Новости химической науки > Магнитный резонанс для отдельных ядер

Исследователи из США достигли нижних пределов возможностей спектроскопии ЯМР – они разработали методику, позволяющую детектировать спин одного отдельно взятого ядра атома.

Результаты работы открывают широкие возможности для проведения экспериментов ядерного магнитного резонанса на отдельных молекулах, что, в перспективе позволит разработать метод изучения строения сложных молекулярных комплексов, как например, комплексы белков – в настоящее время существующие методики недостаточно чувствительны для изучения таких комплексных систем.

Уже некоторое время известно, что дефекты определенного типа в кристаллической решетке алмаза – центры азотных вакансий [vacancy (NV) centres], могут представлять собой исключительно чувствительные магнетометры. Азотная вакансия представляет собой атом азота, заместивший атом углерода в кристаллической решетке алмаза; такая замена приводит к образованию вакансии (дырки). Квантовое спиновое состояние азотных вакансий отличается от состояний атомов углерода алмаза, эти дефекты являются эмиттерами люминесцентного излучения. Люминесценция азотной вакансии связана с ее спиновым состоянием, которое, в свою очередь, может модулироваться с помощью магнитного поля. Таким образом, изменения интенсивности люминесценции могут использоваться для мониторинга изменений локального магнитного поля.

Рисунок из Phys. Rev. Lett., 2014, 113, 197601 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.197601)

Тем не менее, азотные вакансии находятся вдали от поверхности алмаза – на глубине около 4 нанометров, что не позволяет им обнаруживать небольшие по интенсивности возмущения магнитного поля, вызванные отдельным атомом, расположенным на поверхности.

Исследователям из группы Хонгкуна Парка (Hongkun Park) и Михаила Лукина (Mikhail Lukin) из Гарварда смогли решить эту проблему, использовав преимущества квантовых спиновых состояний электронов, естественным образом расположенных на поверхности алмаза. Как отмечает еще один из авторов исследования Алекс Сушков (Alex Sushkov) спины поверхностных электронов алмаза также чувствительны к влиянию локальных магнитных полей, и, поскольку, эти электроны, в отличие от азотных вакансий, находятся на поверхности кристалла алмаза, они могут детектировать спины отдельных ядер, приближающихся к поверхности азота.

Немаловажным является и то обстоятельство, что такие локализованные на поверхности спины могут влиять на магнитное поле расположенных поблизости азотных вакансий. Таким образом, эти спины (из-за отсутствия у них люминесценции получившие название «темные спины» - «dark spins») могут выступать в качестве «квантовых репортеров», сообщающих о незначительных изменениях в напряженности магнитного поля у поверхности кристалла алмаза.

Исследователи из Гарварда продемонстрировали, что «темные спины» могут использоваться для распознавания отдельных протонов на поверхности алмаза, причем эта информация может передаваться на азотные вакансии, которые, в свою очередь, генерируют люминесцентный отклик. Как заявляет Сушков, есть предположение о возможности изучения строения отдельной молекулы, расположенной на поверхности алмаза. Строение такого объекта можно определить, отмечая положения атомов, обладающих ядерным спином. Исследователи надеются, что такой подход может оказаться полезным для получения информации о сложных молекулах, которые пока невозможно в полных деталях изучить с помощью таких методов, как рентгеноструктурный анализ или ЯМР-спектроскопия раствора.

Источник: Phys. Rev. Lett., 2014, 113, 197601 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.197601)

метки статьи: #аналитическая химия, #молекулярные устройства, #физическая химия, #химия твердого тела