I vetenskap, många av de mest intressanta händelserna sker i en skala som är mycket mindre än det mänskliga ögat utan hjälp kan se. Medicinska forskare kan inse en rad genombrott om de kunde titta djupt inuti levande biologiska celler, men befintliga metoder för avbildning saknar antingen önskad känslighet och upplösning eller kräver förhållanden som leder till celldöd, såsom kryogena temperaturer. Nyligen, dock, ett team av Harvard University-ledda forskare som arbetar med DARPA:s Quantas-Assisted Sensing and Readout (QuASAR) -program demonstrerade avbildning av magnetiska strukturer inuti levande celler. Med hjälp av utrustning som drivs vid rumstemperatur och tryck, laget kunde visa detaljer ner till 400 nanometer, som är ungefär lika stor som två mässlingvirus. För en känsla av skala, se:learn.genetics.utah.edu/content/begin/cells/scale/.

Harvard QuASAR -teamets teknik beskrivs i en Natur papper med titeln "Optisk magnetisk avbildning av levande celler." Väsentligen, forskarna använde brister i diamant som kallas nitrogen-vacancy (NV) färgcentra för att fungera som högprecisionssonder för magnetfält som produceras av levande magnetotaktiska bakterier-organismer som innehåller magnetiska nanopartiklar. Med hjälp av en uppsättning av dessa NV -färgcentra konstruerade vid specifika punkter och densitet inom ett diamantchip, forskarna kunde lokalisera de magnetiska strukturerna i varje bakterie och konstruera bilder av de magnetfält de producerade.

Teamets resultat har flera potentiella tillämpningar och kan leda till ytterligare studieområden:

• I princip, denna teknik skulle möjliggöra detaljerade, realtidsobservation av interna cellulära processer, som celldöd, evolution och splittring, och hur celler påverkas av sjukdom.
• Forskarnas mätningar är direkt tillämpliga för att studera bildandet av magnetiska nanopartiklar i andra organismer, som är av intresse för kontrastförbättring vid magnetisk resonansbildning (MRI), och har kopplats till neurodegenerativa störningar.
• Bildning av magnetiska nanopartiklar har föreslagits som en mekanism för magnetisk navigering i högre organismer.

I en relaterad utveckling, två separata team av QuASAR -forskare, ledd av universitetet i Stuttgart i Tyskland och IBM:s Almaden Research Center, utvecklat en nanoskala magnetometer som möjliggör magnetisk resonansbildning (MRI) med tillräcklig upplösning för att mäta så få som 10, 000 protoner i en volym på endast 125 kubik nanometer, som närmar sig nivån på enskilda proteinmolekyler. Tidigare MRI -teknik, även när de sträcks till sina gränser, har inte tillåtit upplösning längre än några mikrometer på grund av förvrängande faktorer som bakgrundsmagnetiskt brus. QuASAR -teamens nya teknik, kallad nano-MR, övervinner denna begränsning genom att använda ett enda NV -färgcentrum inbäddat nära ytan av ett diamantchip för att mäta kärnmagnetiska resonanssignaler. Det kan användas för att mäta magnetfältet vid en enda punkt på en struktur, eller skanna över ytan för att avbilda strukturen genom att mäta flera punkter. Arbetet beskrivs i två tidningar i den 1 februari, 2013 utgåva av Vetenskap :"Nanoskala kärnmagnetisk resonans med en kväve-vakans-centrifugeringssensor" och "www.sciencemag.org/content/339/6119/561"> Kärnmagnetresonansspektroskopi på en (5-nanometer) ³ Provvolym. "

Nano-MRI-tekniken erbjuder den extra fördelen att arbeta vid rumstemperatur, eliminera behovet av dyr kryogen utrustning. Omvänt, traditionell MR använder skrymmande maskiner som ofta kräver kryogen kylning.

University of Stuttgart och IBMs arbete med QuASAR kan eventuellt erbjuda en rad framtida medicinska fördelar och funktioner:

• Stödja framtida läkemedelsutveckling genom att underlätta ökad förståelse för strukturen hos proteiner.
• Aktivera detaljerad, tredimensionell kartläggning av biologiska molekyler, med tillräcklig känslighet för att identifiera specifika element. Denna information kan effektivisera bedömningen av hämmande läkemedel mot naturligt förekommande och bioingeniösa virus.
• Aktivera mätning av magnetfältet för avfyrande neuroner.

"I QuASAR bygger vi sensorer som utnyttjar den extrema precisionen och kontrollen av atomfysik. Vi hoppas att dessa nya mätverktyg kan ge nya möjligheter till de bredare vetenskapliga och operativa samhällena, "sa Jamil Abo-Shaeer, DARPA programchef. "Arbetet som dessa team gör för att tillämpa kvantassisterad mätning på biologisk avbildning kan gynna DoD:s ansträngningar att utveckla specialiserade läkemedel och terapier, och eventuellt stödja DARPA:s arbete för att bättre förstå hur den mänskliga hjärnan fungerar. "

Alla tre insatserna genomfördes som grundforskning. Framtida arbete kan innefatta försök att:öka känsligheten hos mätanordningarna genom att flytta dem ännu närmare de organismer som ska mätas; bädda in nanodiamanter med NV-centra i levande celler för in vitro-studier för att mäta magnetfält och temperatur; och möjliggöra NV-assisterad magnetfältavbildning av märkta biomolekyler.