Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kernspinresonanz mit niedrigen Magnetfeldern

20.07.2015

Jülicher Forscher erhöhen Empfindlichkeit von NMR-Messungen durch neuen Empfänger

Ein kleines Bauteil, das Messsignale verstärkt und störendes Rauschen unterdrückt – das präsentieren Jülicher und Aachener Forscher in der aktuellen Ausgabe von "Nature Physics". Entwickelt haben sie es für Kernspinresonanz-Messungen in der Batterieforschung.


Prototyp des Niederfeld-NMR-EmpfängersPrototyp des Niederfeld-NMR-Empfängers

Copyright: Forschungszentrum Jülich

Die Technik wird typischerweise etwa für bildgebende Verfahren in der Medizin (MRT) oder die Analyse von Molekülstrukturen in der Biologie und Chemie (NMR) eingesetzt. Der neue Empfänger ermöglicht eine hohe Empfindlichkeit bei niedrigen Frequenzen auch ohne extrem starke und teure Magnete, die normalerweise für präzise Messungen benötigt werden.

Seit einigen Jahren arbeiten Forscher an der kleinen Schwester der etablierten Hochfeld-NMR, der Niederfeld-NMR. Während bei der Hochfeld-NMR (Nuclear Magnetic Resonance) immer stärkere Magnete immer mehr Informationen liefern sollen, geht die Niederfeld-NMR den entgegengesetzten Weg:

Schwächere Magnete sollen vergleichbare Ergebnisse liefern wie die großen Elektro- oder supraleitenden Magnete. Das ist nicht nur deutlich preiswerter, die Geräte wären auch deutlich kompakter und entsprechend gut zu transportieren. So ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten, an die bislang nicht zu denken war.

Die Geräte könnten beispielsweise mobil in der Medizin, zur Überwachung von Umwandlungsprozessen in der chemischen Industrie oder zur Analyse bei Erdölbohrungen zum Einsatz kommen. Von der neuen Methode könnte insbesondere auch die Batterieforschung profitieren:

"Wir wollen damit Lithium-Ionen Batterien untersuchen. Es gibt bisher kaum Möglichkeiten, um im laufenden Betrieb an gebrauchsfertigen Batterien die ablaufenden elektrochemischen Prozesse zerstörungsfrei zu verfolgen. Mit dieser Methode könnte das gelingen", berichtet Martin Süfke, Doktorand am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9).

Das Jülich-Aachener Wissenschaftler-Team hatte bereits in der Vergangenheit verwandte Techniken entwickelt, die auch ohne starke Magnetfelder hochauflösende NMR-Spektroskopie ermöglichen. "Wir konnten sogar schon mit höchster Genauigkeit im Erdmagnetfeld messen. Aber die Analyse der Spektren war vergleichsweise aufwändig", sagt Prof. Stephan Appelt, der am Jülicher Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA-2) und als Professor an der RWTH Aachen arbeitet. Gemeinsam mit seinem Aachener Kollegen Prof. Bernhard Blümich hat er die Verfahren auf den Weg gebracht.

"Dem Prototyp des Niederfeld-NMRs, den wir jetzt entwickelt haben, liegt dagegen ein neues, sehr einfaches Konzept zugrunde", erklärt Appelt. Noch existiert das Gerät nur als etwa handtaschengroßer Prototyp. "Weitere technologische Entwicklungen könnten es in Zukunft ermöglichen den Prototypen auf Handyformat zu schrumpfen", sagt Appelt.

Entscheidendes Bauteil ist der sogenannte externe Resonator, ein rauscharmer ferromagnetischer Kern umwickelt mit einer Spule, dazu ein Kondensator. "Das Funktionsprinzip gleicht dem eines unglaublich empfindlichen Lang- und Mittelwellenradios", erklärt Süfke. "Entscheidend ist, dass der Empfangskreis das Messsignal erheblich mehr verstärkt als das störende Rauschen, dadurch wird die gesamte Messung empfindlicher."

Die sehr hohe Empfindlichkeit bei niedrigen Frequenzen bringt weitere Vorteile mit sich. "In Zukunft könnte man eine Vielzahl von Elementen nachweisen, die für die chemische Katalyse und Elektrochemie wichtig sind. Dazu gehören etwa Rhodium, Wolfram, Silber und Lithium, deren Messung mit konventionellen Hochfeld-NMRs sehr lange dauert", ergänzt Appelt. Als Fernziel erhoffen sich die Forscher neue Erkenntnisse in der Quantenphysik und Grundlagenforschung.

In ersten Experimenten haben die Forscher bereits eine hundertfache Verstärkung des Messsignals gegenüber herkömmlichen Versuchsanordnungen erreicht. "Wir sind damit bei gleichen Ausgangsbedingungen schon so empfindlich wie ein Hochfeld-NMR bei etwa 10 Tesla", sagt Appelt. "Und wir haben berechnet, dass eine weitere Verbesserung um einen weiteren Faktor Hundert möglich sein müsste." Der Forscher hat mathematische Modelle entwickelt, die das Verhalten des neuen Empfängers beschreiben. Sie helfen den Forschern nun, ihr System gezielt weiterzuentwickeln.

Originalpublikation:
Martin Süfke, Alexander Liebisch, Bernhard Blümich, Stephan Appelt, External high-quality-factor resonator tunes up nuclear magnetic resonance, Nature Physics, (published online 6 July 2015), doi:10.1038/nphys3382
http://dx.doi.org/10.1038/nphys3382

Weiterführende Informationen:
Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik, Bereich Systeme der Elektronik (ZEA-2):
http://www.fz-juelich.de/zea/zea-2/DE/Home/home_node.html 
Institut für Energie- und Klimaforschung, Bereich Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9):
http://www.fz-juelich.de/iek/iek-9/DE/Home/home_node.html
Institut für Technische und Makromolekulare Chemie (ITMC) der RWTH Aachen, Lehrstuhl für Makromolekulare Chemie:
http://www.mc.rwth-aachen.de/

Ansprechpartner:

Dipl.-Chem. Martin Süfke,
Institut für Energie- und Klimaforschung, Bereich Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
Tel. +49 2461 61-4511
E-Mail: m.suefke@fz-juelich.de

Univ. Prof. Dr. rer. nat. Stephan Appelt
Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik, Bereich Systeme der Elektronik (ZEA-2)
Tel. +49 2461 61-3884
E-Mail: st.appelt@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Erhard Zeiss, M.A.
Unternehmenskommunikation
Tel.: +49 2461 61-1841
E-Mail: e.zeiss@fz-juelich.de

Erhard Zeiss | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Im Neptun regnet es Diamanten: Forscherteam enthüllt Innenleben kosmischer Eisgiganten
21.08.2017 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

nachricht Ein Hauch von Galaxien im Zentrum eines gigantischen Galaxienhaufens
21.08.2017 | Universität Heidelberg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Neptun regnet es Diamanten: Forscherteam enthüllt Innenleben kosmischer Eisgiganten

21.08.2017 | Physik Astronomie

Ein Holodeck für Fliegen, Fische und Mäuse

21.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Institut für Lufttransportsysteme der TUHH nimmt neuen Cockpitsimulator in Betrieb

21.08.2017 | Verkehr Logistik