Notícia

Sensores quânticos de diamante podem ser usados para melhorar a resolução em imagens de ressonância magnética

Fonte

TUM | Universidade Técnica de Munique

Data

quinta-feira, 26 outubro 2023 13:20

Áreas

Biologia. Diagnóstico. Física Médica. Imagens Médicas. Microbiologia. Oncologia. Ressonância Magnética.

O desenvolvimento de tumores começa com alterações minúsculas nas células do corpo. Até agora a resolução dos métodos de imagem convencionais não foi suficientemente alta para representar estes processos em detalhe.

A Ressonância Magnética Nuclear (RMN) é um método de imagem importante em pesquisa que pode ser usado para visualizar tecidos e estruturas sem danificá-los. A técnica é mais conhecida na área médica como Imagem por Ressonância Magnética (MRI), onde o paciente é movido para dentro de um grande ímã sobre uma mesa. O dispositivo de ressonância magnética cria um campo magnético muito forte que interage com os minúsculos campos magnéticos dos núcleos de hidrogênio do corpo. Como os átomos de hidrogênio estão distribuídos de maneira particular entre os diferentes tipos de tecidos, torna-se possível diferenciar órgãos, articulações, músculos e vasos sanguíneos.

Os métodos de RMN também podem ser usados para visualizar a difusão de água e outros elementos e podem envolver frequentemente a observação do comportamento do carbono, a fim de explorar as estruturas de enzimas, por exemplo. “Os métodos de RMN existentes fornecem bons resultados, por exemplo, quando se trata de reconhecer processos anormais em colônias celulares”, disse o Dr. Dominik Bucher, professor de Sensores Quânticos na Universidade Técnica de Munique (TUM), na Alemanha. “Mas precisamos de novas abordagens se quisermos explicar o que acontece nas microestruturas dentro das células individuais”, continuou o professor.

Sensores feitos de diamante

Uma equipe de pesquisadores da TUM, da Universidade de Freiburg e do Instituto Fraunhofer de Física do Estado Sólido Aplicada (Fraunhofer IAF), na Alemanha, produziu um sensor quântico feito de diamante sintético para esse fim. “Enriquecemos a camada de diamante, que fornecemos para o novo método de RMN, com átomos especiais de nitrogênio e carbono já durante o crescimento”, explicou o Dr. Peter Knittel, do Fraunhofer IAF.

Após o crescimento, a irradiação de elétrons separa átomos de carbono individuais da estrutura cristalina perfeita do diamante. Os defeitos resultantes se organizam próximos aos átomos de nitrogênio – foi criado o chamado centro de vacância de nitrogênio. Essas vacâncias têm propriedades mecânicas quânticas especiais necessárias para a detecção. “Nosso processamento do material otimiza a duração dos estados quânticos, o que permite que os sensores façam medições por mais tempo”, acrescentou o Dr. Peter Knittel.

Sensores quânticos passam no primeiro teste

O estado quântico dos centros de vacância de nitrogênio interage com os campos magnéticos. “O sinal de ressonância magnética da amostra é então convertido em um sinal óptico que podemos detectar com um alto grau de resolução espacial”, explicou o Dr. Dominik Bucher.

Para testar o método, os cientistas colocaram um microchip com canais microscópicos cheios de água no sensor quântico de diamante. “Isso nos permite simular microestruturas de uma célula”, disse o Dr. Bucher. Os pesquisadores conseguiram analisar com sucesso a difusão das moléculas de água dentro da microestrutura.

Na próxima etapa, os pesquisadores querem desenvolver ainda mais o método para permitir a investigação de microestruturas em células vivas individuais, seções de tecido ou a mobilidade iônica de materiais de película fina. “A capacidade das técnicas de ressonância magnética de detectar diretamente a mobilidade de átomos e moléculas torna-as absolutamente únicas em comparação com outros métodos de imagem”, disse o Dr. Maxim Zaitsev, professor da Universidade de Freiburg. “Agora encontramos uma maneira de melhorar significativamente a resolução espacial no futuro, que atualmente é muitas vezes considerada insuficiente”.

Os resultados foram publicados na revista científica Science Advances.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade Técnica de Munique.

Fonte: Stefanie Reiffert, TUM. Imagem: o professor Dominik Bucher usa defeitos em diamante (centros NV) como sensores quânticos para espectroscopia de RMN em nanoescala a microescala. Fonte: Andreas Heddergott, TUM.

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