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2024-12-22T21:31:50Z

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'''Feldgradienten-NMR''' (abgekürzt häufig '''PFG-NMR''' von {{EnS|''pulsed-field-gradient nuclear magnetic resonance''}}) ist eine spezielle Technik der [[Kernspinresonanzspektroskopie]] (NMR-Spektroskopie).

Sie ist als [[Kontrast]]<nowiki/>mechanismus auch die Grundlage für die [[Ortsauflösung]] in der [[Magnetresonanztomographie]] (MRT) und der [[Diffusions-Tensor-Bildgebung]]; letztere wird etwa zur Diagnose von [[Hirnschädigung]]en durch [[Schlaganfall]] genutzt.

== Funktionsweise ==
Während in der gewöhnlichen NMR-Spektroskopie in einem [[Homogenes Feld|homogenen]] [[Magnetismus|Magnetfeld]] <math>B_0</math> Signale als Funktion der [[Frequenz]], also ''[[energie]]<nowiki/>aufgelöst'', gemessen werden, verwendet man in der Feld[[gradient]]en-NMR bewusst [[inhomogen]]e Magnetfelder.

Dies geschieht, indem durch zusätzliche Magnetfeld[[Spule (Elektrotechnik)|spulen]] [[Linearität (Physik)|lineare]] Feldgradienten bekannter Größe erzeugt und dem Hauptfeld <math>B_0</math> [[Superposition (Physik)|überlagert]] werden.

Somit ergibt sich ein örtlich variierendes Magnetfeld <math>B_0(x,y,z)</math>, in dem die [[Kernspinresonanz|Resonanzfrequenz]] <math>\omega_0</math> eines [[Atomkern|Kern]]s beschrieben ist durch eine bekannte Funktion <math>\omega_0(x,y,z)</math> der Position des Kerns im Magnetfeld.

Auf diese Weise ist es möglich, ''ortsaufgelöste'' NMR-Experimente durchzuführen, wobei man örtliche Informationen erhalten kann, z. B. die Position oder die räumliche Verschiebung „NMR-sichtbarer“ (meist [[wasserstoff]]<nowiki/>haltiger) [[Teilchen]].

Zur Erzeugung des Gradienten in Richtung des Hauptfeldes werden [[Helmholtz-Spule #Anti-Helmholtz-Spule|Maxwell-Spulen]] verwendet, senkrecht dazu [[Golay-Spule]]n.<ref>{{Literatur |Autor=Garrett, Milan Wayne |Sammelwerk=Journal of Applied Physics |Band=Bd. 38 |Nummer=6 |Titel=Thick Cylindrical Coil Systems for Strong Magnetic Fields with Field or Gradient Homogeneities of the 6th to 20th Order |Jahr=1967 |Seiten=2563–2586 |DOI=10.1063/1.1709950}}</ref>

Man unterscheidet:
* die Methode statischer Feldgradienten (SFG): der Magnetfeldgradient liegt die ganze Zeit an
* die Methode gepulster Feldgradienten (PFG) der Magnetfeldgradient wird nur in Form kurzer [[Impuls]]e geschaltet.
Letztere ist apparativ aufwändiger, hat aber den Vorteil deutlich höherer Signal[[Intensität (Physik)|intensitäten]] und einfacher interpretierbarer Signalverläufe.

== Anwendungen ==
Die PFG-NMR dient neben den [[Bildgebungsverfahren]] vor allem zur Messung von Ortsveränderungen der beobachteten Teilchen während einer einstellbaren Zeit. Dabei wird in einem [[Spin-Echo]]-Experiment die Bewegung von [[Molekül]]en relativ zum örtlich variierenden Magnetfeld gemessen, und zwar:
* bei [[Diffusion|Selbstdiffusionsvorgängen]] über eine Abschwächung des NMR-Signals
* bei gerichteten [[Strömungsmechanik|Fließbewegungen]] über eine [[Phasenverschiebung]].

=== Selbstdiffusionsvorgänge ===
Im Gegensatz zu anderen Messverfahren für [[Diffusion|Selbstdiffusionskoeffizienten]] kommt die Feldgradienten-NMR ohne spezielle [[Tracer (Nuklearmedizin)|Tracer]]substanzen aus und kann deshalb auch zu [[Werkstoffprüfung #Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung|zerstörungsfreien Messungen]] in [[porös]]en Materialien eingesetzt werden.

Außerdem kann die Beobachtungszeit variiert werden, über die die Diffusionsverschiebung gemessen wird (üblicherweise von einigen Millisekunden bis zu einigen Sekunden). Aus der Abhängigkeit des gemessenen [[Diffusionskoeffizient]]en von der Beobachtungszeit können Rückschlüsse auf die Struktur des Systems gezogen werden (z. B. durch Auswertung der [[Anomale Diffusion|anomalen Diffusion]] bei einem Porensystem). Somit spielt die PFG-NMR eine herausragende Rolle in [[Geologie|geologischen]] Anwendungen und insbesondere in der [[Erdölförderung|Erdölindustrie]] bei der nicht-invasiven Bestimmung von Porengrößen und -formen in unterschiedlich porösen [[Gesteine]]n und [[Sedimente und Sedimentgesteine|Sedimenten]].

=== Fließvorgänge ===
Während Diffusion eine [[inkohärent]]e [[Translation (Physik)|translatorische Bewegung]] von Teilchen ist, sind Fließbewegungen [[Kohärenz (Physik)|kohärent]]. Auch sie können mit den gleichen PFG-NMR-Methoden studiert werden, z. B. [[Blutkreislauf|Blutfluss]]-Messungen oder on-line-Flussmessungen in [[Verfahrenstechnik|verfahrenstechnischen]] Anlagen mit der PFG-Spin-Echo-Methode.

Die Messung der kohärenten Bewegung [[Ladungsträger (Physik)|elektrisch geladener Teilchen]] ([[Ion]]en, geladene [[Makromolekül]]e) wird in der '''„[[Elektrophorese|Elektrophoretischen]] NMR“ (ENMR)''' durchgeführt, wo Wanderungsgeschwindigkeiten bzw. [[Beweglichkeit (Physik)|Beweglichkeiten]] dieser Teilchen im [[elektrisches Feld|elektrischen Feld]] bestimmbar werden.<ref name="Holz">Manfred Holz: ''Field-Assisted Diffusion Studied by Electrophoretic NMR'' In: [[Paul Heitjans]], [[Jörg Kärger]] (Hrsg.): ''Diffusion in Condensed Matter. Methods, Materials, Models.'' Greatly enlarged and completely revised edition. Springer, Berlin u. a. 2005, ISBN 3-540-20043-6, S. 717–742.</ref> Hier wird also das PFG-NMR-Experiment in Anwesenheit eines [[elektrischer Strom|elektrischen Stromes]] in der untersuchten [[Prüfkörper #Probekörper in der Werkstoffprüfung|Probe]] durchgeführt. Interessant ist dabei, dass in komplexen [[Gemisch]]en verschiedener geladener Teilchen die Teilchen einer bestimmten Sorte durch die Selektivität der NMR gezielt verfolgt werden können. Die elektrophoretische NMR kann daher u. a. zum Studium des Ladungstransports durch [[Membran (Trennschicht)|Membranen]] in [[Brennstoffzelle]]n und zur Messung der [[Elektrische Ladung|elektrischen Ladung]] bestimmter Makromoleküle ([[Polyelektrolyte]]) eingesetzt werden.<ref name="Holz" />

== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=Malcolm H. Levitt |Titel=Spin Dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance |Auflage=2. |Verlag=John Wiley & Sons |Ort=New York |Jahr=2008 |ISBN=0-470-51117-6 |Seiten=77–78}}
* {{Literatur |Autor=[[Paul T. Callaghan]] |Titel=Principles of Nuclear Magnetic Resonance Microscopy |Verlag=Clarendon Press |Ort=Oxford |Jahr=1991 |ISBN=0-19-853997-5 |Seiten=162–165 |Online={{Google Buch |BuchID=yjrjT_W5hygC}}}}
* {{Literatur |Autor=Siegmar Braun, Hans-Otto Kalinowski, Stefan Berger |Titel=150 and More Basic NMR Experiments. A Practical Course |Verlag=Wiley-VCH |Ort=Weinheim |Jahr=1998 |ISBN=3-527-29512-7 |Online={{Google Buch |BuchID=nDEvAQAAIAAJ}}}}
* {{Literatur |Autor=[[Manfred Holz]] |Titel=Kontaktfreie Messung von Stofftransport durch NMR |Sammelwerk= Nachr. Chem. Tech. Lab |Band=34 |Verlag=VCH |Ort=Weinheim |Jahr=1986 |Seiten=858–864}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4529007-6}}

[[Kategorie:Kernspinresonanz]]
[[Kategorie:Radiologie]]
[[Kategorie:Festkörperphysik]]

Feldgradienten-NMR - Versionsgeschichte

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