Abstract:
Das Magnetfeld, das ein Isotopenkern erfährt, bestimmt in Abhängigkeit von seiner chemischen und physikalischen Umgebung seine Präzessionsfrequenz. Diese Frequenz ist daher unter verschiedenen Umgebungsbedingungen leicht unterschiedlich. Dieser wenn auch geringe Unterschied kann dazu genutzt werden, um die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Mediums zu ermitteln. Auf genau diesem Prinzip beruht die Kernspinresonanz (Nuclear Magnetic Resonance NMR): Mit Hilfe einer Hochfrequenz (HF-) – Magnetschnittstelle wird die Präzessionsfrequenz der Atomkerne eines Isotops ermittelt. ... mehrLeider ist die Sensitivität der NMR-Technik gering, so dass eine gute, schnelle und sichere Informationsübertragung zwischen den Isotopenkernen und dem Sensor (auch als Magnetspule bekannt) sowie eine hocheffiziente Signalübertragung zwischen dem Sensor und den weiteren Komponenten des Signalverarbeitungssystems von größter Bedeutung.
In der vorliegenden Arbeit werden drei neuartige Lösungsansätze zur Verbesserung der Leistung der NMR-Technik für verschiedene Anwendungen vorgestellt und detailliert untersucht.
Einer der Hemmschuhe für die NMR-Technik ist die Inkompatibilität von elektrisch leitenden Elementen innerhalb des NMR-Detektionsbereichs. Aufgrund ihrer abschirmenden Eigenschaften weisen elektrisch leitende Elemente einen erheblichen Einfluß auf die Verknüpfung von NMR-Sensor und Probe durch das Magnetfeld auf. Hierdurch wird eine Vielzahl von potentiell interessanten NMR-Anwendungen eingeschränkt, so z.B. elektrochemische Reaktionen, Elektrophorese oder Dielektrophorese.
In einem ersten thematischen Schwerpunkt werden daher verschiedene Elektrodendesigns vorgeschlagen, mit denen der oben genannten Herausforderung möglicherweise begegnet werden kann. Für eine bereits existierende Helmholtz-Magnetspule können mittels theoretischer und experimenteller Bewertung zwei kompatible Elektrodengeometrien ermittelt werden; dies sind zum einen ultradünne planare Scheibenelektroden, zum anderen Seitenwand-Elektroden.
Ein zweiter thematischer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Herausforderung, mehrer unterschiedliche Kerne parallel zu detektieren. In einem Standard-NMR-Gerät wird üblicherweise die Detektionsbandbreite zu Gunsten einer besseren Leistungsübertragung zwischen dem Sensor und anderer Hardware verringert. In der vorliegenden Arbeit wird der umgekehrte Weg beschritten: Die Herabsetzung der Leistungsfähigkeit bei gleicher Bandbreite wird evaluiert und anschließend die Sensorgeometrie optimiert, um auf diese Weise eine höhere Detektionsqualität zu erzielen und gleichzeitig die Kosten zu reduzieren. Es wird gezeigt, dass mit den verwendeten Breitbanddetektoren nicht nur die Anzahl der detektierbaren Kerne gesteigert werden kann sondern dass diese Detektoren gleichzeitig auch eine akzeptable Sensitivität aufweisen.
Parallel zu den genannten Themenschwerpunkten wird eine kostengünstige Lösung für Standard-NMR-Sattelspulen eingeführt, die es erlaubt, die Sensitivität des NMR-Systems bei einem kleinen vorliegenden Probenvolumen zu erhöhen. Diese Lösung basiert hierzu auf einem passiven Element, welches das Sichtfeld der Spule auf das Probenvolumen fokussiert. Dieses zusätzliche Element dreht hierbei das Magnetfeld, so dass das Probenvolumen aus einer anderen Richtung als zuvor durchdrungen wird. Das Ergebnis dieser Technologie ist eine Steigerung der Effizienz der NMR-Experimente für Proben mit festen Geometrien wie z.B. dünne Filme, dünne Scheiben oder leitfähige Elemente.
Zusammenfassend werden daher mit der vorliegenden Arbeit drei spezifische Lösungsvorschläge für spezielle Anwendungen gezeigt, mit denen sich jeweils die NMR-Leistung steigern läßt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass und in welcher Weise verschiedene NMR-Leistungsmerkmale (Erregungseffizienz, RF-Feldhomogenität, Signal-Rausch-Verhältnis und spektrale Auflösung) von einer Optimierung der Geometrie des Systems auf die jeweiligen Anwendungsanforderungen profitieren können.
Abstract (englisch):
Each individual isotope has a certain precessing frequency when exposed to an external static magnetic field. Nevertheless, the actual magnetic field, which each nucleus experiences, depends on its chemical and physical environment. Thus, under different environmental conditions, the precessing frequency of the nucleus is slightly different and it can be used to "spy" on the chemical and physical properties of the medium. Nuclear magnetic resonance (NMR) relies on the same principle to detect the precessing frequency, using a radio-frequency (RF) magnetic field interface. ... mehrSince NMR technique suffers from low sensitivity, a good communication between the sensor (also known as the coil) and the nuclei, as well as efficient signal transfer between the sensor and the rest of signal processing systems, is of great importance.
This thesis introduces and studies three novel solutions to improve NMR performance for different applications.
One of NMR bottlenecks is the incompatibility of the technique with conductive elements inside the NMR detection region. Because of their shielding properties, conductive elements have a considerable impact on the magnetic field link between the NMR sensor and the sample. This issue influences a wide range of potentially interesting NMR applications, e.g., electrochemistry reactions, electrophoresis, and dielectrophoresis. As the first sub-topic of this thesis, different potential electrode designs are suggested in order to overcome this challenge. The theoretical and experimental evaluation of these potential solutions for an already-available Helmholtz coil offers two compatible electrode geometries, namely ultra-thin planar disk and side-wall electrodes.
As the second focus point, this thesis tackles multinuclear detection challenges. In a standard NMR system, the detection bandwidth is traded in the favour of power transfer between the sensor and other hardware. However, this thesis considers the other way around. The penalty is evaluated and the sensor geometry is optimised to reduce the cost. It is shown that not only can the broadband detectors push the limits of the total number of detected nuclei but also these detectors exhibit an acceptable sensitivity.
In parallel, a low-cost, broadband solution is introduced to enhance the sensitivity of standard NMR saddle coils when a small sample volume is available. This solution is based on a passive element which focuses the coil field of view at the sample volume. Additionally, this add-on flips the magnetic field so that it penetrates through the sample volume from a different direction. This achievement allows an efficient NMR experiment on the samples with hard geometries, e.g., thin films, thin slices, etc., or with conductive elements.
In summary, this thesis offers three solutions tailored to their specific applications in order to enhance NMR performance. Furthermore, it has been shown how different figures of merit (excitation efficiency, RF field homogeneity, signal-to-noise ratio, and spectral resolution) can benefit from optimising the geometry of the system based on the requirements.
