В исследовании, проведенном Александром Пайнсом, старшим научным сотрудником Отделения материаловедения лаборатории Беркли и профессором химии Гленна Т. Сиборга из Калифорнийского университета в Беркли, исследователи зарегистрировали первую объемную гиперполяризацию ядер углерода-13 в алмазе при комнатной температуре на месте при произвольной магнитные поля и ориентации кристаллов. Сигнал гиперполяризованных спинов углерода-13 показал увеличение чувствительности сигнала ЯМР / МРТ на много порядков по сравнению с тем, что обычно возможно с обычными магнитами ЯМР / МРТ при комнатной температуре. Более того, эта гиперполяризация была достигнута с помощью микроволн, вместо того, чтобы полагаться на точные магнитные поля для передачи гиперполяризации.Пайнс — автор статьи в Nature Communications, в которой описывается это исследование.
Статья называется «Гиперполяризация спина ядра in situ при комнатной температуре из центров вакансий азота в алмазе с оптической накачкой».Джонатан Кинг, член исследовательской группы Пайнса, является ведущим автором. Другими соавторами являются Кынхонг Чжон, Христофорос Василиу, Чанг Шин, Ральф Пейдж, Клаудиа Авалос и Хай-Цзин Ван.Авторы сообщают о наблюдении объемной шестипроцентной поляризации ядерных спинов, что является усилением сигнала ЯМР примерно в 170 000 раз по сравнению с тепловым равновесием.
Сигнал гиперполяризованных спинов был обнаружен in situ с помощью стандартного ЯМР-зонда без необходимости перемещения образца или точной ориентации кристаллов. Авторы считают, что этот новый метод гиперполяризации должен позволить на несколько порядков повысить чувствительность для ЯМР-исследований твердых тел и жидкостей в условиях окружающей среды.
"Наши результаты в этом исследовании представляют собой усиление сигнала ЯМР, эквивалентное тому, что было достигнуто в новаторских экспериментах Люцио Фридмана и его коллег из Научного института Вейцмана, но с использованием индуцированной микроволновым излучением динамической ядерной гиперполяризации в алмазах без необходимости точного контроля магнитного поля. и выравнивание кристаллов ", — говорит Пайнс. «Гиперполяризованные при комнатной температуре алмазы открывают возможность переноса поляризации ЯМР / МРТ на произвольные образцы из инертного, нетоксичного и легко разделяемого источника, что является долгожданной целью современных технологий ЯМР / МРТ».Сочетание химической специфичности и неразрушающего характера сделало ЯМР и МРТ незаменимыми технологиями для широкого спектра областей, включая химию, материалы, биологию и медицину. Однако вопросы чувствительности остаются постоянной проблемой.
Сигналы ЯМР / МРТ основаны на внутреннем квантовом свойстве электронов и атомных ядер, называемом «спином». Электроны и ядра могут действовать как крошечные стержневые магниты со спином, которому приписано направленное состояние «вверх» или «вниз».
Сигналы ЯМР / МРТ зависят от того, что большинство ядерных спинов поляризованы в одном направлении — чем больше поляризация, тем сильнее сигнал. За несколько десятилетий Пайнс и члены его исследовательской группы разработали множество способов гиперполяризации спинов атомных ядер. В последние два года они сосредоточили свое внимание на кристаллах алмаза и примеси, называемой азотно-вакансионным (NV) центром, в которой связаны оптические и спиновые степени свободы.«NV-центр создается, когда два соседних атома углерода в решетке чистого кристалла алмаза удаляются из решетки, оставляя два промежутка, один из которых заполнен атомом азота, а один остается свободным», — объясняет Пайнс. «Это оставляет несвязанные электроны в центре между атомом азота и вакансией, что дает начало уникальным и четко определенным состояниям спиновой поляризации электронов».
В более ранних исследованиях Пайнс и его группа продемонстрировали, что слабое магнитное поле может быть использовано для передачи поляризации спина электронов NV-центра на близлежащие ядра углерода-13, что приводит к гиперполяризованным ядрам. Этот процесс переноса спина, называемый динамической ядерной поляризацией, раньше использовался для усиления сигналов ЯМР, но всегда в присутствии сильных магнитных полей и криогенных температур. Пайнс и его группа устранили эти требования, поместив постоянный магнит рядом с алмазом.«В нашем новом исследовании мы используем микроволны для согласования энергии между электронами и ядрами углерода-13, а не магнитное поле, что снимает некоторые сложные ограничения на силу и ориентацию магнитного поля и делает нашу технику более простой в использовании, — говорит Кинг. «Кроме того, в наших предыдущих исследованиях мы косвенно сделали вывод о наличии ядерной поляризации посредством оптических измерений, потому что мы не могли проверить, был ли объемный образец поляризован или это были только ядра, которые находились очень близко к NV-центрам.
Устраняя необходимость даже при слабом магнитном поле теперь мы можем проводить прямые измерения объемного образца с помощью ЯМР ».В своей статье Nature Communications Пайнс, Кинг и другие соавторы говорят, что гиперполяризованные алмазы, которые можно эффективно интегрировать в существующие технологии производства для создания алмазных устройств с большой площадью поверхности, должны обеспечить общую платформу для передачи поляризации.
«Мы предполагаем сильно улучшенный ЯМР жидкостей и твердых тел с использованием существующих методов передачи поляризации, таких как кросс-поляризация в твердых телах и кросс-релаксация в жидкостях, или прямая динамическая ядерная поляризация на внешние ядра из NV-центров», — говорит Кинг, отмечая, что такой перенос Поляризация к твердой поверхности и жидкостям ранее была продемонстрирована группой Pines с использованием поляризованного лазером Xe-129. «Наша методика гиперполяризации, основанная на оптически поляризованных NV-центрах, намного более надежна и эффективна и должна быть применима к произвольным целевым молекулам, включая биологические системы, которые должны поддерживаться в условиях, близких к окружающим».