No es frecuente que vea equipos de 50 años en un laboratorio de física moderno, y mucho menos encontrarlo en el centro de la investigación de vanguardia. Pero entonces, la mayoría de estos laboratorios no están a cargo de Ronald Walsworth.

Físico senior en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica y miembro de la facultad del departamento de física, Walsworth, junto con los becarios postdoctorales David Glenn y Dominik Bucher, desarrolló un sistema que utiliza centros vacantes de nitrógeno (impurezas a escala atómica en los diamantes) para leer las señales de resonancia magnética nuclear (RMN) producidas por muestras tan pequeñas como una sola célula. Y lo hicieron con un presupuesto reducido con un viejo electroimán donado.

El sistema permitirá a los investigadores observar procesos biológicos nunca antes vistos, así como las propiedades químicas de los materiales. y podría ayudar a abrir la puerta a respuestas a una serie de nuevas preguntas en campos que van desde la física de la materia condensada hasta la química y la neurobiología. El trabajo se describe en un artículo publicado recientemente en Naturaleza .

"Esto nos brinda por primera vez una herramienta para realizar RMN en muestras que son similares al volumen de una sola celda, manteniendo una alta resolución espectral, ", Dijo Walsworth." Hay dos desafíos principales que abordamos con este trabajo. Ahí está el tamaño espacial, o el volumen de las muestras, y el otro es la resolución espectral. Para realizar espectroscopía de RMN útil a estas pequeñas escalas, necesitas tener ambos ".

La dificultad para lograr ambos, Walsworth dijo:está relacionado en parte con la forma en que opera la RMN.

Descubierto en Harvard en la década de 1940, La RMN funciona excitando los átomos de una muestra mediante el uso de potentes campos magnéticos y midiendo las radiofrecuencias que emiten. Dado que cada molécula emite frecuencias específicas, Los químicos y físicos han aprendido a leer esos espectros de radio para aprender todo, desde las propiedades materiales de varias moléculas hasta cómo se pliegan las proteínas.

En sistemas convencionales, esas señales se miden utilizando bobinas de alambre similares a las antenas de radio. Para muestras más pequeñas, sin embargo, las señales son simplemente demasiado débiles para detectarlas, por lo que los investigadores, incluidos Walsworth y el profesor de física Mikhail Lukin, comenzaron hace más de una década a explorar el uso de centros de nitrógeno vacante (NV) para recogerlos.

"Una de las primeras ideas que tuvimos para los centros NV fue utilizarlos para RMN de pequeño volumen, hasta el nivel de átomos o moléculas individuales, ", Dijo Walsworth." Tuvimos esta visión hace 10 o 12 años, y se han necesitado muchos años para mejorar la tecnología para llegar a este punto ".

Desde su primera detección a nanoescala de una señal de RMN en 2013, Walsworth dijo:Los científicos de Harvard refinaron la tecnología NV, y en 2014 pudieron detectar un solo protón. Para 2016, habían utilizado NV para capturar la señal de RMN producida por una sola proteína. Aunque podían detectar señales de muestras diminutas, los centros de NV estaban lejos de ser ideales.

"Cuando detectamos proteínas individuales, fue con picos espectrales de RMN de 10 kilohercios de ancho en frecuencia, ", Dijo Walsworth." Pero la separación entre las frecuencias en RMN puede ser tan pequeña como unos pocos hercios. Entonces pudimos detectar una proteína, pero se borraron todos los detalles químicos del espectro ".

Obtener ese detalle de muestras a nanoescala, él dijo, sigue siendo un desafío porque las fluctuaciones de la mecánica cuántica que no serían importantes en muestras más grandes siguen siendo dominantes a escalas pequeñas, y las moléculas en solución se difunden lejos del sensor, resultando en una resolución más baja.

"Por tanto, existen problemas intrínsecos con las muestras a nanoescala, pero resuelves esos problemas de inmediato si vuelves a la escala de micrones, ", Dijo Walsworth." Esa sigue siendo la escala de las células individuales, que es mucho más pequeño que cualquier cosa que pueda hacer con los sistemas de RMN convencionales, y sigue siendo de gran interés para los químicos y biólogos ".

La realización de experimentos de RMN NV con muestras a escala micrométrica requería un imán grande que estaba más allá del presupuesto del laboratorio. Así que a Walsworth y sus colegas se les donó un electroimán de 1965 de la Universidad de Columbia, que se organizó con la ayuda de Roger Fu, profesor asistente de ciencias terrestres y planetarias. Pero eso todavía dejó a Walsworth y sus colegas con el desafío de trabajar alrededor de los problemas de resolución inherentes al uso de los centros NV.

"Uno de esos desafíos es que los giros del centro NV, cuales son los que detectan, solo permanece coherente durante aproximadamente un milisegundo, ", dijo." Hace tres años, teníamos una idea para superar ese límite utilizando una técnica que llamamos lectura sincronizada ".

Normalmente, Walsworth dijo:los científicos realizarían una serie de mediciones independientes de RMN, luego promedielos juntos para producir una medición final. Walsworth y colegas, sin embargo, desarrolló una técnica para tomar medidas repetidas activadas por un reloj que estaba sincronizado con la señal de RMN. Al encadenar esas medidas juntas, pudieron medir señales con una resolución mucho más alta que antes.

Luego, el equipo probó el sistema contra tres tipos de moléculas:fosfato de trimetilo, xileno, y formato de etilo, para demostrar que era capaz no solo de detectar señales de RMN, pero de lograr resoluciones espectrales de hasta aproximadamente un hercio, suficiente para observar firmas químicas clave en la escala de micrones por primera vez.

"Pudimos demostrar que el sistema funciona con estas moléculas, cuáles eran los espectros más simples que pudimos encontrar y aún los llamamos complejos, ", Dijo Walsworth." Esto es emocionante ... Hemos resuelto un problema técnico, pero todavía tenemos más trabajo por hacer antes de aplicar esto a los problemas científicos ".

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual relacionada con este proyecto y está explorando oportunidades de comercialización.

Avanzando, Walsworth dijo que planea continuar explorando formas de aumentar la señal de muestras a escala micrométrica con el objetivo de hacer que el sistema sea más rápido (las pruebas descritas en el estudio tardaron hasta 10 horas en obtener datos) y más aplicable a muestras vivas.

Los investigadores también deben centrarse en mejorar la sensibilidad de los centros NV, él dijo, para que puedan detectar señales débiles producidas en muestras en concentraciones débiles.

"Necesitamos aumentar la sensibilidad en varios órdenes de magnitud para hacer todo lo que queremos hacer, ", dijo." Hacer que estos sistemas funcionen a esta pequeña escala es un gran desafío ahora en el campo ".