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  1. 4.7 T 10-4 … 100 T 9.4 T Verschiedene NMR-Apparaturen Strukturaufklärung: bis 20 T klinische MRT: bis 2 T

  2. Spin-Echoes E. L. Hahn, 1950 time signal voltage D G H K L • reversible refocusing • of the transverse magnetization • in an inhomogeneous magnetic field • most important milestone before • the invention of magnetic resonance • imaging 23 years later glycerol 0,5 ms 0,5 ms time

  3. Nuclear Magnetic Resonance • discovered by physicists 58 years ago • Nobel prize for Physics 1952 to F. Bloch and E. M. Purcell • Nobel prize for Chemistry 1991 to R. R. Ernst • ½ Nobel prize for Chemistry 2002 to K. Wüthrich • Nobel prize for Medicine 2003 to P. Lauterbur (chemist) • and Sir P. Mansfield (physicist) • today: chemical and civil engineering • materials science • process control • landmine detection, food science, oil drilling, • water prospecting …

  4. Electron Spin Resonance (ESR) (auch Electron Paramagnetic Resonance (EPR) genannt) magnetische Resonanz in kondensierter Materie (paramagnetische Salze bei 1 GHz) E. K. Zavoisky Kazan, 1944 6,01

  5. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) 6,01 Spin (Drehimpuls!) + magnet. Dipolmoment (Magnetisierung) + Magnetfeld Präzession um B0 Spannungsinduktion P B0 F. Bloch, W. W. Hansen, M. Packard, 1946 (Stanford) Kernmagnetische Induktionssignale B0 M (Wasser) E. M. Purcell, H. C. Torrey, R. V. Pound, 1946 (MIT, Cambridge) Kernmagnetische Resonanzabsorption (Paraffin) Spins werden gegen das Magnetfeld gedreht unter Absorption von HF-Energie

  6. Chemische Verschiebung 6,01 OH CH2 CH3 W. G. Proctor, F. C. Yu, 1950 W. C. Dickinson, 1950 G. Lindström, 1950 J. T. Arnold, S. S. Dharmatti, M. E. Packard, 1951

  7. NMR-Bildgebung „Image formation by induced local interactions“ P. C. Lauterbur, 1973 Projektions/Rekonstruktions- verfahren 6,01 „NMR diffraction in solids?“ P. Mansfield, P. K. Grannell, 1973 (3 Schichten von Kampfer) „NMR Fourier Zeugmatographie“ A. Kumar, D. Welti, R. R. Ernst, 1974

  8. http://www.nobel.se/medicine/laureates/2003/press-ge.html

  9. Principles of MRI • constant magnetic field gradient • Larmor frequency depends on position • precession phase shift depends on position x1 x2 x

  10. Frequenzkodierung der räumlichen Magnetisierungs- verteilung mit Hilfe von Feldgradienten 6,01

  11. NMR imaging and velocity mapping echo (p)y (p/2)x RF frequ. enc. Gx phase enc. Gy phase enc. Gz time phase enc. Gx,y,z time 3 spatial(x,y,z)+ 3 velocity dimensions(vx,vy,vz) i.e., 3 four-dimensional or 2 three-dimensional experiments for three-dimensional or quasi two-dimensional samples, respectively

  12. Zeitverlauf eines Signals 6,01 Jean Baptiste Joseph Fourier (1768 – 1830) • entging knapp der Hinrichtung am 28. 7. 1794 • durch den Sturz Robespierres am 27. 7. 1794 • Diplomat in Ägypten und Präfekt des Dép. Isère • in Grenoble zu Napoleons Gnaden • seine FT-Arbeit wurde 1807 von Lagrange zur • Veröffentlichung abgelehnt (erschien dann erst • 1810 nach erneutem Einreichen) Fourier Transformation Frequenzspektrum (Zeitdomäne Frequenzdomäne) analog: Wellenzahlabhängigkeit Fourier Transformation räumliche Verteilung (reziproker Raum realer Raum) • Problem: • numerische Verarbeitung • Laborcomputer

  13. “hologram“ Fourier Transformation G k G k 0.5 mm phase wave numbers read Image reconstruction from encoded signals: superimposed frequencies and (incremented) phase shifts analyzed via Fourier transformation

  14. photo digital resolution 100 mm digital resolution 250 mm FOV (32 mm)3 Projected 3D spin density maps of water filled porous media pumice sponge

  15. velocity distribution (calculated) vz y y x x y x 1 spin density map 1H –signal vz 0 y y 10 mm x x NMR spin density mapping Laminar flow through a pipe flow of water velocity distribution (measured) NMR velocity mapping

  16. 3D Inverse ”Swiss Cheese“ Model Backbone (stagnant zones blackened) Percolation cluster (3D spin density map) FOV: 3.2cmx3.2cmx3.2cm; matrix: 64x64x64; porosity: ppc=0.087; 0.85mm/s < v < 16.65mm/s res.: Dx=270 mm; p-pc=0.02; (percolation cluster) (“noise”) (vmax)

  17. Electric current density mapping

  18. Electric current density mapping ()y (/2)x spin echo RF TE Gx MRI Gy Gz - + Current - + time time Tc / 2 Tc/ 2 Scott, Joy, Armstrong, Henkelman, J. Magn. Reson. 97 (1992) 235 Manassen, Shalev, Navon, J. Magn. Reson. 76 (1988) 371

  19. b a =+/2 =-/2 no current current M. Weber, R. Ki., Phys. Rev. E 66, 026306 (2002) experimental phase shift maps (object filled with electrolyte solution)

  20. Test object with ladder geometry a b map of phase shifts due to currents proton spin density map (matrix in blue) 1 c d map of the magnitude of the relative flow velocity v / vmax map of the magnitude of the relative current density j / jmax 0

  21. spin density maps of the pore space (in beige) of random site percolation clusters (6 cm x 6 cm) a a p=0.65 p=0.7 experimental j / jmaxmaps (pore space filled with electrolyte solution; applied voltage 30 V; max. current density) b b 1 c c calculated j / jmaxmaps 0 d d experimental v / vmaxmaps (flow induced by pressure gradient; max. velocity in the order of mm/s) y x

  22. test structure current ~ d mean flow velocity ~d3 current density flow velocity

  23. 6,01 Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) (BOLD, Bell Laboratories, S. Ogawa, 1989) allgemein: Abbildung aktiver Gehirnregionen bei Bewegungs- oder Denkübungen oder als Folge von Sinnesreizen lateral geniculate nucleus primary visual cortex Versuchsperson erfuhr hier visuellen Reiz wie z. B. 3D-Karten verschiedener Hirnregionen

  24. 6,01 80 h 120 h 160 h 180 h 220 h Biologisch abbaubare Kunststoffe 0 h Abbau von Poly(3-hydroxybutyrate) durch PHB-Depolymerase B links mit, rechts ohne Enzym

  25. metabolism and transport of 13C enriched hexoses (glucose + fructose) CYCLCROP 13C imaging 6,01 64x16 (256x256); FOV 6mm; slice 4mm; 17‘ - 1.5 h sucrose concentration maps Castor bean seedling

  26. „Inside-out NMR“ für die Erdölexploration (Bestimmung vonPorengrößenund desÖl/Wasser/Gas-Gehalts in Gesteinsformationen während des Bohrvorgangs durch Messung der kernmagnetischen Relaxationszeiten; Firmen Schlumberger-Doll, Exxon, Baker-Hughes u. a.) 6,01 • Bohrtiefen bis zu 10 km • Temperaturen bis 175°C • Bohrloch mit „Schlamm“ gefüllt • Sonde im Bohrgestänge • (10 cm Durchmesser, 2 m lang) Warum in situ NMR-Messungen? Bohrloch kostet > $ 100 000 pro Tag

  27. 6,01 Geophysikalische Anwendung („NMR Hydroscope“) (M. Goldman et al. 1984 und Shushakov 1986) Erdfeld ca. 0,05 mT

  28. Zirkulare Polarisation (m = +/-1)

  29. Überlagerung von zirkular pol. Wellen Überlagerung beider Wellen Lineare Pol. Elliptische Pol.

  30. P. J. Allen

  31. Rotation von Moleküle durch Laserbestrahlung Center for Optics Photonics and Lasers, Laval University

  32. Homeotropic cell of nematic liquid crystal