Исследователи из IBM Almaden Research Center всегда удивляли мировое научное сообщество прорывами в нанотехнологиях. И январь 2009 года – не исключение. Команде из IBM совместно с коллегами центра исследования наноразмерного диапазона в Стэнфордском университете (Center for Probing the Nanoscale at Stanford University) удалось увеличить объемное разрешение MRI-микроскопии почти в сто миллионов раз!

Более того, ученые заявляют, что вскоре у молекулярных биологов появится инструмент для изучения трехмерной структуры биологических объектов с разрешением менее 10 нанометров! При этом по реальному объекту будет формироваться его трехмерная структура в реальном времени!

Традиционное MRI-отображение, так любимое врачами и биологами, сегодня не может похвастаться высоким разрешением: обычно исследователям не удается увидеть объекты мельче микрона, а именно ниже этой границы находится удивительный мир микроорганизмов и «молекулярной кухни», которая так интересует ученых.

Рис. 1. Кремниевый кантилевер с вирусами

Метод магнитно-ядерного резонанса позволяет изучать ткани и биологические объекты, которые рентген «пропускает». Основа метода состоит в использовании насыщенности тканей организма водородом и особенностей их магнитных свойств, связанных с нахождением в окружении разных атомов и молекул. Ядро водорода состоит из одного протона, который имеет магнитный момент (спин) и меняет свою пространственную ориентацию в мощном магнитном поле, а также при воздействии дополнительных полей, называемых градиентными, и внешних радиочастотных импульсов, подаваемых на специфической для протона при данном магнитном поле резонансной частоте.

На основе параметров протона (спинов) и их векторном направлении, которые могут находится только в двух противоположных фазах, а также их привязанности к магнитному моменту протона можно установить, в каких именно тканях находится тот или иной атом водорода.

Если поместить протон во внешнее магнитное поле, то его магнитный момент будет либо сонаправлен, либо противоположно направлен магнитному моменту поля, причём во втором случае его энергия будет выше. При воздействии на исследуемую область электромагнитным излучением определённой частоты часть протонов поменяет свой магнитный момент на противоположный, а потом вернется в исходное положение. При этом системой сбора данных томографа регистрируется выделение энергии во время «расслабления», или релаксации, предварительно возбужденных протонов.

К сожалению, до сегодняшнего дня разрешение самых точных экспериментальных MRI установок было ограничено 1–3 микронами.

Рис. 2. Принцип работы установки

Теперь же руководитель исследований IBM Марк Дин (Mark Dean) уверяет, что бактерии, вирусы, ДНК и сложные белки можно будет в прямом смысле слова «разбирать на запчасти» в доселе недостижимым пространственным разрешением.

Линейное же разрешение экспериментальной установки по сравнению с существующими увеличилось в сто тысяч раз! Это тоже внушает уважение.

В доказательство ученые продемонстрировали снимок вирусов табачной мозаики, прикрепленных к зонду. Устройство назвали nanoscale MRFM – силовое магниторезонансное отображение в наноразмерном диапазоне.

Нужно сказать, что год назад мы уже писали о том, как 90-нм барьер был пройден с помощью MRFM, но для дальнейшего перехода в 3D исследования объектов нужно было усовершенствовать сам подход и, в первую очередь, систему обработки и формирования изображения, используя более сложные алгоритмы, собирающие по «кусочкам» информацию о исследуемом объекте.

Но главное отличие от предшественника состоит в нестандартной конструкции микроскопа. Чтобы увеличить разрешение MRFM, исследователь Дэниел Ругар (Daniel Rugar) и его коллеги нанесли вирус табачной мозаики на кончик кантилевера из кремния.

Рис. 3. Компоновка устройства

После этого на него направили радиочастотное магнитное поле. В результате был создан своего рода резонансный слой, который «раскачал» атомы вируса и консоли. По этим слабым вибрациям с помощью лазерного интерферометра учёные смогли собрать изображение микроскопического объекта. Для полного представления о технике проведения эксперимента можно посмотреть видео, объясняющее принцип работы MRFM.

По факту нужно отметить, что впервые MRI-устройства приблизились к традиционным сканирующим электронным микроскопам (СЭМ). Поперечник вируса табачной мозаики – всего 18 нанометров, фактически его видно так же и в традиционный СЭМ. Но работать с нано-силовым MRFM будет проще – нет надобности помещать в вакуум образец, можно проводить исследования почти «на лету»! Правда, нужно будет сперва охладить и образец, и сам кантилевер до криогенных температур – это, наверное, единственный недостаток предложенного метода.

О своих достижениях ученые сообщили в журнал Nature и PNAS.

P.S. А вы говорите – кризис…

Свидиненко Юрий