La spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) è uno strumento ampiamente utilizzato per l'analisi chimica e il riconoscimento della struttura molecolare. Poiché in genere si basa sui deboli campi magnetici prodotti da una piccola polarizzazione di spin nucleare termico, NMR soffre di scarsa sensibilità rispetto ad altre tecniche analitiche. Un apparato NMR convenzionale utilizza tipicamente grandi volumi di campione di circa un millilitro, abbastanza grandi da contenere circa un milione di cellule biologiche.

In uno studio pubblicato su Revisione fisica X (PRX), ricercatori del Quantum Technology Center (QTC) dell'Università del Maryland e colleghi riportano una nuova tecnica di rilevamento quantistico che consente la spettroscopia NMR ad alta risoluzione su piccole molecole in soluzione diluita in un volume di campione di 10 picolitri, all'incirca equivalente a una singola cellula.

Gli esperimenti riportati nel documento, dal titolo "Spettroscopia NMR potenziata dall'iperpolarizzazione con sensibilità al femtomole utilizzando difetti quantistici nel diamante, " sono stati eseguiti dal gruppo di ricerca del Prof. Ronald Walsworth, Direttore fondatore del QTC. La loro scoperta è il passo successivo nei risultati precedenti, in cui Walsworth e collaboratori hanno sviluppato un sistema che utilizza i difetti quantistici della vacanza di azoto nei diamanti per rilevare i segnali NMR prodotti da campioni su scala di picolitri. In questo lavoro passato, i ricercatori hanno potuto osservare solo segnali da puro, campioni altamente concentrati.

Per superare questo limite, Walsworth e colleghi hanno combinato la NMR del diamante quantistico con un metodo di "iperpolarizzazione" che aumenta la polarizzazione dello spin nucleare del campione, e quindi la forza del segnale NMR, di oltre cento volte. I risultati riportati in PRX realizzano, per la prima volta, NMR con sensibilità molecolare del femtomole.

Sull'impatto della ricerca, Walsworth dice, "L'obiettivo del mondo reale è quello di consentire l'analisi chimica e la risonanza magnetica (MRI) a livello delle singole cellule biologiche". La risonanza magnetica è un tipo di scansione in grado di elaborare immagini dettagliate di parti del corpo, compreso il cervello. "Proprio adesso, La risonanza magnetica è limitata nella sua risoluzione, e può visualizzare solo volumi contenenti circa un milione di celle. Vedere le singole cellule in modo non invasivo con la risonanza magnetica (per aiutare a diagnosticare malattie e rispondere a domande di base in biologia) è uno degli obiettivi a lungo termine della ricerca sul rilevamento quantistico, "dice Walsworth.

Il documento di ricerca, "Spettroscopia NMR potenziata dall'iperpolarizzazione con sensibilità al femtomole utilizzando difetti quantistici nel diamante, "Dominik B. Bucher, David R. Glenn, Parco Hongkun, Mikhail D. Lukin, e Ronald L. Walsworth, appare nel numero di giugno 2020 della rivista Revisione fisica X .