DE102017210309A1

DE102017210309A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Kernspinresonanz-Spektrums von Kernspinmomenten einer Probe

Info

Publication number: DE102017210309A1
Application number: DE102017210309.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Bodo Plenio; Ilai SCHWARTZ; Liam MC Guinnes; Joachim Rosskopf
Original assignee: Universitaet Ulm
Current assignee: Universitaet Ulm
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2018-12-06
Also published as: WO2018220183A1; US20200158669A1; US11181494B2; EP3631488A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Kernspinresonanz-Spektrums (4) von Kernspinmomenten (6) einer Probe (8), aufweisend ein die Probe (8) durchsetzendes statisches Magnetfeld (B) und ein Detektionsspinmoment (16) mit einem dieses umgebenden Detektionsbereich (18), welcher sich zumindest teilweise in die Probe (8) erstreckt, sowie ein Antennenelement (22) zur Einstrahlung von Frequenzpulsen (F) zur Beeinflussung der Kernspinmomente (6) und von Hochfrequenzpulsen (H) zur Beeinflussung des Detektionsspinmoments (16), bei dem in einem Polarisationsschritt (42) zumindest ein Teil der Kernspinmomente (6) entlang des Magnetfelds (B) zu einer Longitudinal-Magnetisierung (M_z) polarisiert werden, bei dem in einem Transferschritt (44) die Longitudinal-Magnetisierung (M_z) durch Einstrahlung eines Frequenzpulses (F) mit einem 90°-Flipwinkel in eine Transversal-Magnetisierung (M_xy) umgesetzt wird, bei dem in einem Detektionsschritt (46) eine Sequenz (S) von Hochfrequenzpulsen (H) auf das Detektionsspinmoment (16) eingestrahlt sowie anschließend ein Signal (32') der im Detektionsbereich (18) vorhandenen Transversal-Magnetisierung (M_xy) erfasst und als Detektionsergebnis (48) in einer Liste (50) hinterlegt wird, wobei der Detektionsschritt mehrmals wiederholt hintereinander durchgeführt wird, wobei der Polarisationsschritt (42) und der Transferschritt (44) sowie die Detektionsschritte (46) wiederholt durchgeführt werden, bis eine vorgegebene Anzahl von Wiederholungen (N) erreicht wird, wobei mit jeder Wiederholung (N) eine neue Liste (50) mit Detektionsergebnissen (48) erzeugt wird, und wobei in einem Auswerteschritt (54) die Detektionsergebnisse (48) der Listen (50) über alle Wiederholungen (N) hinweg gemeinsam ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Kernspinresonanz-Spektrums von Kernspinmomenten einer Probe, aufweisend ein die Probe durchsetzendes statisches Magnetfeld und ein Detektionsspinmoment mit einem dieses umgebenden Detektionsbereich, welcher sich zumindest teilweise in die Probe erstreckt, sowie ein Antennenelement zur Einstrahlung von Frequenzpulsen zur Beeinflussung der Kernspinmomente und von Hochfrequenzpulsen zur Beeinflussung des Detektionsspinmoments. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Magnetische Detektions- und Bildgebungsvorrichtungen sind wichtige Werkzeuge in biologischen und materialwissenschaftlichen Anwendungen. Insbesondere Verfahren zur Detektion von Kernspinresonanzen (nuclear magnetic resonance, NMR) weisen hohe spektrale Auflösungen der erzeugten Kernspinresonanz-Spektren auf. Hierzu werden die Kernspinmomente einer (Material-)Probe einem starken statischen Magnetfeld ausgesetzt, wodurch die Kernspinmomente zu einer präzidierenden Bewegung, der sogenannten Larmorpräzession, angeregt werden. Die Präzessions- oder Larmorfrequenz ist hierbei spezifisch für die jeweilige chemische Kernspinsorte, und wird beeinflusst von der chemischen und räumlichen Umgebung eines jeweiligen Kernspinmoments. Durch die Detektion und Auswertung der Kernspinresonanz-Spektren der auftretenden Larmorfrequenzen ist somit eine sehr genaue Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und des räumlichen Aufbaus der Probe beziehungsweise darin enthaltener Strukturen, wie beispielsweise Molekülen, möglich.
Zur Detektion von Kernspinresonanz-Signalen werden häufig induktive Verfahren verwendet. Hierzu wird beispielsweise eine die Probe umgreifende Induktionsspule verwendet, wobei die präzidierenden Kernspinmomente magnetische Wechselfelder erzeugen, welche eine elektrische Spannung als Kernspinresonanz-Signal in den Windungen der Induktionsspule induzieren.
Derartige induktive Verfahren zum Erzeugen von Kernspinresonanz-Spektren sind insbesondere zur Detektion eines großen magnetischen Moments (Magnetisierung), wie es insbesondere von einer großen Anzahl von gleichartig ausgerichteten (polarisierten) Kernspinmomenten erzeugt wird, geeignet. Die induzierte Spannung, also das Kernspinresonanz-Signal, ist proportional zu der zeitlichen Änderung eines die Induktionsspule durchsetzenden magnetischen Flusses. Der magnetische Fluss ist hierbei im Wesentlichen proportional zu der Anzahl von magnetischen Flusslinien welche durch das Innere der Induktionsspule verlaufen. Bei einer Reduzierung des Durchmessers der Induktionsspule wird die Anzahl der hindurch verlaufenden Flusslinien somit die Amplitude der induzierten Spannung reduziert. Der minimale Durchmesser der Induktionsspule ist hierbei zur Vermeidung von Selbstinduktionseffekten auf wenige Mikrometer (µm) beschränkt. Dadurch ist die räumliche Auflösung derartiger induktiver Verfahren auf vergleichsweise große Proben beschränkt, wodurch die räumliche Auflösung bei einer Kernspinresonanz-Untersuchung nachteilig eingeschränkt wird.
Zur Verbesserung der räumlichen Auflösung zur Erzeugung von Kernspinresonanz-Spektren ist es beispielsweise möglich, einzelne Detektionsspinmomente als lokale, räumlich hochauflösende Magnetfeldsensoren zu verwenden. Als Detektionsspinmomente werden hierbei beispielsweise einzelne Elektronenspinmomente genutzt. Die Detektionsspinmomente weisen hierbei einen Detektionsbereich beziehungsweise ein Detektionsvolumen auf. Unter einem Detektionsbereich ist hierbei insbesondere ein die Probe durchsetzender räumlicher Wechselwirkungsbereich zu verstehen, in welchem vorhandene Kernspinmomente mittels dipolaren Wechselwirkungen eine ausreichende Beeinflussung des Detektionsspinmoment bewirken, welche detektierbar beziehungsweise messbar ist. Da die Wechselwirkungsstärke der dipolaren Wechselwirkungen mit dem inversen kubischen Abstand (r^-3) skaliert, sind kleine Detektionsbereiche von wenigen kubischen Nanometern (nm³) und somit hohe räumliche Auflösungen realisierbar.
In Staudacher, T., et. al, „Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy on a (5-Nanometer)³ Sample Volume“ (Science 339(6119), 2013, 561-563) ist die Erzeugung von Kernspinresonanz-Spektren von Kernspinmomenten in flüssigen und festen Proben in einem (5 nm)³ großen Detektionsbereich beschrieben. Hierzu werden Elektronenspinmomente eines Stickstofffehlstellen-Zentrums (nitrogen vacancy center, NV-center) in einem Diamanten als Detektionsspinmomente verwendet. Die Detektionsspinmomente sind hierbei nahe der Diamantoberfläche angeordnet, sodass sich der Detektionsbereich in die Probe hinein erstreckt. Zur Verbesserung einer Relaxationszeit der Detektionsspinmomente sowie der spektralen Auflösung werden die Detektionsspinmomente mittels einer Sequenz von Hochfrequenzpulsen manipuliert. Das detektierte Kernspinresonanz-Signal wird hierbei von einer statistischen Polarisierung der Kernspinmomente der Probe, also einer zufälligen Nettoausrichtung beziehungsweise Magnetisierung der Kernspinmomente im Detektionsbereich, bewirkt. Die erzeugten Kernspinresonanz-Spektren weisen vergleichsweise niedrige spektrale (Frequenz-)Auflösungen mit Linienbreiten im Kilohertz-Bereich (kHz) auf. Die spektrale Auflösung ist hierbei im Wesentlichen durch die vergleichsweise niedrige Relaxationszeit der Detektionsspinmomente begrenzt.
Der Artikel Schmitt, S., et. al, „Submillihertz magnetic spectroscopy performed with a nanoscale quantum sensor“ (Science 356 (6340), 2017, 832-837) beschreibt ein Verfahren zum Erzeugen eines Kernspinresonanz-Spektrums von Kernspinmomenten einer Probe mittels Detektionsspinmomenten, bei welchem die spektrale Auflösung nicht durch Relaxationszeit der Detektionsspinmomente begrenzt wird. Hierzu wird ein sogenanntes Quantum Heterodyne (Qdyne) Verfahren verwendet, bei dem ein Detektionssignal des Detektionsspinmoments mit einem (externen) lokalen Oszillator gemischt oder synchronisiert wird. Die spektrale Auflösung des Kernspinresonanz-Spektrums ist hierbei durch die Stabilität des Oszillators limitiert, sodass hochaufgelöste Kernspinresonanz-Spektren der Probe ermöglicht werden.
Zur Durchführung des Qdyne-Verfahrens wird eine Sequenz von Hochfrequenzpulsen auf das Detektionsspinmoment eingestrahlt. Anschließend wird ein Signal der im Detektionsbereich auftretenden Magnetisierung erfasst und als Detektionsergebnis in einer Liste hinterlegt. Die Detektion wird während einer langen Messzeit (> 1000 s) fortlaufend wiederholt, sodass eine lange Liste an Detektionsergebnissen erzeugt wird. Die Liste wird anschließend beispielsweise mittels Autokorrelation der Detektionsergebnisse ausgewertet und anschließend zur Erzeugung des Kernspinresonanz-Spektrums fouriertransformiert. Die auftretende Magnetisierung der Kernspinmomente der Probe ist hierbei durch die statistische Polarisierung erzeugt.
Durch die Sequenz wird dem Detektionsspinmoment eine Phase aufgeprägt, welche abhängig vom Anfangszustand der (statistischen) Magnetisierung ist. Die Sequenz wirkt hierbei im Wesentlichen lediglich als ein Frequenzfilter, mit welchem die Sensitivität des Detektionsspinmoments auf den Frequenzbereich der Larmorfrequenzen der Kernspinmomente eingestellt wird. Die Phase wird als Detektionsergebnis, beispielsweise als eine vom Detektionsspinmoment emittierte Photonenzahl mit einem Photonendetektor erfasst, in der Liste hinterlegt und mit dem externen lokalen Oszillator synchronisiert bevor die Sequenz erneut ausgeführt wird. Bei der wiederholten Durchführung der Sequenzen wird somit die zeitliche Veränderung der vom Detektionsspinmoment aufgeprägten Phase erfasst, woraus sich die Dynamik der Magnetisierung und somit das Kernspinresonanz-Spektrum ergibt. Mit anderen Worten wird die zeitliche Änderung der statistischen Magnetisierung während der Messzeit bestimmt.
Die spektrale Auflösung des Qdyne-Verfahrens ist im Wesentlichen lediglich durch die Stabilität des lokalen Oszillators begrenzt, wodurch Kernspinresonanz-Spektren mit Millihertz (mHz) oder Mikrohertz (µHz) Frequenzauflösung beziehungsweise Linienbreite bei gleichzeitiger räumlicher Auflösung im Nanometerbereich ermöglicht werden.
Die spektrale Auflösung ist jedoch bei Kernspinmomenten in flüssigen Proben aufgrund der endlichen Abmessungen des Detektionsbereichs limitiert. Durch die molekulare Diffusion, insbesondere der Translations- und Rotationsdiffusion, der Kernspinmomenten in flüssigen Proben werden die dipolaren Wechselwirkungen der Kernspinmomente untereinander, beziehungsweise Kernspinmomente unterschiedlicher Moleküle innerhalb der Probe, effektiv reduziert, wodurch schmälere, höher aufgelöste, Kernspinresonanz-Spektren ermöglicht werden.
Hierbei tritt jedoch gleichzeitig das Problem auf, dass, insbesondere aufgrund der Translationsdiffusion, Kernspinmomente beziehungsweise Moleküle während der Messzeit aus dem Detektionsbereich hinaus diffundieren und neue Kernspinmomente in den Detektionsbereich hinein diffundieren. Dadurch wird die Phase und/oder Amplitude der statistischen Magnetisierung verändert, und somit die Detektionsergebnisse beeinflusst, wodurch die Linienbreiten des erzeugten Kernspinresonanz-Spektrums verbreitert werden, sodass die spektrale Auflösung nachteilig reduziert wird.
Die mittlere Zeitdauer nach welcher eine solche zufällige Signaländerung der statistischen Magnetisierung auftritt, wird als Korrelationszeit bezeichnet. Die Korrelationszeit (~ µs) ist hierbei in der Regel wesentlich kürzer als die Messzeit (~1000 s). Je schneller die Diffusion innerhalb der Probe ist, desto geringer wird die Amplitude der Detektionsergebnisse beim Qdyne-Verfahren. Somit ist die Anwendung des bekannten Qdyne-Verfahrens auf Festkörper-Proben und flüssige Proben mit sehr langsamer molekularer Diffusion beschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zum Erzeugen eines Kernspinresonanz-Spektrums von Kernspinmomenten einer Probe anzugeben. Das Verfahren soll insbesondere dazu geeignet sein spektral hochaufgelöste Kernspinresonanz-Spektren in einem nanoskopischen Detektionsbereich, auch im Falle diffundierender Kernspinmomente, zu erzeugen. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Erzeugen eines Kernspinresonanz-Spektrums von Kernspinmomenten einer Probe geeignet und ausgestaltet. Verfahrensgemäß ist hierbei ein statisches Magnetfeld vorgesehen, welches die Probe durchsetzt und somit die Kernspinmomente zu Larmorpräzessionen anregt. Zur Erfassung der Larmorpräzessionen der Kernspinmomente ist ein Detektionsspinmoment mit einem dieses umgebenden Detektionsbereich vorgesehen, wobei sich der Detektionsbereich zumindest teilweise in die Probe erstreckt. Das Detektionsspinmoment befindet sich hierbei vorzugsweise ebenfalls im Magnetfeld. Das Detektionsspinmoment ist hierbei geeigneterweise ein von den Kernspinmomenten unterschiedliches Spinmoment, beispielsweise ein Kernspinmoment einer unterschiedlichen Kernspinsorte oder insbesondere ein Elektronenspinmoment. Dadurch weisen die Kernspinmomente der Probe und das Detektionsspinmoment voneinander unterschiedliche Larmorfrequenzen beziehungsweise Resonanzfrequenzen auf.
Verfahrensgemäß ist ein Antennenelement vorgesehen, mittels welchem das Detektionsspinmoment und die Kernspinmomente manipulierbar sind. Das beispielsweise als Draht oder mikrostrukturierte Leiterbahn ausgeführte Antennenelement ist hierbei zur Einstrahlung von Frequenzpulsen zur Beeinflussung der Kernspinmomente und von Hochfrequenzpulsen zur Beeinflussung des Detektionsspinmoments geeignet und eingerichtet. Die Frequenzpulse weisen hierbei geeigneterweise eine Signalfrequenz auf, welche der Larmorfrequenz der Kernspinmomente entspricht. Beim Einstrahlen des oder jedes Frequenzpulses werden die Kernspinmomente somit resonant angeregt. Die Hochfrequenzpulse weisen entsprechend geeigneterweise eine der Larmorfrequenz des Detektionsspinmoments entsprechende Signalfrequenz auf, sodass eine resonante, insbesondere kohärente, Manipulation und Beeinflussung des Detektionsspinmoments möglich ist.
Das Verfahren weist einen Polarisationsschritt auf, bei welchem zumindest ein Teil der Kernspinmomente entlang des Magnetfelds zu einer Longitudinal-Magnetisierung polarisiert werden. Unter der Magnetisierung beziehungsweise Polarisation oder Polarisierung einer Anzahl von Kernspinmomenten ist nachfolgend insbesondere das Verhältnis aus der Differenz zwischen zwei besetzten Ausrichtungen, beispielsweise der Differenz zwischen der Anzahl der parallel (gleichgerichtet) und antiparallel (gegengerichtet) zu dem Magnetfeld orientierten Kernspinmomenten, und der Gesamtzahl von Kernspinmomenten zu verstehen. Vorzugsweise werden im Zuge des Polarisationsschritts die Kernspinmomente der Probe innerhalb und außerhalb des Detektionsbereichs in gleichem Maße polarisiert. Mit anderen Worten bewirkt der Polarisationsschritt vorzugsweise eine homogene Polarisation der gesamten Probe. Dies bedeutet, dass im Mittel in jedem Bereich der Probe eine vergleichbare Longitudinal-Magnetisierung vorhanden ist.
In einem nachfolgenden Transferschritt des Verfahrens wird die im Polarisationsschritt erzeugte Longitudinal-Magnetisierung durch Einstrahlung eines Frequenzpulses mit einem 90°-Flipwinkel in eine Transversal-Magnetisierung umgesetzt. Mit anderen Worten wird ein resonanter π/2-Frequenzpuls auf die Kernspinmomente eingestrahlt, wodurch die (Netto-)Ausrichtung der Kernspinmomente, also die Magnetisierung, von einer entlang des Magnetfeldes orientierten Ausrichtung in eine hierzu transversale oder quer orientierte Ebene gedreht wird.
Bei einem Detektionsschritt des Verfahrens wird eine Sequenz von Hochfrequenzpulsen auf das Detektionsspinmoment eingestrahlt und anschließend ein Signal der im Detektionsbereich vorhandenen Transversal-Magnetisierung erfasst. Mit anderen Worten erzeugt die larmorpräzidierende Transversal-Magnetisierung im Detektionsbereich ein detektierbares (Kernspinresonanz-)Signal welches mittels der Sequenz von dem Detektionselement detektierbar beziehungsweise erfassbar ist. Das Signal ist hierbei insbesondere eine auf eine während der Sequenz bewirkte Larmorpräzession des Detektionsspinmoments aufgeprägte Phase. Mit anderen Worten wird das Detektionsspinmoment mittels der Sequenz beispielsweise in einen Superpositionszustand versetzt, dessen zeitliche Entwicklung oder Dynamik während der Sequenz von dem Signal der Transversal-Magnetisierung beeinflusst wird. Insbesondere nimmt der Superpositionszustand hierbei eine durch die Transversal-Magnetisierung bewirkte Phase auf, sodass durch Auslesen oder Erfassen eines Endzustandes des Detektionsspinmoments am Ende der Sequenz das Signal der Transversal-Magnetisierung erfasst wird. Das erfasste Signal wird als ein Detektionsergebnis in einer Liste hinterlegt. Der Detektionsschritt wird hierbei mehrmals wiederholt hintereinander durchgeführt, sodass die Liste sukzessive mit aufeinanderfolgenden Detektionsergebnissen gefüllt wird.
Verfahrensgemäß ist hierbei vorgesehen, dass der Polarisationsschritt und der Transferschritt sowie die Detektionsschritte wiederholt durchgeführt werden, bis eine vorgegebene Anzahl von Wiederholungen erreicht wird. Hierbei wird mit jeder Wiederholung eine neue Liste mit Detektionsergebnissen erzeugt, sodass eine der Anzahl der Wiederholungen entsprechende Anzahl von Listen erzeugt wird. In einem Auswerteschritt des Verfahrens werden die Detektionsergebnisse der Listen über alle Wiederholungen hinweg gemeinsam ausgewertet. Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zum Erzeugen eines Kernspinresonanz-Spektrums von Kernspinmomenten einer Probe realisiert.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht die statistische Magnetisierung sondern eine kontrolliert erzeugte Transversal-Magnetisierung im Detektionsbereich detektiert.
Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass durch den Polarisationsschritt und den Transferschritt die erfasste Magnetisierung in Bezug auf die Sequenzen des Detektionsschritts stets die gleiche (Anfangs-)Phase aufweist. Dies ist insbesondere hinsichtlich einer Anwendung bei flüssigen Proben mit diffundierenden Kernspinmomenten vorteilhaft, da somit hinsichtlich der polarisierten Kernspinmomente bei einem Hinein- und/oder Hinausdiffundieren in den Detektionsbereich im Wesentlichen keine Beeinflussung der Phase der detektierten Magnetisierung bewirkt wird. Mit anderen Worten bewirkt eine molekulare Diffusion der Kernspinmomente während des erfindungsgemäßen Verfahrens keine unerwünschte Verbreiterung der Linienbreiten im Kernspinresonanz-Spektrum, wodurch eine besonders hohe spektrale Auflösung gewährleistet ist.
Anstelle einer einzelnen langen Messzeit werden somit mehrere kürzere Wiederholungen durchgeführt, wobei bei jeder Wiederholung die Anfangsphase der detektierten Magnetisierung bekannt und identisch ist. Durch die sequentiell wiederholte Messung wird die statistische Information der Detektionsergebnisse wesentlich verbessert, wodurch die Auflösung und Signalqualität des erzeugten Kernspinresonanz-Spektrums erhöht wird. Im Gegensatz hierzu ist es mit dem Stand der Technik, aufgrund der zufällig variierenden Phase der statistischen Magnetisierung, nicht möglich, die Statistik der Detektionsergebnisse durch Wiederholungen zu verbessern.
Geeigneterweise werden die Detektionsergebnisse beziehungsweise die Sequenzen hierbei mit einem lokalen Oszillator, beispielsweise einem Quarzkristall-Oszillator, synchronisiert. Insbesondere werden der Transferschritt und die Detektionsschritte zueinander synchronisiert, sodass bei den Wiederholungen stets eine reproduzierbare Phase der Transversal-Magnetisierung im Zuge der wiederholt durchgeführten Sequenzen bewirkt wird. Unter Synchronisation ist hierbei insbesondere ein zeitliches Abgleichen der Verfahrensschritte zu verstehen, sodass stets in einer bestimmten temporalen beziehungsweise zeitlichen Reihenfolge durchgeführt werden. Mit anderen Worten wird somit mit jeder Wiederholung im Wesentlichen stets das gleiche Kernspinresonanz-Signal in den einzelnen Listen hinterlegt. Dies bedeutet, dass mittels der erfindungsgemäßen Polarisations- und Transferschritte eine Synchronisation des Signals der Transversal-Magnetisierung und dessen Detektion mittels des Detektionsspinmoments ermöglicht werden. Durch die Synchronisation ist die spektrale Auflösung des erzeugten Kernspinresonanz-Spektrums im Wesentlichen durch die Stabilität des Oszillators limitiert.
Die detektierte Transversal-Magnetisierung weist ein mit der Larmorpräzession der Kernspinmomente oszillierendes Kernspinresonanz-Signal auf. Das Kernspinresonanz-Signal zerfällt hierbei im Laufe einer (transversalen) Relaxationszeit (Lebensdauer), das bedeutet, dass die Amplitude des Kernspinresonanz-Signals wird im Verlauf der Relaxationszeit auf null reduziert wird. Die Relaxationszeit ist hierbei ein Maß für die Linienbreite der spektralen Resonanzen, also der spektralen (Frequenz-)Auflösung im erzeugten Kernspinresonanz-Spektrum. Das gedämpfte Schwingungssignal entspricht hierbei im Wesentlichen dem freien Induktionszerfall-Signal (free induction decay, FID-Signal) bei induktiven Kernspinresonanzverfahren. Vorzugsweise werden die Detektionsschritte hierbei für die Dauer der Relaxationszeit der Transversal-Magnetisierung wiederholt durchgeführt, sodass im Wesentlichen der vollständige Signalzerfall während jeder Wiederholung erfasst wird.
Die Relaxationszeit der Transversal-Magnetisierung, die sogenannte T₂-Relaxation, entspricht hierbei einer Dephasierung Kernspinmomente der Transversal-Magnetisierung aufgrund entropischer Effekte, die mit der magnetischen dipolaren Wechselwirkung benachbarter Kernspinmomente zusammenhängt. Aufgrund von Inhomogenitäten der Probe ist es hierbei möglich, dass eine verkürzte Relaxationszeit der Transversal-Magnetisierung, die sogenannte T₂*-Relaxation, bewirkt wird. Im Falle flüssiger Proben mit diffundierenden Kernspinmomenten treten im vergleichsweise kleinen Detektionsbereich des Detektionsspinmoments lediglich geringe Inhomogenitäten auf, sodass die Relaxationszeit der erfassten Transversal-Magnetisierung nahe der T₂-Relaxation ist.
Zur Verbesserung der Relaxationszeit - und somit der spektralen Auflösung des Kernspinresonanz-Spektrums - ist es beispielsweise denkbar, dass im Zuge des Transferschritts eine Kernspinresonanz-Sequenz von Frequenzpulsen nach dem Frequenzpuls mit dem 90°-Flipwinkel ausgeführt wird. Beispielsweise ist eine Spin-Echo-Sequenz mit einem den Frequenzpuls mit dem 90°-Flipwinkel nachfolgenden Frequenzpuls mit einem 180°-Flipwinkel denkbar, sodass während den Detektionsschritten die T₂-Relaxation der Transversal-Magnetisierung gemessen wird.
Im Stand der Technik wird die statistische Magnetisierung erfasst. Die statistische Magnetisierung weist eine zufällige Phase und Amplitude auf, welche sich über eine Messzeit hinweg nach einer Korrelationszeit zufällig ändern. Daher wird die statistische Magnetisierung während der Messzeit fortlaufend wiederholt erfasst. Dies bedeutet, dass im Stand der Technik im Wesentlichen die Fouriertransformation für aufeinanderfolgende Korrelationszeiten bestimmt und die resultierenden Absolutwerte zu dem Kernspinresonanz-Spektrum addiert werden. Die Linienbreite des resultierenden Kernspinresonanz-Spektrums ist hierbei im Wesentlichen durch die vergleichsweise kurze Korrelationszeit limitiert.
Im Gegensatz hierzu wird verfahrensgemäß wiederholt die Relaxation der Transversal-Magnetisierung erfasst. Die Relaxation weist, insbesondere in flüssigen Proben, eine wesentlich längere Zeitdauer als die Korrelationszeit auf, sodass das erfindungsgemäß erzeugte Kernspinresonanz-Spektrum eine besonders hohe spektrale Auflösung ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführung wird das Detektionsspinmoment durch ein Elektronenspinmoment eines Farbzentrums eines mit der Probe in Kontakt stehenden Festkörpers gebildet. Unter einem Farbzentrum ist hierbei ein Punkt- oder Gitterdefekt im Festkörpergitter des Festkörpers zu verstehen, welcher optisch sichtbares Licht absorbiert. Vorzugsweise ist das Detektionsspinmoment des Farbzentrums hierbei optisch polarisierbar. Ein geeignetes Detektionsspinmoment in diesem Zusammenhang ist beispielsweise das Elektronenspinmoment eines Stickstofffehlstellen-Zentrums (NV-Zentrum) eines Diamanten oder Nanodiamanten.
Das NV-Zentrum weist ein Spin-1 Elektronenspinmoment mit einem Grundzustand mit einer Nullfeldaufspaltung (zero field splitting) von 2.87 GHz zwischen einem nicht-magnetischen Zustand („0“) und den dazugehörigen magnetischen Zuständen („+1“, „-1“) auf, sodass eine einfache Manipulation mittels Einstrahlung von Hochfrequenzpulsen im Mikrowellenbereich ermöglicht ist.
Bei einer Beleuchtung oder Bestrahlung mit einem grünen mit (Laser-)Licht wird das Elektronenspinmoment des NV-Zentrums einerseits im Wesentlichen vollständig in den nicht-magnetischen Grundzustand („0“) polarisiert. Andererseits emittiert das NV-Zentrum bei einer Anregung Licht im roten Wellenlängenbereich, wobei die Anzahl der Photonen abhängig vom Spinzustand des Elektronenspinmoments vor der Bestrahlung ist. Mit anderen Worten ist der Zustand des Elektronenspinmoments des NV-Zentrums durch Erfassung der emittierten Photonen optisch auslesbar, sodass eine besonders einfache Detektion des Signals der Transversal-Magnetisierung möglich ist. Als Detektionsergebnisse werden hierbei geeigneterweise die Anzahl der vom NV-Zentrum emittierten beziehungsweise mittels eines Photonendetektors erfassten Photonen hinterlegt. Als Photonendetektor wird beispielsweise eine Lawinenphotodiode (avalanche photodiode, APD) verwendet.
Das NV-Zentrum ist hierbei geeigneterweise nahe der Diamantoberfläche, insbesondere in einem Abstand von wenigen Nanometern bis Mikrometern, angeordnet, wobei die Probe in einem Kontakt zur Diamantoberfläche ist. Dadurch wird sichergestellt, dass der Detektionsbereich des Detektionsspinmoments sich ausreichend in die Probe erstreckt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung werden die Kernspinmomente in dem Polarisationsschritt zur Bildung der Longitudinal-Magnetisierung hyperpolarisiert. Unter Hyperpolarisierung ist hierbei insbesondere die Erzeugung einer geordneten Ausrichtung der Kernspinmomente in der Probe weit über die thermische Gleichgewichtsverteilung (Gleichgewichtsmagnetisierung) hinaus zu verstehen. Vorzugsweise wird hierbei eine Polarisierung der Kernspinmomente von mindestens 0.1 %, vorzugsweise mindestens 1 %, bewirkt. Dadurch wird einerseits eine größere Longitudinal-Magnetisierung und somit Transversal-Magnetisierung erzeugt, wodurch ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Detektionsergebnisse verbessert wird. Dies überträgt sich in der Folge vorteilhaft auf die Signalqualität der erzeugten Kernspinresonanz-Spektren. Andererseits wird durch die Hyperpolarisierung der negative Effekt der Diffusion, also das Hinein- und/oder Hinausdiffundieren von Kernspinmomenten in und aus dem Detektionsbereich während des Detektionsschritts, reduziert, da im Mittel im Wesentlichen stets eine konstante Anzahl Kernspinmomenten der Transversal-Magnetisierung im Detektionsbereich vorhanden ist.
Durch die Hyperpolarisation wird weiterhin die Sensitivität des Verfahrens, also die Empfindlichkeit oder die Änderung des Detektionsspinmoments bezogen auf die Änderung der Transversal-Magnetisierung, aufgrund der Erhöhung der zur Transversal-Magnetisierung beitragenden Anzahl von Kernspinmomenten, vorteilhaft verbessert. Insbesondere ist es somit möglich, auch geringe Konzentrationen von Kernspinmomenten, beispielsweise im Millimol-Konzentrationsbereich, in der Probe zuverlässig zu erfassen und ein entsprechendes Kernspinresonanz-Spektrum zu erzeugen. Dies ist insbesondere in Anwendungen zur Untersuchung von Stoffwechselprozessen beziehungsweise metabolischen Proben, insbesondere hinsichtlich der Bestimmung eines metabolischen Fingerabdrucks (metabolic fingerprint) vorteilhaft, da die untersuchten Probenvolumen häufig sehr klein und niedrig konzentriert sind.
Zur Hyperpolarisierung ist beispielsweise eine dynamischen Kernpolarisierung (dynamic nuclear polarization, DNP) möglich, bei welcher die Kernspinmomente der Probe in Wechselwirkung mit Elektronenspinmomenten gebracht werden. Die Elektronenspinmomente weisen eine etwa tausendfach stärkere Wechselwirkungsenergie mit dem Magnetfeld auf, sodass sich im thermischen Gleichgewicht eine vergleichsweise höhere Anzahl an geordnet ausgerichteten beziehungsweise polarisierten Elektronenspinmomenten als für Kernspinmomente einstellt. Mit anderen Worten weisen die Elektronenspinmomente unter sonst identischen Bedingungen eine höhere Polarisierung beziehungsweise einen höheren Polarisierungsgrad (Polarisierungsanteil) als die Kernspinmomente auf. Die (thermische) Polarisierung der Elektronenspinmomente wird anschließend auf die damit wechselwirkenden Kernspinmomente übertragen. Dies bedeutet, dass die Kernspinmomente nach einem solchen Polarisationstransfer eine geordnete Ausrichtung entlang des Magnetfeldes aufweisen, die im Wesentlichen der Gleichgewichtsverteilung der Elektronenspinmomente vor der dynamischen Kernpolarisierung entspricht. Mit anderen Worten weisen die Kernspinmomente eine (Polarisations-)Verteilung auf, welche wesentlich größer ist, als die thermische Gleichgewichtsverteilung der Kernspinmomente.
In einer geeigneten Ausgestaltung werden die Kernspinmomente mit Polarisationsspinmomenten des Festkörpers hyperpolarisiert. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform werden die Kernspinmomente insbesondere mittels eines Polarisationstransfer von optisch polarisierten NV-Zentren (hyper-)polarisiert. Hierbei ist es alternativ denkbar, dass das Detektionsspinmoment zur Polarisierung der Kernspinmomente genutzt wird. Vorzugsweise sind jedoch zusätzliche NV-Zentren vorgesehen, deren Elektronenspinmomenten als Polarisationsspinmomente für den Polarisationsschritt genutzt werden.
In einer geeigneten Ausbildung wird die Sequenz als eine Entkopplungssequenz, insbesondere als eine dynamische Entkopplung (dynamical decoupling), für das Detektionsspinmoment erzeugt. Die Sequenzdauer, also die Zeitdauer der gesamten Sequenz, ist hierbei kleiner als die Relaxationszeit des Detektionsspinmoments. Die beispielsweise als CPMG-Sequenz (Carr-Purcell-Meiboom-Gill) oder KDD-Sequenz (Knill dynamical decoupling) ausgeführte Sequenz wirkt hierbei insbesondere als ein Frequenzfilter für das Detektionsspinmoment. Mit anderen Worten wird das Detektionsspinmoment mittels der Sequenz während des Detektionsschritts derart manipuliert, dass die Evolution des Spinzustandes des Detektionsspinmoment lediglich durch bestimmte Signalfrequenzen aus der Umgebung beeinflussbar ist. Insbesondere wird hierbei eine Entkopplungssequenz verwendet, mittels welcher das Detektionsspinmoment sensitiv auf die Larmorfrequenzen der Kernspinmomente ist. Dadurch ist auf einfache Art und Weise eine zuverlässige Detektion der Transversal-Magnetisierung gewährleistet.
Die Sequenz ist als eine XY-Entkopplungssequenz ausgeführt, bei welcher die Hochfrequenzpulse entlang zweier zueinander senkrecht orientierten Pulsachsen erzeugt werden. Dadurch sind Pulsfehler der Hochfrequenzpulse wie beispielsweise Ungenauigkeiten in der Phasenlage und/oder Amplitude und/oder Flipwinkel ausgleich- beziehungsweise kompensierbar, sodass eine besonders stabile und fehlerunanfällige Sequenz ermöglicht wird. Als senkrecht orientierte Pulsachsen werden vorzugsweise eine X- und eine Y-Pulsachse verwendet.
Unter einer Pulsachse ist hierbei insbesondere eine Pulsrichtung in einem rotierenden Bezugssystem zu verstehen, das bedeutet eine Phasenlage, entlang welcher ein Frequenz- beziehungsweise Hochfrequenzpuls ausgeübt beziehungsweise eingewirkt wird. Ein Hochfrequenzpuls entlang einer X-Pulsachse ist hierbei insbesondere ein Hochfrequenzpuls, welcher im rotierenden Bezugssystem eine Phasenlage von 0° aufweist. Entsprechend ist ein Hochfrequenzpuls entlang einer Y-Pulsachse insbesondere ein Hochfrequenzpuls, welcher hierzu im rotierenden Bezugssystem eine (relative) Phasenlage von 90° aufweist. Die Z-Pulsachse ist hierbei im Wesentlichen stets entlang des Magnetfeldes orientiert. Mit anderen Worten bestimmt der erste Hochfrequenzpuls der Sequenz im Wesentlichen die (relative) Phasenlage und somit Pulsrichtung der nachfolgenden Hochfrequenzpulse.
Die Sequenz weist in dieser Ausgestaltung als Anfangspuls einen Hochfrequenzpuls mit 90°-Flipwinkel entlang einer ersten Pulsachse, beispielsweise der Y-Pulsachse, auf, mittels welchem ein Superpositionszustand des Detektionsspinmoment erzeugt wird. Die Sequenz weist am Ende einen Endpuls in Form eines Hochfrequenzpuls mit 90°-Flipwinkel entlang einer, senkrecht zur ersten Pulsachse (Y) orientierten, zweiten Pulsachse, beispielsweise einer -X-Pulsachse, auf. Durch den Endpuls wird der Superpositionszustand am Ende der Sequenz in einen Besetzungszustand der Spin- beziehungsweise Energieniveaus des Detektionsspinmoments umgesetzt, welche anschließend als Detektionsergebnis detektierbar oder messbar sind.
Zwischen dem Anfangspuls und dem Endpuls ist eine Anzahl von Hochfrequenzpulsen mit 180°-Flipwinkel angeordnet. Die Hochfrequenzpulse weisen hierbei untereinander geeigneterweise jeweils einen gleichen Pulsabstand, also einen gleichen zeitlichen Abstand zwischen den Pulsen, auf. Die Hochfrequenzpulse werden hierbei nach Art einer XY-Entkopplungssequenz entlang zweier zueinander senkrecht orientierter Pulsachsen, entlang der X- und Y-Pulsachse, erzeugt. Die Hochfrequenzpulse mit 180° -Flipwinkel bewirken hierbei die Filterwirkung der Sequenz, wobei der Pulsabstand zwischen Hochfrequenzpulsen mit 180°-Flipwinkel an die Larmorfrequenz der Kernspinmomente angepasst ist. Der Pulsabstand ist hierbei insbesondere gleich dem Inversen der doppelten Larmorfrequenz der Kernspinmomente, das bedeutet, dass nach jeder halben Periodendauer der Larmorpräzession der Kernspinmomente beziehungsweise der Transversal-Magnetisierung ein Hochfrequenzpuls auf das Detektionsspinmoment eingestrahlt wird.
Während der Sequenz wirkt neben der Transversal-Magnetisierung auch die stets vorhandene statistische Magnetisierung im Detektionsbereich auf den Superpositionszustand des Detektionspinmoments ein. Der Signalbeitrag der statistischen Magnetisierung führt hierbei zu einer Verschlechterung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses und/oder zu einer Verbreiterung der spektralen Linien im Kernspinresonanz-Spektrum der Transversal-Magnetisierung. Durch die orthogonale Ausrichtung des Endpulses zum Anfangspuls wird hierbei sichergestellt, dass der Signalbeitrag der statistischen Magnetisierung bei der gemeinsamen Auswertung der Detektionsergebnisse im Auswerteschritt zuverlässig herausgemittelt, also reduziert oder vollständig entfernt, wird. Dadurch wird die spektrale Auflösung des erzeugten Kernspinresonanz-Spektrums verbessert.
In einer zweckmäßigen Ausführung werden im Auswerteschritt die Detektionsergebnisse der Listen über die Wiederholungen hinweg Punkt-für-Punkt zu Detektionsergebnissen einer resultierenden Ergebnisliste summiert oder gemittelt. Die Summierung oder Mittelung der Listen der sequentiellen Wiederholungen bewirkt einerseits eine Herausmittelung des Signalbeitrags der statistischen Magnetisierung, sodass in der Ergebnisliste im Wesentlichen lediglich das Signal der Transversalen-Magnetisierung vorhanden ist. Des Weiteren wird insbesondere durch die Summierung effektiv der Sammel- oder Kollektorwirkungsgrad (collection efficiency) jedes einzelnen Detektionsergebnisses verbessert, wodurch die Auswertung der Ergebnisliste vereinfacht wird. Durch die Summierung wird der statistische (Mess-)Prozess beim Erfassen des Signals im Detektionsschritt von einem Poisson oder Bernoulli verteilten Prozess effektiv einem binominal verteilten Prozess angenähert, wodurch die Auswertung weiter vereinfacht wird.
In einer denkbaren Weiterbildung werden die Detektionsergebnisse der Ergebnisliste im Auswerteschritt autokorreliert und anschließend fouriertransformiert. Die Autokorrelation beschreibt die Korrelation der Listeneinträge, also der Detektionsergebnisse, mit sich selbst zu einem früheren Zeitpunkt. Mit der Autokorrelation ist es somit möglich, Zusammenhänge zwischen den beobachteten Detektionsergebnissen zu verschiedenen Beobachtungszeitpunkten einer Liste (Messreihe) festzustellen. Die Beobachtungszeitpunkte sind hierbei aufgrund der Synchronisation für die unterschiedlichen Listen stets gleich. Durch die Autokorrelation wird somit sichergestellt, dass der Signalbeitrag der statistischen Magnetisierung zuverlässig aus dem Signal der Transversal-Magnetisierung entfernt wird. Dadurch wird insbesondere bei niedrigen Anzahlen von Wiederholungen die Signalqualität der Ergebnisliste verbessert. Das resultierende Signal, welches durch die Detektionsergebnisse der Ergebnisliste gebildet wird, entspricht im Wesentlichen der gedämpften Schwingung des Kernspinresonanz-Signals der Transversal-Magnetisierung. Durch Fouriertransformation dieses Signals ist in einfacher Art und Weise ein besonders geeignetes und hochaufgelöstes Kernspinresonanz-Spektrum erzeugbar.
In einer alternativen Weiterbildung werden die Detektionsergebnisse der Ergebnisliste im Auswerteschritt mittels einer bayesschen Inferenz ausgewertet. Dies bedeutet, dass ein Wahrscheinlichkeitsmodell an die Detektionsergebnisse der Ergebnisse derart angepasst wird, dass eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Parameter des Modells erzeugt wird. Anhand dieser Wahrscheinlichkeitsverteilungen ist anschließend das Kernspinresonanz-Spektrum erzeugbar. Dadurch ist eine besonders geeignete Erzeugung des Kernspinresonanz-Spektrums ermöglicht.
In einer geeigneten Weiterbildungsform berücksichtigt das Wahrscheinlichkeitsmodell zur bayesschen Inferenz das oszillierende Signal der Transversal-Magnetisierung und die Photonenemission des Detektorspinmoments sowie den zur Erzeugung der Detektionsergebnisse der Listen verwendeten Messvorgang. Ein derartiges Modell zur Auswertung der Ergebnisliste ermöglicht eine wesentliche Verbesserung der Effizienz des Auswerteschritts, wodurch das Kernspinresonanz-Spektrum schneller und zuverlässiger erzeugbar ist. Dadurch wird die Sensitivität des Verfahrens verbessert, wodurch Kernspinresonanz-Spektren Probenkonzentrationen im mikromolaren Konzentrationsbereich erzeugbar sind.
Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Detektionsschritte an mehreren Detektionsspinmomenten gleichzeitig durchgeführt werden. Durch den Polarisations- und Transferschritt ist sichergestellt, dass während der Detektionsschritte der Wiederholungen im Wesentlichen stets eine gleiche Transversal-Magnetisierung mit gleicher Anfangsphase in allen Detektionsbereichen jedes Detektionsspinmoments vorhanden ist. Somit ist es beispielsweise mittels einer Weitfelderfassung (widefield detection) möglich, die Detektionsschritte an mehreren Detektionsspinmomenten gleichzeitig, also parallel, durchzuführen. Insbesondere ist es hierbei beispielsweise denkbar, lediglich eine Wiederholung der Polarisations-, Transfer- und Detektionsschritte durchzuführen, und im Auswerteschritt die der Anzahl der Detektionsspinmomente entsprechende Anzahl von Listen zur Erzeugung des Kernspinresonanz-Spektrums auszuwerten. Dadurch wird ebenfalls der Signalbeitrag der statistischen Magnetisierung reduziert oder vollständig entfernt. Somit ist eine besonders schnelle und zuverlässige Erzeugung des Kernspinresonanz-Spektrums gewährleistet. Des Weiteren ist es somit möglich, auch Transversal-Magnetisierungen mit einer vergleichsweise kleinen Amplitude zuverlässig zu erfassen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Erzeugen eines Kernspinresonanz-Spektrums von Kernspinmomenten einer Probe geeignet und eingerichtet. Hierzu weist die Vorrichtung einen Magneten zur Erzeugung eines statischen Magnetfelds und einen Festkörper mit mindestens einem integrierten Detektionsspinmoment auf. Der Festkörper ist hierbei derart in einen Kontakt mit der Probe gebracht, dass der Detektionsbereich des oder jedes Detektionsspinmoments in die Probe hineinragt. Die Vorrichtung weist weiterhin Antennenelement auf, welches beispielsweise getrennte Sendeelemente für die Frequenz- und die Hochfrequenzpulse aufweist. Weiterhin ist geeigneterweise ein Sensorelement, beispielsweise ein Photonenzähler beziehungsweise einen Photonendetektor, zur Erfassung der Signale während des Detektionsschritts vorgesehen.
Die Vorrichtung ist zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet und eingerichtet. Zu diesem Zwecke weist die Vorrichtung einen Controller (Steuergerät) auf, welcher hierbei allgemein - programm- und/oder schaltungstechnisch - zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, das Antennenelement und das Sensorelement mittels eines integrierten lokalen Oszillator derart synchronisiert anzusteuern, sodass die (Takt-)Frequenz des Oszillators mit der detektierten (Larmor-)Frequenz des Signals effektiv gemischt und als ein moduliertes Detektionsergebnis erfasst wird. Der Controller ist weiterhin dazu geeignet das modulierte Detektionsergebnis des Sensorelements in einem Speicher in einer Liste zu hinterlegen und mehrere hinterlegte Listen zur Erzeugung des Kernspinresonanz-Spektrums im Auswerteschritt gemeinsam auszuwerten.
In einer denkbaren Ausführungsform ist der Controller zumindest im Kern durch jeweils einen Mikrocontroller mit einem Prozessor und einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, so dass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Vorrichtungsbenutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Mikrocontroller automatisch durchgeführt wird.
Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch nichtprogrammierbare Bauteile, zum Beispiel anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreise (ASICs), gebildet sein, in denen die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Diamant als Festkörper vorgesehen, welcher eine oberflächennahe Schicht einer Anzahl von „flachen“ NV-Zentren (Manipulationsspinmomente) zur (Hyper-)Polarisierung der Kernspinmomente und eine tiefere Schicht mit einem oder mehreren „tiefen“ NV-Zentren (Detektionsspinmomente) zur Detektion aufweist. Dadurch ist ein kombiniertes Polarisations- und Detektionssystem gebildet.
Die flachen NV-Zentren weisen hierbei geeigneterweise einen Abstand von wenigen Nanometern, insbesondere weniger als 20 nm, zur (Diamant-)Oberfläche auf. Durch den geringen Abstand weisen die Elektronenspinmomente der flachen NV-Zentren eine starke Wechselwirkung mit den Kernspinmomenten der Probe auf. Die flache Schicht wirkt als Polarisationsschicht zur (Hyper-)Polarisierung der Probe. Hierzu werden die flachen NV-Zentren während des Polarisationsschritts mit (Laser-)Licht bestrahlt und somit deren Elektronenspinmomente optisch im Wesentlichen vollständig polarisiert. Diese Polarisation wird anschließend im Polarisationsschritt beispielsweise mittels einer Polarisationssequenz mit einer Anzahl von Hochfrequenzpulsen auf die Kernspinmomente übertragen.
Die Elektronenspinmomente der tiefen NV-Zentren werden anschließend im Detektionsschritt als Detektionsspinmomente verwendet. Die tiefen NV-Zentren dieser nachfolgend auch als Detektionsschicht bezeichneten Schicht weisen geeigneterweise einen geringen Abstand, insbesondere weniger 1 µm, zur Oberfläche auf. Für diese Detektionsschicht ist insbesondere die statistische Polarisierung der Kernspinmomente im Detektionsbereich größer als ihre thermische Polarisierung, weshalb Hyperpolarisation besonders vorteilhaft für die Erzeugung des Kernspinresonanz-Spektrums ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das oder jedes Detektionsspinmoment im Bereich einer in den Festkörper eingebrachten Nanostrukturierung angeordnet. Die Nanostrukturierung weist vorzugsweise eine einfache Geometrie auf. Insbesondere sind hierbei sogenannte Nanoslits, also längliche, spaltartige Aussparungen, in der Oberfläche des Festkörpers möglich. Durch die einfache Geometrie ist die Nanostrukturierung einfach und aufwandsarm herstellbar. Vorzugsweise ist hierbei eine Anordnung beziehungsweise ein Array von Nanoslits vorgesehen. Dadurch wird die Oberfläche des Festkörpers - und somit die Kontaktfläche zur Probe - wesentlich erhöht. Dies überträgt sich in der Folge insbesondere vorteilhaft auf den Polarisationsschritt, da somit die Wechselwirkungsfläche zwischen den flachen NV-Zentren und der Probe vergrößert wird.
Alternativ zur Nanostrukturierung ist es beispielsweise ebenso denkbar Nanopartikel, wie beispielsweise Nanodiamanten, als Festkörper zu verwenden, wobei in jedem Nanopartikel ein oder mehrere Detektionsspinmomente angeordnet sind. Die Nanopartikel werden hierbei in die geeigneterweise flüssige Probe gemischt. Durch die Verwendung von Nanopartikeln ist es beispielsweise möglich Kernspinresonanz-Spektren von Kernspinmomenten in einer lebenden Zelle zu erzeugen. Des Weiteren sind somit Kernspinresonanz-Untersuchungen auf nanoskopischer Skala, wie beispielsweise chemische Reaktionen innerhalb einer Batterie, möglich.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in vereinfachten und schematisierten Darstellungen:

1 eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Kernspinresonanz-Spektrums von Kernspinmomenten einer Probe,
2a ein Detektionsspinmoment mit einem die Probe durchsetzenden Detektionsbereich in einem unpolarisierten Zustand der Probe,
2b das Detektionsspinmoment mit dem Detektionsbereich in einem vollständig polarisierten Zustand der Probe,
3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines Kernspinresonanz-Spektrums von Kernspinmomenten einer Probe,
4 ein verfahrensgemäßes Messprotokoll,
5 ein gemitteltes Kernspinresonanz-Signal für unterschiedliche Anzahlen von Wiederholungen des Messprotokolls,
6 eine gemittelte Photonendetektion für unterschiedliche Anzahlen von Wiederholungen des Messprotokolls,
7 ein gemitteltes Kernspinresonanz-Signal für 100 Wiederholungen,
8 ein Kernspinresonanz-Spektrum des Kernspinresonanz-Signal nach 7, und
9 einen Diamanten mit einer Nanostrukturierung und einer Anzahl von Detektionsspinmomenten und Polarisationsspinmomenten.

Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in der 1 dargestellte Vorrichtung 2 ist zur Erzeugung eines Kernspinresonanz-Spektrums 4 (8) von Kernspinmomenten 6 (2a, 2b) einer Probe 8 geeignet und eingerichtet. Die Vorrichtung 2 weist einen Magneten 10, mit einem Nordpol 10a und einem Südpol 10b auf, zwischen welchen im Betrieb ein homogenes Magnetfeld B erzeugt wird. Im Betrieb ist die Probe 8 zusammen mit einem Festkörper 12 ist beispielsweise in einem zwischen den Nordpol 6a und Südpol 6b freigestellten Bereich des Magneten 10 positioniert.
Die Probe 8 ist beispielsweise eine flüssige Materialprobe, welche auf die Oberfläche 14 des Festkörpers 12 aufgebracht ist. Wie in der 2a und der 2b vereinfacht und schematisch dargestellt weist die Probe 8 eine Anzahl von Kernspinmomenten 6 auf. Die Kernspinmomente 6 sind in den 2a und 2b lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen. Der Festkörper 12 weist nahe der Oberfläche 14 mindestens ein Detektionsspinmoment 16 und mindestens ein Polarisationsspinmoment 17 auf. Das Detektionsspinmoment 16 weist einen Detektionsbereich 18 auf, welcher sich in die Probe 8 hinein erstreckt.
Der Festkörper 12 ist als ein Diamant mit einer Anzahl von in der 9 lediglich beispielhaft gezeigten Nanoslits, welche als Nanostrukturierung 19 in die Oberfläche 14 des Festkörpers 12 eingebracht sind, ausgeführt. Die Detektionsspinmoments 16 und Polarisationsspinmomente 17 sind hierbei vorzugsweise jeweils als ein Elektronenspinmoment eines Farbzentrums, insbesondere eines NV-Zentrums, ausgeführt. Das Detektionsspinmoment 16 und das Polarisationsspinmoment 17 sind mit einem Laserlicht 20 eines nicht gezeigten Lasers entlang einer Polarisierungsachse, welche in den 2a und 2b beispielhaft parallel zu dem Magnetfeld B orientiert ist, polarisierbar.
Der Festkörper 12 weist hierbei im Wesentlichen zwei Schichten 21a, 21b auf, in welchen jeweils eine Anzahl von NV-Zentren angeordnet sind (9). Die Schichten 21a, 21b weisen hierbei unterschiedliche Abstände zur Oberfläche 14 des Diamanten 12 auf.
Die nachfolgend auch als Polarisierungsschicht bezeichnete Schicht 21a weist einen kleinen Abstand zur Oberfläche 14, insbesondere etwa 20 nm, auf. In der Polarisierungsschicht 21a sind eine Anzahl von NV-Zentren angeordnet, deren Elektronenspinmomente als Polarisationsspinmomente 17 zur Hyperpolarisation der Kernspinmomente 6 der Probe 8 genutzt werden.
In der von der Polarisierungsschicht 21a beabstandet angeordneten Schicht 21b sind diejenigen NV-Zentren angeordnet, deren Elektronenspinmomente als Detektionsspinmomente 16 wirken. Die nachfolgend auch als Detektionsschicht bezeichnete Schicht 21b weist hierbei beispielsweise einen Abstand von etwa 1 µm zur Oberfläche 14 auf.
Zur Anregung und Beeinflussung der Kernspinmomente 6 der Probe 8 sowie der Detektionsspinmomente 16 und Polarisationsspinmomente 17 des Festkörpers 12 weist die Vorrichtung 2 ein Antennenelement 22 auf. Das Antennenelement 22 ist an einen Signalgenerator 24 gekoppelt. Im Betrieb ist der Signalgenerator 24 dazu geeignet und eingerichtet Frequenzpulse F und Hochfrequenzpulse H (4) mit einer bestimmten Frequenz, Pulsdauer, Pulsamplitude und Pulsphasenlage zu erzeugen. Die erzeugten Frequenzpulse F und Hochfrequenzpulse H werden mittels des Antennenelements 22 auf die Probe 8 und den Festkörper 12 eingestrahlt.
Die Frequenzpulse F weisen hierbei geeigneterweise eine Signalfrequenz auf, welche einer Larmorfrequenz der Kernspinmomente 6 im Magnetfeld B entspricht. Die Frequenzpulse F weisen hierbei beispielsweise eine Signalfrequenz im Radiofrequenzbereich, insbesondere in einem kHz- bis MHz-Bereich, auf. Die Hochfrequenzpulse H weisen entsprechend geeigneterweise eine der Larmorfrequenz des Detektionsspinmoments 16 beziehungsweise der Polarisationsspinmomente 17 entsprechende Signalfrequenz auf, sodass eine resonante, insbesondere kohärente, Manipulation und Beeinflussung des Detektionsspinmoments 16 bewirkt wird. Die Signalfrequenz der Hochfrequenzpulse H ist hierbei vorzugsweise im Mikrowellenbereich, insbesondere in einem MHz- bis GHz-Bereich. Die Larmorfrequenzen der Kernspinmomente 6 und des Detektionsspinmoments 16 sind hierbei geeigneterweise voneinander unterschiedlich, sodass bei einer Bestrahlung die Frequenzpulse F lediglich auf die Kernspinmomente 6 der Probe 8 und die Hochfrequenzpulse H lediglich auf das Detektionsspinmoment 16 beeinflussend einwirken.
Die Vorrichtung 2 weist ein Sensorelement 26, insbesondere eine Lawinenphotodiode, auf, welches signaltechnisch an einen Controller 28 geführt ist. Der Controller 28 und der Signalgenerator 24 sind an einen lokalen Oszillator 30, beispielsweise einen Quarzkristall, gekoppelt. Der Oszillator 30 erzeugt eine Taktfrequenz f_LO , mittels welcher der Controller 28 und/oder der Signalgenerator 24 gemeinsam synchronisiert betrieben werden.
In der 2a sind schematisch und vereinfacht der Festkörper 12 und die Probe 8 gezeigt. Die Kernspinmomente 6 sind hierbei beispielsweise Teil eines jeweiligen Moleküls, welches in der Probe 8 (molekular) diffundiert. Das Detektionsspinmoment 16 ist nahe der Oberfläche 14, insbesondere weniger als 1 µm unter der Oberfläche 14, innerhalb der Detektionsschicht 21b angeordnet. Die Polarisationsschicht 21a mit den zur Hyperpolarisierung geeigneten Polarisationsspinmomenten 17 ist in den 2a und 2b nicht gezeigt.
Die Kernspinmomente 6 weisen im Detektionsbereich 18 eine statistische Magnetisierung M_stat , also eine zufällige Nettoausrichtung der Kernspinmomente 6 auf. Die Magnetisierung M_stat larmorpräzidiert um das Magnetfeld B und erzeugt somit ein magnetisches Wechselfeld als (Kernspinresonanz-)Signal 32, welches mittels des Detektionsspinmoments 16 detektierbar ist.
Die Magnetisierung M_stat weist aufgrund der im Wesentlichen zufällig orientierten Kernspinmomente 6 hierbei eine zufällige (Netto-)Phase auf. Aufgrund der molekularen Diffusion, welche in den Figuren beispielhaft mit gekrümmten Pfeilen dargestellt ist, diffundieren während einer Korrelationszeit Kernspinmomente 6 aus dem Detektionsbereich 18 hinaus und/oder hinein. Dadurch wird die Amplitude und Phase der Magnetisierung M_stat zufällig geändert, wodurch das Signal 32 beeinflusst wird. Dies erschwert die Erzeugung eines spektral hochaufgelösten Kernspinresonanz-Spektrums.
In der 3 ist ein Verfahren zur Erzeugung des Kernspinresonanz-Spektrums 4 gezeigt.
Das Verfahren wird in einem ersten Verfahrensschritt 34 gestartet und in einem darauffolgenden Verfahrensschritt 36 ein Zählwert n auf null gesetzt. Anschließend wird eine Messsequenz 38 gestartet.
In einem Verfahrensschritt 40 der Messsequenz 38 wird der Zählwert n um eins erhöht. In einem darauffolgenden Polarisationsschritt 42 wird zumindest ein Teil der Kernspinmomente 6 der Probe 8 entlang des Magnetfelds B zu einer Longitudinal-Magnetisierung M_z polarisiert. Die Kernspinmomente 6 werden hierbei vorzugsweise hyperpolarisiert, sodass beispielsweise mindestens 0.1 %, insbesondere mindestens 1 %, der Kernspinmomente 6 der Probe 8 gleichartig orientiert sind.
Im Polarisationsschritt 42 werden die NV-Zentren der Polarisationsschicht 21a mit dem Laserlicht 20 optisch polarisiert, das bedeutet, dass deren Elektronen- oder Polarisationsspinmomente 17 werden in einen definierten (Spin-)Zustand präpariert. Die resultierende Polarisierung der Polarisationsspinmomente 17 wird mittels einer nicht näher gezeigten Polarisationssequenz durch Bestrahlung mit einer Anzahl von Hochfrequenzpulsen H von den Polarisationsspinmomenten 17 auf die Kernspinmomente 6 transferiert. Die Teilschritte der optischen Polarisation und der anschließende Polarisationstransfer werden beispielsweise mehrmals wiederholt durchgeführt um eine höhere Polarisierung der Kernspinmomente 6 zu bewirken.
In einem nachfolgenden Transferschritt 44 des Verfahrens wird die im Polarisationsschritt 42 erzeugte Longitudinal-Magnetisierung M_z durch Einstrahlung eines Frequenzpulses F mit einem 90°-Flipwinkel in eine Transversal-Magnetisierung M_xy umgesetzt.
In einem Detektionsschritt 46 des Verfahrens wird eine Sequenz S (4) von Hochfrequenzpulsen H auf das Detektionsspinmoment 16 eingestrahlt und anschließend ein Signal 32' der im Detektionsbereich vorhandenen Transversal-Magnetisierung M_xy erfasst. Das erfasste Signal 32' wird mittels des Sensorelements 26 detektiert und als ein Detektionsergebnis 48 in einer Liste 50 in einem Speicher des Controllers 28 hinterlegt. Der Detektionsschritt 46 wird hierbei mehrmals wiederholt hintereinander durchgeführt, sodass die Liste 50 sukzessive mit aufeinanderfolgenden Detektionsergebnissen 48 gefüllt wird. Beispielhaft ist in der 3 lediglich ein Detektionsschritt 46 dargestellt.
Der Effekt des Polarisationsschritts 42 und des Transferschritts 44 ist in der 2b für eine 100%-tige Polarisierung der Kernspinmomente 6 gezeigt. Durch die Erzeugung der Longitudinal-Magnetisierung M_z und das Umsetzen in die Transversal-Magnetisierung M_xy wird sichergestellt, dass auch bei einer Diffusion der Kernspinmomente 6 im Wesentlichen keine Beeinflussung der Phase und/oder der Amplitude der Transversal-Magnetisierung M_xy bewirkt wird. Mit anderen Worten wird das detektierbare Signal 32' im Wesentlichen nicht von der Diffusion innerhalb der Probe 8 beeinflusst.
Am Ende der Messsequenz 38 wird der Zählwert n mit einer vorgegebenen oder vorgebbaren Anzahl von Wiederholungen N in einem Vergleich 52 verglichen. Bei einem negativen Vergleichsergebnis, bei welchem der Zählwert n kleiner als die gewünschten Anzahl von Wiederholungen N ist, wird die Messsequenz 38 wiederholt durchgeführt, wobei zu Beginn der Messsequenz 38 eine neue Liste 50 für die neuen Detektionsergebnisse 48 erzeugt wird.
Bei einem positiven Vergleichsergebnis des Vergleichs 52, bei welchem der Zählwert n gleich der gewünschten Anzahl an sequentiellen Wiederholungen N ist, wird die Messsequenz 38 beendet und ein Auswerteschritt 54 des Verfahrens gestartet. Im Auswerteschritt 54 werden die Detektionsergebnisse 48 der Listen 50 über alle Wiederholungen N hinweg gemeinsam ausgewertet und das Kernspinresonanz-Spektrum 4 erzeugt. Das Verfahren wird abschließend mit einem Verfahrensschritt 56 beendet.
Anhand der 4 ist nachfolgend die Messsequenz 38 näher erläutert. Der Polarisationsschritt 42 ist in der 4 nicht dargestellt. Die Darstellung der 4 weist im Wesentlichen drei Abschnitte 58, 60, 62 auf. In den Abschnitten 58 und 62 sind blockartig Frequenzpulse F und Hochfrequenzpulse H dargestellt, wobei die Pulse F, H nachfolgend mit einem tiefgestellten Index zur Beschreibung einer Pulsachse X, Y und mit einem hochgestellten Index zur Beschreibung des jeweiligen Flipwinkels (90°, 180°) versehen sind.
In Abschnitt 62 ist im Wesentlichen der Transferschritt 44 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Longitudinal-Magnetisierung M_z mittels eines Frequenzpulses F_Y ^90° , also einem Frequenzpuls F mit 90°-Flipwinkel entlang der Y-Pulsachse, in die Transversal-Magnetisierung M_xy umgesetzt. Die Transversal-Magnetisierung M_xy zerfällt hierbei während einer Relaxationszeit T. Dies bedeutet, dass das Signal 32'im Wesentlichen eine gedämpfte Schwingung mit einer Schwingungsfrequenz gleich der Larmorfrequenz der Transversal-Magnetisierung M_xy ist, wobei die Zerfallskonstante beziehungsweise Zerfallszeit gleich der Relaxationszeit T ist. Die Relaxationszeit T ist hierbei insbesondere gleich einer transversalen Relaxationszeit der Kernspinmomente 6 in der Probe 8, beispielsweise gleich einer T₂*- oder T₂ -Relaxation.
In dem Abschnitt 60 sind schematisch und vereinfacht die wiederholt durchgeführten Detektionsschritte 46 gezeigt. Die Detektionsschritte 46 umfassen hierbei im Wesentlichen die Sequenz S sowie einen Ausleseschritt 64. Im Ausleseschritt 64 erzeugt das Sensorelement 26 die Detektionsergebnisse 48. Vorzugsweise werden die Detektionsschritte 46 hierbei während der Relaxationszeit T wiederholt durchgeführt, sodass im Wesentlichen der vollständige Signalzerfall des Signals 32' erfasst wird.
In dem Abschnitt 58 ist eine beispielhafte Ausführung der Sequenzen S gezeigt. Die Sequenz S ist hierbei als eine Entkopplungssequenz, insbesondere eine XY-Entkopplungssequenz, ausgeführt. In dem Ausführungsbeispiel der 4 ist die Sequenz S insbesondere als eine XY4-Sequenz ausgeführt. Die Sequenz S weist in dieser Ausgestaltung als Anfangspuls einen Hochfrequenzpuls H_Y ^90° auf, mittels welchem das Detektionsspinmoment 16 in einen (transversalen) Superpositionszustand versetzt wird. In diesem Zustand präzidiert das Detektionsspinmoment 16 mit seiner Larmorfrequenz um das Magnetfeld B, wobei das Signal 32' aufgrund von dipolaren Wechselwirkungen auf das Detektionsspinmoment 16 einwirkt.
Um die Sensitivität des Detektionsspinmoments 16 auf das Signal 32' zu verbessern, weist die Sequenz S vier aufeinanderfolgende Hochfrequenzpulse H_X ^180° , H_Y ^180° , H_X ^180° und H_Y ^180° auf. Die Hochfrequenzpulse H_X ^180° , H_Y ^180° , H_X ^180° , H_Y ^180° sind äquidistant zueinander beabstandet und bewirken jeweils eine Refokussierung der zeitlichen Entwicklung des Detektionsspinmoments 16, wodurch die Hochfrequenzpulse H_X ^180° , H_Y ^180° , H_X ^180° , H_Y ^180° als ein effektiver Frequenzfilter für das Detektionsspinmoment 16 wirken. Die Pulsabstände zwischen den Hochfrequenzpulse H_X ^180° , H_Y ^180° , H_X ^180° , H_Y ^180° sind hierbei insbesondere gleich einer halben Larmorperiode der präzidierenden Transversal-Magnetisierung M_xy , wodurch die von dem Signal 32' zwischen den Hochfrequenzpulsen H_X ^180° , H_Y ^180° , H_X ^180° , H_Y ^180° bewirkte Phase über die Sequenz S hinweg effektiv summiert wird.
Die Sequenz S weist am Ende einen Endpuls in Form eines Hochfrequenzpuls H_-X ^90° auf. Durch den Hochfrequenzpuls H_-X ^90° wird der Superpositionszustand des Detektionsspinmoments 16 am Ende der Sequenz S in einen Besetzungszustand der Spin- beziehungsweise Energieniveaus des Detektionsspinmoments 16 umgesetzt. Die durch das Signal 32' bewirkte Phase wird hierbei in einen entsprechenden Besetzungsunterschied dieser Energieniveaus umgesetzt, welcher mittels des Ausleseschritts 64 erfasst wird.
Das Detektionsspinmoment 16 ist insbesondere ein Elektronenspinmoment eines NV-Zentrums. Im Ausleseschritt 64 wird das Detektionsspinmoment 16 mit dem, insbesondere grünen, Laserlicht 20 bestrahlt. Dadurch emittiert das Detektionsspinmoment 16 in Abhängigkeit des Besetzungszustands am Ende der Sequenz S einerseits Photonen 66 im roten Wellenlängenbereich. Andererseits wird der Zustand des Detektionsspinmoments 16 hierdurch optisch polarisiert, das bedeutet in einen Anfangszustand versetzt, sodass der darauffolgende Detektionsschritt 46 unmittelbar danach gestartet werden kann. Die emittierten Photonen 66 werden von dem Sensorelement 26 detektiert, wobei eine entsprechende Photonenanzahl oder Photonenzählrate als Detektionsergebnis 48 in der jeweiligen Liste 50 hinterlegt wird.
Durch die Taktfrequenz f_LO des Oszillators und die damit synchronisierten Controller 28 und Signalgenerator 24 werden die einzelnen Verfahrensschritte 40, 42, 44 und 52 der Messsequenz 38 synchronisiert zueinander durchgeführt. Dadurch ist das Signal 32' bei aufeinanderfolgenden Wiederholungen stets reproduzierbar messbar. Insbesondere entsprechen die wiederholt durchgeführten Detektionsschritte 46 im wesentlichen diskreten Zeitschritten an denen die zeitliche Entwicklung des Signals 32' erfasst wird. Die Detektionsergebnisse 48 werden hierbei beim Hinterlegen in der jeweiligen Liste 50 synchronisiert, also beispielsweise mit einem zusätzlichen Zeitwert versehen.
Die Listen 50 der Wiederholungen N der Messsequenz 38 werden im Auswerteschritt 54 gemeinsam ausgewertet. Der Auswerteschritt 54 ist nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele der 5 bis 8 näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele der 5 und 6 zeigen die Signalverläufe, bei welchen im Polarisationsschritt 42 etwa 0.1 % der Kernspinmomente 6 polarisiert werden. Die 7 und 8 zeigen Ausführungsbeispiele bei einer 1 %-tigen Polarisierung der Kernspinmomente 6.
Im Auswerteschritt 54 werden die Detektionsergebnisse 48 der Listen 50 über die Wiederholungen N hinweg Punkt-für-Punkt zu einer resultierenden Ergebnisliste 68 summiert. Die Einträge beziehungsweise summierten Detektionsergebnisse 48' der Ergebnisliste 68 werden anschließend autokorreliert.
Die 6 weist drei Abschnitte 70, 72, 74 auf. Die Abschnitte 70, 72, 74 zeigen jeweils die Einträge der Ergebnisliste 68 für unterschiedliche Anzahlen von Wiederholungen N auf. Entlang der jeweiligen x-Achse beziehungsweise Abszissenachse ist eine Zeit t aufgetragen, welche sich aus der Synchronisation des Oszillators 30 ergibt. Entlang der y-Achse beziehungsweise Ordinatenachse ist die jeweilige Photonenanzahl P gezeigt. Die summierten Detektionsergebnisse 48' der jeweiligen Ergebnisliste 68 sind als Punkte dargestellt.
Die 5 zeigt in drei Abschnitten 76, 78 und 80 die autokorrelierten Signaldaten der entsprechenden Ergebnislisten 68 in den Abschnitten 70, 72 und 74. Die autokorrelierten Signaldaten entsprechen hierbei im Wesentlichen dem Signal 32' der Transversal-Magnetisierung M_xy . Entlang der jeweiligen x-Achse beziehungsweise Abszissenachse ist die Zeit t aufgetragen. Entlang der y-Achse beziehungsweise Ordinatenachse ist die jeweilige Signalamplitude A gezeigt.
Der Abschnitt 70 zeigt die Detektionsergebnisse 48' einer Ergebnisliste 68 für eine einzige Wiederholung N der Messsequenz 38, das bedeutet N = 1, gezeigt. Im Abschnitt 76 sind die entsprechend autokorrelierten Signaldaten der Detektionsergebnisse 48' dargestellt. Aufgrund eines beschränkten Kollektorwirkungsgrads des Sensorelements 26 werden lediglich vereinzelt Photonen 66 während des Ausleseschritts 64 der Detektionsschritte 46 erfasst. Das autokorrelierte Signal des Abschnitts 76 weist ein entsprechend schlechtes Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf.
Durch den Polarisationsschritt 42 und den Transferschritt 44 wird sichergestellt, dass die Transversal-Magnetisierung M_xy während der Messsequenz 38 stets die gleiche Anfangsphase aufweist. Dadurch wird während den sequentiellen Wiederholungen N stets das gleiche Signal 32' gemessen, dies bedeutet dass die Detektionsergebnisse 48 der Listen 50 zu gleichen Zeitpunkten der zeitlichen Entwicklung des Signals 32' erfasst werden. Die Punkt-für-Punkt-Summierung der Detektionsergebnisse 48 zu den Detektionsergebnissen 48' bewirkt somit mit größer werdender Anzahl an Wiederholungen N ein verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Beispielhaft sind in den Abschnitten 72 und 78 die Ergebnisse einer Ergebnisliste 68 für einhundert Wiederholungen N (N = 100) und in den Abschnitten 74 und 80 die Ergebnisse einer Ergebnisliste 68 für dreihundert Wiederholungen N (N = 300) gezeigt. Die vorgegebene Anzahl von Wiederholungen N bestimmt somit die resultierende Signalqualität.
In dem Auswerteschritt 54 werden die autokorrelierten Daten der Ergebnisliste 68 fouriertransformiert. Der Absolutwert der fouriertransformierten Daten bildet hierbei das erzeugte Kernspinresonanz-Spektrum 4.
Die 7 zeigt die autokorrelierten Signaldaten einer Ergebnisliste 68 für eine 1%-tige Polarisierung der Kernspinmomente 6 und einhundert Wiederholungen N (N = 100) der Messsequenz 38 für die gesamte Relaxationszeit T. Entlang der x-Achse beziehungsweise Abszissenachse ist die Zeit t und entlang der y-Achse beziehungsweise Ordinatenachse ist die Signalamplitude A gezeigt.
Die 8 zeigt die mittels einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) erzeugten Daten der autokorrelierten Signaldaten der Ergebnisliste 68 gemäß 7. Entlang der x-Achse beziehungsweise Abszissenachse ist die Frequenz f und entlang der y-Achse beziehungsweise Ordinatenachse ist die Signalamplitude A' des erzeugten Kernspinresonanz-Spektrums 4 gezeigt.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
So ist es beispielsweise denkbar die Detektionsschritte 46 an mehreren Detektionsspinmomente 16 gleichzeitig beziehungsweise parallel, beispielsweise im Zuge einer gemeinsamen Weitfelddetektion, durchzuführen.
Des Weiteren ist es möglich, dass die Detektionsergebnisse 48' der Ergebnisliste 68 im Auswerteschritt 54 zur Erzeugung des Kernspinresonanz-Spektrums 4 mittels bayesscher Inferenz ausgewertet werden.
Bezugszeichenliste

2: Vorrichtung
4: Kernspinresonanz-Spektrum
6: Kernspinmoment
8: Probe
10: Magnet
10a: Nordpol
10b: Südpol
12: Festkörper/Diamant
14: Oberfläche
16: Detektionsspinmoment
17: Polarisationsspinmonent
18: Detektionsbereich
19: Nanostrukturierung
20: Laserlicht
21a: Schicht/Polarisationsschicht
21b: Schicht/Detektionsschicht
22: Antennenelement
24: Signalgenerator
26: Sensorelement
28: Controller
30: Oszillator
32, 32': Signal
34,36: Verfahrensschritt
38: Messsequenz
40: Verfahrensschritt
42: Polarisationsschritt
44: Transferschritt
46: Detektionsschritt
48, 48': Detektionsergebnis
50: Liste
52: Vergleich
54: Auswerteschritt
56: Verfahrensschritt
58, 60, 62: Abschnitt
64: Ausleseschritt
66: Photon
68: Ergebnisliste
70, 72, 74: Abschnitt
76, 78, 80: Abschnitt
B: Magnetfeld
F: Frequenzpuls
H: Hochfrequenzpuls
f_L0: Taktfrequenz
M_stat: Magnetisierung
n: Zählwert
M_Z: Longitudinal-Magnetisierung
M_xy: Transversal-Magnetisierung
S: Sequenz
X, Y: Pulsachse
N: Wiederholung
T: Relaxationszeit
A, A': Signalamplitude
t: Zeit
P: Photonenzahl
f: Frequenz

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Kernspinresonanz-Spektrums (4) von Kernspinmomenten (6) einer Probe (8), aufweisend ein die Probe (8) durchsetzendes statisches Magnetfeld (B) und ein Detektionsspinmoment (16) mit einem dieses umgebenden Detektionsbereich (18), welcher sich zumindest teilweise in die Probe (8) erstreckt, sowie ein Antennenelement (22) zur Einstrahlung von Frequenzpulsen (F) zur Beeinflussung der Kernspinmomente (6) und von Hochfrequenzpulsen (H) zur Beeinflussung des Detektionsspinmoments (16), - bei dem in einem Polarisationsschritt (42) zumindest ein Teil der Kernspinmomente (6) entlang des Magnetfelds (B) zu einer Longitudinal-Magnetisierung (M_z) polarisiert werden, - bei dem in einem Transferschritt (44) die Longitudinal-Magnetisierung (M_z) durch Einstrahlung eines Frequenzpulses (F) mit einem 90°-Flipwinkel in eine Transversal-Magnetisierung (M_xy) umgesetzt wird, - bei dem in einem Detektionsschritt (46) eine Sequenz (S) von Hochfrequenzpulsen (H) auf das Detektionsspinmoment (16) eingestrahlt sowie anschließend ein Signal (32') der im Detektionsbereich (18) vorhandenen Transversal-Magnetisierung (M_xy) erfasst und als Detektionsergebnis (48) in einer Liste (50) hinterlegt wird, wobei der Detektionsschritt mehrmals wiederholt hintereinander durchgeführt wird, - wobei der Polarisationsschritt (42) und der Transferschritt (44) sowie die Detektionsschritte (46) wiederholt durchgeführt werden, bis eine vorgegebene Anzahl von Wiederholungen (N) erreicht wird, - wobei mit jeder Wiederholung (N) eine neue Liste (50) mit Detektionsergebnissen (48) erzeugt wird, und - wobei in einem Auswerteschritt (54) die Detektionsergebnisse (48) der Listen (50) über alle Wiederholungen (N) hinweg gemeinsam ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsspinmoment (16) durch ein Elektronenspinmoment eines Farbzentrums eines mit der Probe (8) in Kontakt stehenden Festkörpers (12), insbesondere eines Stickstofffehlstellen-Zentrums eines Diamanten, gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernspinmomente (16) in dem Polarisationsschritt (42) zur Bildung der Longitudinal-Magnetisierung (M_z) hyperpolarisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernspinmomente (16) mit Polarisationsspinmomenten (17) des Festkörpers (12) hyperpolarisiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sequenz (S) als eine Entkopplungssequenz für das Detektionsspinmoment (16) erzeugt wird, wobei die Sequenz (S) einen Hochfrequenzpuls (H_Y ^90°) mit 90°-Flipwinkel entlang einer ersten Pulsachse (Y) und mit einem Hochfrequenzpuls (H_-X ^90°) mit 90°-Flipwinkel entlang einer zweiten, senkrecht zur ersten Pulsachse (Y) orientierten Pulsachse (-X) sowie eine dazwischen angeordnete Anzahl von Hochfrequenzpulsen (H_X ^180°, H_Y ^180°, H_X ^180°, H_Y ^180°) mit 180°-Flipwinkel entlang zweier zueinander senkrecht orientierter Pulsachsen (X, Y) aufweist, und wobei der Pulsabstand zwischen den Hochfrequenzpulsen (H_X ^180°, H_Y ^180°, H_X ^180°, H_Y ^180°) an eine Präzessionsfrequenz der Kernspinmomente (6) im Magnetfeld (B) angepasst ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch, dass im Auswerteschritt (54) die Detektionsergebnisse (48) der Listen (50) über die Wiederholungen hinweg Punkt-für-Punkt zu Detektionsergebnissen (48') einer resultierenden Ergebnisliste (68) summiert oder gemittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch, dass im Auswerteschritt (54) die Detektionsergebnisse (48') der Ergebnisliste (68) autokorreliert und anschließend fouriertransformiert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch, dass im Auswerteschritt (54) die Detektionsergebnisse (48') der Ergebnisliste (68) mittels einer bayesschen Inferenz ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch, dass die Detektionsschritte (46) an mehreren Detektionsspinmomenten (16) gleichzeitig durchgeführt werden.
Vorrichtung (2) zum Erzeugen eines Kernspinresonanz-Spektrums (4) von Kernspinmomenten (6) einer Probe (8), aufweisend einen Magneten (10) zur Erzeugung eines statischen Magnetfelds (B) und einen Festkörper (12) mit mindestens einem integrierten Detektionsspinmoment (16) sowie einem Antennenelement (22) und einen Controller (28) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
Vorrichtung (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Detektionsspinmoment (16) im Bereich einer in den Festkörper (12) eingebrachten Nanostrukturierung (19), insbesondere einem Nanoslit, angeordnet ist.