RASER statt LASER: Ultrapräzise Kernspinresonanz-Spektroskopie mit Para-Wasserstoff
Jülich, 17. Juli 2017 - Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und der RWTH Aachen haben ein Laser-ähnliches Phänomen entdeckt, mit dem sich der Aufbau von organischen Molekülen in bislang unerreichter Präzision messen lässt. Der sogenannte Raser (Radiowave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) wird anders als ein Laser mit Para-Wasserstoff gepumpt und operiert nicht bei Lichtfrequenzen. Er oszilliert stattdessen kontinuierlich bei verschiedenen Radiofrequenzen um die 100 kHz, was einen genauen Fingerabdruck der molekularen Struktur ermöglicht.
Entscheidend für die Erzeugung der kontinuierlichen Oszillationen ist die Polarisation der Protonen eines Zielmoleküls mithilfe von Para-Wasserstoff. In dieser speziellen Form von Wasserstoff-Molekülen sind die Kernspins antisymmetrisch ausgerichtet. „Im Gegensatz zu einem Laser erlaubt es ein solcher Raser, das Spektrum der Zielmoleküle mit einer unglaublichen Präzision von einigen millionstel Hertz zu messen“, erläutert Prof. Stephan Appelt, der am Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA-2) des Forschungszentrums Jülich und an der RWTH Aachen forscht.
Darüber hinaus wartet der neu entwickelte Raser mit weiteren Vorteilen auf. „Eine Vielzahl von organischen Molekülen lassen sich bei Raumtemperatur in Lösung analysieren, die beständig von Para-Wasserstoff durchströmt wird. Im Unterschied zur konventionellen Technik der Kernspinresonanz werden aufwendige Vakuumtechnik, tiefe Temperaturen und extrem hohe Magnetfelder nicht benötigt“, erklärt Martin Süfke, Doktorand am Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-9).
„Diese Entdeckung ist geeignet, um neue Anwendungen in verschiedensten Gebieten der Technik und Wissenschaft zu ermöglichen“, schätzt Stephan Appelt. Denkbar sind insbesondere Anwendungen im Zusammenhang mit der Kernspinresonanz-, oder kurz NMR-Spektroskopie, wie mobile ultrapräzise NMR-Analytik, neue rauscharme Verstärker und Sensoren sowie neuartige biomolekulare Analysen, etwa in der Medizin.
Originalpublikation:
Para-hydrogen raser delivers sub-millihertz resolution in nuclear magnetic resonance
Martin Suefke, Sören Lehmkuhl, Alexander Liebisch, Bernhard Blümich, Stephan Appelt
Nature Physics 13, 568-572 (2017), DOI: 10.1038/NPHYS4076
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Institut für Technische und Makromolekulare Chemie der RWTH Aachen (ITMC)
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Stephan Appelt
Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik, Systeme der Elektronik (ZEA-2)
Telefon: +49 2461 61-3884
E-Mail: st.appelt@fz-juelich.de
Dipl.-Chem. Martin Süfke
Institut für Energie- und Klimaforschung, Grundlagen der Elektrochemie (IEK-9)
Telefon: +49 2461 61-4511
E-Mail: m.suefke@fz-juelich.de
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Forschungszentrum Jülich
Telefon: +49 2461 61-4771
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