Синтетический алмаз помог улучшить разрешение МРТ до нанометра
Разрешение обычного МРТ-сканера в больнице — около одной десятой миллиметра — позволяет врачам видеть нас изнутри в невероятных подробностях. Но ученым, исследующим отдельные молекулы, этого недостаточно. Новая технология, разработанная в лаборатории Амита Финклера в Институте Вейцмана, позволяет делать магнитно-резонансную томографию с разрешением в один нанометр и даже лучше.
Новый аппарат нано-МРТ, описанный в журнале Communications Physics, способен различать подробности строения отдельных молекул — и это гигантский шаг в развитии технологий визуализации для материаловедения и фармацевтической промышленности.
На молекулярном уровне
МРТ основана на свойстве элементарных частиц внутри атомов, называемом спином. Его можно представить как вращение вокруг оси, подобно волчку, и оно характеризуется резонансной частотой — количеством «оборотов» в секунду. Именно эту частоту измеряет МРТ-устройство. Она зависит от типа частицы и силы окружающего магнитного поля.
В обычной МРТ градиентное магнитное поле, сила которого меняется вдоль тела пациента, заставляет резонансную частоту также изменяться, позволяя аппарату различать слои тканей. Чем круче градиент, тем тоньше срезы можно получить.
Алмазный сенсор
Ранее в лаборатории Финклера уже разработали метод магнитного резонансного сканирования на основе синтетического алмаза. Внутри алмаза есть точечный дефект размером с один атом — азотная вакансия (NV-центр). Он работает как датчик, меняя интенсивность испускаемого красного света в зависимости от спина соседних частиц.
Преимущество NV-центра в его высокой чувствительности даже к самым слабым сигналам — например, наличию единственной частицы на расстоянии 50 нанометров. Однако проблема заключается в том, что он не всегда эффективно различает соседние частицы, а испускаемый свет зависит от усредненных свойств всех близлежащих частиц. Это означает невозможность визуализации отдельных атомов в молекуле.
Градиентное поле и золотое острие
Ученые разработали устройство, создающее градиентное магнитное поле, сфокусированное вокруг атомного магнитного сенсора. Оно представляет собой покрытое золотом прямоугольное кварцевое острие. При пропускании электрического тока через золотое напыление образуется градиентное магнитное поле, причем самые сильные изменения поля — вблизи углов прямоугольника и постепенно ослабевают с расстоянием.
Открытие: градиент поля важнее его абсолютной величины
Градиент магнитного поля — степень его изменения с расстоянием — составляет 0,1 Тл/м у обычных аппаратов МРТ. А у новинки — 1000 Тл/м, в 10 000 раз больше.
Новое устройство также превосходит предыдущие системы с алмазными сенсорами, поскольку может подавать магнитное поле по требованию — всего за 0,6 миллионных секунды. Это возможно потому, что поле создается не магнитом, а электрическим током, который можно отключать.
Перспективы для фармацевтики и материаловедения
Высокодетализированная молекулярная визуализация играет важную роль в фармацевтике и материаловедении. Сегодня каждое лекарство проходит тестирование методом магнитного резонанса, чтобы убедиться, что оно содержит только нужное вещество в правильной молекулярной структуре, безопасной для человека. Однако текущие методы требуют больших объемов образцов, которые трудно получить, особенно на ранних стадиях разработки. Кроме того, эти тесты нельзя проводить при комнатной температуре, а их разрешение остается ограниченным.
Новый инструмент позволил увидеть сотни биомолекул внутри клеток
Чтобы узнать, как выглядят атомные ядра, физики разбили их вдребезги
