A antena de loop de microondas próxima ao chip do sensor de diamante aciona as rotações eletrônicas NV (roxo) e TEMPOL (azul). Os sinais de RMN hiperpolarizados dos spins nucleares da amostra (laranja) são detectados pela leitura de fluorescência do conjunto NV do chip de diamante. Foto: Dominik B. Bucher.

A espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) é uma ferramenta amplamente usada para análise química e reconhecimento de estrutura molecular. Como normalmente se baseia nos campos magnéticos fracos produzidos por uma pequena polarização térmica de rotação nuclear, a RMN sofre de baixa sensibilidade em comparação com outras técnicas analíticas. Um aparelho de RMN convencional normalmente usa grandes volumes de amostra de cerca de um mililitro – grande o suficiente para conter cerca de um milhão de células biológicas.

Em um estudo publicado na Physical Review X (PRX), pesquisadores do Quantum Technology Center (QTC) da Universidade de Maryland e colegas relatam uma nova técnica de detecção quântica que permite espectroscopia de RMN de alta resolução em pequenas moléculas em solução diluída em uma amostra de 10 picolitros  – aproximadamente equivalente a uma única célula.

As experiências relatadas no artigo, intituladas “Espectroscopia de RMN com hiperpolarização com sensibilidade ao femtomol usando defeitos quânticos em diamante”, foram realizadas pelo grupo de pesquisa do Prof. Ronald Walsworth, diretor fundador da QTC. Sua descoberta é o próximo passo nos resultados anteriores, nos quais Walsworth e colaboradores desenvolveram um sistema que utiliza defeitos quânticos de vacância de nitrogênio em diamantes para detectar os sinais de RMN produzidos por amostras em escala de picolitros. Neste trabalho passado, os pesquisadores só puderam observar sinais de amostras puras e altamente concentradas.

Para superar essa limitação, Walsworth e colegas combinaram a RMN de diamante quântico com um método de “hiperpolarização” que aumenta a polarização da rotação nuclear da amostra – e, portanto, a força do sinal da RMN – em mais de cem vezes. Os resultados relatados no PRX realizam, pela primeira vez, RMN com sensibilidade molecular do femtomole.

Sobre o impacto da pesquisa, Walsworth diz: “O objetivo do mundo real é permitir a análise química e a ressonância magnética (RM) no nível das células biológicas individuais”. A ressonância magnética é um tipo de exame que pode processar imagens detalhadas de partes do corpo, incluindo o cérebro. “No momento, a ressonância magnética é limitada em sua resolução e só pode visualizar volumes contendo cerca de um milhão de células. Ver células individuais de forma não invasiva com a ressonância magnética (para ajudar a diagnosticar doenças e responder a perguntas básicas em biologia) é um dos objetivos a longo prazo. pesquisa quântica”, diz Walsworth.

O artigo da pesquisa “Espectroscopia de RMN com hiperpolarização com sensibilidade femtomolar usando defeitos quânticos em diamante”, Dominik B. Bucher, David R. Glenn, Hongkun Park, Mikhail D. Lukin e Ronald L. Walsworth, aparece na edição de junho de 2020 da revista Physical Review X.

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