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Das Geheimnis der Kernquadrupolresonanz: Wie funktioniert sie in einem Magnetfeld von Null?
Die Kernquadrupolresonanzspektroskopie (NQR) ist eine mit der Kernspinresonanz (NMR) verwandte chemische Analysetechnik. Im Gegensatz zur NMR kann die NQR-Technik Kernübergänge ohne externes Magnetfeld erkennen und wird deshalb oft als „Nullfeld-NMR“ bezeichnet. Das Auftreten einer Kernquadrupolresonanz hängt von der Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feldgradienten (EFG) und dem Quadrupolmoment der Kernladungsverteilung ab. Aufgrund dieser Wechselwirkung ist die NQR für die Analyse von Feststoffen wirksam, jedoch nicht für die Analyse von Flüssigkeiten, bei denen der Gradient des elektrischen Felds in der Nähe des Kerns im Durchschnitt Null beträgt.
Grundsatz
Jeder Atomkern mit mehr als einem ungepaarten Kernteilchen (wie etwa ein Proton oder ein Neutron) besitzt ein elektrisches Quadrupolmoment, das seine Energieniveaus aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Kernladung und der Elektronenverunreinigungsdichte ungleichmäßig macht. Wenn in einer Umgebung ohne äußeres Magnetfeld hochfrequente elektromagnetische Strahlung auf den Kern ausgeübt wird, führt die Störung der Kernenergie zur Absorption des Quadrupol-Energieniveaus. Dadurch kann NQR verschiedene Phasenübergänge in festen Materialien charakterisieren.„Die Kernquadrupolresonanzspektroskopie ist äußerst empfindlich für die Analyse chemischer Strukturveränderungen und Phasenübergänge in Materie.“
Analogien zwischen NQR und NMR
Bei der NMR kommt es bei Kernen mit einem Rotationsspin von 1/2 oder mehr aufgrund des äußeren Magnetfelds zu einer Energieaufspaltung, was zu einer Resonanzabsorption führt. In der NQR verfügen Kerne mit einem Rotationsspin gleich oder größer als 1 (wie etwa 14N, 17O usw.) über ein elektrisches Quadrupolmoment, dessen Existenz auf die nicht sphärische Form der Kernladungsverteilung zurückzuführen ist. Daher kann die NQR-Technologie bei korrekter Anwendung einen chemischen Fingerabdruck einer Substanz liefern.
„Das NQR-Spektrum ist ein einzigartiger chemischer Fingerabdruck, der winzige Unterschiede zwischen Materialien aufdeckt.“
Anwendungen und Potenzial
Mit NQR kann die Wechselwirkung zwischen dem nuklearen Quadrupolmoment und dem elektrischen Feldgradienten um den Kern eingehend untersucht werden. Daher bietet NQR ein hervorragendes Anwendungspotenzial bei der Untersuchung struktureller Eigenschaften, chemischer Bindungen und Phasenübergänge von Festkörperverbindungen. Beispielsweise wurde 14N-NQR im pharmazeutischen Bereich erfolgreich eingesetzt, um die Enantiomere in racemischen Gemischen wie D-Serin und L-Serin zu unterscheiden. D-Serin gilt als potenzieller Biomarker für die Alzheimer-Krankheit, während L-Serin Potenzial bei der Behandlung von Lateralsklerose gezeigt hat.
Technische Herausforderungen und Entwicklungen
Es bleiben jedoch weiterhin technische Herausforderungen für NQR bestehen. Zu den Haupteinschränkungen zählen die erforderlichen großen Probenvolumina und die niedrigen Signalintensitäten. Darüber hinaus erfordert die NQR-Technik, dass der Kern ein von Null verschiedenes Quadrupolmoment besitzt, was auf Kerne mit einer Spinzahl größer oder gleich 1 beschränkt ist. Aufgrund der geringen Intensität des NQR-Signals war in dieser Studie die Verwendung einer großen Probenmenge erforderlich.
Zukunftsaussichten
Derzeit arbeiten Forschungsteams auf der ganzen Welt daran, Anwendungen für NQR bei der Sprengstofferkennung zu finden. Das NQR-Erkennungssystem besteht aus einer Hochfrequenz-Stromquelle (RF), einer Spule, die ein Magnetfeld erzeugt, und einem Erkennungsschaltkreis, der die NQR-Reaktion explosiver Komponenten des getesteten Objekts erkennen kann. Obwohl einige gefälschte Geräte angeblich NQR-Technologie verwenden, gibt es dennoch große Bedenken, da sie die versprochenen Funktionen in Wirklichkeit nicht erfüllen können.
„NQR zeigt auch großes Potenzial in Ölfeldanwendungen, da es die Echtzeitberechnung der verbleibenden Kapazität einer Ölquelle und des Verhältnisses von Wasser, Gas und Öl während des Förderprozesses ermöglicht.“
Mit dem technologischen Fortschritt und der Entwicklung verschiedener Forschungsprojekte werden sich die Anwendungsszenarien von NQR weiter erweitern. Diese Technologie erweist sich nicht nur in der wissenschaftlichen Forschung als wertvoll, sondern könnte auch in unserem täglichen Leben tiefgreifende Auswirkungen auf unsere Umwelt und Gesundheit haben. Können die Menschen diese Technologie besser nutzen, um ein neues Kapitel in der Kernquadrupolresonanz aufzuschlagen?
