Ressonància magnètica nuclear detectada òpticament per sobre i molt per sota del camp magnètic terrestre

Sven Bodenstent

Dr. Morgan W. Mitchell Dr. Michael Tayler

tesi co-dirigida pel Dr. Morgan W. Mitchell i Dr. Michael Tayler., dins del grup de recerca “Atomic Quantum Optics” a l'ICFO.

La ressonància magnètica nuclear (RMN) i la seva aplicació mèdica, la ressonància magnètica (RMN), són eines indispensables en la medicina i la recerca modernes. Tanmateix, aquestes tècniques es basen en imants superconductors criogènics complexos, cosa que les fa cares i sovint inaccessibles, especialment en entorns amb recursos limitats. Aquesta tesi presenta un enfocament innovador que manté un alt rendiment alhora que elimina la necessitat d'una infraestructura costosa. La plataforma experimental desenvolupada durant aquest treball de recerca s'ha publicat amb èxit amb el nom de NMRduino i ara està llesta per al desenvolupament comercial, amb el potencial de democratitzar l'accés a aquesta tecnologia crucial a nivell mundial. Aquesta tesi doctoral descriu la teoria, les simulacions, l'aparell experimental i les mesures de la dinàmica d'espín nuclear mitjançant magnetòmetres bombats òpticament en règims magnètics no convencionals. Aquesta tesi es divideix en quatre parts: magnetometria, espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear, dispersió de relaxació nuclear i control d'espín nuclear. La secció de magnetometria descriu com, integrant tècniques d'intercanvi d'espín de CC sense relaxació i magnetòmetres de RF, s'ha desenvolupat un magnetòmetre àmpliament sintonitzable que ofereix una resposta gairebé plana des de CC fins a uns pocs kHz amb una sensibilitat inferior a 20 fT √Hz. En aquest rang, supera les capacitats dels mètodes de detecció inductiva i elimina la necessitat de temperatures criogèniques necessàries en dispositius superconductors d'interferència quàntica (SQUID). A la següent secció, el magnetòmetre s'utilitza per realitzar experiments d'espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear en sistemes d'espín nuclear acoblats. Es realitza una anàlisi exhaustiva per trobar el camp magnètic que dóna la determinació més precisa de la constant d'acoblament J. Es demostra que alguns sistemes en el règim de camp ultrabaix ofereixen avantatges en comparació amb els règims de camp zero i alt. Un factor clau en l'elecció del camp magnètic és la forta dependència de la relaxació de l'espín nuclear del camp. Aquesta dependència s'explora a la tercera part d'aquesta tesi en el rang no convencional de camps ultrabaixos, amb una discussió de les coherències persistents de llarga durada i l'impacte de les correlacions esteses en la dinàmica molecular. Aquest estudi es realitza experimentalment adaptant el mètode establert de ciclatge de camp ràpid a camps ultrabaixos i combinant-lo amb la detecció òptica. La part final d'aquesta tesi se centra en millorar la manipulació de la dinàmica de l'espín nuclear mitjançant mètodes avançats que garanteixen un control de l'espín selectiu, eficient, precís i a prova d'errors. Els camps ultrabaixos tenen atributs únics que fan que fins i tot tècniques bàsiques com els polsos ressonants selectius d'espín siguin difícils d'implementar. Per solucionar-ho, s'han desenvolupat nous conceptes que permeten un control d'espín eficaç en el rang de camp ultrabaix similar o fins i tot millor que els seus homòlegs de camp alt. L'eficàcia d'aquestes seqüències de polsos millorades es demostra amb experiments de desacoblament dinàmic, polarimetria i filtratge espectral.

Impacte previst: més enllà de les imatges Tot i que les imatges mèdiques representen una aplicació primària, el potencial de la nostra tecnologia RMN s'estén molt més enllà dels diagnòstics clínics, oferint capacitats transformadores en múltiples sectors: Anàlisi química i control de qualitat  Monitorització de processos en temps real en entorns industrials sense requerir una infraestructura complexa  Control de qualitat en la fabricació farmacèutica, permetent l'anàlisi en línia de formulacions de fàrmacs  Monitorització ambiental, inclosa l'avaluació de la qualitat de l'aigua i la detecció de contaminants  Aplicacions de la indústria alimentària per a l'anàlisi de la composició i la verificació de l'autenticitat Recerca biològica  Monitorització no invasiva de processos cel·lulars i activitats metabòliques  Integració amb dispositius microfluídics per a aplicacions de xips de laboratori  Anàlisi en temps real de cultius de teixits i sistemes microfisiològics  Suport per a la recerca en bioenginyeria mitjançant capacitats de RMN compactes i accessibles Aplicacions industrials  Control de processos en la fabricació de productes químics  Assegurament de la qualitat en les indústries del petroli i els polímers  Recerca i desenvolupament en ciència de materials  Proves de camp portàtils per a estudis geològics  El funcionament amb bateria permet una veritable portabilitat i funcionament en ubicacions remotes Aplicacions de recerca avançades  Recerca en física fonamental que explora fenòmens quàntics  Desenvolupament de noves tècniques d'hiperpolarització  Investigació de la dinàmica molecular a camps ultrabaixos  Nous mètodes espectroscòpics per a sistemes moleculars complexos El present projecte aborda problemes sense resoldre que amplien l'abast de la RMN dins i més enllà de l'àmbit clínic mercat. L'objectiu a llarg termini és permetre aplicacions de ressonància magnètica d'alta qualitat sense camps forts, cosa que podria beneficiar sectors adjacents de cultiu de teixits, microfisiologia, bioenginyeria i fluïdica basada en xips. Mitjançant el desenvolupament continu i la innovació impulsada per la comunitat, preveiem ampliar les capacitats de la plataforma per afrontar els reptes emergents en aquests diversos camps.

Ressonància Magnètica Nuclear (RMN); Imatges per Ressonància Magnètica (RMN); Imants Superconductors Criogènics; Infraestructura Costosa; Alt Rendiment; Plataforma Experimental; RMNduino; Desenvolupament Comercial; Democratitzar l'Accés; Tecnologia Crucial; Tesi Doctoral; Teoria; Simulacions; Aparell Experimental; Mesures; Dinàmica d'Espí Nuclear; Magnetòmetres Bombejats Òpticament; Règims Magnètics No Convencionals; Magnetometria; Espectroscòpia de Ressonància Magnètica Nuclear; Dispersió de Relaxació Nuclear; Control d'Espí Nuclear; Tècniques d'Intercanvi d'Espí de CC Sense Relaxació; Magnetòmetres de RF; Magnetòmetre Ajustable; Resposta Plana; Sensibilitat; Mètodes de Detecció Inductiva; Temperatures Criogèniques; Dispositius Superconductors d'Interferència Quàntica (SQUID); Sistemes d'Espí Nuclear Acoblats; Camp Magnètic; Constant d'Acoblament J; Camp Ultrabaix (ULF); Camp Zero; Camp Alt; Relaxació d'Espí Nuclear; Coherències Persistents de Llarga Durada; Correlacions Esteses; Dinàmica Molecular; Cicle de Camp Ràpid; Detecció Òptica; Manipulació; Mètodes Avançats; Polsos Ressonants Selectius d'Espí; Nous Conceptes; Control de spin eficaç; Seqüències de polsos millorades; Desacoblament dinàmic; Polarimetria; Filtratge espectral