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Lexikon der Physik: NMR-Diffusions- und Bewegungseffekte

NMR-Diffusions- und Bewegungseffekte, zusammenfassender Begriff verschiedener NMR-Phänomene in Zusammenhang mit einer Diffusion der Spins. Bereits bei den ersten Spinecho-Experimenten wurde beobachtet, daß zusätzlich zu der durch transversale Relaxation bedingten Signalabnahme der Echoamplitude ein zur dritten Potenz der Echozeit proportionaler Exponentialterm auftritt. Dieser kommt durch die Diffusionsbewegung der Spins im Gradienten des Magnetfelds zustande. Die Signalintensität S(t) des Spinechos in einem (räumlich konstanten) magnetischen Feldgradienten G ist gegeben als



(te: Echozeit, D: Diffusionskoeffizient,

: gyromagnetisches Verhältnis der Kerne).

Zur Messung von Diffusionskoeffizienten wird heute oft auch mit stimulierten Echos gearbeitet. Mit dieser Methode können auch Diffusionsprozesse in Substanzen mit einer kurzen Spin-Spin-Relaxationszeit und einer längeren Spin-Gitter-Relaxationszeit untersucht werden. Solche Verhältnisse liegen vor allem in Polymeren vor, wo zusätzlich die relativ niedrigen Selbstdiffusionskoeffizienten lange Diffusionszeiten erfordern.

Bei Diffusionsmessungen in einem zeitlich konstanten Feldgradienten ergeben sich verschiedene Probleme:

- Die Hochfrequenzpulse sowie die Echoaufnahme müssen relativ breitbandig erfolgen; dadurch sind die Amplituden von Messungen mit unterschiedlicher Gradientenstärke nicht direkt vergleichbar;

- es gibt keine klar definierte Diffusionszeit (vgl. unten).

Deshalb wird bei Diffusionsmessungen mit NMR oftmals mit gepulsten Gradienten gearbeitet. Eine der wichtigsten derartigen Meßmethoden ist die Pulsed Gradient Spin Echo-Methode (PGSE).

Gradientenpulse können auch dazu verwendet werden, gerichtete Flußbewegungen zur erfassen. Hierzu bedient man sich im allgemeinen sog. bipolarer Gradienten, eines Paars gleich starker und gleich langer aufeinanderfolgender Gradientenpulse mit entgegengesetztem Vorzeichen, wie sie beispielsweise bei der FEVI-Sequenz in der Kernspintomographie angewandt wird. Für räumlich konstante Flüsse kann die Methode auch ohne Bildinformation eingesetzt werden.

In vielen komplexen Substanzen (z.B. porösen Medien, biologischen Systemen, Gelen, Micellen) treffen die diffundierenden Komponenten auf Barrieren, die entweder nicht oder nur mit einer geringen Wahrscheinlichkeit überwunden werden. Es findet also keine freie Diffusion mehr statt. Dies macht sich in NMR-Experimenten dadurch bemerkbar, daß für verschiedene Diffusionszeiten unterschiedliche ›Diffusionskoeffizienten‹ gemessen werden.

Bei PGSE-Messungen kann diese ›Zeitabhängigkeit‹ des Diffusionskoeffizienten gezielt ausgenutzt werden, um Strukturinformationen über die Probe zu erhalten. Dazu wird die Signalabschwächung für lange Diffusionszeiten und kurze Gradientenpulse als Funktion des Parameters

(g: Gradientenstärke, δ: Gradientendauer) aufgenommen und daraus über eine Fourier-Transformation der Diffusionspropagator der Probe bestimmt, aus dem wiederum Rückschlüsse auf Porenstrukturen und Diffusionshindernisse gezogen werden können. Diese Methode ist als q-space-Imaging bekannt.



NMR-Diffusions- und Bewegungseffekte: PGSE-Folge zur Diffusionsmessung. Die Diffusionsabschwächung des Signals steigt an, wenn der Abstand, die Amplitude oder die Länge der Gradientenpulse erhöht werden.

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In eckigen Klammern steht das Autorenkürzel, die Zahl in der runden Klammer ist die Fachgebietsnummer; eine Liste der Fachgebiete findet sich im Vorwort.

Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
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Karl Eberl, Stuttgart [KE] (A) (Essay Molekularstrahlepitaxie)
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Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15; Essay Perkolationstheorie)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Harald Fuchs, Münster [HF] (A) (Essay Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
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Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
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Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
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Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
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Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
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Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
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Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
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Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
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Dr. Michael Eckert, München [ME] (A) (02)
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Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Dr. Sascha Hilgenfeldt, Cambridge, USA (A) (Essay Sonolumineszenz)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
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Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
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Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
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Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
Prof. Dr. Karl Otto Münnich, Heidelberg (A) (Essay Umweltphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
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Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
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Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
Prof. Dr. Erhard Scholz, Wuppertal [ES] (A) (02)
Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14; Essay Spezielle Relativitätstheorie)
Dr. Erwin Schuberth, Garching [ES4] (A) (23)
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