Het komt niet vaak voor dat je 50 jaar oude apparatuur ziet in een modern natuurkundig laboratorium, laat staan ​​dat het centraal staat in baanbrekend onderzoek. Maar dan, de meeste van dergelijke laboratoria worden niet gerund door Ronald Walsworth.

Een senior natuurkundige aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en een lid van de faculteit natuurkunde, Walsworth, samen met postdoctorale fellows David Glenn en Dominik Bucher, ontwikkelde een systeem dat stikstof-vacaturecentra (onzuiverheden op atomaire schaal in diamanten) gebruikt om de nucleaire magnetische resonantie (NMR) signalen te lezen die worden geproduceerd door monsters zo klein als een enkele cel. En ze deden het met een klein budget met een oude, geschonken elektromagneet.

Het systeem stelt onderzoekers in staat om te kijken naar voorheen onzichtbare biologische processen, evenals de chemische eigenschappen van materialen, en zou de deur kunnen openen naar antwoorden op een groot aantal nieuwe vragen op gebieden variërend van fysica van de gecondenseerde materie tot scheikunde tot neurobiologie. Het werk wordt beschreven in een artikel dat onlangs is gepubliceerd in Natuur .

"Dit geeft ons voor het eerst een hulpmiddel voor het uitvoeren van NMR op monsters die vergelijkbaar zijn met het volume van een enkele cel, met behoud van een hoge spectrale resolutie, " zei Walsworth. "Er zijn twee grote uitdagingen die we met dit werk aangaan. Er is de ruimtelijke grootte, of het volume van de monsters, en de andere is de spectrale resolutie. Om op deze kleine schaal bruikbare NMR-spectroscopie te doen, je moet beide hebben."

De moeilijkheid om beide te bereiken, Walsworth zei, hangt deels samen met de manier waarop NMR werkt.

Ontdekt in Harvard in de jaren '40, NMR werkt door de atomen in een monster te exciteren door krachtige magnetische velden te gebruiken en de radiofrequenties te meten die ze uitzenden. Omdat elk molecuul specifieke frequenties uitzendt, scheikundigen en natuurkundigen hebben die radiospectra leren lezen om alles te weten te komen, van de materiaaleigenschappen van verschillende moleculen tot hoe eiwitten worden gevouwen.

In conventionele systemen, die signalen worden gemeten met draadspoelen die vergelijkbaar zijn met radioantennes. Voor kleinere monsters, echter, de signalen zijn gewoon te zwak om te detecteren, dus begonnen onderzoekers - waaronder Walsworth en natuurkundeprofessor Mikhail Lukin - meer dan tien jaar geleden te verkennen met behulp van stikstof-vacature (NV) centra om ze op te pikken.

"Een van de allereerste ideeën die we hadden voor NV-centra was om ze te gebruiken voor NMR met kleine volumes, tot op het niveau van enkele atomen of moleculen, Walsworth zei. "We hadden dit visioen 10 of 12 jaar geleden, en het heeft vele jaren geduurd om de technologie te verbeteren om dit punt te bereiken."

Vanaf hun eerste detectie op nanoschaal van een NMR-signaal in 2013, Walsworth zei, Harvard-wetenschappers verfijnden de NV-technologie, en in 2014 een enkel proton konden detecteren. In 2016 hadden ze NV gebruikt om het NMR-signaal te vangen dat door een enkel eiwit wordt geproduceerd. Hoewel ze signalen van kleine monsters konden detecteren, de NV-centra waren verre van ideaal.

"Toen we afzonderlijke eiwitten ontdekten, het was met NMR-spectrale pieken met een frequentie van 10 kilohertz, " zei Walsworth. "Maar de scheiding tussen frequenties in NMR kan zo klein zijn als een paar hertz. Dus we waren in staat om een ​​eiwit te detecteren, maar alle chemische details in het spectrum waren weggespoeld."

Dat detail verkrijgen uit monsters op nanoschaal, hij zei, blijft een uitdaging omdat kwantummechanische fluctuaties die in grotere monsters onbelangrijk zouden zijn, op kleine schaal dominant blijven, en moleculen in oplossing diffunderen weg van de sensor, wat resulteert in een lagere resolutie.

"Dus er zijn intrinsieke problemen met monsters op nanoschaal, maar je lost die problemen meteen op als je teruggaat naar de micronschaal, " zei Walsworth. "Dat is nog steeds de schaal van individuele cellen, die veel kleiner is dan alles wat je kunt doen met conventionele NMR-systemen, en is nog steeds van groot belang voor chemici en biologen."

Voor het uitvoeren van NV NMR-experimenten met monsters op micronschaal was een grote magneet nodig die het budget van het laboratorium te boven ging. Dus Walsworth en collega's kregen een elektromagneet uit 1965 van Columbia University, die werd geregeld met de hulp van Roger Fu, universitair docent Aard- en planeetwetenschappen. Maar daardoor stonden Walsworth en collega's nog steeds voor de uitdaging om de oplossingsproblemen die inherent zijn aan het gebruik van NV-centra te omzeilen.

"Een van die uitdagingen is dat de spins van het NV-centrum, wat zijn de detectie, slechts ongeveer een milliseconde coherent blijven, "zei hij. "Drie jaar geleden, we hadden een idee om die limiet te omzeilen met behulp van een techniek die we gesynchroniseerde uitlezing noemen."

Normaal gesproken, Walsworth zei, wetenschappers zouden een reeks onafhankelijke NMR-metingen uitvoeren, gemiddelde ze vervolgens samen om een ​​definitieve meting te produceren. Walsworth en collega's, echter, ontwikkelde een techniek om herhaalde metingen uit te voeren die werden getriggerd door een klok die was gesynchroniseerd met het NMR-signaal. Door die metingen aan elkaar te rijgen, ze waren in staat om signalen te meten met een veel hogere resolutie dan voorheen.

Het team testte het systeem vervolgens tegen drie soorten moleculen:trimethylfosfaat, xyleen, en ethylformiaat - om aan te tonen dat het niet alleen in staat was om NMR-signalen te detecteren, maar om spectrale resoluties te bereiken tot ongeveer één hertz, voldoende om voor het eerst belangrijke chemische handtekeningen op micronschaal waar te nemen.

"We konden aantonen dat het systeem op deze moleculen werkt, wat de eenvoudigste spectra waren die we konden vinden en ze nog steeds complex noemen, "Zei Walsworth. "Dit is spannend... We hebben een technisch probleem opgelost, maar we hebben nog meer werk te doen voordat we dit toepassen op wetenschappelijke problemen."

Het Office of Technology Development van Harvard heeft het intellectuele eigendom met betrekking tot dit project beschermd en onderzoekt de mogelijkheden voor commercialisering.

Vooruit gaan, Walsworth zei dat hij van plan is om door te gaan met het onderzoeken van manieren om het signaal van monsters op micronschaal te versterken met als doel het systeem zowel sneller te maken - de tests beschreven in het onderzoek duurden 10 uur om gegevens te verkrijgen - en meer toepasbaar op levende monsters.

Onderzoekers moeten zich ook richten op het verbeteren van de gevoeligheid van de NV-centra, hij zei, zodat ze zwakke signalen kunnen detecteren die geproduceerd zijn in zwakke concentraties.

"We moeten de gevoeligheid met verschillende ordes van grootte verhogen om alles te doen wat we willen doen, " zei hij. "Deze systemen op deze kleine schaal laten werken, is nu een grote uitdaging in het veld."