Ce n'est pas souvent que vous voyez du matériel vieux de 50 ans dans un laboratoire de physique moderne, sans parler de la trouver au centre de recherches de pointe. Mais alors, la plupart de ces laboratoires ne sont pas dirigés par Ronald Walsworth.

Physicien senior au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics et membre de la faculté du département de physique, Walsworth, avec les boursiers postdoctoraux David Glenn et Dominik Bucher, a développé un système qui utilise des centres de lacunes d'azote (impuretés à l'échelle atomique dans les diamants) pour lire les signaux de résonance magnétique nucléaire (RMN) produits par des échantillons aussi petits qu'une seule cellule. Et ils l'ont fait avec un petit budget en utilisant un vieux, électroaimant donné.

Le système permettra aux chercheurs d'examiner des processus biologiques inédits ainsi que les propriétés chimiques des matériaux, et pourrait aider à ouvrir la porte à des réponses à une multitude de nouvelles questions dans des domaines allant de la physique de la matière condensée à la chimie à la neurobiologie. Le travail est décrit dans un article récemment publié dans La nature .

"Cela nous donne pour la première fois un outil pour conduire la RMN sur des échantillons qui sont similaires au volume d'une seule cellule, tout en conservant une haute résolution spectrale, " Walsworth a déclaré. " Il y a deux défis majeurs que nous relevons avec ce travail. Il y a la taille spatiale, ou le volume des échantillons, et l'autre est la résolution spectrale. Pour faire de la spectroscopie RMN utile à ces petites échelles, il faut avoir les deux."

La difficulté d'atteindre les deux, Walsworth a dit, est en partie lié au fonctionnement de la RMN.

Découvert à Harvard dans les années 40, La RMN fonctionne en excitant les atomes d'un échantillon en utilisant de puissants champs magnétiques et en mesurant les radiofréquences qu'ils émettent. Puisque chaque molécule émet des fréquences spécifiques, les chimistes et les physiciens ont appris à lire ces spectres radio pour tout apprendre, des propriétés matérielles de diverses molécules à la façon dont les protéines sont repliées.

Dans les systèmes conventionnels, ces signaux sont mesurés à l'aide de bobines de fil similaires aux antennes radio. Pour les petits échantillons, cependant, les signaux sont tout simplement trop faibles pour être détectés, Ainsi, des chercheurs, dont Walsworth et le professeur de physique Mikhail Lukin, ont commencé il y a plus de dix ans à explorer l'utilisation de centres de vacance d'azote (NV) pour les récupérer.

"L'une des toutes premières idées que nous avons eues pour les centres NV était de les utiliser pour la RMN de petit volume, jusqu'au niveau d'atomes ou de molécules isolés, " a déclaré Walsworth. " Nous avons eu cette vision il y a 10 ou 12 ans, et il a fallu de nombreuses années pour améliorer la technologie pour en arriver là."

Depuis leur première détection à l'échelle nanométrique d'un signal RMN en 2013, Walsworth a dit, Les scientifiques de Harvard ont affiné la technologie NV, et en 2014 ont pu détecter un seul proton. En 2016, ils avaient utilisé la NV pour capturer le signal RMN produit par une seule protéine. Bien qu'ils puissent détecter des signaux à partir d'échantillons minuscules, les centres NV étaient loin d'être idéaux.

« Quand nous avons détecté des protéines uniques, c'était avec des pics spectraux RMN qui avaient une fréquence de 10 kilohertz, " a déclaré Walsworth. " Mais la séparation entre les fréquences en RMN peut être aussi petite que quelques hertz. Nous avons donc pu détecter une protéine, mais tous les détails chimiques du spectre ont été effacés."

Obtenir ce détail à partir d'échantillons à l'échelle nanométrique, il a dit, reste un défi car les fluctuations de la mécanique quantique qui seraient sans importance dans des échantillons plus grands restent dominantes à des échelles minuscules, et les molécules en solution diffusent loin du capteur, résultant en une résolution inférieure.

"Il y a donc des problèmes intrinsèques avec les échantillons à l'échelle nanométrique, mais vous résolvez immédiatement ces problèmes si vous revenez à l'échelle du micron, " a déclaré Walsworth. " C'est toujours l'échelle des cellules individuelles, ce qui est beaucoup plus petit que tout ce que vous pouvez faire avec les systèmes RMN conventionnels, et est toujours d'un grand intérêt pour les chimistes et les biologistes."

La réalisation d'expériences de RMN NV avec des échantillons à l'échelle du micron nécessitait un grand aimant qui dépassait le budget du laboratoire. Walsworth et ses collègues ont donc reçu un électro-aimant de 1965 de l'Université de Columbia, qui a été arrangé avec l'aide de Roger Fu, professeur assistant en sciences de la Terre et des planètes. Mais cela laissait encore à Walsworth et à ses collègues le défi de contourner les problèmes de résolution inhérents à l'utilisation des centres NV.

"L'un de ces défis est que les spins du centre NV, qui sont ce que fait la détection, ne reste cohérent que pendant environ une milliseconde, " dit-il. " Il y a trois ans, nous avons eu une idée pour contourner cette limite en utilisant une technique que nous appelons la lecture synchronisée."

Normalement, Walsworth a dit, les scientifiques effectueraient une série de mesures RMN indépendantes, puis faites la moyenne ensemble pour produire une mesure finale. Walsworth et ses collègues, cependant, a développé une technique pour prendre des mesures répétées déclenchées par une horloge synchronisée avec le signal RMN. En enchaînant ces mesures, ils ont pu mesurer des signaux avec une résolution bien plus élevée qu'auparavant.

L'équipe a ensuite testé le système contre trois types de molécules :le phosphate de triméthyle, xylène, et le formiate d'éthyle - pour montrer qu'il était capable non seulement de détecter des signaux RMN, mais d'atteindre des résolutions spectrales jusqu'à environ un hertz, suffisant pour observer les signatures chimiques clés à l'échelle du micron pour la première fois.

"Nous avons pu montrer que le système fonctionne sur ces molécules, qui étaient les spectres les plus simples que nous puissions trouver et que nous appelons toujours complexes, " a déclaré Walsworth. " C'est excitant … Nous avons résolu un problème technique, mais nous avons encore du travail à faire avant d'appliquer cela à des problèmes scientifiques."

Le bureau du développement technologique de Harvard a protégé la propriété intellectuelle relative à ce projet et explore les possibilités de commercialisation.

Aller de l'avant, Walsworth a déclaré qu'il prévoyait de continuer à explorer des moyens d'amplifier le signal des échantillons à l'échelle du micron dans le but de rendre le système à la fois plus rapide - les tests décrits dans l'étude ont pris jusqu'à 10 heures pour obtenir des données - et plus applicables aux échantillons vivants.

Les chercheurs doivent également se concentrer sur l'amélioration de la sensibilité des centres NV, il a dit, afin qu'ils puissent détecter des signaux faibles produits des échantillons en faibles concentrations.

"Nous devons augmenter la sensibilité de plusieurs ordres de grandeur pour faire tout ce que nous voulons faire, ", a-t-il déclaré. "Faire fonctionner ces systèmes à cette échelle minuscule est maintenant un grand défi sur le terrain."