Eine molekulare Nahaufnahme

18. Februar 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Stellen Sie sich vor, Sie gehen zu einer MRT-Untersuchung Ihres Knies. Dieser Scan misst die Dichte der in Ihrem Knie vorhandenen Wassermoleküle mit einer Auflösung von etwa einem Kubikmillimeter – was hervorragend ist, um festzustellen, ob beispielsweise ein Meniskus im Knie gerissen ist. Was aber, wenn Sie die Strukturdaten eines einzelnen Moleküls untersuchen müssen, das fünf Kubiknanometer groß ist oder etwa zehn Billionen Mal kleiner ist als die beste Auflösung, die aktuelle MRI-Scanner erzeugen können? Das ist das Ziel von Dr. Amit Finkler von der Abteilung Chemische und Biologische Physik des Weizmann Institute of Science. In einer aktuellen Studie (Körperliche Überprüfung angewendet, „Einzelelektronenspins mit Magnettomographie abbilden“), Finkler, dem Doktoranden Dan Yudilevich und ihren Mitarbeitern von der Universität Stuttgart, Deutschland, ist es gelungen, einen großen Schritt in diese Richtung zu tun, indem sie eine neuartige Methode zur Abbildung einzelner Elektronen demonstrierten. Die Methode, die sich jetzt in ihren Anfängen befindet, könnte eines Tages auf die Abbildung verschiedener Arten von Molekülen anwendbar sein, was die Entwicklung von Arzneimitteln und die Charakterisierung von Quantenmaterialien revolutionieren könnte. Der experimentelle Aufbau: Eine 30 Mikrometer dicke Diamantmembran mit einem Sensor, im Durchschnitt oben an jeder Säule, 2,640-fach (oben) und 32,650-fach (unten) vergrößert jahrzehntelang bei der Diagnose einer Vielzahl von Krankheiten eingesetzt, aber obwohl die Technologie für unzählige Leben bahnbrechend war, gibt es einige zugrunde liegende Probleme, die noch gelöst werden müssen. Beispielsweise ist die MRT-Ausleseeffizienz sehr gering und erfordert eine Probengröße von Hunderten von Milliarden Wassermolekülen – wenn nicht mehr – um zu funktionieren. Der Nebeneffekt dieser Ineffizienz besteht darin, dass die Ausgabe dann gemittelt wird. Für die meisten diagnostischen Verfahren ist die Mittelung optimal, aber wenn Sie so viele verschiedene Komponenten mitteln, gehen einige Details verloren – möglicherweise werden wichtige Prozesse verdeckt, die in einem kleineren Maßstab ablaufen. Ob das ein Problem ist oder nicht, hängt von der Frage ab, die Sie stellen: Zum Beispiel gibt es viele Informationen, die aus einem Foto einer Menschenmenge in einem überfüllten Fußballstadion erkannt werden könnten, aber ein Foto wäre wahrscheinlich nicht das beste Werkzeug zu verwenden, wenn wir mehr über das Muttermal auf der Wange der Person wissen möchten, die auf dem dritten Sitz der vierzehnten Reihe sitzt. Wenn wir mehr Daten über den Maulwurf sammeln wollten, wäre eine Annäherung wahrscheinlich der richtige Weg. Finkler und seine Mitarbeiter schlagen im Wesentlichen eine molekulare Nahaufnahme vor. Der Einsatz eines solchen Werkzeugs könnte Forschern die Möglichkeit geben, die Struktur wichtiger Moleküle genau zu untersuchen, und vielleicht den Weg zu neuen Entdeckungen weisen. Darüber hinaus gibt es einige Fälle, in denen eine kleine „Leinwand“ für die Arbeit selbst unerlässlich wäre – etwa in den Vorstufen der pharmazeutischen Entwicklung. Wie kann man also ein präziseres MRT-Äquivalent erreichen, das mit kleinen Proben funktioniert – bis hinunter zum einzelnen Molekül? Finkler, Yudilevich und Stuttgarts Drs. Rainer Stöhr und Andrej Denisenko haben eine Methode entwickelt, mit der sich ein Elektron genau lokalisieren lässt. Es basiert auf einem rotierenden Magnetfeld, das sich in der Nähe eines Stickstoff-Leerstellenzentrums befindet – einem atomgroßen Defekt in einem speziellen synthetischen Diamanten, der als Quantensensor verwendet wird. Aufgrund seiner atomaren Größe reagiert dieser Sensor besonders empfindlich auf Veränderungen in der Nähe; Aufgrund seiner Quantennatur kann es unterscheiden, ob ein einzelnes Elektron vorhanden ist oder mehr, wodurch es besonders geeignet ist, die Position eines einzelnen Elektrons mit unglaublicher Genauigkeit zu messen. „Diese neue Methode“, sagt Finkler, „könnte genutzt werden, um einen ergänzenden Blickwinkel zu bestehenden Methoden zu bieten, um die heilige molekulare Dreifaltigkeit von Struktur, Funktion und Dynamik besser zu verstehen.“ Für Finkler und seine Kollegen ist diese Forschung ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur präzisen Nanobildgebung, und sie stellen sich eine Zukunft vor, in der wir diese Technik verwenden könnten, um eine vielfältige Klasse von Molekülen abzubilden, für die wir hoffentlich bereit sein werden ihre Nahaufnahme.

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62405.php