La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) es una herramienta ampliamente utilizada para el análisis químico y el reconocimiento de estructuras moleculares. Debido a que generalmente se basa en los campos magnéticos débiles producidos por una pequeña polarización de espín nuclear térmico, La RMN tiene poca sensibilidad en comparación con otras técnicas analíticas. Un aparato de RMN convencional normalmente utiliza grandes volúmenes de muestra de aproximadamente un mililitro, lo suficientemente grandes como para contener alrededor de un millón de células biológicas.

En un estudio publicado en Revisión física X (PRX), Investigadores del Centro de Tecnología Cuántica (QTC) de la Universidad de Maryland y sus colegas informan sobre una nueva técnica de detección cuántica que permite la espectroscopia de RMN de alta resolución en moléculas pequeñas en solución diluida en un volumen de muestra de 10 picolitros, aproximadamente equivalente a una sola célula.

Los experimentos informados en el documento, titulado "Espectroscopía de RMN mejorada por hiperpolarización con sensibilidad femtomole utilizando defectos cuánticos en diamante, "fueron realizadas por el grupo de investigación del Prof. Ronald Walsworth, Director Fundador de QTC. Su hallazgo es el siguiente paso en resultados anteriores, en el que Walsworth y colaboradores desarrollaron un sistema que utiliza defectos cuánticos de vacancia de nitrógeno en diamantes para detectar las señales de RMN producidas por muestras a escala de picolitro. En este trabajo pasado, los investigadores solo pudieron observar señales de pura, muestras muy concentradas.

Para superar esta limitación, Walsworth y sus colegas combinaron la RMN de diamante cuántico con un método de "hiperpolarización" que aumenta la polarización del espín nuclear de la muestra y, por lo tanto, la intensidad de la señal de RMN en más de cien veces. Los resultados reportados en PRX se dan cuenta, por primera vez, RMN con sensibilidad molecular femtomole.

Sobre el impacto de la investigación, Walsworth dice:"El objetivo del mundo real es permitir el análisis químico y la obtención de imágenes por resonancia magnética (IRM) a nivel de células biológicas individuales". La resonancia magnética es un tipo de exploración que puede procesar imágenes detalladas de partes del cuerpo, incluido el cerebro. "Ahora, La resonancia magnética tiene una resolución limitada, y solo puede generar imágenes de volúmenes que contengan alrededor de un millón de células. Ver células individuales de forma no invasiva con resonancia magnética (para ayudar a diagnosticar enfermedades y responder preguntas básicas en biología) es uno de los objetivos a largo plazo de la investigación de la detección cuántica. "dice Walsworth.

El trabajo de investigación, "Espectroscopia de RMN mejorada por hiperpolarización con sensibilidad femtomole utilizando defectos cuánticos en el diamante, "Dominik B. Bucher, David R. Glenn, Parque Hongkun, Mikhail D. Lukin, y Ronald L. Walsworth, aparece en la edición de junio de 2020 de la revista Revisión física X .