کاهش ابعاد دستگاه‌های ‏MRI‏ و ‏NMR‏ با کمک الماس

دو گروه مستقل از محققان، فناوری تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (‏MRI‏) را تا مقیاس ‏نانو کوچک کردند؛ بطوریکه اکنون می‌توان نمونه‌های مولکولی به حجم چند نانومتر مکعب ‏را شناسایی و در دمای اتاق از آنها عکسبرداری کرد.

دو گروه مستقل از محققان، فناوری تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (‏MRI‏) را تا مقیاس ‏نانو کوچک کردند؛ بطوریکه اکنون می‌توان نمونه‌های مولکولی به حجم چند نانومتر مکعب ‏را شناسایی و در دمای اتاق از آنها عکسبرداری کرد. هر دو گروه برای جستجوی نمونه‌های ‏ریز اینچنینی، از جاهای خالی نیتروژن (‏NV‏) در الماس بعنوان حسگرهای میدان مغناطیسی ‏استفاده کردند. این تحقیقات می‌تواند اولین گام در رسیدن به تصاویر ۳ بعدی مولکولی کامل ‏MRI‏ و رزونانس مغناطیس هسته‌ای (‏NMR‏) باشد.‏

روش‌های کلاسیک ‏MRI‏ و ‏NMR، ابزارهای مفیدی برای بررسی نمونه‌ها (حتی ‏ارگانیسم‌های زنده به‌صورت غیرمخرب) است. ولی هنگامی که اندازه‌ی نمونه‌ها از چند ‏میکرون کوچک‌تر می‌شود، این تکنیک‌ها حساسیت لازم برای عملکرد مناسب را ندارد.‏

این روش جدید از جاهای خالی نیتروژن یا ‏NV‏ بهره می‌برد. نقایص ‏NV‏ زمانی پدید ‏می‌آیند که دو اتم کربن همسایه بوسیله یک اتم نیتروژن و یک جای خالی در شبکه ‏جایگزین شوند. نقایص ‏NV‏ قادر به شناسایی نوسانات ضعیف میدان مغناطیسی که از اسپین ‏پروتون‌ها در نمونه حاصل می‌شود، است.

filereader.php?p1=main_2c90a853be5727425
ثابت کردن اسپین‌ها بر روی الماس‌ها

 ‏
توبیاس اشتوداچر و فریدمن رینهارد و همکارانشان از دانشگاه اشتوتگارت آلمان، با ‏استفاده از نقایص ‏NV، طیف‌های ‏NMR‏ مواد مختلفی که بر روی سطح الماس قرار داده بودند ‏را ثبت کردند. در ابتدا این پژوهشگران تنها یک نقص ‏NV‏ را در فاصله ۷ نانومتر از سطح ‏الماس ایجاد کردند. رینهارد در این باره توضیح می‌دهد: «در سطح کوانتومی، ‏NV‏ به کار ‏برده شده در دو حالت اسپینی (فلورسانس روشن و تیره) قرار دارد. بنابراین با بکارگیری ‏الگوریتم یا پروتکلی ساده، با حس شدن نوسانات پروتون، این اسپین سریعا از حالت روشن ‏به تیره تبدیل می‌شود. این تغییر را می‌توان با استفاده از یک دیود حساس به نور و یا دوربین ‏شناسایی کرد.»
این پژوهشگران از این روش برای شناسایی اسپین‌های پروتون در تعدادی از ‏نمونه‌های مایع و جامد که بر روی سطح الماس قرار داده شدند، استفاده کردند.
 ‏
برای رسیدن به تصویر سه بعدی واقعی در ابعاد نانومتری، نیاز است که نمونه به طریقی ‏بحرکت در آورده شود، اما در روش حاضر با توجه به اینکه نمونه بر روی سطح الماس قرار ‏می‌گیرد، ایجاد حرکت ممکن نیست. برای رفع این نقیصه، رینهارد و گروه همراه، نوک ‏کاوشگر میکروسکوپ نیروی اتمی (‏AFM‏) را از الماس (با نقص ‏NV‏) ساخته‌اند و بدین ترتیب ‏می‌توان از آن بعنوان ابزار اسکن برای گرفتن عکس‌های تمام سه بعدی از نمونه استفاده کرد.‏

گروه دیگر، دن راجر و جان مامین و همکارانشان از بخش تحقیقات ‏IBM‏ در کالیفرنیای ‏آمریکا هستند. این محققان نیز از ‏NVهای گنجانده شده زیر سطح الماس استفاده کردند؛ اما ‏تفاوت کار آنها با گروه قبلی این است که نمونه‌ها در کنار الماس گذاشته شدند (برخلاف ‏حالت قبل که نمونه‌های بر روی سطح الماس قرار داده شده بود). جنس نمونه از پلیمر آلی ‏است که با بکارگیری انعکاس اسپین الکترون در نقایص ‏NV‏ و همچنین چرخش نمونه با یک ‏میدان فرکانس رادیویی، الکترون‌های اتم‌های هیدروژن موجود در نمونه قابل کنترل خواهند ‏شد. این پژوهشگران معتقدند حساسیت این روش در آینده خواهد توانست برای اندازه‌گیری ‏فرکانس‌های یک تک پروتون نیز بکار گرفته شود.‏

هر دو گروه جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی ‏Science‏ منتشر کرده‌اند.‏