Det är inte ofta man ser 50 år gammal utrustning i ett modernt fysiklaboratorium, än mindre att hitta den i centrum för spetsforskning. Men då, de flesta sådana labb drivs inte av Ronald Walsworth.

En senior fysiker vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics och en medlem av fysikavdelningens fakultet, Walsworth, tillsammans med postdoktorerna David Glenn och Dominik Bucher, utvecklat ett system som använder kvävevakanscentra (föroreningar i atomskala i diamanter) för att läsa de kärnmagnetiska resonanssignalerna (NMR) som produceras av prover så små som en enda cell. Och de gjorde det på en knapp budget med en gammal, donerad elektromagnet.

Systemet kommer att göra det möjligt för forskare att titta in i tidigare osynliga biologiska processer såväl som de kemiska egenskaperna hos material, och kan hjälpa till att öppna dörren för svar på en mängd nya frågor inom områden som sträcker sig från fysik till kondenserad materia till kemi till neurobiologi. Arbetet beskrivs i en tidning som nyligen publicerats i Natur .

"Detta ger oss för första gången ett verktyg för att utföra NMR på prover som liknar volymen av en enda cell, samtidigt som man bibehåller hög spektral upplösning, ", sade Walsworth. "Det finns två stora utmaningar vi adresserar med detta arbete. Det är den rumsliga storleken, eller volymen av proverna, och den andra är spektralupplösningen. För att göra användbar NMR-spektroskopi i dessa små skalor, du måste ha båda."

Svårigheten att uppnå båda, Walsworth sa, är delvis relaterat till hur NMR fungerar.

Upptäcktes på Harvard på 1940-talet, NMR fungerar genom att excitera atomerna i ett prov genom att använda kraftfulla magnetfält och mäta radiofrekvenserna de sänder ut. Eftersom varje molekyl avger specifika frekvenser, kemister och fysiker har lärt sig att läsa dessa radiospektra för att lära sig allt från materialegenskaperna hos olika molekyler till hur proteiner viks.

I konventionella system, dessa signaler mäts med hjälp av trådspolar som liknar radioantenner. För mindre prover, dock, signalerna är helt enkelt för svaga för att upptäcka, så forskare – inklusive Walsworth och fysikprofessor Mikhail Lukin – började för mer än ett decennium sedan att utforska användningen av kvävevakanscenter (NV) för att plocka upp dem.

"En av de allra första idéerna vi hade för NV-center var att använda dem för små volymer NMR, ner till nivån av enskilda atomer eller molekyler, " sade Walsworth. "Vi hade den här visionen för 10 eller 12 år sedan, och det har tagit många år att förbättra tekniken för att nå denna punkt."

Från deras första detektering av en NMR-signal i nanoskala 2013, Walsworth sa, Harvard-forskare förfinade NV-tekniken, och 2014 kunde de detektera en enda proton. År 2016 hade de använt NV för att fånga NMR-signalen producerad av ett enda protein. Även om de kunde upptäcka signaler från små prover, NV-centra var långt ifrån idealiska.

"När vi upptäckte enstaka proteiner, det var med NMR-spektraltoppar som var 10 kilohertz breda i frekvens, Walsworth sa. "Men separationen mellan frekvenser i NMR kan vara så liten som några få hertz. Så vi kunde detektera ett protein, men alla kemiska detaljer i spektrumet tvättades bort."

Att få den detaljen från nanoskalaprover, han sa, förblir en utmaning eftersom kvantmekaniska fluktuationer som skulle vara oviktiga i större prover förblir dominerande i små skalor, och molekyler i lösning diffunderar bort från sensorn, vilket resulterar i lägre upplösning.

"Så det finns inneboende problem med prover på nanoskala, men du löser omedelbart de problemen om du backar upp till mikronskalan, " sa Walsworth. "Det är fortfarande omfattningen av enskilda celler, vilket är mycket mindre än något du kan göra med konventionella NMR-system, och är fortfarande av stort intresse för kemister och biologer."

Att utföra NV NMR-experiment med prover i mikronskala krävde en stor magnet som låg utanför labbets budget. Så Walsworth och kollegor donerades en 1965 elektromagnet från Columbia University, som arrangerades med hjälp av Roger Fu, biträdande professor i jord- och planetvetenskap. Men det lämnade fortfarande Walsworth och kollegor med utmaningen att komma runt de upplösningsproblem som är inneboende i att använda NV-center.

"En av dessa utmaningar är att snurrarna i NV-centret, vilka är vad som upptäcker, bara förbli koherent i ungefär en millisekund, sade han. För tre år sedan, vi hade en idé att komma runt den gränsen med en teknik som vi kallar synkroniserad avläsning."

I vanliga fall, Walsworth sa, forskare skulle genomföra en serie oberoende NMR-mätningar, sedan ett genomsnitt av dem tillsammans för att producera en slutlig mätning. Walsworth och kollegor, dock, utvecklat en teknik för att ta upprepade mätningar utlösta av en klocka som var synkroniserad med NMR-signalen. Genom att sammanfoga dessa mått, de kunde mäta signaler med mycket högre upplösning än tidigare.

Teamet testade sedan systemet mot tre typer av molekyler - trimetylfosfat, xylen, och etylformiat - för att visa att det inte bara kunde detektera NMR-signaler, men för att uppnå spektralupplösningar ner till ungefär en hertz, tillräckligt för att observera viktiga kemiska signaturer på mikronskalan för första gången.

"Vi kunde visa att systemet fungerar på dessa molekyler, vilka var de enklaste spektra vi kunde hitta och fortfarande kalla dem komplexa, " sa Walsworth. "Det här är spännande ... Vi har löst ett tekniskt problem, men vi har fortfarande mer att göra innan vi tillämpar detta på vetenskapliga problem."

Harvards Office of Technology Development har skyddat den immateriella äganderätten i samband med detta projekt och undersöker kommersialiseringsmöjligheter.

Går framåt, Walsworth sa att han planerar att fortsätta utforska sätt att öka signalen från mikronskaliga prover med ett mål att göra systemet både snabbare - de tester som beskrivs i studien tog så lång tid som 10 timmar att få data - och mer tillämpliga på levande prover.

Forskare måste också fokusera på att förbättra känsligheten hos NV-centra, han sa, så att de kan upptäcka svaga signaler producerade prover i svaga koncentrationer.

"Vi måste öka känsligheten med flera storleksordningar för att göra allt vi vill göra, ", sa han. "Att få dessa system att fungera i denna lilla skala är en stor utmaning nu på fältet."