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Kernspinresonanzspektroskopie

(Nuclear Magnetic Resonance – NMR)

Grundlage der Kernspinresonanzspektroskopie ist der physikalische Effekt, dass alle Atomkerne, die eine ungerade Anzahl von Protonen und /oder Neutronen aufweisen, ein magnetisches Moment haben. Vereinfacht lässt sich dieses Moment als Drehung des Atomkerns (=Spin) um eine geneigte Achse beschreiben. Ein starkes äußeres Magnetfeld kann die rotierenden Atomkerne gleichförmig ausrichten. Ein Radiofrequenzimpuls versetzt die Atomkerne nun gleichsam ins Taumeln. Nach Abschalten dieses Impulses dauert es ca. eine Sekunde, bis sie wieder ins Gleichgewicht zurückkehren. Über diesen Zeitraum, die „Relaxationszeit“, sendet jeder Atomkern seinerseits ein charakteristisches Radiosignal aus. Anhand dieser Signale lassen sich Zahl und Art der Atomkerne in einer untersuchten Probe identifizieren.

Die Kernspinresonanzspektroskopie liefert so Informationen über einzelne Atome und ihre Wechselwirkung mit benachbarten Atomen. Sie ermöglicht die zerstörungsfreie Analyse der Inhaltsstoffe von Materialproben und die Bestimmung von Molekülstrukturen. Einfach strukturierte Moleküle lassen sich ebenso untersuchen, wie komplexe Proteine oder Wirkzusammenhänge zwischen verschiedenen Molekülen. Die Möglichkeiten der Kernspinresonanzspektroskopie werden u.a. in der chemischen Forschung sowie in der Lebensmittel- und Biochemie genutzt. Da Proben für die Untersuchung nicht bearbeitet werden müssen, bleiben sie im Originalzustand erhalten. Dieses Merkmal unterscheidet das Verfahren von vielen anderen Analysemethoden.

In den letzten beiden Jahrzehnten kamen höher auflösende NMR-Systeme auf den Markt, die bessere Analysen komplexer Moleküle vor allem im Bereich der Biochemie und Medizin ermöglichten. Hierzu werden aber immer stärkere Magnetfelder benötigt und Grenzen des Machbaren mit Tieftemperatursupraleiter sind erreicht. Deswegen wird an ersten Geräten gearbeitet, deren Magnete aus Hochtemperatursupraleitern gefertigt werden, konkret YBCO-Bandleitern. Ein ideales Material für den Magnetbau sind auch BSCCO-2212-Drähte, da sie als Rundleiter gefertigt werden können.

Technologische Fortschritte in der Festkörper-NMR können insbesondere die Möglichkeiten der Werkstoffprüfung erweitern und Beiträge zur Optimierung von Produktionsprozessen leisten: Ein Beispiel hierfür ist die Qualitätskontrolle von Hochleistungsfasern aus Polyethylen oder Nylon. Schwachstellen dieser Polymere, die aus langen makromolekularen Ketten bestehen, können nur durch die Festkörper-NMR-Spektroskopie identifiziert werden. Mit den auf diesem Weg gewonnenen Informationen lässt sich das Herstellungsverfahrens so abstimmen, dass Fasern mit konstant hoher Qualität erzeugt werden können.