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La investigación prometedora podría conducir a nuevas estrategias en NMR y MRI usando diamantes y láseres
Foto superior: Dos micrografías SEM de micropartículas de diamante empleadas en la investigación. Las partículas tienen distribuciones de tamaño uniformes y se caracterizan por su forma octaédrica truncada inusual establecida por el tamaño de crecimiento de las partículas.
Los defectos en la red de diamantes producen algo más que una hermosa coloración. Un nuevo enfoque desarrollado por investigadores de la Facultad de Química de UC Berkeley muestra una gran promesa para mejorar la señal de imágenes de resonancia magnética (IRM) y resonancia magnética nuclear (RMN) utilizando láseres sin imanes costosos.
En una investigación recientemente publicada en la revista Science Advances, el investigador principal Ashok Ajoy, un becario postdoctoral en UC Berkeley y un equipo de investigación internacional, han anunciado el desarrollo de una nueva tecnología que tiene el potencial de reducir el costo multimillonario de las imágenes médicas. y dispositivos de espectroscopia. La investigación se llevó a cabo en el laboratorio del profesor Alexander Pines, profesor emérito de Glenn T. Seaborg Chancellor, y en estrecha colaboración con el profesor Jeffery Reimer, profesor distinguido de Ingeniería Química de The Warren y Katharine Schlinger.
Alex Pines dijo sobre la investigación: "Lo que han logrado Ashok con su equipo y sus colaboradores Carlos Meriles y Jeff Reimer es asombroso. En un polvo de nanocristales de diamante consiguieron una hiperpolarización casi tres órdenes de magnitud superior a la térmica, mediante bombeo óptico junto con un novedoso método de microondas DNP por barridos múltiples”.
La nueva técnica aprovecha diminutos cristalitos de diamante para obtener ganancias de señal en MRI y NMR mediante luz en lugar de imanes. En particular, el diamante consta de defectos microscópicos dentro de la estructura cristalina con la notable propiedad de poseer espines de electrones que pueden alinearse ópticamente mediante una modesta aplicación de luz láser. Esta alineación, denominada polarización, es lo que tradicionalmente hace un imán en la resonancia magnética; en cambio, aquí el papel lo juega el láser. Esta alineación de espín inducida ópticamente se puede transferir a los núcleos circundantes, por ejemplo, núcleos de 13C en el diamante para "hiperpolarizarlos", es decir, proporcionar señales de RMN que son órdenes de magnitud más grandes de lo posible incluso con imanes superconductores del tamaño de una habitación.
El miembro de la facultad de física y astronomía de Dartmouth, Chandrasekhar Ramanathan, dijo sobre la investigación: "La versatilidad de la espectroscopia y las imágenes de RMN demuestran su notable capacidad para sondear entornos físicos y químicos locales a escala atómica. Sin embargo, su baja sensibilidad sigue siendo un inconveniente. Si bien se han realizado múltiples esfuerzos Para superar esta limitación, la capacidad de hiperpolarizar giros nucleares a temperatura ambiente en una amplia gama de materiales sigue siendo un santo grial en RMN.Este trabajo demuestra una nueva forma de lograr una gran hiperpolarización de giros de carbono-13 en polvos de diamante por primera vez. tiempo."
La resonancia magnética de hoy examina el cuerpo "corte por corte" para obtener imágenes médicas, así como su equivalente espectroscópico de resonancia magnética nuclear (RMN) en la industria farmacéutica. El espectro, que actúa como una huella digital química única, identifica de forma única las moléculas además de las similares que sufren de baja sensibilidad. La señal permanece proporcional a la cantidad de espín nuclear que se sitúa en la misma dirección entre sí. Por ejemplo, los núcleos de hidrógeno en el agua son el objetivo de las imágenes clínicas. Incluso aumentos modestos en las señales pueden presentar desafíos tecnológicos abrumadores, que a menudo requieren el uso de imanes superconductores del tamaño de una habitación grande que son costosos de configurar y difíciles de mantener. Esta investigación muestra que podría haber caminos alternativos para resolver este problema que no requieren imanes.
Una clave para esta empresa es la capacidad de trabajar con diamantes en forma de polvo. Una tiza como el polvo de diamante, que consta de partículas micro o nanocristalinas, se hiperpolariza mediante la introducción de luz láser. Cuanto más pequeño es el tamaño de las partículas de diamante polarizado, aumenta el área de superficie que puede entrar en contacto con un líquido, que a su vez puede hiperpolarizarse. "Los nanodiamantes hiperpolarizados ópticos han sido un problema abierto excepcional en nuestro campo", afirmó Ajoy. "Se percibió que los desafíos técnicos derivados de las orientaciones de los diferentes cristalitos en un polvo aleatorio eran extremadamente difíciles de superar".
"La solución resultó ser notablemente simple", continúa Ajoy, "e involucró el uso de un campo modesto, aproximadamente la fuerza de un imán de refrigerador y excitación láser de baja potencia para configurar la hiperpolarización". El avance experimental demostró que el polvo de diamante hiperpolarizado no solo era muy fácil de lograr, sino también asombrosamente eficiente. Por lo tanto, el equipo encontró un mecanismo de polarización "completamente nuevo" en parte porque probaron un régimen de campos magnéticos ultrabajos que anteriormente se había considerado poco interesante.
Foto de arriba, panel izquierdo: Ashok Ajoy y Alex Pines. Panel derecho: Desde la izquierda: Ashok Ajoy, Xudong Lv, John A. Fyson, Kristina Liu, Emanuel Druga, Raffi Nazaryan y Sanum Patel.
Una clave del descubrimiento fue la estrecha colaboración del grupo Pines con el taller de máquinas de la Facultad de Química. Emanuel Druga, un electricista del taller, desempeñó un papel crucial en el diseño de varias herramientas experimentales que ayudaron a depurar y comparar el mecanismo de polarización. "Druga lideró el desarrollo de un dispositivo de ciclo de campo que demostró ser el paso más importante necesario para observar la primera hiperpolarización en polvos de diamante", dijo Ajoy.
El equipo de Berkeley también contó con la participación de estudiantes universitarios de la Facultad de Química. Dos estudiantes en particular, Kristina Liu y Raffi Nazaryan (ganador del Premio Saegebarth de la Facultad de Química de 2017) desempeñaron un papel importante en el estudio y figuran como autores contribuyentes en el artículo publicado.
"Este fue un esfuerzo de varias personas", señaló Nazaryan. "Se trataba de un gran equipo que trabajaba en múltiples disciplinas. Una vez que superamos los límites iniciales y abordamos todos los desafíos técnicos, nos recibió una gran sorpresa. Estamos en la cúspide de una aventura emocionante. Nuestro descubrimiento nos ha llevado más cerca de los líquidos polarizados y ayudará a impulsar el próximo desafío de investigación".
Colegas del City College de Nueva York, la Universidad de Pekín en China y la Technische Universität de Dortmund también contribuyeron a la investigación.
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