Quantumsensoren op basis van stikstof-vacature (NV) centra in diamant zijn een veelbelovende detectiemodus voor kernmagnetische resonantiespectroscopie vanwege hun detectievolume op micronschaal en niet-inductieve monsterdetectievereisten. Een uitdaging die bestaat, is om voldoende hoge spectrale resolutie te realiseren in combinatie met concentratiegevoeligheid voor multidimensionale NMR-analyse van picolitermonstervolumes. In een nieuw verslag nu op wetenschappelijke vooruitgang , Janis Smits en een interdisciplinair onderzoeksteam van de afdelingen High Technology Materials, Natuurkunde en astronomie in de VS en Letland gingen de uitdaging aan door de polarisatie- en detectiefasen van het experiment ruimtelijk te scheiden in een microfluïdisch platform.

Ze realiseerden een spectrale resolutie van 0,65 ± 0,05 Hz, een orde van grootte verbetering vergeleken met eerdere diamant NMR-onderzoeken. Met behulp van het platform, ze voerden 2D-correlatiespectroscopie uit van vloeibare analyten met een effectief detectievolume van ~40 picoliter. Het onderzoeksteam gebruikte diamanten kwantumsensoren als in-line microfluïdische NMR-detectoren in een grote stap voorwaarts voor toepassingen in massabeperkte chemische analyse en eencellige biologie.

Nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie is een krachtige en gevestigde techniek voor compositorische, structurele en functionele analyse in verschillende wetenschappelijke disciplines. Bij conventionele NMR-spectrometrie is de signaal-ruisverhouding (SNR) sterk afhankelijk van de externe veldsterkte (B ₀ ). Naarmate de spectrale resolutie toenam, de B ₀ ook toegenomen, het motiveren van de ontwikkeling van steeds grotere en duurdere supergeleidende magneten voor verbeterde resolutie en SNR, resulterend in een verdubbeling van de veldsterkte in de afgelopen 25 jaar.

Echter, zelfs met grote B ₀ waarden, de detectie van microschaalvolumes vereiste vaak isotopenlabeling, geconcentreerde monsters en lange experimentele tijdlijnen. Om de gevoeligheid voor kleine monstervolumes te verbeteren, onderzoekers ontwikkelden miniatuur inductiespoelen, die verschillende vorderingen mogelijk maakte, inclusief spectroscopie van eicellen en in vitro diagnostiek. De bestaande gevoeligheids- en detectielimieten zijn nog niet optimaal voor metabole analyse van afzonderlijke zoogdiercellen of voor opname in in-line microfluïdische testen. Als een alternatieve NMR-detectiestrategie, kwantumsensoren op basis van stikstof-vacature (NV) centra in diamant zijn ontstaan ​​vanwege hun submicrometer ruimtelijke resolutie en niet-inductieve detectie.

Wetenschappers hebben eerder de methode geïmplementeerd om vroege fluctuaties op nanoschaal van nucleaire magnetisatie te detecteren om de polarisatie te verbeteren. Ze gebruikten viskeuze oplosmiddelen om de frequentieresolutie te verbeteren tot ~ 100 Hz om de resolutie van grote chemische verschuivingen bij B te verkrijgen ₀ =3T (Tesla). Hoewel de resolutie verder kan worden verbeterd door het detectievolume (V) te verhogen, ze waren ten koste van SNR. In het huidige werk, Smits et al. rapporteer een orde-van-magnitude verbetering in spectrale resolutie om een ​​concentratiegevoeligheid van ~ 27 M s . te realiseren ^1/2 . Om dit te behalen, ze scheidden ruimtelijk de polarisatie- en detectiefasen van het experiment in een microfluïdische opstelling.

Het onderzoeksteam gebruikte sterke permanente magneten (1,5 Tesla) om nucleaire spinpolarisatie te genereren en voerde de detectie uit bij 13 mT met behulp van Helmholtz-spoelen om de taak van het stabiliseren van NMR-lijnbreedten tot sub-hertz-niveaus te vereenvoudigen. Ze faciliteerden het gebruik van diamanten kwantumsensoren als in-line microfluïdische NMR-detectoren bij lage microgolffrequenties. De verbeteringen lieten Smits et al. om tweedimensionale (2-D) correlatiespectroscopie (COSY) van vloeibare analyten uit te voeren binnen een effectief detectievolume van ~ 40 pL (pico-liters). De onderzoekers zijn van plan dit platform te combineren met vooruitgang in dynamische nucleaire polarisatie met behulp van externe polarisatiemiddelen en mogelijk optische hyperpolarisatie met NV-centra om NMR-spectroscopie van metabolieten bij fysiologische concentraties bij ruimtelijke eencellige resolutie mogelijk te maken.

In de proefopstelling is Smits et al. gehuisvest de vloeibare analyten in een helium-onder druk staande container met variabele stroomsnelheden tot 50 µl/s. De verblijftijd voor de analyten was ongeveer 6s, langer is dan de spin-relaxatietijd van de onderzochte analyten (bijv t ₁ voor water ≈ 3s) leidend tot een evenwichtspolarisatie van ~ 5x10 ^-6 . De analyt stroomde vervolgens naar een detectiegebied voor identificatie door NV NMR. Om NV NMR-detectie uit te voeren, de wetenschappers gebruikten een op maat gemaakte epifluorescentiemicroscoop en georiënteerde diamantmembranen die in het onderzoek waren gefabriceerd, op vier mogelijke NV-assen om uit te lijnen met het magnetische veld in de opstelling.

Smits et al. heeft de microfluïdische chip gefabriceerd om de diamantsensor te huisvesten, het apparaat bevatte een koperen chip op een glasplaatje om de microgolven te leveren. De wetenschappers hebben ook een radiofrequentie (RF) excitatielus toegevoegd tussen de diamant en de NMR-feedbackspoel, en een microfluïdisch kanaal dat de diamantsensor en de contactmakende analyt omsluit. Ze ontwierpen microfluïdische poorten om externe analytbuizen in de chip te combineren en gebruikten een laserstraal met een diameter van 20 m om de NV-centra te prikkelen door een 35 µm dik diamantmembraan.

Het onderzoeksteam paste vervolgens een reeks XY8-5 microgolfpulssequenties toe op het NV-centrum om het nucleaire wisselstroomveld te detecteren. Ze gebruikten gedeïoniseerd water om de gevoeligheid en spectrale resolutielimieten van het apparaat te bepalen. Om de spectrale resolutie te optimaliseren, ze pasten de gradiëntcompensatiespoelen aan en demonstreerden de mogelijkheden van de NV NMR-spectrometer door proton-NMR-spectra van verschillende vloeistofanalyten te verkrijgen.

Bijvoorbeeld, de wetenschappers verkregen karakteristieke NV NMR-spectra voor trimethylfosfaat (TMP) en 1, 4-difluorbenzeen (DFB) verbindingen in de studie. Na het vaststellen van het potentieel om NMR-spectra te detecteren met een resolutie van minder dan Hertz en hoge signaal-ruisverhoudingen (SNR's) voor de twee verbindingen, ze gebruikten het platform om 2-D COZY NMR-spectroscopie uit te voeren. Voor deze, Smits et al. voerde twee varianten van de 2-D COZY-analyse uit om nucleaire interacties binnen DFB te onderzoeken (1, 4-difluorbenzeen) en voerden alle simulaties uit met behulp van het SPINACH-softwarepakket voor 2-D NMR.

De gedemonstreerde sub-hertz-resolutie en multidimensionale NMR-technieken kunnen de weg vrijmaken voor het gebruik van diamanten kwantumsensoren binnen in-line afgebroken analyse, eencellige metabolomics en massa-beperkte farmacodynamiek. Smits et al. streven naar de resulterende hoge ruimtelijke resolutie en epifluorescentieformaat om chemische analyse met hoge doorvoer en NMR-beeldvorming van celculturen met eencellige resolutie te vergemakkelijken. Beperkingen van de onderhavige inrichting omvatten de aanzienlijke middelingstijden die vereist zijn bij fysiologische concentraties variërend van het micromolair tot het millimolair volume. De onderzoekers stellen voor om hogere magnetische velden te gebruiken met langere en gevoeligere XY8-N-microgolfpulssequenties om de NMR-gevoeligheid en de efficiëntie van het verzamelen van fotonen te verbeteren in tegenstelling tot de bestaande methoden. Op de lange termijn, ze verwachten dat de grootste winst in gevoeligheid zal optreden via niet-invasieve optische hyperpolarisatiemethoden.

Het gebruik van een lage externe veldsterkte (B ₀ ) van 13 mT was een andere beperking in het onderzoek, omdat het het vermogen om spectrale splitsing op te lossen als gevolg van chemische verschuivingen beperkte. Het team streeft ernaar de resolutie van de chemische verschuiving te verbeteren door B . te verhogen ₀ tot ~ 0,25 T, met behulp van het huidige detectieschema. In aanvulling, hoewel de NMR-microfluïdische sensor een effectief detectievolume van ~ 40 pL had, de wetenschappers hadden verschillende milliliter analyt nodig om de algehele stroom van het apparaat te vullen. Toekomstige microfluïdische chips kunnen daarom pre-polarisatiestappen miniaturiseren of weglaten of kleinere microfluïdische kanalen gebruiken voor detectie in een groter fluïdisch systeem.

Op deze manier, Janis Smits en collega's demonstreerden het gebruik van diamanten kwantumsensoren voor microfluïdische NMR-toepassingen. Ze toonden aan dat het scheiden van de polarisatie- en detectiestappen een orde van grootte verbetering van de spectrale resolutie mogelijk maakte in vergelijking met bestaande diamant NMR-onderzoeken. De wetenschappers valideerden het platform door 2-D NMR uit te voeren op vloeibare analyten en stelden toekomstige toepassingen voor in multidisciplinaire onderzoeksgebieden.

© 2019 Wetenschap X Netwerk