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Hintergrund
der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Breitband-Entkopplung von skalaren oder dipolaren Kopplungen
zwischen Kernen in einer Probe durch Invertieren einer longitudinalen
Magnetisierung in der Probe mit Chirp-Impuls-Zyklen.
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Breitband-Entkopplung
von skalaren oder dipolaren Kopplungen mit Spins mit I = 1/2 ist
eine der zentralen Herausforderungen der Kernspinresonanz. Dadurch,
dass zunehmend größere statische
Magnetfelder zur Verfügung
stehen, nehmen die Bandbreiten, die abgedeckt werden müssen, zu.
Z.B. bei einem 1000 MHz Spektrometer mit einem 23,5 T Magneten ist
eine Bandbreite von 50 kHz erforderlich, um die Kohlenstoff-13-Spektren
mit einer Breite von 200 ppm zu entkoppeln. Beim Arbeiten mit leitenden wässrigen
Lösungen
von biologischen Makromolekülen
ist es ebenfalls erwünscht,
die durchschnittliche Hochfrequenzleistung einzuschränken, um
eine Erwärmung
der Probe zu verhindern. Bei in vivo Entkopplung mit Oberflächenspulen
müssen
die Entkopplungsverfahren auch sehr tolerant gegenüber einer
HF-Inhomogenität
sein.
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In
der Vergangenheit hat sich herausgestellt, dass Rausch-Entkopplung
relativ ineffektiv ist und die Verwendung von einzelnen Chirp-Impulsen über einen
breiten Frequenzbereich nicht erfolgreich war. Andere Versuche,
wie MLEV, WALTZ und GARP konzentrierten sich auf Sequenzen von phasenverschobenen
rechteckigen Impulsen, bei denen die Trägerfrequenz konstant gehalten
wird. Diese Sequenzen stammen von einer Kombination von Elementen
R, die in Zyklen und Superzyklen organisiert sind, um die longitudinale
Magnetisierung über
eine möglichst
breite Bandbreite zu invertieren. Bei MPF-Schemen wird die Bedingung,
dass die Trägerfrequenz
konstant bleibt, fallengelassen und der Träger schreitet in großen Frequenzschritten
durch das Spektrum.
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Neuere
Breitband-Entkopplungsschemen sind auf adiabatischer Inversion aufgebaut,
bei der die Trägerfrequenz
mittels einer hyperbolischen Sekantimpulsform in Kombination mit
Superzyklen mit 4 und 5 Schritten gleichmäßig variiert. Diese nichtlinearen
Schemen erfordern jedoch relativ hohe HF-Amplituden über ziemlich
schmalen Bandbreiten.
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Ein
Schema, bei dem ein Superzyklus von Inversionsimpulsen verwendet
wird, mit einem 0°, 150°, 60°, 150°, 0° Phasenzyklus,
der von einem MLEV4 überlagert
wird, ist in einem Artikel von M. Bendall im Journal of Magnetic
Resonance Series A 112 (1995), Seiten 126–129 beschrieben. Die in diesem
Verfahren verwendeten Impulse beinhalten nichtlineare Frequenzdurchläufe.
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In
einem Artikel von J.-. Böhlen
und G. Bodenhausen im Journal of Magnetic Resonance Series A 102
(1993), Seiten 293–301
wird die Verwendung von Chirp-Impulsen zur Anregung von Mehrfachquanten-Kohärenzen und
ihre Rückkonvertierung
in Einfachquanten-Magnetisierung beschrieben. Die Leistung der Chirp-Doppelquanten-Anregungsverfahren
wird mit der Leistung von Techniken, die monochromatische zusammengesetzte
Impulse verwendenden, verglichen. Die Anforderungen der Chirp-Impulse werden mit
denen von harten Impulsen in Bezug auf Spitzen HF-Leistung verglichen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
der Aufgaben der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Verfahren
zum Entkoppeln skalarer oder dipolarer Kopplungen über praktisch alle
Bandbreiten zu verbessern, solche Verfahren zum Entkoppeln skalarer
oder dipolarer Kopplungen mittels Chirp-Impulsen in Zyklen und Superzyklen bereitzustellen,
solche Verfahren zum Entkoppeln skalarer oder dipolarer Kopplungen
mittels Chirp-Impulsen mit linearer Frequenzmodulation bereitzustellen,
ein solches Verfahren zum Entkoppeln skalarer oder dipolarer Kopplungen
mit eingeschränkter HF-Leistung
bereitzustellen; ein solches Verfahren zum Entkoppeln skalarer oder
dipolarer Kopplungen mittels apodisierten HF-Amplituden bereitzustellen; ein Verfahren
zum Entkoppeln bereitzustellen, das tolerant gegenüber der
HF-Inhomogenität
ist und schmale Rest-Linienbreiten und schwache Modulations-Seitenbänder bereitstellt,
und ein solches Verfahren bereitzustellen, das sicher und einfach
zu verwenden ist.
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Allgemein
wird ein Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Entkoppeln einer skalaren oder dipolaren Kopplung
zwischen Kernen in einer Probe durch Invertieren einer longitudinalen
Magnetisierung in der Probe ausgeführt. Das Verfahren beinhaltet
den Schritt des Anordnens der Probe in einem statischen Magnetfeld.
Das Verfahren beinhaltet auch die Schritte des Definierens eines
ersten Zyklus von Chirp-Impulsen, wobei mindestens zwei der Chirp-Impulse
in dem ersten Zyklus einen voneinander unterschiedlichen Anfangs-Phasenwinkel
haben und einen zweiten Zyklus von Chirp-Impulsen definieren, wobei mindestens
zwei der Chirp-Impulse in dem zweiten Zyklus einen Anfangs-Phasenwinkel haben,
der sich von den Anfangs-Phasenwinkeln der Chirp-Impulse in dem ersten Zyklus unterscheiden. Das
Verfahren beinhaltet auch den Schritt des Erzeugens eines Superzyklus
mit einer Mehrzahl von ersten und zweiten Zyklen, so dass die ersten
und zweiten Zyklen wiederholt als Funktion des Superzyklus erzeugt
werden. Dadurch werden Chirp-Impulse erzeugt zum Invertieren der
longitudinalen Magnetisierung in der Probe. Die Signale, die von
der Probe in Reaktion auf die Inversion der longitudinalen Magnetisierung
emittiert werden, werden detektiert.
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Die
Chirp-Impulse, die in dem Verfahren verwendet werden, sind so definiert,
dass sie einen linearen Frequenzdurchlauf oder eine äquivalente
Phasenvariation und eine im Wesentlichen konstante HF-Amplitude
haben, die an den steigenden und fallenden Flanken der Impulse apodisiert
sein kann oder nicht.
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Andere
Aufgaben und Merkmale ergeben sich teilweise und werden teilweise
im folgenden hervorgehoben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1(a–b)
zeigen Chirp-Impuls-Wellenformen, die für die Breitband-Inversion der
longitudinalen Magnetisierung geeignet sind;
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2 zeigt
einen Zyklus, der aus fünf Chirp-Impulsen
besteht, wobei der Zyklus in einem Superzyklus verwendet wird, der
aus sechzehn Zyklen besteht;
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3(a–b)
zeigen die Inversionsprofile für die
Chirp-Impuls-Wellenformen von 1(a–b);
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4(a–c)
zeigen experimentelle Kohlenstoff-13-Spektren von Ameisensäure, die
mittels Chirp-Impulsen detektiert werden, wobei unterschiedliche
HF-Amplituden an die Protonen-Resonanzen angelegt werden;
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5(a–c)
zeigen eine erweiterte Ansicht des Zentrums des Bereichs von 4(a–c);
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6 zeigt
experimentelle Kohlenstoff-13-Spektren von Ameisensäure, die
mittels Chirp-Impulsen
detektiert wurden, die über
einer Bandbreite von 220 kHz abgetastet wurden;
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7 zeigt
ein Blockdiagramm eines Spektrometers und zugehöriger Vorrichtung zum Ausführen der
Erfindung.
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Entsprechende
Bezugszeichen stellen entsprechende Teile in allen Darstellungen
der Zeichnungen und der Offenbarung dar.
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Detaillierte
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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In
Bezug nun auf die Figuren, zeigen 1(a–b) die
Wellenformen von Chirp-Impulsen, die
zur adiabatischen Breitband-Inversion der longitudinalen Magnetisierung
in einer Probe nützlich sind.
Die gestrichelte Linie 40 in 1(a–b) zeigt
die Trägerfrequenz νRF der
Wellenformen. Die Trägerfrequenz
wird linear variiert für
eine Periode von 1 ms über
eine Bandbreite von Δνsweep =
60 kHz von –30 bis
+30 kHz. Die Skala für
die gestrichelte Linie 40 erscheint entlang der rechten
Seite, gemessen in kHz. Anstelle des Frequenzdurchlaufs der Chirp-Impulse von 1(a–b) über die
60 kHz Bandbreite, können die
Chirp-Impulse auf ihre zentrale Frequenz gesetzt werden (z.B. die
Larmor-Frequenz, wie unten erklärt wird),
die bei Null in 1(a–b) dargestellt
ist, während
die Phase variiert wird. Die Phase kann z.B. variiert werden durch
Integrieren des Frequenzversatzes zwischen der zentralen Frequenz
und der Trägerfrequenz,
die variiert werden soll. Die Phase φ = ∫ω(t)dt des Frequenzversatzes
zwischen der zentralen Frequenz und der Trägerfrequenz ist in 1(a–b)
mit durchgezogener Linie 42 gezeigt. Die Phase wird relativ
zu einem Rahmen, der bei der zentralen Frequenz rotiert, gemessen
und als Zeitfunktion programmiert. Die Skala für die durchgezogene Linie 42 erscheint
entlang der linken Seite und ist in Bogenmaß gemessen. Die durchgezogene
Linie 42 ist in dem Intervall φ = [–π, π] eingezeichnet. Somit gibt
es mindestens zwei Möglichkeiten,
um den Frequenzdurchlauf, gezeigt in 1(a–b) zu realisieren: (1)
Variieren der Frequenz zum Erzielen des Durchlaufs; und (2) Variieren
der Phase, um dieselbe Wirkung zu erzielen. Die gestrichelten Linien 44 und 46 zeigen
die Zeitverläufe
der HF-Amplitude der Chirp-Impulse von 1(a) bzw.
(b). Die Skala für die
gestrichelten Linien 44 und 46 erscheint entlang der
linken Seite und ist in kHz gemessen.
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Wie
gezeigt, hat der einfache lineare Chirp-Impuls von 1(a) eine Phase, die eine Parabel als Funktion
der Zeit beschreibt und hat eine konstante HF-Amplitude νRF =
4.2 kHz. Die durchschnittliche Leistung dieses Chirp-Impulses ist
proportional zu (νRF)2 = 17.64. Der
in 1(b) gezeigte Chirp-Impuls ist
ein linearer Chirp-Impuls kombiniert mit einem HF-Amplitudenprofil,
welches in den ersten und letzten 10% mittels einer halben Gauss-Hüllkurve
apodisiert wurde, die bei 2.5% abgeschnitten wurde. Das zentrale
Plateau der HF-Amplitude für den
in 1(b) gezeigten Chirp-Impuls
ist νRF,max = 5.0 kHz. Die durchschnittliche Leistung
dieses Chirp-Impulses ist proportional zu (νRF,max)2/1.16 = 21.55. Andere Apodisierungstechniken
können ebenfalls
im Rahmen der Erfindung verwendet werden, wie Apodisieren der HF-Amplitude
als Funktion einer Sinuswelle oder einer anderen Welle. Es ist dann
klar, dass bei der Erfindung ein Chirp-Impuls als Impuls mit einem linearen
Frequenzdurchlauf definiert werden kann, wie gezeigt durch die gestrichelte Linie 40 und
einer im Wesentlichen konstanten Amplitude, die apodisiert sein
kann oder nicht, was durch die gestrichelten Linien 44 und 46 gezeigt
ist.
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Bei
der Verwendung hat der einfache lineare Chirp-Impuls von 1(a) mit einer konstanten HF-Amplitude den Vorteil,
dass kein linearer Verstärker
erforderlich ist. Ein Nachteil dieses Impulses besteht jedoch darin,
dass die adiabatische Bedingung nicht einfach zu erfüllen ist,
wenn die HF-Trägerfrequenz
durch Resonanz läuft.
Wenn das HF-Feld
zu schwach ist, kann die Magnetisierung dem effektiven Feld nicht
dicht folgen, da es sich von dem Nordpol zum Südpol des rotierenden Beschleunigungsrahmens
dreht. Andererseits führt
eine große
konstante HF-Amplitude während
des gesamten Durchlaufs zu Störungen
der Adiabatik zu Beginn des Chirp-Impulses. Diese Probleme können mit
einem apodisierten Amplitudenprofil, wie in 1(b) gezeigt,
gelöst
werden.
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2 zeigt
eine grundsätzliche
Chirp-Einheit 58 zum Entkoppeln skalarer oder dipolarer
Kopplungen zwischen Kernen in einer Probe durch Invertieren einer
longitudinalen Magnetisierung in der Probe mit Zyklen von Chirp-Impulsen.
Die Chirp-Einheit 58 ist ein linearer frequenzmodulierter
Chirp-Impuls mit einer Dauer τ.
Die Chirp-Einheit 58 kann die Form von jedem der Chirp-Impulse
von 1(a–b) haben.
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2 zeigt
ebenfalls fünf
Chirp-Einheiten 60, 62, 64, 66 und 68,
die miteinander in einem Zyklus von fünf Schritten kombiniert werden,
um einen Chirp-Zyklus R von einer Dauer 5τ zu definieren. Die Chirp-Einheiten 60–68 sind
einander ähnlich
mit der Ausnahme, dass ihre entsprechenden Anfangsphasen verschoben
sind. Die Chirp-Einheiten 60 und 68 haben
eine Anfangsphase von ca. null rad, was in 1(a–b) gezeigt
ist. Die Chirp-Einheiten 62 und 66 haben eine
Anfangsphase von ca. 150 Grad (welche zur Verwendung mit den Skalen
von 1(a–b) in rad konvertiert wird.
Die Chirp-Einheit 64 hat eine Anfangsphase von ca. 60 Grad
(welche zur Verwendung mit den Skalen von 1(a–b) auch
in rad konvertiert wurde). Der Fachmann wird erkennen, dass ein
Verschieben der Anfangsphase der Chirp-Einheiten bewirkt, dass sich
der Mittelpunkt der durchgezogenen Linie 42 nach oben und
unten innerhalb des Layouts von 1(a–b) bewegt.
Somit umfasst der Chirp-Zyklus R in Bezug auf 2 eine
Reihe von Chirp-Impulsen oder -Einheiten.
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Nachdem
ein Chirp-Zyklus R definiert ist, wird die Inverse des Chirp-Zyklus R definiert durch Verwendung
der identischen Chirp-Einheiten 60–68 wie im Chirp-Zyklus R außer dass die Anfangsphasen
jeder Chirp-Einheit um 180 Grad vorwärts verschoben wurden. Somit
haben die erste und fünfte Chirp-Einheit
in dem inversen Chirp-Zyklus R einen Anfangsphasenwinkel
von ca. 180 Grad. Die zweite und vierte Chirp-Einheit in dem inversen
Chirp-Zyklus R haben einen
Anfangsphasenwinkel von ca. 330 Grad und die dritte Chirp-Einheit
in dem inversen Chirp-Zyklus R hat
einen Anfangsphasenwinkel von ca. 240 Grad. Somit weist der inverse
Chirp-Zyklus R eine zweite
Reihe von Chirp-Impulsen
oder -Einheiten auf.
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Die
Chirp-Zyklen R und die inversen Chip-Zyklen R werden dann in einen MLEV-16 Superzyklus 70 organisiert,
was in 2 gezeigt ist. Jeder Superzyklus 70 umfasst
insgesamt sechzehn Zyklen R und R.
Der erste Zyklus R füllt
die Positionen 1, 2, 6, 7, 11, 12, 13 und 16 des
Superzyklus 70, wie diese Positionen in 2 nummeriert
wurden. Der zweite Zyklus R füllt die
Positionen 3, 4, 5, 8, 89, 10, 14 und 15 des
Superzyklus 70, wie diese Positionen in 2 nummeriert
wurden. Die Gesamtanzahl der Chirp-Einheiten oder -impulse 58 in
einem Superzyklus 70 beträgt somit 5 × 16 = 80.
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Wie
auch aus den Figuren ersichtlich ist, kann der erste Zyklus R als
erster Zyklus der linearen frequenzmodulierten HF-Impulse definiert
werden, wobei jeder der HF-Impulse eine Amplitude hat, die im Wesentlichen
konstant während
mindestens ca. 50% der genannten Impulse ist. Der zweite Zyklus R kann als zweiter Zyklus
der linearen frequenzmodulierten HF-Impulse definiert werden, wobei
jeder der HF-Impulse eine Amplitude hat, die im Wesentlichen während mindestens
ca. 50% der Impulse konstant ist. Jeder der HF-Impulse in dem ersten
und zweiten Zyklus kann eine Amplitude von weniger als ca. 10 kHz
haben.
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In
einigen Fällen
können
die Amplituden der Impulse unterhalb ca. 6 kHz gehalten werden und manche
sogar unterhalb 4 kHz.
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In
der Praxis kann ein Verfahren zum Entkoppeln der skalaren oder dipolaren
Kopplungen in einer Probe die folgenden Schritte beinhalten: Bereitstellen
eines statischen Magnetfeldes und Positionieren der Probe in dem
statischen Magnetfeld. Der Superzyklus 70 der ersten und
zweiten Chirp-Zyklen R und R wird
dann wiederholt erzeugt, um Chirp-Impulse zum Invertieren der longitudinalen
Magnetisierung in der Probe zu erzeugen. Die von der Probe in Reaktion
auf die Inversion der longitudinalen Magnetisierung emittierten
Signale werden dann mit einem geeigneten Detektor in dem Spektrometer
detektiert.
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Es
hat sich gezeigt, dass die Effektivität des Entkoppelns in großem Maße von der
Wahl der Superzyklen abhängt.
Wenn ein MLEV-4 Superzyklus anstelle eines MLEV-16 Superzyklus verwendet
wird, gibt es bestimmte Werte von Versätzen, bei denen Entkopplung
nicht effektiv ist. Der bevorzugte Superzyklus ist in 2 gezeigt.
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3(a) und (b) sind Inversionsprofile, die den erwarteten
Wert <M2> als
Funktion des Versatzes für
die in 1(a) bzw. (b) gezeigten Chirp-Impulse
zeigen. Insbesondere zeigen die durchgezogenen Linien 72 und 74 die
Inversionsprofile für
einen einzigen Chirp-Impuls, gezeigt in 1(a) bzw.
(b), isoliert aufgenommen und variiert von –30 bis +30 kHz. Mit anderen
Worten sind die durchgezogenen Linien 72 und 74 die
Inversionsprofile für
diese Impulse ohne Betrachtung der Chirpzyklen R und R oder der Superzyklen 70. Ein
Inversionswert von –1
entspricht einer vollständigen
Besetzungsinversion. Ein Inversionswert von 1 entspricht einer Probe
im Gleichgewicht. Die gestrichelten Linien 76 und 78 zeigen
die Inversionsprofile, wenn der Chirp-Zyklus R verwendet wird. Die
gestrichelte Linie 76 entspricht der Situation, in welcher
der Chirp-Zyklus
R mittels des in 1(a) gezeigten Chirp-Impulses
konstruiert wird und die gestrichelte Linie 78 entspricht
der Situation, in welcher der Chirp-Zyklus R mittels des in 1(b) gezeigten Chirp-Impulses konstruiert wird. 3(a–b)
zeigen somit, dass die Chirp-Impulse von 1(a–b) es ermöglichen,
die longitudinale Magnetisierung über einen sehr breiten Frequenzbereich
zu invertieren.
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Es
ist zu bemerken, dass die adiabatische Bedingung mittels des einzelnen
Chirp-Impulses von 1(a) nicht richtig erfüllt sein kann. Dies kann eine schlechte
Inversionsleistung zur Folge haben, was durch die durchgezogene
Linie 72 in 3(a) gezeigt ist.
Diese Inversionsleistung kann jedoch dramatisch verbessert werden
durch Verwendung eines fünfstufigen
Zyklus R, gezeigt mit gestrichelter Linie 76. Da der Chirp-Impuls der 1(b) eine apodisierte HF-Amplitude an den steigenden
und fallenden Flanken hat, hat dieser Impuls eine verbesserte Inversionsleistung,
gezeigt durch die durchgezogene Linie 74. Jedoch geht diese
verbesserte Inversionsleistung einher mit einer schmaleren Bandbreite,
was in 3(b) gezeigt ist. Der fünfstufige
Zyklus R bewirkt eine leichte Verbreiterung der Inversionsbandbreite, was
durch gestrichelte Linien 78 gezeigt ist.
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4(a–c)
zeigen experimentelle protonenentkoppelte 13C-Spektren
von Ameisensäure
mit JCH = 221 Hz. Diese Signale oder Spektren
wurden als Funktion des Versatzes zwischen dem Zentrum des Chirp-Bereichs
und der Protonenverschiebung aufgezeichnet. Der Versatz war in 61
Inkrementen von 1 kHz von –30
bis +30 kHz gestuft. Somit ist Δνsweep = 60
kHz. Die für
jedes Experiment aufgezeichnete Spektralbreite betrug 380 Hz, so
dass restliche Splittings und Modulations-Seitenbänder sichtbar
sind. Außerhalb
des zentralen Bereichs, in dem Entkoppeln effektiv ist, zeigen die
experimentellen Spektren verbreiterte Linien in zwei Übergangsbereichen, während die
Effektivität
des Entkoppelns außerhalb dieser
Bereiche dramatisch sinkt.
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Der
einfache Chirp-Impuls von 1(a) wurde
in Verbindung mit Chirp-Zyklen R und R und
80 Schritt Superzyklus 70 für jede der 4(a–c) verwendet.
Ein einzelner 13C 90 Grad Beobachtungsimpuls
wurde ebenfalls vor dem Erzeugen der Superzyklen 70 erzeugt,
um die Probe zu konditionieren. Die Amplituden der Chirp-Impulse,
die in 4(a–c) verwendet wurden, variierten.
Die Amplitude des Chirp-Impulses für 4(a) betrug
z.B. 3,3 kHz, für 4(b) 4,2 kHz und für 4(c) 8,2
kHz. Die effektive Entkopplungs-Bandbreite Δνeff ist
52 kHz in 4(a–b) und 50 kHz in 4(c). Das Verhältnis Δνeff/νRF ist
ein wichtiger Gütefaktor
für die
Entkopplung. Dieses Verhältnis
beträgt
15,8 für 4(a), 12,4 für 4(b) und 6.1 für 4(c). Das Verhältnis der
effektiven Entkopplungsbandbreite über der Bandbreite des RF Durchlaufs
beträgt
ca. 0,87 für 4(a–c).
Nach exponentieller Verbreiterung von 0,3 Hz, die in allen Experimenten
verwendet wurde, betrug die Linienbreite 0,74 Hz in 4(a), 0,76 Hz in 4(b) und
0,82 Hz in 4(c). Die 13C-Linienbreite
des nicht entkoppelten Dupletts betrug 0,74 Hz.
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5(a–c)
zeigen erweiterte Ansichten des Zentrums des Bereichs der in 4(a–c)
gezeigten Signale. Insbesondere 5(a) zeigt
die Mittellinie der in 4(a) gezeigten
Spektren ohne Vergrößerung. 5(a') zeigt dieselbe Mittellinie, jedoch sechsfach
vergrößert. 5(b) und (c) zeigen die Mittellinie der in 4(b) bzw. (c) gezeigten Spektren wiederum sechsfach
vergrößert.
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Die
vergrößerten Ansichten
von 5(a–c) zeigen die Seitenbänder aufgrund
der Chirp-Zyklen R und R und
des Superzyklus 70 detaillierter. Die Seitenband-Intensitäten hängen von
der J-Kopplungskonstante und der Länge τ jedes einzelnen Chirp-Impulses
ab. Wie in 5(a–c) gezeigt ist, werden die Seitenband-Intensitäten nicht
stark von der HF-Amplitude beeinträchtigt. Bei einer HF-Amplitude
z.B., die auf den minimalen Schwellenwert für die berichteten Daten von
3,3 kHz gesetzt ist, sind die stärksten
Seitenbänder
unterhalb 3,3% der Mittelband-Amplitude und erscheinen bei ±37,5 Hz,
was in 5(a) gezeigt ist. 37,5 Hz ist
der Reziprokwert eines Drittels der Dauer von 80τ = 80 ms des gesamten Superzyklus 70.
Wenn die konstante Entkopplungsamplitude auf 4,2 kHz erhöht wird,
liegen die stärksten
Seitenbänder
bei 1,5% der Mittelband-Amplitude
und treten bei ±500
Hz auf, was in 5(b) gezeigt ist. 500 Hz ist der
Reziprokwert von 2τ.
Wenn die konstante Entkopplungsamplitude auf 8,2 kHz erhöht wird,
verbleiben die Seitenbänder
bei 1,5% der Mittelband-Amplitude und treten bei ±500 Hz
auf, was in 5(c) gezeigt ist.
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In
der Praxis müssen
die Parameter eines Chirp-Impulses in Abhängigkeit des Bereichs der zu entkoppelnden
chemischen Verschiebung und der Größe der heteronuklearen skalaren
Kopplungskonstante J gewählt
werden. Bei Systemen mit sehr großen J-Kopplungskonstanten kann die Verwendung von
höheren
HF-Amplituden und kürzeren
Impulsen erforderlich sein. Um die Seitenband-Intensitäten zu reduzieren,
sollte die Dauer τ der
einzelnen Chirp-Impulse viel kürzer
als 1/J sein. Da immer höhere
Magnetfelder zur Verfügung
stehen, steigt der Bereich der chemischen Verschiebung ständig. Bei
einem NMR-Spektrometer mit einem 23,5 T Magneten (1000 MHz für Protonen)
ist aufgrund einer Zunahme der isotropischen Fluor-19 Resonanzen über 100 ppm
und der Phosphor-31 Spektren über
500 ppm ein Entkoppeln oberhalb von 94 bzw. 200 kHz erforderlich.
Somit sind Vorschriften erforderlich, die eine Entkopplung über im Wesentlichen
uneingeschränkte
Bandbreiten ermöglichen.
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Die
optimale HF-Amplitude eines linearen Chirp-Impulses hängt von
der Bandbreite und der Dauer τ des
Chirp-Impulses wie folgt ab: νRF,opt ∝ a1/2 [1]
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In
Gleichung [1] ist a = Δνsweep/τ die Durchlaufrate
des Chirp-Impulses. Somit kann die Bandbreite Δνsweep verdoppelt
werden, während
dieselbe Impulslänge
beibehalten wird, wenn die HF-Amplitude um einen Faktor von 21/2 erhöht
wird. Die Bandbreite kann auch verdoppelt werden unter Beibehaltung
der HF-Amplitude, jedoch Verdoppeln der Impulslänge und unter der Annahme,
dass die Seitenband-Intensitäten
relativ klein bleiben. Als Beispiel wurde ein Experiment mit einer
Impulslänge
von τ = 1
ms, einer Bandbreitenabtastung von Δνsweep =
120 kHz und einer HF-Amplitude von νRF =
6,2 kHz durchgeführt.
Die resultierende effektive Entkopplungs-Bandbreite betrug 108 kHz
für ein
Verhältnis von Δνeff/νRF =
17,4.
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In
der Praxis können
extrem breite Bandbreiten in Abhängigkeit
des Bereichs der zu entkoppelnden chemischen Verschiebung durchlaufen
werden. Die primäre
Einschränkung
der Bandbreite ergibt sich aus der Geschwindigkeit der digitalen
Elektronik in dem Spektrometer. Die hier berichteten Ergebnisse
verwendeten 256 Punkte für
jeden 1 ms Chirp-Impuls, d.h., die Zeitinkremente betrugen 3,9 Mikrosekunden.
Der Fachmann wird erkennen, dass breitere Entkopplungsbandbreiten
im Rahmen der Erfindung allein durch die Verwendung schnellerer
Elektronik und/oder kürzerer
Zeitinkremente als hier verwendet wurden erhalten werden.
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6 zeigt
z.B. experimentell 1H entkoppelte 13C Spektren von Ameisensäure mit JCH =
221 Hz. Diese Signale oder Spektren wurden als Funktion des Versatzes
zwischen dem Mittelpunkt des Chirp-Bereichs und der Protonen-Verschiebung
aufgezeichnet. Der Versatz war in 121 Inkrementen von 2 kHz von –120 bis
+120 kHz abgestuft. Die für
jedes Experiment aufgezeichnete Spektralbreite betrug 500 Hz, so
dass restliche Splittings und Modulations-Seitenbänder erkennbar
sind. Wie gezeigt ist, sind die Seitenband-Intensitäten verhältnismäßig klein.
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Die
zum Sammeln der Daten verwendeten Chirp-Impulse, gezeigt in 6,
hatten die allgemeine Form von 1(a),
jedoch wurden andere Parameter verwendet. Der lineare Frequenzdurchlauf
betrug Δνsweep =
220 kHz. Die Impulsbreite τ für diese Chirp-Impulse
betrug 1,2 msec. Der Zeitanteil oder Zeitinkrement betrug 1,17 Mikrosekunden
unter Verwendung von 1024 digitalen Punkten im Vergleich zu dem
obigen Zeitinkrement von 3,9 Mikrosekunden. Die HF-Amplitude war νRF =
6,7k Hz. Die effektive Entkopplungs-Bandbreite Δνeff betrug
202 kHz für
ein effektives Entkopplungsbandbreiten-Verhältnis Δνeff/νRF von
30,1. Die Chirp-Impulse wurden in Zyklen und Superzyklen organisiert,
was in 2 gezeigt ist. Wie oben wurde ein einzelner 13C 90 Grad Beobachtungsimpuls vor Erzeugen
der Superzyklen erzeugt. Wie oben in Verbindung mit 1(a–b) beschrieben
ist, wurde die 220 kHz Frequenzabtastung ausgeführt durch Setzen der Chirp-Impulse
auf die Mittelfrequenz und durch Phasenvariation anstelle von Frequenzvariation über der
220 kHz Bandbreite.
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Bei
Probenvolumen, die sich nahe der Transmitteroberflächenspule
eines in vivo NMR Spektrometers befindet, kann die HF-Amplitude
viel größer sein
als der Schwellenwert. In solchen Fällen sind einfache lineare
Chirp-Impulse mit konstanten Amplituden möglicherweise nicht sehr effektiv,
da die adiabatische Bedingung stark verletzt werden kann. Unter
diesen Umständen
verwendet man bevorzugt apodisierte Chirp-Impulse wie in 1(b) gezeigt. Apodisieren verbessert das adiabatische
Verhalten während
Inversion der Magnetisierung. Simulationen von großen Leistungspegeln über Pegeln,
die möglicherweise
nicht sicher für
hochauflösende
Sonden sind, z.B. 20 kHz, zeigen, dass sich ein einfacher Chirp-Impuls
nahe den Enden des Durchlaufs verschlechtert. Apodisieren verbessert
die Entkopplungseffektivität
deutlich, obwohl die effektive Entkopplungsbandbreite von 52 auf
48 kHz abnimmt. Die Entkopplungseffektivität ist sehr tolerant gegenüber Variationen
in der HF-Amplitude. Dies ist vorteilhaft im Vergleich mit zusammengesetzten
Impuls-Entkopplungsverfahren, wo die Effektivität stark von der Kalibrierung
der HF-Amplitude abhängt. Chirp-Entkopplung
sollte deshalb für
in vivo NMR nützlich
sein, bei der das HF-Feld oft sehr inhomogen ist. Durch Verwendung
von Chirp-Entkopplungssequenzen
ist eine einheitliche Entkopplung in einem großen Probenvolumen möglich.
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Die
experimentellen Ergebnisse von 4(a–c) und 5(a–c)
können
mit der in dem Blockschaubild von 7 gezeigten
Vorrichtung erhalten werden. Insbesondere 7 zeigt
einen Spektrometer 100, wie z.B. das Bruker Modell DMX-300
Spektrometer (B0 = 7T) mit Larmor-Frequenzen
von 75,46 MHz für 13C und 300,13 MHz für 1H.
Eine Probe 102 ist z.B. Ameisensäure (HCOOH, JCH =
221 Hz) in natürlicher
isotopischer Häufigkeit
von D2O für einen Feld-Frequenz-Lock.
Die Wellenformen der Chirp-Impulse können mit MATLAB über ein
Programmiertool 104 programmiert werden und werden direkt
zu einem Speicher 106 im Spektrometer 100 übertragen.
Es können
auch andere geeignete und dem Fachmann bekannte Programmiertools
verwendet werden. Die Entkopplungssequenzen können dem 1H
während
der Erfassung der 13C Signale angelegt werden.
Die Entkopplungssequenzen können auch
an 13C während
der Erfassung der 1H Signale angelegt werden.
Andere Kernkombinationen sind ebenfalls möglich. Für jedes in 4(a–c) und 5(a–c) gezeigte
Experiment wurden 32 Abtastungen mit einer Recycle-Zeit von 3 Sekunden
gespeichert. Ein Lorentz-Linien-Verbreiterungsfaktor von 0,3 Hz
wurde für
alle Spektren angewandt. Die Hochfrequenz-Amplituden wurden separat
mit quadratischen Impulsen unter Verwendung derselben Abschwächungspegel
wie zum Entkoppeln kalibriert.
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Die
in 6 gezeigten experimentellen Ergebnisse können auch
mit der Vorrichtung und der in 7 gezeigten
Probe erhalten werden. Die niedrige Entkopplungsamplitude von 6,7
kHz schützt
die hochauflösende
Sonde im Spektrometer 100. Die Entkopplungsamplitude ist
vorzugsweise unter 10 kHz eingestellt und kann im vorliegenden Fall
unterhalb 7 kHz sein. Wie bei den Spektren von 4(a–c) und 5(a–c)
wurde das Zentrum des Frequenzdurchlaufs für die Chirp-Impulse auf die
Larmor-Frequenz
von 300,13 MHz gesetzt. Es zeigt sich, dass die Erfindung mittels
Chirp-Impulsen mit einem
Frequenzdurchlauf von mindestens ca. 100 kHz, 150 kHz und 200 kHz
ausgeführt
werden kann. Selbst breitere Frequenzdurchläufe werden auch im Rahmen der
Erfindung in Betracht gezogen, was durch den Bereich der zu entkoppelnden
chemischen Verschiebung erforderlich ist.
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Die
experimentellen Ergebnisse zeigen somit ein erfindungsgemäßes Verfahren
zum Entkoppeln skalarer oder dipolarer Kopplungen über praktisch
uneingeschränkte
Bandbreiten unter Verwendung von Chirp-Impulsen, die in Zyklen und
Superzyklen organisiert sind. Dies ermöglicht eine Entkopplung mit
eingeschränkter
HF-Leistung, während
immer noch eine Toleranz gegenüber
HF-Inhomogenität
gegeben ist und sich schmale restliche Linienbreiten und schwache
Modulations-Seitenbänder
ergeben.
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Im
Hinblick auf das Obige ist ersichtlich, dass die zahlreichen Aufgaben
der Erfindung gelöst
werden und andere vorteilhafte Ergebnisse erzielt werden.
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Da
verschiedene Änderungen
an den obigen Konstruktionen vorgenommen werden können ohne den
Rahmen der Erfindung zu verlassen, ist vorgesehen, dass der gesamte
Inhalt der obigen Beschreibung und dessen, was in den beiliegenden
Zeichnungen gezeigt ist, nur beschreibend und nicht als Einschränkung anzusehen
ist.