Relaksaatio (NMR)

RF-indusoidun NMR: n spin-polarisaation hajoamiselle on ominaista kaksi erillistä prosessia, joilla kummallakin on omat aikavakionsa. Yksi prosessi, jota kutsutaan T1: ksi, on vastuussa resonanssin voimakkuuden menetyksestä pulssin herättämisen jälkeen. Toinen prosessi, jota kutsutaan T2: ksi, luonnehtii resonanssien leveyttä tai leveyttä. Muodollisemmin ilmaistuna T1 on aikavakio fysikaalisille prosesseille, jotka vastaavat ulkoisen magneettikentän kanssa yhdensuuntaisen ydinpinämagnetointivektorin M komponenttien relaksaatiosta, B0 (joka on perinteisesti nimetty z-akseliksi). T2: n relaksaatio vaikuttaa M: n koherentteihin komponentteihin, jotka ovat kohtisuorassa B0: een nähden. Tavanomaisessa NMR-spektroskopiassa T1 rajoittaa pulssin toistonopeutta ja vaikuttaa kokonaisaikaan, jolloin NMR-spektri voidaan hankkia. T1: n arvot vaihtelevat millisekunneista useisiin sekunteihin riippuen molekyylin koosta, liuoksen viskositeetista, näytteen lämpötilasta ja paramagneettisten lajien (esim.O2 tai metalli-ionit) mahdollisesta esiintymisestä.

T1Edit
Spin saturation transferEdit
T2Edit
T2* ja magneettikentän inhomogeenisuus
onko T1 aina pidempi kuin T2?Edit

T1Edit

pääartikkeli: Spin-hilan relaksaatio

pitkittäinen (tai spin-hilan) relaksaatioaika T1 on hajoamisvakio, joka palauttaa ydinhilan spin-magnetoinnin Z-komponentin, Mz, kohti sen termistä tasapainoarvoa, m z, e q {\displaystyle M_{z,\mathrm {eq} }}

$M_{z,\mathrm{eq}}$

. Yleensä m z (t) = m z, e q-e-t / T 1 {\displaystyle M_{z} (t)=M_{z,\mathrm {eq} } – e^{- t/T_{1}}}

$M_z (t) = M_{z,\mathrm{eq}} - e^{- t/T_1}$

erityistapauksissa:

jos M on kallistettu xy-tasoon, niin M z (0) = 0 {\displaystyle M_{z}(0)=0}
$_z(0)=0$

ja saanto on yksinkertaisesti

m z ( t ) = m z , e q ( 1 − e − t / T 1 ) {\displaystyle M_{z}(t)=M_{z,\mathrm {eq} }\left(1-e^{-t/T_{1}}\right)}

$m_z(t) = M_{z,\mathrm{eq}}\left( 1 - e^{-T/T_1} \right)$

toisin sanoen magnetointi palautuu 63% tasapainoarvostaan yhden aikavakion T1 jälkeen.

inversion recovery − kokeessa, jota käytetään yleisesti T1-arvojen mittaamiseen, alkumagnetointi on käänteinen, M z ( 0) = -m z , e q {\displaystyle M_{z}(0)= − M_{z,\mathrm {eq} }}
$m_z(0)= − M_{z,\mathrm{eq}}$

, ja näin palautuminen seuraa

m z ( t ) = m z , e q ( 1-2 E-T / T 1 ) {\displaystyle M_{z}(t)=M_{z,\mathrm {EQ} }\left(1 – 2E^{- t/t_{1}}\right)}

$M_z(t) = M_{z,\mathrm{EQ}}\left( 1-2E^{- t/T_1} \right)$

T1: n lieventämiseen liittyy ydinasevaltioiden väestön uudelleenjako, jotta saavuta terminen tasapainojakauma. Määritelmän mukaan tämä ei ole energian säästämistä. Lisäksi spontaani emissio on huolimattoman hidasta NMR-taajuuksilla. Näin ollen todella eristetyt ydinkierrot osoittaisivat T1: n rentoutumisnopeuden olevan mitätön. Erilaisten relaksaatiomekanismien avulla ydinpyöräytykset voivat kuitenkin vaihtaa energiaa ympäristönsä, hilan, kanssa, jolloin spinipopulaatiot voivat tasapainottua. Se, että T1-rentoutumiseen liittyy vuorovaikutus ympäristön kanssa, on vaihtoehtoisen kuvauksen, spin-ristikko-rentoutumisen alkuperä.

huomaa, että T1: n relaksaationopeus (eli 1/T1) riippuu yleensä voimakkaasti NMR: n taajuudesta, joten se vaihtelee huomattavasti magneettikentän voimakkuuden B mukaan.pieni määrä paramagneettisia aineita näytteessä nopeuttaa relaksaatiota hyvin paljon. Kaasunpoistolla ja siten liuenneen hapen poistamisella nestemäisten näytteiden T1/T2-arvo nousee helposti kymmeneen sekuntiin.

Spin saturation transferEdit

erityisesti molekyyleille, joilla on hitaasti rentouttavia (T1) signaaleja, spin saturation transfer (SST) – tekniikka antaa tietoa kemiallisista vaihtoreaktioista. Menetelmää voidaan soveltaa laajasti fluksionaalisiin molekyyleihin. Tämä magnetoinnin siirtotekniikka tarjoaa nopeudet, edellyttäen, että ne ylittävät 1 / T1.

T2Edit

pääartikkeli: Spin-spin relaksation

Play media

visuaalinen esitys protonin pyörimisestä jatkuvassa magneettikentässä B0. Visualisointi T 1 {\displaystyle T_{1}}

$T_{1}$

ja T 2 {\displaystyle T_{2}}

$T_{2}$

relaksaatioajat.

poikittainen (tai spin-spin) relaksaatioaika T2 on hajoamisvakio sille komponentille, jonka M on kohtisuorassa B0: tä vastaan, nimettynä Mxy: ksi, MT: ksi tai m ⊥ {\displaystyle M_{\perp }}

. Esimerkiksi alkuperäinen xy-magnetointi hetkellä nolla hajoaa nollaksi (eli tasapainotilaan) seuraavasti: M x y (t) = m x y (0) e-t / T 2 {\displaystyle M_{xy} (t)=M_{xy} (0) e^{- t / T_{2}}\,}

$M_{xy} (t) = M_{xy} (0) e^{- t/T_2} \,$

ts. poikittainen magnetointivektori putoaa 37%: iin alkuperäisestä magnitudistaan yhden aikavakion T2 jälkeen.

T2-relaksaatio on monimutkainen ilmiö, mutta perustasoltaan se vastaa poikittaisen ydinpinojen magnetoinnin dekoherenssia. Paikallisen magneettikentän satunnaisvaihtelut johtavat satunnaisvaihteluihin eri pyörähdysten hetkellisessä NMR-prekessiotaajuudessa. Tämän seurauksena ydinkierrosten alkuvaiheen koherenssi katoaa, kunnes lopulta vaiheet ovat epäjärjestyksessä eikä nettomagnetointia tapahdu. Koska T2-rentoutumiseen kuuluu vain muiden ydinpyöräytysten vaiheet, sitä kutsutaan usein ”spin-spin” – rentoutumiseksi.

Spin echo-pulssisarja ja magnetoinnin hajoamisanimaatio.

T2-arvot ovat yleensä paljon vähemmän riippuvaisia kentän voimakkuudesta B kuin T1-arvot.

Hahnin kaikuhajoamiskoetta voidaan käyttää T2-ajan mittaamiseen, kuten alla olevasta animaatiosta käy ilmi. Kaikun koko kirjataan kahden levitetyn pulssin eri väleille. Tämä paljastaa dekoherenssin, jota 180° pulssi ei kohdista uudelleen. Yksinkertaisissa tapauksissa mitataan eksponentiaalinen hajoaminen, jota kuvaa T 2 {\displaystyle T_{2}}

$T_{2}$

aika.

T2* ja magneettikentän inhomogeenisuus

lisätietoja: T2*-painotettu kuvantaminen

idealisoidussa järjestelmässä kaikki ytimet tietyssä kemiallisessa ympäristössä, magneettikentässä, Prekessio samalla taajuudella. Reaalijärjestelmissä kemiallisessa ympäristössä on kuitenkin pieniä eroja, jotka voivat johtaa resonanssitaajuuksien jakautumiseen ihanteen ympärille. Ajan myötä tämä jakauma voi johtaa magneettisten spin-vektorien tiiviin jakauman hajaantumiseen ja signaalin menetykseen (Vapaa Induktiohajoaminen). Itse asiassa useimmissa magneettiresonanssikokeissa tämä” rentoutuminen ” hallitsee. Tämä johtaa asteikon poistumiseen.

magneettikentän epähomogeenisuudesta johtuva dekoherenssi ei kuitenkaan ole todellinen ”relaksaatioprosessi”; se ei ole satunnainen, vaan riippuu molekyylin sijainnista Magneetissa. Molekyyleille, jotka eivät liiku, poikkeama ihanteellisesta rentoutumisesta on johdonmukainen ajan mittaan, ja signaali voidaan ottaa talteen suorittamalla spin echo-koe.

vastaava poikittainen relaksaatioaikavakio on siten T2*, joka on yleensä paljon pienempi kuin T2. Niiden välinen suhde on:

1 T 2 ∗ = 1 T 2 + 1 t i n h o m = 1 T 2 + γ Δ B 0 {\displaystyle {\frac {1}{T_{2}^{*}}}={\frac {1}{T_{2}}}+{\frac {1}{T_{inhom}} = {\frac {1}{T_{2}}} + \gamma \Delta B_{0}}

$\frac{1}{T_2^*}=\frac{1}{T_2}+\frac{1}{t_{inhom}} = \frac{1}{t_2}+\gamma \Delta B_0$

missä γ edustaa gyromagneettista suhdetta ja ΔB0 paikallisesti vaihtelevan kentän voimakkuuseroa.

toisin kuin T2, T2*: een vaikuttavat magneettikentän gradientin epäsäännöllisyydet. T2* – relaksaatioaika on aina lyhyempi kuin T2-relaksaatioaika ja on tyypillisesti millisekunteja kuvantamismagneettien vesinäytteille.