Non capita spesso di vedere apparecchiature vecchie di 50 anni in un moderno laboratorio di fisica, figuriamoci trovarlo al centro di ricerche all'avanguardia. Ma allora, la maggior parte di questi laboratori non è gestita da Ronald Walsworth.

Fisico senior presso l'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics e membro della facoltà del dipartimento di fisica, Walsworth, insieme ai borsisti post-dottorato David Glenn e Dominik Bucher, ha sviluppato un sistema che utilizza i centri di vacanza dell'azoto (impurità su scala atomica nei diamanti) per leggere i segnali di risonanza magnetica nucleare (NMR) prodotti da campioni piccoli come una singola cellula. E lo hanno fatto con un budget ridotto usando un vecchio, elettromagnete donato.

Il sistema consentirà ai ricercatori di scrutare processi biologici inediti e le proprietà chimiche dei materiali, e potrebbe aiutare ad aprire la porta a risposte a una serie di nuove domande in campi che vanno dalla fisica della materia condensata alla chimica alla neurobiologia. Il lavoro è descritto in un articolo recentemente pubblicato su Natura .

"Questo ci offre per la prima volta uno strumento per condurre NMR su campioni che sono simili al volume di una singola cellula, pur mantenendo un'elevata risoluzione spettrale, " Walsworth ha detto. "Ci sono due grandi sfide che affrontiamo con questo lavoro. C'è la dimensione spaziale, o il volume dei campioni, e l'altro è la risoluzione spettrale. Per eseguire un'utile spettroscopia NMR a queste piccole scale, devi averli entrambi."

La difficoltà nel raggiungere entrambi, Walsworth ha detto, è in parte correlato al modo in cui opera l'NMR.

Scoperto ad Harvard negli anni '40, L'NMR funziona eccitando gli atomi in un campione utilizzando potenti campi magnetici e misurando le frequenze radio che emettono. Poiché ogni molecola emette frequenze specifiche, chimici e fisici hanno imparato a leggere quegli spettri radio per apprendere tutto, dalle proprietà materiali di varie molecole a come le proteine ​​vengono piegate.

Nei sistemi convenzionali, questi segnali vengono misurati utilizzando bobine di filo simili alle antenne radio. Per campioni più piccoli, però, i segnali sono semplicemente troppo deboli per essere rilevati, così i ricercatori, tra cui Walsworth e il professore di fisica Mikhail Lukin, più di un decennio fa hanno iniziato a esplorare l'uso dei centri di azoto vacante (NV) per raccoglierli.

"Una delle primissime idee che abbiamo avuto per i centri NV è stata di usarli per NMR di piccoli volumi, fino al livello dei singoli atomi o molecole, " ha detto Walsworth. "Abbiamo avuto questa visione 10 o 12 anni fa, e ci sono voluti molti anni per migliorare la tecnologia per arrivare a questo punto".

Dal loro primo rilevamento su nanoscala di un segnale NMR nel 2013, Walsworth ha detto, Gli scienziati di Harvard hanno perfezionato la tecnologia NV, e nel 2014 sono stati in grado di rilevare un singolo protone. Nel 2016 avevano usato NV per catturare il segnale NMR prodotto da una singola proteina. Sebbene potessero rilevare segnali da piccoli campioni, i centri NV erano tutt'altro che ideali.

"Quando abbiamo rilevato singole proteine, era con picchi spettrali NMR che erano larghi 10 kilohertz in frequenza, " ha detto Walsworth. "Ma la separazione tra le frequenze in NMR può essere piccola come pochi hertz. Quindi siamo stati in grado di rilevare una proteina, ma tutti i dettagli chimici nello spettro sono stati lavati via."

Ottenendo quel dettaglio da campioni su scala nanometrica, Egli ha detto, rimane una sfida perché le fluttuazioni della meccanica quantistica che non sarebbero importanti in campioni più grandi rimangono dominanti su scale minuscole, e le molecole in soluzione si diffondono lontano dal sensore, con conseguente minore risoluzione.

"Quindi ci sono problemi intrinseci con i campioni su scala nanometrica, ma risolvi immediatamente quei problemi se esegui il backup alla scala del micron, " ha detto Walsworth. "Questa è ancora la scala delle singole cellule, che è molto più piccolo di qualsiasi cosa tu possa fare con i sistemi NMR convenzionali, ed è ancora di grande interesse per chimici e biologi."

L'esecuzione di esperimenti NV NMR con campioni su scala micron ha richiesto un grande magnete che andava oltre il budget del laboratorio. Così Walsworth e colleghi ricevettero in dono un elettromagnete del 1965 dalla Columbia University, che è stato organizzato con l'aiuto di Roger Fu, assistente professore di scienze della Terra e planetarie. Ma questo lasciava ancora a Walsworth e colleghi la sfida di aggirare i problemi di risoluzione inerenti all'utilizzo dei centri NV.

"Una di queste sfide è che i giri del centro NV, quali sono ciò che fa il rilevamento, rimani coerente solo per circa un millisecondo, " ha detto. "Tre anni fa, abbiamo avuto l'idea di aggirare questo limite utilizzando una tecnica che chiamiamo lettura sincronizzata."

Normalmente, Walsworth ha detto, gli scienziati condurrebbero una serie di misurazioni NMR indipendenti, quindi mediali insieme per produrre una misurazione finale. Walsworth e colleghi, però, ha sviluppato una tecnica per eseguire misurazioni ripetute attivate da un orologio sincronizzato con il segnale NMR. Mettendo insieme queste misurazioni, sono stati in grado di misurare segnali con una risoluzione molto più elevata rispetto a prima.

Il team ha quindi testato il sistema contro tre tipi di molecole:trimetilfosfato, xilene, e formiato di etile, per dimostrare che era in grado non solo di rilevare segnali NMR, ma di raggiungere risoluzioni spettrali fino a circa un hertz, sufficiente per osservare per la prima volta le firme chimiche chiave su scala micron.

"Siamo stati in grado di dimostrare che il sistema funziona su queste molecole, quali erano gli spettri più semplici che potessimo trovare e li chiamiamo ancora complessi, " ha detto Walsworth. "Questo è eccitante ... Abbiamo risolto un problema tecnico, ma abbiamo ancora molto lavoro da fare prima di applicarlo ai problemi scientifici".

L'Office of Technology Development di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale relativa a questo progetto e sta esplorando opportunità di commercializzazione.

Andando avanti, Walsworth ha affermato di voler continuare a esplorare modi per aumentare il segnale da campioni su scala micron con l'obiettivo di rendere il sistema più veloce (i test descritti nello studio hanno impiegato fino a 10 ore per ottenere dati) e più applicabili ai campioni viventi.

I ricercatori devono anche concentrarsi sul miglioramento della sensibilità dei centri NV, Egli ha detto, in modo che possano rilevare segnali deboli prodotti campioni in concentrazioni deboli.

"Dobbiamo aumentare la sensibilità di diversi ordini di grandezza per fare tutto ciò che vogliamo fare, " ha detto. "Fare funzionare questi sistemi su questa piccola scala è una grande sfida ora sul campo".