Hohe Sensitivität auf engem Raum

  • 04. September 2017

Erstmals Lenz-Linsen für Messungen der nuklearen magne­tischen Reso­nanz ver­wendet.

In vielen Bereichen von den Materialwissenschaften bis zur Medizin ermöglicht nukleare magne­tische Resonanz, kurz NMR, detail­lierte molekül­spezi­fische Unter­suchungen. Am Karls­ruher Institut für Techno­logie ist es Forschern jetzt gelungen, die Empfind­lich­keit von NMR-Messungen auf kleinstem Raum zu steigern. Die Wissen­schaftler nutzen dazu Lenz-Linsen, die den magne­tischen Fluss fokus­sieren.

Lenz-Linsen

Abb.: Zwei Lenz-Linsen in einem Helmholtz-Spulen­paar ange­ordnet. Die Simu­la­tion zeigt, wie die Lenz-Linsen den magne­tischen Fluss räum­lich fokus­sieren. (Bild: N. Spengler, KIT)



Bei NMR-Messungen befindet sich die Probe in einem starken konstanten Magnet­feld und wird mit einem hoch­frequenten magne­tischen Wechsel­feld bestrahlt. Sowohl die Magnet­resonanz­tomo­graphie als auch die NMR-Spektro­skopie basieren auf der Kern­spin­resonanz. Aller­dings steht die Forschung vor der Heraus­forderung, das ungünstige Signal-Rausch-Ver­hältnis stetig zu ver­bessern und so die Sensi­ti­vität der NMR-Messungen zu steigern. „Eine hohe Sensi­ti­vität ist vor allem dann unab­ding­bar, wenn wir es mit massen- und volumen­be­grenzten Methoden zu tun haben oder wenn eine hohe räum­liche Auf­lösung gefor­dert ist“, erklärt Jan Gerrit Korvink vom KIT.

Bei NMR-Messungen an kleinen Proben haben sich miniaturisierte Hoch­frequenz­spulen zur Erzeu­gung und zum Empfang des magne­tischen Wechsel­felds bewährt. Für mobile Anwen­dungen und zur weiteren Minia­turi­sierung hat ein inter­natio­nales Forscher­team jetzt eine neue Methode zur Steige­rung der Sensi­ti­vität auf engstem Raum ent­wickelt: Sie nutzen Lenz-Linsen, um den magne­tischen Fluss einer makro­sko­pischen Hoch­frequenz­spule auf ein kleineres Volumen zu fokus­sieren und die Empfind­lich­keit lokal zu erhöhen. Mit diesen Linsen – benannt nach der von Emil Lenz veröf­fent­lichten Regel über die magne­tische Fluss­änderung – lässt sich der magne­tische Fluss des Wechsel­felds nicht nur fokus­sieren, sondern auch um­leiten oder um­formen. Ihre Wirkung lässt sich inso­fern mit der von optischen Linsen auf Licht­strahlen ver­gleichen. Der Wechsel des Magnet­felds indu­ziert einen Strom in die Lenz-Linsen, die aus Metall­platten oder -drähten in symme­tri­scher oder asymme­tri­scher Anord­nung bestehen. Die Form der Linsen lenkt die indu­zierten Ströme so, dass eine Fokus­sierung des Magnet­felds bewirkt wird.

Mit Lenz-Linsen lässt sich die Empfindlichkeit der Messungen in eng begrenzten Räumen, in die konven­tionelle NMR-Systeme nicht hinein­passen, deut­lich steigern. Die Linsen funktio­nieren zudem bei belie­biger Feld­stärke. Unter anderem können ver­schie­dene medi­zi­nische Anwen­dungen vom Einsatz der Lenz-Linsen profi­tieren, so Korvink: „Da die Linsen nicht ver­drahtet sind, eignen sie sich besonders gut für Implan­tations­anwen­dungen.“ Denk­bar ist beispiels­weise die Anwen­dung in Hirn­implan­taten, bei denen die Heilung des Gewebes über längere Zeit mit hoher Auf­lösung beob­achtet werden muss, oder auch auf Pflastern zur Beob­achtung von Haut­krebs. Derzeit erschließen die Forscher weitere Anwen­dungs­möglich­keiten, unter anderem in der Elektro­technik.

KIT / RK

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