagde, at selvom konventionelle systemer kan opnå opløsninger på mindre end en millimeter, de er effektivt begrænset af den magnetiske feltgradient, de kan producere. Da disse gradienter falmer dramatisk inden for få meter, konventionelle systemer bygget op omkring massive magneter er designet til at skabe et felt, der er stort nok til at afbilde et objekt - som et menneske - der kan være en meter eller mere i længden.

Nanoskalasystemet udviklet af Yacoby og kolleger, til sammenligning, bruger en magnet, der kun er 20 nanometer i diameter - omkring 300 gange mindre end en rød blodcelle - men er i stand til at generere en magnetisk feltgradient på 100, 000 gange større end selv de mest kraftfulde konventionelle systemer.

Forskellen, Yacoby forklarede, er, at nanoskalamagneten kan bringes utrolig tæt på, inden for et par milliardtedele af en meter, til det objekt, der afbildes.

"Ved at gøre det, vi kan opnå rumlig opløsning, der er langt bedre end én nanometer, " han sagde.

Afvigelserne fra konventionelle MR-systemer, imidlertid, sluttede ikke der.

At konstruere en sensor, der kunne læse, hvordan molekyler reagerer på den magnetiske feltgradient, Yacoby og kolleger vendte sig mod et felt, der ser ud til at være uden forbindelse til billeddannelse - kvanteberegning.

Ved hjælp af ultra-ren, laboratoriedyrkede diamanter, holdet fræsede små enheder, som hver endte med et superfint tip, og indlejret en urenhed i atomskala, kaldet et nitrogen-tomgangscenter (NV) i hver spids, skabe en enkelt kvantebit, eller qubit - den væsentlige byggesten i alle kvantecomputere.

I eksperimenter offentliggjort sidste år, Yacoby og hans samarbejdspartnere viste, at da spidsen blev scannet hen over overfladen af ​​en diamantkrystal, kvantebitten interagerede med elektronspin nær krystallens overflade. Disse interaktioner kan derefter bruges til at skabe et billede af individuelle elektronspin. Imidlertid, mens kvantebitsensorens følsomhed er tilstrækkelig til at detektere individuelle elektronspin og repræsenterer et kvantespring fremad fra tidligere anstrengelser, dens rumlige opløsning er begrænset af dens afstand fra det objekt, der afbildes.

For at skabe ægte 3D-billeder, Yacoby og kolleger kombinerede kvante-bit sensing-tilgangen med storfeltgradienten ved at bringe nanomagneten tæt på både prøven af ​​interesse og qubit-sensoren. Ved at scanne magneten i 3D, men meget tæt på prøven, de var i stand til at detektere individuelle elektronspin, da de reagerede på magnetfeltet.

"Dette er virkelig et spil for at bringe både magneten meget tæt på for at generere store gradienter, og bringe detektoren meget tæt på for at få større signaler, " sagde Yacoby. "Det er den kombination, der giver os både den rumlige opløsning og detekterbarheden.

"Vores nuværende system er allerede i stand til at afbilde individuelle elektronspin med subnm [subnanometer] opløsning, " sagde han. "Målet, til sidst, er at placere et molekyle i nærheden af ​​vores NV-center for at prøve at se komponenterne i det molekyle, nemlig kernespindene af de enkelte atomer, der udgør det. Dette er på ingen måde en nem opgave, da det nukleare spin genererer et signal, der er 1, 000 gange mindre end elektronspindet... men det er der, vi er på vej hen."