13.05.2015 - Universität Basel

Durchbruch in der Messtechnik?

Erstmals theoretisch bewiesen: Kernspin-Messung von biologischen Proben

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.

Fakten, Hintergründe, Dossiers

  • Universität Basel
  • Swiss Nanoscience Institute
  • Kernspintomographie

Mehr über Universität Basel

  • News

    Dehnung verändert die elektrischen Eigenschaften von Graphen

    Die elektrischen Eigenschaften von Graphen lassen sich durch eine gleichmässige Dehnung des Materials gezielt verändern, berichten Forschende der Universität Basel. Das ebnet den Weg für die Entwicklung neuartiger elektronischer Bauteile. Graphen besteht aus einer einzigen Schicht von Kohl ... mehr

    Neue Substanzklasse für Redox-Reaktionen

    Ein interdisziplinäres Forscherteam stellt eine neue Klasse chemischer Verbindungen vor, die reversibel oxidiert und reduziert werden kann. Die sogenannten «Pyrazinacene» sind einfache, stabile Verbindungen, die aus einer Reihe stickstoffhaltiger Kohlenstoffringe bestehen. Sie eignen sich f ... mehr

    Die künstliche Zelle auf einem Chip

    Forschende der Universität Basel haben ein exakt kontrollierbares System entwickelt, um biochemische Reaktionskaskaden in Zellen nachzuahmen. Sie nutzen die Mikrofluid-Technik um Mini-Reaktionscontainer aus Polymeren herzustellen, die sie mit den gewünschten Eigenschaften ausstatten. Nützli ... mehr

q&more – die Networking-Plattform für exzellente Qualität in Labor und Prozess

q&more verfolgt den Anspruch, aktuelle Forschung und innovative Lösungen sichtbar zu machen und den Wissensaustausch zu unterstützen. Im Fokus des breiten Themenspektrums stehen höchste Qualitätsansprüche in einem hochinnovativen Branchenumfeld. Als moderne Wissensplattform bietet q&more den Akteuren im Markt einzigartige Networking-Möglichkeiten. International renommierte Autoren repräsentieren den aktuellen Wissenstand. Die Originalbeiträge werden attraktiv in einem anspruchsvollen Umfeld präsentiert und deutsch und englisch publiziert. Die Inhalte zeigen neue Konzepte und unkonventionelle Lösungsansätze auf.

> mehr zu q&more

q&more wird unterstützt von: