قام علماء معهد وايزمان بتطوير طريقة التصوير بالرنين المغناطيسي النانوية التي تسمح بتصوير الجزيئات الفردية في درجة حرارة الغرفة
تتمتع فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي التي نعرفها جميعًا في المستشفيات بدقة تبلغ حوالي عُشر الملليمتر، وهي الدقة التي تجعل من الممكن "تصوير" شرائح رقيقة للغاية من داخل الجسم، من الرأس إلى أخمص القدمين، وتشخيص العديد من الأمراض. ومع ذلك، فإن هذا القرار ليس كافيا على الإطلاق للعلماء الذين يسعون إلى دراسة بنية الجزيئات الفردية. تكنولوجيا جديدة تم تطويرها في مختبر الدكتور. أميت فينكلر يتيح تطوير تقنية جديدة من معهد وايزمان للعلوم، بقيادة طالبة الدكتوراه ليورا شين لوبوميرسكي، إجراء فحص التصوير بالرنين المغناطيسي بدقة تصل إلى جزء من مليار من المتر أو حتى أعلى. الاكتشاف الذينُشر في المجلة العلمية فيزياء الاتصالات يتسارع السباق لتطوير جهاز تصوير بالرنين المغناطيسي النانوي الذي يمكنه التمييز بين جميع الجزيئات الصغيرة التي تشكل جزيئًا واحدًا وإنتاج صور أكثر تفصيلاً من أي وقت مضى للجزيئات الفردية التي يمكن استخدامها في صناعات المواد والأدوية.
لتصوير جسم الإنسان في سلسلة من الصور المتتالية، يطبق جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي مجالًا مغناطيسيًا يتغير تدريجيًا (تدرج) على طول الجسم. تعتمد عملية التصوير بالرنين المغناطيسي على الخاصية المغناطيسية للجسيمات الأولية التي تتكون منها جميع الذرات في الطبيعة، والمعروفة باسم "الدوران". ومن المعتاد أن نفكر في الأمر باعتباره دورانًا حول محور، يشبه القمة الدوارة. يدور "الدوران" بتردد - عدد من "الدورات" في الثانية - يسمى التردد الرنيني وهو ما يقيسه جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي. يعتمد التردد الرنان على نوع الجسيم الذي يتم قياسه وحجم المجال المغناطيسي المحيط به. عندما يتغير المجال المغناطيسي على طول الجسم، يتغير أيضًا تردد الرنين، وبالتالي يميز جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي بين شرائح الجسم. كلما كان التغيير في المجال المغناطيسي أكبر، كلما كان من الممكن تقسيم الجسم إلى شرائح أرق. ولكن هل يمكن أيضًا استخدام المجال المغناطيسي المتدرج لفصل وتمييز الجسيمات التي تشكل جزيئًا واحدًا؟
في مختبر الدكتور فينكلر في قسم الفيزياء الكيميائية والبيولوجية في المعهد تم تطوير طريقة لفحص التصوير بالرنين المغناطيسي يعتمد على الماس الصناعي. يوجد داخل الماس عيب صغير بحجم ذرة واحدة يسمى "مركز النيتروجين الشاغر"، وهو يعمل كمستشعر يغير شدة الضوء الأحمر الذي ينبعث منه، اعتمادًا على دوران الجسيمات حوله. وتكمن ميزة المركز الخالي من النيتروجين في أنه حساس لإشارات ضعيفة للغاية، مثل جسيم واحد يقع على بعد 50 مليار جزء من المتر منه. لكن عيبه حتى الآن هو أن دقته منخفضة: عندما يكون هناك عدة جسيمات في محيطه، فإنه لا يميز بينها، ويغير الضوء المنبعث وفقًا للخصائص المتوسطة لجميع الجسيمات في النطاق. ولذلك، لم يكن من الممكن تسجيل الذرات الفردية التي تشكل الجزيء باستخدام هذا المستشعر.
وفي الدراسة الجديدة، قام فريق البحث بتطوير جهاز جديد يقوم بتوليد مجال مغناطيسي متدرج. يعتمد الجهاز على طرف من الكوارتز مطلي بموصل ذهبي على شكل حرف H. عندما يمر تيار كهربائي عبر سلك، يتم إنشاء مجال مغناطيسي متغير حوله: بالقرب من زوايا الحيوان، تكون التغيرات في المجال المغناطيسي أقوى وتضعف تدريجيًا كلما ابتعدت عنها. يوضح لوبوميرسكي قائلاً: "إن التغيرات في المجال المغناطيسي تسبب تغيرات في تردد الرنين للذرات اعتمادًا على موقعها في الجزيء". إذا كان المستشعر سابقًا غير قادر على فصل وتحديد مواقع عدة ذرات هيدروجين في مواقع مختلفة حوله، فسيكون لجسيم الهيدروجين الآن في كل منطقة تردد رنين مختلف. لاحقًا، سيتسنى تجميع الصور التي تكشف المواقع المختلفة في صورة كاملة للجزيء.
لا تنظر إلى الميدان، بل إلى التغيير فيه.
يوضح الدكتور فينكلر قائلاً: "إن الفهم الذي أدى إلى هذا التطور الجديد هو أنه من الممكن تحقيق تدرج قوي للغاية حتى لو ظلت القيمة المطلقة للمجال المغناطيسي صغيرة". "على الرغم من أن مجالنا أصغر بكثير من مجال جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي التجاري، فإن تدرجه - أي الدرجة التي يتغير بها كدالة للمسافة من الجهاز - أكبر بكثير." "بهذه الطريقة تمكنا من الوصول إلى دقة تبلغ واحدًا من مليار من المتر، ونحن نعتقد أن الجهاز يسمح بدقة أعلى من ذلك، بحيث يكون لديه الدقة المطلوبة لمسح بنية جزيء واحد."
ومن بين التطورات الأخرى التي يقدمها الجهاز الجديد مقارنة بأنظمة استشعار الماس السابقة هي القدرة على تشغيل المجال المغناطيسي وإيقافه عند الطلب وفي فترة قصيرة تبلغ 0.6 مليون من الثانية. هذه الميزة ممكنة لأن المجال لا يتم إنشاؤه بواسطة مغناطيس ولكن بواسطة تيار كهربائي يمكن تشغيله وإيقافه بشكل متقطع. يقول الدكتور فينكلر: "إن القدرة على تشغيل المجال المغناطيسي وإيقافه بسرعة تضمن تدخلاً أقل ومسحًا أكثر دقة".
إن القدرة على إنتاج صور حادة للجزيئات لها أهمية كبيرة في صناعات المواد والأدوية. في الوقت الحاضر، يتم فحص كل دواء يتم إنتاجه باستخدام اختبارات الرنين المغناطيسي، والغرض من ذلك هو التأكد من أن الدواء يحتوي فقط على المادة المطلوبة في البنية والترتيب الجزيئي الصحيح الذي لا يضر بالإنسان. ومع ذلك، تتطلب الاختبارات الحالية كمية كبيرة من العينات - وهو أمر يصعب الحصول عليه، وخاصة في مراحل التطوير - ولا يمكن إجراؤها في درجة حرارة الغرفة، كما أن دقتها ليست عالية بشكل خاص. ويؤكد الدكتور فينكلر قائلاً: "سيكون جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي النانوي الذي يستخدم الطريقة التي اقترحناها قادرًا على العمل في درجة حرارة الغرفة وبالتالي فحص بنية المواد في نفس الظروف التي يتعين عليها العمل فيها عمليًا". "سيوفر هذا الجهاز أيضًا صورة أكثر تفصيلاً لبنية الجزيء وسيتيح فحص عينة أصغر حجمًا وأقل تكلفة بشكل كبير تحتوي على جزيئات فردية من مادة ما." وبالإضافة إلى ذلك، ربما يتمكن هذا الجهاز من الكشف عن سبب تصرف المواد أحيانًا بشكل مختلف في العالم الحقيقي عما هو متوقع بناءً على الاختبارات المعملية، وما إذا كانت هناك اختلافات غير معروفة بين المواد التي تبدو متطابقة.
د. ياردن مازور من جامعة تل أبيب؛ وشارك في الدراسة أيضًا الدكتور راينر ستوهر والدكتور أندريه دينيسينكو من جامعة شتوتغارت في ألمانيا.
