In der Forschung ist die Kernspinresonanz, oder kurz NMR (vom englischen nuclear magnetic resonance), eine wichtige bildgebende Methode. Bisher ist die Auflösung der gängigen bildgebenden Verfahren aber zu gering, um beispielsweise Veränderungen innerhalb einzelner Zellen im Detail darstellen zu können. Dies wäre aber wichtig, um z.B. die Entstehung von Tumoren besser zu verstehen. Mit den NMR-Methoden können auch die Beweglichkeit von Wasser und anderer Elemente sichtbar gemacht werden. Für die Forschung wird zum Beispiel das Verhalten von Kohlenstoff oder auch Lithium beobachtet, um Strukturen von Enzymen oder Vorgänge in Batterien aufzuklären. „Die bisherigen NMR-Verfahren liefern gute Ergebnisse, um etwa auffällige Prozesse in Zellverbänden zu erkennen“, erklärt Dominik Bucher, Professor für Quantensensorik an der TUM. „Wenn wir aber zum Beispiel die Mikrostrukturen innerhalb der Zellen aufklären wollen, brauchen wir neue Ansätze.“
Quantensensor aus synthetischem Diamant
Das Forschungsteam stellte dafür einen Quantensensor aus synthetischem Diamant her. „Wir reichern die Diamantschicht, die wir für die neue NMR-Methode zur Verfügung stellen, schon beim Wachstum mit besonderen Stickstoff- und Kohlenstoffatomen an“, erklärt Dr. Peter Knittel vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF). Nach dem Wachstum löst eine Elektronenbestrahlung einzelne Kohlenstoffatome aus dem perfekten Kristallgitter des Diamanten heraus. Die entstandenen Fehlstellen ordnen sich neben den Stickstoffatomen an – ein sogenanntes Stickstofffehlstellenzentrum ist entstanden. Dieses hat spezielle quantenmechanische Eigenschaften, welche für die Sensorik wichtig sind. „Unsere Bearbeitung des Materials optimiert die Dauer der Quantenzustände, wodurch die Sensoren länger messen können“, ergänzt Knittel.
Wassermoleküle in der Mikrostruktur erfolgreich analysiert
Der Quantenzustand des Stickstofffehlstellenzentrums interagiert mit Magnetfeldern. „Das MRT-Signal der Probe wird dabei in ein optisches Signal umgewandelt, welches wir dann mit hoher räumlicher Auflösung detektieren“, erklärt Bucher. Um das Verfahren zu testen, setzten die Wissenschaftler/-innen der TUM einen Mikrochip mit Wasser gefüllten feinen Kanälen auf den Diamantquantensensor. „Damit konnten wir die Mikrostruktur in einer Zelle nachbilden“, sagt Bucher. Die Forscherinnen und Forscher konnten die Beweglichkeit von Wassermolekülen in der Mikrostruktur erfolgreich analysieren.
Lebende Zellen, Gewebeschnitte im Visier
In einem nächsten Schritt wollen die Forscherinnen und Forscher die Methode weiterentwickeln, um Mikrostrukturen in einzelnen lebenden Zellen, Gewebeschnitten oder die Ionendiffusion von Batteriematerialen in Dünnschichtfilmen zu untersuchen. „Die Fähigkeit der NMR und MRT, die Beweglichkeit der Atome und Moleküle direkt zu erfassen, macht sie absolut einzigartig im Vergleich zu anderen bildgebenden Methoden“, sagt Prof. Maxim Zaitsev von der Universität Freiburg. „Nun haben wir eine Möglichkeit gefunden, ihre Auflösung, die bisher unzureichend war, in Zukunft erheblich zu verbessern.“
Quelle: idw/TUM
Artikel teilen
