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原子級的核磁共振造影

出處 Phys.org 作者 劉聖哲 年份 2019/09/04
報告類型 新聞報導 分類 其他 資料時間 2019年9月
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  韓國梨花女子大學「基礎科學研究所(Institute for Basic Science, IBS)」「量子奈米科學中心(Center for Quantum Nanoscience, QNS)」的研究人員近日在核磁共振造影(MRI)方面取得重大的科學突破:在與美國同行之跨國合作研究中,QNS的科學家利用他們的新技術,以前所未有的解析度掃描單一個原子的磁場,而能將單一原子顯像出來,達成迄今為止世界上最小的MRI。此一研究結果於今年7月初發表在「自然物理(Nature Physics)」期刊上。

  簡單來說,核磁共振造影原理就是令受測物體置於強大磁場中,並接受射頻(RF)脈衝能量,隨後將射頻脈衝解除,受測物體即會朝向它接受RF能量前的狀態回復並放出能量,而由感測器偵測之。由於受測物體中,不同組織之能量散發速率不一致,因而可藉此判斷不同組織的位置,據以繪製出物體內部結構之影像。將這樣的技術應用於醫學上,就發明出目前已很常見的醫用MRI。此發明更促進了醫學、神經生理學、認知神經學等得以迅速發展。目前,一張MRI的影像,是偵測到至少以數十億計原子之能量變化的合成結果。

  現在,梨花大學的研究人員竟讓單一顆原子的MRI成為可能。研究小組使用「掃描穿隧顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, STM)」,它具有一個非常非常細,尖端只有幾個原子寬的金屬探針,利用「量子穿隧效應 (quantum tunneling effect)」,探針可對物質晶體表面上原子尺度之結構進行探測,並顯微成像。

  利用STM,研究人員以前所未有的解析度,實現原子的MRI,其作法是:先讓STM探針的尖端上附著已磁化的鐵原子,這相當於把顯微鏡跟MRI技術合而為一。然後研究人員以鐵或鈦之金屬樣本作為研究對象,把探針尖端在樣本的表面掃過,致使樣本被尖端施加了磁場,而讓樣本原子其內部之電子受到擾動,此時研究者再對金屬樣本施加瞬間的RF脈衝,繼之測量電子釋放的能量,如此單一原子的影像因而得以顯現。

  研究者表示,它們的技術可以分辨出原子的類型:例如,鐵原子產生的能量信號與鈦原子所產生者就有很大的不同。也就是說,可以從不同的磁場特徵分辨出原子的種類。

  然而,如此微觀的科技到底有何用途?研究者認為:此科技不僅能分辨單一原子,還能用來觀察分子等更大粒子的特性,因此,對於蛋白質摺疊(protein folding)、新藥物開發之研究等等都有潛在的助益;此外它還能控制量子系統,這對量子計算來說,是很重大的一步。

相關資訊連接:https://www.nature.com/articles/s41567-019-0573-x