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Gopalakrishnan Balasubramanian
Max-Planck-Forschungsgruppenleiter
Telefon:+49 551 201-1318

Gopalakrishnan Balasubramanian

Spin Imaging

Großen Molekülen wie Proteinen das Geheimnis zu entlocken, wie sie aufgebaut sind – Atom für Atom – und wie sich diese Atome räumlich anordnen, ist keine triviale Aufgabe. Die Eigenschaften der Atome selbst können hier jedoch hilfreich sein. Methoden wie die Elektronenspinresonanz (EPR)- und die Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie machen sich zunutze, dass alle Elektronen und die meisten Atomkerne einen sogenannten "Spin" besitzen, der ihnen magnetische Eigenschaften verleiht. Mit den richtigen Experimenten können diese Spins Aufschluss über die Art und Lage der Atome im Molekül geben.

Ein Sensor, nicht größer als ein Atom

Diese Eigenschaft macht sich unsere Forschungsgruppe ebenfalls zunutze, jedoch auf eine andere Art und Weise. Wir entwickeln ultrapräzise Sensoren für sehr schwache magnetische Felder auf der Mikro- und Nanometerskala, die in die nahe Umgebung biologischer Komplexe gebracht werden und so über die Struktur und den Aufbau der Komplexe Aufschluss geben können. Dazu nutzen wir Diamanten in Nanometergröße, die einen wichtigen Defekt haben: Während reine Diamanten aus einem gleichmäßigen Gitter von Kohlenstoffatomen aufgebaut sind, sitzt in unseren Sensoren an einer Stelle statt eines Kohlenstoffatoms ein Stickstoffatom, direkt daneben befindet sich eine Lücke. Dieses Zentrum  („N-V-Center“ nach dem englischen Nitrogen-Vacancy center) besitzt ganz besondere Spineigenschaften, die gezielt manipuliert und optisch ausgelesen werden können.

Auf dem Weg zur Einzelmolekül-NMR

Kern- und Elektronenspins in der Umgebung des Sensors beeinflussen seine magnetischen Eigenschaften. Bringt man den Diamanten als Sonde nahe an ein Molekül, so gibt er zu jedem Zeitpunkt Aufschluss über die ihm benachbarten Atome. Er ist so empfindlich, dass er sogar die Veränderungen im Magnetfeld detektiert, die durch einen einzelnen Elektronenspin oder wenige Kernspins verursacht werden. Damit verfügen wir über einen einzigartigen Sensor für magnetische Felder – in der Größe eines Atoms, optisch auslesbar und ultrapräzise.

Mit diesem Sensor können wir ein einzelnes Molekül untersuchen und Aufschluss über seine molekulare Struktur und räumliche Anordnung erhalten. Wir hoffen, so die Struktur einzelner Biomoleküle bis ins atomare Detail aufklären zu können.

 
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