(Phys.org) - Twee onafhankelijke groepen wetenschappers in de VS en Duitsland hebben magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) teruggebracht tot op nanoschaal, waardoor ze in de toekomst mogelijk kleine moleculen zoals eiwitten op niet-destructieve wijze kunnen detecteren en afbeelden bij kamertemperatuur en onder druk. Eerder, beeldvorming op nanoschaal was alleen mogelijk bij extreem lage temperaturen en drukken.

MRI werkt door het detecteren van zwakke elektromagnetische velden die worden geproduceerd door de kernen van atomen, zoals waterstof, in de moleculen die worden bestudeerd, en de collectieve resonantie van deze velden. Het is in staat om structuren in beeld te brengen zonder ze te vernietigen, waardoor het nuttig is voor het scannen van lichamen, maar de relatief lage gevoeligheid heeft het gebruik ervan op kleine schaal tot nu toe beperkt tot chemicaliën met volumes gemeten in micrometers op zijn best.

Twee artikelen gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap beschrijf het onderzoek dat door de twee afzonderlijke groepen is gedaan, die beide donkere vlekken gebruikten, of stikstof-leegstand (NV) defecten, op het oppervlak van diamanten. Diamant is magnetisch inert omdat het volledig bestaat uit covalent gebonden koolstofatomen, en er zijn geen vrije elektronen. Echter, er kunnen onvolkomenheden zijn zoals NV's, waarin een enkele koolstof is vervangen door een stikstofatoom, naast een leegte in het rooster waar een koolstofatoom ontbreekt. De NV's hebben een vrij elektron, waardoor het unieke magnetische eigenschappen heeft, en het zijn deze eigenschappen die de twee onderzoeksteams hebben uitgebuit.

Het eerste elftal, geleid door Daniel Rugar en John Mamim van het Almaden Research Center in San Jose, Californië, gebruikte donkere diamantvlekken om zwakke magnetische velden te detecteren in materialen nabij het diamantoppervlak. De groep van Rugar synthetiseerde extreem zuivere diamant met NV-centra dicht bij het oppervlak en bedekte het met een polymeer van 60 nanometer dik. Vervolgens legden ze een oscillerend magnetisch veld aan. Dr. Rugar legde uit dat wanneer je groen licht laat schijnen op de donkere vlekken, ze rood fluoresceren, en de helderheid hangt af van de magnetische toestand van het NV-centrum. Externe magnetische velden in de buurt kunnen de spin van het NV-centrumelektron beïnvloeden, wat op zijn beurt de helderheid van het fluorescerende rood beïnvloedt.

Het tweede elftal, onder leiding van Friedemann Reinhard van de Universiteit van Stuttgart, gebruikte ook stikstof-leegstanddefecten op extreem zuivere monsters van gesynthetiseerde diamant, maar ze gebruikten ze om de NMR-spectra vast te leggen van een reeks chemicaliën die op het oppervlak van de diamant waren geplaatst. Dr. Reinhard zei dat hun methode passiever was dan de methodes die door het team van Rugar werden gebruikt. maar dit maakt het een beetje makkelijker te implementeren.

Het onderzoek is belangrijk omdat het op conventionele wijze moeilijk is om eiwitstructuren te bepalen, wat inhoudt dat de eiwitten tot expressie worden gebracht en worden gezuiverd en vervolgens worden gekristalliseerd. Het kunnen maken van een MRI-opname zou het proces vereenvoudigen en het mogelijk maken om de structuren van alle eiwitten uit te werken. Op dit moment bevindt het onderzoek van beide teams zich op een "proof of principle" niveau, volgens het team van Rugar, en er is meer onderzoek nodig voordat de technieken kunnen worden gebruikt om moleculen in beeld te brengen.

© 2013 Phys.org