钻石可以降低成像和光谱设备的成本

钻石晶格中的缺陷产生的不仅仅是美丽的颜色。加州大学伯克利分校化学学院的研究人员开发的一种新方法显示了在没有昂贵磁体的情况下使用激光来增强磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)信号的巨大前景。

在《科学进展杂志》(链接为外部)新发表的研究中，加州大学伯克利分校博士后学者、国际研究团队首席研究员Ashok Ajoy宣布开发出一种具有降低成本潜力的新技术。价值数百万美元的医疗成像和光谱设备。该研究在Alexander Pines教授(外部链接)和名誉教授Glenn T. Seaborg Chancellor教授的实验室中进行，并与化学工程杰出教授Jeffery Reimer教授(外部链接)、Warren和Katharine Schlinger密切合作。

亚历克斯派恩斯谈到这项研究时说：“阿肖克和他的团队以及合作者卡洛斯梅里莱斯和杰夫雷默取得的成就令人惊叹。在金刚石纳米晶粉末中，他们通过光抽运实现了比加热高近三个数量级的超极化，并使用了一种新的多次扫描的微波DNP方法。”

这种新技术利用微小的钻石微晶，以光代替磁体来获得MRI和核磁共振的信号增益。特别地，金刚石由晶体结构中的微观缺陷组成，这具有显著的特征，并且它具有可以通过适当地施加激光而光学对准的电子自旋。这种排列——称为极化——是磁体在磁共振成像中的传统作用；相反，这里的角色是激光。这种光学诱导的自旋排列可以转移到周围的原子核，如金刚石中的13C原子核，使它们“超极化”，即提供比甚至房间大小的超导磁体大几个数量级的NMR信号。

达特茅斯大学物理和天文学系教授钱德拉塞卡拉马纳森(Chandrasekhar Ramanathan)谈到这项研究时说：“核磁共振光谱和成像的多功能性证明了它在原子尺度上探测局部物理和化学环境的出色能力。但是，它的低灵敏度仍然是一个缺点。为了克服这个限制，在室温下超极化各种材料上的核自旋的能力仍然是核磁共振的圣杯。这项工作展示了一种实现金刚石粉末中碳-13自旋大超极化时间的新方法。”

今天的磁共振成像是“切片”的医疗成像和频谱等效核磁共振制药工业。作为一种独特的化学指纹谱，它唯一地识别除了低灵敏度的相似分子之外的分子。该信号与同方向的核自旋数量成正比。例如，在临床成像中，水中的氢原子核是目标。即使是适度的信号增加也会带来严峻的技术挑战——通常需要使用大型房间大小的超导磁体，价格昂贵且难以维护。这项研究表明，可以有一种替代方法来解决这个问题，没有磁铁。

这项工作的关键是能够使用粉末形式的钻石。白垩例如包含微米或纳米晶体颗粒的金刚石粉末通过引入激光被超极化。极化金刚石颗粒的尺寸越小，它们与液体接触的表面积就越大，从而可能被超极化。“光学超极化纳米金刚石一直是我们领域的一个突出问题，”Ajoy说。“随机粉末中不同的微晶取向所带来的技术挑战被认为是极难克服的。”

“事实证明，解决方案非常简单，”阿霍伊继续说道。“它涉及使用中等磁场，考虑到冰箱磁铁的强度和低功率激光激发来设置超极化。”这一突破证明了超极化的金刚石粉末不仅是结果，而且该团队发现了一种“全新的”极化机制，部分原因是他们检测到了一种以前被认为无聊的超低磁场系统，因此非常容易实现，而且非常高效。

这一发现的关键是派恩斯集团和化学学院机械工厂之间的密切合作。这家工厂的电工伊曼纽尔德鲁加(Emanuel Druga)在设计几个实验工具中发挥了至关重要的作用，这些工具有助于调试和基准测试极化机制。“德鲁加领导开发了一种现场循环装置，这是观察钻石粉末第一次超极化所必需的最重要的一步，”阿霍伊说。

伯克利团队还参与了化学学院的本科生。特别是两名学生Kristina Liu和Raffi nazar Yan(2017年化学学院Saegebarth奖获得者)在这项研究中发挥了重要作用，并在发表的文章中被列为贡献者。

　　免责声明：本文由用户上传，与本网站立场无关。财经信息仅供读者参考，并不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担。 如有侵权请联系删除！