Was ist Kernspinresonanz?
Alle Magnetkerne besitzen eine Eigenschaft, die als Kernspinresonanz oder NMR bezeichnet wird, wenn sie sich in einem Magnetfeld befinden und wenn bestimmte andere Bedingungen erfüllt sind. Nach diesen Grundsätzen wurde eine Reihe verschiedener Technologietypen entwickelt. Dazu gehören verschiedene Arten der medizinischen Bildgebung und Spektroskopie.
Die kernmagnetische Resonanz hängt von der Tatsache ab, dass einzelne Kerne bei Anlegen eines oszillierenden elektromagnetischen Impulses an Kerne innerhalb eines Magnetfeldes Energie absorbieren und diese Energie dann in bestimmten Mustern abgeben. Das Muster der Energieabsorption und -freisetzung hängt von der Stärke des Magnetfelds sowie von bestimmten anderen Variablen ab. Durch die Untersuchung dieser Muster können Physiker die quantenmechanischen Eigenschaften von Atomkernen untersuchen. Mit Hilfe der NMR-Technologie können Chemiker die chemische und strukturelle Zusammensetzung von Proben untersuchen. In der Medizin ist die Kernspinresonanztechnologie die Grundlage eines häufig verwendeten medizinischen Bildgebungsgeräts.
Alle NMR-Technologie beruht auch auf einer Eigenschaft namens Spin . Bei der Bestimmung, ob ein bestimmter Atomkern Spin hat, wird die Anzahl der Nukleonen im Atom gezählt. Das Nukleon ist die Sammelbezeichnung für Protonen und Neutronen. Wenn die Anzahl der Protonen und Neutronen in einem Kern ungerade ist, ist die Menge an Spin, die die Kerne haben, größer als Null. Dieser Kern soll daher die Eigenschaft des Spins besitzen. Jeder Kern, der Spin besitzt, kann mit Hilfe der NMR-Technologie untersucht werden.
In der Kernspinresonanzspektroskopie wird ein Gerät namens Kernspinresonanzspektrometer verwendet, um Informationen über Typ, Anzahl und Anordnung der Kerne in einer bestimmten Probe zu erhalten. Die Analyse eines NMR-Spektrums durch einen Chemiker kann beispielsweise Informationen über die verschiedenen Arten von Chemikalien in einer Probe sowie über die Struktur der verschiedenen vorhandenen Moleküle liefern. Die NMR-Spektroskopie war zum Beispiel maßgeblich am Verständnis der Struktur von Nukleinsäuren und Proteinen beteiligt und liefert auch Hinweise auf die Funktionsweise dieser Moleküle.
Die Grundlage der kernmagnetischen Resonanzbildgebung beruht auf der Tatsache, dass die Resonanzfrequenz verschiedener Moleküle proportional zur Stärke des an sie angelegten Magnetfelds ist. Wenn eine Probe in ein oszillierendes Magnetfeld gebracht wird, variieren die Resonanzfrequenzen der Kerne in der Probe abhängig davon, wo sie sich in diesem Feld befinden. Diese Variationen können dann verwendet werden, um ein Bild der Probe selbst aufzubauen.
In der Medizin ist diese Technik allgemein als Magnetresonanztomographie oder MRT bekannt. Dieses medizinische Bildgebungsgerät verwendet Magnetfelder, um die im Wasser vorhandenen Wasserstoffatome auszurichten. Da der menschliche Körper einen hohen Anteil an Wasser enthält, liefert die Ausrichtung der Wasserstoffatome auf diese Weise genügend Informationen, um ein Bild der inneren Struktur des Körpers zu erhalten. Der Besitz von Spin ist ein wichtiges Konzept in dieser Technologie. Dies liegt daran, dass Wasserstoffatome, die über Spin verfügen, unterschiedlich auf Magnetfelder reagieren, je nachdem, an welche anderen Arten von Molekülen sie gebunden sind und sogar an welche Arten von Molekülen sie sich in der Nähe befinden.
Die NMR-Technologie hat viele andere theoretische und praktische Anwendungen. Die Erdöl- und Erdgasindustrie nutzt die NMR-Technologie, um das Gestein der Erde nach Ablagerungen dieser Brennstoffe zu durchsuchen. Eine der wichtigsten Anwendungen der NMR-Technologie bei der Untersuchung von Proben besteht darin, dass die Probe nicht zerstört wird. Dies bedeutet, dass NMR-Tests an Proben durchgeführt werden können, die empfindlich oder gefährlich sind und ein wesentlich geringeres Risiko aufweisen.