Kernspinresonanz

Kernspinresonanz ist ein physikalisches Phänomen bezogen auf quantenmechanischen Eigenschaften von Atomkernen. NMR bezieht sich auch auf die Familie von wissenschaftlichen Methoden, die dieses Phänomen auf Moleküle, Makromoleküle und Geweben und ganzen Organismen zu studieren auszunutzen.

Alle Kerne mit einer ungeraden Anzahl von Protonen oder Neutronen besitzen ein magnetisches Moment und eine Eigendrehimpuls, mit anderen Worten, einen Spin & gt; 0. Kerne am häufigsten verwendet werden, sind in der NMR Proton, das C und N, wobei die Isotopen Kerne viele andere Elemente werden ebenfalls verwendet.

Die Frequenzen, bei denen ein Atomkern in Resonanz sind direkt proportional zu der magnetischen Feldstärke in Übereinstimmung mit der Gleichung der Larmor Präzessionsfrequenz ausgeübt. Die wissenschaftliche Literatur bis 2008 enthält Spektren über einen weiten Bereich der Magnetfelder von 100 nT bis 20 T. Die höhere Magnetfelder werden oft bevorzugt, da sie mit einer Zunahme der Signalempfindlichkeit zu korrelieren. Es gibt viele andere Methoden, um das beobachtete Signal zu erhöhen. Die Erhöhung des Magnetfeldes führt auch zu einer erhöhten spektralen Auflösung, werden die Details von der chemischen Verschiebung und der Zeeman-Effekt beschrieben.

NMR-Untersuchungen Atomkerne zu einem konstanten magnetischen Feld auszurichten, um anschließend stören diese Ausrichtung unter Verwendung eines magnetischen Wechselfeldes, orthogonalen Ausrichtung. Das Ergebnis dieser Störung ist das Phänomen, dass die unterschiedlichen NMR-Techniken nutzen. Das Phänomen der NMR wird auch in dem Niedrigfeld-NMR, MRI Erdfeld und einige Arten von Magnetometern verwendet.

Typische Anwendungen

MRI macht Gebrauch von den Eigenschaften der Anwendung von Radiofrequenz-Resonanz von Atomkernen oder ausgerichtet Dipolfelder zwischen der Probe und erlaubt die chemische oder strukturelle Information einer Probe zu untersuchen. MRI ist auch im Bereich der Forschung von Quantencomputern verwendet. Seine Anwendung werden dem Gebiet der Medizin, der Biochemie und der organischen Chemie verknüpft. Es ist üblich, als "Magnet-Resonanz" auf das Gerät, das MRI bekommt.

Geschichte

Erkenntnis

Die Kernspintomographie wurde als Molekularstrahlen und Isidor Rabi 1938. Acht Jahre später beschrieben wird, im Jahr 1946, Felix Bloch und Edward Mills Purcell verfeinern die Technik, die in Flüssigkeiten und Feststoffe verwendet werden, die den Nobelpreis für Physik gemeinsam genutzten 1952.

Purcell hatte auf die Entwicklung von Radar und ihre Anwendungen während des Zweiten Weltkriegs in der Radiation Lab des Massachusetts Institute of Technology tätig. Seine Arbeit bei diesem Projekt war es, durch die Materie zu erzeugen und zu detektieren Hochfrequenzenergie, und solche Absorptionen HF-Energie, vor seinem Co-Entdeckung von MRI.

Sie erkannten, daß die Magnetkerne, wie zum Beispiel H und P könnte RF-Energie zu absorbieren, wenn sie in einem Magnetfeld mit einer bestimmten Leistung gelegt wurden und somit gelungen, die Keime zu identifizieren. Wenn diese Absorption auftritt, wird der Kern als in Resonanz beschrieben. Verschiedenen Kernen innerhalb eines Moleküls Resonanz bei verschiedenen Frequenzen für die gleiche magnetische Feldstärke. Die Beobachtung derartiger magnetischer Resonanzfrequenzen der im Molekül vorhandenen Kerne erlaubt einem Benutzer trainiert wesentlichen chemischen und strukturellen Informationen über Moleküle zu entdecken.

Die Entwicklung der Kernspinresonanz als eine Technik der analytischen Chemie und der Biochemie war parallel mit der Entwicklung von elektromagnetischen Technologie und ihre Einführung in die zivile Nutzung.

Physikalische Prinzip

Kernspin-

Die elementaren Teilchen, aus denen das Atomkern, eine intrinsische Quanten mechanische Eigenschaft Spin. Der Spin eines Kerns wird durch die Spinquantenzahl I bestimmt, wenn die kombinierte Anzahl von Protonen und Neutronen in einer bestimmten Isotops gerade ist, I = 0, i. e. gibt es keine Gesamtdrall; und gepaarten Elektronen in Atomorbitalen, wie Neutronen und Protonen in geraden Zahlen zugeordnet sind, eine allgemeine = 0 Spin zu geben.

Ein von Null, I, wird mit einem Spin-Magnetmoment von Null zugeordnet, & mgr:

wobei γ das gyromagnetische Verhältnis ist. Diese Konstante gibt die Signalintensität der einzelnen verwendeten NMR-Isotop.

Werte der Spindrehimpuls

Der Drehimpuls mit dem Kernspin verbunden ist, quantisiert. Dies bedeutet, daß sowohl die Größe und die Orientierung des Drehimpuls quantisiert. Der zugehörige Quantenzahl als magnetische Quantenzahl, m bekannt und kann ganzzahlige Werte von + I -I nehmen. Daher ist für jeden Kern, gibt es eine Gesamtzahl von 2I + 1 Zustände des Drehimpulses.


Die z des Winkelimpulsvektorkomponente ist Iz daher:

wo ist die reduzierte Planck-Konstante.

Die z-Komponente des magnetischen Moments ist einfach:

Verhalten der Spins in einem magnetischen Feld

Betrachten Sie einen Kern, der einen Spin ½ hat, wie H, C oder F. Dieser Kern hat zwei mögliche Spinzustände m = ½ m = -½. Die Energien dieser Zustände entartet das heißt, sie sind die gleichen. So sind die Populationen von diesen beiden Zuständen wird im thermischen Gleichgewicht Bedingungen annähernd gleich sein.

Doch um diesen Kern in einem Magnetfeld gebracht, die Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Kernmoment und dem äußeren Magnetfeld fördern die beiden Spinzuständen die gleiche Energie nicht mehr. Die Energie des magnetischen Moments mgr unter dem Einfluss des Magnetfelds B0 wird durch das Skalarprodukt der Vektoren negativ gegeben:

Wobei das Magnetfeld entlang der z-Achse ausgerichtet ist.

Deshalb:

Als Ergebnis können die verschiedenen Kernspinzustände haben unterschiedliche Energien in einem Magnetfeld ≠ 0. Mit anderen Worten kann man sagen, dass die beiden Spinzustände eines Spin ½ entweder für oder gegen das Magnetfeld ausgerichtet worden ist. Wenn γ positiv ist, dann m = ½ ist im Zustand niedriger Leistung.

Die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen ist:

und dieser Unterschied ergibt sich eine knappe Mehrheit Spin im Zustand niedriger Leistung.

Resonanzabsorption auftritt, wenn diese Energiedifferenz wird durch elektromagnetische Strahlung mit der gleichen Frequenz angeregt wird. Die Energie eines Photons E = hv, wobei ν ist die Frequenz. Deshalb ist die Absorption auftreten, wenn:

Diese Frequenzen entsprechen typischerweise Radiofrequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums. Dies ist die Resonanzabsorption in NMR nachgewiesen.

Nukleare Schirmung

Es wäre aus dem, was oben gesagt alle Kerne desselben Nuklids Resonanz bei der gleichen Frequenz auftreten. Dies ist nicht der Fall. Die wichtigsten Störungs NMR Frequenzen für NMR-Anwendungen ist der Effekt der "Abschirmung" durch umgebende Elektronen ausgeübt. Im Allgemeinen verringert sich elektronischen Bildschirm das Magnetfeld des Kerns. Als Ergebnis wird die Energielücke verringert und die Frequenz erforderlich ist, um Resonanz zu erreichen ebenfalls reduziert. Diese Frequenzverschiebung durch NMR chemische Umgebung gegeben wird als chemische Verschiebung bekannt und erklärt, warum die NMR-Sonde ist eine direkte chemische Struktur. Wenn ein Kern ist abgeschirmtes, wird es zu "Hochlager 'verschoben werden, und wenn es mehr entschirmt Sie auf" Basislager "verschoben werden.

Sofern lokale Symmetrie besonders hoch ist, hängt die Schirmwirkung auf die Orientierung des Moleküls in bezug auf das äußere Feld. In Festkörper-NMR, der "Magic Angle Spinning die" Notwendigkeit, diese Richtungsabhängigkeit zu zerstreuen. Dies ist in herkömmlichen MRI erforderlich, da eine schnelle und zufällige Bewegung der Moleküle in Lösung Komponente abführt anisotropen chemischen Verschiebung.

Scannen mit Fourier-Transformation

Mit einer Fehlausrichtung der Spins, dh die natürliche Wiederherstellung und Richtung davon, nachdem sie elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt ist, zu erzeugen Emissionen von Energiefreisetzung, die von der Empfangsantenne Scanner aufgenommen wird resultieren. Diese Emissionen müssen entsprechend der Dim-Phasen zu gehen, mit der Zusammenstellung aller dieser Emissionen das Prinzip der Magnet-Resonanz.

Sobald alle Daten Extraktion wird zur Behandlung derselben in die Frequenzdomäne unter Verwendung der Fourier-Transformation aufgenommen werden, die die Rekonstruktion des endgültigen Bildes auf dem Bildschirm erleichtert. Die Frequenzänderung eines Signals im Raum wird als "K", das heißt die in den Bereich der Raumfrequenzen zusammengestellten Daten wird als Raum K.

Der Zweck der Schaffung von diesem Raum ist es, mathematische Fourier Gesetze gelten, in dem Sie den Ort der Herkunft der Emissionen zu einem bestimmten Zeitpunkt zu identifizieren und damit ihren Herkunftsort.

NMR-Spektroskopie

NMR-Spektroskopie ist eine der wichtigsten Methoden zur physikalischen, chemischen, elektronischen und strukturellen Informationen über Moleküle. Es ist eine Reihe von leistungsfähigen Methoden, die Informationen über die Topologie und dynamische dreidimensionale Struktur der Moleküle in Lösung und Festkörper bereitzustellen. Auch in den Jahren 1998-2001 die MRI war eine der Techniken verwendet, um einige Prinzipien der Quantencomputer zu implementieren.

MR-Spektroskopie misst die Aktivität von Metaboliten, die während der kognitiven Verarbeitung. Können die Spitzen der NAA in Bezug auf die Aktivierung von einem Bereich des Gehirns während der Aufgabe verlangte verfolgen. Obwohl indirekt korreliert mit diesen Prozessen wurden sie bestimmte Stoffwechselmuster gefunden, wie der Rückgang der NAA Spitzen im Hippocampus, mit Memory-Defizit und Rückgang der NAA Spitzen im Temporallappen, um Epilepsie verwandt verbunden.

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