Наука и техника

Пока для опытов по изучению спинового резонанса у электронов в лаборатории Мэрона приходится применять такой вот прибор. Он ещё не способен регистрировать магнитные поля в столь малых масштабах как задумано, однако для установки, над которой сейчас работают учёные, это не составит труда (фото Cornell University).

Специалисты из университета Корнелла (Cornell University) представили новый метод обнаружения магнитных полей отдельных электронов и атомных ядер. На основе этой технологии учёные надеются создать аналог магнитно-резонансного томографа, способного визуализировать отдельные крупные молекулы.

В пресс-релизе университета исследователи сообщают, что их новая разработка поможет зафиксировать спин электрона (точнее порождаемый им магнитный дипольный момент — electronic magnetic dipole moment) и использовать его колебания как средство получения картинки на субмолекулярном уровне.

По словам Джона Мэйрона (John Marohn), одного из авторов исследования, главная задача специалистов – соединить принцип сканирующего атомного силового микроскопа и принцип магнитно-резонансного томографа. Одним из первых успешных примеров применения технологии может стать построение наглядного изображения структуры мембранного белка, выполненное примерно также, как обычный томограф показывает снимки мозга.

Статья, описывающая результаты исследования Мэйрона и коллег, опубликована в новом номере PNAS. В основе изобретения лежит создаваемое электронами магнитное поле. Рядом с сильным внешним магнитным полем индивидуальные поля частиц выравниваются в одном направлении. Приложение магнитного поля с переменной составляющей (с радиочастотой), создаёт феномен прецессии – спин регулярно меняет пространственную ориентацию.

Магнитно-резонансный томограф, который применяют в медицине, фиксирует в катушке напряжение, индуцированное прецессией около тысячи миллиардов атомов водорода, что позволяет ему в 3D-формате отображать части тела. Мэйрон же и коллеги пытаются создать инструмент достаточно чувствительный, чтобы запечатлеть колебание спина у несравненно меньшего числа частиц – вплоть до отдельных атомов.

Для этого учёные предлагают использовать так называемый азотокисный (nitroxide) радикал. Именно у него прибор и должен фиксировать отклики спинов на внешнее воздействие, а прикрепляя такие азотокисные "ярлычки" к молекулам белка и измеряя их положение, можно будет построить картину сложной молекулы в нанометровом разрешении.

Мэйрон уже разработал схему прибора. В его состав входит пластинка с подготовленным образом (тонкая полимерная плёнка с азотокисными молекулами). В центре располагается кремниевый кантилевер 350-нанометровой толщины, на его конце – 4-микрометровый никелевый магнит. Его следует подносить вплотную к образцу.


Схема разработанного Мэйроном сканирующего зонда и томографа в одном лице, с колеблющимся кантилевером в центре (иллюстрация Eric Moore).

При изменении частоты переменного поля возникает резонанс с молекулами азотнокисного радикала. Этот отклик влияет на крошечный магнит и раскачивает кантилевер. Изменение частоты этих колебаний как раз и несёт информацию о молекулах в образце.

Если проводить аналогию с атомным силовым микроскопом, то следует сказать, что кантилевер по сути сканирует образец и, по аналогии с обычным магнитным томографом, рисует "портрет" гигантской молекулы белка. Таков во всяком случае общий замысел авторов новой технологии.

Источник: PhysOrg.com