Avanço das capacidades de geração de imagens em nanoescala com polarização nuclear dinâmica

A polarização nuclear dinâmica (DNP) revolucionou o campo da ressonância magnética nuclear (RMN) em nanoescala, possibilitando o estudo de uma gama maior de materiais, biomoléculas e processos dinâmicos complexos, como a forma como as proteínas se dobram e mudam de forma dentro de uma célula.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Waterloo está combinando DNP pulsado com medições de microscopia de força de ressonância magnética (MRFM) em nanoescala para demonstrar que esse processo pode ser implementado em nanoescala com alta eficiência. O esforço é supervisionado pelo Dr. Raffi Budakian, membro do corpo docente do Institute for Quantum Computing e professor do Departamento de Física e Astronomia, e sua equipe composta por Sahand Tabatabaei, Pritam Priyadarshi, Namanish Singh, Pardis Sahafi e Dr. Daniel Tay.

“Polarização nuclear dinâmica em nanoescala de grande aprimoramento perto de uma superfície de nanofio de silício” foi publicado em Avanços da Ciência na quarta-feira, 21 de agosto.

Na ressonância magnética convencional, a detecção depende da diferença de população térmica entre os estados de spin “para cima” e “para baixo” dentro de um campo magnético externo. No entanto, na ressonância magnética em nanoescala, onde o número de spins é significativamente reduzido, as flutuações estatísticas inerentes na orientação do spin podem ser maiores do que a polarização térmica. Assim, é melhor medir a polarização estatística em vez da polarização térmica ao observar conjuntos de spin em nanoescala.

No entanto, devido à polarização térmica de elétrons substancialmente maior em comparação aos spins nucleares, a polarização nuclear dinâmica (DNP) pode ser empregada para amplificar a polarização do spin nuclear transferindo a polarização dos elétrons para núcleos próximos. Esse aprimoramento aumenta significativamente a sensibilidade de detecção em aplicações de ressonância magnética nuclear (RMN).

Os experimentos da equipe revelaram um aumento de 100 vezes na polarização térmica dos spins nucleares de hidrogênio, correspondendo a um aumento de 15 vezes na sensibilidade de detecção, quando comparado à polarização estatística. Crucialmente, esse aprimoramento corresponde a uma redução no tempo de medição por um fator de 200, o que permitiu que eles adquirissem sinais muito mais rapidamente. Esses resultados avançam substancialmente as capacidades de detecção de MRFM como uma ferramenta prática para imagens em nanoescala.

“Ao combinar as melhorias substanciais do DNP com imagens de ressonância magnética (RM) em escala nanométrica e detecção de spin ultrassensível, a RNM tridimensional de estruturas biomoleculares com resolução em escala de angstrom pode se tornar possível — uma capacidade transformadora em biologia estrutural”, diz Budakian.

Olhando para o futuro, a equipe de pesquisa pretende aplicar medições MRFM aprimoradas por DNP para estruturas em escala nanométrica 3D, como vírus e proteínas. Eles esperam aumentar a sensibilidade da detecção de spin nuclear operando em temperaturas mais baixas e campos magnéticos mais altos.