Resonansi Magnetik Menerima Pembaruan Ukuran Nano

Resonansi magnetik konvensional, kerabat untuk rumah sakit, memiliki resolusi sekitar sepersepuluh milimeter, memungkinkan mereka gambar irisan tubuh kita yang sangat tipis dari ujung kepala hingga ujung kaki, membantu dokter untuk mendiagnosis berbagai kondisi medis. Namun, bahkan resolusi ultra -tinggi ini tidak cukup bagi para peneliti yang ingin mempelajari struktur molekul individu.

Teknologi baru yang dikembangkan di laboratorium Dr. Amit Finkler di Weizmann Institute of Sciences memungkinkan para peneliti untuk melakukan pemindaian resonansi magnetik ke resolusi nanometer (sepersejuta milimeter atau satu miliar meter) atau lebih.

Perangkat Nano-MRI yang baru, dijelaskan Baru -baru ini Fisika KomunikasiIni dapat memungkinkan untuk membedakan semua partikel kecil yang membentuk molekul tunggal, menghasilkan gambar yang paling rinci dari molekul individu yang pernah diproduksi. Ini merupakan lompatan besar ke depan dalam perlombaan untuk mengembangkan aplikasi nano-MRI untuk penelitian dan untuk digunakan dalam industri material dan farmasi.

Resonansi magnetik didasarkan pada sifat partikel elementer di dalam atom yang disebut spin. Itu a Properti Magnetik yang dapat divisualisasikan sebagai rotasi di sekitar sumbu, mirip dengan bagian atas yang berputar, dan ditandai dengan frekuensi, jumlah “rotasi” per detik, yang dikenal sebagai Frekuensi resonansi. Frekuensi resonansi inilah yang mengukur perangkat MRI. Itu tergantung pada jenis partikel yang diukur dan pada ketahanan medan magnet di sekitarnya.

Dalam resonansi magnetik konvensional, medan gradien magnetik, yang bervariasi dalam resistensi di sepanjang tubuh pasien, membuat frekuensi resonansi juga bervariasi, yang memungkinkan mesin untuk membedakan antara potongan jaringan. Gradien yang lebih jelas memungkinkan irisan yang lebih tipis. Pertanyaan yang diajukan oleh para peneliti Weizmann adalah: dapatkah medan gradien magnet juga digunakan untuk membedakan partikel individu dalam a Molekul unik?

Ilmuwan di Laboratorium Finkler di Departemen Fisika Kimia dan Biologis telah mengembangkan metode pemindaian resonansi magnetik berdasarkan a Berlian sintetis. Di dalam berlian ada cacat kecil dari ukuran atom tunggal, yang disebut Nitrogen Vacancies Center. Cacat ini bertindak sebagai sensor yang mengubah intensitas lampu merah yang dipancarkannya, tergantung pada pergantian partikel yang berdekatan.

Keuntungan dari Pusat Lowongan Nitrogen adalah sangat sensitif bahkan terhadap sinyal terlemah, seperti keberadaan partikel tunggal yang terletak 50 nanometer jauhnya. Namun, masalahnya adalah tidak selalu berbeda secara efektif antara partikel yang berdekatan, dan cahaya yang dipancarkan dipengaruhi oleh sifat rata -rata semua partikel di dekatnya. Ini berarti bahwa sulit untuk menggunakan sensor ini untuk membayangkan atom individu yang membentuk molekul.

Dalam studi barunya, yang dipimpin oleh kandidat doktor Leora Schein-Lubomirsky, para peneliti mengembangkan mesin yang menghasilkan medan magnet gradien yang berfokus pada sensor magnetik atom. Mesin ini didasarkan pada ujung kuarsa yang ditutupi dengan pengemudi emas berbentuk emas. Ketika arus listrik mengalir melalui kabel, ia menghasilkan medan gradien magnetik; Perubahan medan magnet lebih kuat di dekat sudut persegi panjang dan secara bertahap melemah lebih jauh.

“Perubahan medan magnet menyebabkan perubahan dalam frekuensi resonansi atom, tergantung pada posisinya dalam molekul,” jelas Schein-Lubomirsky. “Sebelumnya, sensor tidak dapat membedakan antara beberapa atom hidrogen di dekatnya dan menentukan lokasinya, tetapi sekarang, di dalam setiap wilayah, partikel hidrogen akan menunjukkan frekuensi resonansi yang berbeda. Kemudian kita dapat merakit gambar yang menunjukkan lokasi yang berbeda ini dalam gambar lengkap molekul.”

‘Jangan lihat lapangan, tetapi perubahan di dalamnya’

“Pemahaman yang mengarah pada perkembangan baru adalah bahwa kami dapat menghasilkan gradien yang sangat kuat dari medan magnet, bahkan jika ukuran absolutnya tetap kecil,” jelas Finkler. “Meskipun medan magnet kami secara signifikan lebih kecil daripada mesin resonansi magnetik komersial, gradiennya, kecepatan di mana medan magnet berubah dengan jarak dari perangkat, jauh lebih besar.

“Ini adalah bagaimana kami memperoleh resolusi nanometer, dan kami percaya bahwa perangkat kami mampu mencapai resolusi yang lebih tinggi, yang berarti bahwa ia akan dapat memindai struktur molekul individu.”

Perangkat baru ini juga merupakan peningkatan pada sistem sensor berlian sebelumnya, karena dapat mengaktifkan dan menonaktifkan medan magnet berdasarkan permintaan, dan melakukannya hanya dalam 0,6 juta detik dari detik. Ini karena bidang ini tidak diproduksi oleh magnet, tetapi melalui a arus listrik yang dapat dihidupkan atau dinonaktifkan. “Kemampuan untuk dengan cepat mengaktifkan dan menonaktifkan medan magnet Dia memastikan bahwa ada lebih sedikit gangguan dan pemindaian lebih tepat, “tambah Finkler.

Gambar molekuler resolusi tinggi memainkan peran penting dalam bahan dan industri farmasi. Saat ini, setiap obat yang diproduksi menderita tes resonansi magnetik untuk memastikan bahwa ia hanya mengandung zat yang diinginkan dalam struktur molekul yang benar dan disposisi yang aman untuk penggunaan manusia.

Namun, metode saat ini membutuhkan sampel dalam jumlah besar, yang bisa sulit diperoleh, terutama selama tahap awal pengembangan. Selain itu, tes ini tidak dapat dilakukan pada suhu kamar, dan resolusinya tetap terbatas.

“Mesin nano-ri yang kami usulkan dapat beroperasi Suhu sekitar Dan memeriksa struktur material di bawah kondisi persis di mana mereka seharusnya digunakan, “Finkler menekankan.

“Mesin ini juga akan menghasilkan gambar yang lebih rinci dari struktur molekul dan akan memungkinkan mencoba sampel yang kecil dan lebih murah secara signifikan yang hanya berisi beberapa molekul material. Selain itu, perangkat ini dapat membantu mengungkapkan mengapa zat kadang -kadang berperilaku tak terduga di dunia nyata, dibandingkan dengan hasil tes laboratorium, dan jika ada perbedaan yang tidak terduga antara substansi yang tampaknya identik.