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2025-03-19T09:02:08Z

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In der [[Physik]] versteht man unter '''Hyperpolarisation''' eine geordnete Ausrichtung von [[Kernspin]]s in einer Materialprobe weit über das [[Thermisches Gleichgewicht|thermische Gleichgewicht]] hinaus.

== Definition ==
Ein Spin der Größe <math>I</math> hat relativ zu einer gegebenen Quantisierungsachse <math>2 I + 1</math> mögliche Orientierungen (siehe [[Richtungsquantelung]]). Befinden sich die Teilchen in einem äußeren [[Magnetfeld]], entstehen wegen des mit dem Spin verbundenen [[Magnetisches Moment|magnetischen Moments]] zwischen diesen Orientierungen Energieunterschiede, die für ein gegebenes Atom und dessen molekulare Umgebung typisch sind. Diese Energieunterschiede bewirken grundsätzlich eine [[Spinpolarisation|Polarisation]], also Unterschiede zwischen den [[Besetzungszahl]]en der einzelnen Orientierungen. Die Energiedifferenzen sind allerdings selbst in starken Feldern sehr klein im Vergleich zur thermischen Energie der Teilchen. Die entstehenden Besetzungsunterschiede lassen sich mithilfe der [[Boltzmann-Statistik]] berechnen; sie liegen stets unterhalb 1 Promille.

Für die [[Kernresonanzspektroskopie]] kommt es aber auf möglichst große Besetzungsunterschiede an, da die [[Absorption (Physik)|Absorption]] sonst von der [[Induzierte Emission|induzierten Emission]] vollständig aufgehoben wird, die Probe also quasi durchsichtig wird. Die Empfindlichkeit von Kernresonanzexperimenten ist folglich vergleichsweise gering.

Eine Probe, in der ein oder mehrere Spinzustände gegenüber dem oder den anderen erheblich mehr überwiegt/überwiegen, als ihre Energiedifferenz über die Boltzmann-Statistik vorhersagt, nennt man hyperpolarisiert.

== Realisierung ==
Hyperpolarisationseffekte lassen sich experimentell in [[Edelgase]]n erzeugen. Häufig wird hierzu das [[Helium]]-[[Isotop]] 3He oder das [[Xenon]]-Isotop 129Xe verwendet.

Die Hyperpolarisation wird über den Umweg der Polarisation von [[Elektronenspin]]s von [[Alkalimetalle]]n erreicht. Die magnetischen Momente der [[Valenzelektron|Hüllenelektronen]] eines gasförmigen Alkalimetalls (häufig [[Rubidium]]) werden durch [[optisches Pumpen]] ausgerichtet und das Alkalimetallgas mit dem Edelgas vermischt. Durch Stöße zwischen den Edelgasatomen und den Alkalimetallatomen kommt es dazu, dass die ausgerichteten Elektronenspins der Alkalimetalle die Kernspins der Edelgase ausrichten ([[Hyperfeinstruktur|Hyperfeinwechselwirkungen]]). Dadurch konnten experimentell Polarisationsgrade von bis zu 70 % erreicht werden, was einige Größenordnungen über der von der Boltzmann-Statistik vorgegebenen Gleichgewichtspolarisierung liegt.

Eine andere Möglichkeit stellt die so genannte ''dynamische Kernpolarisierung'' ({{lang|en|dynamic nuclear polarization}}) dar. Diese Methode kann in Festkörpern Polarisierung von [[Elektronenspin]]s auf den Kernspin übertragen. Es werden dazu (meist [[Organische Chemie|organische]]) [[Radikale (Chemie)|Radikale]] in die Probe eingebracht, und die Probe dann bei sehr tiefen Temperaturen und mittleren Magnetfeldern (beispielsweise 1,1 Kelvin und 3 Tesla) einer starken Mikrowellenstrahlung im Bereich der Resonanzfrequenz der Radikalelektronen ausgesetzt. Dies entspricht dem Aufbau eines [[Elektronenspinresonanz]]experiments. Durch Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Kernen (Overhausereffekt, {{lang|en|Solid effect}}, {{lang|en|Thermal mixing}} und andere) kann nach ausreichend langer Bestrahlung eine hohe Polarisierung der Kerne erreicht werden. Es gibt vielversprechende Versuche, diese Polarisierung des Festkörpers durch schnelles Auftauen und Lösen in die flüssige Phase zu übertragen.<ref>{{Literatur |Autor=Jan H. Ardenkjær-Larsen, Björn Fridlund, Andreas Gram, Georg Hansson, Lennart Hansson, Mathilde H. Lerche, Rolf Servin, Mikkel Thaning, Klaes Golman |Titel=Increase in signal-to-noise ratio of > 10,000 times in liquid-state NMR |Sammelwerk=[[Proceedings of the National Academy of Sciences]] |Band=100 |Nummer=18 |Datum=2003 |Seiten=10158–10163 |DOI=10.1073/pnas.1733835100}}</ref>

== Anwendungen ==
Eine Anwendung der Hyperpolarisation liegt im Bereich der [[Kernspinresonanz]] (NMR) bzw. [[Magnetresonanztomografie]] (MRT). Durch die große Zahl ausgerichteter Kernspins ist das hyperpolarisierte Gas sehr gut mit Magnetresonanzmethoden zu erkennen, weshalb es sich als [[Kontrastmittel]] für bestimmte Anwendungen anbietet. Bisher wurde erfolgreich demonstriert, dass sich nach der Inhalation von hyperpolarisiertem Xenon gute MRT-Aufnahmen der menschlichen Lunge machen lassen.

Das im vorigen Abschnitt erwähnte Verfahren mit einer Lösung von Molekülen mit hyperpolarisierten Atomkernen lässt sich z. B. in der [[Onkologie|onkologischen]] Diagnostik einsetzen.<ref>S. E. Day et al.: ''Detecting tumor response to treatment using hyperpolarized 13C magnetic resonance imaging and spectroscopy.'' In: ''Nat. Med.'' 13, Nr. 11, 2007, S. 1382–1387, PMID 17965722.</ref> Der [[Stoffwechsel]] der hyperpolarisierten Moleküle wird dabei mit dynamischer Bildgebung verfolgt.<ref>K. Golman et al.: ''Molecular imaging with endogenous substances.'' In: ''Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.'' 100, Nr. 18, 2003, S. 10435–10439, PMID 12930896.</ref> Als Beispiel konnte ein Polarisationsgrad im Festkörper von (64±5)% für 13C-Spins in einem für die Onkologie geeigneten [[Molekül]] ([[Brenztraubensäure]]) erreicht werden.<ref>H. Jóhannesson et al.: ''Dynamic Nuclear Polarization of [1-13C]pyruvic acid at 4.6 tesla.'' In: ''J. Magn. Reson.'' 197, Nr. 2, 2009, S. 167–175, PMID 19162518.</ref> Verluste während der Auflösung der Probe und Transfer für die anschließende NMR- oder MRT-Messung können auf einige Prozent reduziert werden.

Auch in strukturbiologischen Forschungen lässt sich Hyperpolarisation mit Erfolg einsetzen.<ref>Thibault Viennet, Aldino Viegas, Arne Kuepper, Sabine Arens, Vladimir Gelev, Ognyan Petrov, Tom N. Grossmann, Henrike Heise, Manuel Etzkorn: ''Selective Protein Hyperpolarization in Cell Lysates Using Targeted Dynamic Nuclear Polarization.'' In: ''Angew. Chem. Int. Ed.'' Juni 2016, [[doi:10.1002/anie.201603205]].</ref>

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor=Thad G. Walker, William Happer
|Titel=Spin-exchange optical pumping of noble-gas nuclei
|Sammelwerk=Reviews of Modern Physics
|Band=69
|Nummer=2
|Datum=1997
|Seiten=629–642
|DOI=10.1103/RevModPhys.69.629}}

== Weblinks ==
* [https://www.nzz.ch/wissenschaft/scharfe-bilder-dank-stark-polarisierten-atomkernen-1.18225882 Artikel vom 22. Januar 2014 in der NZZ zur Hyperpolarisation]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Quantenphysik]]
[[Kategorie:Atomphysik]]
[[Kategorie:Tomografie]]

Hyperpolarisation (Physik) - Versionsgeschichte

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