Feldgradienten-NMR

Feldgradienten-NMR

Feldgradienten-NMR (abgekürzt häufig PFG-NMR von englisch pulsed-field-gradient nuclear magnetic resonance) ist eine spezielle Technik der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie).

Funktionsweise

Während in der gewöhnlichen NMR-Spektroskopie in einem homogenen Magnetfeld $ B_0 $ Signale als Funktion der Frequenz, also energieaufgelöst gemessen werden, verwendet man in der Feldgradienten-NMR bewusst inhomogene Magnetfelder.

Dies geschieht, indem durch zusätzliche Magnetfeldspulen lineare Feldgradienten bekannter Größe erzeugt und dem Hauptfeld $ B_0 $ überlagert werden. Es ergibt sich somit ein örtlich variierendes Magnetfeld $ B_0(x,y,z) $, in dem die Resonanzfrequenz $ \omega_0 $ eines Kerns durch eine bekannte Funktion $ \omega_0(x,y,z) $ der Position des Kerns im Magnetfeld beschrieben ist.

Auf diese Weise ist es möglich, ortsaufgelöste NMR-Experimente durchzuführen, wobei man örtliche Informationen, wie die Position oder die räumliche Verschiebung von „NMR-sichtbaren“ (meist wasserstoffhaltigen) Teilchen, erhalten kann. Diese Technik ist auch die Grundlage für die Ortsauflösung in der Magnetresonanztomographie (MRT) und der Diffusions-Tensor-Bildgebung.

Zur Erzeugung des Gradienten in Richtung des Hauptfeldes werden Maxwell-Spulen (=Anti-Helmholtz-Spule) verwendet, senkrecht dazu sog. Golay-Spulen.[1]

Je nachdem, ob der Magnetfeldgradient die ganze Zeit anliegt oder nur in Form kurzer Impulse geschaltet wird, unterscheidet man zwischen der Methode statischer Feldgradienten (SFG) oder gepulster Feldgradienten (PFG). Die PFG-Methode ist apparativ aufwendiger, bietet aber den Vorteil deutlich höherer Signalintensitäten und einfacher interpretierbarer Signalverläufe.

Anwendungen

Die PFG-NMR dient, neben den Bildgebungsverfahren, vor allem zur Messung von Ortsveränderungen der beobachteten Teilchen während einer einstellbaren und damit definierten Zeit, wie z. B. bei Fließbewegungen und Selbstdiffusionsvorgängen. Dabei wird in einem Spin-Echo-Experiment die Bewegung von Molekülen relativ zum örtlich variierenden Magnetfeld über eine Phasenverschiebung (im Fall von gerichteten Fließbewegungen) oder eine Abschwächung (im Falle von Diffusionsvorgängen) des NMR-Signals gemessen. Im Gegensatz zu anderen Messverfahren für Selbstdiffusionskoeffizienten kommt die Feldgradienten-NMR ohne spezielle Tracersubstanzen aus und kann deshalb auch zu zerstörungsfreien Messungen in porösen Materialien eingesetzt werden. Außerdem kann die Beobachtungszeit variiert werden, über die die Diffusionsverschiebung gemessen wird (üblicherweise von einigen Millisekunden bis zu einigen Sekunden). Aus der Abhängigkeit des gemessenen Diffusionskoeffizienten von der Beobachtungszeit können Rückschlüsse auf die Struktur des Systems gezogen werden (z. B. durch Auswertung der anomalen Diffusion bei einem Porensystem). Somit spielt die PFG-NMR eine herausragende Rolle in geologischen Anwendungen und insbesondere in der Erdölindustrie bei der nicht-invasiven Bestimmung von Porengrößen und -form in unterschiedlich porösen Gesteinen und Sedimenten.

Während Diffusion eine inkohärente, translatorische Bewegung von Teilchen ist, sind Fließbewegungen kohärenter Art. Kohärente Bewegungen können mit den gleichen PFG-NMR-Methoden studiert werden. So können z. B. Blutfluss-Messungen, oder on-line Flussmessungen in verfahrenstechnischen Anlagen mit der PFG-Spin-Echo-Methode durchgeführt werden. Die Messung der kohärenten Bewegung von elektrisch geladenen Teilchen (Ionen, geladene Makromoleküle) wird in der sogenannten „Elektrophoretischen NMR“ (ENMR) durchgeführt, wo Wanderungsgeschwindigkeiten bzw. Beweglichkeiten dieser Teilchen im elektrischen Feld bestimmbar werden.[2] Hier wird also das PFG-NMR-Experiment in Anwesenheit eines elektrischen Stromes in der untersuchten Probe durchgeführt. Sehr interessant ist dabei, dass in komplexen Gemischen verschiedener geladener Teilchen, durch die Selektivität der NMR, die Teilchen einer bestimmten Sorte gezielt verfolgt werden können. Die elektrophoretische NMR kann u. a. zum Studium des Ladungstransports durch Membrane in Brennstoffzellen und zur Messung der elektrischen Ladung von bestimmten Makromolekülen (Polyelektrolyte) eingesetzt werden.[2]

Die Technik der Feldgradienten-NMR kann auch als Kontrastmechanismus in der Magnetresonanztomographie genutzt werden: Diffusionskontraste sind etwa zur Diagnose von Hirnschädigungen durch Schlaganfall von Interesse.

Literatur

  • Malcolm H. Levitt: Spin Dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance. 2. Auflage. John Wiley & Sons, New York 2008, ISBN 0-470-51117-6, S. 77–78.
  • Paul T. Callaghan: Principles of Nuclear Magnetic Resonance Microscopy. Clarendon Press, Oxford 1991, ISBN 0-19-853997-5, S. 162–165 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  • Siegmar Braun, Hans-Otto Kalinowski, Stefan Berger: 150 and More Basic NMR Experiments. A Practical Course. Wiley-VCH, Weinheim 1998, ISBN 3-527-29512-7 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  • Manfred Holz: Kontaktfreie Messung von Stofftransport durch NMR. In: Nachr. Chem. Tech. Lab. Band 34. VCH, Weinheim 1986, S. 858–864.

Einzelnachweise

  1. Garrett, Milan Wayne: Thick Cylindrical Coil Systems for Strong Magnetic Fields with Field or Gradient Homogeneities of the 6th to 20th Order. In: Journal of Applied Physics. Band 38, Nr. 6, 1967, S. 2563–2586, doi:10.1063/1.1709950.
  2. 2,0 2,1 Manfred Holz: Field-Assisted Diffusion Studied by Electrophoretic NMR In: Paul Heitjans, Jörg Kärger (Hrsg.): Diffusion in Condensed Matter. Methods, Materials, Models. Greatly enlarged and completely revised edition. Springer, Berlin u. a. 2005, ISBN 3-540-20043-6, S. 717–742.

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