Hyperpolarisation und NMR-Detektion auf einem Diamantquantenchip

• Antragsteller: Roberto Rizzato, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Analytische Chemie ; Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451500848

Die Kernresonanzspektroskopie (NMR) umfasst viele wichtige Methoden zur chemischen Analyse und zur molekularen Strukturaufklärung. Das Hauptproblem der NMR ist deren geringe Empfindlichkeit aufgrund der niedrigen Kernspinpolarisation, die das Signal erzeugt. Seit Kurzem gibt es einen neuen, vielversprechenden Ansatz aus dem Bereich der Quantensensorik, der auf der Nutzung von Stickstoff-Vakanz (NV)-Defekten in Diamanten basiert. Die Fähigkeit dieser Defekte, NMR-Signale optisch auszulesen, ermöglicht die Detektion in Probenvolumina, die um mehrere Größenordnungen kleiner sind als jene, die mit konventionellen induktiven Detektoren erreichbar sind. Darüber hinaus weisen die Elektronen in solchen Defekten Spinzustände auf, die nach polarisation mit einem Laserpuls ihre Polarisation auf Kerne außerhalb des Diamanten übertragen können. Ein auf einer solchen Technologie basierendes Spektrometer soll in diesem Projekt entwickelt werden, wobei das Kernelement ein winziger NV-Diamantchip für die hochauflösende NMR-Spektroskopie eines Pikoliter-Probenvolumens ist. Bisher ist die Anwendung auf konzentrierte Proben beschränkt. In diesem Projekt soll diese Methode weiterentwickelt werden, die zum ersten Mal die Doppelrolle der NV-Zentren, die sowohl als Hyperpolarisationsquelle als auch als NMR-Sensoren eingesetzt werden können, voll ausnutzt. Da der Ansatz, die Kernspins durch die NVs direkt zu hyperpolarisieren, wegen der schwachen Wechselwirkungsenergien eine Herausforderung ist, wird eine indirekte, neue Strategie entwickelt, die auf der Verwendung stabiler organischer Radikale basiert, die an die Oberfläche der Diamantchips gebunden sind (Spin-Repeater) und die in der Lage sein werden, die Polarisation von den NV-Zentren zu empfangen und sie mittels dynamischer Kernpolarisationsschemata (DNP) auf die Probenkerne zu übertragen. Eine solche Strategie wird die Empfindlichkeit nach dem Stand der Technik um mehrere Größenordnungen verbessern und diese Technologie in reale Anwendungen bringen, z.B. in der Arzneimittelforschung, in der Katalyse Forschung sowie in Einzelzellstudien.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle