A espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR) é uma ferramenta amplamente usada para análise química e reconhecimento de estrutura molecular. Porque normalmente depende de campos magnéticos fracos produzidos por uma pequena polarização de spin nuclear térmico, NMR sofre de baixa sensibilidade em comparação com outras técnicas analíticas. Um aparelho de RMN convencional normalmente usa grandes volumes de amostra de cerca de um mililitro - grande o suficiente para conter cerca de um milhão de células biológicas.

Em um estudo publicado em Revisão Física X (PRX), pesquisadores do Quantum Technology Center (QTC) da Universidade de Maryland e colegas relatam uma nova técnica de detecção quântica que permite espectroscopia de RMN de alta resolução em pequenas moléculas em solução diluída em um volume de amostra de 10 picolitros - aproximadamente equivalente a uma única célula.

Os experimentos relatados no jornal, intitulado "Hyperpolarization-Enhanced NMR Spectroscopy with Femtomole Sensitivity Using Quantum Defects in Diamond, "foram realizadas pelo grupo de pesquisa do Prof. Ronald Walsworth, Diretor Fundador do QTC. Sua descoberta é a próxima etapa nos resultados anteriores, em que Walsworth e colaboradores desenvolveram um sistema que utiliza defeitos quânticos de vacância de nitrogênio em diamantes para detectar os sinais de NMR produzidos por amostras em escala de picolitros. Neste trabalho anterior, os pesquisadores só puderam observar sinais puros, amostras altamente concentradas.

Para superar essa limitação, Walsworth e colegas combinaram NMR de diamante quântico com um método de "hiperpolarização" que aumenta a polarização do spin nuclear da amostra - e, portanto, a força do sinal de NMR - em mais de cem vezes. Os resultados relatados no PRX percebem, pela primeira vez, NMR com sensibilidade molecular de femtomole.

Sobre o impacto da pesquisa, Walsworth diz, "O objetivo do mundo real é permitir a análise química e a imagem por ressonância magnética (MRI) no nível de células biológicas individuais." A ressonância magnética é um tipo de varredura que pode processar imagens detalhadas de partes do corpo, incluindo o cérebro. "Agora mesmo, A ressonância magnética é limitada em sua resolução, e só consegue criar imagens de volumes contendo cerca de um milhão de células. Ver células individuais de forma não invasiva com ressonância magnética (para ajudar a diagnosticar doenças e responder a perguntas básicas em biologia) é um dos objetivos de longo prazo da pesquisa de sensoriamento quântico, "diz Walsworth.

O artigo de pesquisa, "Espectroscopia NMR aprimorada por hiperpolarização com sensibilidade de femtomole usando defeitos quânticos em diamante, "Dominik B. Bucher, David R. Glenn, Parque Hongkun, Mikhail D. Lukin, e Ronald L. Walsworth, aparece na edição de junho de 2020 da revista Revisão Física X .