Próxima generación: Nanoimagen
Una imagen de fluorescencia en falso color de la superficie del diamante. Los pequeños puntos circulares oscuros muestran centros de vacío de nitrógeno (NV) y la franja vertical oscura es el microcable utilizado para aplicar el campo electromagnético. Cortesía de IBM Research El dispositivo: Un minúsculo defecto de diamante, solo dos átomos diferentes, podría algún día Permitir a los investigadores obtener imágenes de moléculas individuales sin recurrir a la cristalografía de rayos X, que requiere mucho tiempo y es técnicamente exigente. El nuevo enfoque, publicado hoy (31 de enero) en Science, se basa en un solo electrón para detectar perturbaciones en los campos magnéticos moleculares, lo que puede proporcionar pistas sobre las estructuras de las proteínas y otras moléculas.
“Es un avance bastante emocionante” dijo el físico P. Chris Hammel de la Universidad Estatal de Ohio, que no participó en la investigación. Las estrategias a nanoescala anteriores solo funcionaban a temperaturas criogénicas, pero la nueva estrategia sería mucho más amable con las muestras biológicas.
El trabajo se inspiró en la resonancia magnética nuclear (RMN), que utiliza bobinas electromagnéticas para detectar…
Para construir un sensor de este tipo, los físicos Daniel Rugar de IBM Research y David Awschalom de la Universidad de California en Santa Bárbara recurrieron a los diamantes. Un diamante perfecto, hecho enteramente de átomos de carbono unidos entre sí de forma covalente, no tiene electrones libres y, por lo tanto, no tiene propiedades magnéticas, explicó Hammel. Pero un tipo especial de defecto, conocido como centro de vacancia de nitrógeno (NV), confiere propiedades magnéticas únicas.
En un centro NV, un solo átomo de nitrógeno reemplaza un carbono en la red de diamante, justo al lado de un carbono faltante (la vacante). Debido a que el nitrógeno tiene un electrón más disponible para unirse, el centro NV le confiere propiedades magnéticas al diamante, que se pueden leer mediante fluorescencia óptica. Si haces brillar una luz verde, brilla intensamente en rojo, explicó Rugar. La fuerza de la fluorescencia depende del estado magnético del centro NV. Si los campos magnéticos nucleares externos, como los emitidos por otros electrones y protones, están lo suficientemente cerca, pueden afectar el giro de los electrones del centro NV y la lectura fluorescente roja.
Para mostrar que se podría usar un centro NV en un diamante como un sensor a escala atómica para detectar protones cercanos, el grupo de Awschaloms sintetizó cristales de diamante de alta pureza que contenían centros NV cerca de la superficie. En IBM, el equipo de Rugars superpuso esto con un polímero de prueba de 60 nm y aplicó un campo magnético oscilante. Cuando la frecuencia coincidió con la frecuencia de resonancia de los protones, descubrieron que su sonda de electrones respondía a los cambios en los campos magnéticos de los protones, y esto se reflejaba en la fluorescencia roja.
Novedades: Lo que tienen es la primera demostración de mirar espines nucleares fuera del diamante mismo, dijo la ingeniera cuántica Paola Cappellaro del Instituto Tecnológico de Massachusetts, que no participó en la investigación. [Ellos] realmente lograron hacer lo que muchas personas habían estado tratando de hacer, y detectar los diminutos campos magnéticos asociados con los espines nucleares.
El trabajo anterior se basó en minúsculos voladizos con puntas magnéticas, dijo Hammel. Estos voladizos, que respondían a los cambios en los campos magnéticos al doblarse, podían medir el campo magnético de un solo electrón, o de unos 50 núcleos, que son mucho más débiles, señaló Hammel. Pero los experimentos tenían que llevarse a cabo a temperaturas muy bajas y alto vacío, lo que no es tan emocionante para los biólogos que quieren examinar sus moléculas en condiciones más fisiológicas, dijo.
Al acoplar la luz al estado magnético de sus sensores de diamante, Rugar y Awschalom puede realizar experimentos similares a temperatura ambiente y presión normal.
La importancia: Descifrar la estructura de la proteína de la manera convencional expresando, purificando y cristalizando las proteínas no es fácil, dijo Rugar. De hecho, es tan difícil que la mayoría de las proteínas del cuerpo no tienen una estructura conocida, dijo. Si pudiera tomar una imagen [MRI], sería algo fantástico.
Necesita mejorar: Hasta ahora, el estudio es solo una prueba de principio, señaló Awschalom. Los investigadores aún no han obtenido imágenes de ninguna molécula, sino que simplemente han detectado su presencia. Aún así, dijo Awschalom, hemos demostrado que no es una idea completamente ridícula detectar campos magnéticos nucleares externos con un electrón.
En última instancia, dijo Hammel, los investigadores deberán llevar el centro NV aún más cerca de la superficie y sus núcleos objetivo para obtener una resolución a nanoescala de moléculas complejas. Pero hacerlo sin interferir con sus propiedades será un serio desafío, porque los campos magnéticos de núcleos extraños, como las moléculas de agua en la superficie de los diamantes, también pueden influir en el centro NV.
HJ Mamin et al. , resonancia magnética nuclear a nanoescala con un sensor de espín de vacancia de nitrógeno, Science, 339:557-560, 2013.
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