Alle Beiträge von Michaela Müller-Kaya

Neuartige Verfahren zur Authentifizierung von Lebensmitteln auf dem Weg zur Standardisierung

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Mehrfachrückstände von Pflanzenschutzmitteln

Der Präsident des Bundesinstituts für Risikobewertung (BfR), Prof. Dr. Dr. Andreas Hensel, beantwortet Verbraucherfragen zu Mehrfachrückständen von Pflanzenschutzmitteln. mehr

„Fingerabdruck“ diffuser Protonen entschlüsselt

Universität Leipzig/Swen Reichhold

Prof. Dr. Knut R. Asmis mit den beiden Doktoranden Matias Fagiani (links) und Harald Knorke (rechts) vor dem Infrarotlaser des sogenannten Photodissoziationsspektrometers, mit welchem die Messungen zum Grotthuß-Mechanismus durchgeführt wurden.

Der Grotthuß-Mechanismus, benannt nach dem Leipziger Naturwissenschaftler Freiherr Theodor von Grotthuß (1785-1822), erklärt qualitativ den Transport von elektrischen Ladungen in wässrigen Lösungen. Dieser spielt in alltäglichen biochemischen Prozessen, zum Beispiel der Signalübertragung in Proteinen, eine fundamentale Rolle. Doch die molekularen Details des Ladungstransports sind noch immer nicht abschließend geklärt. Wissenschaftlern des Wilhelm-Ostwald-Instituts für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Leipzig ist es nun erstmals gelungen, den spektroskopischen „Fingerabdruck“ gelöster Protonen, die dem Ladungstransport zu Grunde liegen, experimentell zu entschlüsseln.

In einer Kooperation mit Wissenschaftlern der US-amerikanischen Universitäten Yale, Pittsburgh, Ohio State und Washington gelang es den Doktoranden Matias Fagiani und Harald Knorke aus dem Arbeitskreis von Prof. Dr. Knut Asmis, Schlüsselmotive auszufrieren und bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt im Infrarotbereich zu spektroskopieren. „Die diffuse Natur der in Wasser gelösten Protonen erschwert eine spektroskopische Charakterisierung ungemein“, sagt Asmis. „Umso höher ist die Leistung der Arbeitsgruppe einzustufen.“

Theodor von Grotthuß, selbst Student der Universität Leipzig, postulierte 1805, dass sich Wassermoleküle in einem elektrischen Feld, zum Beispiel zwischen zwei Elektroden, nicht nur zwecks Ladungstransport teilen können, der sogenannten Autodissoziation des Wassers, sondern dass sich die so erzeugten Ladungsträger viel effektiver entlang einer Kette aus vernetzten Wassermolekülen fortpflanzen können, analog zu einer Kette von umfallenden Dominosteinen. Als Konsequenz wandert nicht das in Wasser gelöste Proton von einer Elektrode zur anderen, um die Ladung zu übertragen, sondern es reicht aus, dass sich der Ladungsdefekt entlang dieser Kette fortpflanzt, was bedeutend schneller und effektiver geht.

„Experimente an molekularen Aggregaten in ihrer Gasphase wurden lange belächelt, da die Experimente nicht am realen System, sondern an einem molekularen Ausschnitt daraus in Isolation durchgeführt werden“, erläutert Asmis. „In diesem Fall handelt es sich um Experimente an genau einem Proton, umgeben von vier bis zu sechs Wassermolekülen. Der große Vorteil der Untersuchungen an diesen abstrakten Modellsystemen ist deren extrem hohe Empfindlichkeit und Selektivität. Darüber hinaus können die Messwerte direkt mit den Resultaten aus hochwertigen quantenmechanischen Simulationen verglichen und interpretiert werden.“ Deren Anwendung auf die ausgedehnteren realen Systeme sei aufgrund der dafür benötigten enormen Rechenleistung auf diesem Niveau „zurzeit noch völlig undenkbar“.

„Wir verstehen jetzt viel besser, wie sich die unmittelbare Umgebung eines gelösten Protons in seinem spektroskopischen Fingerabdruck widerspiegelt“, erklärt Asmis. „Dies stellt eine der Grundvoraussetzungen für die Durchführung und Interpretation von weiterführenden Arbeiten auf diesem Gebiet dar, zum Beispiel um die Beweglichkeit der Protonen in Echtzeit zu charakterisieren.“ Ein solcher experimenteller Aufbau, „mit dem man ultimativ einen Film des Grotthuß-Mechnismus mit atomarer Auflösung abdrehen kann“, befinde sich gerade in der Planungsphase, sagt Asmis. Er soll den Wissenschaftlern an der Fakultät für Chemie und Mineralogie innerhalb des nächsten Jahres zur Verfügung stehen.

Globalisierung in unsicheren Zeiten neu gestalten

SPECTARIS - Deutscher Industrieverband für optische, medizinische und mechatronische Technologien e.V.

SPECTARIS – Deutscher Industrieverband für optische, medizinische und mechatronische Technologien e.V.

Der Deutsche Industrieverband für optische, medizinische und mechatronische Technologien e.V. (SPECTARIS) vertritt den Hightech-Mittelstand in Deutschland. Die Produkte aus den Bereichen Consumer Optics, Photonik, Präzisionstechnik, Mechatronik oder Medizintechnik sind in nahezu allen Berei … mehr

Hochpräzise Magnetfeld-Messung

ETH Zürich / Peter Rüegg

Der hochempfindliche Magnetfeld-Sensor.

Forschenden des Instituts für Biomedizinische Technik der ETH Zürich und der Universität Zürich ist es gelungen, kleinste Änderungen von starken Magnetfeldern mit noch nie dagewesener Präzision zu messen. In ihren Experimenten magnetisierten die Wissenschaftler ein Wassertröpfchen in einem Kernspintomografen (MRI), wie er für die medizinische Bildgebung verwendet wird. Im Tröpfchen konnten die Forscher minimste Schwankungen der Magnetfeldstärke nachweisen. Diese Änderungen waren bis zu einem Billionstel Mal geringer als die Feldstärke des verwendeten MRI-Geräts, die sieben Tesla betrug.

«Solche geringen Abweichungen konnte man bisher nur in schwachen Magnetfeldern messen», sagt Klaas Prüssmann, Professor für biologische Bildgebung an der ETH Zürich und der Universität Zürich. Das Erdmagnetfeld mit seinen wenigen Dutzend Mikrotesla ist so ein schwaches Magnetfeld. Für solche Felder gebe es bereits sehr empfindliche Messmethoden, welche Abweichungen von rund einem Billionstel Teil des Feldes erkennen könnten, sagt Prüssmann. «Jetzt haben wir für starke Felder von mehr als einem Tesla, wie sie unter anderem in der medizinischen Bildgebung verwendet werden, eine ähnlich sensitive Methode.»

Neuentwickelter Sensor

Für 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 Molekülen aufklären.

Um die Abweichungen zu messen, mussten die Wissenschaftler allerdings einen neuen, hochpräzisen Sensor bauen. Teil davon ist ein sehr empfindlicher digitaler Radioempfänger. «Damit konnten wir bei der Messung das Hintergrundrauschen auf ein extrem geringes Mass reduzieren», sagt Simon Gross. Er hat in Prüssmanns Gruppe seine Doktorarbeit zum Thema verfasst und ist Erstautor der in der Fachzeitschrift «Nature Communications» veröffentlichten Arbeit.

Störung 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 Stärke des Magnetfelds geben.

Wie die Wissenschaftler betonen, war es eine Herausforderung, den Sensor so zu bauen, dass die Radioantenne die Messungen nicht verfälscht. Denn die Antenne ist aus Kupfer, und die Wissenschaftler müssen sie in unmittelbarer Nähe des zu messenden Wassertröpfchens platzieren. Im starken Magnetfeld wird die Antenne ebenfalls magnetisiert. Dadurch verändert sich auch das Magnetfeld im Innern des Tröpfchens.

Die Forschenden verwendeten daher einen Trick: Sie gossen Tröpfchen und Antenne in ein speziell präpariertes Polymer. Dessen Magnetisierbarkeit (magnetische Suszeptibilität) entsprach exakt jener der Kupferantenne. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler den störenden Einfluss der Antenne auf die Wasserprobe ausschalten.

Breite Anwendung erwartet

Mit ihrer Messmethode für sehr kleine Magnetfeldänderungen können die Forscher nun auch den Ursachen solcher Änderungen nachgehen. Die Wissenschaftler erwarten Anwendungen ihrer Technik in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft, einige davon in der Medizin. Allerdings stecken diese Anwendungen grösstenteils noch in den Kinderschuhen.

«In einem MRI-Gerät werden die Moleküle im Körpergewebe minim magnetisiert – insbesondere die Wassermoleküle, die auch im Blut vorhanden sind», erklärt Doktorand Gross. «Der neue Sensor ist so empfindlich, dass wir damit mechanische Vorgänge im Körper messen können, etwa die periodischen Kontraktionen des Herzens durch den Herzschlag.»

In einem Experiment platzierten die Wissenschaftler ihren Sensor einer freiwilligen Versuchsperson im einem MRI-Gerät vor der Brust. So konnten sie periodische Magnetfeldänderungen nachweisen, die im Gleichtakt mit dem Herzschlag pulsierten. Die Messkurve erinnert an ein Elektrokardiogramm (EKG), misst aber im Gegensatz zu letzterem nicht die elektrische Reizleitung, sondern mechanische Prozesse (die Herzkontraktion). «Wir sind daran, unsere Magnetometer-Messung gemeinsam mit Kardiologen und Signalverarbeitungsexperten auszuwerten und weiterzuentwickeln», sagt Prüssmann. «Letztlich hoffen wir, dass unser Sensor Informationen zu Erkrankungen des Herzens liefern kann – und dies nicht-invasiv und in Echtzeit.»

Zur Entwicklung besserer Kontrastmittel

Auch bei der Entwicklung neuer Kontrastmittel für die Magnetresonanztomographie könnte die neue Messtechnik zur Anwendung kommen: Der Bildkontrast beim MRI beruht zu einem grossen Teil darauf, wie schnell ein magnetisierter Kernspin in seinen Gleichgewichtszustand zurückfällt. Fachleute sprechen dabei von Relaxation. Mit Kontrastmitteln, welche bereits in geringen Konzentrationen die Relaxationseigenschaften der Kernspins beeinflussen, versucht man, bestimmte Strukturen im Körper hervorzuheben.

In starken Magnetfeldern konnten Wissenschaftler bisher aus Gründen der Empfindlichkeit nur zwei der drei räumlichen Kernspin-Komponenten und deren Relaxation messen. Die besonders bedeutende Relaxation in der dritten Dimension mussten sie indirekt bestimmen. Die neue präzise Messtechnik erlaubt es erstmals in starken Magnetfeldern, alle drei Dimensionen der Kernspins direkt zu messen.

Dank der direkten Messung aller drei Kernspin-Komponenten wären in Zukunft auch Weiterentwicklungen bei der Kernspinresonanz-Spektroskopie für die Biologie und die Chemie denkbar.

Forscher werfen erstmals einen Blick ins Auge von Majoranas

Künstliche Intelligenz ermöglicht die Entdeckung neuer Materialien

Künstliche Intelligenz ermöglicht die Entdeckung neuer Materialien

Mit Methoden der künstlichen Intelligenz haben Chemiker der Universität Basel die Eigenschaften von rund 2 Millionen Kristallen berechnet, die aus vier verschiedenen chemischen Elementen zusammengesetzt sind. Dabei konnten die Forscher 90 bisher unbekannte Kristalle identifizieren, die ther … mehr

Sollbruchstellen im Rückgrat: Bioabbaubare Polymere durch chemische Gasphasenabscheidung

© Wiley-VCH

Die Polymerisation durch chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) ist eine einfache Methode zur Modifizierung von Oberflächen, mit der sich auch topologisch anspruchsvolle Substrate sehr gleichmäßig mit Polymeren beschichten lassen. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen Forscher jetzt erstmalig eine CVD-Methode vor, die zu abbaubaren Polymeren führt. Über spezielle Seitengruppen lassen sich Biomolekülen oder Wirkstoffe anknüpfen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, etwa für die Beschichtung bioabbaubarer Implantate.

Bei der CVD-Polymerisation werden die Ausgangsverbindungen verdampft, bei hoher Temperatur aktiviert und auf Oberflächen abgeschieden, wo sie dann polymerisieren. Im medizinischen Bereich werden z.B. Substrate für Implantate beschichtet, um funktionelle Gruppen als Anker für die Anknüpfung von Biomolekülen oder Wirkstoffen einzuführen. Allerdings konnten so bisher lediglich dauerhafte Implantate beschichtet werden, nicht aber Materialien, die nach Erfüllung ihrer Aufgabe abgebaut werden sollen, wie chirurgische Nahtmaterialien, Systeme zur gesteuerten Abgabe von Wirkstoffen, Medikamente freisetzende Stents oder Gerüste für die Gewebezucht. Denn per CVD ließen sich bisher keine abbaubaren Beschichtungen realisieren.

Jetzt schließt sich diese Lücke, denn die Wissenschaftler von der University of Michigan (Ann Arbor, USA), der Northwestern Polytechnical University (Xi’an, China) und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT, Eggenstein-Leopoldshafen) haben erstmalig ein CVD-Polymer mit abbaubarem Rückgrat synthetisiert. Dies gelang dem Forscherteam um Jörg Lahann durch Co-Polymerisation zweier spezieller Monomertypen: Die bisher für dieses Verfahren eingesetzten Paracyclophane wurden mit zyklischen Keten-Acetalen kombiniert. Während die klassischen Polymere auf Basis der Paracyclophane ausschließlich über Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen verknüpft sind, lagert sich das Keten-Acetal während der Polymerisation so um, dass Ester-Bindungen (also eine Bindung zwischen Kohlenstoff- und Sauerstoffatomen) innerhalb des Polymerrückgrates entstehen. Und Esterbindungen lassen sich in wässriger Umgebung spalten.

„Wie schnell der Abbau erfolgt, hängt vom Mengenverhältnis der beiden Monomer-Arten sowie von den Seitengruppen der Monomere ab“, erläutert Lahann. „Polare Seitengruppen machen den Polymerfilm weniger wasserabweisend und beschleunigen den Abbau, da leichter Wasser eindringen kann. Die Abbaugeschwindigkeit kann so der entsprechenden Anwendung angepasst werden.“ An Zellkulturen wiesen die Forscher nach, dass weder das Polymer noch dessen Abbauprodukte toxisch sind.

Das Team stellte Polymerfilme her, die mit funktionellen Seitengruppen als „Verankerungspunkte“ für Moleküle ausgestattet waren, an die sie Fluoreszenzfarbstoffe und Biomoleküle andocken ließen. „Unsere neuen abbaubaren Polymerfilme könnten breite Anwendung für die Funktionalisierung und Beschichtung von Oberflächen finden, in den Biowissenschaften über die Medizin bis hin zur Lebensmittelverpackung“, so Lahann.