Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Extrem hochaufgelöste Magnetresonanztomografie

17.10.2014

Zum ersten Mal konnten Wissenschaftler mittels Magnetresonanztomografie ein einziges Wasserstoffatom nachweisen. Damit wird die räumliche Auflösung der Technik massiv gesteigert. Künftig könnte sie auch verwendet werden, um Proteinstrukturen aufzuklären.

Mit einem üblichen, in der Klinik zum Einsatz kommenden Magnetresonanztomografen (englisch: MRI) können Details bis zu etwa einem Zehntel Millimeter sichtbar gemacht werden, zum Beispiel in Querschnittsbildern des menschlichen Körpers.

Wissenschaftler der ETH Zürich sind gemeinsam mit Kollegen der Universität Leipzig daran, diese Auflösung massiv zu steigern – auf die Grösse eines einzelnen Atoms, was etwa eine Million Mal kleiner ist. Mit einem von ihnen selbst entwickelten MRI-Gerät ist es ihnen erstmals gelungen, auf der Oberfläche eines Diamanten ein einzelnes Wasserstoffatom nachzuweisen.

Möglich war diese bedeutende Steigerung der Auflösung, weil die Forschenden unter der Leitung von Christian Degen, Professor am Laboratorium für Festkörperphysik der ETH Zürich, in ihrem MRI-Gerät eine andere Messtechnik verwendeten als in üblichen Magnetresonanztomografen im Spital.

In den bekannten Spitalgeräten wird die Magnetisierung der Atomkerne im menschlichen Körper mit einer elektromagnetischen Spule induktiv gemessen. «Die räumliche Auflösung dieser Technik ist heute weitgehend optimiert. Aus physikalischen Gründen lässt sich die Auflösung nicht mehr stark steigern», erklärt Degen. Die Wissenschaftler massen in ihrem Experiment die Magnetisierung hingegen mit einem neuartigen Diamantsensor in einer optischen Messanordnung mit einem Fluoreszenzmikroskop.

Fehlstelle im Diamant als Sensor

Der Sensor bestand aus einer sogenannten Stickstoff-Fehlstelle im Diamant. Dabei fehlen im sonst regelmässigen Kristallgitter an benachbarten Stellen zwei Kohlenstoffatome, wobei eines durch ein Stickstoffatom ersetzt ist. Diese Fehlstelle ist nicht nur fluoreszierend, sondern auch magnetisch, weshalb sie für extrem feine Magnetfeldmessungen geeignet ist.

Für ihr Experiment präparierten die Forschenden einen rund zwei mal zwei Millimeter grossen Diamanten so, dass einige Fehlstellen wenige Nanometer unter der Oberfläche zu liegen kamen. Über eine optische Messung der Magnetisierung konnten sie zeigen, dass sich in mehreren Fällen weitere magnetische Atomkerne in unmittelbarer Umgebung befanden.

«Die Quantenmechanik liefert dabei einen zweifelsfreien Beweis, dass es sich um einzelne Wasserstoffatomkerne handelt und nicht um eine Ansammlung mehrerer Wasserstoffatome», betont Degen. Ausserdem konnten die Wissenschaftler aus den Messdaten die Lage der magnetischen Atomkerne in Bezug zur Fehlstelle mit einer Genauigkeit von besser als einem Ångström (einem Zehnmillionstel Millimeter) eruieren.

Nano-MRI für die Strukturbiologie

«Dies ist ein wichtiger Zwischenschritt hin zur Kartierung von ganzen Molekülen», erklärt der ETH-Professor, der 2012 für seine Forschung auf dem Gebiet vom Europäischen Forschungsrat einen «ERC Starting Grant» erhielt. So möchten die Forschenden als nächstes versuchen, mit ihrem Nano-MRI-Gerät ein kleines Molekül zu vermessen. Doch auch wenn sich mit der Technik künftig eine Vielzahl von Atomen kartieren lässt, ist es weder das Ziel noch praktikabel, mit dieser Technik einen ganzen menschlichen Körper atomgenau zu kartieren.

Vielmehr ist es der Traum der Wissenschaftler, die Technik dereinst zur Aufklärung der räumlichen Struktur von Biomolekülen wie zum Beispiel Proteinen zu verwenden. Derzeit verwenden Wissenschaftler für Proteinstrukturaufklärung meist die Röntgenkristallografie. Dazu werden allerdings Kristalle gebraucht, die aus Milliarden von identischen Molekülen bestehen. Proteine zu kristallisieren ist jedoch vielen Fällen schwierig.

Erreichen die ETH-Physiker ihr Ziel, würde für die Bestimmung der Struktur im Prinzip ein einzelnes Molekül genügen. Ein weiterer Vorteil von Nano-MRI ist, dass man Atome durch Isotope gezielt markieren kann. Dies würde Biologen helfen, Fragestellungen zur Funktion von Proteinen besser untersuchen zu können.

Literaturhinweis

Loretz M, Rosskopf T, Boss JM, Pezzagna S, Meijer J, Degen CL: Single proton spin detection by diamond magnetometry. Science, Online-Veröffentlichung vom 16. Oktober 2014, doi: 10.1126/science.1259464

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2014/10/extrem-hoc...

Peter Rüegg | ETH Zürich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizintechnik:

nachricht Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken
28.03.2017 | Technische Universität Braunschweig

nachricht Neue Hoffnung für Leberkrebspatienten
24.03.2017 | Universitätsklinikum Regensburg (UKR)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizintechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird...

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Organisch-anorganische Heterostrukturen mit programmierbaren elektronischen Eigenschaften

29.03.2017 | Energie und Elektrotechnik

Klein bestimmt über groß?

29.03.2017 | Physik Astronomie

OLED-Produktionsanlage aus einer Hand

29.03.2017 | Messenachrichten