Forscher ermöglichen Kernspinresonanz mit minimalen Magnetfeldern

Die NMR-Spektroskopie ist eine sehr wichtige Methode, die in der wissenschaftlichen Forschung und medizinischen Diagnostik oft eingesetzt wird und darauf beruht, dass Atomkerne ein magnetisches Moment besitzen. Mit Hilfe eines von außen angelegten starken Magnetfeldes können diese Momente ausgerichtet und anschließend mit einem Impuls aus Radiowellen aus der Achse gekippt werden. Das äußere Magnetfeld hat dabei eine Stärke von bis zu einem Tesla und ist damit etwa 20000 mal stärker als das Erdmagnetfeld. Die Rate mit der nun jeder Atomkern, ähnlich einem Kreisel, taumelt ist charakteristisch: So präzediert ein Wasserstoffkern viermal schneller als ein Kohlenstoff-13-Kern. Die taumelnden Kerne absorbieren elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge, die mit einem auf die jeweilige Präzessionsfrequenz eingestellten Detektor aufgespürt wird.

Aus der Stärke und Lage der Linien in einem NMR-Spektrum kann der geschulte Wissenschaftler nicht nur die verschiedenen Elemente herauslesen, sondern auch Aussagen über den Aufbau der Moleküle treffen. Leider ist die NMR-Spektrokopie oft auf feste Proben beschränkt, die in das Bohrloch des starken Magneten eingebracht werden können.

Die Weiterentwicklung des amerikanischen Teams besteht nun darin, dass sie die zu untersuchenden Atomkerne vorpolarisieren und als Detektor für das magnetische Feld ein SQUID (supraleitende Quanteninterferenzdetektoren) einsetzen. Beim SQUID handelt es sich um einen hochempfindlichen, auf dem Josephson-Effekt beruhenden Sensor, der aus einem supraleitenden Ring mit ein oder zwei Josephson-Kontakten besteht. SQUIDs werden zwar schon seit den 80er-Jahren in der NMR-Technik eingesetzt, aber hauptsächlich für feste Proben bei sehr tiefen Temperaturen. Die Wissenschaftler erweiterten die Anwendung nun auch auf flüssige Proben, indem sie die Proben in einer isolierten Kammer erhitzen und den SQUID in einem Bad aus flüssigem Helium kühlten.

Mit dem SQUID wird der magnetische Fluss direkt gemessen, den ein Magnetfeld erzeugt. Das Besondere ist die hohe Empfindlichkeit des SQUID, der Magnetfelder messen kann, die wesentlich kleiner sind als das Erdmagnetfeld, und damit auch die Magnetfelder, die von beliebig langsam drehenden Kernen erzeugt werden. Das von außen anzulegende Magnetfeld kann im Vergleich mit bisherigen NMR-Messungen bis zu Zweimillionenmal schwächer sein. Ein weiterer Vorteil des SQUID ist, dass er im Gegensatz zu den üblichen Detektoren nicht über die Frequenz durchgestimmt werden muss.