DE19512265A1 - Optisch detektierte magnetische Resonanz Bilddarstellung an einzelnen Molekülen - Google Patents

Optisch detektierte magnetische Resonanz Bilddarstellung an einzelnen Molekülen

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DE19512265A1
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Description

Methodische Entwicklungen auf dem Gebiet der Mikroskopie sind ein intensiv bearbeitetes Forschungsgebiet. Zu den neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der optischen Methoden gehört die Nahfeldmikroskopie (1). Außerdem sind hier die verschiedenen Methoden der Kraft- bzw. Tunnelmikroskopie, mit z. T. atomarer Auflösung zu nennen. Motiviert sind die hier aufgezählten Entwicklungen durch die in der Praxis sehr verschiedenartigen Anforderungen, denen diese Methoden im einzelnen Rechnung tragen. Allgemein ist aber ein Bedarf festzustellen, immer kleinere Strukturen aufzulösen. Dies resultiert aus den zunehmend kleineren Strukturen der Mikroelektronik, sowie aus den in der Biologie bzw. Biochemie sich verbreitenden Techniken der Manipulation auf der Ebene einzelner Zellbestandteile bzw. Moleküle (2).
Die bekannteste Methode der Bilddarstellung und Mikroskopie in der magnetischen Resonanz (MR), ist die vielfach in der medizinischen Diagnostik und Werkstoffprüfung eingesetzte Kernspintomographie. Dieses Verfahren besteht darin, gezielt einen in seinem Ort variablen Magnetfeldgradienten Bgrad einem statischen Magnetfeld B₀ zu überlagern. So wird für einen bestimmten Teil des Untersuchungsgegenstandes die Kernspinresonanzbedingung
hν = gβB mit B = B₀+Bgrad
erfüllt (3), wobei h die Planck′sche Konstante und ν die Frequenz der eingestrahlten Mikrowelle ist. Durch Variation des Magnetfeldgradienten mittels einer außerhalb des Untersuchungsgegenstandes angebrachten Gradientenspule, kann ein bestimmter Teil des Untersuchungsgegenstandes in Resonanz gebracht werden. Die am Mikrowellenempfänger festgestellte Signalintensität ergibt den Meßwert dieses Punktes. Das Zusammensetzen dieser Punkte ergibt das Bild. Das Verfahren erlaubt in der Regel eine Auflösung im Bereich von 0.1 mm (3).
Eine andere in neuerer Zeit entwickelte Methode besteht darin, nicht wie beschrieben, einen externen Magnetfeldgradienten zu variieren, sondern einen kleinen magnetischen Körper über den zu untersuchenden Bereich der Probe zu verschieben (4). Gleichzeitig wird ein zur konventionellen Tomographie alternatives Detektionsverfahren verwendet. Hierbei wird die Kraftwirkung zwischen dem im Untersuchungsgegenstand vorhandenen paramagnetischen Moment (der Kerne oder gegebenenfalls der Elektronen) und dem Magnetfeldgradienten ausgenutzt. Diese Kraft wird mittels eines magnetischen Kraftfeldmikroskops detektiert. Mit dieser Methode lassen sich Auflösungen im Bereich einiger µm erzielen (4).
Kritik am Stand der Technik
Die oben beschriebenen Verfahren sind in ihrer Auflösung auf 100 bis 1 µm beschränkt. Für die herkömmliche Kernspintomographie gilt dabei eine Auflösungsgrenze von 100 µm. Diese Beschränkung resultiert letztendlich aus der geringen Empfindlichkeit der Methode. Es sind ca. 10¹⁶-10¹⁸ Wasserstoffkernspins notwendig, um ein detektierbares MR-Signal zu erzeugen. Die zweite beschriebene Methode erlaubt eine Empfindlichkeitsverbesserung auf ca. 10¹³-10¹⁴ Wasserstoffkernspins. Da auch hier die Empfindlichkeit das, die Auflösung bestimmende Element ist, resultiert eine verbesserte, aber derzeit experimentell bestimmte Auflösungsgrenze von 1 µm.
Problemstellung
Der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die oben genannte Auflösungsgrenze durch eine Steigerung der Empfindlichkeit zu verbessern. Ziel ist es, magnetische Resonanz-Bilddarstellung an einer einzelnen paramagnetischen Struktur durchzuführen, wie z. B. an einem einzelnen Molekül.
Erzielbare Vorteile
Die Erfindung erlaubt eine Bilddarstellung mittels magnetischer Resonanz an einzelnen paramagnetischen Strukturen, also beispielsweise ein Defektzentrum in einem ionischen Kristall (z. B. Cr3+ in Al₂O₃) oder einzelnen Molekülen mit atomarer Auflösung. Wesentliches Merkmal ist die Selektion und der Nachweis des einzelnen Moleküls mittels optischer Methoden. Die Bilddarstellung geschieht, parallel zur erwähnten Kraftmikroskopie, mittels Elektronenspinresonanz (ESR) und einer Gradientenmethode. Abweichend hiervon wird jedoch das ESR-Signal optisch detektiert. Durch eine schmalbandige und stark fokussierte optische Anregung bzw. durch Methoden der Nahfeldmikroskopie, werden einzelne Chromophore in fester Matrix und bei tiefen Temperaturen (T ≈ 1.5 K) isoliert (5, 6). Das magnetische Resonanzsignal eines einzelnen Moleküls kann aufgrund der zeitweiligen Bevölkerung des paramagnetischen Triplettzustandes detektiert werden (7). Zur Bilddarstellung wird ein magnetischer Feldgradient, erzeugt durch ein kleines magnetisiertes Teilchen, räumlich verschoben. Ein Feldgradient von ca. 10⁷ T/m, erzeugt durch ein magnetisiertes Eisenkügelchen mit einer Magnetisierung von 2.26 T, führt dabei zu einer räumlichen Auflösung von ca. 0.2 Å. Gegenüber klassischen hochauflösenden mikroskopischen Methoden wie der Tunnelmikroskopie (STM) bzw. Kraftfeldmikroskop (AFM), hat die Methode den Vorteil, daß auch unter der Oberfläche des Substrates und auf die jeweilige Kernspinart, d. h. chemisch selektiv untersucht werden kann. Zudem sind die Wechselwirkungen bekannt, die für die Bilddarstellung verantwortlich sind. Probleme bei der genauen Interpretation, wie bei den zuerst genannten Methoden, tauchen damit nicht auf. Weiterhin ist eine atomare Auflösung unabhängig vom umgebenden Medium möglich.
Weitere Ausgestaltung der Erfindung Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung 1 dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Zeichnung 1 zeigt den wesentlichen Teil der Erfindung in Übersicht. Die Zeichnung stellt den Probenkopf des Mikroskops selber dar. Anregungslaser und Nachweiseinrichtung für die Fluoreszenz des Untersuchungsgegenstandes, sowie Steuerelektronik für die Piezoelemente und Nachweiselektronik für die zu detektierenden Photonen sind nicht angegeben. Um gezielt eine einzelne paramagnetische Struktur zu isolieren, wird dieses mittels Laserlicht optisch angeregt, das vorzugsweise in eine Lichtleitfaser (s. Teil a1) eingekoppelt wird. Die Lichtleitfaser kann dabei wie in (6) beschrieben zum Ende zugespitzt werden, so daß eine Apertur von ca. 100 nm entsteht. Die Spitze kann über einer zu untersuchenden paramagnetischen Struktur mittels eines Piezostellgliedes (s. Teil a2) plaziert werden (6).
Bei genügend geringer Konzentration der zu untersuchenden Zentren, reicht dies zur Isolation eines einzelnen aus. Alternativ zu dieser räumlichen Selektion, ist bei genügend tiefen Temperaturen (T < 5 K) auch eine rein spektrale Selektion, mit entsprechend größeren Aperturen möglich (5). Entscheidend für die Möglichkeit, magnetische Resonanz- Bilddarstellung an einzelnen paramagnetischen Zentren durchzuführen, ist es, während der Anregung eines einzelnen Zentrums, einen Magnetfeldgradienten in der Nähe (ca. 100 Å Abstand) der Struktur zu verändern. Dies wird durch eine Piezoscanner (Teil b) ermöglicht, an dessen Spitze beispielsweise eine kleine magnetisierte Eisenkugel (Teil c) der erwähnten Größe und Magnetisierung befestigt ist. Magnetfeldgradienten der hier geforderten Größenordnung sind in der Praxis nur in der Nähe kleiner magnetisierter Strukturen zu erzeugen. Um also atomare Auflösung zu erhalten, muß die magnetisierte Struktur im Abstand von ca. 100 Å in der Nähe des zu untersuchenden Zentrums bewegt werden. Das Meßsignal soll nur die Verschiebung der ESR-Linie beinhaltet und nicht etwa eine Veränderung der Fluoreszenzintensität aufgrund der Veränderung der Position der magnetischen Struktur. Dies kann durch die Beschichtung des Untersuchungsgegenstandes (Teil e) mit einer dünnen Metallschicht (Dicke ca. 3 nm) auf der Seite der magnetischen Struktur geschehen (Teil d). Die Fluoreszenz des paramagnetischen Zentrums wird von einem Parabolspiegel (Teil f) (numerische Apertur 1) aufgefangen, in dessen Brennpunkt sich die zu untersuchende Probe befindet. Die Anordnung zur Zuführung des Laserlichtes bzw. zur Positionierung der optischen Spitze (Teile a1 und a2) befindet sich auf der Vorderseite des Spiegels, während der Piezo mit dem kleinen magnetisierten Teilchen von der Rückseite des Spiegels her durch ein Loch zur Probe ragt. Nicht eingezeichnet die MW-Einkopplung, die in Form einer Helmholtzspulen-Anordnung zu beiden Seiten des Parabolspiegels angebracht werden kann.
Referenzen
  • (1) D.W. Pohl in "Advances in optical and Electron Microscopy" Bd. 12 (1991) 243 Academic Press, London.
  • (2) S.A. Soper, L.M. Davis, E.B. Shera, J. Opt. Soc. Am. B 9 (1992) 1761.
  • (3) Signal, noise and contrast in nuclear magnatic resonance (NMR) imaging. J. Comput. Assist. Tomogr. 7 (1993) 391.
  • (4) D. Rugar, C.S. Yannoni, J.A. Sidles Nature 360 (1992) 563.
  • (5) W.E. Moerner, T. Basch´, Angew. Chem. 105 (1993) 537.
  • (6) E. Betzig, R. Chichester Sience 262 (1993) 1422.
  • (7) J. Wrachtrup, C. von Borczyskowski, J. Bernard, M. Orrit, R. Brown Nature 363 (1993) 244.

Claims (1)

  1. Optisch detektierte magnetische Resonanz-Bilddarstellung an einzelnen Molekülen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildgebung durch Rasterabtastung der paramagnetischen Struktur mittels eines Magnetfeldgradienten und optischer Detektion der Verschiebung des Elektronenspin- Resonanzsignals resultiert.
DE1995112265 1995-03-24 1995-03-24 Optisch detektierte magnetische Resonanz Bilddarstellung an einzelnen Molekülen Withdrawn DE19512265A1 (de)

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DE102016226212A1 (de) * 2016-12-23 2018-06-28 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Analyseeinrichtung

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