Naukowcy z Technische Universität München (TUM) opracowali innowacyjną metodę obrazowania, która może przenieść na nowy poziom badania biomedyczne i materiałoznawcze. Nowa technologia, nazwana mikroskopią jądrowego spinu, pozwala na rejestrowanie sygnałów magnetycznych na poziomie atomowym, co znacznie przekracza możliwości tradycyjnej mikroskopii. Kluczowym elementem tego przełomowego narzędzia są czujniki kwantowe, które przekształcają sygnały magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) w sygnały optyczne, umożliwiając niezwykle precyzyjne obrazowanie struktury materiałów biologicznych i nieorganicznych.

Czujniki kwantowe to urządzenia wykorzystujące unikalne właściwości mechaniki kwantowej, takie jak superpozycja i splątanie kwantowe, do wykonywania precyzyjnych pomiarów. Ich zastosowanie pozwala na uzyskanie niezwykle dokładnych wyników, znacznie przewyższających możliwości tradycyjnych technologii.

Jak działa mikroskopia jądrowego spinu?

Nowa metoda opiera się na połączeniu technik spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego z fluorescencyjną mikroskopią kwantową. Najważniejszym elementem układu jest specjalnie przygotowany chip diamentowy, który działa jako czujnik kwantowy.

– Zastosowane czujniki kwantowe umożliwiają konwersję sygnałów rezonansu magnetycznego na sygnały optyczne. Sygnały te są rejestrowane przez kamerę i wyświetlane jako obrazy — objaśnia Dominik Bucher, profesor ds. wykrywania kwantowego w Szkole Nauk Przyrodniczych TUM i badacz w Cluster of Excellence Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST).

Karl D. Briegel oraz prof. Dominik B. Bucher – fot. Christoph Hohmann/MCQST

Kiedy chip jest naświetlany światłem laserowym, generuje sygnał fluorescencyjny zawierający informacje o polu magnetycznym wykrytym przez atomowe defekty w strukturze diamentu. Ten sygnał jest rejestrowany przez kamerę wysokiej rozdzielczości, co pozwala na uzyskanie obrazów o precyzji sięgającej 10 milionowych metra. Dzięki temu możliwe staje się szczegółowe analizowanie struktur pojedynczych komórek, a nawet składu chemicznego badanych materiałów.

Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR) to zjawisko fizyczne wykorzystywane m.in. w badaniach medycznych i chemicznych. Polega na pobudzaniu jąder atomowych umieszczonych w silnym polu magnetycznym falami radiowymi. Odpowiedź jąder na to pobudzenie pozwala określić strukturę i skład chemiczny badanego materiału.

 

Praktyczne zastosowania mikroskopii kwantowej

Mikroskopia jądrowego spinu otwiera nowe możliwości w wielu dziedzinach nauki i przemysłu. Jej potencjalne zastosowania obejmują:

  • badania nad rakiem – możliwość obrazowania struktur komórkowych pozwala na lepsze zrozumienie mechanizmów wzrostu i rozprzestrzeniania się nowotworów,
  • przemysł farmaceutyczny – nowa metoda może być wykorzystana do analizy skuteczności i interakcji molekularnych nowych leków na poziomie atomowym,
  • nauki materiałowe – możliwość precyzyjnej analizy składu cienkowarstwowych materiałów i katalizatorów, co może prowadzić do lepszych technologii w przemyśle chemicznym i elektronicznym.

 

Perspektywy rozwoju technologii

Zespół badawczy z TUM już teraz planuje dalszy rozwój tej technologii, aby uczynić ją szybszą i jeszcze bardziej precyzyjną. Naukowcy zgłosili patent na opracowany system i przewidują, że w przyszłości może on stać się standardowym narzędziem stosowanym w diagnostyce medycznej i badaniach naukowych. Integracja fizyki kwantowej z nowoczesnymi technikami obrazowania otwiera zupełnie nowe możliwości badawcze, umożliwiając głębsze zrozumienie świata na poziomie molekularnym.

źródła: labonline.com.au, tum.de, sciencedaily.com