Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE y la Universidad de California UC Berkeley han demostrado que los diamantes pueden ser la clave del futuro para la resonancia magnética nuclear RMN ytecnologías de resonancia magnética MRI
En un estudio dirigido por Alexander Pines, un científico principal de la Facultad de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y el Profesor de Química Glenn T. Seaborg de UC Berkeley, los investigadores registraron la primera hiperpolarización NMR a temperatura ambiente de núcleos de carbono-13 en diamante in situen campos magnéticos arbitrarios y orientaciones de cristales. La señal de los espines hiperpolarizados de carbono 13 mostró una mejora de la sensibilidad de la señal de RMN / RM en muchos órdenes de magnitud por encima de lo que normalmente es posible con los imanes convencionales de RMN / RM a temperatura ambiente. Además, esta hiperpolarizaciónse logró con microondas, en lugar de depender de campos magnéticos precisos para la transferencia de hiperpolarización.
Pines es el autor correspondiente de un artículo en Comunicaciones de la naturaleza que describe este estudio. El artículo se titula "Hiperpolarización de espín nuclear in situ a temperatura ambiente a partir de centros de vacantes de nitrógeno bombeados ópticamente en diamante".
Jonathan King, miembro del grupo de investigación de Pines es el autor principal. Otros coautores son Keunhong Jeong, Christophoros Vassiliou, Chang Shin, Ralph Page, Claudia Avalos y Hai-Jing Wang.
Los autores informan la observación de una polarización de espín nuclear a granel del seis por ciento, que es una mejora de la señal de RMN de aproximadamente 170,000 veces sobre el equilibrio térmico. La señal de los espines hiperpolarizados se detectó in situ con una sonda de RMN estándar sin la necesidadpara la transferencia de muestras o la orientación precisa del cristal. Los autores creen que esta nueva técnica de hiperpolarización debería permitir una mejora de la sensibilidad de los órdenes de magnitud para los estudios de RMN de sólidos y líquidos en condiciones ambientales.
"Nuestros resultados en este estudio representan una mejora de la señal de RMN equivalente a la lograda en los experimentos pioneros de Lucio Frydman y compañeros de trabajo en el Instituto de Ciencia Weizmann, pero usando hiperpolarización nuclear dinámica inducida por microondas en diamantes sin la necesidad de un control preciso sobreEl campo magnético y la alineación de los cristales ", dice Pines." Los diamantes hiperpolarizados a temperatura ambiente abren la posibilidad de transferencia de polarización de RMN / RM a muestras arbitrarias de una fuente inerte, no tóxica y fácilmente separada, un objetivo largamente buscado de la RMN contemporánea /Tecnologías de resonancia magnética "
La combinación de especificidad química y naturaleza no destructiva ha hecho que la RMN y la RM sean tecnologías indispensables para una amplia gama de campos, incluidos la química, los materiales, la biología y la medicina. Sin embargo, los problemas de sensibilidad han seguido siendo un desafío persistente. Las señales de RMN / RMN sonbasado en una propiedad cuántica intrínseca de electrones y núcleos atómicos llamada "espín". Los electrones y los núcleos pueden actuar como pequeños imanes de barra con un espín al que se le asigna un estado direccional de "arriba" o "abajo". Las señales de RMN / RM dependen dela mayoría de los espines nucleares se polarizan para apuntar en una dirección: cuanto mayor es la polarización, más fuerte es la señal. Durante varias décadas, Pines y los miembros de su grupo de investigación han desarrollado numerosas formas de hiperpolarizar los espines de los núcleos atómicos.Los últimos dos años han estado en cristales de diamante y en una impureza llamada centro de vacío de nitrógeno NV, en el que se acoplan los grados de libertad ópticos y de giro.
"Se crea un centro NV cuando dos átomos de carbono adyacentes en la red de un cristal de diamante puro se eliminan de la red dejando dos espacios, uno de los cuales está lleno con un átomo de nitrógeno y uno de los cuales permanece vacante", explica Pines"Esto deja electrones no unidos en el centro entre el átomo de nitrógeno y una vacante que da lugar a estados de polarización de espín de electrones únicos y bien definidos".
En estudios anteriores, Pines y su grupo demostraron que se podía utilizar un campo magnético de baja intensidad para transferir la polarización del espín de electrones del centro NV a los núcleos de carbono 13 cercanos, lo que resulta en núcleos hiperpolarizados. Este proceso de transferencia de espín, llamado polarización nuclear dinámica- se había utilizado antes para mejorar las señales de RMN, pero siempre en presencia de campos magnéticos de alta resistencia y temperaturas criogénicas. Pines y su grupo eliminaron estos requisitos al colocar un imán permanente cerca del diamante.
"En nuestro nuevo estudio estamos utilizando microondas para igualar la energía entre los electrones y los núcleos de carbono 13 en lugar de un campo magnético, lo que elimina algunas restricciones difíciles en la fuerza y la alineación del campo magnético y hace que nuestra técnica sea más fácil deuso ", dice King." Además, en nuestros estudios anteriores, inferimos la presencia de polarización nuclear indirectamente a través de mediciones ópticas porque no pudimos probar si la muestra en masa estaba polarizada o solo los núcleos que estaban muy cerca del NVcentros. Al eliminar la necesidad de incluso un campo magnético débil, ahora podemos realizar mediciones directas de la muestra a granel con RMN ".
en su Comunicaciones de la naturaleza paper, Pines, King y los otros coautores dicen que los diamantes hiperpolarizados, que pueden integrarse eficientemente en las técnicas de fabricación existentes para crear dispositivos de diamantes de alta superficie, deberían proporcionar una plataforma general para la transferencia de polarización.
"Visualizamos una RMN altamente mejorada de líquidos y sólidos utilizando las técnicas de transferencia de polarización existentes, como la polarización cruzada en sólidos y la relajación cruzada en líquidos, o la polarización nuclear dinámica directa a núcleos externos desde los centros NV", dice King, señalando quedicha transferencia de polarización a superficies sólidas y líquidos había sido demostrada previamente por el grupo Pines utilizando Xe-129 polarizado con láser. "Nuestra técnica de hiperpolarización basada en centros NV ópticamente polarizados es mucho más robusta y eficiente y debería ser aplicable a moléculas objetivo arbitrarias, incluyendosistemas biológicos que deben mantenerse en condiciones ambientales cercanas ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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