Advances in NMR spectroscopy and imaging: low-power rf-excitation and MRI of soils

• Weiterentwicklungen in der NMR-Spektroskopie und -Bildgebung: Low-power rf-Anregung und MRT an Böden

Görges, Alexander; Blümich, Bernhard (Thesis advisor); Adams, Alina Reghina (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Verlagshaus Mainz (2021)
Buch, Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die Kernspinresonanz-Technik (NMR) hat sich in vielen wissenschaftlichen Disziplinen, wie z. B. Bio-Sensing, chemische Reaktionskontrolle oder Materialcharakterisierung, etabliert. Seit der Einführung der NMR als Analysemethode, war die Sensitivitätssteigerung durch Erhöhung der Feldstärke das vorherrschende Entwicklungsziel. Im Hinblick der Reduzierung von Kosten und Umweltbelastung, erfreut sich der Trend hin zu miniaturisierten NMR Geräten und deren vielfältigen Anwendungsgebieten einem wachsenden Interesse. Der erste Teil dieser Arbeit beinhaltet grundlegende neue Erkenntnisse in der "low-power" (dt. leistungsreduziert) rf-Anregung, welche eine fortschreitende Entwicklung in dieser Richtung unter Anwendung der Frank Sequenz ermöglicht. Gestützt durch experimentelle Daten, ist ein detaillierter Beleg der Energieeinsparungen durch Anregung im linearen Bereich gelungen, welcher zukünftig rf-Verstärker in NMR-Spektrometern obsolet machen könnte und zu einem damit verbundenen Mobilitätsgewinn führen würde. Die Implementierung der selektiven "colored" Frank-Anregung verspricht eine neue Art der Unterdrückung des Lösemittelsignals sowie der Bewegungsverfolgung in der Magnetresonanztomographie (MRT). Zudem wurde eine Steigerung der spektroskopischen Qualität und der räumlichen Auflösung der mit Frank-Anregung durchgeführten Messungen erreicht. Ziel des zweiten Teils ist die Generierung von quantitativen 3D-Wassergehaltsmustern innerhalb natürlicher Bodenproben im Mikromaßstab, die essenziell für die Verbesserung von geologischen Simulationen auf der Feldskala sind. Hierzu wurden standardisierte Bildgebungssequenzen wie "zero echo time" (ZTE) und "ultra-short echo time" (UTE) angewendet, aber auch Messungen mit Frank-Anregung durchgeführt, die dessen erste praxisnahe Anwendung reflektieren. Die Charakterisierung von Bodenproben hinsichtlich ihres Wasserretentionsverhaltens wurde durch eine Kombination von ZTE-Experimenten und standardisierten geologischen Methoden, wie Multi-Step Outflow (MSO) und tensiometrischen Messungen, durchgeführt. Im Vergleich zum etablierten Prozess der Akquirierung von Wasserretentionsdaten, bietet die hier vorgestellte Methode eine schnellere, präzisere und unkompliziertere Alternative.