De niet-invasieve, levensreddende techniek die bekend staat als magnetische resonantiebeeldvorming, werkt door waterstofatomen uit te lijnen in een sterk magnetisch veld en pulserende radiofrequentiegolven om de respons van die atomen in een afbeelding om te zetten.

Men zou kunnen stellen dat het herkomstgebied van MRI de chemie is - MRI werkt door gebruik te maken van de inherente magnetische eigenschappen van individuele atomen. Wat als een MRI-machine, in plaats van alleen afbeeldingen te maken, gedetailleerde informatie zou kunnen extraheren over de chemie van het lichaam, bijvoorbeeld de pH-waarden in de buurt van een tumor of de temperatuurafwijkingen die optreden rond een verwonding? Wat als de fysische principes van magnetische beeldvorming zouden kunnen worden toegepast op allerlei chemische veranderingen, tot op het niveau van atomen en moleculen, en ons ongeëvenaarde nieuwe inzichten zouden kunnen geven in de menselijke gezondheid en ziekte?

Deze "wat als"-vragen zijn de drijvende kracht achter het werk van assistent-professor Joseph Zadrozny en zijn team van studenten en onderzoekers. Zadrozny, een anorganische chemicus die de grens tussen scheikunde en kwantumfysica bewandelt, heeft een laboratorium gebouwd aan de Colorado State University, waarvan het hoofddoel is om moleculen te ontwerpen die magnetische resonantiebeeldvorming mogelijk maken om dingen te doen die het momenteel niet kan. Daarbij ontdekken de onderzoekers fundamentele inzichten in hoe de magnetische eigenschappen van metaalion-bevattende moleculen reageren op hun omgeving, of dat nu extreem kleine verschuivingen in temperatuur, pH of andere meetwaarden betekent.

"We leven, ademen, praten over chemische reactoren", zei Zadrozny. "Als je je die chemie zou kunnen voorstellen, zou het echt krachtig zijn."

Kern die werkt als een elektron

In een doorbraak naar hun doel om nieuwe magnetische beeldsondes te maken met extreme temperatuurgevoeligheid, heeft het team van Zadrozny een artikel gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society dat een op kobalt gebaseerd molecuul beschrijft dat ze hebben ontworpen als een niet-invasieve chemische thermometer. Ze hebben hun expertise in moleculair ontwerp gebruikt om de kernspin van het kobaltcomplex - een werkpaard, fundamentele magnetische eigenschap - de behendige, maar minder stabiele gevoeligheid van de spin van een elektron na te bootsen. "Spin" is wat subatomaire deeltjes hun magnetisme geeft.

Door de kobaltkern in wezen als een elektron te laten werken, hebben ze aangetoond dat dit speciale kobaltcomplex ooit de basis zou kunnen vormen voor een krachtige moleculaire beeldvormingssonde die uiterst subtiele temperatuurverschuivingen in het lichaam zou kunnen uitlezen. De verbeelding kon de vrije loop voor hoe dit fenomeen zou kunnen worden gebruikt:artsen konden de kleinste temperatuurverschuivingen rond een nog steeds onzichtbare tumor detecteren. Een thermische ablatieprocedure op kantoor kan precisie op moleculair niveau opleveren, waarbij ziek weefsel wordt gedood en gezond weefsel wordt vermeden.

Een temperatuurvoeler maken met het kobaltmateriaal, die op een dag in de spreekkamer van een dokter kan worden geïnjecteerd of ingenomen om temperatuursignalen van het lichaam door te geven,

zou profiteren van het controleerbare magnetisme van een kern. Het zou ook de gewenste eigenschap hebben om informatie uit te lezen via radiofrequentiegolven, die veilig zijn voor het menselijk of dierlijk lichaam. Zo'n magnetische sonde zou ook werken bij kamertemperatuur, zo voorzien de onderzoekers.

Het gebruik van de magnetische eigenschappen van ronddraaiende elektronen - een populair studiegebied voor natuurkundigen die kwantumcomputers proberen te maken - is minder ideaal voor biomedische beeldvorming. Eén reden:het benutten van het magnetisme van elektronen vereist microgolven, die gevaarlijk zijn voor mensen (stel je voor dat je in de magnetron moet worden verwarmd om een ​​MRI te krijgen). Dergelijke op elektronen gebaseerde sondes zouden ook niet werken bij kamertemperatuur - ze zouden veel kouder moeten zijn.

Kernmagnetische resonantie-experimenten

Om hun experimenten uit te voeren, ontwierp Zadrozny's team onder leiding van postdoctoraal onderzoeker Ökten Üngör het kobaltmolecuul en testte de temperatuurgevoeligheid ervan met behulp van een 500 megahertz nucleaire magnetische resonantiespectrometer in de CSU Analytical Resources Core. Het ARC is een Vice President for Research-beheerde gedeelde faciliteit in het Chemistry Building waarmee onderzoekers over de hele campus onderzoek kunnen doen via geavanceerde analytische instrumenten.

"We hebben via nucleaire magnetische resonantie-experimenten aangetoond dat de gevoeligheid orden van grootte beter presteerde dan vergelijkbare moleculen," zei Üngör.

Een breed scala aan toepassingen zou in petto kunnen zijn voor het kobaltmolecuul van de onderzoekers. "De chemie rond het kobaltatoom is zeer afstembaar en we kunnen het in hoge mate beheersen", zei Üngör. "Dit werk is niet alleen veelbelovend op medisch gebied, maar de basisstappen en theorie kunnen leiden tot stappen voorwaarts op het gebied van kwantumcomputers. Mogelijk vinden we nog meer toepassingen als we doorgaan met ons onderzoek."

Het team kan vervolgens een verbeterd ontwerp van de op kobalt gebaseerde beeldvormingssonde onderzoeken om deze stabieler te maken in een waterige oplossing. Vooralsnog is de temperatuurgevoeligheid van het materiaal verbluffend, maar het molecuul is niet robuust genoeg om lang in het lichaam te overleven, wat bij een medische toepassing nodig zou zijn. + Verder verkennen

ESR-STM op afzonderlijke moleculen en op moleculen gebaseerde structuren