J1 - BADANIE MAGNETYCZNEGO REZONANSU JĄDROWEGO W CIAŁACH STAŁYCH METODĄ FALI CIĄGŁEJ

Transkrypt

1 J1 - BADANIE MAGNETYCZNEGO REZONANSU JĄDROWEGO W CIAŁACH STAŁYCH METODĄ FALI CIĄGŁEJ I. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się: a. ze zjawiskiem magnetycznego rezonansu jądrowego ( MRJ ), b. z techniką pomiarową szerokich linii MRJ, c. analizą widm MRJ, d. zastosowaniami MRJ w nauce, technice i diagnostyce medycznej. II. Zagadnienia do kolokwium 1. Spinowy moment magnetyczny w zewnętrznym polu magnetycznym [1-3]. 2. Zjawisko MRJ, opis klasyczny [1-3]: - pojęcie magnetyzacji, - ruch wektora magnetyzacji w układzie laboratoryjnym i wirującym (precesja Larmora), - warunek rezonansu. 3. Zjawisko MRJ w obrazie kwantowym [1-3]. 4. Magnetyczna relaksacja jądrowa (równania Blocha), pojęcie czasów relaksacji spinowospinowej i spinowo-sieciowej [1-3]. 5. Metoda pomiaru w technice fali ciągłej [2]. 6. Kształt, szerokość połówkowa i nachyleniowa linii rezonansowej [1, 2, 4]. Jako niezbędne minimum należy umieć omówić ruch pojedynczego spinu jądrowego w stałym polu magnetycznym (zrobić rysunek), przejść do zbioru wielu spinów (pojęcie magnetyzacji), opisać ruch magnetyzacji w stałym polu, dołożyć słabe pole zmienne, opisać ruch magnetyzacji w stałym i słabym zmiennym polu, umieć przejść do układu wirującego. Omówić zjawisko relaksacji obu składowych magnetyzacji (równania Blocha). Umieć zdać sprawę z rzędu wielkości (dotyczy pola magnetycznego stałego i zmiennego, częstości pola zmiennego). 1

2 Do omówienia z prowadzącym 7. Spektrometr MRJ fali ciągłej. Metoda podwójnej modulacji, detekcja fazoczuła. 8. Zastosowania i nowoczesne techniki MRJ (metody impulsowe). III. Przebieg ćwiczenia 1. Wyznaczenie indukcji pola magnetycznego elektromagnesu w zależności od natężenia prądu w uzwojeniach elektromagnesu (cechowanie elektromagnesu). 2. Zapoznanie się z obsługą spektrometru szerokich linii MRJ, przygotowanie do pracy i próbna rejestracja linii MRJ, w tym: a. zbadanie wpływu drugiej modulacji pola magnetycznego na kształt linii MRJ w celu wyznaczenia rzeczywistej szerokości linii (poprzez aproksymację), b. zbadanie wpływu poziomu mocy w cewce rezonansowej na kształt linii MRJ (efekt nasycenia). 3. Wykonanie badań rezonansowych na jeden z poniższych tematów: a. wyznaczanie parametrów linii rezonansowej danej próbki, ocena czasu relaksacji spinowo-spinowej oraz wyznaczanie jądrowego współczynnika żyromagnetycznego (protonów i jąder fluoru 19 F), b. badanie widma MRJ jąder fluoru w teflonie, c. wyznaczanie stopnia krystaliczności biopolimerów (np. skrobi, celulozy) na podstawie widma MRJ protonów, d. separacja podukładów spinowych w nisko uwodnionych biologicznych układach mikroheterogennych, e. badanie czasów relaksacji spinowo-spinowej w funkcji uwodnienia biopolimerów. Uwaga! Istnieje możliwość wykonania pomiarów w/g własnej propozycji i na wybranych przez siebie próbkach (różnych od proponowanych w p. a - e). 2

3 IV. Literatura 1. J. W. Hennel, J. Klinowski, Podstawy magnetycznego rezonansu jądrowego. Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań Paragrafy: 11, 14 18, 19 (tylko strony 86-87), 20-22, 25, 28, J. Stankowski, W. Hilczer, Pierwszy krok ku radiospektroskopii rezonansów magnetycznych, OWN, Poznań 1994 (załącznik na końcu instrukcji). Do niezbędnego minimum wystarczą str. 8-19, K. H. Hausser, H. R. Kalbitzer, NMR w biologii i medycynie. Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań Rozdział 1 : Podstawy MRJ (strony 18-27) 4. Instrukcja do ćwiczeń. Załączniki 1. Literatura Instrukcje obsługi dostępne u prowadzącego ćwiczenie w czasie ćwiczenia. a. spektrometru szerokich linii MRJ, b. magnetometru MRJ-MJ.110R. 3. Literatura specjalistyczna, dotycząca konkretnego tematu badawczego, dostępna u prowadzącego ćwiczenie (w trakcie ćwiczenia). 3

4 V. Aparatura 1. Zestaw do pomiaru szerokich linii MRJ (Rys.1) a. spektrometr szerokich linii MRJ (PANEL GŁÓWNY NMR SPECTROMETER, GŁOWICA MRJ z cewką rezonansową), b. układ sterowania i rejestracji sygnału ( KARTA ZBIERAJĄCO-STERUJĄCA CW, komputer), c. układ elektromagnesu wraz z zasilaczem stabilizującym prąd obciążenia oraz obwodem wodnego chłodzenia. 2. Magnetometr MRJ typu MJ.110R. Rys. 1. Schemat blokowy spektrometru MRJ. Między nabiegunnikami elektromagnesu umieszczona jest głowica MRJ oraz cewki modulacyjne. Przeznaczenie spektrometru Spektrometr przeznaczony jest do badań widm MRJ w ciałach stałych metodą tzw. fali 4

5 ciągłej. W czasie powolnego przemiatania zewnętrznego pola magnetycznego układ spinowy jest w sposób ciągły poddawany działaniu pola zmiennego o częstotliwości radiowej małej mocy. W czasie przemiatania, pole B0 jest dodatkowo modulowane z niską częstotliwością (tzw. II modulacja pola B0). W efekcie spektrometr rejestruje pierwszą pochodną widma MRJ. Obsługa spektrometru. Instrukcja załączania i wyłączania. Umieszczanie próbki w cewce rezonansowej powinno odbywać się przy wyłączonym zasilaniu PANELU GŁÓWNEGO spektrometru. Przycisk MAINS powinien znajdować się w pozycji: WYŁĄCZONY. Rys.2. Przed załączeniem zasilania przyciski i pokrętła PANELU GŁÓWNEGO (Rys.2.) powinny znajdować się w następujących położeniach: MAINS-----w pozycji wyłączony, MODULATION-----w pozycji 1, FREQ.-----w pozycji dowolnej, LEVEL-----w pozycji 1 na mierniku wskazówkowym, afc-----w pozycji wyłączonej, SENSITIVITY-----w pozycji zależnej od próbki, np. 8, PHASE-----w pozycji dowolnej, TIME CONSTANT-----zależnie od szybkości przejścia przez sygnał np.1s, FREQ. METER (przycisk przy wyświetlaczu)-----w pozycji dowolnej. Po weryfikacji tych ustawień można załączyć: 1. zasilanie układu rejestracji i sterowania ( załączenie komputera), 2. zasilanie panelu głównego wciskając przycisk MAINS. Powinien zapalić się wyświetlacz z aktualną częstotliwością GŁOWICY MRJ, która jest autodynowym generatorem w.cz. o regulowanym poziomie drgań, oraz lampka kontrolna II modulacji. 3. po upływie kilkunastu minut, (wygrzanie spektrometru) można załączyć układ automatycznej stabilizacji częstotliwości wciskając przycisk afc: (afc - w pozycji wciśnięty) i przystąpić do szukania sygnału MRJ oraz dobierania optymalnych parametrów spektrometru dla poprawnego zarejestrowania widma MRJ. 5

6 Rejestracja widma MRJ. W celu poprawnego zarejestrowania widma należy: 1. dobrać odpowiednią wartość amplitudy II modulacji (przyciski MODULATION). Wielkość amplitudy modulacji pola magnetycznego zależy od szerokości rejestrowanego sygnału. Zwykle modulacja nie powinna przekraczać 1/4 szerokości połówkowej linii MRJ. 2. ustawić odpowiedni poziom w.cz. zwykle mały (pokrętło LEVEL). Ustawienie poziomu mocy w cewce rezonansowej zależy od czasu relaksacji badanego układu spinowego i nie powinno powodować zjawiska nasycania linii rezonansowej. 3. dobrać fazę częstotliwości odniesienia detektora (pokrętło i przycisk PHASE umożliwiają dokładną i zgrubną regulację). Linia absorpcji powinna mieć maksymalną amplitudę i nie wykazywać domieszki dyspersji. 4. ustawić, możliwie dużą stałą czasową detektora (przyciski TIME CONSTANT).Wartość stałej czasowej zależy od szybkości przejścia przez linię MRJ. Przykładowo, jeśli czas przemiatania pola B 0 wynosi 5min, a stała czasowa 4s, to dla czasu przemiatania 10min stałą czasową powinniśmy zwiększyć np. do 8s. Tak więc gdy stosujemy, w celu poprawy stosunku sygnału do szumu S/N, dużą stałą czasową powinniśmy odpowiednio wolno przemiatać pole magnetyczne. 5. ustawić odpowiednią czułość (przyciski SENSITIVITY) tak, aby nie przesterować detektora fazy. 6

7 Wszystkie powyższe ustawienia spektrometru dobieramy na drodze doświadczalnej rejestrując i porównując kolejne sygnały. Wybieramy takie ustawienia, przy których linia MRJ jest nie zniekształcona, a stosunek sygnału do szumu S/N jest zadawalający. Dane techniczne spektrometru: częstotliwość pracy 25 MHz ± 200kHz, stabilność częstotliwości: ±2Hz/h, stałe czasowe detektora: 1-16 s, wzmocnienie toru AF: 10 4, poziom w.cz. na cewce rezonansowej: 10mV - 100mV, amplituda II modulacji: do 20Gs (w zależności od zastosowanych cewek), częstotliwość II modulacji: 33Hz, raster pętli synchronizacji FLL: 10kHz, obciążalność wyjść Y1 i Y2: 10mA. Karta zbierająco-sterująca CW Karta zbierająco-sterująca spektrometrem CW skonstruowana została dla spektrometru MRJ fali ciągłej. Posiada wejście analogowe (oś Y) oraz wyjście analogowe napięcia piłokształtnego, umożliwiającego sterowanie polem magnetycznym poprzez zasilacz elektromagnesu (oś X). Wyjście to należy podłączyć do wejścia wzmacniacza błędu zasilacza elektromagnesu. Karta umożliwia regulację wzmocnienia wejścia Y, regulację czasów i zakresów przemiatania prądem elektromagnesu, automatyczną kompensację stałego podkładu (przecieku II modulacji) nałożonego na sygnał oraz akumulacje widm MRJ. Opis działania karty: Po wywołaniu programu (cwujv.exe) możemy w poszczególne okienka nastaw przechodzić za pomocą kursora góra/dół, a wartości nastaw zmieniać kursorem lewo/prawo poprzez przewijanie. Jedynie nazwę zbioru oraz komentarz wpisujemy za pomocą tekstu. Wpisanie nazwy zbioru (np. nazwa próbki, a w rozszerzeniu temperatura) powoduje zapis, 1kB danych, w (domyślnym katalogu DANE) zebranego sygnału. W górnym oknie wyświetlany jest aktualny sygnał, w dolnym wynik akumulacji. Klawisze funkcyjne: F1 - mazanie ekranów, F10 - wyjście z programu, F2 - przerwanie pomiaru (abort), 7

8 F4 - wciągnięcie rezydentne programu obliczeniowego o nazwie rwcw (nastawy karty pozostają), Alt F5 - wyjście do DOS, powrót poprzez EXIT. Po naciśnięciu ENTER (start pomiaru) karta zbiera 50 próbek do kompensacji poziomu (level), odczekuje pewien czas na ustalenie się stanów nieustalonych (please wait), zbiera 100 próbek przed wystartowaniem przesuwu pola do wyznaczenia zera przez program obliczeniowy (pre.test), zbiera 1024 próbki, sterując jednocześnie przesuwem przez 10 bitowy przetwornik C/A, oraz 100 próbek po zakończeniu przesuwu do wyznaczenia zera przez program obliczeniowy (after test). Po wpisaniu nazwy zbioru zebrane próbki zostaną zapisane w domyślnym katalogu DANE. Dane techniczne karty: SN czułość: db co 2.5 db ( V). MA - amplituda II modulacji wpisywana w jednostkach umownych służy wyłącznie do obliczania poprawki w wyliczanych momentach linii. SR - zakres przemiatania: 100, 70, 45, 30, 20, 15, 10, 5 Gs. ST - czasy przemiatania: 0.0, 1, 2, 5, 10, 20 min. NS - liczba akumulacji: od 1 do 255. Komentarz - zapisany razem z nastawami i próbkami (np. stała czasu detektora, częstotliwość,...). Linie Gaussa i Lorentza Często w praktyce obserwujemy linie, których kształt S(ω) opisują funkcje Gaussa lub Lorentza. W bardzo wielu wypadkach np. w układach biologicznych czy polimerach, obserwujemy linie złożone z linii o kształcie gaussowskim i lorentzowskim. Występują również linie o zupełnie o odmiennym kształcie. Znormalizowana funkcja Gaussa, t.zn. taka, której pole powierzchni ma postać + A = S( ω) dω = 1, S( ω) 2 2 ( ω ω0 ) T2 T 2 4 = e, 2 π gdzie T 2 jest czasem relaksacji spinowo-spinowej (poprzecznej), a ω= γ B. Szerokość połówkowa linii ω 1/2 (mierzona w połowie wysokości, Rys.3), szerokość 8

9 nachyleniowa ωpp (mierzona pomiędzy punktami maksymalnego nachylenia linii, Rys.3) oraz drugi moment ω 2 (definicja 2-go momentu patrz niżej) są związane następującą zależnością 2 ω 1/ 2 = 2ln 2 ω pp = 2 2ln 2 ω, natomiast T 2 wyrażone jest wzorem T 4 = ln 2 = ω1/ 2 ω. pp Znormalizowana linia Lorentza ma postać S( ω) 1 T 2 = 2 2 π. 1+ ( ω ω0 ) T2 Dla linii tej zachodzą następujące zależności: ω / 2 = 3 ω pp 1, oraz T = 2 = 2 2 ω1/ 2 3 ω. pp N-ty moment zdefiniowany jest następująco B n + ( 1 n = B B ) S( B) db A 0. Widać, że moment zerowy jest równy powierzchni pod linią absorpcji. Dla linii symetrycznych nieparzyste momenty są równe zero. Wyznaczanie szerokości połówkowych albo nachyleniowych pozwala oceniać czasy relaksacji spinowo-spinowej badanej próbki. Poniżej przedstawione są wartości niektórych parametrów, które pozwalają ocenić z jakim kształtem linii mamy w danym przypadku do czynienia. 9

10 Rys. 3. Oznaczenia parametrów linii rezonansowych. 10

11 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16 16

17 17

18 18

19 19

20 20

21 21

22 22

23 23

24 24

25 25

26 26

27 27

28 28

29 29

30 30

31 31

32 32

33 33

34 34

35 35

36 36

37 37

38 38

39 39

40 40

41 41

42 42

43 43

44 44

45 45

46 46

47 47

48 48

49 49

50 50

51 51

52 52

53 53

54 54

55 55

56 56

57 57

58 58

59 59

60 60