3 Hersteller von Kernspinresonanzgeräte (NMR) im Jahr 2024

Was ist ein Kernspinresonanzgerät (NMR)?

Die Kernspinresonanz (NMR) ist ein Gerät, das die Struktur einer zu messenden Verbindung identifiziert, indem es die chemische Umgebung der Atome aufdeckt (welche Elemente in der Umgebung vorhanden sind und wie ihre Bindungszustände sind).

Die mit einem Kernspinresonanzgerät erzielten Ergebnisse werden auf der horizontalen Achse durch die chemische Verschiebung (die Frequenzdifferenz zwischen dem NMR-Signal der Referenz- und der gemessenen Substanz) und auf der vertikalen Achse durch die Intensität dargestellt.

Durch die Angabe der zu untersuchenden Elementspezies zum Zeitpunkt der Messung können die Informationen Element für Element erfasst werden, auch für Verbindungen mit komplexen Strukturen. Darüber hinaus kann ein breites Spektrum von Proben analysiert werden, darunter Flüssigkeiten, Feststoffe und Gelsubstanzen.

Andere Instrumente für die Strukturanalyse sind Raman-Spektrophotometer und Elektronenmikroskope, aber Kernspinresonanzgeräte ermöglichen eine einfache und zerstörungsfreie Analyse. Darüber hinaus werden sie häufig eingesetzt, weil sie Strukturinformationen über die gesamte Verbindung einschließlich benachbarter Atomspezies und nicht nur Teilinformationen liefern.

Anwendungen von Kernspinresonanzgeräten 

Kernspinresonanzanzgeräte werden nicht nur für die Materialanalyse, sondern auch im klinischen Bereich eingesetzt. Typische Anwendungen sind folgende:

1. Materialanalyse

Das Kernspinresonanzanzgerät eignet sich sehr gut für die Analyse organischer Materialien wie Harze, Biomaterialien und Batterieelektrolyte. Es ist nützlich für die Strukturanalyse organischer Materialien und für die Analyse der Ursachen des Abbaus abgebauter Materialien.

So kann beispielsweise die Struktur von Stoffen geklärt werden, die durch chemische Synthese, Extraktion oder Reinigung gewonnen wurden oder es kann festgestellt werden, ob es sich bei dem betreffenden Stoff um eine Komponente mit hohem oder niedrigem Molekulargewicht handelt. Es kann auch verwendet werden, um die Reinheit einer Substanz zu bestimmen, Verunreinigungen zu identifizieren und eine quantitative Analyse durch Vergleich mit Standardsignalen in einer Datenbank durchzuführen.

2. Klinisch

In der klinischen Praxis beruht die Magnetresonanztomographie (MRT) auf demselben Prinzip wie die NMR: Die MRT analysiert und visualisiert die räumliche Verteilung von Wasser im Körper und liefert so ein genaues Bild vom Zustand der Körpergewebe.

Die MRT sieht ähnlich aus wie die CT, verwendet aber keine Röntgenstrahlen wie die CT, so dass kein Risiko einer Strahlenbelastung besteht. Außerdem hat sie eine hohe Auflösung und kann Veränderungen erkennen, die mit CT-Scans nicht zu sehen sind.

Funktionsweise der Kernspinresonanzgeräte 

1. Kernmagnetisches Moment eines Atoms

Atomkerne haben eine positive Ladung und drehen sich um ihre eigene Achse. Diese Drehung erzeugt ein Magnetfeld, so dass jedes Atom als ein kleiner Magnet betrachtet werden kann. Die Größe dieses Magnetfelds wird als Vektorgröße ausgedrückt, die als magnetisches Kernmoment bezeichnet wird.

2. Zeemansche Aufspaltung und Resonanzphänomene

Wenn die zu untersuchende Verbindung einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird, gehen die Kerne der Atome in einen angeregten Zustand über. In diesem angeregten Zustand spaltet sich der Kern in zwei Energieeinheiten auf. Dieses Phänomen wird als Zeeman-Spaltung bezeichnet.

Wenn der Kern mit einer elektromagnetischen Welle beaufschlagt wird, die dem Energieunterschied zwischen den beiden Niveaus entspricht, kommt es zu einer Resonanz mit den Atomen in einer bestimmten Umgebung. Unter Resonanz versteht man die Anregung eines kernmagnetischen Moments von einem niedrigeren Niveau zu einem höheren Niveau. Die Umgebung des Zielatoms lässt sich ermitteln, indem man beobachtet, welche Frequenz der elektromagnetischen Strahlung die Resonanz verursacht.

Bei der Zeeman-Aufspaltung können Atome mit einer unterschiedlichen Anzahl von Kernen, die jedes Energieniveau bilden, beobachtet werden. Atome mit gerader Masse- und Ordnungszahl (Spinquantenzahl 0), wie 12C und 16O, können dagegen nicht analysiert werden, da sie kein magnetisches Kernmoment besitzen.

3. Chemische Verschiebung

Die Resonanzfrequenzen ändern sich bei ein und demselben Kern je nach Umgebung leicht. Der Betrag dieser Änderung wird als chemische Verschiebung bezeichnet und in ppm ausgedrückt, um wie viel sie sich gegenüber der Resonanzfrequenz des Referenzmaterials verändert hat.

Weitere Informationen zu Kernspinresonanzgeräten 

Wissenswertes über Kernspinresonanzgeräte 

Kernspinresonanzgeräte erzeugen ständig ein starkes Magnetfeld, das umliegende Metallgegenstände anzieht. Es besteht auch die Gefahr der Beschädigung von Herzschrittmachern, Kreditkarten und Smartphones.

Die Magnete, die das Magnetfeld erzeugen, werden durch tiefkaltes, verflüssigtes Gas (flüssiges Helium) erhitzt und damit gekühlt. Wenn z. B. bei einem Erdbeben die Wärme des Magnetfelds entweicht und das Flüssiggas auf einmal verdampft, wird der Raum erstickend und muss entsprechend überwacht werden.