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31.05.10 Halbach-Anordnung von kleinen Magneten ermöglicht portable NMR-Geräte

Klein aber oho

Leichte, handliche Magnete für tragbare NMR-Spektrometer

Abb. 1: Ein nur handgroßer Permanentmagnet wurde entwickelt, der für Messungen von 1H-NMR-Spektren mit einem standardmäßigen NMR-Röhrchen geeignet ist. Die neue Shim-Methode, die zur Verbesserung der Feldhomogenität des Magneten eingesetzt wurde, setzt einen Meilenstein bei der Miniaturisierung hochauflösender NMR-Spektroskopie herkömmlicher Proben.
Quelle: Angewandte Chemie

Zur präzisen Bestimmung von molekularer Struktur und Dynamik wird gerne die hochauflösende Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR) als leistungsstarkes analytischen Werkzeuge eingesetzt. Um die hohe Auflösung zu erreichen, sind starke Magnetfelder nötig, wie sie von supraleitenden Elektromagneten erzeugt werden. Federico Casanova und seine Kollegen von der RWTH Aachen haben nun einen leichten, nur handgroßen Permanentmagneten für die NMR entwickelt. Wie die Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, könnte dies der Grundstein für tragbare hochauflösende NMR-Geräte sein.

In den sechziger und siebziger Jahren arbeiteten NMR-Geräte mit Permanentmagneten, die damals aber noch etwa so wuchtig waren wie die supraleitenden Magnete heute. Mit modernen, verbesserten Permanentmagneten ließen sich theoretisch handliche, robuste Geräte bauen. Damit wären NMR-Messungen möglich, die nur dreimal weniger empfindlich wären als mit standardmäßigen supraleitenden Magneten. „Das wäre ein akzeptables Zugeständnis für ein kleines und tragbares NMR-System,“ sagt Casanova. „Allerdings gibt es ein Problem: Wenn der Magnet kleiner wird, nimmt auch der Bereich des homogenen (einheitlichen) Magnetfeldes ab und damit das mögliche Probenvolumen. Eine Verringerung des Probenvolumens beeinträchtigt aber das Verhältnis von Signal zu Rauschen.“

Das Aachener Team hat nun einen kleinen, nur 500 g schweren Permanentmagneten mit einem außergewöhnlich homogenen Magnetfeld entwickelt, das Platz für standardmäßige NMR-Röhrchen bietet. Erfolgsgeheimnis ist eine so genannte Halbach-Anordnung: Einzelne Magnetblöcke werden zu einem Zylinder zusammengefügt, dabei ist die Richtung der Magnetisierung der einzelnen Blöcke so aufeinander abgestimmt, dass im Inneren ein besonders starkes homogenes Magnetfeld entsteht. Die Forscher verbinden drei Halbach-Ringe, deren Durchmesser so optimiert sind, dass die Verzerrung des magnetischen Feldes an den Enden des zylindrischen Innenraumes kompensiert wird. Auf diese Weise entsteht ein ausreichend großes homogenes Magnetfeld im Innern, das Platz genug für ein Standard-NMR-Röhrchen bietet. Um auch die von der Körnung des Magnetmaterials herrührenden Inhomogenitäten auszugleichen, besteht jeder Ring aus auf Lücke gesetzten trapezförmigen Magnetblöcken, in deren Lücken rechteckige Magnetquader radial verschoben werden können, um das Magnetfeld mechanisch zu justieren („shimmen“).

Abb. 2: Foto eines Halbach-Magneten mit einer Feldstärke von 0.7 T, der aus rechteckigen und trapezförmigen SmCo-Blöcken besteht. Der Magnet ist 80 mm lang und weist Innen- und Außendurchmesser von 15 bzw. 35 mm auf. Verschiebt man die rechteckigen Magnete wie rechts eingezeichnet, werden Feldkorrekturen dritter und vierter Ordnung erzeugt, die in den darunterliegenden zweidimensionalen Feldabbildungen illustriert sind. Die Einblendung zeigt die Amplituden DR der Verschiebungen der Magnetquader, mit denen der Halbach-Magnet geshimt wird.
Quelle: Angewandte Chemie - mit freundlicher Genehmigung

„Aufgenommene Spektren beweisen, dass unsere Miniaturmagnete für die hochauflösende NMR-Spektroskopie mit standardmäßigen Probenröhrchen geeignet sind“, berichtet Casanova. „Zusammen mit dem Spektrometer ließen sie sich gut transportieren. Die hoch auflösende NMR-Spektroskopie könnte sich so zu einer mobilen Messmethode für den Einsatz vor Ort entwickeln.“.

Quelle:

Kleine Magnete für NMR-Spektroskopie vor Ort
E. Danieli, et. al., Angew. Chem. 2010, DOI: 10.1002/ange.201000221

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Halbach-Anordnung von kleinen Magneten ermöglicht portable NMR-Geräte
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2010/mai/nmr.shtm)

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