Hochpräzise Magnetfeld-Messung

Forschenden des Instituts f¨¹r Biomedizinische Technik der ETH Z¨¹rich und der Universit?t Z¨¹rich ist es gelungen, kleinste ?nderungen von starken Magnetfeldern mit noch nie dagewesener Pr?zision zu messen. In ihren Experimenten magnetisierten die Wissenschaftler ein Wassertr?pfchen in einem Kernspintomografen (MRI), wie er f¨¹r die medizinische Bildgebung verwendet wird. Im Tr?pfchen konnten die Forscher minimste Schwankungen der Magnetfeldst?rke nachweisen. Diese ?nderungen waren bis zu einem Billionstel Mal geringer als die Feldst?rke des verwendeten MRI-Ger?ts, die sieben Tesla betrug.

?Solche geringen Abweichungen konnte man bisher nur in schwachen Magnetfeldern messen?, sagt Klaas Pr¨¹ssmann, Professor f¨¹r biologische Bildgebung an der ETH Z¨¹rich und der Universit?t Z¨¹rich.  Das Erdmagnetfeld mit seinen wenigen Dutzend Mikrotesla ist so ein schwaches Magnetfeld. F¨¹r solche Felder gebe es bereits sehr empfindliche Messmethoden, welche Abweichungen von rund einem Billionstel Teil des Feldes erkennen k?nnten, sagt Pr¨¹ssmann. ?Jetzt haben wir f¨¹r starke Felder von mehr als einem Tesla, wie sie unter anderem in der medizinischen Bildgebung verwendet werden, eine ?hnlich sensitive Methode.?

Neuentwickelter Sensor

F¨¹r die Messung verwendeten die Wissenschaftler das Prinzip der Kernspinresonanz. Diese liegt auch der bildgebenden Magnetresonanztomografie zugrunde sowie den Spektroskopiemethoden, mit denen Biologen die 3D-Struktur von Molek¨¹len aufkl?ren.

Um die Abweichungen zu messen, mussten die Wissenschaftler allerdings einen neuen, hochpr?zisen Sensor bauen. Teil davon ist ein sehr empfindlicher digitaler Radioempf?nger. ?Damit konnten wir bei der Messung das Hintergrundrauschen auf ein extrem geringes Mass reduzieren?, sagt Simon Gross. Er hat in Pr¨¹ssmanns Gruppe seine Doktorarbeit zum Thema verfasst und ist Erstautor der in der Fachzeitschrift ?Nature Communications? ver?ffentlichten Arbeit.

St?rung durch Antenne ausgeschaltet

Bei der Kernspinresonanz werden in einem Magnetfeld liegende Atomkerne mit Radiowellen angeregt. Diese senden dadurch selbst schwache Radiowellen aus, die mit einer Radioantenne gemessen werden und deren exakte Frequenz Hinweise auf die St?rke des Magnetfelds geben.

Wie die Wissenschaftler betonen, war es eine Herausforderung, den Sensor so zu bauen, dass die Radioantenne die Messungen nicht verf?lscht. Denn die Antenne ist aus Kupfer, und die Wissenschaftler m¨¹ssen sie in unmittelbarer N?he des zu messenden Wassertr?pfchens platzieren. Im starken Magnetfeld wird die Antenne ebenfalls magnetisiert. Dadurch ver?ndert sich auch das Magnetfeld im Innern des Tr?pfchens.

Die Forschenden verwendeten daher einen Trick: Sie gossen Tr?pfchen und Antenne in ein speziell pr?pariertes Polymer. Dessen Magnetisierbarkeit (magnetische Suszeptibilit?t) entsprach exakt jener der Kupferantenne. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler den st?renden Einfluss der Antenne auf die Wasserprobe ausschalten.

Breite Anwendung erwartet

Mit ihrer Messmethode f¨¹r sehr kleine Magnetfeld?nderungen k?nnen die Forscher nun auch den Ursachen solcher ?nderungen nachgehen. Die Wissenschaftler erwarten Anwendungen ihrer Technik in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft, einige davon in der Medizin. Allerdings stecken diese Anwendungen gr?sstenteils noch in den Kinderschuhen.

?In einem MRI-Ger?t werden die Molek¨¹le im K?rpergewebe minim magnetisiert ¨C insbesondere die Wassermolek¨¹le, die auch im Blut vorhanden sind?, erkl?rt Doktorand Gross. ?Der neue Sensor ist so empfindlich, dass wir damit mechanische Vorg?nge im K?rper messen k?nnen, etwa die periodischen Kontraktionen des Herzens durch den Herzschlag.?