Konvenční zařízení pro zobrazování magnetickou rezonancí, které známe z nemocnic, mají rozlišení snímků kolem jedné desetiny milimetru, což není špatné, umožňuje to snímkovat těla pacientů od hlavy až po špičky prstů na nohou ve velmi tenkých „řezech“. Pro účely vědy to však nestačí.
Ladička, která umožňuje řízení vzdálenosti od křemenného hrotu k diamantovému senzoru, a tím řízení gradientu magnetického pole kolem senzoru; měřítko: 300 μm (vlevo) Detail hrotu s křemenným středem (tmavší odstín), potaženým zlatým vodičem ve tvaru čtvercového oblouku (světlejší odstín); měřítko: 500 nm (vpravo) © Weizmann Institute of Science
Snímky z magnetické rezonance (MRI — magnetic resonance imaging) pomáhají lékařům při diagnostice a sledování průběhu léčby. Jakkoliv jsou pro tento účel velice užitečné, jejich rozlišení je nedostatečné k tomu, aby bylo možné studovat také strukturu jednotlivých molekul. Odborníci laboratoře Amita Finklera ve Weizmannově vědeckém institutu však vyvinuli novou technologii, která posouvá MRI skeny do nanoměřítka. S takovým zařízením lze pořizovat MRI snímky, jejichž rozlišení dosahuje až na úroveň 1 nm.
Magnetická rezonance je založena na vlastnosti elementárních částic v atomech zvané spin. Jedná se o magnetickou vlastnost, kterou lze vizualizovat jako rotaci kolem osy, podobně jako u káči, a je charakterizována frekvencí — počtem „otáček“ za sekundu — známou jako rezonanční frekvence. Právě tuto rezonanční frekvenci zařízení MRI měří. Závisí na typu měřené částice a síle okolního magnetického pole. V konvenční MRI způsobuje gradientní magnetické pole, jehož síla se mění podél těla pacienta, a vyvolává tak změnu rezonanční frekvence, což umožňuje přístroji rozlišovat mezi řezy tkáně. Strmější gradient umožňuje tenčí řezy. Otázka, kterou si položili vědci ve Finklerově laboratoři na katedře chemické a biologické fyziky: Mohlo by být gradientní magnetické pole použito také k rozlišení jednotlivých částic v rámci jedné molekuly?
Nové zařízení generuje gradientní magnetické pole zaměřené kolem atomového magnetického senzoru se syntetickým diamantem, který obsahuje defekt vzniklý nahrazením dvou atomů uhlíku z krystalové mřížky diamantu atomem dusíku a prázdným místem (NV — nitrogen-vacancy centre). Zařízení je vybaveno křemenným hrotem potaženým zlatým vodičem. Když drátem prochází elektrický proud, generuje gradient magnetického pole. Jeho změny pak vyvolávají změny rezonančních frekvencí atomů, které zařízení následně detekuje.
| Porovnání v číslech |
| Gradient magnetického pole, tedy rychlost, s jakou se pole mění se vzdáleností od zařízení, je u konvenčních přístrojů MRI 0,1 T/m (tesla na metr). Naproti tomu nově vyvinuté zařízení dosahuje gradientu 1 000 T/m, což je 10 000násobný nárůst, který umožňuje dramaticky vyšší rozlišení. |
„Uvědomění, které vedlo k novému vývoji, bylo, že můžeme vytvořit velmi silný gradient magnetického pole, i když jeho absolutní velikost zůstane malá,“ vysvětluje Finkler. „I když je naše magnetické pole výrazně menší než magnetické pole komerčního přístroje MRI, jeho gradient — rychlost, s jakou se magnetické pole mění se vzdáleností od zařízení — je mnohem větší. Takto jsme dosáhli rozlišení jednoho nanometru a věříme, že naše zařízení je schopno dosáhnout ještě vyššího rozlišení — což znamená, že by bylo schopné skenovat strukturu jednotlivé molekuly.“
Navržený nano-MRI přístroj může pracovat při pokojové teplotě a umožňuje tedy zkoumat strukturu materiálů za podmínek, za kterých mají být použity. Přístroj vytvoří detailnější obraz molekulární struktury a umožní tak testovat malý a výrazně levnější vzorek obsahující pouze několik molekul materiálu. Vědci navíc věří, že by mohl pomoci odhalit, proč se látky v reálném světě někdy chovají neočekávaně ve srovnání s výsledky laboratorních testů a zda existují neznámé rozdíly mezi látkami, které se zdají být identické.
Nové zařízení je také vylepšením oproti předchozím systémům s diamantovými senzory, protože dokáže aktivovat a deaktivovat magnetické pole na požádání — a to během pouhých 0,6 miliontiny sekundy. Je to proto, že pole není vytvářeno magnetem, ale spíše pomocí elektrického proudu, který lze zapnout nebo vypnout. „Schopnost rychle aktivovat a deaktivovat magnetické pole zajišťuje, že dochází k menšímu narušení a skenování je přesnější,“ dodává Finkler.
S tímto nano-MRI zařízením je tedy možné rozlišit jednotlivé součásti molekul. Vytváří snímky molekul, které jsou nejdetailnější, jaké kdy zatím byly pořízeny. Představují masivní pokrok směrem k nano-MRI aplikacím, jak pro výzkumné účely, tak k využití v praktických aplikacích, například v materiálovém nebo farmaceutickém průmyslu.