02.03.2023 • BiophysikMedizinphysikKernphysik

Einzelmolekül-MRT durch Quantensensoren

Mit Atomen dicht unter der Diamant-Oberfläche wollen Forscher einzelne Zellen und einzelne Moleküle ins Visier nehmen.

Die Kernspin­resonanz ist aus der medizinischen Diagnostik nicht mehr wegzudenken. Auch die Biochemie nutzt die Kernspin­resonanz, um die Struktur von Molekülen zu analysieren. Bisher ist NMR jedoch nicht sensitiv genug, um einzelne Zellen oder gar Moleküle zu detektieren. Forscher der TU Braunschweig wollen über einen alternativen Ansatz mit Quantensensoren NMR im Nanobereich ermöglichen. Das Bundes­forschungs­ministerium fördert das Projekt mit knapp fünf Millionen Euro.

Abb.: Nabeel Aslam unter­sucht einen Diamanten mit dem Mikro­skop im...
Abb.: Nabeel Aslam unter­sucht einen Diamanten mit dem Mikro­skop im Forschungs­zentrum LENA der TU Braun­schweig. (Bild: K. Rottig, TU Braun­schweig)

Die medizinische Diagnostik nutzt die Kernspin­resonanz, um etwa die Verteilung von Wasserstoff-Atomkernen im Körper zu messen. Bisher allerdings mit einer Auflösung von maximal hundert Mikrometern. Zu grob für einzelne Zellen, die nur wenige Mikrometer groß sind oder gar einzelne Moleküle, die in Nanometern gemessen werden.

Nabeel Aslam verfolgt mit seinem Team an der TU Braunschweig einen alternativen Messansatz. Mit Quanten­sensoren, die auf einzelnen Atomen im Diamanten basieren, wollen die Forscher einzelne Zellen, einzelne Moleküle und perspek­tivisch sogar den einzelnen Kernspin ins Visier nehmen. Dafür präparieren sie einzelne Atome dicht unter der Diamant­ober­fläche. Moleküle auf der Diamant­ober­fläche sind dann nur Nanometer vom Sensor entfernt, der schließlich mit Lasern ausgelesen wird. In Zusammen­arbeit mit Biologen und Chemikern soll die Technik unter anderem erstmals zur Struktur­analyse von Proteinen und zur Unter­suchung von Stoff­wechsel­prozessen in einzelnen Zellen genutzt werden.

Das Projekt „DiamondNanoNMR“ startete im Dezember 2022. Mit dem Fokus auf Quanten­sensorik setzt die Arbeits­gruppe dabei neue Impulse für das Exzellenz­cluster QuantumFrontiers und Nieder­sachsens Quanten­allianz Quantum Valley Lower Saxony.

TU Braunschweig / RK

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