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Kernmagnetisches Resonanz-SpektroskopieveL-ahren
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Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur heteronuklearen
Entkopplung bei der mit hoher Auflösung arbeitenden gepulsten kernmagnetischen Resonanz-Spektroskopie.
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Ein kernmagnetisches Resonanzspektrum unterliegt einer Aufspaltung
der gewünschten nuklearen Signale in Multipletts als Folge einer Kopplung zwischen
den Spins der zu beobachtenden Arten von Kernen und denjenigen anderer Kerne, die
in der zu untersuchenden Probe vorhanden sind.
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Diese heteronukleare Kopplung ist charakteristisch für die Gruppierung
der Kerne in einem Molekül, und sie ist von statischen äußeren Bedingungen unabhängig.
Genauer gesagt, ist die Kopplung unabhängig von der Stärke des statischen Magnetfeldes,
von dem bei dem kernmagnetischen Resonanzverfahren Gebrauch gemacht wird, und die
bei einem bestimmten Paar von Kernarten hervorgerufene Wirkung läßt sich durch eine
Konstante J darstellen. In einfachen Fällen definiert die Konstante J den Abstand
zwischen zwei beliebigen einander benachbarten Linien des resultierenden Multipletts
und wird daher in Frequenzeinheiten gemessen.
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Insbesondere bei Kernarten von geringer natürlicher Häufig-13 keit,
z.B. C, ist es wichtig, für eine maximale Empfindlichkeit und Auflösung jeder chemisch
verschobenen Linie zu sorgen, und es liegt auf der Hand, daß die Erzeugung breiter
Multipletts als Folge der Kopplung zu einer Verringerung des Liniensignals führt
und die Lage der Linie ungewiß macht. Zu der Verhinderung oder Verringerung dieser
Wechselwirkung, die als Entkopplung bezeichnet wird, gehört es, daß während der
Gewinnung einer Probe von Signalen, die von der Resonanz der zu beobachtenden Kernart
herrühren, ein Störfeld zur Wirkung gebracht wird, das eine Frequenz hat, die im
Resonanzbereich der interferierenden Kerne liegt. Gewöhnlich handelt es sich bei
diesen Kernen um Protonen. Um den Bereich der Protonenresonanzfrequenzen zu erfassen,
die bei einem bestimmten chemischen System vorhanden sind, ist es üblich, eine geeignete
Modulation herbeizuführen; hierzu sind bereits verschiedene Vorschläge gemacht worden.
Die Wirkung des Störfeldes kann darin gesehen werden, daß schnelle Übergänge zwischen
den Spinpegeln des Protons herbeigeführt werden. Dann ist die Lebensdauer jedes
Spinzustandes im Vergleich zu der Zeit 1/J kurz, und im Idealfall wird keine resultierende
Kopplungswirkung beobachtet. Es sei bemerkt, daß diese Bedingung erheblich strenger
ist als die zur Sättigung des Spinsystems erforderliche, bei der Übergänge nur mit
einer Geschwindigkeit hervorgerufen zu werden brauchen, die im Vergleich zum Kehrwert
der Relaxationszeiten hoch ist.
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In der Praxis steht bis jetzt keine allgemeine und gültige Theorie
der Breitbandentkopplung zur Verfügung, und die idealisierten Bedingungen werden
bis jetzt nur teilweise erfüllt. Beispielsweise wird angenommen, daß bei einem Impulsmodulationsverfahren
zum Erfassen des Targetprotonen-Frequenzbereichs eine implizite Abhängigkeit von
der Proportionalität zwischen dem Grad der Entkopplung bei einer
bestimmten
Frequenz und dem Wert der Fourier-Komponente bei dieser Frequenz nicht gerechtfertigt
werden kann. Daher ist es bei bekannten Verfahren, die zu einer erheblichen Entkopplunq
filhren, möglich, daß nicht kompensierte restliche Wechselwirkungen verbleiben,
die ausreichen, um die 3G-Linien in einem erheblichen Ausmaß zu verbreitern und
so zu einer Verringerung der Auflösung und der Empfindlichkeit zu führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben,
bei dem es möglich ist, eine erhebliche Verminderung solcher restlicher Wechselwirkungen
zu erzielen.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die Schaffung eines Verfahrens
zur heteronuklearen Entkopplung bei der eine hohe Auflösung liefernden gepulsten
kernmagnetischen Resonanzspektroskopie gelöst, bei dem während der Gewinnung von
Signalen einer Probe, die auf die Resonanz einer zu beobachtenden Kernart zurückzuführen
sind, die Probe einer hochfrequenten Energiestrahlung ausgesetzt wird, und zwar
im wesentlichen bei der Resonanzfrequenz einer interferierenden Kernart, wobei die
Bestrahlung durch eine Reihe von zusammengesetzten Impulsen bewirkt wird, von denen
jeder mindestens eine annähernde Umkehrung der Längsmagnetisierung bezüglich der
interferierenden Kernart bewirkt, wobei zwei Arten von zusammengesetzten Impulsen
verwendet werden, die sich nur dadurch unterscheiden, daß die Hochfrequenzphase
bei der einen Art derjenigen der anderen Art entgegengesetzt ist und daß die Impulsreihe
die Form einer sich wiederholenden Folge hat, welche aus 2N Impulsen jeder der beiden
Arten besteht, wobei N eine positive ganze Zahl bezeichnet, wobei die genannte Folge
aus einer Grundfolge ableitbar ist, welche aus zwei der genannten zusammengesetzten
Impulse besteht, und zwar durch einen logischen Erweiterungsprozeß, zu dem mindestens
ein Schritt gehört,
der dazu dient, eine Folge einer höheren Ordnung
aus einer Folge einer niedrigeren Ordnung abzuleiten, so daß die Folge der höheren
Ordnung eine zyklische Permutation einer zusammengesetzten Folge bildet, welche
aus M verschiedenen Teilfolgen besteht, wobei M eine gerade Zahl bezeichnet, die
höchstens 4 beträgt, wobei jede der Teilfolgen zu der Folge der niedrigeren Ordnung
in einer bestimmten Beziehung steht, welche aus einer von vier Beziehungen ausgewäh7t
ist, bei denen es sich um die folgenden handelt: (a) die zyklische Permutation einer
geradzahligen Anzahl von Impulsen, (b) die zyklische Permutation einer ungeradzahligen
Anzahl von Impulsen, (c) die zyklische Permutation einer geradzahligen Zahl von
Impulsen in Kombination mit einem Wechsel zwischen den beiden Arten von Impulsen
sowie (d) die zyklische Permutation einer ungeraden Anzahl von Impulsen in Kombination
mit einem Wechsel zwischen den beiden Arten von Impulsen, wobei die Auswahl der
Bedingung unterliegt, daß (A) wenn M gleich 4 ist, die vier Beziehungsarten (a),
(b), (c) und (d) für die vier Teilfolgen gelten, welche die zusammengesetzte Folge
bilden, und (B) wenn M gleich 2 ist, die vier Beziehungsarten (-a), (b), (c) und
(d) für die vier Teilfolgen gelten, welche eine gedachte Folge bilden, die aus der
zusammengesetzten Folge und einer zusammengesetzten Folge einer ähnlichen Art besteht,
welche durch die zyklische Permutation einer geraden Anzahl von Impulsen in Beziehung
zu der zusammengesetzten Folge steht.
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Gegebenenfalls kann man die Reihe zusammengesetzter Impulse auch während
der Zeitspanne zur Wirkung bringen, die der Erregung von Resonanz bei der zu beobachtenden
Kernart vorausgeht, damit eine Breitband-Overhauser-Verstärkung herbeigeführt wird.
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Der Ausdruck "zusammengesetzter Impuls" wird im folgenden in dem gleichen
Sinne verwendet wie in der Arbeit, die von Freeman u.a. in J. Magn. Reson., Bd.
38, S. 453 (1980) veröffentlicht wurde, und er bezeichnet eine Impulsfolge (die
mindestens eine Periode freier Präzession zwischen einzelnen Impulsen umfassen kann),
deren Impulse einander so zugeordnet sind, daß der Zustand der relevanten Kernspins
nur dann von Interesse ist, wenn die Folge abgeschlossen worden ist. Es sei bemerkt7
daß die Erwähnung einer Reihe solcher Impulse nicht bedeuten soll, daß notwendigerweise
ein Intervall zwischen aufeinanderfolgenden zusammengesetzten Impulsen vorhanden
ist; vielmehr ist es im Hinblick auf die Zwecke der Verfahren nach der Erfindung
normal er weise erwünscht, daß zwischen aufeinanderfolgenden zusammengesetzten Impulsen
der Reihe keine bemerkbare Verzögerung auftritt. Der Ausdruck "Längsrichtung" bezeichnet
die Richtung des bei dem kernmagnetischen Resonanzverfahren verwendeten statischen
Magnetfeldes, um welches die ungestörten Spins der interferierenden Kernart präzedieren.
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Eine Form eines zusammengesetzten Impulses, der zur Verwendung bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist, besteht aus drei Einzelimpulsen,
die durch vernachlässigbar kurze Intervalle getrennt sind; hierbei haben der erste
und der dritte Impuls die gleiche Hochfrequenzphase und weisen jeweils die Nenndauer
vl/2 gB2 auf; der zweite Impuls hat eine Hochfrequenzphase, die sich um 900 von
derjenigen des ersten und des dritten Impulses unterscheidet, und er weist eine
Nenndauer zwischen Qr/ tB2 und 3 T/2 yB2 auf, wobei B2 die der Hochfrequenzbestrahlung
zugeordnete Magnetflußdichte und y das gyromagnetische Verhältnis der interferierenden
Kernarten bezeichnet. Bei der gebräuchlichen Schreibweise kann man diese Form eines
zusammenge setzten Impulses mit 90°(X) α(Y)90°(X) bezeichnen, wobei X zwischen
1800 und 2700 liegt, während X und Y zueinander
rechtwinklige Richtungen
im rechten Winkel zur Richtung des statischen Magnetfeldes (in einem um die zuletzt
genannte Richtung rotierenden Bezugsrahmen) bezeichnen. Diese Form eines zusammengesetzten
Impulses bewirkt eine Populationsinversion der interferierenden Kernspins in einer
Weise, die im Vergleich zur Verwendung eines einfachen 18O0-Impulses relativ unempfindlich
für Resonanzfrequenzversetzungen ist. Die durch den Winkel gegebene Länge des zweiten
Impulses kann entsprechend der gewünschten Bandbreite der Inversion gegenüber der
BestrahlungsEeldstärke gewählt werden, die zweckmäßig in Frequenzeinheiten gemäß
der Größe γB2/2# ausgedrückt wird. Wenn ¾ gleich 1800 ist, beträgt die relative
wirksame Bandbreite etwa 2( 9 B2/2 T) während sich nur etwa die Hälfte dieses Betrags
ergibt, wenn aw gleich 2400 ist; innerhalb dieses engeren Versetzungsbereichs ist
jedoch die Inversion genauer als bei einem niedrigeren Wert von s .
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Eine ebenfalls verwendbare alternative Form zusammengesetzter Impulse
besteht aus zwei Einzelimpulsen, welche die gleiche Hochfrequenzphase und jeweils
die Nenndauer 3T /2 B2 aufweisen und durch eine Interimsperiode mit einer Dauer
von etwa 2/ gB2 getrennt sind, während welcher eine freie Präzession auftreten kann.
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Wie erwähnt, wird bei den erfindungsgemäßen Verfahren von zwei Arten
zusammengesetzter Impulse Gebrauch gemacht, die sich nur dadurch unterscheiden,
daß die Hochfrequenzphase bei der einen Art derjenigen der anderen Art entgegengesetzt
ist. Die beiden Arten von zusammengesetzten Impulsen können zweckmäßig mit R und
R bezeichnet werden. Hat z.B.
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R die Form 90° (X)α(Y)90°X), hat R die Form 900(-X)8X(-Y)90°(-X).
Damit die gewünschte Entkopplungswirkung erzielt wird, werden die zusammengesetzten
Impulse so angeordnet, daß sie eine sich wiederholende Folge bilden,
bei
der die Impulse der beiden Arten in gleicher Anzahl auftreten und deren Form unter
Beachtung bestimmter Regeln gewählt ist. Auf diese Regeln wird weiter unten näher
eingegangen, doch sei schon hier bemerkt, daß es nicht möglich sein würde, eine
befriedigende Entkopplung bei einer sich wiederholenden Folge der einfachsten möglichen
Formen zu erreichen, die Impulse beider Arten enthält, welche sich mit RR bzw. RR
bezeichnen lassen. Um eine solche Wirkung zu erzielen, muß die sich wiederholende
Folge mindestens zwei Impulse jeder Art enthalten, so daß sich als die einfachste
Form einer Folge, die zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet
ist, die Anordnung RRRR, RRRR, RRRR und RRRR ergibt; diese vier Folgen sind bezüglich
ihrer Wirkung gleichwertig, wie man leicht erkennt, wenn man feststellt, daß sich
die vier Arten von Reihen, die durch ihre Wiederholung entstehen, nur am Anfang
und am Ende der Reihe unterscheiden. Mit anderen Worten, die vier Folgen stehen
miteinander durch die zyklische Permutation in Beziehung, die man im vorliegenden
Fall definieren kann als die Überführung mindestens eines Impulses vom Ende zum
Anfang einer Folge, wobei die Reihenfolge der überführten Impulse in Fällen erhalten
bleibt, in denen die Überführung mehr als einen Impuls betrifft; es sei bemerkt,
daß im allgemeinsten Fall die zyklische Permutation auch den Fall einschließt, bei
dem die Anzahl der überführten Impulse gleich der Anzahl der in der Folge enthaltenen
Impulse ist; in diesem Fall ist die permutierte Folge die gleiche wie die nicht
permutierte Folge. Ferner ist zu bemerken, daß die Folgen RRRR und RRRR dadurch
in Beziehung zueinander stehen, daß die beiden Impulsarten R und R miteinander vertauscht
werden (was der Umkehrung der Hochfrequenzphase für die ganze Folge gleichwertig
ist), was auch für die Folgen R§§R und RRRR gilt; es ist ersichtlich, daß die beiden
in dieser Beziehung zueinander stehenden Folgen bezüglich ihrer Wirkung gleichwertig
sind, da
die Zuteilung der Symbole R und R zu den beiden Arten
von Impulsen willkürlich ist. Wie weiter unten erläutert, läßt sich zwar eine befriedigende
Entkopplung bei der Verwendung einer der soeben erwähnten Folgen mit vier Impulsen
erzielen, doch erhält man bessere Ergebnisse, wenn man stattdessen eine kompliziertere
Folge benutzt, die in einer geeigneten Beziehung zu einer der genannten Folgen steht9
Die theoretische Basis der Wahl geeigneter Folgen ist sehr kompliziert, und daher
wird hier nur kurz darauf eingegangen. Der zugrundeliegende Gedanke besagt, daß
sich die relevanten Wirkungen der Folgen von zusammengesetzten Impulsen in Gliedern
einer mittleren Hamiltonschen Theorie ausdrücken lassen (siehe die Arbeit von Haeberlen
und Waugh in Phys. Rev., Bd. 175, S. 453 (1968). Es dürfte genügen, festzustellen,
daß bei der Betrachtung der Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Spins der
zu beobachtenden Kernarten und der interferierenden Kern arten in Gegenwart einer
periodischen Störung der letzteren Spins mit einer hinreichend hohen Wiederholungsgeschwindigkeit
der Hamilton-Wert für die wahre Wechselwirkung durch einen mittleren Hamilton-Wert
mit der Bezeichnung H ersetzt werden kann, der sich aus einer unendlichen Reihe
von Gliedern zusammensetzt, welche in ihrer Bedeutung fortschreitend abnehmen, wenn
die Wiederholungsgeschwindigkeit hinreichend hoch ist. Wenn die periodische Störung
einer Folge von zusammengesetzten Impulsen entspricht, zeigt es sich, daß diese
Glieder nur dann leicht zu berechnen sind, wenn man annimmt, daß die zusammengesetzten
Impulse eine genaue Inversion der interferierenden Spins herbeiführen. In der Praxis
ist dies nicht der Fall, denn keiner der zusammengesetzten Impulse arbeitet fehlerfrei
über einen großen Bereich von Resonanzfrequenzversetzungen. Dieser Gesichtspunkt
gewinnt insbesondere dann an Bedeutung, wenn der zusammengesetzte Impuls R die Nennform
900CX)1800CY)9o0Cx)
hat; wie erwähnt, ergibt sich zwar bei einem
Impuls dieses Typs eine große wirksame Bandbreite, doch ist die Inversion über den
ganzen Bereich keineswegs genau.
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Daher ist es zweckmäßig, die Möglichkeit zu betrachten, die sich bezüglich
einer Verbesserung der Entkopplung ergibt, wenn man Folgen benutzt, bei denen eine
Kompensation der Unvollkommenheiten bezüglich der Wirkungen der einzelnen zusammengesetzten
Impulse erreicht wird. Hierzu ist es zweckmäßig, anzunehmen, daß die Unvollkommenheit
bezüglich der Inversion durch einen kleinen Parameter S quantifiziert wird, und
jedes der Glieder des mittleren Hamilton-Wertes als Potenzreihe mit S zu erweitern;
auch diese Reihe konvergiert schnell, wenn S klein ist. Auf diese Weise kann man
den mittleren Hamilton-Wert H als eine Art Matrix in der nachstehenden Weise ausdrücken:
H = H0(#0) + H0(# 1) + H0(# 2) + ..........
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+ H1( #0) + H1(#1) + H1( #2) + ..........
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+ H2(# 0) + H2( 6 ) + H2( s 2) + + + + Unter geeigneten Bedingungen
ergibt sich hierbei eine Konvergenz nach rechts und nach unten. Um die Entkopplungswirkung
zu verbessern, muß man bestrebt sein, dafür zu sorgen, daß möglichst viele Glieder
dieser Matrix verschwinden.
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Die Verwendung von jeweils zwei Impulse enthaltenden Folgen, z.B.
RR oder RR, führt im allgemeinen nicht zu einem Verschwinden irgendwelcher Glieder
bei dieser Matrix, so
daß es mit Hilfe solcher Folgen nicht möglich
ist, eine ausreichende Entkopplungswirkung zu erzielen. Das Hauptmerkmal der theoretischen
Erwägungen besteht somit in der Entwicklung eines Satzes von Regeln, die es ermöglichen,
Folgen zu konstruieren, bei denen zu erwarten ist, daß sie bezüglich der Entkopplungswirkung
wirksamer sind als Folgen mit je zwei Impulsen. Will man diese Regeln in einer allgemeinen
Form darstellen, ist es zweckmäßig, zunächst einige Definitionen festzulegen. Wir
bezeichnen mit C jede Folge, die aus einer ungeraden Zahl (2K) zusammengesetzter
Impulse besteht, wobei jeder Impuls entweder den Typ R oder den Typ R repräsentiert.
Hierbei bezeichnet P den Satz von K Folgen, die durch die zyklische Permutation
einer ungeraden Anzahl von Impulsen in Beziehung zu C stehen, während Q den Satz
von K Folgen bezeichnet, die durch die zyklische Permutation einer geraden Anzahl
von Impulsen (einschließlich des Falles, bei dem diese gerade Zahl gleich 2K ist)
in Beziehung zu C stehen. P bezeichnet den Satz von K Folgen, der aus P durch den
Austausch der beiden Impulstypen abgeleitet wird, und Q bezeichnet den Satz von
K Folgen, die in der gleichen Weise aus Q abgeleitet werden. Es sei bemerkt, daß
alle Glieder dieser vier Sätze Folgen sind, die jeweils aus 2K zusammengesetzten
Impulsen bestehen. Ist z.B. C gleich RRRR, besteht P aus RRRR und RRRR, Q besteht
aus RRRR und RRRR, P besteht aus RRRR oder RRRR (und ist daher mit P identisch),
und Q besteht aus RRRR und RRRR (und ist daher mit Q identisch).
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Es läßt sich zeigen, daß bei jeder gegebenen Form von C alle Glieder
der Sätze P, Q, P und Q von gleichwertiger Wirkung auf C sind, wenn man sie wiederholt,
um Impulsreihen zu bilden. Es ist jedoch möglich, Glieder von verschiedenen dieser
Sätze so zu kombinieren, daß man eine erweiterte Folge E erhält, die sich anstelle
von C verwenden läßt, um die Entkopplungswirkung zu verbessern. Um
diese
Verbesserung zu erzielen, ist es im allgemeinen Fall erforderlich (in einer beliebigen
Reihenfolge), vier Folgen zu kombinieren, die jeweils aus den Sätzen P, Q, r und
5 ausgewäb-ltwerden. Man kann zeigen, daß die resultierende zusammengesetzte Folge
E die nachstehenden Eingenschaften hat, wenn man sie in Beziehung zu der weiter
oben dargestellten Matrixerweiterung von H setzt: (a) Ohne Rücksicht auf die jeweilige
Form von C wird E derart sein, daß mindestens das Glied HotS °) den Wert Null annimmt.
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(b) Ist C derart, daß in einer bestimmten Reihe der Matrix die Glieder
bis zum m-ten Glied.sämtlich gleich Null sind, ist E von solcher Art, daß es wahr
ist, und mindestens das (m+1)-te Glied in dieser Reihe wird ebenfalls gleich Null
sein.
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(c) Ist C von solcher Art, daß in jeder Spalte der Matrix nach oben
bis zum m-ten Glied die Glieder bis zum n-ten Glied alle gleich Null sind, ist E
von solcher Art, daß es wahr ist, und mindestens das (n+1)-te Glied in jeder der
relevanten Spalten wird ebenfalls gleich Null sein.
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Die vorstehend genannte allgemeine Bedingung macht es zur Erzielung
einer Verbesserung der Leistung im Vergleich zu der beschriebenen Verwendung einer
gegebenen Folge C erforderlich, daß die erweiterte Folge E aus insgesamt 8K zusammengesetzten
Impulsen besteht. In vielen Fällen läßt sich jedoch eine gewisse Verbesserung mit
Hilfe einer erweiterten Folge E erzielen, die sich nur aus 4K zusammengesetzten
Impulsen zusammensetzt. Diese Möglichkeit ergibt sich, da in solchen Fällen zwei
Teile der allgemeinen vierfachen Erweiterung redundant sind. Nachstehend sind zwei
einfache Fälle genannt, in denen dies zutrifft:
(a) Sind die Glieder
von Q die gleichen wie die Glieder von Q oder P, genügt die Erweiterung der Form
QP oder PQ, um eine Stufe einer Verbesserung gegenüber C zu erreichen.
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(b) Wenn die Glieder von Q die gleichen sind wie die Glieder von
P oder P, genügt eine Erweiterung der Form QQ oder QQ, um eine Stufe der Verbesserung
gegenüber C zu erreichen.
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Allgemeinere Bedingungen für eine Redundanz lassen sich wie folgt
aufstellen: tl) Gibt es eine Darstellung von QP oder PQ, die in einer Beziehung
zu einer Darstellung von QP oder PQ steht, und zwar durch die zyklische Permutation
einer geraden Anzahl von Impulsen, genügt eine Erweiterung der Form QP oder PQ.
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(2) Gibt es eine Darstellung von QP oder PQ, die durch die zyklische
Permutation einer geraden Anzahl von Impulsen in Beziehung zu einer Darstellung
von QP oder PQ steht, genügt eine Erweiterung der Form QP oder PQ.
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(3) Gibt es eine Darstellung von QQ oder QQ, die durch die zyklische
Permutation einer geraden Zahl von Impulsen in Beziehung zu einer Darstellung von
PP oder PP steht, ist eine Erweiterung in der Form QQ oder QQ hinreichend.
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Es ist ersichtlich, daß in allen diesen Fällen eine geeignete erweiterte
Folge E aus zwei Teilfolgen besteht, die jeweils aus zwei der vier Sätze P, Q, P
und Q auszuwählen sind.und die durch die zyklische Permutation einer geraden Zahl
von Impulsen in einer Beziehung zu einer Folge einer ähnlichen Art stehen, für welche
die beiden Teilfolgen jeweils aus den beiden anderen der vier Sätze ausgewählt werden.
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Es sei bemerkt, daß jede bestimmte erweiterte Folge E, die auf den
vorstehenden Regeln beruht, unter Erzielung einer gleichwertigen Wirkung durch eine
Folge ersetzt werden kann, die durch eine zyklische Permutation bzw. einen Austausch
der beiden Arten von zusammengesetzten Impulsen in einer Beziehung zu E steht. Ferner
ist zu bemerken, daß jede bestimmte erweiterte Folge E ihrerseits als Ausgangsfolge
C für einen weiteren Erweiterungsschritt nach den vorstehenden Regeln behandelt
werden kann; theoretisch kann der Erweiterungsprozeß unendlich fqrtgesetzt werden,
wobei schrittweise Verbesserungen bei den betreffenden Stufen der Erweiterung erreichbar
sind.
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Die vorstehend behandelten Regeln sind von allgemeiner Art, so daß
man theoretisch als Ausgangspunkt für einen solchen Erweiterungsprozeß jede Folge
wählen kann, die aus einer geraden Zahl von zusammengesetzten Impulsen besteht.
In der Praxis ist es jedoch erwünscht, Folgen zu benutzen, die möglichst kurz sind,
wobei jeweils ein bestimmter Grad der Verbesserung bezüglich der Entkopplung erzielt
wird.
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Daher ist es zweckmäßig, die weitere Aufmerksamkeit lediglich auf
Fälle zu richten, bei denen der Ausgangspunkt für den Erweiterungsprozeß eine Grundfolge
ist, die aus nur zwei zusammengesetzten Impulsen besteht. Es sei angenommen, daß
von C in der Form RR ausgegangen wird. In jedem Fall haben P und Q beide die Form
RR, während P und Q beide die Form RR haben; somit genügt eine Erweiterung der Form
Qg (d.h. RRRR), um sicherzustellen, daß das Glied H (s ) verschwindet. Die Folgen
RRRR, RKRR und R§§R haben natürlich die gleiche Wirkung, wenn man die Gesichtspunkte
beachtet, die sich auf die zyklische Permutation bzw. den Austausch der beiden Arten
von Impulsen beziehen. Genau die gleichen Schlüsse ergeben sich bezüglich der vier
brauchbaren, jeweils vier Impulse umfassenden Folgen, wenn man von C in einer der
Formen R§, RR und §§ ausgeht; im ersten
dieser Fälle haben z.B.
P und Q beide die Form RR, während Q und P beide die Form RR haben, so daß eine
Erweiterung der Form QP (d,h, RRRR) offensichtlich ausreicht, usw.
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Um zu zeigen, auf welche Weise sich der Expansionsprozeß fortsetzen
läßt, sei der Fall betrachtet, in dem C gleich RRRR ist. In diesem Fall gilt Q =
Q, so daß eine Erweiterung der Form QP ausreicht, um bezüglich der Entkopplungswirkung
eine Verbesserung gegenüber C zu erreichen. Die erweiterte Folge E kann dann die
Form RRRR RRRR annehmen; bei dieser Form haben die Glieder Ho (d 1) und H1( °) zusätzlich
zu dem Glied H0 °) den Wert Null. (Bei der Darstellung der Form der Folge E im vorstehenden
Satz wurde ein Spalt zwischen aufeinanderfolgenden, jeweils aus vier Impulsen bestehenden
Teilfolgen freigelassen; es sei betont, daß diese Übereinkunft bezüglich der Schreibweise
in der vorliegenden Beschreibung lediglich zur Erleuchterung des Verständnisses
angewendet wird, daß dies jedoch nicht bedeuten soll, daß in der Praxis irgendwelche
größeren Intervalle zwischen den Teilfolgen vorhanden sind.) Wenn man bei dem nächsten
Schritt des Erweiterungsprozesses für C die Form RRRR RRRR wählt, wird keine der
einfachen Redundanzbedingungen (a) und (b) befriedigt, und man muß die allgemeineren
Bedingungen Cl) bis (3) berücksichtigen.
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Betrachtet man insbesondere die Bedingung (3), ist ersichtlich, daß
eine Darstellung von QQ die Form RRRR RRRR RRRR RRRR und eine Darstellung von PP
die Form RRRR RRRR RRRR RRRR hat. Diese beiden Darstellungen stehen durch die zyklische
Permutation der vier Impulse in Beziehung zueinander, so daß eine Erweiterung der
Form QQ ausreicht. Somit haben bei der 16 Impulse umfassenden Folge RRRR RRRR RRRR
RRRR die Glieder H0(#2), H1(#1) und H2(#0)zusätzlich den Wert Null. Das gleiche
gilt natürlich auch für die zyklischen Permutationen dieser Folge, z.B. RRRR RRRR
RRRR
RRRR. Es sei jedoch bemerkt, daß man die zuletzt genannte
Folge im Gegensatz zu der 16 Impulse umfassenden Folge, aus der sie abgeleitet wurde,
nicht so betrachten kann, als ob sie einfach aus den vier brauchbaren Folgen zu
je vier Impulsen aufgebaut wäre. Der Erweiterungsprozeß kann natürlich von dem Stadium
mit 16 Impulsen ausgehend fortgesetzt werden, so daß man z.B. jeweils 64 Impulse
umfassende Folgen erhält, z.B. die Folge RRRR RRR R§§R RRRR §§RR RRRR RHR RRRR RRRR
RRRR. RRRR RRRR RRRR RRRR RRRR RRRR Hierbei hat Hj(#k ) für alle Werte von (j+k),
die nicht höher sind als 4, den Wert Null.
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Bei der erläuternden Darstellung im vorstehenden Absatz bedingt jeder
Schritt des Erweiterungsverfahrens, das zu einer Folge mit 64 Impulsen führt, eine
Verdopplung der Länge der relevanten Folge, denn in jedem Fall wird eine der Redundanzbedingungen
berücksichtigt. Es sei jedoch bemerkt, daß man die Folge RRRR RRRR RRRR RRRR mit
16 Impulsen als vierfache Erweiterung Cin der Form QPQP) der Folge RRRR betrachten
kann, was auch für die genannten 64 Impulse in Beziehung zu der Folge mit 16 Impulsen
gilt.
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Zwar könnte man den Erweiterungsprozeß theoretisch unbegrenzt auf
Folgen von noch höheren Ordnungen erweitern, doch ist zu erwarten, daß andere Faktoren
(die vorstehend nicht berücksichtigt werden, jedoch weiter unten erfaßt werden)
die praktische Brauchbarkeit sehr langer Folgen einschränken, und es wird angenommen,
daß sich in der Praxis nur wenige Fälle ergeben, in denen es vorteilhaft sein würde,
Folgen mit mehr als 64 Impulsen zu verwenden.
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Vorstehend wird die Wiederholungsgeschwindigkeit der eriodischen Störung
der interferierenden Spins behandelt.
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Bezüglich der Folgen mit vier Impulsen, z.B. RRRR, beruht
die
Theorie auf der Annahme, daß 2'lJT 2JT<1, wobei T die Gesamtdauer der Folge und
J die in Frequenzeinheiten ausgedrückte Spinkopplungskonstante bezeichnet. Eine
ähnliche Betrachtung gilt bezüglich erweiterter Folgen, die aus einer solchen Folge
mit vier Impulsen abgeleitet sind, wobei T die Dauer der vier Impulse umfassenden
Folge bezeichnet, aus der die erweiterte Folge abgeleitet ist, d.h.
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nicht die Gesamtdauer der erweiterten Folge selbst.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer
Zeichnungen näher erläutert; es zeigt: Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines
zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Spektrometers; Fig.
2 eine Entkopplungs- und Gewinnungs-Irnpulsfolge für das Spektrometer nach Fig.
1; Fig. 3 den zusammengesetzten Aufbau der Entkopplungsimpulse nach Fig. 2; Fig.
4 in einer graphischen Darstellung die Abhängigkeit des effektiven Entkopplungsfeldes
von der Resonanzversetzung; Fig. 5 in einem rotierenden Rahmen eine durch einen
einzigen 1800-Impuls erzeugte Längsinversionsbahn; Fig. 6 und 7 jeweils in einem
rotierenden Rahmen die durch alternative Formen zusammengesetzter Impulse erzeugten
Längsinversionsbahnen; Fig. 8 und 9 Darstellungen zum Vergleichen der Ergebnisse,
die sich mit Hilfe erfindungsgemäßer Verfahren bzw.
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bekannter Verfahren zur heteronuklearen Entkopplung erzielen lassen;
Fig. 10 Ergebnisse, die mit Hilfe eines Verfahrens nach der Erfindung erzielbar
sind; und Fig. 11 die Ergebnisse eines vergleichbaren Versuchs, bei dem ein bekanntes
Verfahren zur heteronuklearen Entkopplung angewendet wird.
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In der folgenden Beschreibung ist der Deutlichkeit halber angenommen,
daß es sich bei der zu beobachtenden Kernart um Kohlenstoff-13 handelt, wobei die
interferierende Kernart durch Protonen gebildet wird.
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Gemäß Fig. 1 wird eine nicht dargestellte Probe, die diese Kernart
enthält, in einem Bereich angeordnet, in dem ein im wesentlichen gleichmäßiges Magnetfeld
Bo herrscht, das zwischen zwei Polstücken 10 erzeugt wird. Zwei Spulen 12, die auf
einer zur Richtung des Magnetfeldes Bo rechtwinkligen Achse angeordnet sind, werden
mit Hilfe eines Senders 14 hochfrequente Impulse zugeführt, um das erforderliche
13 Feld B1 zur Anregung der C-Resonanz zu erzeugen. Der Sender 14 enthält Steuer-
und Verzögerungselemente zur Regelung der Dauer und der relativen Phase der hochfrequenten
Impulse. Die Spulen 12 dienen außerdem dazu, die freien Induktionsabklingsignale
der Probe aufzunehmen, die einem Empfänger 16 zugeführt werden, wo sie auf kohärente
Weise erfaßt werden; die erfaßten Signale werden abgefragt, so 13 daß man Daten
erhält, aus denen sich das Spektrum mit Hilfe der üblichen Fourier-Transformation
ableiten läßt.
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Eine weitere Spule 18, deren Achse der Einfachheit halber als rechtwinklig
zu der Achse der Magnetfelder Bo und B1 verlaufend dargestellt ist, dient zur Erzeugung
eines Protonenentkopplungsfeldes B2. Die Spule 18 wird durch einen
einen
Sender 20 gespeist, bei dem ähnliche Steuermöglichkeiten bestehen wie bei dem Sender
14. Bei einem Feld B o von etwa 2,1 Tesla nimmt die Protonenentkopplungs-Sender
frequenz ein Band in der Nähe von 90 14Hz ein, während die 13C-Erregerfrequenz des
Senders 14 in der Nähe von 23 14Hz liegt; bei einem Feld Bo von etwa 4,7 Tesla ergeben
sich entsprechend 200 bzw. 50 MHz. Die erforderliche Entkopplungsbandbreite richtet
sich nach den chemischen Verschiebungen, die im Probenmaterial vorhanden sind, sowie
nach der Stärke des Feldes Bo, doch erweist sich gewöhnlich eine Bandbreite von
einigen kHz als zweckmäßig, wenn B 0 einen der vorstehend genannten Werte hat.
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Der Sender 20 erzeugt ein Signal in Form einer ungedämpften Welle,
deren Phase in bestimmten Intervallen (zwischen Pegeln der relativen Phase 00, 900,
1800 und 2700) nach einem sich wiederholenden Muster derart geändert wlrd, daß das
Ausgangssignal des Senders 20 eine Reihe von zusammengesetzten Impulsen bildet,
zwischen denen vernachlässigbar kleine Intervalle vorhanden sind. Die zusammengesetzten
Impulse gehören zu den beiden Typen R und R, welche die Nennformen 9ootx)s (Y)90°(X)
bzw. 900C-x)C-Y)900(-x) aufweisen, wobei α gleich 1800 oder 2400 ist und wobei
das sich wiederholende Muster der Phasenänderungen so gewählt ist, daß es einer
der weiter oben behandelten erweiterten Folgen entspricht, z.B. der vier Impulse
enthaltenden Folge RRRR oder der 16 Impulse enthaltenden Folge RRRR RRRR RRRR RRRR.
Es sei bemerkt, daß die tatsächliche Dauer jedes zusammengesetzten Impulses (und
damit auch die Wiederholungsperiode für eine Folge mit einer gegebenen Anzahl solcher
Impulse) entsprechend dem für die Stärke des Entkopplungsfeldes B2 gewählten Wert
invers variiert. Wenn dieser Wert z.B. in Frequenzeinheiten ausgedrückt etwa 8 kHz
entspricht, beträgt die Dauer eines zusammengesetzten Impulses der Form 90°(X) 180°(Y)90°(X)
etwa 0,125 ms, so daß die Wiederholungs-
periode bei einer Folge
mit 16 Impulsen etwa 2 ms beträgt.
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In manchen Fällen kann es jedoch erwünscht sein, mit einer geringeren
Entkopplungsleistung zu arbeiten, die zB. einem Wert der Feldstärke bis herab zu
1 kHz entspricht. Bei diesem Wert würden die entsprechenden Werte etwa 1 ms für
die Dauer des zusammengesetzten Impulses bzw. 16 ms für die Wiederholungsperiode
der Folge mit 16 Impulsen betragen.
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In solchen Fällen dürfte insbesondere der Wunsch bestehen, für den
Winkel 4 anstelle des Wertes 240° den Wert von 180° zu verwenden, um den Vorteil
einer größeren effektiven Bandbreite für die Entkopplung zu erzielen. Zum Vergleich
13 sei erwähnt, daß es zur Erzielung eines vollständigen c-Spektrums normalerweise
erforderlich ist, daß die Intervalle, in denen die freien Induktionsabklingsignale
abgefragt werden, nicht länger sind als etwa 0,1 ms, wenn das Feld B den Wert 4,7
Tesla hat.
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0 Der Sender 20 bleibt natürlich während der gesamten Zeitspanne
in Betrieb, während welcher Daten aus den Signalen 13 gewonnen werden, die aus der
C-Resonanz resultieren, welche durch einen Impuls des Senders 14 angeregt wird.
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Um einen weiteren Beitrag zur Empfindlichkeit zu erhalten, kann der
Sender 20 auch während der Periode eingeschaltet sein, die diesem Impuls unmittelbar
vorausgeht, damit eine Overhauser-Kernverstärkung erzielt wird.
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Fig. 2 zeigt die Anordnung für den Fall, daß die Folge RRRR angewendet
wird und daß der Sender 14 eingeschaltet wird, um einen 900-13C-Gewinnungsimpuls
(wie auf der unteren Achse 24 dargestellt) im gleichen Zeitpunkt zu erzeugen, in
dem der Sender 20 in Betrieb gesetzt wird, um die Reihe von zusammengesetzten Impulsen
einzuleiten, wie es längs der oberen Achse 22 dargestellt ist. Lediglich für die
Zwecke der Illustration sind die beiden Arten von zusammengesetzten Impulsen R und
R über bzw. unter der Achse
22 dargestellt, wobei die Impulse laufend
numeriert sind; die erste Folge, die aus den Impulsen Rl, R2, R1 und R2 besteht,
ist natürlich identisch mit der Folge, die durch die Impulse R3, R4, R3 und R4 usw.
gebildet wird. Die freien Induktionsabklingsignale sind durch die Schwingungslinle
dargestellt, die auf den 90°-13C-Impuls folgt.
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Reihe die zusammengesetz-Der Aufbau und die Erzeugung der Reihe von
zusammengesetzten Impulsen nach Fig. 2 ist in Fig. 3 für den Fall dargestellt, daß
α gleich 240° ist, wobei die Darstellung für das sich wiederholende Muster
der Phasenänderungen des Signals in Form einer ungedämpften Welle gilt, die durch
den Sender 20 erzeugt wird, wobei die Phasenwinkel von 90° und 2400 natürlich für
die Impulse gelten, aus denen die zusammengesetzten Impulse bestehen.
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Bevor auf die Ergebnisse eingegangen wird, die sich mit Hilfe der
soeben beschriebenen Anordnung erzielen lassen, erscheint es als zweckmäßig, zunächst
eingehender den Aufbau der zusammengesetzten Impulse in Beziehung zu dem Erfordernis
der Inversion der Protonenmagnetisierungsachse zu betrachten, wobei insbesondere
die naturgegebenen Nachteile berücksichtigt werden, die auftreten, wenn man bei
einem praktisch verwendeten System einen Impuls mit einer Nennlänge von 180° verwendet.
Eine genaue Inversion mit Hilfe eines einzigen 180 0-Impulses wird bei einem Proton
an einem bestimmten Platz unmöglich, wenn die Entkopplungsfrequenz gegenüber der
Resonanz erheblich versetzt ist.
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Eine solche Resonanzversetzung, die bei der Entkopplung ein sehr wichtiges
Problem darstellt, entspricht in ihrer Bedeutung der Einführung einer zusätzlichen
Feldkomponente längs der Z-Achse, d.h. parallel zu dem Feld B , Das relevante effektive
Feld wird dann bemerkbar stärker als B2, und es verläuft unter einem Winkel zur
Querebene (XY).
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Die Wirkung der Resonanzversetzung ist in Fig. 4 dargestellt, welche
die XZ-Ebene eines dreiachsigen Bezugsrahmens darstellt, von dem angenommen ist,
daß er um die Z-Achse synchron mit der Frequenz des Entkopplungssenders rotiert.
Der B2-Feldvektor ist längs der X-Achse dargestellt, und das Ausmaß der Resonanzversetzung
ist durch eine Feldkomponente AB in der +Z-Richtung wiedergegeben.
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Das wirksame Feld Beff, das dem Ausdruck (#B2 + B2 1/2 entspricht,
ist unter dem Winkel @ gegen die X-Achse geneigt, wenn @ O = tang
1( B/B2). Natürlich würde man eine ähnliche Neigung gegen die Y-Achse beobachten,
wenn die Phase des Feldes B2 um 90° verlagert würde. Die Folge hiervon ist, daß
während eines B2-Impulses der Protonenmagnetisierungsvektor nicht um die Achse X
oder Y, sondern um die Achse von Beff rotiert. In Fig. 5 ist das Feld B als eff
eff um eine Achse 28 unter dem Winkel @ O gegen gegen die X-Achse geneigt
dargestellt. Es ist ersichtlich, daß eine Bahn 30, welche die Bahn eines Vektors
darstellt, der um die Achse 28 durch einen einzigen 180°(X)-Impuls gedreht worden
ist (der beim Nichtvorhandensein von Fehlern zu einer genauen Inversion führen würde),
progressiv weiter von einer anfänglich verfolgten Linie der Länge und dem -Z-Pol
abweicht.
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Die Möglichkeit einer Inversionsfehlerkorrektur mit Hilfe eines zusammengesetzten
Impulses der Form 90°(X) α (Y)90°(X) ist aus Fig. 6 zu ersehen, wo eine Bahn
32 dem ersten Teil der aus Fig. 5 reproduzierten Bahn 30 entspricht. Wird ein 900CX)-Impuls
durch Berechnung aus B2 zur Wirkung gebracht, muß die Drehung des Vektors in dem
Feld Beff größer sein als 900, denn die Rotation variiert invers zum Wert des Feldes.
Man kann daher erwarten, daß die Bahn 32 an einem Punkt unter der XY-Ebene endet.
Da jedoch die Drehung um die geneigte Achse 28 von Beff erfolgt, wird der Abstand
über der oberen Halbkugel vergrößert, und es zeigt sich, daher, daß die Bahn 32
an einem Punkt 34 endet, der der
XY-Ebene nahe benachbart ist.
Zur Veranschaulichung ist der Punkt 34 in Fig. 6 in einem kleinen Abstand über der
XY-Ebene dargestellt. Natürlich kann man einen weiteren Punkt 36 identifizieren,
der symmetrisch zu dem Punkt 34 in Beziehung zur Y-Achse angeordnet ist, von dem
aus ein zweiter 900CX)-Impuls, der mit dem ersten Impuls identisch ist, fortfahren
wird, den Vektor um die Achse 28 zum -Z-Pol zu drehen.
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Jetzt wird ein weiterer Impuls benötigt, um einen Übergang zwischen
den Punkten 34 und 36 durch eine Drehung des Vektors gegenüber der Y-Achse herbeizuführen.
Ein solcher Impuls muß daher eine Phasenverschiebung um 90° gegenüber den beiden
90°-Impulsen aufweisen. Beim Vorhandensein einer Versetzung erfolgt die Drehung
tatsächlich um eine geneigte Achse 38 in der ZY-Ebene. Wenn die Achse 38 die gedachte
Kugelfläche des Systems an einem Punkt 40 schneidet und wenn die zu berücksichtigende
Versetzung klein ist, haben beim Einheitsradius die Abstände zwischen der Y-Achse
einerseits und den Punkten 34, 36 und 40 andererseits alle den gleichen Wert e.
Bei einem im wesentlichen ebenen Element der Kugelfläche beträgt somit der Winkel,
der an dem Punkt 40 durch die Punkte 34 und 36 bestimmt ist, 900. Gemäß einer ersten
Schätzung benötigt man daher einen Impuls von 27O0CY), um den erwünschten Übergang
von dem Punkt 34 zu dem Punkt 36 herbeizuführen, wie es durch einen Kreisbogen 42
angedeutet ist.
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Die Schätzung ist übermäßig vereinfacht, und zwar teilweise deshalb,
weil bei praktischen Werten der Resonanzversetzung eine ebene geometrische Darstellung
nicht mehr ausreicht, und teilweise wegen der Vergrößerung des wahren Drehwinkels
gegenüber dem Nenndrehungswert des Impulses unter dem Einfluß des verstärkten Feldes
Beff. Es wurde eine Simulation mit Hilfe eines Rechners durchgeführt, um eine verfeinerte
Abschätzung zu ermöglichen; hierbei hat es sich gezeigt, daß die Verwendung eines
Impulses mit einem Nennwinkel von
24O0CY) vorzuziehen ist. Wie
erwähnt, liefert die Benutzung dieses Winkels eine gute Inversion über einen brauchbaren
Bereich von Werten der Resonanzversetzung, doch kann es aus dem schon genannten
Grund in manchen Fällen zweckmäl3ig sein, den Nennwinkel des zentralen Impulses
bei dem zusammengesetzten Impuls bis auf 1800cm) zu verkleinern.
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Bei dem ersten und dem letzten Impuls des zusammengesetzten Impulses
wurde nur berücksichtigt, daß sie sich bezüglich ihres Nennwinkels von 90°(X) ähneln;
im allgemeinen ist es zweckmäßig, eine Symmetrie aufrechtzuerhalten. Es liegt jedoch
auf der Hand, daß kleine Änderungen gegenüber 900cm) durch eine Änderung des Drehwinkels
des mittleren Impulses ausgeglichen werden könnten und daß sich wahrscheinlich in
einem erheblichen Ausmaß asymmetrische Folgen finden lassen, die sich als brauchbar
erweisen.
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Die für die erfolgreiche Anwendung der Erfindung erforderliche Bedingung
besteht somit nur darin, daß die Elemente des zusammengesetzten Impulses insgesamt
bewirken, daß die Inversion in einem ausreichenden Ausmaß vollständig ist, um eine
Entkopplung zu bewirken.
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Ferner wurde festgestellt, daß es möglich ist, eine alternative Form
eines zusammengesetzten Impulses zu verwenden, bei dem zwei symmetrische Impulse
durch eine Periode freier Präzession getrennt sind. Die betreffende Bahn ist in
Fig.
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7 dargestellt. Geht man wie zuvor vom +Z-Pol aus, bewirkt ein 270°(X)-Impuls
eine durch eine Bahn 48 dargestellte Drehung, die anfangs der Bahn 30 nach Fig.
5 folgt und sich über den hinteren Teil der unteren Halbkugel hinweg fortsetzt.
Die Bahn 48 endet an einem Punkt 50 nahe der X-Y-Ebene und ist gegenüber der -Y-Achse
um e versetzt.
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Eine zweite Drehung längs einer entsprechenden Bahn 52, die nahe dem
-Z-Pol enden soll, muß von einem Bereich eines Punktes 54 ausgehen, der gegenüber
der -Y-Achse symmetrisch
zu dem Punkt 50 ist. Es ist nicht allgemein
bekannt, daß bei einem 270 0Cx)-Impuls in Gegenwart eines geneigten Feldes B eff
eine Selbstkorrekturpräzession der Magnetisierung gegenüber dem verlagerten Punkt
50 in Richtung auf die -Y-Achse auftritt. Daher kann man eine zeitliche Verzögerung
zwischen den Impulsen ermitteln, die eine Fortsetzung der Präzession ermöglicht,
bis der Übergang von dem Punkt 50 zu dem Punkt 54 abgeschlossen ist. Es läßt sich
zeigen, daß die Verzögerung so eingestellt werden muß, daß sie gleich 2/ B2 ist,
um eine Präzession um einen Winkel von etwa 2@ Radian zu ermöglichen, wobei
@ den in Fig. 4 gezeigten Wert hat. Vorausgesetzt daß @ 9 nicht nicht
zu groß ist, bleibt die Beziehung 2@ ohne Rücksicht auf den Wert der Versetzung
B gültig. Dieser alternative zusammengesetzte Impuls ist im Vergleich zu dem aus
drei Impulsen bestehenden Impuls empfindlicher für die richtige Einstellung der
Impulsparameter, doch bietet er den Vorteil, daß eine Hochfrequenz-Phasenverschiebung
des Impulses B2 um 900 nicht erforderlich ist, so daß das Spektrometer nicht hierfür
eingerichtet zu sein braucht; jedoch wird immer noch eine Möglichkeit zur Durchführung
einer 180°-Phasenmodulation benötigt, denn die alternative Form des zusammengesetzten
Impulses würde natürlich bei Folgen derjenigen Art verwendet, welche in der Beschreibung
des Spektrometers nach Fig. 1 genannt wurden. Zwar läßt sich eine Verbesserung gegenüber
der bekannten Rauschentkopplung erzielen, doch liefert die Verwendung der relevanten
Folgen bei der alternativen Form zusammengesetzter Impulse eine schwächere Entkopplungswirkung,
als man sie erhält, wenn der zusammengesetzte Impuls die Form 90°(X)s (Y)90°(X)
hat; in der weiteren Beschreibung beschränkt sich daher die Betrachtung auf den
letzteren Fall.
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Es wurden Versuche durchgeführt, um die Entkopplung nach einem erfindungsgemäßen
Verfahren und die bekannte Rauschentkopplung zu vergleichen, wobei mit einer Bandbreite
von
2 kHz gearbeitet wurde (die optimale Wahl bei den verfügbaren Bandbreiten bei dem
benutzten Gerät), um die Emp-13 findlichkeit des 0-Spektrums von Methyljodid bezüglich
der Resonanzversetzung zu ermitteln. Fig. 8 zeigt Spektren, die aus einem Versuch
stammen, bei dem die Frequenz des B2-Signals über einen Bereich von 8 kHz schrittweise
um 0,5 kHz verändert wurde. Der Resonanzzustand liegt bei etwa 5 kHz. Der Kurvensatz
54 wurde mit Hilfe der Rauschentkopplung gewonnen, während der Kurvensatz 56 mit
Hilfe eines Verfahrens erhalten wurde, wie es vorstehend anhand von Fig. 1 bis 3
beschrieben ist (d.h. unter Verwendung der Folge RRRR, wobei der Winkel s den Wert
2400 hatte); hierbei hatte das Feld Bo einen Wert von 2,1 Tesla, und die Stärke
des Entkopplungsfeldes B2 entsprach 6,3 kHz. Es wurden normalisierte Spitzenhöhen
berechnet, die den optischen Eindruck der Kurven 54 bzw. 56 bestätigen, der besagt,
daß die Spitzen bei 5 kHz einander ähneln, daß jedoch die Spitzen der Kurven 54
oberhalb und unterhalb von 5 kHz ziemlich schnell abfallen, während die Spitzen
der Kurven 56 eine im wesentlichen gleichmäßige Empfindlichkeit über einen erheblich
größeren Bereich zeigen.
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Ein weiterer Vergleich bezüglich der Empfindlichkeit wird durch die
in Fig. 9 dargestellten Spektren für Äthylbenzol ermöglicht. Das mit Hilfe der bekannten
Rauschentkopplung gewonnene Spektrum 58 zeigt eine erhebliche Einengung der Gruppen
breiter Linien, die beim Vorhandensein einer Kopplung erscheinen würden. Das Spektrum
60 zeigt die gleichen Gruppen bei einer Entkopplung unter Anwendung eines Verfahrens
ähnlich demjenigen, mittels dessen die Kurven 56 nach Fig. 8 erhalten wurden. In
diesem Fäll entsprach jedoch die Stärke des Entkopplungsfeldes B2 ein er Frequenz
von 3,1 kHz. Zwar ist eine Verbesserung der Auflösung zu erkennen, die sich jedoch
bei dem Maßstab der Zeichnung nicht leicht quantifizieren läßt. Eine annähernde
Verdop-
pelung der Empfindlichkeit wird jedoch sehr deutlich durch
die senkrechten Skalen in willkürlichen Einheiten veranschaulicht, wobei sich gewisse
Änderungen der Vercsserunq nach der Struktur der Liniengruppen richten.
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Fig. 10 veranschaulicht Ergebnisse, die mit Hilfe der Anordnung nach
Fig. 1 gewonnen wurden, wobei die Probe aus Dimethylcarbonat bestand, wobei das
Feld Bo einen Wert von 4,7 Tesla hatte, wobei die Stärke des Entkopplungsfeldes
B2 einer Frequenz von 8,3 kHz entsprach, wobei der Winkel -= für die zusammengesetzten
Impulse 2400 betrug und wobei die Impulsfolge die Form RRRR RRRR-RRRR RRRR hatte.
Fig. 11 zeigt die Ergebnisse, die unter Benutzung einer ähnlichen Anordnung gewonnen
wurden, wobei jedoch das erfindungsgemäße Entkopplungsverfahren durch ein bekanntes
Verfahren ersetzt wurde, bei dem mit einer Rechteckwellen-Phasenmodulation gearbeitet
wurde, wie es in einer Arbeit von Grutzner und Santini beschrieben ist, die in J.
Magn. Reson., Bd. 19, S. 173 (1975) erschienen ist. In beiden Fällen sind die beobachteten
Kohlenstoff-13-Signale als Funktion der Protonenresonanzversetzung aufgetragen,
wobei die dargestellte Spektralbreite 40 Hz beträgt. Es ist ersichtlich, daß die
Breitband-Entkopplungsleistung im Fall von Fig. 10 erheblich besser ist, wo die
Spitzenhöhen innerhalb von 5% derjenigen Höhen verbleiben, die bei einer kohärenten
Entkopplung bei Resonanz in einem Bereich von mehr als +5 kHz beobachtet werden.
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Schließlich sollen verschiedene Faktoren betrachtet werden, die sich
auf die Wahl der Länge der Impulsfolge in bestimmten Fällen auswirken können (bezogen
auf die Anzahl der in der Folge enthaltenen zusammengesetzten Impulse). Wenn es
möglich ist, mit einer relativ hohen Entkopplungsleistung zu arbeiten, wird es normalerweise
möglich sein, die erforderliche wirksame Bandbreite für die Entkopplung zu erzielen,
wenn
man zusammengesetzte Impulse verwendet, bei denen r gleich 2400 ist; dieser Wert
wird dann gegenüber 1800 normalerweise bevorzugt, da er für jeden zusammengesetzten
Impuls innerhalb des relevanten Frequenzbereichs eine vollkommenere Inversion liefert.
Zwar bietet in solchen Fällen die Verwendung einer Folge mit 16 Impulsen eine erhebliche
Verbesserung der Leistung gegenüber einer Folge mit vier Impulsen, doch ist die
theoretische Verbesserung, die sich mit Hilfe sogar noch längerer Folgen erzielen
lassen würde, von erheblich geringerer Bedeutung. Das hauptsächliche Verwendungsgebiet
für solche Folgen von sehr großer Länge dürfte sich daher in Fällen ergeben, in
denen es erwünscht ist, zusammengesetzte Impulse zu verwenden, bei denen gleich
1800 ist, insbesondere im Hinblick auf die Erzielung einer geeigneten wirksamen
Bandbreite unter Einsatz einer geringen Entkopplungsleistung.
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Die theoretischen Vorteile der Verwendung sehr langer Folgen muß jedoch
gegenüber bestimmten praktischen Erwägungen abgewogen werden, die vermutlich insbesondere
dann Bedeutung gewinnen, wenn mit einer niedrigen Entkopplungsleistung gearbeitet
wird. Die theoretische Behandlung der Wirkung der relevanten Folgen von zusammengesetzten
Impulsen zeigt, daß am Ende der Folge der Zustand der interferierenden Kernspins
derart ist, als wenn die Kopplung zwischen ihnen und den zu beobachtenden Kernspins
erheblich verringert wäre, und je größer die Länge der Folge ist, desto stärker
nähert sich diese verringerte Wechselwirkung dem Wert Null.
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In der Praxis ist es jedoch erwünscht, daß während der Dauer der Folge
eine möglichst gute Entkopplung erzielt wird. Ein Grund hierfür besteht in dem weiter
oben genannten Erfordernis, die freien Induktionsabklingsignale mit einer Geschwindigkeit
abzutasten, die erheblich höher ist als die Folgewiederholungsgeschwindigkeit selbst
dann, wenn kürzere Folgen verwendet werden und wenh mit relativ hohen
Werten
der Entkopplungsleistung gearbeitet wird. Dies erfordert die Gewinnung von Daten
in Zeitpunkten, die innerhalb jeder Folge und nicht nur an ihren Enden liegen, so
daß in dem Spektrum sogenannte Artefakte auftreten, deren Intensität gering ist,
wenn über den ganzen Bereich eine gute Entkopplung erzielt wird. Ein weiterer Grund
besteht darin, daß eine Anzahl irreversibler Prozesse mit der durch die Folge bewirkten
Kompensation interferiert; als Beispiele seien eine Spinrelaxation und eine molekulare
Diffusion genannt; der in Frage kommende Hauptrelaxationsprozeß wird wahrscheinlich
eine Protonenquerrelaxation sein, die bei typischen Proben eine Zeitkonstante im
Bereich von etwa 0,1 bis 1 sec hat. Solche irreversiblen Prozesse bewirken eine
Vergrößerung der Breite der entkoppelten Spektrallinie auf Kosten ihrer Höhe.
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Sowohl die Betrachtung der Abtastung als auch die Betrachtung der
irreversiblen Prozesse gewinnt eine um so größere Bedeutung, je größer die tatsächliche
Dauer der Folge ist, was natürlich bedeutet, daß bei einer gegebenen Anzahl der
in der Folge enthaltenen Impulse ihre Bedeutung um so größer wird, je niedriger
die angewendete Entkopplungsleistung ist.
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Ferner gewinnt der an zweiter Stelle genannte Gesichtspunkt eine besondere
Bedeutung für Folgen, die mehr als 16 zusammengesetzte Impulse enthalten. Dies ergibt
sich daraus, daß man zwar bei Befolgung der Regeln zum Aufbauen der erweiterten
Folgen eine Folge mit 16 Impulsen vollständig aus Teilfolgen mit je vier Impulsen
aufbauten kann, die als solche eine gute Entkopplungswirkung liefern, daß dies jedoch
nicht für Folgen mit 32 Impulsen oder Folgen noch höherer Ordnung gilt.
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Berücksichtigt man diese Faktoren, kann man den Schluß ziehen, daß
im allgemeinen die Verwendung einer geeigneten Folge mit 16 Impulsen stets zu Ergebnissen
führt, die besser
sind als bei der Verwendung von Folgen mit vier
oder acht Impulsen, daß jedoch die Verwendung längerer Folgen nicht in allen Fällen
zu einer Verbesserung der Gesamtleistung führt.
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Dies läßt sich durch versuchsmäßige Beobachtungen veranschaulichen,
die bei einer bestimmten Probe durchgeführt wurden, wobei zusammengesetzte Impulse
verwendet wurden, bei denen vo den Wert 1800 hatte. Bei einer 8 kHz entsprechenden
Stärke des Entkopplungsfeldes B2 zeigte es sich, daß sich die Entkopplungsleistung
drastisch verbesserte, wenn man anstelle einer Folge mit vier Impulsen eine Folge
mit 16 Impulsen verwendete, und daß die Verwendung von Folgen mit 32, 64, 128 und
256 Impulsen zu weiteren kleinen Verbesserungen führte. Bei einer 1,5 kHz entsprechenden
Feldstärke lieferte jedoch die Folge mit 64 Impulsen eine Leistung, die geringfügig
besser war als die Leistung, die bei Folgen mit 16 bzw. 256 Impulsen erzielt wurde,
während bei einer 1 kHz entsprechenden Feldstärke die beste Gesamtentkopplungsleistung
bei Verwendung einer Folge mit 16 Impulsen erreicht wurde.
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