Tragbare Kernspinresonanzspektroskopie

Forscher an der RWTH Aachen haben Minimagneten geschaffen, die die NMR-Analyse portabel macht. Die Technik wird bereits kommerzialisiert.

Mit der Kernspinresonanzspektroskopie, kurz NMR, ist es möglich, die Struktur von Proteinen zu untersuchen oder die chemische Zusammensetzung eines Materials zu ergründen. Die Technik bildet außerdem die Basis für das bildgebende Verfahren der Kernspintomographie, ist also auch in der Medizin höchst nützlich.

Bislang sind NMR- wie Kernspintomografie-Geräte allerdings noch sehr groß: Eine Anlage kann durchaus einen ganzen Raum füllen, weil sie starke Magnetfelder von einigen Tesla erzeugen muss, um zu funktionieren. Deshalb war es bislang nicht denkbar, NMR-Technik etwa an eine Ausgrabungsstelle zu transportieren, um vor Ort dann Proben zu analysieren. Denkbar wäre auch eine breite Verwendung in der Labordiagnostik, wo die Geräte bislang nur teilweise eingesetzt werden.

Forscher an der RWTH Aachen um den Makromolekularchemie-Experten Federico Casanova arbeiten bereits seit mehreren Jahren an einer Miniaturisierung der Technik. Im vergangenen Sommer stellten sie einen NMR-Magneten vor, der nur noch die Größe einer Monozellen-Batterie hatte. Zwar waren bereits früher ähnlich leistungsfähige Mini-Feldgeneratoren gezeigt worden, doch war deren Genauigkeit stets hinter der ihrer großen Brüder zurückgeblieben.

Doch um diese Genauigkeit geht es bei NMR. "Das Ziel unserer Arbeit war es, eine fünf Millimeter große NMR-Standardprobenröhre zu nehmen und dafür dann den kleinstmöglichen Magneten zu schaffen, der die passende Homogenität erzeugt", sagt Casanova. "Wichtigster Punkt war dabei, Probleme des Feldes zu beheben, die durch Ungenauigkeiten in der Magnetanordnung erzeugt werden."

Casanova und seine Kollegen veränderten ein bekanntes Magnetdesign, das man Halbach-Array nennt. Dabei wird durch eine bestimmte Anordnung von Dauermagneten ein magnetisches Feld nur auf eine Seite des Arrays fokussiert. Die Forscher konzentrierten sich auf den sogenannten Halbach-Zylinder, der ein besonders intensives Magnetfeld in seinem Inneren erzeugt. Die Homogenität des Feldes wurde durch ein eigens errechnetes Zylinderdesign erreicht, das aus drei Ringen aus einem Samarium-Kobalt-Material besteht.

Mit Erfolg: Die Aachener ACT GmbH kommerzialisiert nun eines der neuartigen Magnetarrays. Damit wird es grundsätzlich möglich, NMR-Apparate etwa in ein kleines Fahrzeug einzubauen. Im Gegensatz zu Standardmaschinen, die bis zu sieben Tesla erzeugen, erreicht Casanovas Mini-Magnet immerhin noch ein Tesla.

Sein Magnetfeld ist dabei extrem homogen, so dass auch die üblichen Fünf-Millimeter-Röhrchen verwendet werden können, in denen Proben in Großgeräten getestet werden. Mit etwas Feintuning könnte das Design sogar 1,5 Tesla erreichen, glaubt Casanova. Außerdem arbeiten die Forscher an der Verwendung neuer Materialien wie Neodym-Magneten, die die Leistung noch weiter erhöhen könnten. (bsc)