Kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi är ett allmänt använt verktyg för kemisk analys och molekylär strukturigenkänning. Eftersom det vanligtvis förlitar sig på de svaga magnetfälten som produceras av en liten termisk kärnspinnpolarisation, NMR lider av dålig känslighet jämfört med andra analytiska tekniker. En konventionell NMR-apparat använder vanligtvis stora provvolymer på ungefär en milliliter - tillräckligt stora för att innehålla omkring en miljon biologiska celler.

I en studie publicerad i Fysisk granskning X (PRX), forskare från University of Marylands Quantum Technology Center (QTC) och kollegor rapporterar om en ny kvantavkänningsteknik som tillåter högupplöst NMR-spektroskopi på små molekyler i utspädd lösning i en provvolym på 10 pikoliter - ungefär motsvarande en enda cell.

Experimenten som rapporterades i tidningen, med titeln "Hyperpolarisationsförstärkt NMR-spektroskopi med femtomolkänslighet med användning av kvantdefekter i diamant, " utfördes av forskargruppen av prof. Ronald Walsworth, QTC grundare. Deras upptäckt är nästa steg i tidigare resultat, där Walsworth och medarbetare utvecklade ett system som använder kvantdefekter i kvävevakans i diamanter för att detektera NMR-signaler som produceras av prover i pikoliterskala. I detta tidigare arbete, forskarna kunde bara observera signaler från rena, mycket koncentrerade prover.

För att övervinna denna begränsning, Walsworth och kollegor kombinerade kvantdiamant-NMR med en "hyperpolariserings"-metod som ökar provets kärnspinnpolarisering - och därmed NMR-signalstyrkan - med mer än hundra gånger. Resultaten som rapporteras i PRX inser, för första gången, NMR med femtomol molekylär känslighet.

Om forskningens inverkan, Walsworth säger, "Det verkliga målet är att möjliggöra kemisk analys och magnetisk resonanstomografi (MRI) på nivån för enskilda biologiska celler." MRT är en typ av skanning som kan behandla detaljerade bilder av delar av kroppen, inklusive hjärnan. "Just nu, MRT är begränsad i sin upplösning, och det kan bara avbilda volymer som innehåller ungefär en miljon celler. Att se enskilda celler icke-invasivt med MRT (för att hjälpa till att diagnostisera sjukdom och svara på grundläggande frågor inom biologi) är ett av de långsiktiga målen för kvantavkänningsforskning, säger Walsworth.

Forskningsdokumentet, "Hyperpolarisationsförstärkt NMR-spektroskopi med femtomolkänslighet med hjälp av kvantdefekter i diamant, " Dominik B. Bucher, David R. Glenn, Hongkun Park, Mikhail D. Lukin, och Ronald L. Walsworth, visas i juninumret 2020 av tidskriften Fysisk granskning X .