Die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) wird in vielen wissenschaftlichen Disziplinen zur Untersuchung der Eigenschaften organischer Moleküle eingesetzt. Auf nicht-destruktive Weise lassen sich die inhärenten magnetischen Eigenschaften von Atomkernen untersuchen und so die Struktur, Identität, Konzentration und das Verhalten von Molekülen in festen oder flüssigen Proben aufdecken. NMR-Spektrometer reagieren empfindlich auf Störeinflüsse aus der Umgebung, insbesondere auf Schwingungen des Gebäudebodens. In der Vergangenheit wurden NMR-Spektrometer in Kellern oder im Erdgeschoss von Gebäuden mit festem Fundament installiert, die ein ausreichend niedriges Schwingungsniveau des Fußbodens gewährleisteten. Forschungseinrichtungen werden jedoch immer häufiger in höheren Stockwerken von Gebäuden in städtischer Umgebung untergebracht, wo Schwingungen ein Problem darstellen. Zu den externen Schwingungsquellen zählen Straßenverkehr, Bauarbeiten, Wind, U-Bahn und Straßenbahnen. Zu den Schwingungsquellen innerhalb von Gebäuden zählen Klimaanlagen, Aufzüge, Maschinen und menschliche Aktivitäten. Forschungsgeräte werden oft gemietet und können nicht so angepasst werden, dass die Bodenschwingungen des Gebäudes reduziert werden.
Hochempfindliche Geräte, darunter NMR-Geräte, werden an Orten mit höheren Bodenvibrationen installiert, was zu falschen oder durch Artefakte verursachten Peaks in den NMR-Spektren führt. Artefakte und falsche Peaks können zu ungenauen Analysen und Fehlinformationen führen, was im Wesentlichen die Empfindlichkeit des Geräts und den Nutzen der Spektrenauswertungen einschränkt.
Bruker Biospin ist ein führender Hersteller von NMR-Spektrometern und unterstützt seit vielen Jahrzehnten bahnbrechende Forschung und Entwicklung in den Naturwissenschaften und anderen Branchen. Das Unternehmen TMC hat sich mit Bruker Biospin für ein anspruchsvolles Projekt zusammengetan, bei dem starke Schwingungen im zweiten Stock eines globalen Petrochemieunternehmens gemessen wurden, das Ascend-NMR-Magnete mit Frequenzen von 500 MHz und 700 MHz erworben hatte. TMC führte eine Untersuchung der Bodenvibrationen an den Standorten der NMR-Geräte durch. Das untenstehende Spektrum zeigt die Schwingungspegel des Fußbodens in der energetischen Spektraldichte von 0,5 Hz bis 200 Hz, gemessen mit einer Data Physics Quattro-Datenerfassungskarte und Wilcoxon Research 731A-Beschleunigungssensoren mit externen Verstärkern. Diese Daten zeigen die vertikalen Bodenvibrationspegel, die Vibrationspegel auf der Plattform, die durch das piezoelektrische Schwingungsdämpfungssystem STACIS 4® von TMC mit FloorSense™ sowie die Bruker BioSpin-Kriterien für zulässige Schwingungsamplituden des 700-MHz-Magneten, der bereits mit fortschrittlichen pneumatischen passiven Isolatoren ausgestattet ist, die in die Magnetsäulen integriert sind. Die Schwingungspegel des Fußbodens überschreiten die Bruker BioSpin-Kriterien im Bereich von 1 bis 30 Hz deutlich. Bemerkenswert ist, dass bereits bei 1,6 Hz eine 20-fache Dämpfung erreicht wurde, wodurch die Schwingungspegel wieder innerhalb der Spezifikation lagen und die Fähigkeit des STACIS 4®-Systems mit FloorSense™ unter Beweis gestellt wurde, die Bodenschwingungen drastisch zu reduzieren.
Diese speziellen NMR-Magnete sind mit pneumatischen TMC MaxDamp-Isolatoren ausgestattet, die in die den Kryostaten tragenden Magnetsäulen integriert sind, wie auf dem Foto unten zu sehen ist. Die Kombination aus der aktiven STACIS®-Plattform und dem passiven pneumatischen Schwingungsdämpfungssystem, die in Reihe geschaltet sind, sorgt für eine drastische Reduzierung der Schwingungen. Beide Dämpfungssysteme sind miteinander kompatibel und ergänzen sich gegenseitig. Die kombinierte Schwingungsdämpfung ergibt sich aus der Summe der Dämpfungswerte beider Dämpfungssysteme.
In derselben Anlage mit anspruchsvoller Schwingungsumgebung wurde ein 2D-COSY-Experiment (korrelierte Spektroskopie) am gleichen 700-MHz-Bruker-NMR-Gerät durchgeführt, wobei STACIS® und die pneumatischen MaxDamp®-Isolatoren ein- und ausgeschaltet wurden. Aus den unten aufgeführten Spektraldaten geht hervor, dass die Kombination aus aktivem STACIS® und passiven pneumatischen Isolatoren eine höhere Auflösung ermöglicht, als wenn das NMR-Gerät über keine Schwingungsisolierung verfügen würde.
Auch im ¹H-Spektrum, aufgenommen mit einem 700-MHz-NMR-Gerät, lässt sich der Einfluss von Schwingungen beobachten. Im unten dargestellten Spektrum von CHCl₃, einem in der organischen Chemie häufig verwendeten Lösungsmittel, treten durch Rauschen verursachte Artefaktpeaks in der roten Kurve auf, werden jedoch durch Gimbal®-Pneumatikisolatoren minimiert (blaue Kurve) und nach Aktivierung von STACIS praktisch eliminiert (grüne Kurve).
Wenn Bodenvibrationen in einem Gebäude die Leistung hochempfindlicher wissenschaftlicher Geräte beeinträchtigen, können aktive und/oder pneumatische TMC-Isolatoren eingesetzt werden, um die Bodenvibrationen wieder auf ein akzeptables Maß zu bringen. Die in einem weltweit tätigen Petrochemieunternehmen gemessenen Schwingungen hätten ohne den Einsatz von STACIS®4 mit FloorSense™ und den pneumatischen MaxDamp® Piston-Isolatoren die weitere Forschung mit NMR-Geräten von Bruker BioSpin verhindert.
Dieser Artikel ist eine Übersetzung des Originaltextes „Vibration Isolation for Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy“, der auf der Website techmfg.com veröffentlicht wurde.
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