Exakter Kernspin

Seit Jahrzehnten hat sich am Nachweis magnetischer Kernspinresonanzen nichts Grundlegendes geändert. Ein neues optisches Verfahren soll mehr Informationen liefern.

Princeton (USA) - Für chemische Analysen, Materialuntersuchungen und exakte Blicke in Körper und Hirn ist die Kernresonanzspektroskopie heute ein etabliertes Werkzeug. Starke Magnetfelder von bis zu 21 Tesla richten den magnetischen Spin von Atomkernen aus. Mit Radiowellen (60 bis 800 MHz) lassen sich im Resonanzfall die Ausrichtungen der Spins ändern. Durch die Messung der damit verbundenen Energieabsorption erhält der Forscher seine Information von der jeweiligen Probe. Seit Jahrzehnten hat sich an diesem Messprinzip nichts Grundlegendes geändert. Doch nun schlagen amerikanische Forscher ein optisches Verfahren zur Analyse der magnetischen Resonanz vor. In der Zeitschrift „Nature“ berichten sie über erste Messungen an flüssigen Proben.

„Wir zeigen eine grundlegend andere und informationsreichere Methode zum Nachweis der magnetischen Kernresonanzen“, schreiben Michael Romalis und seine Kollegen von der Princeton University. Dazu durchleuchteten sie sowohl flüssiges Xenon (Xe-129) als auch Wasser in einem starken Magnetfeld mit einem polarisierten Laserstrahl. Die Polarisationsebene des Lichtstrahls wurde nun durch das magnetische Feld der Kernspins gedreht. Diese Rotation konnte mit Polarisationsfiltern und einer Photodiode am austretenden Laserstrahl gemessen werden. Mit dem optischen Nachweis des Kernspins (nuclear-spin optical rotation – NSOR) könnte prinzipiell dir Auflösung von Magnetresonanz-Aufnahmen von derzeit etwa 100 Mikrometern auf wenige Mikrometer verbessert werden.

In ihrem Experiment nutzten Romalis und Kollegen Laser mit drei verschiedenen Wellenlängen (532, 770, 1064 Nanometer). Die Auflösung wird dabei durch die Weite des Lichtstrahls – hier noch rund ein Millimeter – limitiert. Mit diesen Werten können die Forscher noch nicht mit den ausgereiften NMR-Instrumenten, die auf einer Analyse von Radiowellen basieren, konkurrieren. Dennoch bietet das neue Nachweisverfahren viele Vorteile.

Mit stärker fokussierten Laserstrahlen ließe sich die Auflösung von Kernspinaufnahmen signifikant erhöhen. Allerdings müssen die Proben transparent für das verwendete Laserlicht sein. Mit empfindlichen Lichtdetektoren, die sogar einzelne Photonen nachweisen können, könnte die Vermessung der Kernspins viel sensitiver als bei der klassischen NMR-Methode erfolgen. Für die Untersuchung von menschlichem Gewebe bietet sich zudem infrarote Strahlung an, die sogar einige Zentimeter in eine Probe eindringen können. Kombiniert mit einem Aufbau aus senkrecht auseinander stehenden Laserstrahlen und Photodioden halten die Forscher auch zwei- und dreidimensionale Aufnahmen für möglich.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  I.M. Savukov et al., Optical detection of liquid-state NMR, Nature 442, 1021 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05088
• Kommentar:
  S. Warren, Shifting light with spin, Nature 442, 990 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/442990a
• Princeton University:
  http://www.princeton.edu
• Department of Physics:
  http://physics.princeton.edu
• Arbeitsgruppe Romalis:
  http://www.atomic.princeton.edu/romalis/
• Hintergrund NMR:
  http://www.oci.unizh.ch/group.pages/bienz/lecture/nmr/