اورشلیم، ۳ ژوئن ۲۰۲۵ (TPS-IL) — در یک تحول چشمگیر، دانشمندان اسرائیلی و آلمانی دستگاهی برای تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) ساختهاند که قادر به تفکیک ویژگیهایی به کوچکی یک میلیاردم متر است؛ مقیاسی به اندازه کافی دقیق برای تصویربرداری اتمهای منفرد در یک مولکول. این پیشرفت اولین بار است که تصویربرداری تشدید مغناطیسی به وضوح در مقیاس نانومتر در شرایط دمای اتاق دست مییابد.
دستگاههای متداول MRI بیمارستانی با وضوحی حدود ۰.۱ میلیمتر کار میکنند که برای تصویربرداری از بدن انسان به صورت برش کافی است، اما برای تجسم ساختارهای مولکولی بسیار نادقیق است. تلاشهای پیشین برای کوچکسازی MRI به مقیاس نانو به شرایط فوقالعادهای مانند دماهای برودتی متکی بود یا فاقد حساسیت و وضوح لازم برای تشخیص اتمهای منفرد بود.
این پیشرفت که توسط لیورا شین لوبومیرسکی، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه دکتر آمیت فینکلر از مؤسسه علوم وایزمن رهبری شد، در مجله علمی معتبر کامونیکیشنز فیزیکس منتشر شده است.
فینکلر گفت: «این دستگاه به ما قدرت تفکیک ساختار مولکولهای منفرد را میدهد، چیزی که پیش از این به سادگی امکانپذیر نبود. این فقط یک بهبود نیست، بلکه بازتعریفی از آنچه MRI میتواند انجام دهد.»
دکتر راینر اشتور و دکتر آندری دنیسنکو از دانشگاه اشتوتگارت آلمان، و دکتر یاردن مازور از دانشگاه تلآویو نیز در این تحقیق مشارکت داشتند.
برای غلبه بر موانع، دانشمندان چندین نوآوری را ترکیب کردند. ابتدا، نوع جدیدی از مولد میدان مغناطیسی را توسعه دادند. این دستگاه با استفاده از یک رسانای طلایی با الگوی شاهماهی بر روی نوک کوارتز، شیب مغناطیسی فوقالعادهای را هنگام اعمال جریان الکتریکی تولید میکند. این شیب – ۱۰۰۰ تسلا بر متر، در مقایسه با تنها ۰.۱ تسلا بر متر در دستگاههای MRI استاندارد – ۱۰,۰۰۰ برابر قویتر است و به دستگاه اجازه میدهد بین اتمهایی که تنها میلیاردم متر از هم فاصله دارند، تمایز قائل شود.
فینکلر توضیح داد: «نکته کلیدی افزایش قدرت مطلق میدان مغناطیسی نبود، بلکه افزایش شدت تغییر آن با فاصله بود. این شیب به ما امکان میدهد تا برای هر اتم، فرکانس تشدید منحصر به فردی را اختصاص دهیم، حتی زمانی که آنها بسیار نزدیک به هم هستند.»
این تیم همچنین پیشرفت قابل توجهی در استفاده از مراکز نیتروژن-جای خالی (NV) در الماس مصنوعی، که به عنوان حسگرهای کوانتومی فوقالعاده حساس عمل میکنند، داشت. پیش از این، مراکز NV میتوانستند حضور اتمهای مجاور را تشخیص دهند اما قادر به تمایز بین آنها نبودند؛ آنها صرفاً سیگنال را میانگینگیری میکردند. شیب مغناطیسی جدید این وضعیت را تغییر میدهد و به طور مؤثر به هر اتم یک «امضای» منحصر به فرد میدهد که مرکز NV میتواند آن را بخواند.
لوبومیرسکی گفت: «پیش از این، ما نمیتوانستیم سیگنالهای اتمهای هیدروژن مختلف در یک مولکول را جدا کنیم. اکنون، هر اتم هیدروژن بر اساس موقعیت خود در فرکانس مشخصی ظاهر میشود و به ما امکان میدهد تصویری با وضوح بالا از مولکول بازسازی کنیم.»
یکی دیگر از جنبههای نوین این سیستم این است که میدان مغناطیسی به صورت الکترونیکی کنترل و قابل سوئیچ شدن است. از آنجایی که میدان توسط جریان الکتریکی و نه یک آهنربای ثابت ایجاد میشود، میتوان آن را در تنها ۰.۶ میکروثانیه روشن و خاموش کرد. این کنترل در صورت نیاز، تداخل در طول اسکن را کاهش میدهد و امکان انجام اندازهگیریهای دقیقتر را فراهم میکند.
به طور مهم، این سیستم در دمای اتاق کار میکند، برخلاف بسیاری از روشهای رقیب که نیاز به دماهای انجماد دارند. فینکلر گفت: «یک دستگاه نانو-MRI با استفاده از روشی که ما پیشنهاد کردیم، قادر خواهد بود مواد را در همان شرایطی که در دنیای واقعی استفاده میشوند، بررسی کند. این یک گام بزرگ رو به جلو برای علم پایه و کاربردهای صنعتی است.»
پیامدها به ویژه برای صنایع دارویی و مواد امیدوارکننده است. امروزه، تکنیکهای تشدید مغناطیسی در حال حاضر برای تأیید خلوص و ترکیب داروها استفاده میشوند، اما تنها در نمونههای حجمی. نانو-MRI جدید میتواند به محققان اجازه دهد تا مولکولهای منفرد را آزمایش کنند، نیاز به نمونه را به شدت کاهش داده و جدول زمانی توسعه را تسریع کند.
در صنعت داروسازی، اسکن مولکولهای منفرد به محققان اجازه میدهد تا ساختار دقیق، چیدمان و خلوص مواد فعال یک دارو را تأیید کنند.
برای مواد پیشرفته مانند ابررساناها، کاتالیزورها یا نانومواد، درک نحوه چیدمان اتمهای منفرد حیاتی است. این دستگاه امکان تأیید ساختاری در سطح اتمی را با سطحی از جزئیات بیسابقه فراهم میکند.
علاوه بر این، توانایی تشخیص و تمایز مولکولهای منفرد، این فناوری را برای تشخیص ترکیبات ردیابی، مانند مواد منفجره، مواد مخدر یا سموم، در کاربردهای پزشکی قانونی یا امنیتی امیدوارکننده میسازد.
فینکلر گفت: «این آغاز فصل جدیدی در تصویربرداری مولکولی است. ما اکنون مسیری برای نقشهبرداری از ماده در مقیاس اتمی داریم – به سرعت، به طور تمیز و در دمای اتاق.
