Onderzoekers van de Universiteit van Melbourne hebben een manier aangetoond om kernspins in moleculen niet-invasief te detecteren, het verstrekken van een nieuw instrument voor biotechnologie en materiaalwetenschap.

Belangrijk onderzoek in de geneeskunde en biologie is gebaseerd op nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie, maar tot nu toe, het is beperkt in ruimtelijke resolutie en vereist typisch krachtige microgolfvelden. Een team onder leiding van professor Lloyd Hollenberg van de Universiteit van Melbourne heeft een kwantumsonde gebruikt om microgolfvrije NMR op nanoschaal uit te voeren. De resultaten zijn vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Deze kwantumsonde levert een dramatische verbetering in de NMR-technologie. Naast het kunnen detecteren van NMR in veel kleinere monsters dan conventionele machines, onze techniek vereist geen toepassing van microgolfvelden die biologische monsters kunnen verstoren", aldus Hollenberg, die adjunct-directeur is van het Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) en Thomas Baker Chair aan de Universiteit van Melbourne.

"In NMR is het doel om het magnetische signaal te detecteren van de kernen van de atomen die moleculen bevatten. Maar het signaal van de nucleaire "spin" is erg zwak en conventionele NMR-machines hebben vele miljoenen nucleaire spins nodig om iets te detecteren. gebruikmakend van de kwantumeigenschappen van een 'defect' in diamant, onze techniek kan veel kleinere volumes detecteren tot slechts duizenden spins."

De ontdekking kan aanzienlijke beperkingen overwinnen met conventionele NMR-methoden, die afhankelijk zijn van machines die meer dan 10 ton kunnen wegen.

"Het probleem met de grote NMR-machines die tegenwoordig wijdverbreid worden gebruikt, is dat de signalen die we proberen te detecteren extreem klein zijn, en de afstand van het meetapparaat tot het te meten object is erg groot, " zei dr. Alastair Stacey, een CQC2T postdoctoraal onderzoeker.

"Hierdoor ontstaan ​​twee problemen:de machine kan alleen een grotere verzameling moleculen zien, de nauwkeurigheid van de meting verminderen. Het moet ook zeer sterke microgolven en magnetische velden gebruiken om het monster te bereiken, maar deze processen zijn invasief en kunnen delicate biomonsters aantasten, net als de magnetron in je keuken, vooral als je de moleculaire structuur van vloeistoffen probeert te zien."

Hoofdauteur James Wood beschrijft de techniek als "een dramatische vereenvoudiging van het nucleaire detectieproces, waar we in wezen licht schijnen op een atomair defect in diamant en de natuurlijke reactie ervan observeren, op een fundamenteel kwantumniveau, naar het doel kernspins in de buurt".

"Een groot voordeel van onze aanpak is dat we ons niet bemoeien met het monster bij het in beeld brengen ervan."

De techniek biedt nieuwe kansen voor onderzoekers.

"Met deze vooruitgang in kwantumdetectietechnologie, we openen de deur naar een nieuwe wereld van wetenschappelijk onderzoek die ons zou kunnen leiden tot een beter begrip van de kleinste bouwstenen van het leven, ’ zei Hollenberg.