Promotionsvortrag von Ahmed Bahti

Diese Studie stellt ein Niedrigfeld-NMR-Spektrometer (LF-NMR) vor, welcher über einen mehrschichtigen Halbach-Magneten verfügt, der von einem kombinierten mechanischen und elektrischen Shim-System unterstützt wird. Diese Einrichtung bietet eine verbesserte Feldhomogenität und Empfindlichkeit im Vergleich zu Spektrometern, die auf Halbach- und Dipolmagneten basieren. Der mehrschichtige Halbach-Magnet enthält drei ineinander verschachtelte zylindrische Magnete, wobei eine zusätzliche innere Halbach-Schicht für mechanisches Shimmen gedreht werden kann. Die Spulen und Shim-Kerne des elektrischen-Systems sind mit Zirkoniumoxid, hermischem Epoxid und Silberpaste beschichtet, um passive Wärmeableitung zu ermöglichen und mechanische sowie thermische Stabilität zu gewährleisten. Darüber hinaus sind die 7-Kanal-Shim-Spulen in zwei Teile aufgeteilt, die parallel verbunden sind, was zu einer Reduzierung der Jouleschen Erwärmung von 96,2 °C auf 32,6 °C führte. Ohne das Shim-System zeigt der Halbach-Magnet eine Feldinhomogenität von etwa 140 ppm über dem Probenvolumen. Diese Designwahl zielt darauf ab, die Empfindlichkeit zu verbessern, B1-Inhomogenität zu minimieren sowie Impedanzunterschiede, Übertragungsverluste und Signalreflexionen zu reduzieren. Infolgedessen beträgt die resultierende Linienbreite von Wasser 4,5 Hz, bei einem Probenvolumen von 3 mm Länge und 2,4 mm innerem Durchmesser. Um die Wirksamkeit der spektralen Bearbeitung in LF-NMR-Anwendungen bei 29,934 MHz zu demonstrieren, wurden hydroxylierte und/oder methylhaltige Protonen in reiner Essigsäure selektiv angeregt, wobei die optimalen Steuerimpulse durch den Krotov-Algorithmus berechnet wurden.
Zusätzlich wurde gezeigt, dass die Verwendung von optimalen Steuerimpulsen bei einer Feldstärke von nur 0,5-0,7 T machbar ist. Die Formen der optimalen Steuerimpulse wurden mit dem Krotov-Algorithmus berechnet. In einer Mischung von nicht gekoppelten Spinsystemen war eine Vereinfachung der Komplexität des Algorithmus von exponentiell auf polynomial möglich. Hierbei wurde ein systemischer Ansatz verwendet, wobei jedes System einem (kleinen) Molekül entspricht. Auf diese Weise können verbindungsspezifische Anregungsimpulse berechnet werden. Die Signale von Substrukturen des Cyclopentenonmoleküls wurden unter Verwendung von optimalen Steuerimpulsen angeregt, was die Machbarkeit der Subspektralbearbeitung zeigt. Ebenso wurde für eine Mischung von Benzoesäure und Alanin nachgewiesen, dass durch Verwendung optimaler Steuerimpulse die Signale von entweder Benzoesäure oder Alanin bearbeitet werden können. Die erhaltenen Ergebnisse sind sehr vielversprechend und können auf die gezielte Analyse komplexer Gemische wie Bioflüssigkeiten oder Stoffwechselproben bei niedrigen Feldstärken ausgedehnt werden, was den Zugang zu Benchtop-NMR in Point-of-Care-Umgebungen ermöglicht. Die spektrale Auflösung in der Niedrigfeld-NMR ist begrenzt, welches die Analyse von Mischungen erheblich beeinträchtigen kann. In dieser Arbeit wurde nachgewiesen, dass die Implementierung von optimalen Steuerimpulsen bei einer Feldstärke von nur 0,7 T machbar ist und die Formen der verbindungsspezifischen Anregungsimpulse mithilfe des Krotov-Algorithmus berechnet werden können. Unter Verwendung dieses Algorithmus konnte gezeigt werden, dass die Spektren von Phenylalanin (Phe) und Taurin (Tau) jeweils einzeln oder beide gemeinsam angeregt oder eliminiert werden. Die Multipuls-WAHUHA-Sequenz wurde in der Hoch- und Niedrigfeld-NMR implementiert, um die dipolaren Terme im durchschnittlichen Spin-Hamiltonian bis zur ersten Ordnung zu eliminieren. Die Anpassung der Multipuls-WAHUHA-Sequenz in der Niedrig- und Hochfeld-NMR und die Anwendung auf Phe-Tau mit Agarose (1,5%), führten zu einer Reduzierung der homonuklearen dipolaren Kopplung auf 85% (oder um 15%). Entsprechend wurde die Linienbreite bei der Niedrigfeld-NMR von 20 Hz auf 15 Hz im überlappten NMR-Signal reduziert und die Linienbreite bei der Hochfeld-NMR von 15 Hz auf 9 Hz verringert. Die Implementierung der WAHUHA-Sequenz entspricht der Magic-Angle-Spinning NMR (MAS-NMR) bei einer Geschwindigkeit von 2000-3000 U/min.