Kernspintomographie für Nanostrukturen

Extrem empfindlicher Detektor ermöglicht räumliche Bilder von Viren

Forscher von IBM und der Stanford Universität haben mit einer neuen Art von Kernspintomographie dreidimensionale Bilder von 300 nm langen Tabakmosaikviren hergestellt. Sie erreichten dabei eine räumliche Auflösung von 4 nm. Das ist etwa 1000-mal besser als das Auflösungsvermögen der leistungsfähigsten herkömmlichen NMR-Mikroskope. In der Medizin eingesetzte Kernspintomographen können sogar nur knapp millimetergroße Strukturen sichtbar machen.  

Der von Dan Rugar und seinen Kollegen entwickelte Nano-Kernspintomograph besteht aus einem Magnetresonanz-Kraftmikroskop sowie einer 200 nm großen Magnetspitze, die von einem Magnetfeld mit ultrastarkem Gradienten umgeben ist. Eine Auswertungselektronik errechnet aus den Rohdaten des Kraftmikroskops ein räumliches Bild des untersuchten Nanoobjekts.  

Das extrem empfindliche Magnetresonanz-Kraftmikroskop, mit dem die Forscher vor einigen Jahren den Spin eines einzelnen Elektrons nachgewiesen haben, besitzt einen winzigen Arm, an dessen Spitze das zu untersuchende Objekt – ein Tabakmosaikvirus – befestigt wurde. Mit diesem Arm konnte das Objekt in dem starken Magnetfeld der feststehenden Magnetspitze umher bewegt werden. Die Kernspins der Protonen im Virus wurden durch das inhomogene Magnetfeld zur Larmor-Präzession angeregt, deren Frequenz stark ortsabhängig war.  

Mit einem elektrischen Wechselstrom, der unter der Magnetspitze hindurchfloss, wurde ein Magnetfeld im Radiofrequenzbereich erzeugt, das Kernspinresonanz hervorrief: In den Raumbereichen, wo die Larmor-Frequenz mit der Frequenz des Magnetfeldes übereinstimmte, wurden die Kernspins zur Resonanz angeregt, so dass sie periodisch ihre Ausrichtung umkehrten. Dabei entstand eine periodische Kraft, deren Frequenz auf die mechanische Resonanzfrequenz des Mikroskoparms abgestimmt war. Je nach räumlicher Dichte der in Resonanz geratenen Protonenspins zeigt der Arm mehr oder weniger starke Schwingungen, die optisch gemessen werden.  

Da der Feldgradient in der Nähe der Magnetspitze mehr als 4×10⁶ T/m war, trat Kernspinresonanz nur in einer wenige Nanometer dicken halbkugelförmigen Schicht des Raumes um die Spitze auf. Durch diese „Resonanz-Schicht“ wurde das Untersuchungsobjekt hindurchbewegt und dabei abgerastert. Aus der vom Mikroskop aufgenommenen, ortsabhängigen Stärke der Resonanz ließ sich ein dreidimensionales Bild des Virus rekonstruieren.  

Der Nano-Kernspintomograph arbeitet im Vakuum und bei einer Temperatur von 300 mK. Da durch die Probe kein elektrischer Strom fließt, können auch sehr empfindliche biologische und makromolekulare Strukturen untersucht werden, die z. B. von Rastertunnel- oder Rasterkraftmikroskopen beschädigt werden.

RAINER SCHARF  

Weitere Infos  

• Originalveröffentlichung:
  C. L. Degen et al.: Nanoscale magnetic resonance imaging. PNAS Early Edition (12.1.2009)
  http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0812068106 (frei)
• Center for Probing the Nanoscale, Stanford University:
  http://www.stanford.edu/group/cpn/index.html
• Gruppe von Martino Poggio an der Universität Basel:
  http://poggiolab.unibas.ch/
• Nanoscale Imaging bei IBM:
  http://domino.watson.ibm.com/comm/pr.nsf/pages/rsc.nanoscale.html 
  

Weitere Literatur:  

• D. Rugar et al: Single spin detection by magnetic resonance force microscopy. Nature 430, 329 (2004)
  http://dx.doi.org/10.1038/nature02658
  http://www.ee.udel.edu/~appelbau/spintronics/nature02658.pdf (frei)
• M. Poggio et al.: Nuclear magnetic resonance force microscopy with a microwire RF source. Appl Phys Lett 90, 263111 (2007)
  http://arxiv.org/abs/0705.0558

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