24.09.2020 - Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Sofja Kovalevskaja-Preis für Entwicklung von tragbaren, preisgünstigen Spektroskopiegeräten

Neue Ansätze sollen die Verbreitung der Kernspinresonanzspektroskopie für Analysen in der Chemie, Biologie und Medizin fördern

Die vielfältigen Arbeiten der Mainzer Physiker auf dem Gebiet der Kernspinresonanz werden um eine Facette mit starkem Anwendungsbezug erweitert: Dr. Danila Barskiy wechselt im Oktober 2020 an die Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und wird hier eine Arbeitsgruppe aufbauen, um den Einsatz der Kernspinresonanzspektroskopie in der Chemie, Biologie und Medizin weiterzuentwickeln. Dazu sollen Ansätze erforscht werden, die keine Magnetfelder erfordern. Barskiy erhält dafür einen Sofja Kovalevskaja-Preis der Alexander von Humboldt-Stiftung in Höhe von 1,6 Millionen Euro. "Wir freuen uns sehr über die Auszeichnung für Danila Barskiy und auf seine Forschungsarbeiten, die frische und bislang wenig untersuchte Aspekte umfassen, aber eine hervorragende Ergänzung zu unseren Forschungen in Mainz darstellen", so Prof. Dr. Dmitry Budker, Gastgeber von Dr. Danila Barskiy am Institut für Physik der JGU und am Helmholtz-Institut Mainz (HIM).

Die Kernspinresonanzspektroskopie gehört zu einer Standardmethode der Analytik, um die Struktur und Dynamik von Materialien und lebenden Objekten zu ermitteln. Mit ihrer Schwestertechnologie, der Kernspintomographie, wird die Methode in der organischen Chemie, der Biochemie und der Medizin eingesetzt, wobei sich Flüssigkeiten besonders gut für die Untersuchung eignen. Allerdings stößt die NMR-Spektroskopie – abgekürzt von der englischen Bezeichnung Nuclear Magnetic Resonance – an Grenzen: Wegen der schwachen Wechselwirkung von Atomkernen mit dem angelegten Magnetfeld sind die NMR-Signale extrem niedrig. Zur Detektion sind daher starke Magnetfelder erforderlich. Dies schließt unter anderem die Entwicklung tragbarer Point-of-Care-Geräte aus.

Ziel sind kompakte und tragbare NMR-Geräte

Der Sofja Kovalevskaja-Preisträger Dr. Danila Barskiy erforscht seit rund zehn Jahren Möglichkeiten zur Verbesserung der NMR-Spektroskopie, zuletzt an der University of California, Berkeley, von wo er nach Mainz wechselt. Dabei verfolgt er verschiedene Ansätze mit dem Ziel, kompakte und tragbare NMR-Geräte zu entwerfen, die schließlich so klein wie ein Chip werden und zudem für den breiteren Markt erschwinglich sein sollen. "Die meisten NMR-Systeme sind trotz Verbesserungen noch immer nicht kompakt, weil sie Feldstärken von mehreren Tesla brauchen, um die chemischen Signaturen in einem NMR-Spektrum zu unterscheiden", erläutert Barskiy das Problem.

Die neue Gruppe, für die Barskiy Mitarbeiter aus unterschiedlichen Disziplinen versammeln will, soll einen miniaturisierten, tragbaren NMR-Sensor entwickeln. Dieser Sensor arbeitet nach dem Prinzip der Null- bis Ultraniedrigfeld-Magnetresonanz, kurz ZULF-NMR, mithilfe von optisch gepumpten Magnetometern, kommt also ohne starke Magnetfelder aus. Zusätzlich zur Anwendung in der chemischen und biomedizinischen Forschung könnte die Entwicklung solcher Sensoren beispielsweise helfen, Stoffwechselstörungen in einem frühen Stadium zu erkennen.

Als Leiter einer Arbeitsgruppe in Mainz will Barskiy außerdem Zusatzgeräte für NMR-Spektrometer entwickeln, sogenannte Universal-Hyperpolarisatoren. Hyperpolarisation verbessert die Ausrichtung der Kernspins in einer Materialprobe und verstärkt dadurch die NMR-Signale. Der Wissenschaftler erwartet, dass die Universal-Hyperpolarisatoren für NMR-Tischgeräte in etwa die Größe einer Kaffeemaschine haben werden. Dies schafft die Voraussetzungen für hochempfindliche Analysen von Kraftstoffen, Bioflüssigkeiten wie Blut oder Urin und Nahrungsmittelextrakten und wird nach den Worten von Barskiy "die NMR-Spektroskopie für breitere Märkte demokratisieren und den technologischen Fortschritt in Entwicklungsländern beschleunigen".

Langjährige Zusammenarbeit mit Experten der UC Berkeley ebnet Weg für neue Forschungen

Somit hat für die Mainzer Gruppe um Prof. Dr. Dmitry Budker die Zusammenarbeit mit der UC Berkeley und insbesondere mit dem Labor von Prof. Dr. Alexander Pines erneut Früchte getragen: "Wir haben über viele Jahre mit Professor Pines und seinem Team, darunter auch Dr. Barskiy, sehr produktiv zusammengearbeitet und die ZULF-NMR gemeinsam entwickelt", so Budker. "Danila Barskiy gehörte zu den ersten, die die Bedeutung dieser Forschungen im biologischen und medizinischen Kontext erkannt haben." Budker weist darauf hin, dass Barskiys Pläne hervorragend zu den Arbeiten in Mainz passen, die auch im Rahmen des Marie Curie Innovative Training Networks ZULF NMR der EU zusammen mit anderen europäischen Partnern verfolgt werden.

Danila Barskiy hat an der Staatlichen Universität Nowosibirsk studiert und auf dem Gebiet der physikalischen Chemie promoviert. Im Jahr 2015 ging er als Postdoc an die Vanderbilt University in Nashville, Tennessee, und wechselte von dort 2017 in die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Alexander Pines an der University of California, Berkeley. "Die Bedingungen in Mainz sind für mich einmalig. Die geplanten Kollaborationen und die verfügbaren Ressourcen passen perfekt zu den Projekten, die ich verfolge. Mit dem Sofja Kovalevskaja-Preis kann ich nicht nur eine unabhängige Forscherkarriere starten, sondern dies wird auch die multidisziplinäre Forschung in Deutschland stärken", so der Wissenschaftler.

Die Sofja Kovalevskaja-Preise 2020 wurden von der Alexander von Humboldt-Stiftung an acht internationale Forschertalente im Alter von 29 bis 36 Jahren vergeben. Es handelt sich um einen der höchstdotierten Wissenschaftspreise Deutschlands, mit dem die Nachwuchswissenschaftler in einer frühen Phase ihrer Karriere Risikokapital für innovative Projekte erhalten. Sie forschen bis zu fünf Jahre lang an deutschen Universitäten und Forschungseinrichtungen und bauen eigene Arbeitsgruppen an ihren Gastinstituten auf. Der Preis wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanziert.

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