NV-Diamant NMR als neue Methode für die Analyse von Mikrotröpfchen in der Biotechnologie

• Antragsteller: Dr. Dileep Singh, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 535863523

Die massive Reduzierung von Probenvolumina (Piko- bis Femtoliter) durch Kompartimentierung von Reagenzien, Enzymen und Zellen in mikroskopisch kleinen Emulsionströpfchen hat in jüngster Zeit zu der Entwicklung von Screening-Plattformen mit extrem hohem Durchsatz geführt. Die geringen Volumina von Mikrotröpfchen machen die chemische Analytik jedoch sehr schwierig. In den meisten Fällen werden optische Verfahren eingesetzt, die auf Assays basieren, die sich nicht nur auf wenige Analyten beschränken, sondern aufgrund ihrer Komplexität auch anfällig für Fehler sind und somit zu verfälschten Ergebnissen führen können. Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) stellt eine der leistungsfähigsten Techniken für die chemische Analyse dar. Herkömmliche NMR-Methoden sind jedoch aufgrund ihrer geringen intrinsischen Empfindlichkeit für die Analyse von Mikrotröpfchen ungeeignet. Im Rahmen dieses interdisziplinären Forschungsvorhabens wird daher eine neue, auf Quantentechnologie basierende Methode entwickelt, um diese Sensitivitätsprobleme zu überwinden und die Analyse von Mikrotröpfchen mittels NMR zu ermöglichen. Dazu werden Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV) in Diamanten verwendet, die als Quantensensoren für die Detektion von NMR Signalen dienen. Diese atomartigen Systeme weisen langlebige Spin-Zustände, gut definierte optische Übergänge und besondere Eigenschaften auf: ihre Spinzustände können sowohl optisch induziert und ausgelesen werden als auch durch das Einstrahlen resonanter Mikrowellen kohärent manipuliert werden, was ihre Verwendung als atomgroße Magnetometer für die Magnetometrie im Nano- bis Mikrobereich ermöglicht. Im Rahmen dieses Projekts wird zunächst eine Mikrotiterplattform auf Diamanten für die Positionierung von Mikrotröpfchen entwickelt. Diese wird mit Methoden der weichen Lithografie oder dem 3D-Druck hergestellt. Anschließend soll das NV-NMR Setup anhand der Detektion von NMR-Signalen aus Wassertröpfchen charakterisiert und optimiert werden. Zuletzt erfolgt als 'proof of principle' die Analyse umweltrelevanter enzymatischer Reaktionen in Mikrotröpfchen. Als Beispiele dienen hier eine biokatalysierte CO2-Fixierung sowie eine schadstofffreie Synthese eines pharmakologischen Grundstoffes.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle