Sensores cuánticos que mejoran la sensibilidad de la resonancia magnética

La resonancia magnética nuclear (RMN) es una técnica que se encuentra detrás de numerosas aplicaciones, como las imágenes médicas, la neurociencia, o la detección de drogas y explosivos. Con la ayuda de sensores cuánticos, la resonancia magnética nuclear ha sido adaptada para trabajar en el régimen de la nanoescala, lo que le ha dotado de potencial para tener impacto en diversas disciplinas, como las ciencias de la vida, la biología o la medicina, y para proporcionar mediciones de precisión y sensibilidad incomparables.

En particular, “esperamos que la combinación de sensores cuánticos y de técnicas de desacoplamiento dinámico permita la obtención de imágenes por resonancia magnética nuclear de biomoléculas individuales”, comentan los autores, entre los que se encuentran el Dr. Jorge Casanova (investigador Ikerbasque) y el Profesor Ikerbasque Enrique Solano del grupo Quantum Technologies for Information Science (QUTIS) del Departamento de Química Física de la UPV/EHU (España), junto con investigadores del CSIC y la Universidad de Ulm (Alemania) . Esta resonancia magnética nuclear mejorada gracias a las propiedades de la física cuántica “será capaz de resolver estructuras químicas que aparecen en pequeñas muestras, incluso de picolitros, y de producir biosensores y agentes de contraste altamente eficaces dando lugar a una sensibilidad sin precedentes. Todo esto proporcionará nuevos conocimientos sobre estructura, dinámica y función de biomoléculas y procesos biológicos”, añaden.

En este contexto, una herramienta fundamental para mejorar la sensibilidad de los sensores cuánticos es la aplicación de grandes campos magnéticos “que lo que harán es polarizar nuestras muestras, ampliar su señal magnética y aumentar la coherencia cuántica”, señalan. Esta estrategia se utiliza, por ejemplo, en la obtención de imágenes por resonancia magnética, donde el cuerpo humano es sometido a grandes campos magnéticos generados por bobinas superconductoras. Sin embargo, aparecen problemas fundamentales cuando una muestra determinada es sometida a campos magnéticos altos, ya que estas oscilan muy rápido y nuestros sensores cuánticos no son capaces de seguirlas y por lo tanto de obtener una señal clara”.

Sensor cuántico para resonancia magnética nuclear. (Foto: Jorge Casanova-UPV/EHU)

En el trabajo publicado en la revista Physical Review Letters, los autores han desarrollado un protocolo que permite a un sensor cuántico medir los espines nucleares y electrónicos en muestras arbitrarias, incluso cuando se encuentran en grandes campos magnéticos. Estos métodos utilizan además radiación de microondas de baja potencia que produce un impacto mínimo en muestras de interés biológico.

“Nuestro protocolo es robusto y requiere menos energía que las técnicas convencionales. Esto no solo extiende el régimen de funcionamiento del sensor a campos magnéticos más fuertes, sino que también evita el calentamiento de las muestras biológicas que se produciría al utilizar otros protocolos con alta intensidad de radiación. Como consecuencia, este trabajo abre una nueva línea de investigación y allana el camino para el uso seguro de la resonancia magnética nuclear en la nanoescala para el estudio de muestras biológicas y grandes biomoléculas”, destacan los autores. (Fuente: UPV/EHU)