Introductory NMR & MRI: Video 04: Acquiring a Free Induction Decay (FID)
Summary
TLDRIn diesem Video wird ein grundlegendes Experiment zur Kernspinresonanz (NMR) mit dem Terra Nova-Apparat durchgeführt. Zunächst werden die Prinzipien der magnetischen Resonanz erläutert, einschließlich des statischen Magnetfelds der Erde und des transversalen oszillierenden Magnetfelds. Wasser wird als Probe verwendet, da es viele Wasserstoffatome (Protonen) enthält, die für NMR geeignet sind. Nach der Vorbereitung der Probe zeigt das Experiment die freie Induktionsabklingung (FID) eines Wassersignals bei etwa 2,17 kHz. Ohne Wasser tritt nur Rauschen auf. Zukünftige Videos werden komplexere Experimente und Anwendungen, wie die Magnetresonanztomographie, behandeln.
Takeaways
- 🔍 Die Grundlagen der magnetischen Resonanz wurden anhand eines mechanischen Rotationsmodells erklärt.
- 🧲 Ein statisches Magnetfeld ist erforderlich, das durch das Erdmagnetfeld bereitgestellt wird (etwa 60 Mikrotesla).
- 🔄 Zusätzlich wird ein transversales oszillierendes Magnetfeld benötigt, um die Spins zu stören.
- 💧 Das Experiment verwendet Wasser als Probe, da Wasserstoffkerne (Protonen) eine wichtige Rolle bei der Kernspinresonanz spielen.
- 🧑🔬 Der Sauerstoffkern im Wasser hat keine magnetischen Eigenschaften, daher ist er für die Kernspinresonanz irrelevant.
- 🌍 Es gibt mehr Wassermoleküle in einer Flasche Wasser als Flaschen Wasser in allen Ozeanen der Erde – eine große Anzahl von Protonen steht zur Verfügung.
- 📈 Die freie Induktionsabklingung (FID) wird nach einer Erregung aufgezeichnet und analysiert.
- 📊 Durch eine Fourier-Transformation des FID-Signals wird ein Frequenzspektrum erzeugt.
- 🧪 Das gemessene Präzessionssignal der Wasserstoffkerne im Wasser liegt bei etwa 2,17 kHz in Wellington.
- 🔬 Das Experiment bestätigt die Signalquelle aus dem Wasser und zeigt die Grundprinzipien der Kernspinresonanz.
Q & A
Was sind die beiden Grundprinzipien, die beim magnetischen Resonanzexperiment zu beachten sind?
-Die zwei Grundprinzipien sind ein statisches Magnetfeld, das durch das Erdmagnetfeld bereitgestellt wird, und ein transversales, oszillierendes Magnetfeld, das vom Gerät erzeugt wird.
Welches Magnetfeld wird im Experiment verwendet und wie stark ist es?
-Das Magnetfeld, das im Experiment verwendet wird, ist das Erdmagnetfeld mit einer Stärke von etwa 60 Mikrotesla.
Warum wird Wasser als Probe für das Experiment verwendet?
-Wasser enthält viele Protonen in den Wasserstoffatomen der Moleküle, was es für die Untersuchung durch Kernspinresonanz ideal macht.
Welche Rolle spielen die Wasserstoffkerne (Protonen) im NMR-Experiment?
-Die Wasserstoffkerne (Protonen) besitzen magnetische Eigenschaften und einen Drehimpuls, die entscheidend für die Wechselwirkung mit dem Magnetfeld im NMR-Experiment sind.
Wie unterscheidet sich die Rolle des Sauerstoffatoms im Wassermolekül von der der Wasserstoffatome?
-Das Sauerstoffatom hat keinen Magnetismus und keinen Drehimpuls, daher spielt es keine Rolle im NMR-Experiment.
Was passiert während des freien Induktionsabklingens (FID) im Experiment?
-Während des FID kehrt das System nach einer Anregung durch ein transversales Magnetfeld zu seinem thermischen Gleichgewicht zurück, wobei eine abklingende, oszillierende Signalantwort entsteht.
Warum wird eine Fourier-Transformation auf die Zeitdomänen-Daten angewendet?
-Die Fourier-Transformation wird verwendet, um das Zeitsignal in das Frequenzspektrum zu transformieren, wodurch die präzise Frequenz der Kernspinresonanz bestimmt werden kann.
Wie ändert sich die Präzessionsfrequenz je nach Standort auf der Erde?
-Die Präzessionsfrequenz variiert je nach Standort. In Wellington beträgt sie etwa 2,17 Kilohertz, während sie in der Antarktis etwa 2,6 Kilohertz beträgt.
Wie überprüft das Experiment, ob das Signal wirklich vom Wasser kommt?
-Das Wasser wird entfernt und das Experiment wiederholt. Ohne Wasser tritt nur Rauschen auf, was bestätigt, dass das ursprüngliche Signal vom Wasser stammt.
Welche weiteren Experimente werden in zukünftigen Videos behandelt?
-Zukünftige Videos behandeln fortgeschrittenere Experimente, die Informationen über die Molekülstruktur, Dynamik und Bewegung liefern, was die Grundlage für die Magnetresonanztomographie (MRT) bildet.
Outlines
🔬 Einführung in die Grundlagen der Magnetresonanz
Im ersten Teil des Videos wird eine Einführung in die grundlegenden Prinzipien der Magnetresonanz gegeben, indem das Beispiel der mechanischen Resonanz eines rotierenden Rades verwendet wird. Diese Prinzipien werden mit den Eigenschaften von Atomkernen, ihrem Magnetismus und dem Drehimpuls in einem Magnetfeld in Verbindung gebracht. Es wird auf die Verwendung des Terra-Nova-Geräts hingewiesen, um ein Experiment durchzuführen, das auf den Grundlagen eines statischen Magnetfelds (etwa 60 Mikrotesla) und eines oszillierenden magnetischen Felds basiert. Als Probe wird Wasser verwendet, um das Experiment zu demonstrieren.
💧 Untersuchung von Wassermolekülen und Protonen
In diesem Abschnitt wird Wasser als Probe verwendet und die Zusammensetzung von Wassermolekülen erläutert. Wasser besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Die Protonen im Kern der Wasserstoffatome sind für das Magnetresonanzexperiment entscheidend. Obwohl die Wassermoleküle dynamisch sind und die Wasserstoffatome zwischen Molekülen wechseln, gibt es eine enorme Anzahl von Protonen in der Wasserprobe, die für das Experiment genutzt werden können. Die Menge der Moleküle in einer Wasserflasche wird mit der Anzahl der Wasserflaschen in den Ozeanen verglichen, um das Konzept zu verdeutlichen.
🧪 Vorbereitung der Probe und alternative Materialien
Hier wird die Vorbereitung der Wasserprobe für das Experiment beschrieben. Wasser ist nicht das einzige Material, das für Magnetresonanzexperimente geeignet ist – auch andere Moleküle, die reich an Wasserstoff sind, wie beispielsweise Lipide im Körper, können verwendet werden. Es wird erklärt, dass Materialien, die Wasserstoff enthalten, besonders in flüssiger Form, für NMR-Experimente (nukleare Magnetresonanz) geeignet sind.
⚡ Durchführung des NMR-Experiments
Der Fokus dieses Abschnitts liegt auf der Durchführung des ersten NMR-Experiments mit dem Terra-Nova-Gerät. Zuerst wird ein vorpolarisierender Impuls verwendet, um eine größere Magnetisierung zu erzeugen. Danach wird das thermische Gleichgewicht der Spins durch ein transversales oszillierendes Magnetfeld gestört. Das erzeugte Signal, die freie Induktionsabklingung (FID), zeigt eine klare Oszillation über etwa zwei Sekunden. Die Fourier-Transformation des Zeitbereichs-Signals ergibt ein Spektrum im Frequenzbereich, das einen Peak bei etwa 2,17 kHz zeigt, was von den örtlichen Gegebenheiten abhängt.
🔍 Bestätigung der Signalquelle und Ausblick auf komplexere Experimente
Um sicherzustellen, dass das Signal von der Wasserprobe stammt, wird das Experiment ohne Probe wiederholt, wobei nur Rauschen zu erkennen ist. Dies bestätigt, dass das Signal tatsächlich von der Wasserprobe stammt. Es wird erklärt, dass dies das einfachste NMR-Experiment ist, bei dem die freie Induktionsabklingung erfasst wird. In zukünftigen Videos wird auf komplexere Experimente eingegangen, die Informationen über Moleküle und ihre Dynamik sowie ihre Positionen liefern. Dies bildet die Grundlage für die Magnetresonanztomographie (MRT), die in späteren Videos detailliert besprochen wird.
Mindmap
Keywords
💡Magnetresonanz
💡Statisches Magnetfeld
💡Transversaler oszillierendes Magnetfeld
💡Wasser
💡Protonen
💡Voreinpolungspulss
💡Freiinduktionszerfall
💡Fourier-Transformation
💡Präzessionsfrequenz
💡Moleküle
Highlights
Introduction to basic principles of magnetic resonance using a rotating wheel analogy.
Magnetic resonance involves a static magnetic field, provided by Earth's field (about 60 microteslas), and a transverse oscillating magnetic field.
Hydrogen nuclei in water, also known as protons, are used in this nuclear magnetic resonance experiment.
The sample used for this experiment is water, which contains many hydrogen nuclei suitable for magnetic resonance.
The Terra Nova apparatus is used to perform the nuclear magnetic resonance experiment.
A pre-polarizing pulse is used to create magnetization, followed by an excitation pulse to disturb the thermal equilibrium of spins.
The free induction decay (FID) of the signal is observed over a period of zero to two seconds.
Zooming in on the FID reveals a clear oscillation in the time domain, which can be transformed into the frequency domain using a Fourier transform.
The resulting spectrum shows a peak centered at approximately 2.17 kilohertz, correlating to the precession frequency of hydrogen nuclei in Wellington.
Precession frequency varies depending on geographic location (e.g., 2.6 kHz in Antarctica).
A control experiment without water produces no free induction decay, confirming the signal is coming from the water sample.
Any liquid material containing hydrogen, such as lipid molecules, is suitable for nuclear magnetic resonance experiments.
This experiment provides the simplest form of nuclear magnetic resonance, measuring free induction decay from water.
Later experiments will explore more sophisticated techniques, including learning about molecular structure and dynamics.
The experiment lays the foundation for understanding magnetic resonance imaging (MRI), which will be discussed in detail later.
Transcripts
previously we learned about the basic
principles of magnetic resonance using
the example of the mechanical residence
of a rotating wheel and we related that
to the idea of atomic nuclei with their
magnetism and their angular momentum
processing in a magnetic field now we're
going to carry out a nuclear magnetic
resonance experiment using the Terra
Nova apparatus behind me remember the
two principles that we need to consider
when we're thinking about magnetic
resonance we've got to have a static
magnetic field and that's provided by
the Earth's magnetic field which is
about 60 micro Tesla's and leads to
allow more precision frequency for
hydrogen nuclei of just over a couple of
kilohertz and the second thing we need
of course is that transverse oscillating
magnetic field which is provided again
by the probe of the terranova apparatus
of course we're going to need a sample
and the sample we're going to use today
is water I guess I should try to
convince you first foremost that it
really is water so let me just taste
some of it it definitely seems like
water to me so what is water made up of
well it's made up of molecules a bit
like this an oxygen atom which at its
heart has a nucleus which actually has
no mechanism and no angular momentum and
plays no part whatever in the nuclear
magnetic resonance phenomenon but
attached to the oxygen are two hydrogen
atoms and at the heart of those hydrogen
atoms are atomic nuclei
which we call protons and there's a
large abundance of these water molecules
and lots and lots of protons available
in the water sample that we're going to
prepare today actually the water
molecules are a little more complicated
than that because the hydrogen atoms
tend to jump from one molecule to
another but we needn't concern ourselves
about that there's an enormous number of
water molecules in
a container of water like this in fact
there are more molecules of water in
this bottle of water than there are
bottles of water like this and all the
oceans that's really a gigantic number
so we're going to have plenty of atomic
nuclei and plenty of nuclear magnetism
to play with so let's prepare the sample
[Applause]
this is the container that we're going
to place inside the probe of the terra
nova apparatus and I'll just fill it up
with water from this bottle by the way
what is not the only material that one
can perform nuclear magnetic resonance
experiments on there's lots of other
molecules around that contain plenty of
hydrogen for example I've got sitting
over here very different sort of
molecule it's an aliphatic chain such as
you might find in one of the lipid
molecules in your body lots of carbon
and lots of hydrogen in fact any
material that contains hydrogen
particularly when it's in a liquid form
is really quite suitable for carrying
out a nuclear magnetic resonance
experiment and the Terranova apparatus
so now we're ready to carry out our very
first nuclear magnetic resonance
experiment on the Terra Nova apparatus
remember we got to start with that pre
polarizing pulse to produce some larger
magnetization and then we have to
disturb the spins from their thermal
equilibrium state and for that we use
the transverse oscillating magnetic
field which is inside this probe we
apply that for a short period as a pulse
which is waiting now what the pre
polarizing is going on and now we have
the excitation and the decay of that
oscillating signal at the free induction
decay over a period of about zero to two
seconds let's zoom in on that free
induction decay and see if we can see
the oscillation there it is a very clear
oscillation revealed over the shorter
time window so that's known as the time
domain if we perform a Fourier
hence form on that time domain data we
get the spectrum and that spectrum lies
in the frequency domain and the
right-hand panel we can see that
spectrum corresponds to a definite peak
which is centered at about two point one
seven kilohertz I said before that the
precession frequency was about two and a
half kilohertz of course it varies from
place to place on the Earth's surface
down on Antarctica it's about 2.6
kilohertz and here in Wellington it's
just under 2.2 kilohertz so that's the
free induction decay from a water sample
really we should check this is real I'm
going to remove the water sample and
we'll run this experiment again and see
what happens
three polarizing pulse no free induction
decay just noise this time we really are
getting a signal from this bottle of
water so that's the very simplest
nuclear magnetic resonance experiment
obtaining the free induction decay in
later videos we'll look at more
sophisticated experiments we can learn
something about the nature of the
molecules something about the dynamics
how they're moving in a particular where
molecules are finding their positions
that's the basis of magnetic resonance
imaging and we're going to look at that
in some detail
you
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