<DENNE ARTIKEL SKAL OPDELES OG NIVEAU-DELES>

 Verdensrekord for måling af den hidtil mindste kraft
====================================
Helt nye muligheder for at sænke detektionsgrænsen for kraftmålinger og udvikle supersensitive måleapparater

Mulighed for meget specifikke målinger af egenskaber på udvalgte steder i et molekyle, f. eks. det aktive center i et enzym

Elektronspinresonansspektroskopi kan bruges til mængdemålinger inden for det medicinske område.

Elektronspinresonans er også blevet anvendt af arkæologer til datering af tænder.

Det kan forventes, at der kan fremstilles meget mere følsomme elektronspinresonansspektrometre.

====================================

Der er sat en måleteknisk verdensrekord hos National Institute of Standards and Technology i Boulder i Colorado, USA. Forskerne har her målt en kraftpåvirkning, der er omkring 1000 gange mindre, end hvad man før har kunnet måle. Den nu målte kraft angives i yocto-Newton, dvs 10-24 Newton, og der blev målt 174 yocto-Newton – en utrolig lille kraft. Forskernes præstation er blevet offentliggjort på arxiv.org/abs/:1004.0780v2 den 9. april 2010.

Måling af meget små kraftpåvirkninger er vigtig inden for en række discipliner, herunder præcisions-elektronspinresonansspektroskopi, mikroskopi og afprøvning af fundamentale fysiske fænomener. Med måling af kraftpåvirkninger i yocto-Newton-skala åbnes nye muligheder for supersensitive kraftpåvisningsdetektorer. Elektronspinresonans er en spektroskopisk metode til undersøgelse af prøver af atomer, molekyler, væsker og faste stoffer, herunder krystaller. Prøven placeres i et ydre magnetfelt, og derefter påtrykkes et radiofrekvensfelt. Ved bestemte frekvenser vil spinretningen af uparrede elektroner ændres.

Spin er betegnelsen for en egenskab ved alle elektroner. Man kan groft sagt sige, at de drejer enten højre eller venstre om sig selv. Elektroner optræder normalt altid i par, hvor de to elektroner drejer hver sin vej. I frie radikaler er der kun en enkelt, uparret elektron. De frie radikaler dannes som mellemprodukter i kemiske processer. Frie radikaler er som regel meget ustabile og eksisterer ofte kun i millisekunder, før de går i forbindelse med andre stoffer.

En uparret elektron har mulighed for at skifte retningen af sin omdrejning. Dette skift svarer til en ganske lille mængde energi, der i elektronspinresonansspektroskopets magnetfelt forstørres, så den er målelig. Disse frekvenser er bestemt af de omgivelser, elektronerne befinder sig i. Uparrede elektroner, herunder ustabile radikaler, dannes ved at bestråle prøverne med ultraviolet lys, energirige elektroner eller radioaktiv stråling. Elektronspinresonans er en parallel til kernemagnetisk resonans (NMR), hvor kerners spinorientering ændres.

De frie radikaler kan anvendes som markører, sporstof, hvis de knyttes til f. eks. molekyler fra proteiner, og kan give værdifulde oplysninger om identitet, struktur og dynamik af f. eks. væsker og faste stoffer. Elektronspinresonansspektroskopi anvendes således inden for kemi, medicin og fysik til påvisning og identifikation af frie radikaler og paramagnetiske centre. Signalet ved elektronspinresonansspektroskopi er følsomt over for det fysiske, molekylære miljø omkring radikaler. Analyse af signalet ved elektronspinresonansspektroskopi kan give information om fysiske egenskaber på et molekylært niveau, såsom molekylær mobilitet, polaritet eller tilstedeværelse af paramagnetiske molekyler (f. eks. oxygen).

Elektronspinresonansspektroskopi er således en følsom, specifik metode til at undersøge radikaler, der dannes i kemiske reaktioner, og i det hele taget til at undersøge kemiske reaktioner. Når f. eks. frossen vand (fast H2O) sønderdeles ved udsættelse for højenergistråling, dannes radikalerne H, OH og HO2. Sådanne radikaler kan identificeres og undersøges med elektronspinresonansspektroskopi. Organiske og uorganiske radikaler kan påvises i elektrokemiske systemer og i materialer, der udsættes for UV-lys. I mange tilfælde er det reaktionerne, hvorved radikaler frembringes, og de efterfølgende reaktioner, hvor radikaler indgår, der har interesse, men elektronspinresonansspektroskopi kan også anvendes til at skaffe information om et radikales geometri og banen med den uparrede elektron.

Elektronspinresonansspektroskopi anvendes som sagt også til medicinske og biologiske formål. Da radikaler er meget reaktive, findes de ikke i store koncentrationer i biologiske prøver. Der er blevet udviklet specielle reagenser til spin-mærkning af molekyler. Sådanne molekyler indeholder en uparret elektron. De har evnen til at binde til andre molekyler, som f.eks. til specifikke steder på en biologisk celle, og elektronspinresonansspektroskopi kan så give information om omgivelserne omkring disse spinmærkninger. Hvis binding af spinmærkningen styres til et bestemt sted på f. eks. et protein, er det dermed muligt at måle på et specifikt sted i proteinet, f. eks. i det aktive center af proteinet. Formålet med spinmærkning ligner i nogen grad formålet med isotopsubstitution i NMR- spektroskopi. Her erstattes et atom, som mangler et kernespin (og som dermed er NMR-tavs), med en isotop, der har et spin (og som dermed er NMR-aktiv). Elektronspinresonansspektroskopi kan bruges til at måle omgivelserne omkring et atom, når det ikke er muligt at erstatte et atom uden kernespin med et atom med kernespin, altså anvende NMR.

Medicinsk anvendelse
Med elektronspinresonansspektroskopi er der blevet udviklet et referencestandarddosimetersystem til brug for mængdemålinger inden for det medicinske område. Systemet er baseret på elektronspinresonanssignaler fra radikaler fra bestrålet polykrystallinsk alfa-alanin (alanin- deamineringsradikalet, hydrogen-abstraktionsradikalet og (CO-(OH))=C(CH3)NH2+ -radikalet). Denne metode er egnet til måling af gammastråling og røntgenstråling samt elektroner og protroner.

Test af holdbarhed af f. eks. fødevarer
Radikaler forekommer ofte i fødevarer og andre typer af biologisk materiale i form af kortlevende mellemprodukter under oxidative reaktioner, som resulterer i oxidation af lipider, proteiner, vitaminer og andre vigtige fødevarekomponenter og dermed harskning af produkterne. Elektronspinresonansspektroskopi kan derfor bruges til at påvise oxidative ændringer i fødevarer, test af stabiliteten af fødevarer over for oxidation, mobilitet af molekyler i fødevarer og måling af oxygenniveauer i mikroskopiske områder af fødevarer (oximetry).

Elektronspinresonans er blevet anvendt til at undersøge strålingssteriliserede fødevarer for at fastlægge, hvilken dosis der er blevet anvendt til at udføre steriliseringen.

Meget lavere detektionsgrænse mulig
Et elektronspinresonansspektroskop kan kun anvendes i systemer, hvor balancen mellem dannelse af radikaler og inaktivering af radikaler holder koncentrationen af frie radikaler over detektionsgrænsen for det anvendte spektrometer. Det er her, det bliver rigtig spændende at se, hvor meget man kan flytte detektionsgrænsen på basis af de nye målinger af kraft i yocto-Newton-området. Det kan forventes, at der kan fremstilles meget mere følsomme elektronspinresonansspektrometre.

Elektronspinresonans er også blevet anvendt af arkæologer til datering af tænder.
Langvarige strålingsskader frembringer frie radikaler i tandemaljen, hvilket kan undersøges med elektronspinresonans, og dateres efter passende kalibrering. Alternativt kan materiale fjernet fra tænderne under tandbehandling, anvendes til at kvantificere udsættelse for ioniserende stråling. Denne metode er blevet anvendt til at undersøge folk, der blev udsat for stråling fra Chernobyl- ulykken i 1986.

Newtons anden lov
Nøglen til forskernes succes har været den lille masse, der skulle sættes i bevægelse. Tres beryllium-ioner vejer omkring 0,9 zeptogram (0,9 x 10-21 gram), og ifølge Newtons anden lov kan en lille kraft give en lille masse en målbar acceleration, hvorimod der kræves en tilsvarende større kraft for at påvirke en tungere masse. Den begrænsende faktor har tidligere været at involvere en tilstrækkelig lille masse. Tidligere brugte man meget tynde tråde, som man observerede med kraftpåvirkninger, der fik dem til at vibrere. Hermed kunne man måle kraftpåvirkninger på attoNewton-niveauet (atto er 10-18). Forskerne hos National Institute of Standards and Technology i Boulder fandt ud af at bruge beryllium-9-ioner (atomer med elektrisk ladning). Først indfangede forskerne 60 beryllium-9-ioner i en Penning-fælde, hvori man kan holde ioner frit hængende i luften ved hjælp af elektriske og magnetiske felter. De 60 beryllium-9-ioner dannede en pandekagelignende atomsky, som så blev beskudt med en laser. Indtil nu altsammen noget, der er velkendt. Ved passende indstilling af laseren kunne atomernes bevægelse mindskes, så det svarede til at afkøle temperaturen til 0,5 milli-Kelvin, altså 0,0005 Kelvin. Herefter ”puffede” forskerne til atomskyen med et meget lille elektrisk felt. Påvirkningen af atomskyen kunne registreres i det reflekterede laserlys fra atomskyen. På baggrund af denne måling udregnede forskerne, at de havde målt en kraftpåvirkning på 174 yoctoNewton (174 x 10-24 Newton), dvs. omkring 1000 gange mindre end der tidligere er blevet målt.

Forsøg nær det absolutte nulpunkt
Hvis en stofsamling rummer en vis mængde termisk energi, vil stoffets atomer eller molekyler bevæge sig. Jo højere temperaturen er, desto mere bevæger atomerne/molekylerne sig. Da atomerne/molekylerne ikke kan ”sidde mere stille” end det at være helt ubevægelige, findes der en nedre grænse for temperatur. Denne grænse kaldes for det absolutte nulpunkt, og udtrykt på Celsius-skalaen ligger dette punkt ved ca. –273,15 °C. Dette punkt er nulpunktet for Kelvinskalaen.

Det synes helt essentielt, at de nye forsøg foregik ved den ultralave temperatur på 0,0005 Kelvin for at udelukke bevægelse på grund af termiske bevægelser. Ionerne er ladede og befinder sig normalt i midten af Penning-fælden. Ved påvirkning med et elektrisk felt eller et magnetisk felt, vil beryllium-ionerne vibrere og skubbes væk fra centrum. Enhver bevægelse, der hidrører fra en påført kraft, kan påvises ved refleksion af en laser og ved at måle et hvilket som helst Doppler-skift i frekvensen af lyset. (Lysets frekvens er lidt højere, når ionen bevæger sig mod detektoren, og lidt lavere, når ionen bevæger sig væk fra detektoren. Vi kender det, når et udrykningskøretøj kommer i mod én, og når det har passeret én – der er en tydelig forskel i lydens frekvens).

Træerne gror ikke ind i himlen
Forskerne hos National Institute of Standards and Technology i Boulder har store visioner og håber på, at de kan reducere antallet af beryllium-ioner, så de kan måle en endnu mindre kraft. De snakker om at komme helt ned på anvendelse af blot én beryllium-ion som den masse, der skal påvirkes. Måske kan det lade sig gøre under forsøgsbetingelser, men det er mere tvivlsomt, hvor anvendelig metoden er i praksis. Forskere, der har stor indsigt i området, men som ikke har deltaget i de omtalte forsøg, maner til besindighed og mener, at den nye verdensrekord oversælges. Et af de vanskelige punkter ved forsøgene er, at ionerne skal holdes i et vakuumkammer, og dette faktum gør det vanskeligt at udnytte teknologien kommercielt. Men der er ingen tvivl om, at måling af den fantastisk lille kraft vil sætte gang i nye metodeudviklinger.

Kilder:
arxiv.org/abs/:1004.0780v2

www.physorg.com/news190449563.html

Nature/doi:10.1038/news.2010.187

/ ejbn