Erstmalig Quadrupol-Spins mit Nullfeld-NMR vermessen

Erstmalig Quadrupol-Spins mit Nullfeld-NMR vermessen



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04.07.2024 12:48

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Plötzlich gesund

Fortschreitende Naturerkenntnis, ganz allgemein gesprochen, ‘Wissenschaft’, ist der stärkste Feind des medizinischen Wunders. Was unseren Vorfahren als Wunder erschien, was einfache Naturvölker heute noch in heftige Erregung versetzt, das berührt den zivilisierten Menschen längst nicht mehr.
Doch es gibt einen Gegensatz, der jedem Denkenden sofort auffällt: der unerhörte, durchaus nicht abgeschlossene Aufstieg der wissenschaftlichen Heilkunde und die ebenso unerhörte Zunahme der Laienbehandlung und der Kurpfuscherei. Man schätzt die Zahl der Menschen, die der Schulmedizin kein Vertrauen schenken, auf immerhin 50 Prozent.
Wie kann es sein, daß Laienbehandler und Kurpfuscher immer wieder spektakuläre Erfolge aufweisen, von denen die Sensationspresse berichtet?
Der Autor geht dieser Frage nach und kommt zu interessanten Erkenntnissen, aus denen er Vorschläge für eine bessere Krankenbehandlung durch seine ärztlichen Standesgenossen ableitet.

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Erstmalig Quadrupol-Spins mit Nullfeld-NMR vermessen

Forschenden der JGU und der University of California, Berkeley ist ein entscheidender Schritt in der Nullfeld-Magnetresonanzspektroskopie und damit hin zur Präzisions-Chemie gelungen

Wie sieht die Struktur eines bestimmten Moleküls aus? Wie wechselwirken Moleküle miteinander? Um solche Fragen zu beantworten, kommt vielfach die Magnetresonanzspektroskopie zum Einsatz. Mit einem starken äußeren Magnetfeld werden die Spins der Atomkerne ausgerichtet und über ein oszillierendes schwaches Magnetfeld – erzeugt von Spulen – zum Rotieren gebracht. Als Resultat ändert sich die Spannung, die sich in eine Frequenz umrechnen lässt. Diese Frequenz lässt auf die Art der Moleküle schließen, zudem verrät sie etwas über die Wechselwirkung der Kernspins. Allerdings sind für diese Untersuchungen hohe Magnetfelder nötig, die sehr große, schwer zu installierende Geräte benötigen. Auch ist es schwierig, Kerne mit einem Quadrupol-Spin zu vermessen. Diese liegen jedoch bei den meisten magnetischen Atomkernen vor.

Die Nullfeld-Magnetresonanzspektroskopie, kurz Nullfeld-NMR, dagegen kommt ohne das starke äußere Magnetfeld aus – die Kopplungen zwischen den Kernspins magnetisch aktiver Kerne sind die dominante quantenmechanische Wechselwirkung. Die Linien des Spektrums sind somit schmaler und schärfer, auch lassen sich Proben in Gefäßen aus Metall oder anderen Materialien untersuchen. Interessant ist die Nullfeld-Magnetresonanzspektroskopie unter anderem in der metallurgischen Forschung, in der Pflanzenforschung und der Medizin. Um die minimalen Kopplungen messen zu können, muss allerdings das Erdmagnetfeld abgeschirmt werden – eine aufwendige Angelegenheit.

Einfacher, aber dennoch präziser Versuchsaufbau

Forschenden der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) ist es gemeinsam mit der University of California, Berkeley nun erstmalig gelungen, mit der Nullfeld-NMR einen Quadrupol-Kern zu vermessen. „Genauer gesagt haben wir ein Ammonium-Molekül, also NH4, analysiert, da dieses für verschiedene Anwendungen sehr wichtig ist“, sagt Dr. Danila Barskiy, Gruppenleiter an der JGU. „Wir hoffen, diese Moleküle künftig selbst in komplexen Umgebungen wie Reaktoren und Metallbehältern nachweisen zu können.“ Anhand von Ammonium entwickelten die Forschenden ein einfaches System: Ammonium-Salz mit Wasser mischen, verschiedene Mengen Deuterium zugeben – und schon können die einzelnen Spektren aufgenommen und analysiert werden. Dazu nutzten die Wissenschaftler ein fingernagelgroßes Device, das auf dem Markt erhältlich ist. Auch ein magnetisch abgeschirmter Raum ist unnötig, es genügt ein magnetisch abgeschirmter kompakter Messaufbau.

Präzisionsmessungen erlauben eine Überprüfung der Theorien

Eine weitere interessante Frage, die die Forschenden untersuchten: Wie beeinflusst die Zahl der Deuterium-Atome in einem Ammonium-Molekül das Spektrum und die Relaxationseigenschaften der Spins? „Unsere Methode ermöglicht es, die Resonanzfrequenzen mit höchster Präzision zu bestimmen. Indem diese mit experimentellen Daten verglichen werden, kann die Methode daher als Benchmark für quantenchemische Berechnungen verwendet werden. Wir hoffen gespannt darauf, dass unsere Arbeit in naher Zukunft zur Standardpraxis wird“, erklärt Román Picazo-Frutos, Student am Institut für Physik der JGU und Erstautor der Veröffentlichung. Zwar sagen die derzeitigen Theorien die Ergebnisse des Teams bereits recht gut vorher, dennoch gibt es kleine Abweichungen. „Diese Arbeit erweitert den Bereich der Moleküle, die mit Nullfeld- bis Ultraniedrigfeld-NMR-Techniken analysiert werden können, erheblich und könnte zur Entwicklung neuartiger Anwendungen führen, beispielsweise zur Analyse kleiner Atomkernzahlen über ihren radioaktiven Gammazerfall. Es bleibt noch viel zu tun!“, fasst Prof. Dr. Dmitry Budker von der JGU zusammen.

Die Ergebnisse wurden kürzlich im renommierten Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.

Bildmaterial:
https://download.uni-mainz.de/presse/08_physik_quantum_quadrupol_spin.jpg
NMR-Röhrchen, die mit Flüssigkeiten gefüllt sind
Foto/©: Oleg Tretiak

Weiterführende Links:
https://budker.uni-mainz.de/ – Budker Lab an der JGU
https://www.hi-mainz.de/ – Helmholtz-Institut Mainz
https://www.gsi.de/ – GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung
https://zulf.eu/ – Zero- to Ultralow-Field NMR, ITN-Website
https://blog.zulf.eu/ – Zero- to Ultralow-Field NMR, ITN-Blog

Lesen Sie mehr:
https://presse.uni-mainz.de/internationales-team-am-him-mit-erwin-schroedinger-p… – Pressemitteilung „Internationales Team am HIM mit Erwin-Schrödinger-Preis – Wissenschaftspreis des Stifterverbandes ausgezeichnet“ (22.09.2022)
https://presse.uni-mainz.de/mehr-sicherheit-weniger-kosten-kleine-spektroskopieg… – Pressemitteilung „Mehr Sicherheit, weniger Kosten: Kleine Spektroskopiegeräte kommen immer mehr in Reichweite“ (22.07.2022)
https://presse.uni-mainz.de/danila-barskiy-erhaelt-sofja-kovalevskaja-preis-zur-… – Pressemitteilung „Danila Barskiy erhält Sofja Kovalevskaja-Preis zur Entwicklung von tragbaren, preisgünstigen Spektroskopiegeräten“ (22.09.2020)


Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Danila Barskiy
Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM)
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
und Helmholtz Institut Mainz (HIM)
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-29631
E-Mail: dbarskiy@uni-mainz.de
https://www.barskiylab.com/


Originalpublikation:

Román Picazo-Frutos et al.
Zero-field J-spectroscopy of quadrupolar nuclei
Nature Communications, 27. Mai 2024
DOI: 10.1038/s41467-024-48390-2
https://www.nature.com/articles/s41467-024-48390-2


Bilder

NMR-Röhrchen, die mit Flüssigkeiten gefüllt sind

NMR-Röhrchen, die mit Flüssigkeiten gefüllt sind

Foto/©: Oleg Tretiak


Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler, jedermann
Biologie, Chemie, Medizin, Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch


 

Quelle: IDW