Het principe van de diamantsensor is ontwikkeld bij het MIT in Cambridge (VS). Rood is het stikstofatoom in het koolstofrooster van een diamant, met daarnaast een ‘gat’ in het rooster. (foto: MIT)
Kernmagne-tische resonantie (in de medische toepassing bekend onder de afkorting MRI) heeft zich ontwikkeld tot veel toegepaste beeldtechniek. Probleem met MRI was altijd het, in vergelijking met röntgentech-nieken, relatief lage oplossende vermogen (tienden van millimeters). Onderzoekers van de technische hogeschool in het Zwitserse Zürich (ETHZ) en van de universiteit van Leipzig (Polen) hebben die resolutie sterk verbeterd. Ze bleken in staat een enkel waterstofkern te detecteren. Overigens is het niet de bedoeling met deze nano-MRI-techniek om ook plaatjes te maken van hele menselijke lichamen. Een enkel molecuul is al mooi genoeg.
De groep, onder aanvoering van Christian Degen, gebruikte een uiterst gevoelige detectietechniek voor MRI-signalen. In de standaard-apparatuur wordt het magnetisch moment van atoomkernen gemeten met behulp een elektromagnetische spoel. Degen: “MRI is nu een volwassen techniek en de laatste tien jaar is de resolutie vrijwel hetzelfde gebleven. Die liep tegen fyische barrières aan.” De Zwitserse en Poolse onderzoekers gebruikten een diamantsensorchip als meetinstrument, waarvan het signaal met behulp van een fluorescentiemicroscoop wordt uitgelezen. De sensor heeft een foutje in het gebruikte diamantje, een stikstofatoom. In dit geval betekent dat er twee koolstofatomen in het kristalrooster zijn verdwenen en vervangen door een stikstofatoom en een ‘gat’ in het rooster (zie afb). Dat stikstofcentrum is zowel fluorescent als magnetisch, waardoor het in staat is heel precies magneetvelden te meten en het meetsignaal door te geven. Voor hun proeven lieten de onderzoekers een diamant van 2 bij 2 mm maken met die stikstofcentra een paar nanometer onder het oppervlak. Door het magneetveld optisch te meten, waren ze in sommige gevallen in staat om de aanwezigheid van andere magnetische atoomkernen te meten in de onmiddellijke nabijheid. “De kwantummechanica heeft dan een elegant bewijs om te laten zien of je afzonderlijke atoomkernen hebt gedetecteerd of een klontering van verschillende waterstofatomen”, zegt Degen. De onderzoekers gebruikten de meetgegevens om de positie van de waterstofkernen te bepalen ten opzichte van de stikstofcentra met de nauwkeurigheid van 10 nanometer.
“Dat is een belangrijke tussenstap naar het afbeelden van hele moleculen”, zegt de onderzoeker. In een vervolgonderzoek willen ze dat inderdaad gaan doen met een klein molecuul. Overigens zijn de onderzoekers niet van plan met deze techniek ook het hele menselijke lichaam in beeld te brengen (maar wie weet waar dit eindigt?). Wel willen ze met deze techniek licht brengen in de nog steeds erg duistere wereld van de biomoleculen zoals eiwitten.
Het is nog steeds heel lastig om de structuur van eiwitten te bepalen. Dat gebeurt in de praktijk met behulp van röntgendiffractie, maar dan heb je eiwitkristallen nodig. Boven op het feit dat je daarmee niet de structuur van het eiwit in ‘het echt’ vastlegt, komt nog het probleem dat lang niet alle eiwitten zich laten kristalliseren. Met de nieuwe diamantsensortechniek zou het in principe mogelijk zijn aan de hand van een molecuul de structuur te bepalen. Een ander voordeel van de nano-MRI-techniek is dat moleculen kunnen worden gemerkt met isotopen, waardoor er meer informatie te krijgen is over de functie van het eiwit.
Bron: Eurekalert