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Erstmals theoretisch bewiesen: Kernspin-Messung von biologischen Proben

12.05.2015

Physiker der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts haben erstmals theoretisch gezeigt, dass sich Kernspins ganzer Moleküle durch den Einsatz magnetischer Teilchen bei Zimmertemperatur messen lassen.

Die Forscher beschreiben in «Nature Nanotechnology» eine neuartige experimentelle Anordnung, mit der die winzigen magnetischen – bisher nicht messbaren – Felder der Kernspins von einzelnen Biomolekülen erstmals erfasst werden könnten. Mithilfe dieses Konzepts liesse sich die medizinische Diagnostik wie auch die Analyse biologischer und chemischer Proben entscheidend verbessern.

Die Messung von Kernspins findet bereits in der medizinischen Diagnostik (Kernspintomografie) 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 verschiedener Sensortypen (SQUID- und Hall-Sensoren) und mit Magnetresonanzmikroskopen lassen sich heute 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.

Diamantkristalle mit winzigen Fehlern

Die Basler Physiker untersuchen nun 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 sogenannten 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.

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.

Durchbruch in der Messtechnik?

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», kommentiert Daniel Loss diese jüngste Veröffentlichung, zu der Erstautor Dr. Luka Trifunovic, Postdoc in seinem Team, massgeblich beigetragen hat und die in Zusammenarbeit mit Kollegen vom JARA Institute for Quantum Information (Aachen, Deutschland) und der Harvard University (Cambridge, USA) entstanden ist.

Orginalbeitrag
Luka Trifunovic, Fabio L. Pedrocchi, Silas Hoffman, Patrick Maletinsky, Amir Yacoby, and Daniel Loss
High-efficiency resonant amplification of weak magnetic fields for single spin magnetometry at room temperature
Nature Nanotechnology (2015), doi: 10.1038/nnano.2015.74

Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Daniel Loss, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 61 267 37 49, E-Mail: daniel.loss@unibas.ch

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2015.74 - Abstract
http://quantumtheory.physik.unibas.ch/people/loss/ - Forschungsgruppe Prof. Daniel Loss

Reto Caluori | Universität Basel
Weitere Informationen:
http://www.unibas.ch

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