Quantensensor aus Diamant

Schärfere Bilder bei der Magnetresonanztomographie

Moleküle verraten sich durch ihren magnetischen Fingerabdruck. Einem Team um Prof. Jörg Wrachtrup von der Universität Stuttgart gelang es nun, mit Hilfe eines atomaren Quantensensors aus Diamant molekulare Signaturen mit einer billionenfach verbesserten Empfindlichkeit zu detektieren.

Mit grünem Laserlicht beleuchteter Diamant

Mit grünem Laserlicht beleuchteter Diamant. Aufgrund des Fluoreszenzlichts der in ihm befindlichen Quantensensoren leuchtet er rot. | Universität Stuttgart/ PI3

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.

Weiterentwicklung des Quantensensors

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.

Radiologie

Der Artikel stellt die meist enutzten Sequenzen, deren Aufbau und Funktion vor. Bevor wir uns aber mit den Sequenzen beschäftigen, wiederholen wir kurz die Grundlagen.

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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.

Auflösung von MRT entscheidend verbessert

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 Magnetresonanztomographen 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. (idw, red)

 

Literatur:

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