Introductory NMR & MRI: Video 04: Acquiring a Free Induction Decay (FID)

Summary

In 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

00:00

🔬 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.

05:02

💧 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.

Keywords

💡Magnetresonanz

Magnetresonanz ist ein Verfahren, das zur Untersuchung von Atomkernen mithilfe von Magnetfeldern verwendet wird. Im Video wird gezeigt, wie man eine Kernmagnetresonanz-Experiment mit dem Terra Nova-Gerät durchführt. Die Kernmagnetresonanz ist zentral für das Verständnis der molekularen Strukturen und Bewegungen, da sie auf der Interaktion von Atomkernen mit einem äußeren Magnetfeld basiert.

💡Statisches Magnetfeld

Ein statisches Magnetfeld ist ein konstantes Feld, das für die Kernmagnetresonanz erforderlich ist, um die Atomkerne in einem bestimmten Zustand zu halten. Im Skript wird erwähnt, dass das Terra Nova-Gerät ein solches Feld liefert, das notwendig ist, um die magnetische Resonanz zu initiieren.

💡Transversaler oszillierendes Magnetfeld

Ein transversales oszillierendes Magnetfeld wird verwendet, um die Atomkerne aus ihrem thermischen Gleichgewicht zu bringen und die magnetische Resonanz zu erzeugen. Im Video wird gezeigt, wie dieses Feld durch den Detektor des Terra Nova-Geräts bereitgestellt wird und wie es die Atomkerne in Bewegung versetzt.

💡Wasser

Wasser ist das verwendete Probematerial im Video. Es besteht aus Wassermolekülen, die Protonen enthalten, die für die Kernmagnetresonanz relevant sind. Das Wasser wird als Beispiel verwendet, um die Grundlagen der Kernmagnetresonanz zu veranschaulichen.

💡Protonen

Protonen sind die Kerne von Wasserstoffatomen und haben eine magnetische Momente. Im Video wird erklärt, dass die Protonen im Wasser die Kernmagnetresonanz-Phänomene hervorruft, da sie eine große Anzahl von Protonen in der Wasserprobe vorhanden sind.

💡Voreinpolungspulss

Ein Voreinpolungspulss ist ein erster Schritt in der Kernmagnetresonanz-Experiment, um die Atomkerne in eine bestimmte Ausrichtung zu bringen. Im Skript wird dies als erster Schritt vor der Anwendung des transversalen oszillierenden Magnetfeldes beschrieben.

💡Freiinduktionszerfall

Der Freiinduktionszerfall ist der Abklingprozess des oszillierenden Signals nach der Anwendung des transversalen Magnetfeldes. Im Video wird dieser Prozess als Teil der Kernmagnetresonanz-Experiment dargestellt und zeigt, wie die Atomkerne zurück in ihr thermisches Gleichgewicht zurückkehren.

💡Fourier-Transformation

Die Fourier-Transformation wird verwendet, um Daten aus der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne zu übertragen. Im Video wird gezeigt, wie diese Transformation die Daten des Freiinduktionszerfalls in ein Spektrum umwandelt, das im Frequenzbereich interpretiert werden kann.

💡Präzessionsfrequenz

Die Präzessionsfrequenz ist die Frequenz, mit der die Atomkerne in einem Magnetfeld vor sich hin rotieren. Im Skript wird erwähnt, dass diese Frequenz für Wasserstoffkerne etwa 2,5 Kilohertz beträgt, aber sie kann von Ort zu Ort variieren.

💡Moleküle

Moleküle sind die Grundbausteine der Materie und bestehen aus Atomen, die durch chemische Bindungen verbunden sind. Im Video wird die Komplexität von Wassermolekülen beschrieben, wobei die Protonen von einem Molekül zu einem anderen wechseln können.

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