Un generador de imágenes por resonancia magnética en miniatura fabricado con diamante
Los sensores cuánticos hacen posible la espectroscopia de RMN a microescala
El desarrollo de tumores comienza con cambios minúsculos dentro de las células del organismo; la difusión de iones a las escalas más pequeñas es decisiva en el funcionamiento de las pilas. Hasta ahora, la resolución de los métodos convencionales de obtención de imágenes no era lo suficientemente alta como para representar estos procesos en detalle. Un equipo de investigación dirigido por la Universidad Técnica de Múnich (TUM) ha desarrollado sensores cuánticos de diamante que pueden utilizarse para mejorar la resolución de las imágenes magnéticas.
La resonancia magnética nuclear (RMN) es un importante método de obtención de imágenes en investigación que permite visualizar tejidos y estructuras sin dañarlos. La técnica es más conocida en el campo de la medicina como Resonancia Magnética (RM), en la que el paciente es trasladado al interior de un gran imán situado sobre una mesa. El dispositivo de IRM crea un campo magnético muy intenso que interactúa con los diminutos campos magnéticos de los núcleos de hidrógeno del cuerpo. Dado que los átomos de hidrógeno se distribuyen de forma particular entre los distintos tipos de tejidos, es posible diferenciar órganos, articulaciones, músculos y vasos sanguíneos.
Los métodos de RMN también pueden utilizarse para visualizar la difusión del agua y otros elementos. La investigación, por ejemplo, suele consistir en observar el comportamiento del carbono o el litio para explorar las estructuras de las enzimas o los procesos en las baterías. "Los métodos de RMN existentes proporcionan buenos resultados, por ejemplo cuando se trata de reconocer procesos anómalos en colonias celulares", afirma Dominik Bucher, catedrático de Sensores Cuánticos de la TUM. "Pero necesitamos nuevos enfoques si queremos explicar lo que ocurre en las microestructuras dentro de las células individuales".
Sensores de diamante
Para ello, el equipo de investigación fabricó un sensor cuántico hecho de diamante sintético. "Enriquecemos la capa de diamante, que proporcionamos para el nuevo método de RMN, con átomos especiales de nitrógeno y carbono ya durante el crecimiento", explica el Dr. Peter Knittel, del Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido (IAF).
Tras el crecimiento, la irradiación de electrones desprende átomos de carbono individuales de la red cristalina perfecta del diamante. Los defectos resultantes se disponen junto a los átomos de nitrógeno, creando un centro de vacantes de nitrógeno. Estas vacantes tienen propiedades mecánicas cuánticas especiales, necesarias para la detección. "Nuestro procesamiento del material optimiza la duración de los estados cuánticos, lo que permite a los sensores medir durante más tiempo", añade Knittel.
Los sensores cuánticos superan la primera prueba
El estado cuántico de los centros de vacantes de nitrógeno interactúa con los campos magnéticos. "La señal de resonancia magnética de la muestra se convierte entonces en una señal óptica que podemos detectar con un alto grado de resolución espacial", explica Bucher.
Para probar el método, los científicos de la TUM colocaron un microchip con canales microscópicos llenos de agua sobre el sensor cuántico de diamante. "Esto nos permite simular las microestructuras de una célula", explica Bucher. Los investigadores pudieron analizar con éxito la difusión de moléculas de agua dentro de la microestructura.
En el siguiente paso, los investigadores quieren desarrollar aún más el método para permitir la investigación de microestructuras en células vivas individuales, secciones de tejido o la movilidad iónica de materiales de película delgada para aplicaciones de baterías. "La capacidad de las técnicas de RMN y RMN para detectar directamente la movilidad de átomos y moléculas las hace absolutamente únicas en comparación con otros métodos de imagen", afirma el profesor Maxim Zaitsev, de la Universidad de Friburgo. "Ahora hemos encontrado la manera de que su resolución espacial, que en la actualidad suele considerarse insuficiente, pueda mejorarse significativamente en el futuro".
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