NMR micro-detectors tailored for multinuclear and electrochemistry lab-on-a-chip applications
Creators: name: Davoodi, Hossein
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: NMR
micro
micro-coil
micro-NMR
coil
broadband
digital twin

description: Das Magnetfeld, das ein Isotopenkern erfährt, bestimmt in Abhängigkeit von seiner chemischen und physikalischen Umgebung seine Präzessionsfrequenz. Diese Frequenz ist daher unter verschiedenen Umgebungsbedingungen leicht unterschiedlich. Dieser wenn auch geringe Unterschied kann dazu genutzt werden, um die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Mediums zu ermitteln. Auf genau diesem Prinzip beruht die Kernspinresonanz (Nuclear Magnetic Resonance NMR): Mit Hilfe einer Hochfrequenz (HF-) – Magnetschnittstelle wird die Präzessionsfrequenz der Atomkerne eines Isotops ermittelt. Leider ist die Sensitivität der NMR-Technik gering, so dass eine gute, schnelle und sichere Informationsübertragung zwischen den Isotopenkernen und dem Sensor (auch als Magnetspule bekannt) sowie eine hocheffiziente Signalübertragung zwischen dem Sensor und den weiteren Komponenten des Signalverarbeitungssystems von größter Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit werden drei neuartige Lösungsansätze zur Verbesserung der Leistung der NMR-Technik für verschiedene Anwendungen vorgestellt und detailliert untersucht. Einer der Hemmschuhe für die NMR-Technik ist die Inkompatibilität von elektrisch leitenden Elementen innerhalb des NMR-Detektionsbereichs. Aufgrund ihrer abschirmenden Eigenschaften weisen elektrisch leitende Elemente einen erheblichen Einfluß auf die Verknüpfung von NMR-Sensor und Probe durch das Magnetfeld auf. Hierdurch wird eine Vielzahl von potentiell interessanten NMR-Anwendungen eingeschränkt, so z.B. elektrochemische Reaktionen, Elektrophorese oder Dielektrophorese. In einem ersten thematischen Schwerpunkt werden daher verschiedene Elektrodendesigns vorgeschlagen, mit denen der oben genannten Herausforderung möglicherweise begegnet werden kann. Für eine bereits existierende Helmholtz-Magnetspule können mittels theoretischer und experimenteller Bewertung zwei kompatible Elektrodengeometrien ermittelt werden; dies sind zum einen ultradünne planare Scheibenelektroden, zum anderen Seitenwand-Elektroden. Ein zweiter thematischer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Herausforderung, mehrer unterschiedliche Kerne parallel zu detektieren. In einem Standard-NMR-Gerät wird üblicherweise die Detektionsbandbreite zu Gunsten einer besseren Leistungsübertragung zwischen dem Sensor und anderer Hardware verringert. In der vorliegenden Arbeit wird der umgekehrte Weg beschritten: Die Herabsetzung der Leistungsfähigkeit bei gleicher Bandbreite wird evaluiert und anschließend die Sensorgeometrie optimiert, um auf diese Weise eine höhere Detektionsqualität zu erzielen und gleichzeitig die Kosten zu reduzieren. Es wird gezeigt, dass mit den verwendeten Breitbanddetektoren nicht nur die Anzahl der detektierbaren Kerne gesteigert werden kann sondern dass diese Detektoren gleichzeitig auch eine akzeptable Sensitivität aufweisen. Parallel zu den genannten Themenschwerpunkten wird eine kostengünstige Lösung für Standard-NMR-Sattelspulen eingeführt, die es erlaubt, die Sensitivität des NMR-Systems bei einem kleinen vorliegenden Probenvolumen zu erhöhen. Diese Lösung basiert hierzu auf einem passiven Element, welches das Sichtfeld der Spule auf das Probenvolumen fokussiert. Dieses zusätzliche Element dreht hierbei das Magnetfeld, so dass das Probenvolumen aus einer anderen Richtung als zuvor durchdrungen wird. Das Ergebnis dieser Technologie ist eine Steigerung der Effizienz der NMR-Experimente für Proben mit festen Geometrien wie z.B. dünne Filme, dünne Scheiben oder leitfähige Elemente. Zusammenfassend werden daher mit der vorliegenden Arbeit drei spezifische Lösungsvorschläge für spezielle Anwendungen gezeigt, mit denen sich jeweils die NMR-Leistung steigern läßt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass und in welcher Weise verschiedene NMR-Leistungsmerkmale (Erregungseffizienz, RF-Feldhomogenität, Signal-Rausch-Verhältnis und spektrale Auflösung) von einer Optimierung der Geometrie des Systems auf die jeweiligen Anwendungsanforderungen profitieren können.