Nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie is een veelgebruikt hulpmiddel voor chemische analyse en herkenning van moleculaire structuren. Omdat het meestal afhankelijk is van de zwakke magnetische velden die worden geproduceerd door een kleine thermische kernspinpolarisatie, NMR lijdt aan een slechte gevoeligheid in vergelijking met andere analytische technieken. Een conventioneel NMR-apparaat gebruikt doorgaans grote monstervolumes van ongeveer een milliliter - groot genoeg om ongeveer een miljoen biologische cellen te bevatten.

In een studie gepubliceerd in Fysieke beoordeling X (PRX), Onderzoekers van het Quantum Technology Center (QTC) van de Universiteit van Maryland en collega's rapporteren een nieuwe kwantumdetectietechniek die NMR-spectroscopie met hoge resolutie mogelijk maakt op kleine moleculen in verdunde oplossing in een monstervolume van 10 picoliter - ongeveer gelijk aan een enkele cel.

De experimenten die in de krant worden vermeld, getiteld "Hyperpolarisatie-versterkte NMR-spectroscopie met femtomole-gevoeligheid met behulp van kwantumdefecten in diamant, " werden uitgevoerd door de onderzoeksgroep van Prof. Ronald Walsworth, Oprichter van QTC. Hun bevinding is de volgende stap in eerdere resultaten, waarin Walsworth en medewerkers een systeem ontwikkelden dat gebruik maakt van kwantumdefecten in diamanten met stikstof-vacatures om de NMR-signalen te detecteren die worden geproduceerd door monsters op picoliterschaal. In dit verleden werk, konden de onderzoekers alleen signalen waarnemen van zuivere, sterk geconcentreerde monsters.

Om deze beperking te overwinnen, Walsworth en collega's combineerden kwantumdiamant-NMR met een "hyperpolarisatie" -methode die de nucleaire spinpolarisatie van het monster - en dus de NMR-signaalsterkte - met meer dan honderd keer verhoogt. De resultaten gerapporteerd in PRX realiseren, Voor de eerste keer, NMR met femtomol moleculaire gevoeligheid.

Over de impact van het onderzoek, Walsworth zegt, "Het echte doel is om chemische analyse en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) op het niveau van individuele biologische cellen mogelijk te maken." MRI is een soort scan die gedetailleerde beelden van delen van het lichaam kan verwerken, inclusief de hersenen. "Direct, MRI is beperkt in zijn resolutie, en het kan alleen volumes afbeelden die ongeveer een miljoen cellen bevatten. Het niet-invasief zien van individuele cellen met MRI (om ziekte te diagnosticeren en fundamentele vragen in de biologie te beantwoorden) is een van de langetermijndoelen van onderzoek naar kwantumdetectie, ', zegt Walsworth.

Het onderzoeksrapport, "Hyperpolarisatie-versterkte NMR-spectroscopie met femtomol-gevoeligheid met behulp van kwantumdefecten in diamant, " Dominik B. Bucher, David R. Glenn, Hongkun-park, Michail D. Lukin, en Ronald L. Walsworth, verschijnt in het juni 2020 nummer van het tijdschrift Fysieke beoordeling X .