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Elektrischer Feldgradient und Kernquadrupolmoment: Wie bestimmen diese beiden die Eigenschaften der Materie?
Die Kernquadrupolresonanzspektroskopie (NQR) ist eine chemische Analysetechnik, die eng mit der Kernspinresonanz (NMR) verwandt ist. Im Gegensatz zur NMR kann die Kernresonanz der NQR ohne externes Magnetfeld erkannt werden. Daher wird die NQR-Spektroskopie auch als „Nullfeld-NMR“ bezeichnet. Die Resonanz von NQR wird durch die Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feldgradienten (EFG) und dem Quadrupolmoment der Kernladungsverteilung vermittelt. Im Gegensatz zur NMR ist die NQR nur auf Feststoffe und nicht auf Flüssigkeiten anwendbar, da in Flüssigkeiten der Gradient des elektrischen Felds in der Nähe der Kerne im Mittel Null beträgt und der EFG-Tensor eine Nullspur aufweist. Da die EFG der Position eines bestimmten Kerns in einer Substanz hauptsächlich durch die Valenzelektronen bestimmt wird, die an bestimmten Bindungen mit anderen nahegelegenen Kernen beteiligt sind, ist die NQR-Frequenz des Übergangs in dieser Substanz einzigartig.
Die Häufigkeit von NQR in einer bestimmten Verbindung oder einem Kristall ist proportional zum Produkt aus dem nuklearen Quadrupolmoment (eine Eigenschaft des Kerns) und der EFG in der Nähe des Kerns.
Ein ähnliches, aber nicht identisches Phänomen in der NMR ist die Kopplungskonstante, die ebenfalls ein Ergebnis der internuklearen Wechselwirkungen im Analyten ist. Jeder Kern mit mehr als einem ungepaarten Kernteilchen (Proton oder Neutron) hat eine Ladungsverteilung, die zu einem elektrischen Quadrupolmoment führt. Die zulässigen Kernenergieniveaus verschieben sich ungleichmäßig aufgrund der Wechselwirkung der Kernladung mit dem elektrischen Feldgradienten, der durch die ungleichmäßige Verteilung der Elektronendichte entsteht.
Energie, die über elektromagnetische Strahlung auf den Kern gerichtet wird, kann dazu führen, dass der Kern etwas Energie absorbiert, was als Störung der Quadrupol-Energieniveaus angesehen werden kann. Anders als bei der NMR erfolgt die Absorption bei der NQR in Abwesenheit eines äußeren Magnetfelds. Durch Anlegen eines äußeren statischen Felds an die Quadrupolkerne werden die Quadrupol-Energieniveaus entsprechend der Zeeman-Wechselwirkung aufgespalten.
Die NQR-Technologie reagiert sehr empfindlich auf die Art und Symmetrie der Bindung um den Kern und kann Phasenänderungen in Feststoffen bei unterschiedlichen Temperaturen charakterisieren.
Aufgrund der Symmetrie gleichen sich diese Verschiebungen in der flüssigen Phase im Durchschnitt aus und ergeben Null, sodass NQR-Spektren nur in der festen Phase gemessen werden können. Bei der NMR besitzen Kerne mit Spin ≥ 1/2 ein magnetisches Dipolmoment, sodass ihre Energie durch das Magnetfeld aufgeteilt werden kann, was zu einer resonanten Absorption von Energie im Zusammenhang mit der Larmorfrequenz führt. Im Fall von NQR verfügen auch Kerne mit Spin ≥ 1, wie etwa 14N, 17O, 35Cl und 63Cu, über elektrische Quadrupolmomente. Das Kernquadrupolmoment steht im Zusammenhang mit der nicht-sphärischen Kernladungsverteilung und gibt an, in welchem Ausmaß die Kernladungsverteilung von der Kugelform, also der Ellipsoid- oder Scheibenform des Kerns, abweicht.
NQR ist eine direkte Beobachtung der Wechselwirkung zwischen dem Quadrupolmoment und dem lokalen elektrischen Feldgradienten (EFG) seiner Umgebung. Die NQR-Übergangsfrequenz ist proportional zum elektrischen Quadrupolmoment des Kerns und der Stärke des lokalen EFG. In Festkörpern erreicht die Stärke des EFG jedoch mehrere Kilovolt pro Quadratmeter. Daher ist es nicht möglich, NQR-Experimente mit einem spezifischen EFG wie bei der NMR durch Auswahl des externen Magnetfelds durchzuführen.
NQR-Spektren sind spezifisch für eine Substanz und werden daher als „chemische Fingerabdrücke“ bezeichnet.
Aufgrund der starken Abhängigkeit der NQR-Frequenz von der Temperatur kann NQR als genauer Temperatursensor mit einer Auflösung von bis zu 10^−4 °C verwendet werden. Auch die Anwendung des NQR-Spektrums ist vielversprechend und könnte möglicherweise in der Pharmaindustrie eine Rolle spielen. Insbesondere ermöglicht die Anwendung von 14N-NQR die Unterscheidung enantiomerer Verbindungen in racemischen Gemischen, wie etwa D-Serin und L-Serin. Obwohl diese beiden Verbindungen ähnliche Zusammensetzungen haben, haben sie völlig unterschiedliche Eigenschaften. D-Serin könnte ein Biomarker für die Alzheimer-Krankheit und ein Medikament zur Behandlung von Schizophrenie werden, während L-Serin ein Medikament ist, das von der FDA in klinischen Studien als Humanarzneimittel A getestet wird. bekannt für sein Potenzial zur Behandlung der amyotrophen Lateralsklerose.
NQR kann auch kristalline Polymorphe unterscheiden. Beispielsweise zeigten Verbindungen, die Sulfonamid-Arzneimittel enthalten, eine Empfindlichkeit gegenüber Polymorphismus. Der Unterschied in der NQR-Frequenz sowie die Unterschiede in den Quadrupol-Kopplungskonstanten und Asymmetrieparametern ermöglichen die Unterscheidung von Polymorphen. Diese Fähigkeit macht NQR zu einem leistungsstarken Instrument zur Arzneimittelauthentifizierung und zur Bekämpfung von Fälschungen.
Mehrere Forschungsteams auf der ganzen Welt arbeiten an der Entwicklung der NQR-Technologie zur Sprengstofferkennung. Es wurden Geräte getestet, die zum Aufspüren von Minen und Sprengstoffen in Gepäckstücken entwickelt wurden. Ein solches Detektionssystem besteht aus einer Hochfrequenz-Energiequelle (RF), einer Spule, die ein magnetisches Anregungsfeld erzeugt, und einer Detektionsschaltung, die die RF-NQR-Reaktion des Sprengstoffs überwacht. . . Sogar ein gefälschtes Gerät namens ADE 651 behauptet, NQR zum Aufspüren von Sprengstoffen zu verwenden, was es in Wirklichkeit nicht kann.
Dennoch wurde das Gerät erfolgreich für Millionen von Dollar an Dutzende Länder verkauft, darunter auch an die irakische Regierung.
Die Haupteinschränkung der NQR ergibt sich aus der Fülle an Isotopen. NQR erfordert das Vorhandensein eines von Null verschiedenen Quadrupolmoments, das nur in Kernen mit einem Spin größer oder gleich eins beobachtet wird und deren lokale Ladungsverteilung von der Kugelsymmetrie abweicht. Obwohl bestehende NQR-Techniken aufgrund der geringen Isotopenhäufigkeit der meisten NQR-aktiven Kerne eine geringe Signalintensität aufweisen, ist die NQR-Spektroskopie in vielen praktischen Szenarien dennoch nützlich.
Können wir angesichts der unendlichen Möglichkeiten von NQR in Zukunft die bestehenden technologischen Beschränkungen durchbrechen und dieser Technologie in mehr Bereichen eine größere Rolle verleihen?
