Wissenschaftler des Almaden-Forschungszentrums des IT-Unternehmens IBM in Kalifornien haben das räumliche Auflösungsvermögen eines Kernspintomographen mithilfe eines cleveren Tricks mehr als verzehnfacht. In einer Pilotstudie zeigten die Forscher Bilder von Kalziumfluoridkristallen mit einer Auflösung etwa neunzig Nanometern. Dies gelang durch die erfolgreiche Kombination von Methoden sowohl der herkömmlichen Kernspinresonanztechnik als auch der Rasterkraftmikroskopie.
Der von John Mamin und seinen Kollegen gebaute Kernspinresonanzapparat hat nicht mehr viel mit herkömmlichen Geräten gemeinsam. Wie bei diesen auch werden zwar Bilder des Innenlebens der zu untersuchenden Probe mittels einer Kombination von Magnetfeldern und Radiowellen erzeugt, um Energieübergänge zwischen verschiedenen Kernspinzuständen des Materials anzuregen. Allerdings vibriert die Probe in dem neuen Apparat zusätzlich auf einem etwa 120 Mikrometer langen Balken, in unmittelbarer Umgebung einer scharfen Metallspitze.
Diese Spitze besteht aus einer Kobalt-Eisen-Legierung und erzeugt ein starkes und räumlich sehr konzentriertes magnetisches Feld. Dieses Feld richtet die Kernspins der Atome der zu untersuchenden Probe aus, so dass deren Struktur im Folgenden mittels kurzen Pulsen von Radiowellen untersucht werden kann.
Die Pulse bringen wie bei gewöhnlicher Kernspintomographie die Spins der Atomkerne des Untersuchungsobjekts aus dem Takt, so dass dieses nun selbst Radiowellen auszusenden beginnt. In herkömmlichen Tomographen werden diese Wellen mit kleinen Induktionsspulen aufgefangen und mithilfe eins Computeralgorithmus in ein Bild umgerechnet. Dessen Auflösung ist von der Größe der Spulen abhängig und liegt in den besten Tomographen im Bereich von drei Mikrometern.
Die IBM-Forscher hingegen wiesen in ihrem Experiment Änderungen der Kernspinzustände durch die dadurch ausgelöste Kraft auf den vibrierenden Balken nach. Dazu musste dieser nur mit einem Laserstrahl beleuchtet werden, um die winzigen Änderungen in der Schwingungsamplitude nachzuweisen. Mamin zufolge konnten somit Bilder des Kristalls mit einer Auflösung von neunzig Nanometern erzeugt werden.
Ob diese Methode allerdings jemals in der praktischen Diagnostik angewendet werden kann ? etwa zur Untersuchung einzelner Moleküle ? ist fraglich. Das Pilotprojekt musste nämlich im Vakuum bei Temperaturen von nur wenigen hundert Millikelvin durchgeführt werden, um mechanische Störungen der Vibrationen zu beseitigen. Biologische Proben können daher derzeit noch nicht mit dem Supertomographen untersucht werden.
John Mamin et al.: Nature Nanotechnology, Online-Vorabveröffentlichung, DOI:10.1038/nnano.2007.105 Stefan Maier
