Kuantum Mikroskop ile Kimyasal Tepkimeler Eşzamanlı İzlenebilecek

Elmas tabanlı yeni görüntüleme sistemi, yüklü atomları algılamak ve kimyasal tepkimeleri izlemek için elektronların manyetik rezonansını kullanıyor.

Elmastan yapılmış sensör kullanan bir kuantum mikroskopu sayesinde, artık DNA’nın hücre içinde nasıl katlandığı, ilaçların nasıl olup da işe yaradığı ya da bakterilerin metalleri nasıl metabolize ettiği gibi nano ölçekli gizemler incelenebilecek. En önemlisi, bu mikroskop bir çözeltideki iyonları teker teker görüntüleyebiliyor ve sürece hiçbir şekilde müdahil olmadan, oluşan biyokimyasal tepkimelerin gerçek zamanlı görüntüsünü sağlıyor. Sistemi geliştiren ekip, çalışmalarını 14 Şubat 2017 tarihinde arXiv sitesinde yayımladı.

Araştırmacılar uzun süredir moleküler yapılar için hastanelerde kullanılan manyetik rezonans görüntüleme (MRI) makinelerine benzeyen bir görüntüleme sisteminin peşindeydi. MRI makineleri, insan bedenindeki yapıları zarar vermeden görüntüleyebiliyor. Kuantum MRI, yani elektron spinlerini kullanarak kuantum düzeyinde görüntüleme yapma fikri, metal iyonlarının içinde oldukları da dahil, kimyasal tepkimeler için aynısını yapmaya dayanıyor. Şu anki manyetik rezonans teknikleri, 10 mikrometre ve üzeri yapıları görüntüleyebiliyor ve bir hücrenin içindeki metal iyonlarını algılayabilmenin tek yolu reaktif kimyasallar eklemek ya da hücreyi dondurarak (hücrenin ölümüne yol açacak işlemler yaparak) güçlü mikroskoplar altında görüntülenmesini sağlamak oluyor.

Hastanede kullanılan bir MRI makinesi, hastayı manyetik bir alan içine yerleştirerek çalışıyor; böylece beden atomlarındaki protonlar, makinenin mıknatısı ile hizalanıyor. Makine daha sonra görüntülenecek beden alanına, protonların hizalanışını bozacak radyo atımları gönderiyor. Atımlar kapatıldığında, protonlar yeniden hizalanıyor ve belli bir frekansta elektromanyetik dalga yayımlıyorlar. Eğer beden dokuları tarafından yayımlanan frekans, makinenin sensörlerininkine uyarsa, iki frekans rezonansa giriyor. Makine bu rezonansı kullanarak, bedenin görüntüsünü oluşturuyor.

Avustralya Melbourne Üniversitesi fizikçilerinden Lloyd Hollenberg ve David Simpson liderliğindeki ekip, hücrelerdeki metal iyonlarını algılamak için bu tekniği kullanmak istedi. Bazı metal iyonları hücrelere zararlı olabilirken, bazıları da biyokimyasal tepkimeler için gereklidir. Mesele şu ki, bir MRI sensörünün görüntüleyeceği nesne ile aynı ebatlarda olması gerekir. Bu da tekil atomlara bakmak istediğimizde şu an olanaksız bir gerekliliktir.

Bu Linki Görmeniz İçin SupersatForuma Uye Olmanız Gerekmektedir. Kuantum MRI mikroskopu ile bakır iyonlarını (Cu2+) algılamak için elde edilmiş bir görüntü. Ölçek çizgisi 10 mikrometre. (Telif: David Simpson/University of Melbourne)


Kusurlu Elmaslar

Araştırmacılar, kuantum MRI mikroskopu yapmak için kristal yapılarında atomik ölçekte kusurlar bulunan 2 mm genişliğinde elmaslar kullandı. Bu kusurlar, manyetik alan değişimlerine duyarlı olur ve algılanmak istenen molekülün ya da iyonun spini ile rezonans yapacak biçimde ayarlanabilir. Elmasın kusurları yeşil bir lazer ile aydınlatıldığında, elmas kırmızı floresan ışığı yayar ve bu florasanın parlaklığı, uygulanan manyetik alanın gücü ile yönüne bağlı olur.

Hollenberg, Simpsonve çalışma arkadaşları, yüzeyinin hemen altındaki belirli konumlarda bir dizi kusuru olan bir elmas kullandı ve onu bir örneğin yanında bulunan mikroskobun ucuna yerleştirdi. Ekip, iki elektronu eksik olan bir iyonize bakır formunun*(Cu2+) spini ile rezonans yapacak frekansa göre kusurları ayarladı. Elmas probu, bakır iyonlarını içeren örneğin yüzeyine dokundurunca, ikisi arasındaki rezonans, elmas kusurlarında floresan tetikledi. Araştırmacılar bir bilgisayar programı kullanarak, elmas kusurlarından gelen rengi incelediler ve örneğin görüntüsünü oluşturarak, her bir bakır iyonunun tam konumunu ortaya çıkardılar.

Daha sonra örneği bakır iyonlarına bir adet elektron ekleyen bir asitle yıkayan ekip, Cu+ iyonları elde etmiş oldu. Asiti eklerken örneği görüntülediler ve Cu2+ spin deseninin kayboluşunu izlediler. Örnek havayla temas ederek okside olup yeniden Cu2+ iyonuna dönüşürken de desenin yaklaşık bir saat içinde tekrar belirişini gözlemlediler. Böyle bir yöntem, günün birinde araştırmacıların hücre içindeki biyokimyasal tepkimeleri canlı yayın olarak izlemelerine olanak tanıyabilir.

Yöntemin örneğe müdahalesi olmadığından, kuramsal olarak hücrelere zarar vermeden görüntüleme yapacağı söylenebilir. Bu konudaki asıl engel, elmas probun sinyal gönderebilmek için örneğe fiziksel olarak yakın olmasının gerekmesi. Ancak ekip yöntemin şu anki hâliyle bile ilaç mekanizmalarının anlaşılmasında ve hücre zarında bulunan proteinlerin incelenmesinde işe yarayacağını belirtiyor.

Kaynaklar:

• Scientific American, “Quantum Microscope Spies on Chemical Reactions in Real Time“
• Nature, “Quantum microscope offers MRI for molecules“

İlgili Makale: Simpson, D. A. et al. “Quantum magnetic resonance microscopy”
Preprint at Bu Linki Görmeniz İçin SupersatForuma Uye Olmanız Gerekmektedir. (2017).





Bu Linki Görmeniz İçin SupersatForuma Uye Olmanız Gerekmektedir.






bilimfili.com sitesindeki bu haberin kaynağı için Bu Linki Görmeniz İçin SupersatForuma Uye Olmanız Gerekmektedir.