Resonancia magnética nuclear detectada ópticamente por encima y por debajo del campo magnético terrestre

Sven Bodenstent

Dr. Morgan W. Mitchell Dr. Michael Tayler

Estos co-directores son el Dr. Morgan W. Mitchell y el Dr. Michael Tayler, dentro del grupo de investigación “Atomic Quantum Optics” en el ICFO.

La resonancia magnética nuclear (RMN) y su aplicación médica, la resonancia magnética (RM), son herramientas indispensables en la medicina y la investigación modernas. Sin embargo, estas técnicas se basan en complejos imanes superconductores criogénicos, lo que las hace caras y, a menudo, inaccesibles, especialmente en entornos con recursos limitados. Esta tesis presenta un enfoque innovador que mantiene un alto rendimiento a la vez que elimina la necesidad de infraestructura costosa. La plataforma experimental desarrollada durante esta investigación se ha publicado con éxito bajo el nombre de NMRduino y ya está lista para su desarrollo comercial, con el potencial de democratizar el acceso a esta tecnología crucial a nivel mundial. Esta tesis doctoral describe la teoría, las simulaciones, los aparatos experimentales y las mediciones de la dinámica del espín nuclear utilizando magnetómetros de bombeo óptico en regímenes magnéticos no convencionales. Esta tesis se divide en cuatro partes: magnetometría, espectroscopia de resonancia magnética nuclear, dispersión de relajación nuclear y control del espín nuclear. La sección de magnetometría describe cómo, mediante la integración de técnicas de intercambio de espín de CC sin relajación y magnetómetros de RF, se ha desarrollado un magnetómetro ampliamente sintonizable que ofrece una respuesta casi plana de CC a unos pocos kHz con una sensibilidad de menos de 20 fT √Hz. En este rango, supera las capacidades de los métodos de detección inductiva y elimina la necesidad de temperaturas criogénicas requeridas en dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID). En la siguiente sección, el magnetómetro se utiliza para realizar experimentos de espectroscopia de resonancia magnética nuclear en sistemas de espín nuclear acoplados. Se realiza un análisis exhaustivo para encontrar el campo magnético que proporciona la determinación más precisa de la constante de acoplamiento J. Se muestra que algunos sistemas en el régimen de campo ultrabajo ofrecen ventajas en comparación con los regímenes de campo cero y alto. Un factor clave en la elección del campo magnético es la fuerte dependencia de la relajación del espín nuclear en el campo. Esta dependencia se explora en la tercera parte de esta tesis en el rango no convencional de campos ultrabajos, con una discusión de coherencias persistentes de larga duración y el impacto de correlaciones extendidas en la dinámica molecular. Este estudio se realiza experimentalmente adaptando el método establecido de ciclado de campo rápido a campos ultrabajos y combinándolo con detección óptica. La parte final de esta tesis se centra en mejorar la manipulación de la dinámica de espín nuclear mediante métodos avanzados que garantizan un control de espín selectivo, eficiente, preciso y a prueba de errores. Los campos ultrabajos tienen atributos únicos que dificultan la implementación incluso de técnicas básicas como los pulsos resonantes selectivos de espín. Para abordar esto, se han desarrollado nuevos conceptos que permiten un control de espín efectivo en el rango de campos ultrabajos similar o incluso mejor que sus contrapartes de campo alto. La efectividad de estas secuencias de pulsos mejoradas se demuestra con experimentos de desacoplamiento dinámico, polarimetría y filtrado espectral.

Impacto esperado: más allá de las imágenes Si bien las imágenes médicas representan una aplicación principal, el potencial de nuestra tecnología de RMN se extiende mucho más allá de los diagnósticos clínicos y ofrece capacidades transformadoras en múltiples sectores: Análisis químico y control de calidad  Monitoreo de procesos en tiempo real en entornos industriales sin requerir infraestructura compleja  Control de calidad en fabricación farmacéutica, lo que permite el análisis en línea de formulaciones de medicamentos  Monitoreo ambiental, incluida la evaluación de la calidad del agua y la detección de contaminantes  Aplicaciones de la industria alimentaria para análisis de composición y verificación de autenticidad Investigación biológica  Monitoreo no invasivo de procesos celulares y actividades metabólicas  Integración con dispositivos microfluídicos para aplicaciones de chips de laboratorio  Análisis en tiempo real de cultivos de tejidos y sistemas microfisiológicos  Soporte para la investigación de bioingeniería mediante capacidades de RMN compactas y accesibles Aplicaciones industriales  Control de procesos en fabricación química  Garantía de calidad en las industrias del petróleo y los polímeros  Investigación y desarrollo de ciencia de materiales  Pruebas de campo portátiles para estudios geológicos  El funcionamiento de la batería permite una verdadera portabilidad y operación en ubicaciones remotas Aplicaciones de investigación avanzada  Investigación en física fundamental que explora fenómenos cuánticos  Desarrollo de nuevas técnicas de hiperpolarización  Investigación de dinámica molecular en campos ultrabajos  Nuevos métodos espectroscópicos para sistemas moleculares complejos El presente proyecto aborda problemas sin resolver que amplían el alcance de la RMN dentro y más allá del mercado clínico. El objetivo a largo plazo es permitir aplicaciones de resonancia magnética de alta calidad sin campos fuertes, lo que podría beneficiar a sectores adyacentes de cultivo de tejidos, microfisiología, bioingeniería y fluídica basada en chips. A través del desarrollo continuo y la innovación impulsada por la comunidad, anticipamos expandir las capacidades de la plataforma para enfrentar los desafíos emergentes en estos diversos campos.

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