Ein Shim ist ein Gerät, das zur Einstellung der Homogenität eines Magnetfeldes verwendet wird. Shimming ist ein Prozess, der durchgeführt wird, um Inhomogenitäten im angelegten Magnetfeld während eines Kernspinresonanz (NMR)-Experiments zu korrigieren.

Die Inhomogenitäten können aus zwei Hauptquellen stammen:

• Variationen im angelegten Feld aufgrund von Unvollkommenheiten im Hauptmagneten oder vom Hauptmagneten ausgehend
• Schwankungen im Hauptmagnetfeld aufgrund der Anwesenheit von Probe und Sonde im Feld

Warum Shim?

In der NMR-Spektroskopie versucht der Analytiker, die bestmögliche Auflösung mit den schmalsten Linien in den Spektren zu erreichen. Das Signal einer Probe ist relativ klein, so dass der Analytiker alle verfügbaren Techniken einsetzen muss, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen; die Erhöhung der Signalleistung und die Verringerung des Rauschens im System helfen, dieses Ziel zu erreichen. Die Abstimmung der Sonde verringert das Rauschen im System.

Um das am Detektor ankommende Signal zu erhöhen, besteht eine einfache Technik darin, das Ausgangssignal der Probe zu erhöhen. Wenn man die Anzahl der Kerne mit der gleichen Spinfrequenz, der Larmor-Frequenz, erhöht, wird das von der Probe erzeugte Signal verstärkt. Die Kerne drehen sich mit einer Frequenz, die durch das Magnetfeld bestimmt wird; folglich bedeutet ein gleichmäßiges Magnetfeld an der Probe, dass mehr Kerne die gleiche Spinfrequenz haben.

Um ein hochauflösendes Spektrum zu erhalten, muss das Magnetfeld über die Probe hinweg homogen sein (1:109). Dies erlaubt eine Variation von 0,3 Hz bei 300 MHz, einer typischen Spinfrequenz in der Protonen-NMR. Ein Magnet, der das in der NMR verwendete Hauptfeld erzeugt, könnte nur bis zu 1 Teil in 106 homogen sein. Shimming erhöht die Gleichförmigkeit des Magnetfelds.

Shimming

Mitte des neunzehnten Jahrhunderts wurde das Wort Shim für einen dünnen Keil verwendet, der eingefügt wurde, um Teile zusammenzufügen oder auszurichten. Als die ersten NMR-Spektrometer entwickelt wurden, wurde das Magnetfeld mit Eisenmagneten erzeugt. Um das Feld homogener zu machen, wurden Metallplättchen verwendet, um die Magnete neu zu positionieren, und dieser Vorgang wurde als “shimming” bezeichnet.

Heutzutage, mit modernen Elektromagneten oder supraleitenden Magneten, werden die Plättchen nicht mehr an ihren Platz gedrückt. Aber die Begriffe sind geblieben, und der Prozess der kleinen Anpassungen des Magnetfelds ist immer noch als Shimming bekannt.

How to Shim

In modernen NMR-Spektrometern wird das Shimming mit kleinen elektrischen Schaltkreisen durchgeführt, die einen gewissen Widerstand haben. Wenn Strom in einem Draht fließt, wird ein Magnetfeld erzeugt. Mit Hilfe dieser Shimming-Schaltungen können kleine Magnetfelder erzeugt werden, die zur Anpassung des angelegten Hauptfeldes und zur Erhöhung seiner Homogenität verwendet werden können.

Die Shimming-Spulen können sich in der Sonde befinden, da das Feld an der Probe glatt sein muss. Die Spulen können das Magnetfeld in mehrere Richtungen einstellen. In der Regel muss ein Analytiker das Feld in drei Dimensionen einstellen, während er einen Referenzpeak misst.

Die Einfachheit des Shimings kann bei der Auswahl des NMR-Spektrophotometers eine Rolle spielen, wie in: Report on the use of Benchtop NMR system at the Rochester Institute of Technology.