Elmas tabanlý yeni görüntüleme sistemi, yüklü atomlarý algýlamak ve kimyasal tepkimeleri izlemek için elektronlarýn manyetik rezonansýný kullanýyor.

Elmastan yapýlmýþ sensör kullanan bir kuantum mikroskopu sayesinde, artýk DNA’nýn hücre içinde nasýl katlandýðý, ilaçlarýn nasýl olup da iþe yaradýðý ya da bakterilerin metalleri nasýl metabolize ettiði gibi nano ölçekli gizemler incelenebilecek. En önemlisi, bu mikroskop bir çözeltideki iyonlarý teker teker görüntüleyebiliyor ve sürece hiçbir þekilde müdahil olmadan, oluþan biyokimyasal tepkimelerin gerçek zamanlý görüntüsünü saðlýyor. Sistemi geliþtiren ekip, çalýþmalarýný 14 Þubat 2017 tarihinde arXiv sitesinde yayýmladý.

Araþtýrmacýlar uzun süredir moleküler yapýlar için hastanelerde kullanýlan manyetik rezonans görüntüleme (MRI) makinelerine benzeyen bir görüntüleme sisteminin peþindeydi. MRI makineleri, insan bedenindeki yapýlarý zarar vermeden görüntüleyebiliyor. Kuantum MRI, yani elektron spinlerini kullanarak kuantum düzeyinde görüntüleme yapma fikri, metal iyonlarýnýn içinde olduklarý da dahil, kimyasal tepkimeler için aynýsýný yapmaya dayanýyor. Þu anki manyetik rezonans teknikleri, 10 mikrometre ve üzeri yapýlarý görüntüleyebiliyor ve bir hücrenin içindeki metal iyonlarýný algýlayabilmenin tek yolu reaktif kimyasallar eklemek ya da hücreyi dondurarak (hücrenin ölümüne yol açacak iþlemler yaparak) güçlü mikroskoplar altýnda görüntülenmesini saðlamak oluyor.

Hastanede kullanýlan bir MRI makinesi, hastayý manyetik bir alan içine yerleþtirerek çalýþýyor; böylece beden atomlarýndaki protonlar, makinenin mýknatýsý ile hizalanýyor. Makine daha sonra görüntülenecek beden alanýna, protonlarýn hizalanýþýný bozacak radyo atýmlarý gönderiyor. Atýmlar kapatýldýðýnda, protonlar yeniden hizalanýyor ve belli bir frekansta elektromanyetik dalga yayýmlýyorlar. Eðer beden dokularý tarafýndan yayýmlanan frekans, makinenin sensörlerininkine uyarsa, iki frekans rezonansa giriyor. Makine bu rezonansý kullanarak, bedenin görüntüsünü oluþturuyor.

Avustralya Melbourne Üniversitesi fizikçilerinden Lloyd Hollenberg ve David Simpson liderliðindeki ekip, hücrelerdeki metal iyonlarýný algýlamak için bu tekniði kullanmak istedi. Bazý metal iyonlarý hücrelere zararlý olabilirken, bazýlarý da biyokimyasal tepkimeler için gereklidir. Mesele þu ki, bir MRI sensörünün görüntüleyeceði nesne ile ayný ebatlarda olmasý gerekir. Bu da tekil atomlara bakmak istediðimizde þu an olanaksýz bir gerekliliktir.

Kuantum MRI mikroskopu ile bakýr iyonlarýný (Cu2+) algýlamak için elde edilmiþ bir görüntü. Ölçek çizgisi 10 mikrometre. (Telif: David Simpson/University of Melbourne)


Kusurlu Elmaslar

Araþtýrmacýlar, kuantum MRI mikroskopu yapmak için kristal yapýlarýnda atomik ölçekte kusurlar bulunan 2 mm geniþliðinde elmaslar kullandý. Bu kusurlar, manyetik alan deðiþimlerine duyarlý olur ve algýlanmak istenen molekülün ya da iyonun spini ile rezonans yapacak biçimde ayarlanabilir. Elmasýn kusurlarý yeþil bir lazer ile aydýnlatýldýðýnda, elmas kýrmýzý floresan ýþýðý yayar ve bu florasanýn parlaklýðý, uygulanan manyetik alanýn gücü ile yönüne baðlý olur.

Hollenberg, Simpsonve çalýþma arkadaþlarý, yüzeyinin hemen altýndaki belirli konumlarda bir dizi kusuru olan bir elmas kullandý ve onu bir örneðin yanýnda bulunan mikroskobun ucuna yerleþtirdi. Ekip, iki elektronu eksik olan bir iyonize bakýr formunun*(Cu2+) spini ile rezonans yapacak frekansa göre kusurlarý ayarladý. Elmas probu, bakýr iyonlarýný içeren örneðin yüzeyine dokundurunca, ikisi arasýndaki rezonans, elmas kusurlarýnda floresan tetikledi. Araþtýrmacýlar bir bilgisayar programý kullanarak, elmas kusurlarýndan gelen rengi incelediler ve örneðin görüntüsünü oluþturarak, her bir bakýr iyonunun tam konumunu ortaya çýkardýlar.

Daha sonra örneði bakýr iyonlarýna bir adet elektron ekleyen bir asitle yýkayan ekip, Cu+ iyonlarý elde etmiþ oldu. Asiti eklerken örneði görüntülediler ve Cu2+ spin deseninin kayboluþunu izlediler. Örnek havayla temas ederek okside olup yeniden Cu2+ iyonuna dönüþürken de desenin yaklaþýk bir saat içinde tekrar beliriþini gözlemlediler. Böyle bir yöntem, günün birinde araþtýrmacýlarýn hücre içindeki biyokimyasal tepkimeleri canlý yayýn olarak izlemelerine olanak tanýyabilir.

Yöntemin örneðe müdahalesi olmadýðýndan, kuramsal olarak hücrelere zarar vermeden görüntüleme yapacaðý söylenebilir. Bu konudaki asýl engel, elmas probun sinyal gönderebilmek için örneðe fiziksel olarak yakýn olmasýnýn gerekmesi. Ancak ekip yöntemin þu anki hâliyle bile ilaç mekanizmalarýnýn anlaþýlmasýnda ve hücre zarýnda bulunan proteinlerin incelenmesinde iþe yarayacaðýný belirtiyor.

Kaynaklar:

  • Scientific American, “Quantum Microscope Spies on Chemical Reactions in Real Time“
  • Nature, “Quantum microscope offers MRI for molecules“
Ýlgili Makale: Simpson, D. A. et al. “Quantum magnetic resonance microscopy”
Preprint at Bu Linki Görmeniz Ýçin SupersatForuma Uye Olmanýz Gerekmektedir. (2017).





Bu Linki Görmeniz Ýçin SupersatForuma Uye Olmanýz Gerekmektedir.






bilimfili.com sitesindeki bu haberin kaynaðý için Bu Linki Görmeniz Ýçin SupersatForuma Uye Olmanýz Gerekmektedir.