Совместная группа ученых из Австралии, Германии и Японии стала первой, кто использовал наноалмазный квантовый нанозонд для обнаружения отдельных атомов по магнитному полю, которое формируется за счет спинового контраста, в искусственной клеточной мембране. Предложенный исследователями метод основан на использовании квантовых свойств так называемой азот-вакансии – распространенного дефекта наноалмазов, при котором два атома углерода заменяются на один атом азота – в качестве датчика магнитного поля. Как считают ученые, та же методика может в будущем применяться для отображения широкого спектра биологических явлений в режиме реального времени.

Азот-вакансия (NV) возникает в алмазе, когда два соседних атома углерода его кристаллической решетки заменяются на атом азота и соседствующий с ним пустой узел.

Дефекты NV в наноалмазах являются идеальными инструментами в качестве биологических датчиков, поскольку они не токсичны для живых организмов и не разрушаются под воздействием света. Более того, подобные датчики способны обнаруживать очень слабые магнитные поля, источником которых являются электронные или ядерные спины в образце. В отличие от обычной применяемой в биологии магнитно-резонансной томографии, в которой для получения измеряемого сигнала необходимы спины миллиона атомов, при использовании азот-вакансии в наноалмазе можно обнаружить даже отдельный спин целевого атома.

Опираясь на эту идею, совместная группа ученых из University of Melbourne (Австралия), Japan Atomic Energy Agency (Япония) и University of Stuttgart (Германия) предложила методику, позволяющую обнаружить специальные «спиновые метки» гадолиния, присоединенные к частям молекул, образующих липидный биослой в искусственной клеточной мембране.

Стоит отметить, что гадолиний представляет собой распространенный контрастный агент, применяемый в методе магнитно-резонансной томографии. Электроны в атоме этого вещества дают относительно большой суммарный спин (7/2), выполняющий роль источника магнитного поля. Применяемый для измерения датчик с зондом из наноалмаза с азот-вакансией очень чувствителен к подобным пульсирующим магнитным полям.

По мнению исследователей, применявшаяся ими техника может найти самое широкое применение, в частности, в биологии. Как отмечают сами ученые, в этой отрасли есть много ситуаций, когда крайне важно иметь технологию для обнаружения свободных радикалов или ионных каналов в режиме реального времени прямо на исследуемом объекте (а не на взятом в качестве пробы небольшом образце).

В данный момент группа ученых продолжает работу над усовершенствованием методики. В будущем они хотят сократить объем используемых наноалмазов, сделав свои датчики еще более компактными и чувствительными к колебаниям магнитного поля. Это, по мнению исследователей, поможет выявить фундаментальные спины в различных биологических системах.

Подробные результаты работы ученых опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.