磁気共鳴力顕微鏡

磁気共鳴力顕微鏡（MRFM ）は、ナノメートルスケール、そして将来的には原子スケールで磁気共鳴画像（MRI ）を取得する画像化技術です。MRFMは、 X線結晶構造解析やタンパク質核磁気共鳴分光法では観察できないタンパク質構造を観察できる可能性があります。この技術を用いて、単一電子の磁気スピンの検出が実証されています。現在のMRFM顕微鏡の感度は、病院で使用されている医療用MRIの100億倍です。

基本原則

MRFM のコンセプトは、磁気共鳴画像法(MRI) と原子間力顕微鏡(AFM)のアイデアを組み合わせたものです。従来の MRI では、磁場勾配内の共鳴核スピンまたは電子スピンを感知するためのアンテナとして誘導コイルを使用します。MRFM では、強磁性(鉄コバルト) 粒子を先端に付けたカンチレバーを使用して、サンプルのスピンと先端の間の変調されたスピン勾配力を直接検出します。磁性粒子は、カンチレバー磁気測定法を使用して特性評価されます。強磁性チップがサンプルに近づくと、原子の核スピンがそれに引き寄せられ、カンチレバーに小さな力が発生します。次に、スピンが繰り返し反転し、カンチレバーが同期してゆっくりと前後に揺れます。この変位が干渉計(レーザービーム) で測定され、サンプルの一連の 2D 画像が作成されます。これらの画像が組み合わされて 3D 画像が生成されます。干渉計は、カンチレバーの共鳴周波数を測定します。より小さな強磁性粒子とより柔らかいカンチレバーは、信号対雑音比を向上させます。誘導コイル方式とは異なり、MRFMの感度は、デバイスとサンプルの寸法が小さくなるにつれて、有利に増加します。

信号対雑音比はサンプルサイズに反比例するため、MRFMが有効なスケールではブラウン運動が主なノイズ源となります。そのため、MRFM装置は極低温で冷却されます。MRFMは、タンパク質の構造をその場で決定するために特別に考案されました。

マイルストーン

MRFMイメージングの基本原理とこの技術の理論的可能性は、1991年に初めて説明されました。^{[ 1 ]}最初のMRFM画像は、1993年にIBMアルマデン研究センターで、常磁性物質ジフェニルピクリルヒドラジルのバルクサンプルを使用して、1μmの垂直解像度と5μmの横方向解像度で取得されました。^{[ 2 ]}空間解像度は2003年にナノメートルスケールに達しました。 ^{[ 3 ]}単一電子の磁気スピンの検出は2004年に達成されました。^{[ 4 ]} 2009年にIBMとスタンフォードの研究者は、吸着炭化水素のナノメートル厚の層上のタバコモザイクウイルス粒子をイメージングし、10ナノメートルを超える解像度を達成したと発表しました。^{[ 5 ]}

参考文献

1. JA Sidles (1991). 「単一陽子磁気共鳴の非誘導検出」.応用物理学論文集. 58 (24): 2854–6 . Bibcode : 1991ApPhL..58.2854S . doi : 10.1063/1.104757 .
2. O. Zuger & D. Rugar (1993). 「磁気共鳴力顕微鏡による初の画像」.応用物理学レターズ. 63 (18): 2496–8 . Bibcode : 1993ApPhL..63.2496Z . doi : 10.1063/1.110460 .
3. S. Chao; W. Dougherty; J. Garbini; J. Sidles (2003). 「ナノメートルスケール磁気共鳴画像法」. Review of Scientific Instruments . 75 (5): 1175–81 . Bibcode : 2004RScI...75.1175C . doi : 10.1063/1.1666983 .
4. D. Rugar; R. Budakian; H. Mamin; B. Chui (2004). 「磁気共鳴力顕微鏡による単一スピン検出」. Nature . 430 ( 6997): 329–32 . Bibcode : 2004Natur.430..329R . doi : 10.1038/nature02658 . PMID 15254532. S2CID 4346337 .  
5. CL Degen; M. Poggio; HJ Mamin ; CT Rettner & D. Rugar (2009). 「ナノスケール磁気共鳴画像法」 . PNAS . 106 (5): 1313–7 . Bibcode : 2009PNAS..106.1313D . doi : 10.1073/ pnas.0812068106 . PMC 2628306. PMID 19139397 .  

外部リンク

• ワシントン大学量子システム工学および MRFM ホームページ、https://web.archive.org/web/20060430032748/http://courses.washington.edu/goodall/MRFM/。
• 磁気共鳴力顕微鏡、http://www.medgadget.com/archives/2005/04/magneticresonan.html Wayback Machineに 2007-10-22 にアーカイブされています。
• Degen CL, Poggio M, Mamin HJ, Rettner CT, Rugar D (2009年1月12日). 「ナノスケール磁気共鳴画像法」 . PNAS . 106 ( 5): 1313–7 . Bibcode : 2009PNAS..106.1313D . doi : 10.1073/pnas.0812068106 . PMC  2628306. PMID  19139397 .
  • 「研究者ら、現在のMRIより1億倍も解像度の高い顕微鏡を開発」 Phys.org 、 2009年1月13日。
• 「IBMチーム、MRI解像度を向上」 BBCニュース、2009年1月13日。 2009年1月14日閲覧。
• レビュー記事：M. Poggio and CL Degen, Nanotechnology 21, 342001 (2010), Poggio, M.; Degen, CL (2010). 「力検出型核磁気共鳴：最近の進歩と将来の課題」. Nanotechnology . 21 (34) 342001. arXiv : 1006.3736 . Bibcode : 2010Nanot..21H2001P . doi : 10.1088/ 0957-4484 /21/34/342001 . PMID 20671365. S2CID 10028988 .