Genaueres Kernspin mit Laserstrahlen

Millimetergenau lassen sie Ärzte in Gehirne schauen und liefern Chemikern wichtige Informationen über ihre Substanzen: Kernspintomographen und die Kernresonanzspektroskopie ist heute aus Medizin und Analytik nicht mehr wegzudenken. Nun sollen sie noch genauer werden.

Princeton (USA) - Werden seit Jahrzehnten die schwachen Signale der magnetisch ausgerichteten Atomkerne mit Radiowellen gewonnen, könnte in Zukunft Laserlicht die Empfindlichkeit und das Auflösungsvermögen dieser Verfahren deutlich verbessern. Erste Messungen dazu präsentieren amerikanische Forscher in der Fachzeitschrift "Nature".

An flüssigen Proben aus Wasser und Xenon testeten Michael Romalis und seine Kollegen von der Princeton University die verfeinerte Messemethode. Analog zum etablierten Verfahren richteten sie die Spins der Atomkerne mit starken Magnetfeldern von bis zu fünf Tesla aus. Doch danach regten sie die Spins nicht mit Radiowellen zu einem Resonanzeffekt an. Sie durchleuchteten ihre durchsichtige Probe mit einem polarisierten Laserstrahl. Dabei wird die Polarisationsebene des Lichtstrahls durch das magnetische Feld der Kernspins gedreht. Diese Rotation konnte mit Polarisationsfiltern und einer Photodiode am austretenden Laserstrahl gemessen werden. Mit diesem optischen Nachweis des Kernspins (im Fachslang: nuclear-spin optical rotation (NSOR)) könnte prinzipiell die Auflösung von Magnetresonanz-Aufnahmen von derzeit etwa 100 Mikrometern auf wenige Mikrometer verbessert werden.

Heute kann diese Methode noch nicht mit den ausgereiften NMR-Instrumenten, die auf einer Analyse von Radiowellen basieren, konkurrieren. Dennoch bietet das neue Nachweisverfahren viele Vorteile. Mit stark fokussierten Laserstrahlen ließe sich die Auflösung von Kernspinaufnahmen signifikant erhöhen. Mit empfindlichen Lichtdetektoren, die sogar einzelne Photonen nachweisen können, könnte die Vermessung der Kernspins viel sensitiver als bei der klassischen NMR-Methode erfolgen.

Für die Untersuchung von menschlichem Gewebe bietet sich zudem infrarote Strahlung an, die sogar einige Zentimeter in eine Probe eindringen können. Kombiniert mit einem Aufbau aus senkrecht aufeinander stehenden Laserstrahlen und Photodioden halten die Forscher auch zwei- und dreidimensionale Aufnahmen für möglich. "Die Leistung moderner Optiksysteme kombiniert mit der Kernresonanzspektroskopie könnte zu einer deutlichen Verbesserung der Bildauflösungen führen", beurteilt auch Warren S. Warren von der Duke University diesen neuen Ansatz.