NMR Spinrauschen

Das Phänomen des Kernspinrauschens ist erst seit Kurzem mit modernen NMR-Spektrometern detektierbar. Während der Effekt sehr schwach ist, haben vorläufige Experimente und Berechnungen gezeigt, dass er neue Wege zu Anwendungen einer minimal invasiven analytischen Methode erschließt. In diesem Die primären Ziele in diesem Grundlagenforschungsvorhaben sind die Bestimmung wesentlicher physikalischer Parameter für das Entstehen und die Messung von Spinrauschen und die Entwicklung optimierter Aufnahme- und Datenverarbeitungsprotokolle. Von diesen physikalischen und methodischen Ausgangspunkten wird das Anwendungspotential von Spinrausch-Detektion in der NMR-Spektroskopie und verwandten Gebieten erforscht. Es handelt sich um ein exploratives Projekt, das die Basis und Entwicklungsrichtungen für weiter reichende vernetzte Forschungsanstrengungen mit internationaler multi-disziplinärer Kooperation legen soll.

Bei der Kernresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie) und NMR-Tomographie werden Radiosignale, die von magnetisch aktiven Atomkernen in einem Magnetfeld ausgesandt werden, aufgezeichnet und analysiert um chemische oder physiologische Information zu erhalten. Bei den heute routinemäßig dafür eingesetzten Verfahren erfolgt die Anregung dieser Signale durch Radiofrequenzimpulse. In dem abgeschlossenen Projekt wurde untersucht, wie ohne eine derartige Anregung, nur durch Untersuchung des ungestörten Radiofrequenzrauschens (NMR-Rauschen) einer Probe im Magnetfeld chemische Informationen gewonnen werden können. Zuerst wurde die Methodik der Aufnahme der Rauschdaten optimiert. Dann wurden Verfahren zur effizienten Analyse der Rauschdaten implementiert. Es konnte gezeigt werden, dass aus Rauschdaten die Wasserstoff-Kernresonanzspektren chemischer Verbindungen im Gleichgewicht bestimmt werden können. Das Phänomen des Spinrauschens selbst wurde im Detail untersucht, wobei ein Modell erarbeitet wurde, dass das NMR-Rauschen durch zwei Komponenten beschreibt, dem echten Kernrauschen und dem absorbierten Schwingkreisrauschen. Dieses Modell erlaubt eine Erklärung des komplexen Verhaltens des NMR-Rauschens bei der spektroskopischen Aufnahme und auch bei Spinrauschtomographie- Experimenten. Aufgrund der Beobachtung des NMR-Rauschverhaltens konnte eine Abstimmungsmethode für NMR-Sonden entwickelt, mit der bis zu 40% höhere Empfindlichkeiten erreicht werden können. Anwendungen dieses Verfahrens wurden sowohl an Lösungen von Proteinen als auch an festen Proben kleiner Moleküle demonstriert. Potentielle Anwendungen der Ergebnisse liegen in der Entwicklung von Methoden zur NMR-Spektroskopie und Tomographie sehr kleiner Probenmengen (weniger als 107 Moleküle). In theoretischer Hinsicht haben die Projektergebnisse neue Erkenntnisse über fundamentale Vorgänge der Kernresonanz gebracht. Diese haben Bedeutung für die Entwicklung neuer NMR-Methoden wie dynamische Kernspinpolarisation (DNP), Niedrigfeld-NMR und ex-situ-NMR.