(Gymnázium Jaroslava Seiferta) Zprovoznění experimentu "Elektronspinová a jaderná magnetické rezonance" pro pokročilé praktikum T. Přeučil, J. Kubant (Gymnázium Jaroslava Seiferta) Ing. D. Tlustý (školitel)

Jaderná magnetická REZONANCE

Jaderná magnetická rezonance připomenutí Týká se spinu jádra atomu tzn. pokud jádro vystavíme magnetickém poli, tak při určitých hodnotách frekvence v obvodu začne přijímat energii - dojde k rezonanci Při minulé prezentaci jsme jen poprvé dosáhli rezonance u dodaného vzorku

Jaderná rezonance Pokroky v experimentu Povedlo se nám dosáhnout rezonance u všech přiložených vzorků Dosáhli jsme rezonance i u vlastních vzorků: Vody a Nivey Proměřili jsme závislost proudu a magnetického pole v aparatuře S pomocí předchozího jsme spočítali g-faktor glycerinu a teflonu Začali jsme pracovat s novým digitálním osciloskopem, který umožňuje přesnější výsledky

Jaderná rezonance Měřené Vzorky Dodané vzorky: Polystyren H Glycerin H PTFE(Teflon)F Voda H

Jaderná rezonance Glycerin

Jaderná rezonance PTFE (teflon)

Porovnání H2O o různých množstvích

Larmorova frekvence Energie fotonu elektromagnetické vlny vyzářené elektronem při vypnutí magnetického pole je E = hf = mBB . Frekvence f této vlny se nazývá se Larmorovou a je dána vztahem: Po numerickém dosazení hodnot pro elektron Larmorova frekvence je [tesla] Pro proton (např. jádro vodíku) je Larmorova frekvence dána vztahem Pro fluor je f = 40,06 * B MHz Tento rozdíl vyplývá z rozdílných g–faktorů

Reakce protonů na vnější pole B Náhodná orientace spinů Spiny se uspořádají Precese se fázově sladí vnějším polem o Larmorově frekvenci f Precese el není fázově sladěna B0 B0

Proměřování magnetického pole v závislosti na proudu Proměřovali jsme po 0,1 A, nejde spočítat protože závisí na mnoha faktorech Fitovali jsme fcí sigmoid B [mT] I [A]

Proměřování magnetického pole v závislosti na proudu

Jaderná rezonance Měření G-faktoru G úměrný poměru mezi magnetickým polem a frekvencí při které dochází k rezonanci (larmontova frekvence) G faktor zůstává konstantní f=g*(µN/h)B y x k

Jaderná rezonance G-faktor Fluoru 5,44038 – naměřená hodnota 5,2567 – tabulková hodnota

Jaderná rezonance G-faktor Vodíku Spočítaný g faktor 5,76 Tabulková hodnota 5,59

Slow a Fast sweep 5MHz 30MHz Aparatura nabízí jen dvě velikosti základní frekvence Zpočátku jsme používali jen Fast(, protože slow sweep nedokázal osciloskop rozeznat

Jaderná rezonance V lékařství Jaderná magnetická rezonance (Nuclear Magnetic Resonance) se v medicíně používá k zobrazování vnitřní struktury stavby těla (přibližně od r. 1980). NMR zobrazuje strukturu tkání v rovinném řezu, který je veden 3D strukturou. Polohu tohoto řezu lidským tělem si volí lékař. V posledních letech se místo NMR ustálil v medicíně název Magnetic Resonance Imaging (MRI). Metoda MRI je citlivá na chemické složení biologických tkání a kosti při zobrazení nijak nepřekážejí.

Jaderná rezonance V lékařství Pro aplikaci NMR v lékařství je podstatný proces relaxace. Relaxací rozumíme proces doznívání signálu po vypnutí pole B, to je přechod ze stavu, kdy jaderné momenty synchronně rotují kolem směru B0, zpět do termodynamické rovnováhy. Tedy do stavu bez precese a se zcela náhodným směrem svého magnetického momentu. Tento proces se charakterizuje tzv. relaxační dobou. Pro NMR jsou podstatná relaxační doba spin – mřížková Takže pokud například při měření na frekvenci 42,7 MHz můžeme detekovat látky obsahující vodík. Při měření relaxační doby T1 na frekvenci 10,7 MHz by se detekovaly látky obsahujících uhlík. Lékařské přístroje MRI jsou téměř výhradně orientovány na detekci a rozlišení tkáni obsahujících vodík.

Jaderná rezonance V lékařství Silné statické pole B0 určující Larmorovu frekvenci se vytváří ze dvou složek: Homogenním pole slabší gradientní pole(zajistí, že hodnoty B0 se dosáhne jen v malém objemu tkáně=Voxel) Cívky vytvářející gradientní pole a spolu s nimi voxel mohou proskenovat zvolenou plochu objektu

Jaderná rezonance V lékařství Pole B1 = B sin(2pf t) se harmonicky mění s časem t Larmorovou frekvencí f a je orientováno kolmo na B0. B0 B1 Tyto cívky generují časově proměnné pole B1 Rovina skenování voxelu Tyto cívky detekují elektromagnetickou vlnu o frekvenci f a měří její doznívání – relaxační dobu

Digitální osciloskop Složitý Propojení počítačem Přesnost, efektní obrázky

Problémy Zdroj- potřebný stabilní Nevhodně navržené trubičky Krev Nepřesný analog Sweep fast/slow Hystereze (naakumulování magnetického pole a následná nepřesnost měření)

Elektron-spinová magnetická REZONANCE

Plány do budoucna Dodělat vše s jadernou rezonancí Sestavit i elektronspinovou aparaturu Průběžně hledat úkoly pro studenty FJFI A udělat vše co je nutné k ukončení projektu Cesta k vědě  Zdrojem nám byla wikipedie a http://physics.muni.cz/~kubena/CTaNMR7Tisk_soubory/frame.htm Vyhrazeno právo na killvitek