Hyperpolarisation (Physik)

Grundidee und Bedeutung

Hyperpolarisation bezeichnet in der Physik eine geordnete Ausrichtung von Kernspins in einer Materialprobe, die weit über das thermische Gleichgewicht hinausgeht. Sie ist besonders für Kernresonanzspektroskopie (NMR) und Magnetresonanztomografie (MRT) wichtig: Dort verbessert eine große Zahl gleich ausgerichteter Kernspins die Messbarkeit deutlich.

Ein Spin der Größe I besitzt relativ zu einer Quantisierungsachse 2I+1 mögliche Orientierungen. In einem äußeren Magnetfeld haben diese Orientierungen wegen des magnetischen Moments unterschiedliche, für Atom und molekulare Umgebung typische Energien. Dadurch entstehen unterschiedliche Besetzungszahlen der Spinzustände; diese gewöhnliche Polarisation lässt sich mit der Boltzmann-Statistik berechnen. Da die Energiedifferenzen selbst in starken Magnetfeldern sehr klein gegenüber der thermischen Energie sind, bleiben die Besetzungsunterschiede stets unter 1 Promille.

Für NMR sind möglichst große Besetzungsunterschiede nötig. Andernfalls wird die Absorption durch induzierte Emission vollständig aufgehoben und die Probe ist nahezu durchsichtig; die Empfindlichkeit der Kernresonanzexperimente ist dann gering. Hyperpolarisiert heißt eine Probe, wenn ein oder mehrere Spinzustände deutlich stärker besetzt sind, als es die Boltzmann-Statistik aufgrund ihrer Energiedifferenzen vorhersagt.

Erzeugung hoher Kernspinpolarisation

Hyperpolarisation lässt sich bei Edelgasen erzeugen, häufig mit den Isotopen ^3He oder ^129Xe. Dazu werden zunächst Elektronenspins eines gasförmigen Alkalimetalls, oft Rubidium, durch optisches Pumpen ausgerichtet. Mischt man dieses Alkalimetallgas mit dem Edelgas, übertragen Stöße über Hyperfeinwechselwirkungen die Ausrichtung der Elektronenspins auf die Kernspins der Edelgasatome. So wurden Polarisationsgrade bis zu 70 % erreicht, also einige Größenordnungen mehr als bei der Gleichgewichtspolarisierung nach Boltzmann.

Eine zweite Methode ist die dynamische Kernpolarisierung (dynamic nuclear polarization) in Festkörpern. Meist organische Radikale werden in die Probe eingebracht. Bei sehr tiefen Temperaturen und mittleren Magnetfeldern, beispielsweise 1,1 Kelvin und 3 Tesla, wird die Probe mit starker Mikrowellenstrahlung nahe der Resonanzfrequenz der Radikalelektronen bestrahlt. Dies entspricht dem Aufbau eines Elektronenspinresonanzexperiments. Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Kernen, etwa Overhausereffekt, Solid effect oder Thermal mixing, können nach genügend langer Bestrahlung eine hohe Kernpolarisation erzeugen. Es gibt Versuche, die Polarisation durch schnelles Auftauen und Lösen vom Festkörper in die flüssige Phase zu übertragen.

Einsatz in NMR und MRT

Hyperpolarisierte Gase sind wegen der großen Zahl ausgerichteter Kernspins mit Magnetresonanzmethoden sehr gut erkennbar und können daher als Kontrastmittel dienen. Erfolgreich demonstriert wurden gute MRT-Aufnahmen der menschlichen Lunge nach der Inhalation von hyperpolarisiertem Xenon.

Lösungen mit hyperpolarisierten Atomkernen können in der onkologischen Diagnostik verwendet werden. Dabei wird der Stoffwechsel hyperpolarisierter Moleküle mit dynamischer Bildgebung verfolgt. Für ^13C-Spins in dem für die Onkologie geeigneten Molekül Brenztraubensäure wurde im Festkörper ein Polarisationsgrad von (64±5)% erreicht. Verluste beim Auflösen der Probe und beim Transfer zur anschließenden NMR- oder MRT-Messung lassen sich auf einige Prozent verringern. Hyperpolarisation wird außerdem erfolgreich in strukturbiologischen Forschungen eingesetzt.