La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil largement utilisé pour l'analyse chimique et la reconnaissance de structure moléculaire. Parce qu'il repose généralement sur les faibles champs magnétiques produits par une petite polarisation de spin nucléaire thermique, La RMN souffre d'une faible sensibilité par rapport à d'autres techniques analytiques. Un appareil RMN conventionnel utilise généralement de grands volumes d'échantillons d'environ un millilitre, suffisamment grands pour contenir environ un million de cellules biologiques.

Dans une étude publiée dans Examen physique X (PRX), des chercheurs du Quantum Technology Center (QTC) de l'Université du Maryland et leurs collègues rapportent une nouvelle technique de détection quantique qui permet une spectroscopie RMN haute résolution sur de petites molécules en solution diluée dans un volume d'échantillon de 10 picolitres, soit à peu près l'équivalent d'une seule cellule.

Les expériences rapportées dans le document, intitulé "Hyperpolarization-Enhanced RMN Spectroscopy with Femtomole Sensitivity Using Quantum Defects in Diamond, " ont été effectuées par le groupe de recherche du professeur Ronald Walsworth, Directeur fondateur de QTC. Leur découverte est la prochaine étape des résultats précédents, dans lequel Walsworth et ses collaborateurs ont développé un système qui utilise des défauts quantiques de lacunes d'azote dans les diamants pour détecter les signaux RMN produits par des échantillons à l'échelle du picolitre. Dans ce travail passé, les chercheurs n'ont pu observer que des signaux de pure, échantillons très concentrés.

Pour surmonter cette limite, Walsworth et ses collègues ont combiné la RMN du diamant quantique avec une méthode d'"hyperpolarisation" qui augmente la polarisation du spin nucléaire de l'échantillon - et donc la force du signal RMN - de plus de cent fois. Les résultats rapportés dans PRX se rendent compte, pour la première fois, RMN avec sensibilité moléculaire femtomole.

Sur l'impact de la recherche, Walsworth dit, "L'objectif réel est de permettre l'analyse chimique et l'imagerie par résonance magnétique (IRM) au niveau des cellules biologiques individuelles." L'IRM est un type d'analyse qui peut traiter des images détaillées de parties du corps, y compris le cerveau. "À l'heure actuelle, L'IRM est limitée dans sa résolution, et il ne peut imager que des volumes contenant environ un million de cellules. Voir des cellules individuelles de manière non invasive avec l'IRM (pour aider à diagnostiquer la maladie et répondre aux questions de base en biologie) est l'un des objectifs à long terme de la recherche en détection quantique, " dit Walsworth.

Le document de recherche, "Spectroscopie RMN améliorée par hyperpolarisation avec sensibilité femtomole utilisant des défauts quantiques dans le diamant, " Dominik B. Bucher, David R. Glenn, Parc Hongkun, Mikhaïl D. Lukin, et Ronald L. Walsworth, paraît dans le numéro de juin 2020 de la revue Examen physique X .