Relaxation (NMR)

In der Kernspinresonanz (NMR) versteht man unter Relaxation die Vorgänge, die nach einer Auslenkung der Kernspinmagnetisierung aus ihrem Gleichgewichtszustand stattfinden. Neben der Spin-Gitter-Relaxation oder longitudinalen Relaxation, die die Rückkehr des angeregten Kernspinsystems in seinen Gleichgewichtszustand beschreibt (und üblicherweise mit der Relaxationszeit T₁ bezeichnet wird), gibt es noch eine Reihe weiterer Relaxationszeiten, die das Abklingen messbarer NMR-Signale beschreiben, das nach der Anregung zu beobachten ist. Die wichtigsten dieser Relaxationszeiten sind die transversale Relaxationszeit T₂ und die Zeitkonstante T₂^* mit der das Signal des nach der NMR-Anregung beobachtbaren Freien Induktionszerfalls (FID, Free Induction Decay) abnimmt.

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Für relative Länge dieser drei Zeitkonstanten gilt immer

Die Zeitkonstante T₁ spielt in der Kernspinresonanz in mehrerer Hinsicht eine limitierende Rolle:

• Sie bestimmt einerseits die Zeit, die nach einem NMR-Anregungsvorgang gewartet werden muss, bis die Probe vor einer erneuten Anregung wieder hinreichend nah an ihren Gleichgewichtszustand herangekommen ist (üblich sind Wartezeiten von etwa 5*T₁).
• Sie bestimmt andererseits das maximale Zeitfenster, in dem Informationen in einem Kernspinsystem codiert werden können. Das hat beispielsweise bei der Untersuchung von Austausch-Vorgängen oder Diffusions-Vorgängen sowie auch für Überlegungen zur Realisierung eines Quantencomputers mittels NMR Konsequenzen.

Unterschiedliche Kernspinrelaxationszeiten in verschiedenen Arten von Gewebe stellen auch die Grundlage des Kontrasts in der Magnetresonanztomographie (MRT) dar. Neben den unterschiedlichen Relaxationszeiten der Gewebe selbst werden in der Magnetresonanztomographie auch häufig Kontrastmittel eingesetzt, mittels derer die Relaxationszeitunterschiede zwischen verschiedenen Geweben gezielt verändert werden können. Das am weitesten verbreitete Kontrastmittel ist Gadolinium-DTPA.

Die transversale Relaxationszeit T₂ kann ebenfalls als limitierender Faktor in NMR-Experimenten wirken, da die erzielbare Auflösung in NMR-Spektroskopie-Experimenten proportional zum Kehrwert der T₂-Zeit ist (wegen der Frequenz-Zeit-Unschärfe). Die T₂-Zeit ist in einfachen Flüssigkeiten wie Wasser oder Aceton etwa gleich lang wie die jeweilige T₁-Zeit und kann mehrere Sekunden betragen. Je stärker die Beweglichkeit der Moleküle in einem Material eingeschränkt ist, desto kürzer wird die T₂-Zeit. In Festkörpern liegt sie üblicherweise im Bereich von einigen 10 µs.

Außer durch die molekulare Dynamik werden die Kernspinrelaxationszeiten auch noch durch die Anwesenheit von paramagnetischen Substanzen beeinflusst. Hierauf beruht unter anderem die Wirkung der in der Magnetresonanztomographie üblichen Kontrastmittel, sowie die Verwendung von Chromacetylacetonat zur Verkürzung der Relaxationszeit in z.B 29Si-NMR.

In der Materialforschung können Kernspinrelaxationszeiten Informationen über die dynamischen Eigenschaften von Materialien auf der molekularen Längenskala vermitteln. Dies ist unter anderem in der Polymerforschung, bei der Entwicklung von elektrochemischen Funktionsmaterialien für Batterien und Brennstoffzellen sowie bei der Charakterisierung poröser Materialien von Bedeutung. Die Kernspinrelaxationszeiten werden außer durch Materialeigenschaften auch durch die Magnetfeldstärke bestimmt, in der sich die Probe befindet. Aus der Bestimmung der Abhängigkeit der Relaxationszeiten von der anliegenden Magnetfeldstärke können zusätzliche Informationen gewonnen worden. Zur Messung der Relaxationszeit in Abhängigkeit von der Frequenz wurde eine spezielle NMR-Messmethode entwickelt, die sogenannte Feldzyklus-NMR (Field cycling).

Eine relativ neue messtechnische Anwendung von NMR-Relaxationszeiten ist die sogenannte einseitige NMR.

Literatur

• Kimmich R 1997 NMR-Tomography, Diffusometry, Relaxometry (Heidelberg: Springer)

Anbieter von Spektrometern zur Messung von NMR-Relaxationszeiten

• Bruker (unter anderem auch einseitige NMR-Systeme) - Webseite
• Magritek - Webseite
• STELAR (unter anderem auch Feldzyklus-NMR-Spektrometer) - Webseite