MRI-scanner op nanoschaal breekt wereldrecords
Een nieuwe NMR-microscoop geeft natuurkundigen een verbeterd instrument om fundamentele fysische processen te onderzoeken. Het biedt ook nieuwe mogelijkheden voor de medische wetenschap, bijvoorbeeld om eiwitten beter te bestuderen in de hersenen van Alzheimerpatiënten. Publicatie in Physical Review Applied.
Als je tijdens het sporten je knie blesseert, kan een arts via een MRI-scan dwars door de huid naar binnen kijken om te zien wat er mis is. Daarbij maken medici gebruik van het feit dat de atoomkernen in ons lichaam elektrisch geladen zijn en om hun as spinnen. Zoals kleine elektromagneetjes wekken ze dan een eigen magnetisch veldje op. Door de knie in een uniform magneetveld te plaatsen, gaan de atoomkernen met hun as in dezelfde richting staan. De MRI-scanner stuurt dan precies de juiste soort radiostraling door de knie, zodat sommige assen omklappen. Na het uitzetten van dit signaal klappen die kernen na verloop van tijd weer terug, onder uitzending van een radiogolfje. Die golfjes verraden waar de atomen zich bevinden, en geven artsen een nauwkeurig beeld van de knie.
NMR
MRI is de medische toepassing van Nuclear Magnetic Resonance (NMR), dat volgens hetzelfde principe werkt en is uitgevonden door natuurkundigen om fundamenteel onderzoek te verrichten op materialen. Met NMR kijken ze onder andere naar de zogenoemde relaxatietijd—de tijdschaal waarop de atoomkernen terug omklappen. Dit zegt veel over de eigenschappen van een materiaal.
Microscoop
Om materialen ook op de allerkleinste schaal te bestuderen, gaan natuurkundigen een stap verder en ontwikkelen ze NMR-microscopen, waarmee ze kijken naar de werking van natuurkundige processen op het niveau van een groepje atomen. De Leidse promovendi Jelmer Wagenaar en Arthur den Haan hebben nu met groepsleider Tjerk Oosterkamp een NMR-microscoop gebouwd die werkt bij een recordtemperatuur van 42 milliKelvin—dichtbij het absolute nulpunt. In hun artikel in Physical Review Applied bewijzen ze de werking via het meten van de relaxatietijd van koper. Hierbij bereiken ze een duizend maal hogere gevoeligheid dan bestaande NMR-microscopen—ook een wereldrecord.
Alzheimer
Met hun microscoop geven ze fysici een instrument om fundamenteel onderzoek te verrichten naar vele natuurkundige verschijnselen, zoals systemen die in de extreme kou van hun microscoop vreemd kwantumgedrag gaan vertonen. En zoals NMR uiteindelijk leidde tot MRI-scanners in ziekenhuizen, hebben NMR-microscopen ook weer grote potentie. Wagenaar: ‘Eén voorbeeld is dat je met onze techniek mogelijk op moleculair niveau kunt kijken in de hersenen van Alzheimerpatiënten naar hoe de vermoedelijke boosdoener ijzer zit opgesloten in eiwitten.’