von DIRK EIDEMÜLLER
Wenn Chemiker ein Herstellungsverfahren für eine neue Substanz ertüftelt haben, überprüfen sie deren molekulare Struktur gern schnell mithilfe der Kernspinresonanz. Dazu geben sie die Probe in ein Röhrchen und schieben dieses in ein sogenanntes Kernspinresonanz-Spektrometer. Damit lassen sich die magnetischen Eigenschaften der Atomkerne analysieren, was Aufschluss gibt über die atomare Struktur des Moleküls sowie über die Bindungseigenschaften zwischen den darin vereinten Atomen. Deshalb ist dieses Verfahren ein grundlegendes Instrument im Werkzeugkoffer der Chemie.
Doch die Kernspinresonanz ist auch von den für die Medizin genutzten Magnetresonanztomografen (MRT) bekannt. Das sind die großen Röhren, in die man hineingeschoben wird und die dann sonderbar vor sich hin brummen, während die Apparatur das Gelenk oder Organ von Interesse Schritt für Schritt scannt.
„Das Hauptproblem bei der Kernspinresonanz ist bislang ihre geringe Empfindlichkeit, sodass man entweder große Körper abrastern oder kleine Proben als Ganzes untersuchen muss“, sagt Dominik Bucher, der als Professor für Quantensensorik an der Technischen Universität München forscht. „Bei kleinen Proben ist das Signal so schwach, dass sich keine Information gewinnen lässt.“
Preisgekrönte Entwicklung
Dank der modernen Quantentechnologie hat sich nun eine Möglichkeit aufgetan, dieses Problem zu lösen. Mit seinem Münchner Team hat Bucher kürzlich ein sogenanntes Kernspinresonanz-Mikroskop entwickelt. Dieses Gerät kann mit einer speziellen optischen Kamera hochaufgelöste Bilder von einer Probe aufnehmen und gleichzeitig die Informationen aus der Kernspinresonanz sichtbar machen. „Das eröffnet neue Möglichkeiten für die biologische sowie die chemische Forschung und damit auch für die Medizin und Materialwissenschaften“, freut sich Julia Draeger, die im Rahmen ihrer Masterarbeit an dem Projekt mitgewirkt hat und dafür Ende 2024 mit dem Quantum Future Award des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt ausgezeichnet wurde.
Der Name Kernspinresonanz weist schon darauf hin, welchem physikalischen Effekt diese Untersuchungsmethode ihren Namen verdankt: Der Kernspin beschreibt den Drehsinn der Atomkerne, der auch mit einem Magnetfeld gekoppelt ist. Wie winzige Magnetnadeln lassen sich die rotierenden Atomkerne im starken Magnetfeld eines Tomografen oder Spektrometers ausrichten und sind dann für Radiowellen empfänglich. Diese werden dann nach bestimmten Verfahren eingekoppelt.
Wenn die Frequenz der Radiowellen zur Rotationsfrequenz der kreisenden Kernspins passt, führt das zu deren Anregung, woraufhin die Spins selbst Radiowellen aussenden. Je nach Stärke des angelegten Magnetfelds und abhängig von den molekularen Eigenschaften in der nahen Umgebung der Atomkerne geschieht das bei unterschiedlichen Frequenzen. Aus deren Zusammensetzung lassen sich zahlreiche Informationen über das untersuchte Molekül gewinnen.
