ЯМР: раздвигая границы возможного
Ядерный магнитный резонанс давно превратился в рутинный инструмент для исследований в области химии, биологии, фармакологии и материаловедения. ЯМР спектроскопия широко применяется при исследовании динамических процессов жидкости, включая разнообразные химические и биохимические реакции, для определения состава, структуры и физико-химических превращений твердых материалов, а с помощью магнитно-резонансной томографии можно изучать морфологию живых объектов и протекающие в них сложные процессы.
Однако существуют факторы, которые сдерживают еще более широкое развитие и применение ЯМР в науке и практике, включая высокую стоимость оборудования, необходимость размещения объекта исследования в буквальном смысле внутри прибора и т.п. В результате современные приборы для ЯМР и МРТ практически невозможно использовать, например, в условиях промышленного производства, несмотря на большой потенциал. Наметившаяся в последнее время тенденция к стиранию границ в магнитном резонансе, связанная с перекрестным использованием методик ЯМР жидкости, твердого тела и томографии, приводит к новым открытиям – и новым научным проблемам
Чтобы подчеркнуть полную безопасность исследования для пациентов, ЯМР-томографии пришлось потерять в своем названии букву «Я» и называться «МРТ». За создание метода МРТ Нобелевская премия была присуждена по физиологии/медицине (Пол Лаутербур и сэр Питер Мансфилд, 2003).
Однако существуют факторы, которые сдерживают более широкое развитие и применение ЯМР в науке и практике. К ним относятся высокая стоимость современного оборудования, необходимость размещения объекта исследования в буквальном смысле внутри прибора и ряд других факторов. В результате современные приборы для ЯМР и МРТ практически невозможно использовать, например, в условиях промышленного производства.
Тем не менее потенциал применения ЯМР на производстве весьма велик. Заманчивой является возможность определения химического состава различных смесей с непрерывным отбором проб из реактора или даже непосредственно внутри технологического трубопровода; свойств полимеров и эластомеров в условиях технологической линии; степени гидратации бетонных изделий и т. п. К сожалению, многие материалы технологических линий и процессов делают их несовместимыми с исследованиями методом ЯМР.
В частности, высокочастотное электромагнитное поле почти не проникает внутрь проводников, что не позволяет получать сигнал ЯМР от веществ в металлических контейнерах и трубопроводах. Значительные количества ионов железа в обычном цементе и различных парамагнитных ионов в горных породах негативным образом отражаются на величине регистрируемого сигнала.
Таким образом, лишь условия лаборатории (клиники) являются оптимальными для работы современных ЯМР-спектрометров и томографов, а за их пределами они, на первый взгляд, оказываются практически бесполезными. К счастью, это не так.
Непривычный ЯМР
В последние годы в ЯМР наметился ряд новых тенденций, направленных на преодоление имеющихся ограничений. Примечательно, что порой это приводит к опровержению некоторых «непреложных истин». Так, в традиционном ЯМР дорогостоящий прибор в некотором смысле является «центром вселенной», вокруг которого «вращаются» и которому подчиняются объекты исследования. И если объект или процесс по характеристикам (форме, размеру, составу, температуре, давлению и т. п.) не удается вписать в условия, диктуемые прибором, то его исследование методом ЯМР невозможно.
Создание открытых и мобильных систем для ЯМР и МРТ привело в некотором смысле к смене основной парадигмы, в результате чего в центре оказался объект исследования. Для решения широкого спектра задач за пределами исследовательской лаборатории в большинстве случаев приходится отказаться от использования высокопольных сверхпроводящих магнитов. Использование постоянных магнитов позволяет создавать относительно недорогие специализированные устройства, предназначенные для исследования конкретного объекта и оптимизированные для решения той или иной конкретной задачи. Сегодня достигнут значительный прогресс на пути создания переносных (до 10—20 кг) и мобильных (несколько десятков кг) систем.
Другая важная концепция – «ЯМР наизнанку» – позволяет отказаться от необходимости размещения объекта исследования внутри датчика (магнита). Для этого применяются магниты и радиочастотные катушки, которые создают соответствующую чувствительную область хоть и вблизи устройства, но за его пределами. Отказ от использования сверхвысоких полей, на первый взгляд, противоречит присущему ЯМР стремлению во все более высокие поля для повышения чувствительности и спектрального разрешения, однако преимущества, связанные с мобильностью устройства и отсутствием ограничений на размер и форму исследуемого объекта, могут в ряде случаев оказаться куда важнее.
Двигателем прогресса в области «ЯМР наизнанку» стали нефтедобыча и нефтеразведка. Именно для ЯМР-каротажа нефтяных скважин впервые было создано устройство, опускаемое в буровую скважину на глубину до 10 км для изучения наличия и свойств жидкой фазы (нефти и воды) в породе, характеристик порового пространства стенок скважины и взаимодействия жидкости с поверхностью пор.
На основе этой концепции создан также и ЯМР-эндоскоп, который имеет внешний диаметр 1,7 мм (!) и может вводиться в крупные сосуды человека для диагностики их состояния.
Одной из наиболее успешных разработок мобильного ЯМР стала ЯМР-мышь – портативный датчик, первоначально предназначавшийся для исследования свойств резинотехнических изделий. С его помощью можно определять состояние покрышки автомобиля без демонтажа колеса, степень поперечного сшивания цепей полимера, исследовать процессы вулканизации, старения полимеров и их набухания в растворителе.
ЯМР-мышь характеризуется значительной неоднородностью приложенного постоянного магнитного поля, что в традиционном ЯМР считается большим недостатком. Однако именно большой градиент магнитного поля устройства позволяет исследовать такие нетрадиционные объекты, как армированные стальным кордом покрышки, железобетонные конструкции, конвейерные ленты и т. п. Ведь многие исследования невозможно выполнить с использованием традиционного ЯМР в однородном поле – изучить, скажем, состояние знаменитой Моны Лизы, так как для этого потребуется отделить от объекта исследования небольшой фрагмент. Бесконтактные измерения с помощью устройств типа ЯМР-мышь переводят такие исследования в разряд возможных.
Игра на магнитном поле
Обычно для получения высокого спектрального разрешения в ЯМР-спектроскопии требуется максимально однородное магнитное поле. Таким образом, может показаться, что устройства типа ЯМР-мышь с однородностью поля в десятки и сотни миллионных долей неприменимы для ЯМР-спектроскопии. Но и это препятствие преодолимо, причем как за счет создания устройств с более однородными магнитными полями, так и за счет развития и применения новых методов регистрации сигнала в существенно неоднородных магнитных полях. Поэтому в настоящее время развитие методов спектроскопии ЯМР в неоднородных магнитных полях занимает важное место в магнитном резонансе.
Достижения современного ЯМР способны обеспечить приемлемую чувствительность даже в слабых и сверхслабых магнитных полях, включая ЯМР в магнитном поле Земли (0,00005 Тл). Именно на пути в слабые и сверхслабые магнитные поля специалистов поджидал один из сюрпризов. До недавнего времени считалось, что такие поля бесполезны для спектроскопических приложений ЯМР. Действительно, различия в химических сдвигах ядер в низких полях наблюдать не удается. Но было экспериментально установлено, что спин-спиновые взаимодействия ядер обеспечивают достаточное количество спектральной информации для интерпретации спектров ЯМР, регистрируемых в полях порядка 0,01 Тл.
Развитие приложений в слабых полях позволяет преодолеть и еще одно ограничение ЯМР, казавшееся незыблемым, а именно невозможность регистрации сигнала ЯМР от объекта, заключенного в металлический контейнер.
Спиновые долгожители
При нормальных условиях для протонов в жидкости времена ядерной спиновой релаксации обычно лежат в секундном диапазоне. Это означает, что спиновая система полностью «забывает» о любом внешнем воздействии через несколько секунд. Однако многие современные ЯМР и МРТ эксперименты построены на том, что регистрация сигнала происходит не сразу, а спустя определенное время после исходного возбуждения спиновой системы. Из-за «забывчивости» спиновой системы не удается измерять низкие скорости течения жидкостей и газов, малые коэффициенты диффузии молекул, слабые межспиновые взаимодействия и многое другое. И до недавнего времени казалось, что это серьезное ограничение обойти уж точно невозможно.
Неожиданный, но приятный сюрприз нашелся и здесь. Оказалось, что даже в жидкости при нормальных условиях спиновая система может «помнить» о своей предыстории многократно дольше, чем это диктуется временами релаксации ядерных спинов. Это связано с существованием так называемых «долгоживущих состояний» спиновых систем, времена жизни которых могут превышать времена обычной релаксации на порядок и более.
Надо сказать, что в настоящее время удивление вызывает не сам факт существования таких состояний, а то, каким же образом сообществу специалистов в области ЯМР удавалось не замечать этого на протяжении многих лет. Ведь объяснение природы таких состояний достаточно очевидно: это ядерные спиновые состояния групп эквивалентных атомов с нулевым полным суммарным спином. А если нет спина, то нет и ядерной спиновой релаксации.
В результате время жизни такого состояния может на порядки превышать времена спиновой релаксации, что можно использовать для значительного расширения применимости ЯМР к исследованию медленных физических и химических процессов. Однако не все так просто, поскольку состояние с нулевым спином не регистрируется в ЯМР-эксперименте. Трюк состоит в том, чтобы на время приложения импульсной последовательности и на время регистрации сигнала сделать ядра неэквивалентными, а в промежутке между различными интервалами эволюции спиновой системы эту эквивалентность восстановить.
Такая операция возможна благодаря, например, воздействию постоянного и переменного магнитных полей, обратимых химических превращений и др. Интересные примеры использования долгоживущих состояний включают исследование медленных диффузионных процессов и динамики медленных химических превращений. Однако это лишь первые шаги, и научное сообщество ожидают новые достижения и сюрпризы.
Параводородный усилитель
Такое огромное усиление сигнала значительно расширяет возможности применения ЯМР в гомогенном катализе, позволяя более детально исследовать механизмы гомогенных каталитических процессов, регистрировать методом ЯМР короткоживущие промежуточные состояния и т. п. Более того, усиление сигнала ЯМР на несколько порядков имеет серьезные последствия и для МРТ. Так, в настоящее время ведутся работы по исследованию методами ЯМР/МРТ процессов метаболизма in vivo, когда введенное в живой организм поляризованное вещество претерпевает в организме биохимические превращения, позволяя усиливать сигнал ЯМР продуктов этих превращений. Для этих же целей используются и другие методы гиперполяризации ядерных спинов.
В то же время в гетерогенных каталитических процессах получение ИППЯ до недавнего времени считалось невозможным, поскольку гетерогенным катализаторам промышленного гидрирования присущ совершенно иной механизм реакции, который, казалось, не дает шансов для наблюдения ИППЯ. Однако и на этом направлении у «невозможного» удалось отбить новые территории для научных исследований и практических приложений магнитного резонанса. Оказалось, что для ряда гетерогенных катализаторов гидрирования можно наблюдать усиление сигнала ЯМР продукта при использовании в реакции параводорода.
Этот примечательный факт делает возможным создание новых высокочувствительных методов ЯМР для каталитических исследований, а также создание высокоэффективных процессов для получения гиперполяризованных чистых жидкостей и газов, на основе которых можно развивать новейшие биомедицинские и технические приложения метода ЯМР/МРТ. Развитие методов гиперполяризации ядерных спинов имеет особую актуальность в контексте упомянутых выше исследований и приложений в слабых и сверхслабых магнитных полях, где вопросы чувствительности имеют первоочередное значение, а получаемые коэффициенты усиления сигнала еще выше.
Итак, магнитный резонанс преодолел очередной виток спирали своего развития. В результате мы получили возможность регистрировать в слабых и неоднородных магнитных полях спектры примерно такого же качества, которое в ЯМР высокого разрешения было доступно сорок лет назад. Возникает вопрос: а является ли такое «развитие» движением вперед? Без сомнения, да. Технологии и методики постоянно совершенствуются, и еще через некоторое время качество спектров в низких и неоднородных полях приблизится к тому, которое доступно сегодня при использовании высокопольных спектрометров ЯМР.
Однако наиболее важным аспектом здесь является то, что делается это отнюдь не как альтернатива высокопольной ЯМР-спектроскопии и томографии, а как развитие метода с целью его распространения на огромный круг существенно иных задач, которые по-прежнему не могут быть решены с помощью суперсовременного и супердорогого высокопольного оборудования. В результате такой диверсификации направлений развития метода ЯМР и доступных приложений границы возможного в магнитном резонансе удалось существенно раздвинуть. И это еще далеко не предел.
Blumich B., Perlo J., Casanova F. Mobile single-sided NMR // Progr. NMR Spectr. 2008. 52. P. 197—269.
Blumich B., Anferova S., Kremer K., et al. Unilateral NMR for quality control: The NMR-MOUSE // Spectroscopy. 2003. 18. P. 18—32.
Bluimch B., Casanova F., Appelt S. NMR at low magnetic fields // Chem. Phys. Lett. 2009. 477. P. 231—240.
Blumich B., Casanova F., Dabrowski M., et al. Small-scale instrumentation for nuclear magnetic resonance of porous media // New J. Phys. 2011. 13. 015003.
Kleinberg R. L., Sezginer A., Griffin D. D., Fukuhara M. Novel NMR apparatus for investigating an external sample // J. Magn. Reson., 1992. 97. P. 466—485.
Koptyug I. V., Kovtunov K. V., Burt S. R., Anwar M. S., et al. Para-Hydrogen-induced polarization in heterogeneous hydrogenation reactions // J. Amer. Chem. Soc. 2007. 129. P. 5580—5586.
Kovtunov K. V., Beck I. E., Bukhtiyarov V. I., Koptyug I. V. Observation of parahydrogen-induced polarization in heterogeneous hydrogenation on supported metal catalysts // Angew. Chem. Int. Ed. 2008. 47. P. 1492—1495.
Pileio G., Carravetta M., Hughes E., Levitt M. H. The long-lived nuclear singlet state of 15N-nitrous oxide in solution // J. Amer. Chem. Soc. 2008. 130. P. 12582—12583.
Sarkar R., Vasos P. R., Bodenhausen G. Singlet-state exchange NMR spectroscopy for the study of very slow dynamic processes // J. Amer. Chem. Soc. 2007. 129. P. 328—334.
Warren W. S., Jenista E., Branca R. T., Chen X. Increasing hyperpolarized spin lifetimes through true singlet eigenstates // Science. 2009. 323. P. 1711—1714.
Редакция благодарит к. х. н. Н. И. Сорокина и к. г.-м. н. В. Д. Ермикова за помощь в подготовке материалов статьи
Развитие методов ядерного магнитного резонанса в магнитном поле Земли Куприянов Павел Алексеевич
Содержание к диссертации
Глава 1. ЯМР в земном поле 14
1.2 Предполяризация ядер с помощью дополнительного магнитного поля. 16
1.3 Факторы, затрудняющие наблюдение ЯМР в магнитном поле Земли 19
1.4 Блок-схема прибора для регистрации ЯМР в магнитном поле Земли 22
1.5 Спектроскопия ЯМР высокого разрешения в магнитном поле Земли 23
1.6 Магнитно-резонансная томография в магнитном поле Земли 31
1.7 Особенности ЯМР-релаксации в низких магнитных полях 33
1.8 Выводы по главе 1 37
Глава 2. Поляризация ядер переменным магнитным полем низкой частоты [35], [78] 38
2.1 Другие варианты реализации переменного поляризующего поля 41
2.2 Эксперименты по предварительной поляризации образца переменным полем 42
2.3 Переходной процесс в датчике после выключения поляризующего поля.45
2.4 Выводы по главе 2 46
Глава 3. Нейтрализация влияния флуктуации магнитного поля Земли.. 47
3.1 Формирование возбуждающих импульсов из сигнала свободной индукции от вспомогательного датчика 50
3.2 Формирование опорного сигнала для квадратурного детектирования 51
3.3 Моделирование процесса накопления спектров ЯМР-сигналов на системе с двумя ЯМР-датчиками 53
Глава 4. Аппаратура для регистрации ЯМРПЗ в условиях лаборатории 55
4.1 Конструкция датчика сигналов ЯМР 57
4.2 Помехоустойчивая приёмная катушка 57
4.3 Система катушек для градиента и возбуждения 60
4.4 Предварительный усилитель 63
4.5 Блок коммутации поляризации 64
4.6 Оптимизация режима предполяризации 69
4.7 Примеры измерений, полученных на ЯМР-спектрометре в земном поле.71
4.8 Выводы по главе 4 75
Глава 5. Влияние сопутствующих градиентов при исследованиях ЯМР в слабых полях 76
Основные результаты и выводы 85
Основное содержание работы отражено в публикациях: 87
Положения, выносимые на защиту 90
Список обозначений и сокращений 91
Спектроскопия ЯМР высокого разрешения в магнитном поле Земли
Для одиночных экспериментов с использованием для предполяризации матриц Хальбаха особых проблем не возникает (см., например, [38]). Когда дело касается накопления сигнала, исследователи сталкиваются с серьёзной трудностью — флуктуацией земного магнитного поля. Изменения в магнитном поле имеют две основные причины: естественную и искусственную. Естественная флуктуация поля хорошо проанализирована в работе [39]. На рис. 1.4 представлены данные флуктуации B0 в течение 42 ч. На верхнем графике представлены данные, полученные в лаборатории с помощью ЯМР-комплекса «Terranova» в Веллингтоне, Новая Зеландия, на нижнем — магнитометра в Eyrewell в Новой Зеландии. Хотя данные получены на станциях, географически разделенных несколькими сотнями километров, они визуально схожи. Суточные колебания имеют причиной солнечный ветер и, следовательно, амплитуда вариации значительно больше в течение дня, чем ночью. Измерения на рис. 1.4 были начаты в начале вечера, и поэтому наблюдается небольшая величина колебаний в течение первых 12 часов после начала измерений и большая величиной флуктуации в течение последующих 12 часов. Максимальная дневная амплитуда колебаний от пика до пика составляет приблизительно 30 нТл, что соответствует сдвигу частоты 1,3 Гц. Эти колебания происходят в течение периода времени около 8 ч. Поэтому максимальная скорость в дневное время изменения частоты, df/dt порядка 0,15 Гц в час. Максимальная амплитуда колебаний от пика до пика в ночное время составляет приблизительно 15 нТл, что соответствует сдвигу частоты 0,6 Гц. Это смещение происходит в течение 6 ч, в результате чего в ночное время суток скорость изменения частоты порядка 0,1 Гц в час. Максимальное общее время ЯМР-эксперимента без необходимости компенсации суточных колебаний: 30 мин в течение дня и 40 мин в ночное время. Рис. 1.4. Колебания напряженности магнитного поля Земли измеренные в течение 42 ч в (а) Веллингтон, Новая Зеландия с EFNMR и (б) в Eyrewell, Новой Зеландии, используя магнитометр [39].
В лаборатории физического факультета СПбГУ наблюдается совершенно иная картина (рис. 1.5). Из анализа красного графика видно, что флуктуация поля в лаборатории носит преимущественно техногенный характер. Изменения земного поля в лаборатории (красная линия) и данные с вариометрической станции в Нурмиярви, Финляндия (синяя линия) в один и тот же промежуток времени (кривая сдвинута по оси ординат для наглядности).
Поэтому проблема стабилизации частоты ЯМР при накоплении сигнала — это основная задача при построении лабораторных ЯМР-спектрометров высокого разрешения. Решение проблемы флуктуации магнитного поля Земли состоит в использование систем с двумя датчиками ЯМР: калибровочным и основным, как это описано в работах [40], [41]. Сигнал ЯМР от опорного датчика используется для реализации способов нейтрализации влияния флуктуаций магнитного поля Земли. Усовершенствование нами этого приёма описано в главе 3.
Из промышленных приборов для ЯМРПЗ-экспериментов на сегодняшний день известен только комплекс «Terranova» компании «Magritek». В литературе описано лишь несколько лабораторных приборов: [22], [23], [42], [43], [41], [40], [44], [45]. В процессе работы нами также был разработан и изготовлен лабораторный ЯМР-спектрометр, работающий в магнитном поле Земли на частоте 1800 Гц для ядер 1Н (магнитное поле меньше, чем стандартное поле в Санкт-Петербурге, вследствие конструкционных особенностей здания). Рассмотрим, из каких основных блоков должен состоять прибор (рис. 1.6).
Исследуемый образец помещается в датчик, представляющий собой катушку со специальной геометрией и ортогональную ей катушку возбуждения. Предварительная поляризация образца осуществляется блоком поляризации. Команды на включение и выключение поляризации приходят с управляющего устройства. Радиочастотные импульсы возбуждения сигналов ЯМР также формируется с помощью контроллера и подается на катушку, закреплённую на датчике. Сигнал ССИ поступает на вход чувствительного предусилителя с полосовым фильтром. Далее ЯМР-сигнал поступает или на осциллограф и/или компьютер для окончательной обработки. Как уже говорилось выше, частота ЯМРПЗ около 2 кГц. Поэтому нет необходимости использовать отдельный АЦП для оцифровки сигнала. С этой задачей вполне справится обычная звуковая карта компьютера. На компьютере необходимо иметь специальное программное обеспечение (ПО) для формирования программной последовательности для контроллера. С контроллера на компьютер подается команды для начала записи ЯМР-сигнала и завершения работы программной последовательности.
В последнем десятилетии обнаружены интересные особенности ЯМР-спек-тров в очень низких полях (порядка магнитного поля Земли), и к слабопольному ЯМР исследователи стали проявлять повышенный интерес [46], [47], [48], [49]. ЯМР-спектры в слабом поле характерны отсутствием химических сдвигов, тем не менее, в последнее время исследователей очень привлекает имеющаяся возможность изучения косвенных гетероядерных взаимодействий. Весьма информативные ЯМР-спектры в земном поле имеют целые классы жидких органических соединений, включающих фосфор, фтор и другие элементы с магнитными изотопами.
Эксперименты по предварительной поляризации образца переменным полем
Были получены экспериментальные зависимости амплитуды ЯМР-сигнала от частоты и амплитуды переменного поля (рис. 2.6), из которых видно, что амплитуда ЯМР-сигнала зависит не только от частоты, но и от амплитуды переменного поля. Чем выше амплитуда, тем при более низкой частоте и круче происходит спад амплитуды ЯМР-сигнала. Это подтверждает теоретические выкладки. Для земного магнитного поля предельная частота переменного поляризующего поля лежит в пределах 5 Гц при амплитуде поляризующего поля 20-30 Гс, что подтверждает выражение (2.2).
Рост намагниченности при более высоких частотах поляризующего поля возможен, если к слабому земному полю в момент поляризации прикладывать дополнительное постоянное поле. Расчёт показывает, что при добавочном поле 5 Гс частоту переменного магнитного поля можно поднять до 50 Гц, что было бы удобно для реализации метода, поскольку вместо генератора НЧ и усилителя тока можно использовать обычный трансформатор, подключённый к электросети.
Мы провели эксперименты поляризации образца переменным полем с добавочным постоянным полем вдоль поля Земли. Они показали, что рост намагниченности при таких условиях происходит (рис. 2.7), но при увеличении добавочного поля наблюдается резкий рост амплитуды ЯМР-сигнала, затем она постепенно спадает, чего по теории быть не должно. Проблема носила чисто технический характер: добавочное поле отключали слишком поздно и оно вносило искажение при возбуждении ядер импульсом. 1.5 2 2.5 3 3.5 Поле в добавочной катушке, G Зависимость амплитуды ЯМР-сигнала от тока в добавочной катушке при частотах поляризующего поля 50 и 100 Гц и амплитудах переменного поля 15 и 20 В без учёта момента отключения добавочного поля.
После того, как добавочное поле стали отключать раньше появления возбуждающего импульса, зависимость амплитуды ЯМР-сигнала от добавочного поля изменилась (рис. 2.8). Таким образом, возможность предварительной поляризации образца переменным полем частотой 50 Гц подтвердилась и работа в этом направлении будет продолжена.
Поляризация переменным полем имеет еще одно интересное преимущество. При выключении постоянного поля в катушке датчика всегда остаётся запасённая энергия, приводящая к переходному процессу, который вынуждает исследователя вводить «мёртвое время» в процесс регистрации. Вынужденное ожидание иногда составляет до десятков миллисекунд.
Переменный ток можно выключить в различных фазах, и при этом амплитуда переходных процессов будет отличаться (рис. 2.9). Для понимания этого процесса необходимо найти решение неоднородного дифференциального уравнения второго порядка, описывающее процессы, происходящие в последовательном колебательном контуре [81]: luc+ dUR + L=u sinwt) dt 2 dt L LC LC < (28) где L, С, R — параметры колебательного контура, U — напряжение на конденсаторе, Um — амплитуда переменного напряжения sin(?), подаваемого на контур.
Процесс выключения переменного тока сводится к вычислению напряжения и тока на конденсаторе при необходимом времени t1 и использования этих данных в качестве начальных условий для решения уже однородного дифференциального уравнения второго порядка, описывающего свободные колебания в последовательном колебательном контуре.
Впервые теоретически предсказано и экспериментально подтверждено, что при регистрации ЯМР в магнитном поле Земли предварительную поляризацию ядер можно производить с помощью переменного магнитного поля низкой частоты TТ1, где Т1 – время продольной релаксации ядер). Сформулировано условие адиабатичности изменения поляризующего поля, которое необходимо выполнить, чтобы достичь эффекта.
При использовании поляризующего низкочастотного магнитного поля возникают дополнительные положительные факторы: 1) выключение поляризующего поля при определённой фазе тока в катушке значительно сокращает длительность переходного процесса выключения; 2) средняя потребляемая мощность на 17% меньше, чем при постоянном токе, для той же эффективности поляризации ядер (эквивалентное отношению сигнала к шуму). Глава 3. Нейтрализация влияния флуктуации магнитного поля Земли
Как было сказано выше (см. 1.3.2). Земное магнитное поле не постоянно. Из-за солнечного ветра магнитосфера Земли сильно искажена (сжата с дневной стороны Земли и сильно вытянута с ночной стороны) из-за этого имеются суточные колебания поля. Кроме того, из-за солнечной активности (вспышек, протуберанцев и т. п.) к суточным флуктуациям прибавляются случайные всплески и колебания поля различной интенсивности. Но в целом эти природные изменения не сравнимы с техногенными факторами, накладывающимися на земное магнитное поле в лаборатории (рис. 1.5). В лабораторных условиях накопление сигнала ЯМР-спектрометром с одним датчиком не представляется возможным.
Принцип работы ЯМР-спектрометра с двумя датчиками основан на следующем: если два ЯМР-датчика, находящихся достаточно близко друг к другу, регистрируют ЯМР-сигналы одновременно, то изменение частоты вследствие флуктуации поля в обоих сигнала будет одинаковым.
Формирование опорного сигнала для квадратурного детектирования
Уже при при сопротивлении несколько кОм свободные колебания исчезают и ток в катушке (вместе с ним и поле) спадают медленнее (рис. 4.13)
На рис. 4.16 представлен пример ЯМР-сигнала и его спектра, полученного от образца триметилфосфата объёмом 130 мл и поляризующем поле 200 Гс в одиночном эксперименте. На рис. 4.17 представлен ЯМР-спектр фторбензола, полученный в результате накопления сигнала после 500 повторений. Приёмный канал был настроен на частоту фтора в магнитном поле Земли с целью выявления сложной структуры линий в спектре фтора. Оба спектра получены в лабораторных условиях сильных помех на одноканальном приборе, в качестве устройства сбора данных и формирования импульсов использовался модифицированный комплекс «Спин Трэк» производства ООО «Резонансные системы» г. Йошкар-Ола. Накопленный спектр фторбензола был выбран из десятка сделанных в разное время спектров по критерию наименьшего уширения сильных спектральных линий вследствие флуктуаций земного поля. 1.5 2 2.5 3 3.5 4 1780 1785 1790 1795
Time, s Frequency, Hz Рис. 4.16. ЯМР-сигнал триметилфосфата (a) и его спектр (b), полученные одиночным экспериментом в лабораторных условиях.
ЯМР-спектр фторбензола. Спектрометр настроен на частоту 1690 Гц с целью обнаружить сложную структуру линий фтора. Две спектральные линии справа образованы сигналом от протонов. Спектр получен усреднением 500 повторений.
Далее мы приводим несколько результатов классических экспериментов по измерению времён релаксаций, проведенных автором на сконструированном приборе.
Процесс измерения времени поперечной релаксации T2 удобно осуществлять методом Кар-Пёрселла [85]. Зависимость сигнала эха от времени аппроксимируется экспонентой и по её параметру находится время релаксации Т2. Пример таких экспериментов с тремя разными недегазированными жидкостями (водой, этиловым спиртом и бензолом) представлен на рис. 4.18. Из рисунка видно, что из трех образцов бензол имеет наибольшее время релаксации T2, а этиловый спирт — наименьшее.
Процесс измерения времени спин-решеточной релаксации T1 в случае земного поля заключается в измерении амплитуды ЯМР-сигнала по следующей схеме: строится зависимость амплитуды ЯМР-сигнала от времени между окончанием поляризации и зондирующим 90-градусным импульсом. Для образца дистиллированной воды эта зависимость представлена на рис. 4.19. Данные хорошо аппроксимируются экспонентой с разбросом значений в пределах 3%. Полученное значение времени релаксации 3.1±0.1 с, что хорошо согласуется с известным значением при комнатной температуре. зависимость амплитуды ЯМР-сигнала от времени между окончанием поляризации и 90-градусным импульсом. В таблице представлен результат аппроксимация значений экспонентой для получения значения времени релаксации T1. Особенностью экспериментов ЯМРПЗ, является возможность измерять время релаксации T1 не только в земном поле, но и в поле поляризации. Для этого строится зависимость амплитуды ЯМР-сигнала от продолжительности поляризации t.
Недавно появился способ повысить разрешающую способность МРТ, используя в качестве контрастных веществ эндоэдральных металлофуллеренов. Мы приняли участие в работе по исследованию водных растворов гидроксилированных фуллеренов с ионами Gd и Fe, помещённых внутрь фуллерена. Исследованы растворы с концентрациями фуллеренов Ga@C2n(OH)38-40 и Fe@C2n(OH)30 с концентрацией 0.1 мМ/л. Выбор в качестве объекта изучения, ионов Gd и Fe в водных растворах гидроксилированных фуллеренов объясняется тем, что в настоящее время актуальны работы по поиску эффективных релаксантов для МРТ. Работа проводилась совместно с сотрудниками Петербургского института ядерной физики (ПИ-ЯФ), предоставившими образцы. Для фуллерены, содержащего гадолиний время релаксации Т1 в земном поле составило 155±5 мс, в поляризующем поле около 90 Гс — 178±9 мс. Для фуллерена e@C2n(OH)30 время Т1 в земном поле составило 935±30 мс, в поле поляризации — 958±35 мс. Отмечена аномальная зависимость времён релаксации от магнитного поля.
В рамках этой работы мы сумели получить сигнал от образца, помещенного в закрытый металлический диамагнитный контейнер. Трудность в регистрации ЯМР-сигнала в этом случае состоит в том, что оболочка контейнера образует ко-роткозамкнутый виток, сильно снижающий добротность приемного контура (рис. 4.20). Кроме того, возникающий скин-эффект в металле приводит к поглощению и возбуждающего радиоимпульса, и сигнала свободной индукции. Однако при частоте ЯМР в земном поле скин-эффект незначителен.
Оптимизация режима предполяризации
Для реализации МРТ всегда используется комбинация однородного основного поля и поля градиентной системы. Удобно ввести параметр k, который определяется как отношение основного поля B0 к максимальной разнице поля системы градиента BGz в пределах исследуемого объекта: k = B0/[2(BGz)max].
Мы предлагаем улучшить систему градиентов посредством оптимизации промежутка L между катушками на основе стандартного критерия минимального среднеквадратичного отклонения z-зависимости поля кодирования от линейной. Зависимости поля кодирования от z-координаты были получены (аналогично рис. 5.5) для разных расстояний между катушками. Затем вычислялась относительная стандартная ошибка (RSE) отклонения этих зависимостей от линейной для различных позиций объекта. Линейные зависимости были получены с помощью Mathcad, используя функции line(x,y), где x = z и y = Bencod. Вычисление стандартной ошибки было проделано с помощью функции Mathcad stderr(x,y). Относительная стандартная ошибка была получена как отношение стандартной ошибки к максимальному полю, создаваемому системой градиента, (Bgz)max. Это максималь 82 ное поле определяется как произведение наклона рассчитанной линейной зависимости на половину длины объекта.
Сначала были проведены расчеты для вышеупомянутого цилиндрического объекта, длина и диаметр которого были равны радиусу обмоток (см. Рис. 5.2). Зависимости RSE от промежутка L для разных значений k в случае расположения симметричного объекта (a на рис. 5.2) представлены на рис. 5.6.
Как видно из рис. 5.6 а использование системы Максвелла в случае, когда однородное поле сравнимо с полем системы градиентов (k 1, приводит к большому RSE. Для уменьшения RSE можно увеличить промежуток между катушками, но недостатком такого подхода является не только значительное увеличение размера системы, но и снижение эффективности системы градиента. Для k 1 можно предложить лучшее решение, поскольку зависимости RSE от промежутка между обмотками имеют минимум, что позволяет реализовать минимальный RSE в результате умеренного изменения промежутка L (см. Рис. 5.6 b). Чтобы проиллюстрировать последнее, на рис. 5.7 мы представляем относительное отклонение (не RSE!) поля Bencod от линейной зависимости в случае симметричного положения исследуемого объекта (a на рис. 1.9) для оптимального промежутка и условия Макс 83 велла и для двух значений основного поля (k = 1.1 и 10). Например, если однородное (основное) поле в десять раз больше максимума градиентного поля в пределах объекта (k = 10), оптимизация промежутка сокращает RSE в четыре раза.
