Configuration RMN de pré-polarisation microfluidique. (A) Comparaison de la polarisation statistique et thermique des protons dans l'eau en fonction du volume de détection. La densité protonique de l'eau à température ambiante est ρ =6,7 × 1028 m−3. (B) Concept de prépolarisation. L'analyte est prépolarisé en le faisant passer à travers un aimant permanent (réseau de Halbach 1,5 T). Il est ensuite transporté vers une puce microfluidique logée dans un boîtier stabilisé, champ magnétique inférieur (B0 =13 mT, bobines de Helmholtz) où il est détecté par NV RMN. (C) Configuration de détection. L'analyte prépolarisé s'écoule vers une puce microfluidique où il est arrêté via des commutateurs fluidiques (non représentés), et le signal RMN NV est détecté à l'aide d'un microscope à épifluorescence sur mesure avec une ouverture numérique (NA) de ∼0,8. Un ensemble de huit bobines de compensation de gradient est utilisé pour éliminer les gradients de champ magnétique de premier et de second ordre le long de la direction du champ. Le champ est stabilisé temporellement à l'aide d'un magnétomètre RMN à bobine en combinaison avec des bobines de rétroaction à faible inductance enroulées autour des bobines de Helmholtz principales. (D) Configuration de la puce microfluidique. La puce est construite en utilisant du verre et des adhésifs. Deux lignes fluidiques passent dans la zone de détection, un composé d'eau (pour le magnétomètre à bobine RMN) et l'autre d'analyte (pour le RMN NV). Une boucle d'excitation radiofréquence (RF), placé entre le magnétomètre à bobine RMN et le capteur RMN NV, excite la cohérence de spin nucléaire dans les deux canaux. Le magnétomètre à bobine RMN se compose d'une bobine de 3 mm de diamètre enroulée autour d'un volume d'eau 10-μl. La boucle d'excitation RF et le magnétomètre à bobine RMN ont été placés orthogonaux l'un par rapport à l'autre pour minimiser la diaphonie. Lignes micro-ondes en cuivre (MW), imprimé à l'intérieur de la puce de verre, fournir un contrôle de spin sur les spins des électrons NV. (E) Géométrie RMN NV. Une membrane en diamant dopé NV (1 mm par 1 mm par 0,035 mm) est située à la surface d'un canal microfluidique (largeur :2 mm, hauteur :entre 0,2 mm et 1 mm) en contact avec l'analyte. L'éclairage laser (532 nm) rebondit sur la ligne micro-ondes imprimée, et la fluorescence (650 à 800 nm) est détectée. Le volume de détection efficace de l'analyte est 40 pL. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw7895
Les capteurs quantiques basés sur les centres de lacunes d'azote (NV) dans le diamant sont un mode de détection prometteur pour la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire en raison de leur volume de détection à l'échelle du micron et de leurs exigences de détection d'échantillons non inductives. Un défi qui existe est de réaliser suffisamment une résolution spectrale élevée couplée à une sensibilité à la concentration pour l'analyse RMN multidimensionnelle de volumes d'échantillons de picolitres. Dans un nouveau rapport maintenant sur Avancées scientifiques , Janis Smits et une équipe de recherche interdisciplinaire dans les départements des Matériaux de Haute Technologie, La physique et l'astronomie aux États-Unis et en Lettonie ont relevé le défi en séparant spatialement les phases de polarisation et de détection de l'expérience dans une plate-forme microfluidique.
Ils ont réalisé une résolution spectrale de 0,65±0,05 Hz, une amélioration de l'ordre de grandeur par rapport aux études RMN du diamant précédentes. En utilisant la plateforme, ils ont effectué une spectroscopie de corrélation 2D d'analytes liquides avec un volume de détection efficace d'environ 40 picolitres. L'équipe de recherche a utilisé des capteurs quantiques en diamant comme détecteurs RMN microfluidiques en ligne, ce qui constitue une avancée majeure pour les applications d'analyse chimique à masse limitée et de biologie unicellulaire.
La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est une technique puissante et bien établie pour la composition, analyse structurelle et fonctionnelle dans une variété de disciplines scientifiques. En spectrométrie RMN conventionnelle, le rapport signal sur bruit (SNR) dépend fortement de l'intensité du champ externe (B
Cependant, même avec un grand B
Amplitude de projection du champ magnétique ca nucléaire (intégrée dans le volume du capteur) en fonction du volume d'eau. Le volume de détection effectif (∼40 pL ) est défini comme le volume où l'amplitude de projection du champ de courant alternatif nucléaire est égale à la moitié de celle du volume total effectif de l'échantillon. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw7895
Les scientifiques ont précédemment mis en œuvre la méthode pour détecter les premières fluctuations à l'échelle nanométrique de la magnétisation nucléaire afin d'améliorer la polarisation. Ils ont utilisé des solvants visqueux pour améliorer la résolution de fréquence à ~ 100 Hz pour obtenir la résolution de grands déplacements chimiques à B
L'équipe de recherche a utilisé de puissants aimants permanents (1,5 Tesla) pour générer une polarisation du spin nucléaire et a effectué la détection à 13 mT à l'aide de bobines de Helmholtz pour simplifier la tâche de stabilisation des largeurs de raie RMN à des niveaux inférieurs au hertz. Ils ont facilité l'utilisation de capteurs quantiques en diamant comme détecteurs RMN microfluidiques en ligne à basses fréquences micro-ondes. Les améliorations ont permis à Smits et al. pour effectuer une spectroscopie de corrélation bidimensionnelle (2-D) (COSY) d'analytes liquides dans un volume de détection efficace de ~ 40 pL (pico-litres). Les chercheurs ont l'intention de combiner cette plate-forme avec des avancées en polarisation nucléaire dynamique utilisant des agents polarisants externes et une hyperpolarisation potentiellement optique avec des centres NV pour permettre la spectroscopie RMN des métabolites à des concentrations physiologiques à une résolution spatiale unicellulaire.
Dans le montage expérimental, Smits et al. logé les analytes fluides dans un récipient pressurisé à l'hélium avec des débits variables allant jusqu'à 50 µl/s. Le temps de séjour des analytes avoisinait 6s, plus long que le temps de relaxation de spin des analytes étudiés (par exemple T
Caractérisation de la RMN NV prépolarisée. (A) La séquence d'impulsions de lecture synchronisée. Il se compose d'un train d'impulsions XY8-N qui effectuent des mesures de phase successives du champ magnétique alternatif produit par le traitement des noyaux. La fluorescence mesurée reflète une version aliasée de la projection du champ nucléaire en courant alternatif. La séquence entière est répétée toutes les 2,5 à 4,25 s (1,25 s pour le débit et le reste pour la détection). (B) Spectres RMN NV (valeur absolue de la transformée de Fourier) de l'eau (rouge) et un champ de test d'amplitude 2,5 nT appliqué (bleu) pour un temps d'acquisition effectif de 5,2 s (moyenne de 60 traces ; temps de mesure total, 150 s). L'amplitude du signal RMN obtenu à partir du signal du photodétecteur traité est enregistrée en V. La conversion en amplitude de champ magnétique (en nT) est dérivée du champ d'essai calibré. En médaillon :Le SD du bruit de fond révèle aBmin =45 pT. A partir de ces données, on en déduit une concentration minimale détectable de 27 M s1/2 (SNR =3). Incorporant tous les temps morts expérimentaux, la sensibilité à la concentration est ∼45 M s1/2. (C) Un spectre NV RMN haute résolution de l'eau (partie imaginaire de la transformée de Fourier) révèle une largeur de raie pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) de 0,65 ± 0,05 Hz. Les données ont été obtenues en faisant une moyenne de 60 traces, chaque 3 s de long. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw7895
Smits et al. fabriqué la puce microfluidique pour loger le capteur de diamant, l'appareil contenait une puce de cuivre sur une lame de verre pour délivrer les micro-ondes. Les scientifiques ont également inclus une boucle d'excitation radiofréquence (RF) entre le diamant et la bobine RMN de rétroaction, et un canal microfluidique renfermant le capteur de diamant et l'analyte de contact. Ils ont conçu des ports microfluidiques pour combiner des tubes d'analyte externes dans la puce et ont utilisé un faisceau laser de 20 µm de diamètre pour exciter les centres NV à travers une membrane en diamant de 35 µm d'épaisseur.
L'équipe de recherche a ensuite appliqué une série de séquences d'impulsions micro-ondes XY8-5 au centre NV pour détecter le champ alternatif nucléaire. Ils ont utilisé de l'eau déminéralisée pour déterminer les limites de sensibilité et de résolution spectrale de l'appareil. Pour optimiser la résolution spectrale, ils ont ajusté les bobines de compensation de gradient et démontré les capacités du spectromètre NV RMN en obtenant des spectres de RMN du proton de divers analytes fluides.
Par exemple, les scientifiques ont obtenu des spectres NV RMN caractéristiques pour le phosphate de triméthyle (TMP) et 1, Composés de 4-difluorobenzène (DFB) dans l'étude. Après avoir établi le potentiel de détection des spectres RMN avec une résolution inférieure au hertz et des rapports signal/bruit (SNR) élevés pour les deux composés, ils ont utilisé la plate-forme pour effectuer une spectroscopie RMN COSY 2-D. Pour ça, Smits et al. effectué deux variantes de l'analyse COSY 2-D pour sonder les interactions nucléaires au sein du DFB (1, 4-difluorobenzène) et effectué toutes les simulations à l'aide du progiciel SPINACH pour la RMN 2-D.
RMN 1D. Signaux RMN NV dans le domaine temporel (à gauche) et dans le domaine fréquentiel (à droite) pour (A) l'eau, (B) phosphate de triméthyle (TMP), et (C) 1, 4-difluorobenzène (DFB). Les signaux ont été moyennés sur 103 traces pour une acquisition totale de ∼1 heure. Un filtre passe-bande à bande passante ∼1 kHz est appliqué aux données du domaine temporel pour une meilleure visualisation. Les spectres du domaine fréquentiel montrent la composante imaginaire de la transformée de Fourier. Chaque spectre est ajusté avec des fonctions gaussiennes (lignes noires). Pour TMP, nous contraignons les largeurs des deux lignes à être égales avec un rapport d'amplitude de 1:1 et trouvons JHP =11,04 ± 0,06 Hz. Pour DFB, nous contraignons les largeurs des trois lignes à être égales avec un rapport d'amplitude 1:2:1 et trouvons JHF¯=6.09±0.05 Hz. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw7895.
La résolution sub-hertz démontrée et les techniques de RMN multidimensionnelle peuvent ouvrir la voie à l'utilisation de capteurs quantiques en diamant dans l'analyse en ligne avec trait d'union, métabolomique unicellulaire et pharmacodynamique à masse limitée. Smits et al. viser la haute résolution spatiale et le format d'épifluorescence qui en résultent pour faciliter l'analyse chimique à haut débit et l'imagerie RMN des cultures cellulaires avec une résolution unicellulaire. Les limitations du présent dispositif comprennent les temps de calcul de moyenne substantiels requis à des concentrations physiologiques allant du volume micromolaire au volume millimolaire. Les chercheurs proposent d'utiliser des champs magnétiques plus élevés avec des séquences d'impulsions micro-ondes XY8-N plus longues et plus sensibles pour améliorer la sensibilité RMN et l'efficacité de la collecte de photons par rapport aux méthodes existantes. À long terme, ils s'attendent à ce que les plus grands gains de sensibilité se produisent via des méthodes d'hyperpolarisation optique non invasives.
RMN COSY 2D de DFB. (A) Séquence d'impulsions COSY homonucléaire, (B) spectre simulé, et (C) un spectre expérimental de RMN NV de DFB. (D) Une séquence COSY hétéronucléaire modifiée révèle des pics hors diagonale à la fois dans la simulation (E) et dans l'expérience (F). Les échelles de couleurs correspondent à la valeur absolue normalisée de la transformée de Fourier 2D. Les axes verticaux (f1 − fref) correspondent aux fréquences de la dimension t1, et les axes horizontaux (f2 − fref) correspondent aux fréquences de la dimension t2. En (C), 14 valeurs de t1 par incréments de 0,021 s jusqu'à 0,294 s ont été utilisées. Le temps total d'acquisition était de 22 heures. En (F), 16 valeurs de t1 par incréments de 0,021 s jusqu'à 0,336 s ont été utilisées. Le temps total d'acquisition était de 25 heures. Dans les deux cas, l'acquisition t2 a duré de 0 à 1,25 s. Toutes les simulations ont été réalisées à l'aide du progiciel SPINACH. Les données de simulation et expérimentales utilisent les mêmes fonctions de fenêtrage. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw7895.
L'utilisation d'un champ externe faible (B
De cette façon, Janis Smits et ses collègues ont démontré l'utilisation de capteurs quantiques en diamant pour les applications de RMN microfluidique. Ils ont montré que la séparation des étapes de polarisation et de détection permettait une amélioration de l'ordre de grandeur de la résolution spectrale par rapport aux études RMN du diamant existantes. Les scientifiques ont validé la plate-forme en effectuant une RMN 2-D sur des analytes fluides et proposent ses futures applications dans des domaines de recherche multidisciplinaires.
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