k, q & b - Moderne Kodierungsstrategien von Fourier-konjugierten Variablen der Bewegung in der Kernspinresonanz

• k, q & b - modern encoding strategies of movement fourier conjugate variables in nuclear magnetic resonance

Offer, Patrick Markus Dirk; Blümich, Bernhard (Thesis advisor); Raabe, Christian Julius (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

In dieser Arbeit wurde Wert daraufgelegt, bekannte Herleitungen - die für die Beschreibung des Kernspinresonanzsignals notwendig sind - auf eine höhere Anzahl von Dimensionen auszuweiten und die Umformungen verkürzter Herleitungen explizit wiederzugeben. In diesem Zuge wurde ein von Blümich präsentierter Ansatz zur systematischen Beschreibung von kohärenter Bewegung von Isochromaten in einem inhomogenen Feld auf n Dimensionen ausgeweitet. Neben den Grundlagen zur Spektroskopie, Diffusion und Bildgebung wurde eine allgemeine Systematik zur Kodierung verschiedener, zur Bewegung Fourier-konjugierter Terme entwickelt. Diese Systematik wurde mittels Parametrisierung auf in der Praxis zu erreichende Gradientenimpulse erweitert, sodass beliebige Kombinationen aufeinanderfolgender Pulse automatisiert ausgerechnet werden können. Ein weiterer Teil der Dissertation befasst sich mit inkohärenter Bewegung: Die anisotrope Diffusion und wie dazu Fourier-konjugierte Terme kodiert werden müssen, wenn pulverförmige Verteilungen von anisotrop diffundierenden Isochromaten vorliegen, wurde detailliert besprochen. Ferner wurde dargestellt, wie die einzelne, doppelte, dreifache und kontinuierliche Diffusionskodierungen an den Aachener Spektrometern für Bruker-Systeme implementiert wurden. Auf der Parametrisierung von Gradientenimpulsen aufbauend wurden allgemeingültige Lösungen präsentiert, wodurch Ausdrücke für beliebige Diffusionskodierungen mit trapezförmigen Gradientenimpulsen automatisiert berechnet werden können. Die Funktionalität der Pulssequenzen wurde anhand von Referenzmessungen an Reinstwasser, einer Suspension von Hefezellen und an Aerosol OT sichergestellt. Bei der Untersuchung von zwei nichtionischen Tensidsystemen mittels dreifacher Diffusionskodierung und mit 2H-NMR-Spektroskopie konnte quantitativ gezeigt werden, wie sich die Anisotropie der lamellaren Phase in Abhängigkeit von Temperatur und Konzentration verhält: Mit steigender Temperatur und Tensidkonzentration nimmt die Anisotropie zu, was mit einer geringeren Anzahl von Defekten in den Lamellen einhergeht. Dies ermöglicht eine klare Abgrenzung des Übergangs von einer in der Literatur bereits bekannten Gyroid-Struktur hin zu einer (nahezu) defektfreien lamellaren Struktur. Ferner wurde für dreifache Diffusionskodierung die Robustheit der Pulssequenz gegenüber zufällig ausgerichteten Lamellen demonstriert: Im Gegensatz zu vorangegangenen Veröffentlichungen muss keine idealisierte Ausrichtung der Lamellen erzeugt werden. Dadurch, dass die Messungen im thermischen Gleichgewicht vorgenommen werden, bietet diese Messmethode damit Vorteile gegenüber den übrigen Verfahren für welche dies nicht möglich ist. Weitere Messungen dieser Arbeit befassen sich mit einzelner oder doppelter Diffusionskodierung von Wassermolekülen, die sich in einem Gitter aus 20 μm kleinen Polystyrolkugeln befinden. Mit einem von Callaghan et al. beschriebenen Modell ließ sich für die einzelne Diffusionskodierung die Größe der Kugeln, ihr Abstand und die Verlangsamung des Diffusionskoeffizienten quantifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass die kubisch dichteste Kugelpackung einen gültigen Kandidaten für die Anordnung der Polystyrolkugeln im Raum darstellt. Für verschiedene Varianten doppelter Diffusionskodierung zeigen sich signifikante Unterschiede in der Signalform sowohl im Bereich niedriger Kodierungszeiten, in denen die Kurzpulsnäherung ungültig ist, als auch für lange Diffusionszeiten. Die beobachteten Effekte lassen sich derzeit mit keinem bestehenden Modell beschreiben und sollten zukünftig weiter untersucht werden.