Un imageur de résonance magnétique miniature en diamant

Le développement des tumeurs commence par de minuscules changements au sein des cellules du corps ; la diffusion des ions à la plus petite échelle est déterminante pour la performance des batteries. Jusqu’à présent, la résolution des méthodes d’imagerie conventionnelles n’a pas été suffisante pour représenter ces processus en détail.

Une équipe de recherche dirigée par l’Université Technique de Munich (TUM) a développé des capteurs quantiques en diamant qui peuvent être utilisés pour améliorer la résolution en imagerie magnétique.

La résonance magnétique nucléaire : un outil précieux

La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une méthode d’imagerie importante en recherche qui peut être utilisée pour visualiser les tissus et les structures sans les endommager. Cette technique est mieux connue dans le domaine médical sous le nom d’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), où le patient est déplacé dans un trou d’un grand aimant sur une table.

L’appareil d’IRM crée un champ magnétique très fort qui interagit avec les minuscules champs magnétiques des noyaux d’hydrogène dans le corps. Comme les atomes d’hydrogène sont répartis d’une manière particulière parmi les différents types de tissus, il devient possible de différencier les organes, les articulations, les muscles et les vaisseaux sanguins.

Les méthodes de RMN peuvent également être utilisées pour visualiser la diffusion de l’eau et d’autres éléments. La recherche implique par exemple souvent d’observer le comportement du carbone ou du lithium afin d’explorer les structures des enzymes ou les processus dans les batteries.

Des capteurs en diamant pour une meilleure résolution

« Les méthodes de RMN existantes fournissent de bons résultats, par exemple lorsqu’il s’agit de reconnaître des processus anormaux dans les colonies de cellules », déclare Dominik Bucher, professeur de détection quantique à la TUM. « Mais nous avons besoin de nouvelles approches si nous voulons expliquer ce qui se passe dans les microstructures à l’intérieur des cellules individuelles. »

L’équipe de recherche a produit un capteur quantique en diamant synthétique à cet effet.

« Nous enrichissons la couche de diamant, que nous fournissons pour la nouvelle méthode de RMN, avec des atomes spéciaux d’azote et de carbone déjà pendant la croissance », précise le Dr Peter Knittel de l’Institut Fraunhofer pour la physique des solides appliquée (IAF).

Après la croissance, l’irradiation électronique détache des atomes de carbone individuels du réseau cristallin parfait du diamant. Les défauts résultants s’organisent à côté des atomes d’azote – un centre de vacance d’azote a été créé. Ces vacances ont des propriétés quantiques spéciales nécessaires pour la détection.

Des capteurs quantiques réussissent le premier test

L’état quantique des centres de vacance d’azote interagit avec les champs magnétiques. « Le signal d’IRM de l’échantillon est alors converti en un signal optique que nous pouvons détecter avec un haut degré de résolution spatiale », explique le Professeur Bucher.

Pour tester la méthode, les scientifiques de la TUM ont placé une puce microscopique avec des canaux d’eau microscopiques sur le capteur quantique en diamant. « Cela nous permet de simuler les microstructures d’une cellule », ajoute t-il. Les chercheurs ont réussi à analyser la diffusion des molécules d’eau à l’intérieur de la microstructure.

En synthèse

En conclusion, les chercheurs souhaitent développer davantage la méthode pour permettre l’étude des microstructures dans des cellules vivantes individuelles, des sections de tissus ou la mobilité des ions de matériaux en couches minces pour les applications de batteries.

« La capacité des techniques de RMN et d’IRM à détecter directement la mobilité des atomes et des molécules les rend absolument uniques par rapport aux autres méthodes d’imagerie », déclare le Prof. Maxim Zaitsev de l’Université de Fribourg. « Nous avons maintenant trouvé un moyen d’améliorer significativement leur résolution spatiale, qui est actuellement souvent jugée insuffisante. »

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la résonance magnétique nucléaire (RMN) ?

La RMN est une méthode d’imagerie importante en recherche qui peut être utilisée pour visualiser les tissus et les structures sans les endommager. Elle est mieux connue dans le domaine médical sous le nom d’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM).

Qu’est-ce qu’un capteur quantique en diamant ?

Un capteur quantique en diamant est un dispositif développé par une équipe de recherche de l’Université Technique de Munich (TUM) pour améliorer la résolution en imagerie magnétique.

Comment fonctionne un capteur quantique en diamant ?

Le capteur est enrichi avec des atomes spéciaux d’azote et de carbone pendant sa croissance. Après la croissance, l’irradiation électronique détache des atomes de carbone individuels du réseau cristallin parfait du diamant, créant des défauts qui ont des propriétés quantiques spéciales nécessaires pour la détection.

Comment les capteurs quantiques en diamant améliorent-ils la résolution de l’IRM ?

L’état quantique des centres de vacance d’azote interagit avec les champs magnétiques. Le signal d’IRM de l’échantillon est alors converti en un signal optique qui peut être détecté avec un haut degré de résolution spatiale.

Quelles sont les applications futures des capteurs quantiques en diamant ?

Les chercheurs souhaitent développer davantage la méthode pour permettre l’étude des microstructures dans des cellules vivantes individuelles, des sections de tissus ou la mobilité des ions de matériaux en couches minces pour les applications de batteries.

Légende illustration principale : Le professeur Dominik Bucher utilise des défauts dans le diamant (centres NV) comme capteurs quantiques pour la spectroscopie RMN à l’échelle nanométrique et microscopique. Son groupe de recherche travaille à l’interface unique entre la détection quantique et la (bio)chimie avec des approches interdisciplinaires de la physique quantique appliquée, de la synthèse chimique et de la biophysique. L’objectif principal est de réaliser des spectroscopies RMN à des échelles de longueur très réduites – de la nanoscience et de la science des surfaces à la microfluidique et à la biologie unicellulaire. Credit : Andreas Heddergott / TUM

Article : « Imaging local diffusion in microstructures using NV-based pulsed field gradient NMR » – DOI: 10.1126/sciadv.adh3484