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13.07.2024

01.03.2023

Einzelmolekül-MRT durch Quantensensoren

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Die Kernspinresonanz (NMR) ist aus der medizinischen Diagnostik nicht mehr wegzudenken. Das physikalische Prinzip ist die Basis, auf der in Deutschland jährlich über zehn Millionen MRT-Scans Gewebe und Organe sichtbar machen. Gleichzeitig nutzt die Biochemie Kernspinresonanz, um die Struktur von Molekülen zu analysieren. Bisher ist NMR jedoch nicht sensitiv genug, um einzelne Zellen oder gar Moleküle zu detektieren. Forschende der Technischen Universität Braunschweig wollen über einen alternativen Ansatz mit Quantensensoren NMR im Nanobereich ermöglichen. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt mit knapp fünf Millionen Euro.

Kernspin bezeichnet den Gesamtdrehimpuls eines Atomkerns. Für die Messtechnik (Metrologie) ist dabei vor allem das mit dem Impuls verbundene magnetische Moment interessant. Die medizinische Diagnostik nutzt diese Kernspinresonanz, um etwa die Verteilung von Wasserstoff-Atomkernen im Körper zu messen. Bisher allerdings mit einer Auflösung von maximal 100 Mikrometern. Zu grob für einzelne Zellen, die nur wenige Mikrometer groß sind oder gar einzelne Moleküle, die in Nanometern gemessen werden.

Juniorprofessor Nabeel Aslam verfolgt mit seinem Team an der TU Braunschweig einen alternativen Messansatz. Mit Quantensensoren, die auf einzelnen Atomen im Diamanten basieren, wollen die Forschenden einzelne Zellen, einzelne Moleküle und perspektivisch sogar den einzelnen Kernspin ins Visier nehmen. Dafür präparieren sie einzelne Atome dicht unter der Diamantoberfläche. Moleküle auf der Diamantoberfläche sind dann nur Nanometer vom Sensor entfernt, der schließlich mit Lasern ausgelesen wird. In Zusammenarbeit mit Biologen und Chemikern soll die Technik unter anderem erstmals zur Strukturanalyse von Proteinen und zur Untersuchung von Stoffwechselprozessen in einzelnen Zellen genutzt werden.

Über das Projekt

"DiamondNanoNMR" startete im Dezember 2022 unter der Leitung von Juniorprofessor Nabeel Aslam am Institut für Physik der Kondensierten Materie der TU Braunschweig. Mit dem Fokus auf Quantensensorik setzt die Arbeitsgruppe dabei neue Impulse für das Exzellenzcluster QuantumFrontiers und Niedersachsens Quantenallianz Quantum Valley Lower Saxony (QVLS). Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Projekt im Nachwuchswettbewerb "Quantum Futur" bis November 2027 mit knapp fünf Millionen Euro (Rahmenprogramm "Quantentechnologien - von den Grundlagen zum Markt").

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Quelle: Technische Universität Braunschweig