Projekta nosaukums: Malārijas hemozoīna individuālu biokristālu dinamiska attēlošana ar magnētiskā lauka kvantu sensoriem

Projekta pieteikuma numurs: 1.1.1.5/20/A/001

Projekta īstenošanas termiņš: 24 mēneši, 14.07.2020.–30.06.2022.

Projekta kopējais finansējums: 152202.24 EUR, no tā ERAF atbalsta apjoms – 129371.90 EUR, valsts budžeta finansējums – 22830.34 EUR.

Projekta zinātniskais vadītājs: prof. Mārcis Auziņš

Projekta vadošais pētnieks: Dr. fiz. Iļja Feščenko

Projekta mērķis:

Izgatavot dimanta kvantu sensorus hemozoīna kristālu magnētiskā lauka attēlošanai līdz diviem mikrometriem attālumā un optimizēt mērīšanas procedūru ātrai dinamiskai detektēšanai.

Projekta galvenās darbības:

D1 – Dimanta kvantu sensoru izgatavošana un raksturojums,
D2 – Magnētiskā mikroskopa būvēšana un uzlabošana,
D3 – Magnētiskā lauka koncentrēšana un tā homogenitātes uzlabošana,
D4 – Klaidlauku no galīga izmēra magnētiskajām daļiņām teorētiskie pētījumi un modelēšana,
D5 – Šķidrumā suspendētu hemozoīna kristālu magnētiskā attēlošana, izmantojot mikrofluidiskās sistēmas.

Projekta galvenie sasniedzamie rezultāti:

Oriģināli zinātniskie raksti, kas publicēti Web of Science vai SCOPUS (A vai B) datubāzēs iekļautos žurnālos vai konferenču rakstu krājumos – raksti; no tiem oriģināli zinātniskie raksti, kas publicēti žurnālos vai konferenču rakstu krājumos, kuru citēšanas indekss sasniedz vismaz 50 procentus no nozares vidējā citēšanas indeksa – 2 raksti

Projektu pieteikumu sagatavošana un iesniegšana – 1 projekta pieteikums

Projekta darbības un paveiktais dotajā̄ atskaites periodā:

Darbība 4 – Klaidlauku no galīga izmēra magnētiskajām daļiņām teorētiskie pētījumi un modelēšana.

  • Izstrādātais automatizētais algoritms, kas nosaka paramagnētisko daļiņu magnētiskās nobīdes un izmērus, ir veiksmīgi pārbaudīts ar sausiem hemozoīna kristāliem.
  • Izstrādātais automatizētais algoritms, kas nosaka paramagnētisko daļiņu magnētiskās nobīdes un izmērus, ir veiksmīgi pārbaudīts ar glicerīna šķidrumā suspendētiem hemozoīna kristāliem.
  • Izstrādāts algoritms pārklājumu magnetizācijas aprēķināšanai no 2D klaidlauku attēliem. Sadarbībā ar Nebraskas Universitāti (ASV) sagatavota un iesniegta publikācija “Imaging boundary magnetization of antiferromagnetic domains in epitaxial films of magnetoelectric Cr2O3 via scanning diamond magnetic probe microscopy”.
   

Darbība 5 – Šķidrumā suspendētu hemozoīna kristālu magnētiskā attēlošana, izmantojot mikrofluidiskās sistēmas.

  • Izstrādāts LabVIEW interfeiss magnētiskā mikroskopa iekārtai, kas ļauj veikt dubultfrekvenču mērījumus, kā arī sCMOS kameras un mikroviļņu parametru optimizāciju.
  • Veikta magnētiskā mikroskopa optimizācija, kuras rezultātā sasniegta iekārtas ātrdarbība, kas vairāku simtu reižu ātrāka par analogiem.
  • Izstrādāta metode suspendēto daļiņu ierobežošanai mērījumu tilpumā, izmantojot komerciāli pieejamus TEM režģus ar SiN atbalsta plēvēm.
 

Citas darbības

  • Zinātniskā publikācija par He+ implantācijas devas un karsēšanas ilguma ietekmi uz sensora jutību publicēta žurnālā Nanomaterials ar 5.7 ietekmes faktoru: https://www.mdpi.com/2079-4991/12/13/2234
  • Sagatavots un iesniegts LZP projekta pieteikums “Quantum magnetic microscopy of individual superparamagnetic nanoparticles”.

Izmaiņas veiktas 01.09.2022.

Projekta darbības un paveiktais dotajā̄ atskaites periodā:  

Darbība 1 – Dimanta kvantu sensoru izgatavošana un raksturojums. 

  • Pilnībā raksturoti trīs dimanta kvantu sensori ar 200 nm bieziem NV slāņiem, kuriem tika implantētas trīs dažādas He+ jonu devas. 
  • Zinātniskajai publikācijai sagatavotas ilustrācijas par He+ implantācijas devas un karsēšanas ilguma ietekmi uz sensora jutību. 
  • Darbības rezultāti diskutēti Lāzeru Centra NV apakšgrupas sapulcēs.  
     

    Darbība 2 – Magnētiskā mikroskopa būvēšana un uzlabošana. 
  • Sagatavota publikācija “NV microscopy of thermally controlled stresses caused by Cr2O3 thin films”, un iesniegta Physical Review B žurnālā, kā arī publicēta priekšdrukas ArXiv sistēmā: https://arxiv.org/abs/2111.12979 

 

Darbība 3 – Magnētiskā lauka koncentrēšana un tā homogenitātes uzlabošana. 

  • Izgatavots magnētiskais slēdzis - magnētu un ferītu sistēma, kas ļauj skenēt magnētisko lauku no 0 līdz 300 mT un uzlabo tā homogenitāti. 
  • Veikti mērījumi ar Holla sensoru un ar NV sensoriem kas apstiprināja uzlabotu magnētiskā lauka homogenitāti un arī tā pastiprināšanu. 
  • Sagatavota publikācija par jaunu magnētisko slēdzi un iesniegta Ultramicroscopy žurnālā, kā arī publicēta priekšdrukas ArXiv sistēmā: https://arxiv.org/abs/2112.15359 
  • Darbības rezultāti diskutēti Lāzeru Centra NV apakšgrupas sapulcēs. 

Projekta darbības un paveiktais dotajā atskaites periodā:

Darbība 1 – Dimanta kvantu sensoru izgatavošana un raksturojums.

  • Turpinās dimanta membrānas parametru mērīšana un datu apstrāde.
  • Darbības rezultāti diskutēti Lāzeru Centra NV apakšgrupas sapulcēs.

Darbība 3 – Magnētiskā lauka koncentrēšana un tā homogenitātes uzlabošana.

  • Izgatavota transmisijas iekārta magnētiskajam slēdzim.
  • Magnētiskais slēdzis ir papildināts ar soļu motoriem.
  • Tiek uzrakstīta datora vadības lietojumprogramma magnētiskajam slēdzim.

Citas darbības

  • Ar LU fonda mecenātu finansējuma palīdzību tiek iegādāta ierīce dimantu karsēšanai vakuumā. Ierīce ir uzstādītā Lāzeru Centrā.
  • Ar LU fonda mecenātu finansējuma palīdzību tiek iegādāta licence COMSOL Multiphysics skaitliskās modelēšanas videi.
  • Projekta rezultāti tika prezentēti un publicēti SPIE Optical Systems Design konferencē “Magnetic field microscopy with concentrated bias field”
  • Sagatavots un iesniegts LZP projekta pieteikums “Quantum magnetic microscopy of individual superparamagnetic nanoparticles”.
  • Sagatavots un iesniegts ERAF projekta pieteikums “Fast hysteresis detection of individual nanoparticles by a sheet of quantum sensors”.

Izmaiņas veiktas 18.10.21.

Darbība 1 – Dimanta kvantu sensoru izgatavošana un raksturojums

  • Aprēķināts optimāls NV slāņa biezums paramagnētisku nanokristālu detektēšanai attālumos līdz diviem mikrometriem.
  • Aprēķinātas implantācijas enerģijas un He+ jonu dozas vienmērīgu NV slāņu veidošanai 200 un 500 nm biezumā.
  • Aprēķinu rezultāti diskutēti Lāzeru Centra NV apakšgrupas sapulcēs, kā arī apkopoti atskaites veidā.

Darbība 2 – Magnētiskā mikroskopa būvēšana un uzlabošana

  • Izvērtētas visas laboratorijā pieejamās iekārtas, komponenti un materiāli, kas nepieciešami magnētiskā mikroskopa būvēšanai un projekta realizēšanai.
  • Iegūta gandrīz puse no trūkstošajām iekārtām, komponentiem un materiāliem.
  • Laboratorijas telpa sagatavota projekta realizācijai.
  • Uzbūvēts invertēts epifluorescences mikroskops un sagatavota atskaite par šīs darbības posma veiksmīgu realizāciju.

Izmaiņas veiktas 07.01.2021.

Darbība 1 – Dimanta kvantu sensoru izgatavošana un raksturojums.

  • Japānā iegādāts Sumicrystal dimanta substrāts kvantu sensora izgatavošanai.
  • Almax EasyLab laboratorijā dimanta substrāts sagriezts trijās 60 mikrometru biezās membrānās, kas tika pēc tam slīpētas no abām pusēm.
  • Darbības rezultāti diskutēti Lāzeru Centra NV apakšgrupas sapulcēs.

Darbība 2 – Magnētiskā mikroskopa būvēšana un uzlabošana.

  • Iegūtas visas trūkstošas iekārtas, komponenti un materiāli.
  • Optimizēta lāzera jaudas piegāde mikroskopā.
  • Iekārtā integrēts akusto-optiskais modulators darbībai impulsu režīmā.
  • Magnētiskais mikroskops pielāgots 2D attēlošanai.
  • Darbības rezultāti diskutēti Lāzeru Centra NV apakšgrupas sapulcēs, kā arī apkopoti atskaites veidā.

Projekta darbības un paveiktais dotajā̄ atskaites periodā:

Darbība 1 – Dimanta kvantu sensoru izgatavošana un raksturojums.

  • Dimanta membrānas implantētas ar He+ joniem IBS laboratorijā, Francijā.
  • Darbības rezultāti diskutēti Lāzeru Centra NV apakšgrupas sapulcēs.

Darbība 2 – Magnētiskā mikroskopa būvēšana un uzlabošana.

  • Izgatavots drošs paraugu turētājs ar divām MW antenām.
  • Magnētiskais mikroskops pielāgots darbībai impulsu režīmā ar IQ modulāciju.
  • Uzrakstīta LabVIEW vadība Rabi, T1 un T2 mērījumiem.
  • Darbības rezultāti diskutēti Lāzeru Centra NV apakšgrupas sapulcēs, kā arī apkopoti atskaites veidā.

Darbība 3 – Magnētiskā lauka koncentrēšana un tā homogenitātes uzlabošana.

  • Skaitliski modelēts aktuāls magnētiskais lauks attēlošanas sensorā un definēti sistēmas izejas parametri, kas tiks optimizēti ar koncentratoru palīdzību.
  • Izstrādāts un skaitliski izpētīts magnētiskā slēdža koncepts, kur ļauj skenēt homogenu magnētisko lauku +/-350 mT robežās.  

Darbība 4 – Klaidlauku no galīga izmēra magnētiskajām daļiņām teorētiskie pētījumi un modelēšana.

  • Izstrādāts algoritms magnētiskā lauka noteikšanai no fluorescenču attēlu sērijām, kas ir vairāk nekā 70 reiz ātrāk par iepriekš izmantoto algoritmu, kurš ir balstīts uz rezonanšu fitēšanu ar Lorenca funkciju.

Citas darbības:

  • Projekta rezultāti tika prezentēti 79. LU konferencē “Magnētiskās plūsmas pārveidošana labākai magnetometrijai”
  • Projekta rezultāti tika prezentēti 79. LU konferencē “A new view of the microworld with diamond quantum sensors”
  • Sagatavots un iesniegts ERC Starting Grant pieteikums “Diamond magnetic microscopy for parallel characterization of superparamagnetic nanoparticles”.

Izmaiņas veiktas 31.03.2021.

Projekta darbības un paveiktais dotajā̄ atskaites periodā:

Darbība 1 – Dimanta kvantu sensoru izgatavošana un raksturojums.

  • Dimanta membrānas izkarsēti vakuumā  pie temperatūras 800 grādi sadarbībā ar CFI Ķīmijas tehnoloģiju laboratoriju. 
  • Dimantā membrānām tika izmērīti ODMR  intensitātes, Rabi frekvences, T1 un T2 relaksācijas laiki.
  • Darbības rezultāti diskutēti Lāzeru Centra NV apakšgrupas sapulcēs.

Darbība 3 – Magnētiskā lauka koncentrēšana un tā homogenitātes uzlabošana.

  • No Ķīnas Iegūti jaudīgi cilindriski magnēti, kas ir diagonāli magnetizēti.
  • Uzbūvēta un veiksmīgi testēta magnētiskā slēdža izmēģinājuma iekārta.  

Darbība 4 – Klaidlauku no galīga izmēra magnētiskajām daļiņām teorētiskie pētījumi un modelēšana.

  • Izstrādāts automatizēts algoritms, kas analizē magnētiskos attēlus un ar 98% precizitāti nosaka daļiņas, kā arī nosaka paramagnētisko daļiņu magnētiskās nobīdes un izmērus.
  • Algoritms ir veiksmīgi pārbaudīts ar skaitliski modelētām nanodaļiņām.

Citas darbības

  • Apstrādāti dati par plānām plēvītēm uz dimanta, kas iegūti sadarbībā ar Dr. Andri Bērziņu, un apkopoti zinātniskās publikācijas melnrakstā.

Izmaiņas veiktas 30.06.2021.