Medizindiagnostik: Verfeinerte Kernspin-Messung

13. Mai 2015
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Bisher nicht messbare biologische Moleküle könnten zukünftig von Kernspins erfasst werden. Mithilfe von Stickstoff-Vakanz-Zentren lässt sich eine Auflösung erreichen, mit der die dreidimensionale Darstellung einer Nanostruktur oder eines einzelnen Moleküls möglich ist.

Die Messung von Kernspins findet bereits in der medizinischen Diagnostik eine breite Anwendung. Allerdings benötigen die heute zur Verfügung stehenden Geräte Milliarden von Atomen zur Analyse und sind daher für verschiedene Forschungszwecke nicht geeignet. Weltweit erforschen Wissenschaftler daher bereits seit Jahrzehnten intensiv verschiedene Methoden, um die Messung der Kernspin-Magnetfelder zu verbessern und so sensitivere Methoden zu entwickeln. Mithilfe von SQUID- und Hall-Sensoren und mit Magnetresonanzmikroskopen lassen sich bereits Spins einzelner Elektronen detektieren und darauf basierend Darstellungen im Nanometerbereich erzielen. Die detaillierte Analyse einzelner Kernspins aus komplexen biologischen Proben lässt sich allerdings immer noch nicht erreichen.

Die Basler Physiker 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 (NV-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.

Mögliche zehntausendfache Verstärkung

Ein winziges ferrromagnetisches Teilchen, das zwischen Probe und NV-Zentrum platziert wird, kann dieses Problem beheben. Wird nämlich der Kernspin der Probe mit einer spezifischen Resonanz angetrieben, 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 um Prof. Daniel Loss und Prof. Patrick Maletinsky von der Universität Basel haben gezeigt, 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 damit zu einem Durchbruch in der Messtechnik führt“, so Daniel Loss. Die medizinische Diagnostik wie auch die Analyse biologischer und chemischer Proben könnten entscheidend verbessert werden.

Originalpublikation:

High-efficiency resonant amplification of weak magnetic fields for single spin magnetometry at room temperature
Luka Trifunovic et al.; Nature Nanotechnology, doi: 10.1038/nnano.2015.74; 2015

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