Инженеры из Гарвардского университета разработали и изготовили чипы, предназначенные для систем ядерной магнитно-резонансной спектроскопии (nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy), настолько маленькие, что их даже тяжело рассмотреть невооруженным глазом. Этот кремниевый чип, размером 2 на 2 миллиметра, является самой маленькой на сегодняшний день NMR-системой, которая может стать основой сверхкомпактного устройства, способного определить наличие бактерий определенного типа или клеток раковой опухоли в испытуемых образцах, послужить в качестве средства контроля качества на химических и фармацевтических производственных линиях.
NMR-спектроскопия служит для определения химического строения различных органических молекул и является распространенным инструментом для исследований белков, для разработки новых лекарственных препаратов и для контроля качества выпускаемого продукта в нефтеперерабатывающей и химической промышленности. В основе работы этой технологии лежит выравнивание вращения ядер атомов при помощи внешнего статического магнитного поля и раскачка колебаний этих ядер при помощи радиочастотных сигналов определенного диапазона и формы. На определенных частотах, которые соответствуют частотам резонанса ядер атомов различных элементов, эти ядра сами становятся источником радиосигнала, улавливаемого чувствительным приемником NMR-устройства.
Обычные NMR-установки, при помощи которых производится анализ состава и строения сложных молекул, используют громоздкие электрические магниты со сверхпроводящими обмотками. В более простых установках, имеющих низкую разрешающую способность, таких как установки ядерной магнитно-резонансной томографии, используются постоянные магниты, сила которых меньше силы электрических магнитов.
Но, в случае создания компактной NMR-установки, за счет значительного сокращения рабочих расстояний, для получения весьма высокой разрешающей способности и высокой чувствительности вполне достаточно использования компактного, но сильного постоянного магнита. Но, для сокращения рабочих расстояний требуется и сокращение размеров электронной части устройства, и это то, чего удалось добиться группе из Гарвардского университета, возглавляемой профессором физики Донхи Хэм (Donhee Ham). Им удалось поместить на поверхность чипа, площадью в 4 квадратных миллиметра, схему передатчика, приемника, предварительной обработки, усиления сигнала и некоторые другие электронные узлы. А все NMR-устройство, в котором использован такой чип, имеет размеры, сопоставимые с размером кулака человека, правда использовать его в ручном режиме не получится из-за достаточно большого веса постоянных магнитов.
Основная проблема, с которой пришлось столкнуться инженерам при миниатюризации NMR-устройства, заключается в том, что сила магнитного поля, вырабатываемого миниатюрными постоянными магнитами, сильно зависит от температуры окружающей среды. В традиционных NMR-устройствах эта проблема решается при помощи чисто механической компенсации температурных колебаний за счет перемещения положения постоянных магнитов. Вместо этого, инженеры из Гарварда использовали специализированные процессоры для цифровой обработки аналоговых сигналов (DSP-процессоры), что позволило им добиться исключительно точной компенсации колебаний температуры окружающей среды, что в свою очередь обеспечило высокую разрешающую способность созданного ими портативного NMR-устройства.