Neue Methode zur Kernspinresonanzmessung bei sehr geringen Magnetfeldern
Geht es um chemische Analysen, so ist die Hochfeld-Kernspinresonanz (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) die beste Wahl, um Licht in die molekulare Form, Struktur und Funktion zu bringen und chemische Proben zerstörungsfrei abzubilden. Außerhalb von Krankenhäusern und der Pharmaindustrie ist es einer der Haupteinsatzzwecke der NMR, einzigartige Informationen über Flüssigkeitsfelder, Oberflächenaffinität und Oberflächenchemie von porös-festen Katalysatorträgern und in Gesteinen zu beschaffen. Obgleich Kernspinresonanz viele Vorteile hat, ist sie oftmals teuer und erfordert die Anwendung starker Magnetfelder, die für eine Anzahl von zu untersuchenden Materialien nicht geeignet sind. Um diesen Nachteil zu überwinden, hat das EU-finanzierte ODMR-CHEM-Projekt einen Werkzeugsatz entwickelt, der es den Wissenschaftlern gestattet, Flüssigkeiten und chemische Aktivität in Gemischen aus fester und flüssiger Materie zu untersuchen, die in heterogenen Phasenreaktionen zu finden sind. „Unser Ziel war, diese Aufgabe durch den Einsatz von NMR mit sehr schwachen Magnetfeldern zu lösen, wobei eine schnelle und effiziente chemische Sensorik, Portabilität und geringe Kosten den Schwerpunkt bildeten“, erklärt Projektforscher Dr. Michael Tayler. Einführung des Atommagnetometers Zentrales Resultat des Projekts war, dass man auf neuesten Entwicklungen bei Atommagnetometern aufbaute und eine neue Methodik zur Messung von NMR bei sehr geringen Magnetfeldern entwickelte. „Atommagnetometer sind die empfindlichsten Magnetsensoren, die uns derzeit zur Verfügung stehen“, erklärt Tayler. „Überdies sind Magnetometer aufgrund ihrer hohen Nachhaltigkeit und Skalierbarkeit ein Gebiet von strategischer Bedeutung für EU-Forschungsprogramme.“ Der Weg zur Entwicklung dieser Methode begann an der University of California, Berkeley (USA), wo Tayler unter Anleitung von führenden Forschungsgruppen den Bau von Magnetometern und deren Einsatz als NMR-Sensoren erlernte. Er kam dann mit diesem Wissen an den Fachbereich für chemische Verfahrenstechnik an der Cambridge University, wo sich seine Forschung auf den Einsatz von NMR bei der Untersuchung von In-situ-Katalysatorchemie und unter Operando-Bedingungen konzentrierte. Zusätzlich und zur Unterstützung dieser Methodik bauten die Projektforscher in Cambridge außerdem ein Spektrometer zum Einsatz in der Niederfeld-NMR-Forschung. Das Instrument wird nicht nur zur Untersuchung der Chemie in porösen Materialien eingesetzt, sondern die Forschenden untersuchen gleichermaßen seinen möglichen Einsatz als kostengünstiges Reaktionsüberwachungswerkzeug, das für den alltäglichen Gebrauch im Labor geeignet ist. „Will man in der Wissenschaft nach neuen Phänomenen suchen, sind Instrumente von Weltklasse wichtig“, bekräftigt Tayler. „Indem wir unsere eigenen bauen, wie wir es im ODMR-CHEM-Projekt getan haben, können wir die Experimente steuern und somit schneller zu neuen Entdeckungen gelangen.“ Auch zukünftig Fortschritte Auch wenn das Projekt offiziell beendet ist, wird die Arbeit fortgeführt. Beispielsweise arbeiten die Forscher derzeit mit dem Labor in Cambridge und einem Hauptakteur aus der petrochemischen Industrie zusammen. „Wir untersuchen gemeinsam, auf welche Weise die während des ODMR-CHEM-Projekts entwickelten Verfahren dazu dienen können, zu verstehen, wie Katalysatoren in der realen Welt funktionieren und wie dieses Wissen genutzt werden kann, um deren Wirkungsgrad zu maximieren“, fügt Tayler hinzu. „Bislang waren die Resultate äußerst positiv.“ Zusammen mit anderen Gruppen in Europa hat Tayler gleichermaßen Hilfestellung dabei geleistet, ein Netzwerk für Ultra-Niederfeldmagnetresonanzforschung aufzubauen, das sich auf medizinische Diagnose, ultrahochauflösende Bildgebung, chemische Analyse und Grundlagenphysik konzentriert. Das Konsortium erhielt kürzlich Finanzmittel im Rahmen des Marie-Curie-ITN-/Horizont 2020 ZULF NMR-Projekts.
Schlüsselbegriffe
ODMR-CHEM, Spektrometer, chemische Analyse, Kernspinresonanz, Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Magnetometer
