Elmastan Yapılmış Manyetik Rezonans (MR) Görüntüleyici
Fotoğraf: Prof. Dominik Bucher, nano-mikro ölçekte NMR spektroskopisi için kuantum sensörleri olarak elmastaki kusurları (NV merkezleri) kullanıyor. Araştırma grubu, uygulamalı kuantum fiziği, kimyasal sentez ve biyofizikten disiplinler arası yaklaşımlarla kuantum algılama ve (biyo)kimya arasındaki benzersiz arayüz üzerinde çalışıyor. Asıl amaç, nano ve yüzey biliminden mikroakışkanlara ve tek hücre biyolojisine kadar en küçük uzunluk ölçeklerinde NMR spektroskopisi gerçekleştirmektir.
Tümörlerin gelişimi vücut hücrelerindeki küçük değişikliklerle başlar; en küçük ölçeklerdeki iyon difüzyonu pillerin performansında belirleyicidir. Şimdiye kadar geleneksel görüntüleme yöntemlerinin çözünürlüğü bu süreçleri ayrıntılı olarak temsil edecek kadar yüksek değildi. Münih Teknik Üniversitesi (TUM) liderliğindeki bir araştırma ekibi, manyetik görüntülemede çözünürlüğü artırmak için kullanılabilecek elmas kuantum sensörleri geliştirdi.
Nükleer manyetik rezonans (NMR), doku ve yapıların zarar görmeden görüntülenmesi araştırmalarında kullanılabilecek, önemli bir görüntüleme yöntemidir. Bu teknik, tıp alanında, hastanın masa üzerindeki büyük bir mıknatısın silindir bölmesine yerleştirildiği Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRG) olarak daha iyi bilinmektedir. MR cihazı, vücuttaki hidrojen çekirdeklerinin minik manyetik alanlarıyla etkileşime giren çok güçlü bir manyetik alan oluşturur. Hidrojen atomları farklı doku türleri arasında belirli bir şekilde dağıldığı için organları, eklemleri, kasları ve kan damarlarını ayırt etmek mümkün hale gelir.
NMR yöntemleri aynı zamanda su ve diğer elementlerin difüzyonunu görselleştirmek için de kullanılabilir. Örneğin araştırmalar genellikle pillerdeki enzimlerin veya süreçlerin yapılarını keşfetmek için karbon veya lityumun davranışını gözlemlemeyi içerir. TUM’da Kuantum Algılama Profesörü Dominik Bucher, “Mevcut NMR yöntemleri, örneğin hücre kolonilerindeki anormal süreçlerin tanınması söz konusu olduğunda iyi sonuçlar sağlıyor” diyor. “Fakat tek hücrelilerin içindeki mikro yapılarda neler olduğunu açıklamak istiyorsak yeni yaklaşımlara ihtiyacımız var.”
Elmastan Yapılma Sensörler
Araştırma ekibi bu amaçla sentetik elmastan yapılmış bir kuantum sensör üretti. Fraunhofer Uygulamalı Katı Hal Fiziği Enstitüsü’nden (IAF) Dr. Peter Knittel, “Yeni NMR yöntemi için hazırladığımız elmas katmanını, büyüme sırasında özel nitrojen ve karbon atomlarıyla zenginleştiriyoruz.” diye açıklıyor.
Büyümenin ardından elektron ışınlaması, karbon atomlarını tek tek elmasın mükemmel kristal kafesinden ayırır. Ortaya çıkan kusurlar kendilerini nitrojen atomlarının yanında düzenlerler; böylece nitrojen boşluk merkezi adı verilen bir bölge yaratılmıştır. Bu tür boşluklar algılama için gerekli olan özel kuantum mekaniksel özelliklere sahiptir. Knittel, “Malzemeyi işlememiz, kuantum durumlarının süresini optimize ederek sensörlerin daha uzun süre ölçüm yapmasına olanak tanıyor.” diye ekliyor.
Kuantum Sensörleri İlk Testi Geçti
Nitrojen boşluğu merkezlerinin kuantum durumu manyetik alanlarla etkileşime girer. Bucher, “Örnekten gelen MRI sinyali daha sonra yüksek derecede uzaysal çözünürlükle tespit edebileceğimiz bir optik sinyale dönüştürülüyor.” diye açıklıyor.
Yöntemi test etmek için TUM bilim insanları, elmas kuantum sensörüne mikroskobik su dolu kanallara sahip bir mikroçip yerleştirdiler. Bucher, “Bu, bir hücrenin mikro yapılarını simüle etmemizi sağlıyor.” diyor. Araştırmacılar, mikro yapı içindeki su moleküllerinin difüzyonunu başarılı bir şekilde analiz edebildiler.
Bir sonraki adımda araştırmacılar, tek hücreli canlılardaki mikro yapıların, doku kesitlerinin veya pil uygulamaları için ince film malzemelerinin iyon hareketliliğinin incelenmesini mümkün kılacak yöntemi daha da geliştirmek istiyorlar. Freiburg Üniversitesi’nden Prof. Maxim Zaitsev, “NMR ve MRI tekniklerinin atomların ve moleküllerin hareketliliğini doğrudan tespit etme yeteneği, onları diğer görüntüleme yöntemleriyle karşılaştırıldığında kesinlikle benzersiz kılıyor.” diyor. “Şu anda genellikle yetersiz kabul edilen uzaysal çözünürlüklerinin gelecekte nasıl önemli ölçüde iyileştirilebileceğinin bir yolunu bulduk.”
Kaynak: chemeurope.com
