Første teoretiske bevis:Måling af et enkelt nuklear spin i biologiske prøver

Fysikere fra universitetet i Basel og det schweiziske nanovidenskabsinstitut var for første gang i stand til at vise, at enkeltmolekylers nukleare spins kan påvises ved hjælp af magnetiske partikler ved stuetemperatur. I Natur nanoteknologi , forskerne beskriver et nyt eksperimentelt setup, hvormed de bittesmå magnetiske felter i de nukleare spins af enkelte biomolekyler - hidtil uopdagelige - kunne registreres for første gang. Det foreslåede koncept vil forbedre medicinsk diagnostik samt analyser af biologiske og kemiske prøver i et afgørende skridt fremad.

Måling af nukleare spins er rutinemæssigt efterhånden i medicinsk diagnostik (MRI). Imidlertid, de nuværende eksisterende enheder har brug for milliarder af atomer til analysen og er derfor ikke nyttige til mange småskalaapplikationer. Gennem mange årtier, videnskabsmænd verden over har således engageret sig i en intens søgen efter alternative metoder, hvilket ville forbedre måleteknikkernes følsomhed.

Ved hjælp af forskellige typer sensorer (SQUID- og Hall-sensorer) og med magnetiske resonanskraftmikroskoper, det er blevet muligt at detektere spin af enkelte elektroner og opnå strukturel opløsning på nanoskala. Imidlertid, påvisning af enkelte nukleare spins af komplekse biologiske prøver - den hellige gral i marken - har hidtil ikke været mulig.

Diamantkrystaller med bittesmå defekter

Forskerne fra Basel undersøger nu anvendelsen af ​​sensorer lavet af diamanter, der er vært for små defekter i deres krystalstruktur. I diamantens krystalgitter er et kulstofatom erstattet af et nitrogenatom, med en ledig plads ved siden af. Disse såkaldte Nitrogen-Vacancy (NV) centre genererer spins, som er ideel til detektering af magnetiske felter. Ved stuetemperatur, forskere har tidligere vist eksperimentelt i mange laboratorier, at med sådanne NV-centre er opløsning af enkelte molekyler mulig. Imidlertid, dette kræver atomistisk tætte afstande mellem sensor og prøve, hvilket ikke er muligt for biologisk materiale.

En lille ferromagnetisk partikel, placeret mellem prøven og NV center, kan løse dette problem. Ja, hvis prøvens nukleare spin drives ved en specifik resonansfrekvens, resonansen af ​​den ferromagnetiske partikel ændres. Ved hjælp af et NV-center, der er i umiddelbar nærhed af den magnetiske partikel, forskerne kan så opdage denne modificerede resonans.

Måling af teknologisk gennembrud?

Den teoretiske analyse og eksperimentelle teknikker fra forskerne i teamet af prof. Daniel Loss og prof. Patrick Maletinsky har vist, at brugen af ​​sådanne ferromagnetiske partikler kan føre til en ti tusind gange forstærkning af magnetfeltet i nukleare spins. "Jeg er overbevist om, at vores koncept snart vil blive implementeret i rigtige systemer og vil føre til et gennembrud inden for metrologi, " kommenterer Daniel Loss den nylige udgivelse, hvor den første forfatter Dr. Luka Trifunovic, postdoc i Loss-teamet, ydet væsentlige bidrag, og som blev udført i samarbejde med kolleger fra JARA Institute for Quantum Information (Aachen, Tyskland) og Harvard University (Cambridge).