ה-MRI מגיע לרמה הננוסקופית: לראות וירוס בתלת ממד?

מיקרוסקופית כוח לתהודה מגנטית: “לראות” וירוס?

IBM  מביאה את טכנולוגית ה-MRI  לרמה הננוסקופית

הרפואה פוגשת את הננוטכנולוגיה במעבדות יב”ם:

This technique brings MRI capability to the nanoscale level for the first time and represents a major milestone in the quest to build a microscope that could “see” individual atoms in three dimensions. With further development, applications could include understanding how individual proteins interact with drugs for discovery and development, and analyzing computer circuits only a few atoms wide.  

“ב-1991 דן ראגר קיבל שיחת טלפון מאדם נרגש אבל לבטח חסר אונים, שהציע שקבוצת המחקר של דן ביב”ם תיקח על עצמה – ללא מימון – ניסוי במיקרוסקופ כוח כדי לגלות תהודה מגנטית. הכוחות שהוצעו היו כה זעירים, רק מיליונית מאלה שנתגלו בכל ניסוי במיקרוסקופ כוח קודם.

מחייג חסר אונים זה היה אני. והחוויה הבלתי רגילה הראשונה שלי עם דן ראגר – חוויה שרבים מהקולגות המדעיים שלי חולקים אותה – הייתה שדן לא ניתק לי, אלא במקום הקשיב בנימוס לרעיונות המוזרים האלה, ואמר שהוא יחשוב על זה.

שלושה ימים אחר כך, דן התקשר אלי חזרה והסביר שהוא חישב הכל בעצמו מהתחלה, והחליט שהניסוי היה תיאורטי בר ביצוע, והוא המציא כמה טכניקות חדשות כדי לבצעו. שיחת טלפון טכנית מאוד ויבשה זו מדן תמיד תחייה בזיכרוני כרגע קסום בקריירה המדעית שלי”.

ג’ון א. סידלס

בית הספר לרפואה

אוניברסיטת וושינגטון

   

ב-12.1.09 ה-ניו יורק טיימס יצא בכותרת הבאה:

A Breakthrough in Imaging: Seeing a Virus in Three Dimensions

 

התמונה מה-ניו יורק טיימס: קצה זרוע הקורה כאשר מודבקים עליה חלקיקי וירוס

 

כמובן שלא ניתן “לראות” וירוס בתלת-ממד, לא על ידי מיקרוסקופ המנהור סורק ולא על ידי מיקרוסקופ הכוח האטומי וגם לא על ידי הטכנולוגיה החדשה שבעזרתה ה-ניו יורק טיימס טוען שמישהו ראה לראשונה וירוס. אם כבר רק מיקרוסקופ אופטי יכול לתת לנו חוויות של ראיה ולא של עצמים כה זעירים. כל שאר המיקרוסקופים נותנים מקסימום הדמיה והמרה לדמויות בצבעים מדומים על צג המחשב של אותות חשמליים/תנודות ורטטים של היצירים האטומיים או הביולוגיים שאותם אנו למשל מכנים בשם חומר גנטי (או דנ”א) שמוקף במעטפת של חלבון.

הטכנולוגיה החדשה, שבעזרתה קבלו תמונה של הוירוס היא שילוב של טכנולוגית הדמיה בתהודה מגנטית ומיקרוסקופ הכוח האטומי בעל הרזולוציה הננוסקופית. שילוב זה עם הרזולוציה הננומטרית להדמיה תלת-ממדית סיפק את התמונה הראשונה של וירוס מוזאיקת הטבק בסדר גודל של ארבע ננומטרים:

 Nanoscale magnetic resonance imaging


  1. aIBM Research Division, Almaden Research Center, 650 Harry Road, San Jose, CA 95120; and


  2. bCenter for Probing the Nanoscale, Stanford University, 476 Lomita Mall, Stanford, CA 94305

  1. Communicated by Stuart S. P. Parkin, IBM Almaden Research Center, San Jose, CA, December 1, 2008 (received for review August 21, 2008)

Abstract

We have combined ultrasensitive magnetic resonance force microscopy (MRFM) with 3D image reconstruction to achieve magnetic resonance imaging (MRI) with resolution <10 nm. The image reconstruction converts measured magnetic force data into a 3D map of nuclear spin density, taking advantage of the unique characteristics of the “resonant slice” that is projected outward from a nanoscale magnetic tip. The basic principles are demonstrated by imaging the 1H spin density within individual tobacco mosaic virus particles sitting on a nanometer-thick layer of adsorbed hydrocarbons. This result, which represents a 100 million-fold improvement in volume resolution over conventional MRI, demonstrates the potential of MRFM as a tool for 3D, elementally selective imaging on the nanometer scale.

אם כן, יב”ם מאז ומתמיד הייתה חלוצה בהדמיה ברזולוציה מאוד גבוהה.

היא הביאה לתחום מדע חומרי פני השטח את המיקרוסקופ המנהור הסורק (ממ”ס STM) ואת המיקרוסקופ הכוח האטומי (מכ”א AFM). ועתה מאז תחילת שנות התשעים דניאל ראגר והמחלקה למחקר ננוטכנולוגי ביב”ם במרכז אלמדן יחד עם ד”ר ג’ון סידלס מאוניברסיטת וושינגטון מפתחים טכנולוגיה מעשית חדשה להדמיה של מבנים של מולקולות בודדות. טכנולוגיה זו קרויה מיקרוסקופית כוח לתהודה מגנטית magnetic resonance force microscope MRFM.

מיקרוסקופ כוח לתהודה מגנטית הוא מכשיר סריקה חדיש שמשלב יכולות הדמיה תלת-ממדיים יחד עם הדמית תהודה מגנטית MRI, שאותה אנחנו מכירים מעולם הרפואה, והוא גם בעל רגישות גבוהה ורזולוציה גבוהה כמו של מיקרוסקופ כוח אטומי. הוא יכול לאפשר מחקרים מיקרוסקופיים ברזולוציה גבוהה, לא הרסניים, וכימיים מיוחדים והדמיה של תכונות תת-משטחיות של מגוון רחב של חומרים. טכנולוגיה זו טומנת בחובה פוטנציאל ברור לרזולוציה ברמה האטומית והיא המשך ישיר של המיקרוסקופ המנהור הסורק ושל המיקרוסקופ הכוח האטומי. כמו התהודה המגנטית הרפואית, המיקרוסקופ החדש הוא באופן אינהרנטי תלת-ממדי ולא-חודרני, כלומר לא הרסני. זוהי הדמיה לא מייננת ולא מעוררת. לכן לטכנולוגיה הזו יש את הפוטנציאל האדיר למחקר של מבנים מולקולאריים בסביבה הטבעית שלהם וכמובן של חומרים מתחת לפני השטח.

בעזרת המכשיר החדש מדענים ביב”ם הצליחו לגלות את הספין של אלקטרון בודד בתוך דוגמה מוצקה:

הניסוי לגילוי הספין הבודד: המחט המגנטית היא בקצה של הקורה cantilever שעשויה מסיליקון והיא מאוד רגישה וממוקמת בערך בגובה של 125 ננומטר מעל לדוגמית SiO2 מטופלת שמכילה צפיפות נמוכה של ספינים של אלקטרונים לא מתואמים. חתך התהודה resonance slice מייצג את הנקודות בדוגמית שהם השדה מהמחט המגנטית – כולל השדה החיצוני – שתואמים לתנאי התהודה המגנטית. בעוד הקורה רוטטת חתך התהודה מתנדנד הלוך ושוב בדוגמית וגורם להיפוך ספינים וזה גורם לתזוזה קלה בתדירות של הקורה עקב הכוח המגנטי שמופעל על ידי הספין על המחט. כך באמצעות שיטה זו אפשר לבדוק אפילו ספינים בעומק של 100 ננומטרים מתחת לפני שטח הדוגמית.  

 

בנוסף, הגילוי של מיקום של אטומים מסוימים בתוך מבנים אלקטרונים זעירים עשוי לשפר משמעותית את תכנון המעגלים המשולבים והמוליכים למחצה. וכך גם צופים שהמיקרוסקופ החדש יסייע בהנדסת מערכות קוונטיות, בהנדסה ברמת הננו, במדע החומרים, בביולוגיה מולקולארית וברפואה. פוטנציאל אחד של המכשיר הוא חקירת הטבע של וירוסים כמו ה-HIV  הגורם למחלת האיידס. התקווה היא שחקירות מבניות דמויות אלה של חלבונים ומבנים מולקולאריים עשויות להוביל לפיתוח של תרופות חדשות לטיפול במחלות מסוימות.

בנוסף, ישנו פוטנציאל ליצירת חומרים ורכיבים מגנטיים חדשים בעלי יכולות ללא תקדים ורמות ביצוע שלא ידענו עליהן קודם – וכל זאת ברמת הננו. לממשקים החבויים בין הרכיבים השונים של החומרים האלה יש תפקיד מרכזי בקביעת ההתנהגות שלהם. על ידי חקירה של החומרים המגנטו-אלקטרונים תוך שימוש במיקרוסקופ הכוח לתהודה מגנטית, הוא יאפשר מחקרים ברזולוציה מאוד גבוה גם של התכונות המבניות והמגנטיות הטמונות בממשקים שבין הרכיבים.

כיצד פועל המיקרוסקופ?

מולקולה שהיא דוגמית שאותה רוצים לבחון ממוקמת על מעמד הדוגמית שמונח מתחת למחט מגנטית מאוד חדה. המחט מחוברת למה שקרוי “קנטילבר” cantilever– כלומר היא מחוברת למין קורה או מעמד. הקורה הזו מתקרבת לאיטה לעבר הדוגמית והיא מתעקמת בתגובה לכוחות המגנטיים עקב הגרעינים (הספינים) המגנטיים שנמצאים בדוגמית המולקולה. משתמשים בתהודה מגנטית כדי לתמרן גרעינים בודדים בתוך הדוגמית כאשר הם בדיוק במרחק הנכון מהמחט של המיקרוסקופ: כאשר תדירות התהודה של הגרעינים האלה תואמת לתדירות של השדה המגנטי המיושם. מתמרנים רק את הגרעינים שנמצאים בחתך התהודה.

גרדיאנט השדה המגנטי של המחט המגנטית מגדיר את הספינים או הגרעינים שיבדקו בניסוי התהודה המגנטית. תדירות התהודה של הספין היא פרופורציונית לשדה המגנטי שאותו הוא חווה. רק הספינים בתהודה מושפעים על ידי הניסוי בתהודה. כמו בתהודה מגנטית רגילה השינוי המרחבי של השדה המגנטי מאפשר לבדוק רק את הספינים האלה שתדירות התהודה שלהם תואמת לתדירות של השדה המיושם, כלומר רק את הספינים האלה שנמצאים בחתך התהודה. מיישמים שדה מגנטי בתדירות מסוימת, מה שגורם למומנט המגנטי של הגרעינים בתוך חתך התהודה לנוע מעלה ומטה ברצף.

הכוח המגנטי המופעל המשתנה הזה על המחט גורם לקורה לרטוט מעט. רטט זה מתגלה תוך שימוש באינטרפרומטר סיב אופטי רגיש. אז סורקים את הדוגמית בעזרת המחט, ומופיעה דמות של המבנה האטומי של הדוגמית על צג המחשב.

המנגנון לפיכך באופן כללי הוא: המיקרוסקופ מגלה בצורה מכנית סיגנלי תהודה מגנטית על ידי זה שהוא מודד ברגישות רבה את הכוח בין מגנט קבוע שמספק גרדיאנט שדה מגנטי ואת מגנטיזציית הספין. על ידי וויסות של מגנטיזציית הספין מווסתים בצורה מחזורית את הכוח וזה משנה את האמפליטודה של התנודה של רזונטור מיקרו-מכני בעל קבוע קפיץ נמוך (הקורה שאליה מחוברת המחט), כמו שמשתמשים בו כיום במיקרוסקופ הכוח האטומי.

 

Nanoscale Science

Image of cantilever in the  

 

IBM BRINGS MRI TECH TO THE NANOSCALE: The cantilever force sensor at the heart of IBM’s “nano-MRI” microscope measures just twelve hundredths of a millimeter in length and a tiny one ten-thousandth of a millimeter thick. IBM scientists have used this nano-MRI to visualize structures at resolution 60,000 times better than current magnetic resonance imaging technology allows. This technique brings MRI capability to the nanoscale level for the first time and represents a major milestone in the quest to build a microscope that could “see” individual atoms in three dimensions. With further development, applications could include understanding how individual proteins interact with drugs for discovery and development, and analyzing computer circuits only a few atoms wide.

  

Projects
Link to Atom-Scale Microscopy

Atom-Scale Microscopy

Link to Spin-Excitation Spectroscopy

Spin-Excitation Spectroscopy

Link to STMAFM project

STM/AFM

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s