ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง นักวิจัยสามารถเห็นโครงสร้างที่มีความละเอียดต่ำกว่าไมครอนภายในเซลล์หรือเนื้อเยื่อ แต่ให้ลึกถึงมิลลิเมตรเท่านั้นเพื่อให้แสงสามารถทะลุผ่านได้โดยไม่กระเจิง การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก (MRI) ใช้ความถี่วิทยุที่สามารถเข้าถึงได้ทุกที่ในร่างกาย แต่เทคนิคนี้ให้ความละเอียดต่ำ ประมาณหนึ่งมิลลิเมตรหรือแย่กว่าแสง 1,000 เท่า

นักวิจัยจาก University of California, Berkeley ได้แสดงให้เห็นว่าเครื่องติดตามเพชรด้วยกล้องจุลทรรศน์สามารถให้ข้อมูลผ่าน MRI และการเรืองแสงด้วยแสงได้พร้อมกัน ซึ่งอาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้ภาพคุณภาพสูงที่อยู่ใต้พื้นผิวของเนื้อเยื่อได้ไม่เกิน 1 เซนติเมตร ซึ่งลึกกว่าแสงเพียงอย่างเดียวถึง 10 เท่า .

ด้วยการใช้โหมดการสังเกตสองโหมด เทคนิคนี้ยังช่วยให้ถ่ายภาพได้เร็วขึ้นอีกด้วย

เทคนิคนี้จะมีประโยชน์ในเบื้องต้นสำหรับการศึกษาเซลล์และเนื้อเยื่อภายนอกร่างกาย การตรวจเลือดหรือของเหลวอื่นๆ สำหรับเครื่องหมายทางเคมีของโรค หรือสำหรับการศึกษาทางสรีรวิทยาในสัตว์

Ashok Ajoy ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านเคมีของ UC Berkeley กล่าวว่า "นี่อาจเป็นการสาธิตครั้งแรกว่าสามารถถ่ายภาพวัตถุเดียวกันในเลนส์แก้วนำแสงและ MRI แบบไฮเปอร์โพลาไรซ์ได้พร้อมกัน "มีข้อมูลมากมายที่คุณสามารถนำมารวมกันได้ เนื่องจากทั้งสองโหมดดีกว่าผลรวมของชิ้นส่วน ซึ่งเปิดโอกาสต่างๆ มากมาย ซึ่งคุณสามารถเร่งการถ่ายภาพของตัวติดตามเพชรเหล่านี้ในตัวกลางได้หลายระดับ ."

เทคนิคที่ Ajoy และเพื่อนร่วมงานรายงานในสัปดาห์นี้ในวารสาร Proceedings of the National Academy of Sciences ใช้ตัวติดตามทางชีววิทยารูปแบบใหม่: microdiamonds ที่มีอะตอมของคาร์บอนบางส่วนถูกขับออกและแทนที่ด้วยไนโตรเจนโดยปล่อยให้ว่างเปล่า จุดในคริสตัล -- ช่องว่างไนโตรเจน -- ซึ่งจะเรืองแสงเมื่อโดนแสงเลเซอร์

Ajoy ใช้ประโยชน์จากไอโซโทปของคาร์บอน - คาร์บอน-13 (C-13) - ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในอนุภาคเพชรที่ความเข้มข้นประมาณ 1% แต่ยังสามารถเสริมสมรรถนะได้อีกด้วยการแทนที่คาร์บอน 12 อะตอมที่โดดเด่นจำนวนมาก นิวเคลียสของคาร์บอน-13 จะจัดเรียงตัวได้ง่ายขึ้นหรือโพลาไรซ์โดยศูนย์ตำแหน่งว่างแบบโพลาไรซ์ที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งจะกลายเป็นโพลาไรซ์ในเวลาเดียวกันที่เรืองแสงหลังจากถูกส่องสว่างด้วยเลเซอร์ นิวเคลียส C-13 แบบโพลาไรซ์ให้สัญญาณที่แรงกว่าสำหรับคลื่นสนามแม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR) ซึ่งเป็นเทคนิคที่เป็นหัวใจของ MRI

เป็นผลให้เพชรไฮเปอร์โพลาไรซ์เหล่านี้สามารถตรวจพบได้ทั้งแบบออปติคัล - เนื่องจากศูนย์ว่างไนโตรเจนฟลูออเรสเซนต์ - และที่ความถี่วิทยุเนื่องจากคาร์บอน -13 แบบสปินโพลาไรซ์ วิธีนี้ช่วยให้สามารถถ่ายภาพพร้อมกันได้โดยใช้เทคนิคที่ดีที่สุดสองวิธี โดยจะมีประโยชน์เป็นพิเศษเมื่อมองลึกเข้าไปในเนื้อเยื่อที่กระจายแสงที่มองเห็นได้

"การถ่ายภาพด้วยแสงจะทนทุกข์ทรมานอย่างมากเมื่อคุณเข้าไปในเนื้อเยื่อลึก แม้จะเกิน 1 มิลลิเมตร คุณยังได้รับการกระเจิงด้วยแสงเป็นจำนวนมาก นี่เป็นปัญหาใหญ่" Ajoy กล่าว "ข้อดีที่นี่คือการถ่ายภาพสามารถทำได้ในความถี่วิทยุและแสงออปติคัลโดยใช้ตัวติดตามเพชรเดียวกัน MRI รุ่นเดียวกับที่คุณใช้สำหรับการถ่ายภาพภายในคนสามารถใช้สำหรับการถ่ายภาพอนุภาคเพชรเหล่านี้ได้แม้ในขณะที่ลายเซ็นแสงเรืองแสง กระจัดกระจายไปหมด"

การตรวจจับการหมุนของนิวเคลียร์

Ajoy มุ่งเน้นไปที่การปรับปรุง NMR ซึ่งเป็นวิธีที่แม่นยำมากในการระบุโมเลกุล และ MRI คู่หูด้านการถ่ายภาพทางการแพทย์ ด้วยความหวังว่าจะลดต้นทุนและลดขนาดของเครื่องจักร ข้อจำกัดประการหนึ่งของ NMR และ MRI คือต้องใช้แม่เหล็กขนาดใหญ่ ทรงพลัง และมีราคาสูงในการจัดตำแหน่งหรือโพลาไรซ์สปินนิวเคลียร์ของโมเลกุลภายในตัวอย่างหรือร่างกาย เพื่อให้สามารถตรวจจับได้ด้วยคลื่นวิทยุ แต่มนุษย์ไม่สามารถทนต่อสนามแม่เหล็กที่สูงมากซึ่งจำเป็นต้องได้รับโพลาไรซ์จำนวนมากในคราวเดียว ซึ่งจะทำให้ได้ภาพที่ดีขึ้น

วิธีหนึ่งที่จะเอาชนะสิ่งนี้ได้คือการปรับสปินนิวเคลียร์ของอะตอมที่คุณต้องการตรวจจับ เพื่อให้พวกมันเรียงตัวกันในทิศทางเดียวกันมากกว่าที่จะสุ่ม ด้วยการหมุนที่เรียงกันมากขึ้น ซึ่งเรียกว่าไฮเปอร์โพลาไรเซชัน สัญญาณที่ตรวจพบโดยวิทยุจะแรงขึ้น และสามารถใช้แม่เหล็กที่มีกำลังน้อยกว่าได้

ในการทดลองล่าสุดของเขา Ajoy ใช้สนามแม่เหล็กที่เทียบเท่ากับแม่เหล็กติดตู้เย็นราคาถูกและเลเซอร์สีเขียวราคาไม่แพง เพื่อทำให้อะตอมของคาร์บอน-13 เกิดไฮเปอร์โพลาไรซ์ในตาข่ายคริสตัลของไมโครไดมอนด์

"ปรากฎว่าถ้าคุณส่องแสงไปที่อนุภาคเหล่านี้ คุณสามารถปรับการหมุนของพวกมันให้อยู่ในระดับที่สูงมาก - ประมาณสามถึงสี่คำสั่งของขนาดที่สูงกว่าการจัดตำแหน่งการหมุนของสปินในเครื่อง MRI" Ajoy กล่าว "เมื่อเทียบกับ MRI ของโรงพยาบาลทั่วไปซึ่งใช้สนามแม่เหล็ก 1.5 เทสลา คาร์บอนจะถูกโพลาไรซ์อย่างมีประสิทธิภาพเหมือนกับที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก 1,000 เทสลา"

เมื่อเพชรถูกกำหนดเป้าหมายไปยังตำแหน่งเฉพาะในเซลล์หรือเนื้อเยื่อ - โดยแอนติบอดี ตัวอย่างเช่น ซึ่งมักใช้กับตัวติดตามเรืองแสง - สามารถตรวจพบได้ทั้งโดยการถ่ายภาพ NMR ของ C-13 ที่มีไฮเปอร์โพลาไรซ์และการเรืองแสงของช่องว่างไนโตรเจน ศูนย์กลางในเพชร เพชรที่มีไนโตรเจนจากตำแหน่งว่างได้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นในฐานะตัวติดตามสำหรับการเรืองแสงเพียงอย่างเดียว

"เราแสดงให้เห็นลักษณะเด่นที่สำคัญอย่างหนึ่งของอนุภาคเพชรเหล่านี้ ความจริงที่ว่าพวกมันหมุนโพลาไรซ์ ดังนั้นจึงสามารถเรืองแสงได้สว่างมากในเครื่อง MRI แต่พวกมันยังเรืองแสงด้วยสายตา" เขากล่าว "สิ่งเดียวกันที่ทำให้พวกมันมีโพลาไรซ์สปินก็ช่วยให้พวกมันเรืองแสงได้"

เครื่องติดตามเพชรยังมีราคาไม่แพงและใช้งานได้ง่าย Ajoy กล่าว การพัฒนาใหม่เหล่านี้ร่วมกันอาจทำให้มีเครื่องสร้างภาพ NMR ราคาไม่แพงบนโต๊ะทำงานของนักเคมีทุกคน ปัจจุบัน มีเพียงโรงพยาบาลขนาดใหญ่เท่านั้นที่สามารถซื้อ MRI ในราคาหลักล้านได้ ปัจจุบันเขากำลังทำงานเกี่ยวกับเทคนิคอื่นๆ เพื่อปรับปรุง NMR และ MRI รวมถึงการใช้อนุภาคเพชรไฮเปอร์โพลาไรซ์เพื่อสร้างไฮเปอร์โพลาไรซ์โมเลกุลอื่นๆ