Schärfere Bilder bei der Magnetresonanztomographie

Herkömmliche Sensoren sind zu groß, um ein Magnetresonanzsignal aus kleinen Volumina nachzuweisen. Einzelne Moleküle wie etwa Proteine messen jedoch nur Nanometer und konnten daher bisher nicht mit dieser Methode untersucht werden. Quantensensoren im Diamant, basierend auf einzelnen Elektronenspins, schaffen hier Abhilfe.

Durch ihre atomare Größe kommt man den Molekülen bis auf wenige Nanometer nahe und steigert dadurch die Empfindlichkeit, sodass auch winzige Moleküle detektiert werden können. Bereits in früheren Untersuchungen gelang es den Stuttgarter Forschern sowie einem amerikanischen Team um H. Jonathon Mamin, das Kernspin-Signal von wenigen Nanometer kleinen Objekten nachzuweisen.

Für den Einsatz in der Praxis reichten diese Messungen jedoch noch nicht, weil sie die leicht unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, die ein Molekül aufgrund von Wechselwirkungen besitzt, nicht erfassen konnten.

Jetzt konnte der Quantensensor im Diamant weiterentwickelt und anhand der um das zehntausendfach größeren Frequenzauflösung erstmals die Zusammensetzung von zwei Molekülen in einer flüssigen Probe untersucht werden. Die Forscher haben den Quantensensor zusätzlich mit einem Quantenspeicher ausgestattet, der es ermöglichte, zwischen den Signaturen unterschiedlicher Moleküle zu unterscheiden.

Hat man die Eigenschaften bisher aus den gemittelten Fingerabdrücken vieler Moleküle abgeleitet, so erlaubt es der neuartige Sensor sogar, einzelne Moleküle wie zum Beispiel Proteine, aufzuspüren und deren Dynamik gezielt zu untersuchen.

Die Auflösung von Magnetresonanz-tomographen kann entscheidend verbessert werden, sodass diese sich zum Beispiel für die Tumorfrüherkennung einsetzen ließe. Darüber hinaus könnten Quantensensoren im Diamant bei der Miniaturisierung von Kernspin-Spektrometern eine wichtige Rolle spielen und die Anschaffungskosten erheblich reduzieren.

Originalpublikation: Nanoscale nuclear magnetic resonance with chemical resolution, N. Aslam et al., Science 10.1126/science.aam8697 (2017).

Kontakt:
Prof. Dr. Jörg Wrachtrup, Nabeel Aslam, Universität Stuttgart, 3. Physikalisches Institut Tel. 0711/685-65278, E-Mail: j.wrachtrup[at]physik.uni-stuttgart.de, n.aslam[at]physik.uni-stuttgart.de

Andrea Mayer-Grenu, Universität Stuttgart, Hochschulkommunikation, Tel.: 0711/685 82176, Mail: andrea.mayer-grenu[at]hkom.uni-stuttgart.de

http://science.sciencemag.org/content/early/2017/05/31/science.aam8697