Az NMR fizikai alapjai

Újdonságok az NMR-készülékek világában

Készítette:Gróf Georgina ZsófiaKonzulens:Prof. Csurgay Árpád

PPKE-ITK, 2011. január 24.

Diplomavédés

• Az NMR-spektroszkópia fizikai alapjainak áttekintése

• A spektrális jellemzők bemutatása egy spektrum demonstrálása által

• Az NMR készülékek rendszerezése

• A nem hagyományos NMR-technikák „state of the art” bemutatása

• Egy választott NMR program bemutatása

• A mérnöki alkalmazhatóság lehetőségeinek felvázolása

• Jövőbeli kitekintés

Célkitűzések

A mágneses magrezonancia jelenség

E

B0

E

ΔE=h·υ=2μ·B0

Zeemann- felhasadás

Rezonanciafeltétel

z

x

y

z

x

y

z

x

y z

x

y

T1 - spin - rács

T2 - spin - spin

z

x

y

Mz

Relaxációs mechanizmusok

z

x

y

Matematikai leírás: Bloch- egyenletek

1

0

t

ttdt

td zz

z

2

ttt

dt

td xx

x

2

ttt

dt

td yy

y

Információk:

- kémiai eltolódás:

- integrált intenzitás

- spin-spin kölcsönhatás

60

0

10sf f

f

Az NMR spektrum - FT-CW

Simulation in Matlab

FID - Free Induction Decay Intenzitás-Idő Intenzitás-Frekvencia FT- Megfelelő szorzófügvénnyel simítható- Adatpontok száma zérustöltéssel S/N arány javítható!

FT-NMR:

- Rövid idejű RF-ás „lövetek”- Gyors, napjainkban már csak ezt használják!-Tetszőleges pulzusszekvencia alkalmazása

CW-NMR:- Folytonos pásztázás elve- Lassú, érzéketlen- Gyenge, konst. amplitudójú RF-ás tér

Összefoglaló táblázatok

500 MHz 750 MHz

Belső átmérő(mm) 52 54

H Frekvencia(MHz) 500,13 750,13

Mágneses térerősség(T)

11,747 17,618

A rendszer teljes tömege(kg)

442 3400

Üzemi hőmérséklet(K) 4,2 ~2

Hélium Cryostat térfogata(L)

72 425

Hélium fogyasztás(mL/h)

<20 <180

Mágnes áram(A) 70 200

Mezőinhomogenitás protonra nézve(Hz)

<0,2 <0,2

0

200

400

600

800

1000

Térerősség (MHz)

1978 1989 1998 2001 2009

év

Mágnes

Év Fejlesztés

1970-es

évek

NbTi vezeték

1980 Nb3Sn vezeték

1980 PMP Nb3Sn huzalok

1980–as

évek

Axiális és radiális tervezésű, bélés lemezes tekercs

1979 Kriogenikus technológiák

1995 Szögletes huzalozási technikák

1995 Kriogén mentes mágnes

1990-es

évek

Kioldás szimuláló technológiák

2000- Nb3Al vezeték

2003- Önárnyékoló technológiák, kriofejek(cryoprobe)

A mérnöki alkalmazhatóság lehetőségei

1. Spin-rendszer kiválasztása, jelen esetben 1H-15N atomok

2. Beállítom a spin-spin csatolási állandó értékét.3. Hagyományos „Bruker szekvenciák”

alkalmazása4. Programparaméterek, kísérleti paraméterek

beállítása5. Legújabb pulzusszekvenciák megtervezése6. Szimuláció

A VNMR Spektrométer folyamatábrája

VNMR-Szimuláció - HSQC

HeteronuclearSingleQuantumCoherence

Összefoglalás

Bemutattam:

- Az NMR fizikai alapjait - A régi és új NMR technikákat - A mérnöki alkalmazás lehetőségeit - Technológiai fejlesztések rendszerezését Lehetőségek a további kutatásra, továbbfejlesztésre:- A mágneses magrezonancia jelenség naprakész ismerete- Ezen ismeretek továbbadása (már középiskolákban) !- NMR- szimulációk alkalmazása- Virtuális kutatások, a Virtuális NMR megvalósítása és alkalmazása farmakológia- Kiemelkedően fontos a következő generációs huzalok, valamint a szupravezető(SC) mágnesek további fejlesztése.

A bíráló által feltett kérdések megválaszolása

1. Mi a jelentősége a különböző rádiófrekvenciás gerjesztéseknek és miért kell ezeket alaposan megtervezni?Válasz:

A pulzusszekvenciák az NMR kísérlet építőelemei. Egy kísérlet a szekvencia sokszori ismétléséből épül fel.A besugárzás hossza meghatározza, hogy mennyire változzon meg a magspin irányultsága. Ez az idő meghatározó a T1 és T2 mérésénél, mely mennyiségek az MRI képalkotásnak alapjai. Jelalak szempontjából végezhetünk szelektív gerjesztéseket(ha csak specifikusanvalamelyik magot gerjesszük), de lehetséges különböző magok egyszerre való gerjesztése is. A szekvenciák alapos megtervezésének hiányában előfordulhat,hogy nem a kívánt információt kapom. Hadamard-elv: új szekvenciák tesztelését segíti. Fontos tényező a gyorsaság.

2. Miben segíti a fejlesztést a virtuális NMR programok használata?Válasz:

Az NMR szimulációk megmutatják, hogy a spin hogyan viselkedik. Ki lehet kerülni a hardversérülékenység-problémáit. A gyógyszeriparban pl. nagy segítség lehet ezen programok használataúj gyógyszerek felfedezésében, a mérések előtt szimulációkat végezhetünk.