Kernspin-Messung von biologischen Proben
Kernspins ganzer Moleküle lassen sich durch Einsatz magnetischer Teilchen bei Zimmertemperatur messen.
Die Messung von Kernspins findet in der medizinischen Diagnostik – Stichwort Kernspintomografie – breite Anwendung. Allerdings benötigen die heute zur Verfügung stehenden Geräte Milliarden von Atomen zur Analyse und sind daher nicht für alle Forschungszwecke geeignet. Weltweit erforschen Wissenschaftler daher seit Jahrzehnten verschiedene Methoden, um die Messung der Kernspin-Magnetfelder zu verbessern und so empfindlichere Methoden zu entwickeln. Mithilfe verschiedener Sensortypen – SQUID- und Hall-Sensoren – und mit Magnetresonanz-Mikroskopen lassen sich bereits Spins einzelner Elektronen nachweisen und darauf basierend Darstellungen im Nanometer-Bereich erzielen. Die detaillierte Analyse einzelner Kernspins aus komplexen biologischen Proben lässt sich allerdings immer noch nicht erreichen.
Physiker der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts untersuchen den Einsatz von Sensoren aus Diamanten, die in ihrer Kristallstruktur winzige Fehler aufweisen. Im Kristallgitter des Diamanten ist ein Kohlenstoffatom durch ein Stickstoffatom ersetzt. In direkter Nachbarschaft dazu befindet sich eine Leerstelle. Diese Stickstoff-Vakanz-Zentren erzeugen Spins, die für die Messung von Magnetfeldern bestens geeignet sind. Bei Raumtemperatur erreichen die Forscher mit NV-Zentren innerhalb weniger Millisekunden eine so gute Auflösung, dass die dreidimensionale Darstellung einer Nanostruktur oder eines einzelnen Moleküls möglich ist. Um diese Empfindlichkeit zu erreichen, müssen sich die NV-Zentren allerdings in unmittelbarer Nähe zur Probe befinden, was bei biologischem Material nicht möglich ist.
Ein winziges ferromagnetisches Teilchen, das zwischen Probe und NV-Zentrum platziert wird, kann dieses Problem beheben. Wird nämlich der Kernspin der Probe mit einer spezifischen Resonanz angetrieben, so ändert sich die Resonanz des ferromagnetischen Teilchens. Mithilfe des NV-Zentrums, das sich in direkter Nähe des Teilchens befindet, erfassen die Wissenschaftler diese veränderte Resonanz. Die theoretischen Berechnungen und experimentellen Ansätze der Forscher zeigen, dass der Einsatz der ferromagnetischen Teilchen zu einer zehntausendfachen Verstärkung des zu messenden Kernspin-Magnetfeldes führen könnte. „Ich bin zuversichtlich, dass sich unser Konzept bald in die Praxis umsetzen lässt und zu einem Durchbruch in der Messtechnik führt“, sagt Team-Mitglied Daniel Loss. Mithilfe des Konzepts ließe sich die medizinische Diagnostik wie auch die Analyse biologischer und chemischer Proben entscheidend verbessern.
UB / RK
