Abstract:
Die Kernspinresonanz (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) ist eine nichtinvasive und zerstörungsfreie analytische Methode, die durch Anregung mit Radiofrequenz-(RF-)Feldern Einblicke in Molekülstrukturen und -dynamiken auf atomarer Ebene ermöglicht. Allerdings leidet die NMR grundsätzlich unter einer geringen Empfindlichkeit, sodass häufig große Probenvolumina oder teure Hochfeldmagnete erforderlich sind, um messbare Signale zu erhalten. Mikrospulen haben daher große Aufmerksamkeit erlangt, da sie die Massensensitivität deutlich verbessern und die Analyse von volumenbegrenzten Proben ermöglichen. ... mehrIm Allgemeinen ist die Massensensitivität umgekehrt proportional zur Spulendimension. Gleichzeitig ist die verfügbare Probenmenge häufig begrenzt, beispielsweise bei biologischem Gewebe, entweder aufgrund hoher Präparationskosten oder eingeschränkter Verfügbarkeit. In solchen Fällen bieten Mikrospulen einen hohen Füllfaktor und damit ein höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise Ratio, SNR). Trotz dieser Fortschritte besteht ein wachsender Bedarf an vielseitigen Detektoren, die einen breitbandigen, multinuklearen Betrieb ohne komplexe und zeitaufwändige Hardwareanpassungen ermöglichen. Diese Dissertation stellt zwei neuartige Ansätze zur breitbandigen mikro-skaligen NMR-Detektion vor und untersucht diese.
Im ersten Teil der Arbeit werden zwei verbreitete Geometrien breitbandiger Mikro-NMR-Spulen betrachtet, nämlich die Stripline und die Lenzlinsenspule, und eine kombinierte Struktur vorgeschlagen, die als Stripline-Lenzlinse (S3L) bezeichnet wird. Dieses Design vereint die wesentlichen Vorteile beider Geometrien: die hohe lokale RF-Feldstärke der Stripline und die magnetische Flusskonzentration der Lenzlinse. Als nichtresonanter, induktiv gekoppelter Interposer erzeugt die Struktur ein relativ homogenes RF-Feld und erreicht eine elffache Signalverstärkung bei Kopplung mit einer kommerziellen 10 mm-Spule. Die Miniaturisierung bringt jedoch auch Herausforderungen mit sich, etwa Suszeptibilitätsunterschiede zwischen verschiedenen Materialien sowie eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Maßabweichungen, die das Magnetfeld verschlechtern können. Zur Bewältigung dieser Probleme wurden umfangreiche Simulationsstudien durchgeführt, um zentrale NMR-Leistungsparameter zu optimieren. Aufbauend auf früheren Arbeiten zu glasbasierten Mikro-NMR-Spulen wurde ein vollständiger Mikrostrukturierungsprozess für einen sandwichartigen NMR-Chip mit integriertem Mikrofluidikkanal entwickelt. Dennoch erfordert dieser passive Interposer weiterhin eine resonante Anregungsspule, und konventionelle Substrate wie Glas bleiben mechanisch fragil und schwierig zu verarbeiten, insbesondere für komplexe Spulenstrukturen und integrierte Mikrofluidik.
Der zweite Ansatz führt eine bislang wenig genutzte Technologie in NMR-Anwendungen ein, Low-Temperature Cofired Ceramic (LTCC), um diese Einschränkungen zu überwinden. In dieser Arbeit wurde eine planare Spiralgeometrie, ein bekannter Kandidat für breitbandige Mikro-NMR-Detektion, auf einem LTCC-Substrat realisiert. Es wurde eine robuste zweikanalige Mikrospule mit einer Split-Spiral-Konfiguration entwickelt, die die Empfindlichkeit sowohl für Kerne mit hohem gyromagnetischen Verhältnis (hohes $\gamma$, z. B. $^1H$) als auch für Kerne mit niedrigem $\gamma$ (z. B. $^{13}C$) in einer vollständig ungetunten und nicht angepassten Konfiguration optimiert. Ähnlich wie beim ersten Design unterstützt dieser Detektor einen breitbandigen Betrieb im Frequenzbereich von etwa 100 MHz bis 500 MHz.
Zusammenfassend präsentiert diese Dissertation ein umfassendes Konzept für das Design und die Herstellung kosteneffizienter, leistungsfähiger breitbandiger Mikro-NMR-Detektoren. Durch die Abkehr von konventioneller resonanter Hardware hin zu passiven Interposern mit hoher Verstärkung sowie mechanisch robusten keramischen Substraten vereinfacht diese Arbeit den experimentellen NMR-Arbeitsablauf und stellt eine vielseitige Plattform für multinukleare Untersuchungen bereit.
Abstract (englisch):
Nuclear magnetic resonance (NMR) is a non-invasive and non-destructive analytical technique that provides atomic-level insights into molecular structures and dynamics through radio-frequency (RF) excitation. However, NMR inherently suffers from low sensitivity, often requiring large sample volumes or expensive high-field magnets to obtain measurable signals. Micro coils have therefore attracted considerable attention, as they significantly improve mass sensitivity and enable the analysis of volume-limited samples. In general, mass sensitivity is inversely related to the coil dimension. ... mehrAt the same time, the available sample quantity is often limited, for example, biological tissues, either because of high preparation costs or limited availability. In such situations, micro coils offer a high filling factor, and consequently a higher signal-to-noise ratio (SNR). Despite these advances, there is an increasing demand for versatile detectors capable of broadband, multinuclear operation without complex and time-consuming hardware adjustments. This thesis introduces and investigates two novel approaches to broadband micro-scale NMR detection.
The first part of the work reviews two common broadband micro NMR coil geometries, namely the stripline and the Lenz lens coil, and proposes a combined structure termed the stripline Lenz lens (S3L). This design integrates the main advantages of both geometries: the high local RF field strength of the stripline and the magnetic flux concentration provided by the Lenz lens. As a non-resonant, inductively coupled interposer, the device produces a relatively uniform RF field and achieves an 11-fold signal enhancement when coupled to a 10 mm commercial coil. Miniaturization, however, also introduces the challenges such as susceptibility mismatches between different materials and increased sensitivity to dimensional deviations that can degrade the magnetic field. To address these issues, extensive simulation studies were performed to optimize key NMR performance metrics. Building on previous work on glass-based micro NMR coils, a complete microfabrication process was developed for a sandwiched NMR chip incorporating a microfluidic channel. Nevertheless, this passive interposer still requires a resonant excitation coil, and conventional substrates such as glass remain mechanically fragile and difficult to process for complex coil structures and integrated microfluidics.
The second approach introduces a less explored technology in NMR applications, low-temperature cofired ceramic (LTCC), to address these limitations. In this work, a planar spiral geometry, a well-known candidate for broadband micro NMR detection, was implemented on an LTCC substrate. A robust dual-channel micro coil was developed using a split-spiral configuration, optimizing sensitivity for both high-$\gamma$ nuclei ($^1H$) and low-$\gamma$ nuclei (e.g., $^{13}C$) in a completely untuned and unmatched configuration. Similar to the first design, this detector supports broadband operation over a frequency range of approximately 100 MHz to 500 MHz.
In summary, this thesis presents a comprehensive framework for the design and fabrication of cost-effective, high-performance broadband micro NMR detectors. By moving away from conventional resonant hardware toward passive, high-gain interposers and mechanically robust ceramic substrates, this work simplifies the NMR experimental workflow and provides a versatile tool for multinuclear studies.
