Un imageur de résonance magnétique miniature en diamant

Les capteurs quantiques rendent possible la spectroscopie RMN à micro-échelle

23.10.2023

Le professeur Dominik Bucher utilise des défauts dans le diamant (centres NV) comme capteurs quantiques pour la spectroscopie RMN à l'échelle nanométrique et microscopique. Son groupe de recherche travaille à l'interface unique entre la détection quantique et la (bio)chimie avec des approches interdisciplinaires de la physique quantique appliquée, de la synthèse chimique et de la biophysique. L'objectif principal est de réaliser des spectroscopies RMN à des échelles de longueur très réduites - de la nanoscience et de la science des surfaces à la microfluidique et à la biologie unicellulaire.

Andreas Heddergott / TUM

Le développement des tumeurs commence par de minuscules changements dans les cellules du corps ; la diffusion des ions aux plus petites échelles est décisive pour la performance des batteries. Jusqu'à présent, la résolution des méthodes d'imagerie conventionnelles n'était pas assez élevée pour représenter ces processus en détail. Une équipe de recherche dirigée par l'université technique de Munich (TUM) a mis au point des capteurs quantiques en diamant qui peuvent être utilisés pour améliorer la résolution de l'imagerie magnétique.

La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une méthode d'imagerie importante en recherche, qui permet de visualiser les tissus et les structures sans les endommager. Cette technique est mieux connue dans le domaine médical sous le nom d'imagerie par résonance magnétique (IRM), où le patient est placé dans l'alésage d'un grand aimant sur une table. L'appareil d'IRM crée un champ magnétique très puissant qui interagit avec les minuscules champs magnétiques des noyaux d'hydrogène dans le corps. Comme les atomes d'hydrogène sont répartis d'une manière particulière dans les différents types de tissus, il devient possible de différencier les organes, les articulations, les muscles et les vaisseaux sanguins.

Les méthodes de RMN peuvent également être utilisées pour visualiser la diffusion de l'eau et d'autres éléments. La recherche, par exemple, consiste souvent à observer le comportement du carbone ou du lithium afin d'explorer les structures des enzymes ou les processus dans les batteries. "Les méthodes RMN existantes donnent de bons résultats, par exemple lorsqu'il s'agit de reconnaître des processus anormaux dans les colonies cellulaires", explique Dominik Bucher, professeur de détection quantique à la TUM. "Mais nous avons besoin de nouvelles approches si nous voulons expliquer ce qui se passe dans les microstructures à l'intérieur des cellules individuelles.

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Des capteurs en diamant

L'équipe de recherche a produit un capteur quantique en diamant synthétique à cette fin. "Peter Knittel, de l'Institut Fraunhofer de physique appliquée à l'état solide (IAF), explique : "Nous enrichissons la couche de diamant, que nous fournissons pour la nouvelle méthode RMN, avec des atomes d'azote et de carbone spéciaux dès la phase de croissance.

Après la croissance, l'irradiation électronique détache des atomes de carbone individuels du réseau cristallin parfait du diamant. Les défauts qui en résultent se placent à côté des atomes d'azote - un centre de vacance de l'azote a été créé. De tels vides possèdent des propriétés mécaniques quantiques particulières, nécessaires à la détection. "Notre traitement du matériau optimise la durée des états quantiques, ce qui permet aux capteurs de mesurer plus longtemps", ajoute M. Knittel.

Les capteurs quantiques passent le premier test

L'état quantique des centres de vacance de l'azote interagit avec les champs magnétiques. "Le signal IRM de l'échantillon est alors converti en un signal optique que nous pouvons détecter avec un haut degré de résolution spatiale", explique M. Bucher.

Afin de tester la méthode, les scientifiques de la TUM ont placé une micropuce avec des canaux microscopiques remplis d'eau sur le capteur quantique en diamant. "Cela nous permet de simuler les microstructures d'une cellule", explique M. Bucher. Les chercheurs ont pu analyser avec succès la diffusion des molécules d'eau dans la microstructure.

Dans une prochaine étape, les chercheurs souhaitent développer davantage la méthode pour permettre l'étude des microstructures dans des cellules vivantes uniques, des coupes de tissus ou la mobilité ionique de matériaux en couches minces pour des applications de batteries. "La capacité des techniques de RMN et d'IRM à détecter directement la mobilité des atomes et des molécules les rend absolument uniques par rapport aux autres méthodes d'imagerie", explique le professeur Maxim Zaitsev de l'université de Fribourg. Maxim Zaitsev de l'université de Fribourg. "Nous avons maintenant trouvé un moyen d'améliorer considérablement leur résolution spatiale, qui est souvent jugée insuffisante à l'heure actuelle".

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

Publication originale

Fleming Bruckmaier, Robin D. Allert, Nick R. Neuling, Philipp Amrein, Sebastian Littin, Karl D. Briegel, Philip Schätzle, Peter Knittel, Maxim Zaitsev, Dominik B. Bucher; "Imaging local diffusion in microstructures using NV-based pulsed field gradient NMR"; Science Advances, Volume 9

https://www.bionity.com/fr/news/1181842/un-imageur-de-resonance-magnetique-miniature-en-diamant.html