Schematische weergave van de experimentele opstelling die een nanoschaaldruppel met glucose en het vrije radicaal OX063 weergeeft. In het DNP-proces induceren de magnetische velden die worden geproduceerd door de stromende microgolffrequentiestromen door een smalle metalen vernauwing coherente spinflips tussen elektronenspins in OX063 (groen gekleurde bollen) en nabijgelegen waterstofspins (goudkleurige bollen). Deze uitwisseling in magnetisatie verhoogt de polarisatie van waterstofspins met meer dan een factor 100, wat een aanzienlijke verbetering van de detectiegevoeligheid van kernspins oplevert. Credit: University of Waterloo
Dynamische nucleaire polarisatie (DNP) heeft een revolutie teweeggebracht in het vakgebied van nanoschaal nucleaire magnetische resonantie (NMR), waardoor het mogelijk is geworden om een breder scala aan materialen, biomoleculen en complexe dynamische processen te bestuderen, zoals de manier waarop eiwitten zich vouwen en van vorm veranderen in een cel.
Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Waterloo combineert gepulseerde DNP met nanoschaal magnetische resonantie kracht microscopie (MRFM) metingen om aan te tonen dat dit proces op nanoschaal met hoge efficiëntie kan worden geïmplementeerd. De inspanning wordt overzien door Dr. Raffi Budakian, faculteitslid van het Institute for Quantum Computing en professor in de afdeling Physics and Astronomy, en zijn team bestaande uit Sahand Tabatabaei, Pritam Priyadarshi, Namanish Singh, Pardis Sahafi en Dr. Daniel Tay.
“Grote-versterkende nanoschaal dynamische nucleaire polarisatie nabij een silicium nanodraadoppervlak” was gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang op woensdag 21 augustus.
Bij conventionele magnetische resonantie is de detectie afhankelijk van het thermische populatieverschil tussen “up” en “down” spintoestanden binnen een extern magnetisch veld. Bij nanoschaal magnetische resonantie, waarbij het aantal spins aanzienlijk is verminderd, kunnen de inherente statistische fluctuaties in spinoriëntatie echter groter zijn dan de thermische polarisatie. Daarom is het beter om de statistische polarisatie te meten in plaats van de thermische polarisatie bij het observeren van nanoschaal spinensembles.
Experimentele opstelling en polariserend middel. Credit: Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ado9059
Niettemin kan dynamische nucleaire polarisatie (DNP) worden gebruikt om nucleaire spinpolarisatie te versterken door polarisatie van elektronen over te brengen naar nabijgelegen kernen, vanwege de aanzienlijk grotere thermische elektronenpolarisatie in vergelijking met kernspins. Deze verbetering verhoogt de detectiegevoeligheid aanzienlijk in nucleaire magnetische resonantie (NMR)-toepassingen.
De experimenten van het team onthulden een 100-voudige toename in de thermische polarisatie van waterstofkernspins, wat overeenkomt met een 15-voudige toename in detectiegevoeligheid, vergeleken met statistische polarisatie. Cruciaal is dat deze verbetering overeenkomt met een vermindering van de meettijd met een factor 200, waardoor ze signalen veel sneller konden verwerven. Deze resultaten verbeteren de mogelijkheden van MRFM-detectie als een praktisch hulpmiddel voor nanoschaalbeeldvorming aanzienlijk.
“Door de aanzienlijke verbeteringen van DNP te combineren met magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) op nanometerschaal en ultragevoelige spindetectie, zou driedimensionale MRI van biomoleculaire structuren met een resolutie op angströmschaal haalbaar kunnen worden – een transformerende mogelijkheid in de structurele biologie”, aldus Budakian.
Vooruitkijkend wil het onderzoeksteam DNP-verbeterde MRFM-metingen toepassen op 3D nanometerschaalstructuren zoals virussen en eiwitten. Ze hopen de gevoeligheid van de nucleaire spindetectie te vergroten door te werken bij lagere temperaturen en hogere magnetische velden.
Meer informatie:
Sahand Tabatabaei et al, Grote nanoschaal dynamische nucleaire polarisatie met versterking nabij een silicium nanodraadoppervlak, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ado9059
Informatie over het tijdschrift:
Wetenschappelijke vooruitgang
Aangeboden door de Universiteit van Waterloo
