میکروسکوپ های کوانتومی جاسوس واکنش های شیمیایی درون سلول!

میکروسکوپ های کوانتومی که از مولکول‌های الماس به‌عنوان سنسور استفاده می‌کنند، به محققان امکان بررسی رازهای مولکول‌های پیچیده در ابعاد نانو را می‌دهند. چگونگی چرخش رشته های DNA در درون سلول، عملکرد داروها و یا متابولیسم فلزات در باکتری‌ها از جمله این راز‌های مهم هستند. این میکروسکوپ‌ها قادرند بدون اینکه تداخلی در فرایند بیوشیمیایی ایجاد کنند، تصویر واضحی از یون‌های منفرد در یک محلول و نوع واکنش شیمیایی در حال وقوع در آن ارائه دهند. با دیپ لوک همراه باشید…

یافتن سیستم تصویربرداری برای بررسی ساختار های مولکولی، مانند دستگاه های تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) مورداستفاده در بیمارستان‌ها که قادر به ارائه‌ی تصویر واضحی از ساختارهای درونی بدن، بدون آسیب به بافت های آن باشد، از مهم‌ترین موضوعات موردتوجه دانشمندان در این حوزه است. ایده‌ی موردنظر، درباره MRI های کوانتومی (که از اسپین الکترون‌ها برای ارائه‌ی تصاویر کوانتومی استفاده می‌کنند) برای تصویربرداری از واکنش‌های شیمیایی به‌ویژه واکنش‌های حاوی یون‌های فلزی است. دستگاه‌های رزونانس مغناطیسی موجود تنها قادرند تا ابعاد در اندازه ی ۱۰ میکرومتر یا بیشتر را تصویربرداری نمایند. روش‌های موجود برای آشکارسازی یون‌های فلزی درون یک سلول و تصویر برداری از آنان، شامل افزودن مواد شیمیایی فعال و یا منجمد کردن سلول و سپس استفاده از میکروسکوپ های کوانتومی قدرتمند برای تصویربرداری است که در نهایت منجر به مرگ سلول می‌شود.

دستگاه‌های MRI مورد استفاده در بیمارستان‌ها، با قراردادن بیمار درون یک میدان مغناطیسی، به‌طوری که پروتون موجود در اتم‌های بدن و راستای میدان مغناطیسی اعمال شده توسط دستگاه، در یک جهت باشند، عمل می‌کنند. دستگاه با فرستادن امواج رادیویی در ناحیه‌ای از بدن که باید از آن تصویر ایجاد شود، پروتون‌های موجود را از راستای میدان اعمال‌شده، خارج می‌کند. زمانی که ارسال امواج رادیویی قطع می‌شود، پروتون‌های غیرهم‌جهت با میدان، به حالت اولیه بازگشته و امواج الکترومغناطیسی در یک فرکانس خاص را تولید می‌کنند. اگر فرکانس ساطع‌شده از بافت‌های بدن، مطابق با فرکانس حسگر دستگاه باشند، دو فرکانس مانند سیم های گیتار کوک شده، شروع به رزونانس می‌کنند. در نهایت، دستگاه از رزونانس حاصل برای ایجاد تصویر از بافت موردنظر استفاده می‌کند.

تیمی از محققان دانشگاه ملبورن استرالیا، از این روش برای آشکارسازی یون‌های فلزی درون سلول استفاده کردند. برخی از یون‌های فلزی برای سلول‌های بدن مضر هستند، در حالیکه برخی دیگر برای فعالیت‌های متابولیسمی سودمندند. یدین منظور باید از دستگاه‌های MRI، در ابعاد سیستم مورد مطالعه (سلول) بهره جست که با توجه به ابعاد سلول، در حال حاضر دست‌یافتن به چنین دستگاهی، غیرممکن به‌نظر می‌رسد.

الماس های ناقص بازیگر میکروسکوپ های کوانتومی !

برای ساختن MRI میکروسکوپ های کوانتومی  محققان از الماس های داری نقص ساختار کریستالی با قطر دو میلی متر استفاده کردند. این نقص های ساختاری به  تغییر میدان مغناطیسی حساس بوده و می‌توان آنها را وادار به رزونانس با اسپین مولکول یا یونی که آشکار می شود، نمود. وقتی این نقص ساختاری با استفاده از نور لیزر سبز فعال می‌شود، الماس در اثر فلورسانس، نور قرمز ساطع می‌کند. شدت فلورسانس الماس وابسته به قدرت و جهت میدان مغناطیسی اعمال شده است.

محققان برای بررسی‌بیشتر،  لایه‌ای از الماس های دارای نقص ساختاری استفاده نمودند. این لایه در یک مکان خاص در زیر سطح الماس، در انتهای میکروسکوپ و بعد از نمونه مورد مطالعه قرار گرفت. سپس الماس های داری نقص ساختاری وادار به رزونانس در فرکانس اسپینی مطابق با فرکانس رزونانس یون های یونیزه شده مس(II) شدند. در اثر تماس صفحات الماسی با نمونه‌ی حاوی یون های مس، رزونانس صفحه‌ی دارای ساختار های ناقص الماس موجب تحریک فلورسانس در الماس شد. محققان از برنامه‌های کامپیوتری برای تولید تصویر از رنگ‌های ایجادشده در اثر فلورسانس الماس استفاده نمودند تا مکان دقیق یون های مس را آشکار کنند.

در گام بعدی، دانشمندان با اضافه کردن اسید به نمونه موردنظر، یون های مس(II) را به یون های مس(I) احیا نمودند. به‌محض اضافه‌کردن اسید به نمونه، در تصویر حاصل، الگو های اسپینی ناشی از وجود یون های مس(II) ناپدید شدند. الگوی یون های مس(II) به دلیل تماس با مولکول های هوا بعد از یک ساعت دوباره ظاهر شد. این روش به محققان، اجازه خواهد داد تا واکنش های بیوشیمیایی را در زمان رخداد آ‌نها در سلول مشاهده کنند!

از لحاظ نظری، به دلیل غیر تهاجمی بودن این روش، امکان استفاده از آن برای بررسی فرایندهای درون سلول های زنده وجود دارد. تنها مانع موجود در این روش این است که برای تولید سیگنال مناسب، آشکارساز های الماسی باید به شکل فیزیکی به نمونه‌ی موردنظر نزدیک شوند. اما محققان این طرح بر این باورند که این روش ابزاری مناسب برای بررسی نحوه عملکرد دارو ها درون بدن انسان و یا بررسی پروتئین های موجود در غشای سلولی است. از طرفی محققان در حال تلاش برای انطباق این سیستم برای بررسی سایر یون های فلزی از جمله آهن (Fe) هستند. دانشمندان بر این باورند که طرح مورد نظر نیاز به توسعه‌ی بیشتری دارد تا بتوان از آن به شکلی کاربردی استفاده کرد اگرچه همگان آن‌ را گامی مهم در حوزه تصویربرداری در ابعاد نانو تلقی می‌کنند.

برگرفته از: scientificamerican