MRI获得纳米级升级

我们在医院很熟悉的传统MRI扫描分辨率约为十分之一毫米，这使它们能够从头到脚对我们身体的极薄切片进行成像，帮助医生诊断各种疾病。然而，即使是这种超高分辨率，对于想要研究单个分子结构的研究人员来说也是不够的。

魏茨曼科学研究所Amit Finkler博士实验室开发的新技术使研究人员能够以1纳米（百万分之一毫米或十亿分之一米）或更高的分辨率进行MRI扫描。

最近在《通信物理》杂志上描述的新型纳米MRI设备可能使区分构成单个分子的所有微小粒子成为可能，从而生成有史以来最详细的单个分子图像。它代表着在开发用于研究和材料及制药行业的纳米MRI应用的竞赛中取得了巨大的飞跃。

MRI基于原子内基本粒子的自旋特性。这是一种磁性，可以看作是围绕一个轴的旋转，类似于陀螺，其特征是频率——每秒“旋转”的次数——称为共振频率。这个共振频率是MRI设备测量的。这取决于被测粒子的类型和周围磁场的强度。

在传统MRI中，沿患者身体强度变化的梯度磁场也会导致共振频率变化，从而使机器能够区分组织切片。更陡的梯度允许更薄的切片。魏茨曼研究人员提出的问题是：梯度磁场也可以用来区分单个分子内的单个粒子吗？

芬克勒化学和生物物理系实验室的科学家们已经开发出一种基于人造金刚石的磁共振扫描方法。钻石内部有一个单原子大小的微小缺陷，称为氮空位中心。这种缺陷就像一个传感器，根据相邻粒子的自旋改变它发出的红光的强度。

氮空位中心的优点是，它对即使是最微弱的信号也非常敏感，例如，50纳米外的单个粒子的存在。然而，问题在于，它并不总是能有效地区分相邻粒子，它发出的光受到所有附近粒子的平均特性的影响。这意味着很难使用这种传感器对构成分子的单个原子进行成像。

在博士生Leora Schein-Lubomirsky领导的新研究中，研究人员开发了一种机器，可以产生围绕原子磁传感器的梯度磁场。这台机器基于一个涂有方拱形金导体的石英尖端。当电流流过电线时，它会产生梯度磁场；磁场的变化在矩形的角落附近最强，在更远的地方逐渐减弱。Schein-Lubomirsky解释说：“磁场的变化导致原子的共振频率发生变化，这取决于它们在分子中的位置。”。“以前，传感器无法区分附近的几个氢原子并确定它们的位置，但现在，在每个区域内，氢粒子将表现出不同的共振频率。然后，我们将能够将显示这些不同位置的图像组装成分子的完整图像。”

与依赖Phys.org获取日常见解的100000多名订阅者一起探索最新的科学、技术和太空。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展。

“导致新发展的认识是，即使磁场的绝对大小保持很小，我们也可以产生非常强的磁场梯度，”Finkler解释道。“尽管我们的磁场比商用MRI机器的磁场小得多，但它的梯度——磁场随距离设备的距离而变化的速率——要大得多。

”这就是我们获得1纳米分辨率的方法，我们相信我们的设备能够达到更高的分辨率——这意味着它能够扫描单个分子的结构。“

新设备也是对以前钻石传感器系统的改进，因为它可以根据需要激活和停用磁场，而且只需0.6百万分之一秒。这是因为磁场不是由磁铁产生的，而是通过可以打开或关闭的电流产生的。”快速激活和停用电场的能力确保了干扰更少，扫描更准确，“Finkler补充道。

高分辨率分子成像在材料和制药行业中起着至关重要的作用。如今，每种制造的药物都要经过磁共振测试，以确保它只含有所需物质的正确分子结构和排列，对人类使用是安全的。

然而，目前的方法需要大量的样品，这可能很难获得，特别是在早期开发阶段。此外，这些测试不能在室温下进行，而且它们的分辨率仍然有限。“我们提出的纳米MRI机器可以在室温下运行，并在应该使用的条件下检查材料的结构，”Finkler说。r强调。

“该机器还将产生分子结构的更详细图像，并使测试仅包含少量材料分子的小而便宜的样品成为可能。此外，该设备可以帮助揭示为什么与实验室测试结果相比，物质在现实世界中有时会表现得出乎意料，以及看似相同的物质之间是否存在未知的差异。p