DE1523093C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von gyromagnetischen Resonanzsignalen einer ersten Teilchengruppe einer zu untersuchenden, noch eine zweite Teilchengruppe enthaltenden Substanz - Google Patents

Description

Es sind analytische Verfahren bekannt, die auf der Messung der gyromagnetischen Resonanzverhältnisse der die Substanz bildenden Grundpartikel beruhen. Derartige analytische Verfahren unterliegen der Beschränkung, daß nicht alle Elemente magnetische Resonanzeigenschaften haben, die zur Durchführung einer gyromagnetischen Resonanzspektroskopie hohen Auflösungsvermögens geeignet sind. Beispielsweise ist das einzige Kohlenstoffisotop, das einen gyromagnetisch aktiven Kern mit einem maßgeblichen magnetischen Moment aufweist, das Kohlenstoffisotop C¹³, und die Resonanzsignale, die direkt von diesem gyromagnetischen Kern abgeleitet werden können, sind unerwünscht niedrig.

In der Zeitschrift »Review of Scientific Instru^. ments«, 1960, S. 963, veröffentlichte Untersuchungen befassen sich damit, daß durch Spin-Spin-Kopplung zwischen gyromagnetisch aktiven Kernen eines Moleküls sich Multipletstrukturen in dem Resonanzspektrum der einen Kerngruppe ergeben, die die Auswertung eines gyromagnetischen Spektrums beeinträchtigen. Es wird dort beschrieben, daß das Auftreten derartiger Multiplet-Strukturbildungen von spektralen Resonanzlinien unterdrückt werden kann, wenn gleichzeitig mit der Resonanzerregung der einen, zu untersuchenden Kerngruppe die andere Kerngruppe der Moleküle mit ihrer entsprechenden Resonanzfrequenz erregt wird. Ein solches Verfahren wird als Doppelresonanzverfahren bezeichnet.

Die »Physical Review Letters«, 1956, Seite 543, beschreiben ein Experiment zur Relativmessung der C¹³-Resonanzfrequenz in bezug auf die Protonenresonanzfrequenz durch Anwendung der Doppelresonanzmethode. Es wurden in einer CH₃I-Probe, die zu 51 % angereichert C¹³ enthielt, als Kriterium für die Erregung der C¹³-Kerne mit ihrer Resonanzfrequenz das Verschwinden der Spin-Spin-Multiplet-Struktur der H^Resonanzlinien benutzt. Es läßt sich jedoch eine derartige Doppel-Resonanzmethode nicht allgemein für spektroskopische Zwecke hohen Auflösungsvermögens ausnutzen, weil die Signale, die in den Molekülen von spin-spin-gekoppelten Protonen herrühren, von den sehr viel stärkeren Signalen überdeckt werden, die auf Protonen der Moleküle zurückgehen, in denen nicht das gyromagnetische Kohlenstoffisotop C¹³, sondern das übliche Isotop C₁₂ eingebaut ist. In einer Substanz, die, wie üblich, C¹³ in einem Umfang von 1,1 % nur enthält, werden die C¹³ Spin-Spin-Kopplungserscheinungen unterliegenden Protonenspektrallinien vollständig überdeckt durch die Protonen-Spektrallinie, die nicht derartigen Kopplungserscheinungen unterliegt und entsprechend dem Übergewicht von C¹² ungefähr 200mal stärker auftritt.

Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung in dieser Beziehung. Sie beruht auf dem Grundgedanken, bei der Anwendung der Doppel-Resonanzmethode die Resonanzerregung der zweiten Partikelgruppe, die mit der auf Verschwinden der Multiplet-Struktur zu untersuchenden Partikelgruppe durch Spin-Spin-Ein-

wirkung gekoppelt ist, im Wege der modulierten Resonanzerregung durchzuführen.

Dabei soll die Spin-Spin-Kopplung der ersten Teilchengruppe nicht vollständig aufgehoben werden, vielmehr soll eine Überkopplung des Modulationssignals des zweiten Resonanzsignals auf das Resonanzsignal der ersten Teilchengruppe ausgenutzt werden.

Ein Verfahren zur Messung der gyromagnetischen Resonanz einer ersten Teilchengruppe, die Bestandteil einer noch eine zweite Teilchengruppe enthaltenden Substanz ist und deren Spins mit den Spins der zweiten Teilchengruppe gekoppelt sind, bei dem die zu untersuchende Substanz einem polarisierenden Magnetfeld ausgesetzt wird, weiter einem ersten Hochfrequenzfeld, dessen Frequenz in der Nähe oder bei der Resonanzfrequenz der ersten Teilchengruppe liegt, einem zweiten Hochfrequenzfeld, dessen Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz der zweiten Teilchengrüppe liegt und bei dem das von der ersten Teilchengruppe erzeugte'Resonanzsignal nachgewiesen wird, kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß. das der ersten Teilchengruppe zugeordnete Hochfrequenzfeld nicht moduliert wird, daß das der zweiten Teilchengruppe zugeordnete Hochfrequenzfeld niederfrequent moduliert und so stark gemacht wird, daß seine Amplitude am Ort der Probe in Frequenzeinheiten von der Größenordnung der Breite des Spektrums der zweiten Teilchengruppe ist und daß das Resonanzsignal der ersten Teilchengruppe durch phasenempfindliche Gleichrichtung bei der Frequenz w_m nachgewiesen wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Magneten zur Erzeugung eines polarisierenden Gleichfeldes, mit einem ersten Generator zur Erzeugung eines Hochfrequenzfeldes, dessen Frequenz in der Nähe oder -bei der Resonanzfrequenz einer ersten Teilchengruppe liegt, mit einem zweiten Generator zur Erzeugung eines zweiten Hochfrequenzfeldes, dessen Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz einer zweiten Teilchengruppe liegt, deren Spins mit den Spins der Teilchen der ersten Gruppe gekoppelt sind, mit einer Modulationseinrichtung und mit einem einen Phasendetektor und ein Registriergerät enthaltenden Empfänger kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß das Ausgangssignal des ersten Generators unmoduliert ist, daß die Modulationseinrichtung mit dem zweiten Generator, dessen Signalamplitude in Frequenzeinheiten genommen von der Größenordnung der Breite des Spektrums der zweiten Teilchengruppe ist, und ferner mit dem Phasendetektor zur Gleichrichtung des Resonanzsignals der ersten Teilchengruppe, das auf Grund der Spin-Spin-Kopplung eine Modulation der Frequenz cu_m enthält, verbunden ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Dadurch, daß das Resonanzsignal der ersten Teilchengruppe durch phasenempfindliche Gleichrichtung bei der Modulationsfrequenz des Resonanzsignals der zweiten Teilchengruppe nachgewiesen wird, läßt sich die Resonanz der letzteren auch durchführen, wenn die zu bestimmende Teilchengruppe nur einen geringen Anteil der zu untersuchenden Substanz bildet.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Von den Figuren zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines magnetischen Resonanzspektrometers hohen Auflösungsvermögens,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform,

F i g. 3 ein magnetisches Resonanzspektrum, welches der Erläuterung der in den F i g. 1 und 2 erörterten Anordnung dient,

Fig.4 und 5 Ausführungsform einer Schaltungsweise zur Feld-Frequenzstabilisierung eines Spektrometers gemäß F i g. 2.

Zur Vereinfachung der Darstellungsweise sollen im nachstehenden die erste Partikelgruppe und die zweite Partikelgruppe als Protonen bzw. C¹³-Kerne bezeichnet werden. Es ist indessen darauf zu verweisen, daß die beschriebene Meßtechnik auch bei anderen Partikelgruppen, beispielsweise anderen gyromagnetischen Kernen und unpaarigen Elektronen, Anwendung finden kann.

In F i g. 1 enthält die zu untersuchende Substanz 1 eine organische Lösung und befindet sich in dem polarisierenden Gleichfeld des Elektromagneten 2. Ein erster hochfrequenter Generator 3 erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld in der zu untersuchenden Substanz bei einer Frequenz ω_ν und zwar in der Nähe der magnetischen Resonanzfrequenz der Protonen; ein zweiter hochfrequenter Generator 4 liefert eine Frequenz ω₂ im Bereich der magnetischen Kernresonanzfrequenz des Kernes C¹³, wobei diese beiden magnetischen Wechselfelder im wesentlichen senkrecht zu dem polarisierenden Gleichfeld wirken. Für eine polarisierende magnetische Feldstärke von 14,1 Kilogauß beträgt die Frequenz O)₁ ungefähr 60 MHz, und die Frequenz ω₂ beträgt ungefähr 15,1 MHz.

Die Ausgangsschwingungen des Generators 4 werden mit einer Niederfrequenz ω_πτ moduliert, die durch einen Niederfrequenz-Oszillator 5 erzeugt wird, welcher mit der Modulatorstufe 4' gekoppelt ist. Es kann sich entweder um eine Frequenzmodulation oder um eine Amplitudenmodulation handeln. Der Schwingungserzeuger 5 steuert eine steuerbare Reaktanz im Generator 4, so daß sich eine Frequenzmodulation ergibt.

Um Überlappungserscheinungen bei der spektralen Wiedergabe zu vermeiden, wird die Frequenz <w_m wesentlich größer gewählt als der Spektralbereich A, der von Interesse ist, beispielsweise wird die genannte Frequenz zwischen 500 und 3000Hz gewählt. Wie F i g. 3 zeigt, hat die Ausgangsschwingung des Generators 4 ein Seitenband, welches gegenüber der Trägerwelle CO₂ sich um eine Frequenz w_m unterscheidet. Die beiden Frequenzkomponenten ω₂ und ω₂ + a>_m sind von der mittleren Frequenz des C¹³-Spektrums beispielsweise um 1000 Hz entfernt, was etwa eine Frequenz von derselben Größenordnung wie die Frequenz Δ ist. Wenn die Amplitude des modulierten auf die zu untersuchende Substanz zur Einwirkung gebrachten Feldes, welches durch den Schwingungserzeuger 4 geliefert wird, in Frequenzeinheiten durch das gyromagnetische Verhältnis γ des C¹³-Kernes ausgedrückt, ebenfalls von Größenordnung Δ ist, so hat das Feld zur Folge, daß Resonanzübergänge des C¹³-Kernes induziert werden, welche die Proton-C¹³-Spin-Spin-Kopplung modulieren, jedoch nicht zerstören. Diese Modulation moduliert daher die Resonanz der Protonen, welche mit den C¹³-Kernen gekoppelt sind, es wird jedoch nicht die Resonanz der nichtgekoppelten Protonen moduliert.

Die zur Anwendung gelangende zu untersuchende Substanz 1 bezweckt die Ankopplung der vom Generator 3 erzeugten hochfrequenten Schwingungen an den Verstärker 6 entsprechend der gyromagnetischen Resonanz der Partikel, in diesem Fall der Protonen, die in der Substanz vorhanden sind, zu verändern. Es kann beispielsweise die zu untersuchende Substanz als ein Probekörper mit senkrecht zueinander angeordneten Induktionsspulen ausgebildet sein oder auch als ein Körper mit einer einzigen Absorptionsspule.

Wenn gleichzeitig eine C¹³- und eine Protonresonanz vorliegen, so findet eine Modulation des aufgenommenen Signals statt infolge der Kopplungsmodulation der Protonresonanz, und diese Modulation kann angezeigt werden und liefert ein Signal, welches selektiv von den angekoppelten Protonen abhängt. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird die Modulation dadurch beobachtet, daß eine Mischung des empfangenen Signals mit" einem Anteil des vom Generator erzeugten Hochfrequenzsignals in der Mischstufe 7 stattfindet; dadurch wird ein Ausgangssignal bei der niederfrequenten Modulationsfrequenz co_m erhalten, und dieses Signal wird dem niederfrequenten Phasendetektor 9 zugeführt, der ein Bezugssignal der Frequenz cu_m von dem Niederfrequenz-Oszillator 5 zugeführt erhält. Das Ausgangssignal des Detektors 9 ist dann ein Gleichstromsignal, welches von dem durch Kopplung bedingten Protonensignal abhängt. Eine Unterscheidung zwischen dem sogenannten Absorptionssignal oder V-Signal und dem Dispersionssignal oder U-Signal wird durch Einstellung der relativen Phase des Eingangssignals, welches dem Phasendetektor 9 zugeführt wird, erzielt. Die Signalempfindlichkeit bei großen Modulationsfrequenzen wird durch die Anwendung der Seitenbandresonanztechnik bei der Erregung der Protonenresonanz verbessert. In diesem Fall ist die Frequenz des Generators 3 gegenüber der mittleren Resonanzfrequenz der Protonen, d. h. gegenüber der Larmorfrequenz, um ein vielfaches der Frequenz w_m verstimmt; im allgemeinen wird die erste Seitenbandfrequenz gewählt.

Ein Modulationsgenerator 30, der ein üblicher Sägezahngenerator ist, bewirkt ein Durchlaufen des Resonanzbereiches mit einer verhältnismäßig langsamen Periode von 1 bis 10 Minuten, so daß auf dem Registriergerät 11 ein Spektrum aufgezeichnet wird, das die durch Spin-Spin-Wirkung der angekoppelten Protonenresonanz bedingte Aufspaltung in Form von in entgegengesetzten Richtungen aufgezeichneten Linien zeigt, während das Signal der nicht angekoppelten Protonen, in der Mitte durch die punktierte Linie angedeutet, entfällt.

Es ist festzustellen, daß sämtliche Linien in dem Protonenspektrum unterdrückt werden, mit Ausnahme derjenigen, welche auf die Protonengruppe zurückgehen, die mit den Partikeln gekoppelt ist, welche eine Resonanzmodulation erfahren. Wenn beispielsweise die zu untersuchende Substanz ein Element wie Bor enthält, welches zwei Isotope wesentlich unterschiedlicher magnetischer Kernresonanzen aufweist, so könnte eine modulierte Resonanz in bezug auf das eine Isotop erzeugt werden und nur die Protonlinien zur Wiedergabe gebracht werden, welche ; auf die Kopplung mit dem genannten Isotop zurückgehen.

Wie aus der Figur zu ersehen ist, bewirkt der Generator 10 das Durchlaufen des Spektralbereiches durch eine Modulation des polarisierenden Magnetfeldes unter Anwendung einer Spule 10'; statt dessen könnte aber auch in entsprechender Weise die Frequenz des Generators 3 moduliert werden.

In Fig. 2 ist eine Anordnung gezeigt, in der die chemisch verschobenen Linien in dem C¹³-Spektrum dadurch bestimmt werden, daß von dem Generator 12 ein drittes magnetisches Wechselfeld auf die zu

ίο untersuchende Substanz 1 zur Einwirkung gebracht wird. Unter praktischen Verhältnissen wird es zweckmäßig sein, nur einen Hochfrequenzgenerator zu verwenden und die verschiedenen hochfrequenten Signale durch entsprechende Frequenzzusammen-

X5 Setzungsnetzwerke zu erzeugen. Das dritte Feld liegt im wesentlichen unter rechten Winkeln zu dem polarisierenden Magnetfeld mit einer Amplitude in Frequenzeinheiten, welche der Breitet einer einzelnen Linie entspricht, etwa 0,1 bis 1,0 Hz.

ao Wenn der Generator 3 und das polarisierende Feld auf Protonenresonanz in der Mitte einer der Multipletlinien, die in F i g. 1 aufgezeichnet gezeigt sind, eingestellt sind, so werden mit der niedrigen Säge-* zahnfrequenz des Modulationsgenerators 13 die C¹³-

s5 Resonanzen nacheinander durchlaufen, wobei der Generator 13 die Frequenz ω₃ des Generators 12 mittels der Abstimmvorrichtung 12' in dem Bereich Δ der F i g. 3 steuert. Wenn die Frequenz ω₃ die C¹³-Linie durchläuft, so wird die Kopplung der C¹³-Kerne mit der Linie der Resonanzprotonen verringert, so daß die Amplitude des aufgezeichneten Protonensignals dem C¹³-Spektrum folgt.

Zwecks Stabilisierung der in Fig.2 dargestellten Schaltung wird zweckmäßigerweise eine Feld-Frequenzkontrolle angewendet, welche zur Folge hat, daß das Verhältnis zwischen der Frequenz des Generators 3 und der Intensität des polarisierenden Feldes · des Magneten 12 auf eine Protonenresonanzlinie eingestellt wird. Es kann diese steuernde Linie von einer getrennten der Steuerung dienenden Substanz abgeleitet werden, es können jedoch auch gekoppelte oder nichtgekoppelte Linien der zu untersuchenden Substanz hierfür ausgenutzt werden. Zwei zweckmäßige Stabilisierungsanordnungen, welche Signale aus der zu untersuchenden Substanz ausnützen, sind in Fig. 4 und 5 gezeigt.

In F i g. 4 ist ein zweiter niederfrequenter Phasendetektor 14 vorgesehen, und die relativen Phasen der zugeführten Signale werden so eingestellt, daß ein Dispersionsausgangssignal geliefert wird, welches über eine Stabilisierungsspule 14' das Feld des Magneten 2 stabilisiert. Aus der Kurve 15 erkennt man, daß in Abhängigkeit der Feldintensität das Ausgangssignal Diskriminatoreigenschaften hat. Die Tendenz des Systems, von der Resonanzbedingung bei einer Bezugsfeldstärke H abzuweichen, liefert ein Abweichungssignal geeigneter Polarität, welches die Resonanz wieder herstellt. In Fig.4 wird das Abweichungssignal dazu verwendet, über die Spule 14' das Ma- gnetfeld zu stabilisieren; statt dessen könnte auch eine Stabilisierung der Frequenz des Generators 3 stattfinden.

In Fig.5 wird ein Signal des Niederfrequenzverstärkers 8 von der Frequenz w_OT über einen Amplitudenbegrenzer 15 geleitet, so daß eine Amplitudenmodulation beseitigt wird; das Signal wird dann dem Modulator 4' mit geeigneter Phase zugeführt, so daß eine Seitenbandresonanz der angekoppelten Protonen

in regenerativer Weise induziert wird. Statt des äußeren Oszillators 5 wird so ein frei schwingender kerngesteuerter Oszillator vorgesehen, dessen Frequenz stets korrekt bei der Frequenz w_m zur Aufrechterhaltung der Seitenbandresonanz liegt.

Es ist zu beachten, daß die Methode der Anzeige einer Resonanz einer Partikelgruppe während einer Modulation der Resonanz einer zweiten angekoppelten Gruppe ursprünglich vom Erfinder erdacht wurde, um in selektiver Weise Signale von miteinander ge- ίο koppelten Partikeln zu erhalten; es wurde aber festgestellt, daß ein solcher Apparat zweckmäßig ist in der bekannten Doppelresonanz-Spektroskopie, wobei die nicht modulierten Signale der ersten Partikelgruppe angezeigt werden. Dies läßt sich erreichen bei der Anordnung gemäß F i g. 1, indem Signale direkt von dem Ausgangskreis der Mischstufe 10 aufgezeichnet werden. In einem solchen Fall wird die Resonanz der zweiten Gruppe mit einem hohen Modulationsindex bei einer Modulationsfrequenz modu-

liert, die niedriger als die Konstante der Spin-Kopplung ist, so daß Spektrallinieri in dem Spektrum der ersten Partikelgruppe, die auf Kopplung mit der zweiten Gruppe zurückgehen, in einer Anzahl Linien kleiner Amplitude aufgespalten werden und daher in dem Spektrum verschwinden. Weiter kann die Resonanz der zweiten Gruppe bei einer Frequenz moduliert werden, die ungefähr in Frequenzen ausgedrückt der Amplitude des magnetischen Wechselfeldes entspricht, welches die Resonanz bewirkt, so daß auf diese Weise ein vollständigeres Zusammenbrechen der Spin-Entkopplung der Multiplets der ersten Gruppe sich ergibt, als dies bisher möglich war. Es ist zu beachten, daß zwei Gruppen gyromagnetischer Kerne entweder aus zwei Gruppen unterschiedlicher Kernarten bestehen können oder daß zwei chemisch verschobene Gruppen derselben Kernart unter Bedingungen Anwendung finden können, in denen die chemische Verschiebung groß ist im Vergleich zur Spin-Kopplungs-Konstanten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der gyromagnetisehen Resonanz einer ersten Teilchengruppe, die Bestandteil einer noch eine zweite Teilchengruppe enthaltenden Substanz ist und deren Spins mit den Spins der zweiten Teilchengruppe gekoppelt sind, bei dem die zu untersuchende Substanz einem polarisierenden Magnetfeld ausgesetzt wird, weiter einem ersten Hochfrequenzfeld, dessen Frequenz in der Nähe oder bei der Resonanzfrequenz der ersten Teilchengruppe liegt, einem zweiten Hochfrequenzfeld, dessen Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz der zweiten Teilchengruppe liegt und bei dem das von der ersten Teilchengruppe erzeugte Resonanzsignal nachgewiesen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das der ersten Teilchengruppe zugeordnete «o Hochfrequenzfeld (O)₁) nicht moduliert wird, daß das der zweiten Teilchengruppe zugeordnete Hochfrequenzfeld (ω₂) niederfrequent (w_m) moduliert und so stark gemacht wird, daß seine Amplitude am Ort der Probe in Frequenzeinheiten von der Größenordnung der Breite des Spektrums der zweiten Teilchengruppe ist und daß das Resonanzsignal der ersten Teilchengruppe durch phasenempfindliche Gleichrichtung bei der Frequenz (o_m nachgewiesen wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Magneten zur Erzeugung eines polarisierenden Gleichfeldes, mit einem ersten Generator zur Erzeugung eines Hochfrequenzfeldes, dessen Frequenz in der Nähe oder bei der Resonanzfrequenz einer ersten Teilchengruppe liegt, mit einem zweiten Generator zur Erzeugung eines zweiten Hochfrequenzfeldes, dessen Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz einer zweiten Teilchengruppe liegt, deren Spins mit den Spins der Teilchen der ersten Gruppe gekoppelt sind, mit einer Modulationseinrichtung und mit einem einen Phasendetektor und ein Registriergerät enthaltenden Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des ersten Generators (3) unmoduliert ist, daß die Modulationseinrichtung (4', 5) mit dem zweiten Generator (4), dessen Signalamplitude in Frequenzeinheiten genommen von der Größenordnung der Breite des Spektrums der zweiten Teilchengruppe ist, und ferner mit dem Phasendetektor (9) zur Gleichrichtung des Resonanzsignals der ersten Teilchengruppe, das auf Grund der Spin-Spin-Kopplung eine Modulation der Frequenz &>_m enthält, verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des ersten Generators um die Frequenz a>_m oder um ganzzahlige Vielfache dieser Frequenz gegen die Resonanzfrequenz der ersten Teilchengruppe versetzt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Generator (12) zur Erzeugung eines dritten Hochfrequenzfeldes vorgesehen ist, dessen Frequenz ω₃ in den Resonanzbereich der zweiten Teilchengruppe fällt, und daß der Generator (12) mit einer Wobbeieinrichtung (12', 13) und daß die Wobbeieinrichtung (12', 13) mit einem Registriergerät (11) verbunden ist.