Ученые из Исследовательского Центра IBM совместно с коллегами из Стенфордского Университета сообщают о разработке нового прибора, способного воссоздавать трехмерные реконструкции объектов с наноразмерным разрешением.
Магнитно-резонансная томография является мощным инструментом для получения трехмерной картины объекта с разрешением в доли миллиметра. К сожалению, перенести этот подход в область высокоточной микроскопии не получается из-за ряда ограничений, главным образом связанных с чувствительностью детектора. Наилучшие достижения в области магнитно-резонансной микроскопии – это разрешение порядка 40 мкм3. Основная проблема здесь заключается в том, что ядерный магнетизм – относительно слабый физический эффект, и детекторы, основанные на катушке индуктивности, не могут обеспечить достаточное отношение сигнала к шуму уже для объемов микронных размеров. Следовательно, надо использовать другой принцип детектирования, решили исследователи.
Ученые продемонстрировали, что при помощи магнитно-резонансной силовой микроскопии (MRFM) можно получить трехмерное изображение биологического объекта (на примере вируса табачной мозаики, TMV) с разрешением около 4 нм. Принцип работы магнитно-резонансного силового микроскопа заключается в механическом детектировании магнитных взаимодействий между спинами ядер в образце и кончиком магнитной иглы. Устройство микроскопа изображено на рисунке 1. Образец, состоящий из отдельных вирионов TMV, был нанесен на плоский кончик ультрачувствительного кремниевого кантилевера и помещен вблизи магнитной иглы, которая создает сильно неоднородное магнитное поле. Сама магнитная игла расположена на тонкой медной проволоке, вокруг которой создается радиочастотное магнитное поле. Резонансные условия достигаются лишь в тонком полусферическом слое вокруг кончика магнитной иглы. В условиях ядерного магнитного резонанса происходит периодическое переключение спинов протонов в образце, а это, в свою очередь, приводит к колебаниям кантилевера. Эти колебания детектируются, и затем по ним воссоздается картина распределения протонов.
Результат можно увидеть на рисунке 2. Для воссоздания трехмерной картины вируса табачной мозаики было сделано четыре кадра с расстояниями 24 нм, 37 нм, 50 нм и 62 нм от кончика иглы до поверхности кантилевера. Каждый кадр содержит 60 х 32 точки. На получение одной точки уходило около одной минуты. Образец все это время находился в вакууме и в замороженном состоянии (при температуре 300 мК), поэтому, к счастью, не успел испортиться. Затем была проведена процедура восстановления трехмерного изображения, результат чего вы можете увидеть на рисунках 2С и 2D. Рядом показано изображение того же самого участка, полученное при помощи сканирующего электронного микроскопа. Ученые с особым восторгом подчеркивают, что два изображения на удивление похожи, хотя получены на основе принципиально различных методов детектирования.
Авторы работы считают, что можно внести еще ряд улучшений в способы детектирования и приготовления образца, и добиться таким образом разрешения в 1 нм и менее. Метод позволяет изучать биологические объекты и их комплексы, что особенно актуально, например, для тех белков, из которых не удается получить кристаллы и сделать структурный анализ.
Работа «Nanoscale magnetic resonance imaging» опубликована в PNAS.
Магнитно-резонансная томография является мощным инструментом для получения трехмерной картины объекта с разрешением в доли миллиметра. К сожалению, перенести этот подход в область высокоточной микроскопии не получается из-за ряда ограничений, главным образом связанных с чувствительностью детектора. Наилучшие достижения в области магнитно-резонансной микроскопии – это разрешение порядка 40 мкм3. Основная проблема здесь заключается в том, что ядерный магнетизм – относительно слабый физический эффект, и детекторы, основанные на катушке индуктивности, не могут обеспечить достаточное отношение сигнала к шуму уже для объемов микронных размеров. Следовательно, надо использовать другой принцип детектирования, решили исследователи.
Ученые продемонстрировали, что при помощи магнитно-резонансной силовой микроскопии (MRFM) можно получить трехмерное изображение биологического объекта (на примере вируса табачной мозаики, TMV) с разрешением около 4 нм. Принцип работы магнитно-резонансного силового микроскопа заключается в механическом детектировании магнитных взаимодействий между спинами ядер в образце и кончиком магнитной иглы. Устройство микроскопа изображено на рисунке 1. Образец, состоящий из отдельных вирионов TMV, был нанесен на плоский кончик ультрачувствительного кремниевого кантилевера и помещен вблизи магнитной иглы, которая создает сильно неоднородное магнитное поле. Сама магнитная игла расположена на тонкой медной проволоке, вокруг которой создается радиочастотное магнитное поле. Резонансные условия достигаются лишь в тонком полусферическом слое вокруг кончика магнитной иглы. В условиях ядерного магнитного резонанса происходит периодическое переключение спинов протонов в образце, а это, в свою очередь, приводит к колебаниям кантилевера. Эти колебания детектируются, и затем по ним воссоздается картина распределения протонов.
Результат можно увидеть на рисунке 2. Для воссоздания трехмерной картины вируса табачной мозаики было сделано четыре кадра с расстояниями 24 нм, 37 нм, 50 нм и 62 нм от кончика иглы до поверхности кантилевера. Каждый кадр содержит 60 х 32 точки. На получение одной точки уходило около одной минуты. Образец все это время находился в вакууме и в замороженном состоянии (при температуре 300 мК), поэтому, к счастью, не успел испортиться. Затем была проведена процедура восстановления трехмерного изображения, результат чего вы можете увидеть на рисунках 2С и 2D. Рядом показано изображение того же самого участка, полученное при помощи сканирующего электронного микроскопа. Ученые с особым восторгом подчеркивают, что два изображения на удивление похожи, хотя получены на основе принципиально различных методов детектирования.
Авторы работы считают, что можно внести еще ряд улучшений в способы детектирования и приготовления образца, и добиться таким образом разрешения в 1 нм и менее. Метод позволяет изучать биологические объекты и их комплексы, что особенно актуально, например, для тех белков, из которых не удается получить кристаллы и сделать структурный анализ.
Работа «Nanoscale magnetic resonance imaging» опубликована в PNAS.
