EP2467730A1

EP2467730A1 - Verfahren zur untersuchung der kernspinresonanz in einer probe und vorrichtung zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: EP2467730A1
Application number: EP10751802A
Authority: EP
Inventors: Raiker Witter
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2012-06-27
Also published as: US8890520B2; US20120146635A1; WO2011020590A1; DE102009038472A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der Kernspinresonanz in einem Probevolumen, das sich in einem Messvolumen befindet, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Mittels eines Anregungslasers wird ein Paket von Laserpulsen erzeugt, das das Messvolumen dann beaufschlagt, wenn darin ein quasistatisches Magnetfeld auftritt. Sind die Resonanzbedingungen für darin enthaltende Kernspins erfüllt, sendet das Probenvolumen ein Antwortsignal aus, das in einem Detektor empfangen wird. Das innerhalb des Messvolumens auftretende quasi-statische Magnetfeld wird wie folgt bereitgestellt: i) Das Messvolumen wird mit einem niederfrequenten Laserstrahl, dessen Wellenlänge die Wellenlänge des Anregungslasers um mindestens 10² übersteigt, beaufschlagt. Dadurch wird im Messvolumen ein periodisch veränderliches Magnetfeld erzeugt, dessen Amplitude im Messvolumen zumindest 90% ihres Maximums aufweist, oder ii) Das Messvolumen wird mit einem hochfrequenten Laserstrahl, dessen Frequenz die Frequenz des Anregungslasers um mindestens 10²übersteigt, beaufschlagt, wobei der Laserstrahl vor der Beaufschlagung des Messvolumens einer Gleichrichtung unterzogen wird. Dadurch wird im Messvolumen ein quasi-statisches Magnetfeld erzeugt, das über mindestens 10 Perioden hinweg eine effektive mittlere konstante Flussdichte aufweist, deren räumliches und zeitliches Mittel ungleich Null ist.

Description

Verfahren zur Untersuchung der Kernspinresonanz in einer Probe und

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Molekülen und elektromagnetischen Feldern mittels Kernspinresonanz (nuclear magnetic resonance, NMR) und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die Kernresonanzspektroskopie und die darauf basierende Bildgebung, die auch als MRI (magnetic resonance imaging) bezeichnet wird, ermöglichen die Charakterisierung molekularer Eigenschaften und die Identifizierung atomarer Bestandteile einer Probe auf Grund von Wechselwirkungen zwischen den in einer Probe enthaltenen Molekülen und Magnetfeldern.

Zur Erzeugung von externen Magnetfeldern, die zur Durchführung dieses Verfahrens erforderlich sind, werden gepulste Hochfrequenzfelder mit einer Amplitude bis zu 100 T eingesetzt, siehe z. B. Concepts in Magnetic Resonance 19B, 2003, Seite 9. Magnetfelder mit einer höheren Amplitude wären zwar wünschenswert, sind auf diese Weise jedoch nicht erreichbar. Die Empfindlichkeit des Verfahrens der Kernspinresonanz unterliegt der Boltzman-Statistik und nimmt mit steigender Flussdichte zu. Bei Raumtemperatur und einer Flussdichte von ca. 20 T trägt nur einer von ca. 10⁵ Atomkernen zum Signal bei. Die zur Ortsauflösung zusätzlich erforderlichen Magnetfeldgradienten sind unterhalb des μm-Bereichs für Mikro-/Nanoskopie und Mikro-/Nanospektro- skopie zu gering.

Gemäß D. Suter und J. Mlynek, Laser Excitation and Detection of Magnetic Resonance, Adv. in Magn. and Opt . Resonance, 16, S. 1-12, 1991, erfahren Atomkerne, die sich in einem konstanten Magnetfeld befinden, einen Symmetriebruch, der zur Zeemann-AufSpaltung führt. Die hierdurch gebildeten Energieniveaus lassen sich mit ihrer Feinstruktur optisch anregen, manipulieren und detektieren. Der Einsatz eines La- sers eröffnet hierbei die Untersuchung neuer Eigenschaften, z. B. eine andere räumliche Ausdehnung, Brandbreite oder induzierte Emission.

Damit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Untersuchung der Kernspinresonanz in einer Probe und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereit zustellen, die eine hohe Auflösung bei der Untersuchung der Kernspinresonanz sowie in der Bildgebung ermöglicht.

Insbesondere sind die Bereitstellung von Magnetfeldern mit sehr hohen Flussdichten sowie von Magnetfeldgradienten mit sehr hohen Steigungen Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren durch die Schritte des Anspruchs 1 und im Hinblick auf die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst.

Strahlungsquellen, die synchronisierte, monochromatische elektromagnetische Strahlung mit hoher räumlicher und zeitlicher Kohärenz aussenden, erzeugen Magnetfelder mit hoher Flussdichte und Amplitude sowie Magnetfeldgradienten mit hohen Steigungen. Im Frequenzbereich von 10⁷ bis 10¹⁵ Hz, der für die vorliegende Erfindung von Bedeutung ist, stehen geeignete Laser, worunter hier auch die im Mikrowellenbereich als Maser bezeichneten Strahlungsquellen gezählt werden, zur Verfügung; je nach ausgewähltem Frequenzbereich sind das Maser, Te- rahertz-Laser, IR-Laser, Laser im sichtbaren Spektralbereich

oder UV-Laser. Mit diesen Strahlungsquellen lassen sich aufgrund ihrer hohen Intensitäten und Frequenzen Magnetfelder mit einer Amplitude im Bereich von 10⁴ T bis 10⁸ T sowie Magnetfeldgradienten mit hohen Steigungen im nm-Bereich erzeugen. Auf diese Weise wird der Nachweis von Änderungen des Kernspins einzelner Atome möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte a) bis c) . Gemäß Schritt a) erzeugt ein hierzu geeigneter Laser, der als Anregungslaser bezeichnet wird, mindestens ein Paket von Laserpulsen, in der Praxis jedoch eine ganze Kaskade von Paketen von Laserpulsen.

Gemäß Schritt b) wird das mindestens eine Paket von Laserpulsen so abgestrahlt, dass es das Messvolumen, in dem sich das Probenvolumen befindet, zu einem Zeitpunkt beaufschlagt, wenn innerhalb des Messvolumens ein quasi-statisches Magnetfeld ≠ 0 (Null) auftritt. Diese Bedingung gewährleistet, dass genau dann, wenn auf der Zeitskala der Frequenz des Anregungslasers im Messvolumen ein quasi-statisches Magnetfeld herrscht, die Probe ungefähr gleichzeitig einem Laserpuls, der ein zeitlich veränderliches Magnetfeld mit einer Flussdichte B^ erzeugt, ausgesetzt wird.

Grundvoraussetzung für den Nachweis eines Antwortsignals aus dem Probenvolumen ist die Erfüllung der Frequenzbedingung, der sog. Larmor- Bedingung, zur energetischen Anregung von Kernspinniveaus mit einer Energiedifferenz ΔE in Folge einer auf die Atomkerne eingestrahlten Λnregungsfrequenz f%_j = Pπ-ωi-,

gemäß

^E = hγ_KemB_ϋ, = hω_Xj = hf_{λJ I} ( 1 ) wobei h. das Plancksche Wirkungsquantum, /k_ern das gyromagnetische Moment des zu betreffenden Atomkerns und B₀₁ die Flussdichte eines (quasi-) statischen (externen) Magnetfelds bezeichnen.

Erfüllen nun zumindest einige Kernspins, die in der Probe enthalten sind, die Resonanzbedingung gemäß Gl. (1), so wird die Probe, die sich im herrschenden quasi-statischen Magnetfeld befindet, in Folge jedes eingestrahlten Anregungslaserpulses ein Antwortsignal mit der Energie ΔE aussenden, das gemäß Schritt c) von mindestens einem Detektor empfangen und vorzugsweise zur Weiterverarbeitung an ein Datenverarbeitungssystem weitergeleitet wird. ' - A -

Das innerhalb des Messvolumens auftretende Magnetfeld ist dann in Bezug auf die Zeitskala der Frequenz des Anregungslasers innerhalb des Messvolumens quasi-statisch, wenn es sich um

einen Faktor 10², bevorzugt 10³, entweder langsamer oder schneller als die Frequenz des Anregungslasers ändert.

Im Fall i) , wenn sich das Magnetfeld in Bezug auf die Zeitskala der

Frequenz des Anregungslasers langsam ändert, wird auf folgende Weise gewährleistet, dass stets ein Wert ≠ 0 für die Flussdichte Boi des quasi-statischen Magnetfelds, die in die Resonanzbedingung gemäß Gl. (1) eingeht, vorliegt

Gemäß Maßnahme i) erzeugt hierzu ein geeigneter Laser, der als Feldlaser bezeichnet wird, einen niederfrequenten ersten Laserstrahl. Die Wellenlänge des niederfrequenten ersten Laserstrahls wird so gewählt, dass sie die Wellenlänge des Anregungslasers um mindestens einen Faktor 10², bevorzugt 10³,

übersteigt .

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird hierzu ein Feldlaser eingesetzt, der einen niederfrequenten ersten Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 10⁷ Hz bis 10¹³ Hz aussendet, während das mindestens eine Paket von Laserpulsen von einem Anregungslaser mit einer Frequenz von 10⁹ bis 10¹⁵ Hz erzeugt wird.

Der niederfrequenten erste Laserstrahl trifft auf das Messvolumen, in dem sich das zu untersuchende Probevolumen befindet. Im Messvolumen wird hierdurch ein erstes, periodisch veränderliches Magnetfeld mit einer Flussdichte Boi erzeugt, und die Amplitude des Magnetfelds besitzt innerhalb des Messvolumens zumindest 90%, bevorzugt 95 % ihres Maximums. Der Wert der Amplitude bestimmt sich gemäß wobei μo die magnetische Feldkonstante und c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnen .

Im Fall ii) , wenn sich das Magnetfeld in Bezug auf die Zeitskala der Frequenz des Anregungslasers schnell ändert, liegt im Mittel zunächst eine verschwindende effektive Flussdichte Boi_eff = 0 des quasistatischen Magnetfelds vor, so dass sich gemäß Gl. (1) keine Antwortsignal aus dem Probenvolumen beobachten lässt.

Um dennoch ein quasi-statischen Magnetfeld mit einer effektiven

Flussdichte ≠ 0 zu erhalten, wird gemäß Maßnahme ii) das Messvolumen mit einem hochfrequenten ersten Laserstrahl, dessen Frequenz die Frequenz des Anregungslasers um mindestens einen Faktor 10², bevorzugt 10³, übersteigt, beaufschlagt. Entscheidend ist, dass in diesem Fall ii) der hochfrequente erste Laserstrahl vor der Beaufschlagung des Messvolumens einer Gleichrichtung unterzogen wird, wodurch im Messvolumen ein quasi-statisches Magnetfeld erzeugt wird, das über mindestens 10 Perioden hinweg eine effektive mittlere konstante Flussdichte Boieff aufweist, deren räumliches und zeitliches Mittel

≠ 0 (Null) ist. Hierzu erforderliche Wellenformen lassen sich analog zur Fourieranalyse aus mehreren Frequenzanteilen zusammensetzen.

Während in einer bevorzugten Ausgestaltung das mindestens eine Paket von Laserpulsen von einem Anregungslaser mit einer Frequenz von 10⁷ bis 10⁹ Hz erzeugt wird, wird gleichzeitig ein Feldlaser eingesetzt, der einen hochfrequenten ersten Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 10⁹ bis 10¹¹ Hz erzeugt, der einer herkömmlichen und bekannten elektronischen Gleichrichtung unterzogen wird, bevor er das Messvolumen beaufschlagt. Für höhere Frequenzen ist die Maßnahme ii) prinzipiell genauso geeignet; jedoch ist gegenwärtig kein Gleichrichter für den optischen Spektralbereich bekannt.

In einer besonderen Ausgestaltung wird das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgestaltet, dass im Messvolumen zu dem bereits vorhandenen quasi-statischen Magnetfeld zusätzlich mindestens ein weiteres quasi- statisches Magnetfeld der Flussdichte Bo_t mit 1 = 1, 2, ... erzeugt wird.

Hierzu wird gemäß dem zusätzlichen Schritt a' ) mindestens ein weiterer Laserstrahl erzeugt, dessen Wellenlänge der Wellenlänge des niederfrequenten ersten Laserstrahls gemäß Maßnahme i) entspricht, jedoch unterscheiden sich die Phasen des mindestens einen weiteren Laserstrahls von der Phase des niederfrequenten ersten Laserstrahls um 90° ± 5°, bevorzugt um 90°

± 1°, so dass die Flussdichte B_Oi des mindestens einen weiteren Laserstrahls im Messvolumen dann einen Nulldurchgang und damit einen möglichst hohen Gradienten zeigt, wenn die Flussdichte des quasistatischen Magnetfelds gemäß Maßnahme i) im Messvolumen ein Maximum aufweist .

Im Falle von Maßnahme ii) , wenn nicht bereits ein niederfrequenter erster Laserstrahl gemäß Maßnahme i) eingesetzt wurde, lässt sich dennoch analog mindestens ein weiterer niederfrequenter Laserstrahl erzeugen, der im Messvolumen dann einen Nulldurchgang und damit einen möglichst hohen Gradienten besitzt.

In einer Ausgestaltung sind der erste Laserstrahl und die vorhandenen weiteren Laserstrahlen parallel zueinander ausgerichtet.

In einer anderen Ausgestaltung sind vorhandene weitere Laserstrahlen jeweils orthogonal zum ersten Laserstrahl ausgerichtet. Aufgrund der Dreidimensionalität des Raums lassen sich so mit zwei weiteren orthogonal zueinander ausgerichteten Laserstrahlen Gradienten in allen x- und y- Richtung erzeugen, wenn die z-Richtung die Schwingungsrichtung des durch den ersten Laserstrahl erzeugten quasi-statischen Magnetfelds ist.

Der mindestens eine weitere Laserstrahl wird entweder von

einem oder mehreren weiteren Feldlasern, die jeweils eine

geeignete Wellenlänge aussenden, erzeugt oder mittels mindestes eines in den Strahlengang eingebrachten Strahlteilers und einer π/2 Verzögerungsleitung (Phasenschieber) aus dem ersten Laserstrahl mit derselben Wellenlänge abgezweigt.

In dieser Ausgestaltung beaufschlagt der mindestens eine weitere Laserstrahl das Messvolumen, wodurch im Messvolumen mindestens ein weiteres, periodisch veränderliches Magnetfeld mit einer Flussdichte Box mit i = 1, 2, ... erzeugt wird, das jeweils einen Gradienten aufweist. Trifft während Schritt b) ein Laserpuls mit einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld der Flussdichte Bi auf das Messvolumen, so ermöglicht das zusätzliche Vorhandensein des quasi-statischen Magnetfeldgradienten eine Bildgebung (MRI), deren Auflösung nur durch die Steigung des Gradienten selbst begrenzt ist.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Probe in den Frequenzbereichen der sie beaufschlagenden Laserstrahlen und Laserpulse zumindest teilweise transparent oder reflektierend sein muss, um ein detektierbares Antwortsignal erzeugen zu können.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und beinhaltet wenigstens

- mindestens einen Feldlaser zur Erzeugung eines ersten Laserstrahls,

- einen Anregungslaser zur Erzeugung von Laserpulsen, wobei die Frequenz des Anregungslasers die Frequenz des ersten Laserstrahls um mindestens einen Faktor 10² übersteigt oder die Wellenlänge des Anregungslasers die Wellenlänge des ersten Laserstrahls um mindestens einen Faktor 10² übersteigt,

- Mittel zur Steuerung der relativen Phase zwischen dem Feldlaser und dem Anregungslaser, insbesondere einen Trigger, und

- Mittel zur Führung des ersten Laserstrahls und der Laserpulse in einem Strahlengang auf ein Messvolumen zur Aufnahme einer Probe.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird in den Strahlengang ein

Strahlteiler und eine π/2 Verzögerungsleitung eingebracht, so dass der Ausgang eines Feldlasers auf mindestes zwei Laserstrahlen, die dann eine Phasenverschiebung von π/2 besitzen, aufgeteilt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die zur seiner Durchführung geeignete Vorrichtung ermöglichen die Erzeugung von lokalen Magnetfeldern und Magnetfeldgradienten mit sehr hohen Flussdichten. Der dadurch erzielte Empfindlichkeitsgewinn erlaubt Kernspinresonanzuntersuchungen auch an einzelnen Atomkernen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Durchführung werden im Folgenden an Ausführungsbeispielen und den Figuren dargestellt. Hierbei zeigen im Einzelnen:

Fig. 1 das allgemeine Messprinzip gemäß Maßnahme i) ;

Fig. 2 vergrößerte Darstellung zu Fig. 1;

Fig. 3 eine einfache Einrichtung zur Spektroskopie gemäß

Maßnahme i) ;

Fig. 4 eine Einrichtung zur Mikrospektroskopie gemäß Maßnahme i) ; Fig. 5 das allgemeine Messprinzip gemäß Maßnahme ii) ;

Fig. 6 vergrößerte Darstellung zυ Fig. 5;

Fig. 7 eine einfache Einrichtung zur Spektroskopie gemäß Maßnahme ii^{) ;}

Fig. 8 eine Einrichtung zur Mikrospektroskopie gemäß Maßnahme ii) .

Das Prinzip der Erfindung unter Verwendung der Maßnahme i) ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Der erste Laserstrahl mit einer Frequenz f_Oi, einer Periodendauer τoi und einer Wellenlänge γoi strahlt auf das Messvolumen ein, wodurch sich über das Messvolumen auf der Zeitskala der unten genannten Laserpulse in z-Richtung ein quasistatisches Magnetfeld mit einer Flussdichte Boi ausbildet.

Weiterhin wird in Fig. 1 in Richtung des ersten Laserstrahls ein weiterer Laserstrahl mit einer Frequenz f_O2, einer Periodendauer τo₂ und einer Wellenlänge Y₀₂ auf das Messvolumen eingestrahlt, wodurch sich über das Messvolumen auf der Zeitskala der Laserpulse ein weiteres Magnetfeld in z-Richtung mit einer Flussdichte B₀₂ ausbildet. Der zweite Laserstrahl ist in Bezug auf seine Phase zum ersten Laserstrahl so versetzt, dass möglichst genau im Zentrum der Probe bzw. an der Stelle des Maximums des Magnetfelds des ersten Laserstrahls ein quasi-statischer Nulldurchgang des Magnetfelds B₀₂ auftritt. Liegen die Schwingungsebenen der beiden Magnetfelder Boi und Bo₂ in der gleichen ebene, besitzt bei dem sinusförmigen Verlauf der beiden Magnetfelder der Gradient der Superposition an dieser Stelle die höchste Steigung. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass je nach Frequenz fo_∑, Periodendauer τ₀₂ und Wellenlänge γo2 sich die Stärke des Magnetfeldgradienten im Messvolumen einstellen lässt.

In Richtung der beiden Laserstrahlen wird nun das Messvolumen mit einer Folge von Laserpulsen mit einer Frequenz fι, Wellenlänge γi, Periodendauer τ_lr Pulsdauer τ_pl und einstellbarer Polarisation p_% derart beaufschlagt, dass jeder Laserpuls das Messvolumen an der Stelle des quasi-konstanten Magnetfelds B_Oi und des stärksten Magnetfeldgradienten —— = max oder —— = max trifft. Dabei wurde die Frequenz fι so dy dx

gewählt wird, dass sie die Frequenzen fni und fn? der beiden Laserstrahlen um mindestens einen Faktor 10², bevorzugt 10³, übersteigt.

Ist die Larmor-Bedingung gemäß Gl. 1 erfüllt, so sendet zumindest ein Probenvolumen, das sich innerhalb des Messvolumens befindet, als Antwort auf die Beaufschlagung ein Kernspinresonanz-Signal aus, das mit einem auf das Messvolumen gerichteten Detektor nachgewiesen wird.

Fig. 2 zeigt die Situation mit dem zu untersuchenden Probenvolumen und seiner nahen Umgebung vergrößert. Der amplitudenkonstante Eingangspuls mit einer Frequenz f_lf einer Periodendauer T₁, einer Wellenlänge γi bewirkt aus dem Probenvolumen heraus das rechts im Bild angedeutete abklingende Antwortsignal, das mit dem Detektor aufgenommen wird.

Während in den Fig. 1, 3 und 4 jeweils eine von links im Bild kommende Laserpulsfolge mit drei bzw. vier Laserpulsen eingezeichnet ist, wobei der dritte bzw. vierte Laserpuls gerade am Messvolumen eintrifft, zeigt Fig. 2 demgegenüber nur diesen eintreffenden Laserpuls vergrößert hervorgehoben.

In Fig. 3 ist eine vereinfachte Einrichtung zur Mikro-/Nano-spektro- skopie bzw. Mikro-/Nanoskopie dargestellt. Über optische Medien, Umlenkspiegel und halbdurchlässige Spiegel wird der erste Laserstrahl (Frequenz fo, Periodendauer τo, Wellenlänge γo) mit den Laserpulsen (Frequenz f_lr Periodendauer τ_lr Pulsdauer τ_plr Wellenlänge γi) zusammen geführt, so dass im Messvolumen gleichzeitig das quasi-konstante Magnetfeld Boi, das hier in z-Richtung ausgerichtet ist, und zentral der Laserpuls auf die Probe einwirken. Der Laserpuls hat eine um mindestens 10² geringere Periodendauer als der erste Laserstrahl. Weiter dargestellt sind die Magnetfeldkomponenten S₂ der Laserpulse mit den jeweils zugehörigen Frequenzen f_x.

Fig. 4 zeigt denselben Aufbau wie Fig. 1, jedoch erweitert um die Darstellung der Strahlquellen. Links im Bild sind oben und unten die beiden Feldlaser zur Erzeugung der ersten und zweiten Laserstrahlen sowie in der Mitte der Anregungslaser zur Erzeugung der Laserpulse sowie vier Laserpulse, die sich auf dem Weg zu Probe befinden, dargestellt. Über Umlenkspiegel und halbdurchlässige Spiegel werden die beiden Lichtstrahlen und die Laserpulse zusammengeführt und auf das Messvolumen gerichtet. Die Art der Strahlumlenkung ist beispielhaft dargestellt, wobei eine andere Anordnung möglich ist, so lange die Zusammenführung und Lokalisierung der beiden Laserstrahlen und der Laserpulse im Volumen der zu untersuchenden Probe gewährleistet sind.

Eine Modellrechnung für Laser-Felder soll die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens in Bezug auf Maßnahme i) quantitativ verdeutlichen. Zur lokalen Erzeugung des auf der Zeitskala der Laserpulse quasi-konstanten Magnetfelds B₀ im Bereich des Messvolumens werden als Feldlaser ein IR-Laser mit der Betriebsfrequenz f_Oi = 10¹³ Hz und als Anregungslaser ein gepulster UV-Laser ( τ_P1 = ICT¹⁴ s) mit einer Betriebsfrequenz

fi = 10¹⁵ Hz verwendet.

Unter Anwendung von Gl. 1 ergibt sich die Magnetfeldstärke für Protonenresonanz {γp_roton = 42,5^#10⁶ MHz/T) bei maximaler Laseramplitude zu

B_0]=^±~\SOAdT. (3)

ΥKern

Die Laser-Feld-Intensität beträgt

Der Magnetfeldgradient lässt sich unter der Annahme von

B₀2 ~ B₀₁ und Y02 & Yoi zu abschätzen. Damit die Energieniveaus angeregt werden, ist eine entsprechende Anregungsbreite erforderlich, es wird bestätigt, dass der Puls kürzer ist als die Periode von B₀. Hieraus ergibt sich ein abgeschätzter Anregungspuls (90°-Pulslänge) von 10^"14 s.

Daraus folgt für den Wert der Feldstärke B₁

0.25 «/„£, -1(T¹⁴S → B_x= 59OkT. (7) Für die Intensität des UV-Lasers ergibt sich somit zu

In der folgenden Tabelle 1 sind Größenordnungen einiger Feldeigenschaften mit nicht gleichgerichtetem B_0I-FeId angegeben:

Das Prinzip der Erfindung unter Verwendung der Maßnahme ii) ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Der erste Laserstrahl mit einer Frequenz foi, einer Periodendauer τoi und einer Wellenlänge γoi wird gleichgerichtet und strahlt auf das Messvolumen ein, wodurch sich ü- ber das Messvolumen auf der Zeitskala der unten genannten Laserpulse in z-Richtung ein quasi-statisches Magnetfeld mit einer Flussdichte Boieff ausbildet.

Weiterhin wird in Fig. 5 in Richtung des ersten Laserstrahls ein weiterer nicht gleichgerichteter Laserstrahl mit einer Frequenz Jf₀₂, einer Periodendauer τo₂ und einer Wellenlänge Y₀₂ auf das Messvolumen eingestrahlt, wodurch sich über das Messvolumen auf der Zeitskala der Laserpulse ein weiteres Magnetfeld in z-Richtung mit einer Flussdich- te B₀₂ ausbildet. Der zweite Laserstrahl ist so angeordnet, dass möglichst genau im Zentrum des Probenvolumens ein quasi-statischer Nulldurchgang des Magnetfelds B₀₂ auftritt.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass je nach Frequenz f₀₂, Periodendauer Xo₂ und Wellenlänge γo_∑ sich die Stärke des Magnetfeldgradienten im Messvolumen einstellen lässt.

In Richtung der beiden Laserstrahlen wird nun das Messvolumen mit einer Folge von Laserpulsen mit einer Frequenz f_lt Wellenlänge γ_lr Periodendauer Ti, Pulsdauer τ_pl und einstellbarer Polarisation pι derart beaufschlagt, dass jeder Laserpuls das Messvolumen an der Stelle des quasi-konstanten Magnetfelds B_Oi_eff und des stärksten Magnetfeldgra- dB_m dB_m

dienten —— = max oder —— = max trifft. Dabei wurde die Frequenz fι dy δx

so gewählt wird, dass sie die Frequenz fo₂ des zweiten Laserstrahls um mindestens einen Faktor 10², bevorzugt 10³, übersteigt. Demgegenüber übersteigt die Frequenz f₀₁ die Frequenz f_λ um mindestens einen Faktor 10², bevorzugt 10³.

Fig. 6 zeigt die Situation mit dem zu untersuchenden Probenvolumen und seiner nahen Umgebung vergrößert. Der vergrößert hervorgehobene amplitudenkonstante Eingangspuls mit einer Frequenz £χ, einer Periodendauer τ_lf einer Wellenlänge γi bewirkt aus dem Probenvolumen heraus das rechts im Bild angedeutete abklingende Antwortsignal, das mit dem Detektor aufgenommen wird.

In Fig. 7 ist eine vereinfachte Einrichtung zur Mikro-/Nano-spektro- skopie bzw. Mikro-/Nanoskopie dargestellt. Über optische Medien, Umlenkspiegel, Gleichrichter und halbdurchlässige Spiegel wird der ers- te Laserstrahl (Frequenz fo, Periodendauer τo, Wellenlänge γo) mit den

Laserpulsen (Frequenz f_lr Periodendauer τ_lt Pulsdauer τ_pi, Wellenlänge Yi) zusammen geführt, so dass im Messvolumen gleichzeitig das quasikonstante Magnetfeld Boi_eff, das hier in z-Richtung ausgerichtet ist, und zentral der Laserpuls auf die Probe einwirken. Der Laserpuls hat eine um mindestens 10² höhere Periodendauer als der erste

Laserstrahl. Weiter dargestellt sind die Magnetfeldkomponenten B± der Laserpulse mit den jeweils zugehörigen Frequenzen f_±.

Fig. 9 zeigt denselben Aufbau wie Fig. 5, jedoch erweitert um die Darstellung der Strahlquellen. Links im Bild sind oben und unten die beiden Feldlaser zur Erzeugung der ersten und zweiten Laserstrahlen sowie in der Mitte der Anregungslaser zur Erzeugung der Laserpulse dargestellt. Über Umlenkspiegel, einen Gleichrichter und halbdurchlässige Spiegel werden die beiden Lichtstrahlen und die Laserpulse zusammengeführt und auf das Messvolumen gerichtet. Die Art der

Strahlumlenkung ist beispielhaft dargestellt, wobei eine andere Anordnung möglich ist, so lange die Zusammenführung und Lokalisierung der beiden Laserstrahlen und der Laserpulse im Volumen der zu untersuchenden Probe gewährleistet sind.

Eine beispielhafte Rechnung für die Maßnahme ii) unter den Bedingungen mit Gleichrichtung von Boi soll das erfindungsgemäße Verfahren quantitativ verdeutlichen. Zur lokalen Erzeugung des effektiven qua- si-statischen Magnetfelds Boi_eff werden ein IR-Laser mit der Betriebsfrequenz foi = 10¹³ Hz und ein für das

Anregsignal ein gepulster Maser (τ_P1 & 10^'10 s; foi ~ 101³ Hz) der Betriebsfrequenz fi = 10¹¹ Hz verwendet.

Unter Anwendung von Gl. 1 ergibt sich die Magnetfeldstärke für Protonenresonanz (γ_Pro_ton= 42,5-10⁶ MHz/T) und einem Mittelungsfaktor ξ≤ 1.0 zu

B_ow=ξ-B₀₁=^-- ISkT. 9)

7Kern Die Laser-Feld-Intensität mit ξ = 0,64 ist:

/ ^•Oi -L ~s. GW

B Ol «64

² Mo μm 2 ^* 10)

Der Magnet feldgradient kann unter Verwendung von B₀₂ ~ 10 -3 B_Oi und γo₂

10³ Vi abσeschätzt werden als:

(H)

Damit die Energieniveaus angeregt werden ist eine entsprechende Anregungsbreite von

Δ/;~IO-³/_ol=io^IÜHz. 12) erforderlich. Es ergibt sich ein abgeschätzter Anregungspuls (90°- Pulslänge) von 10^~10 s. Daraus ergibt sich für die Bi-Feldstärke ein Wert von

0.25 «/„5, -1(T¹⁰S → B,=S9T (13)

Für die Intensität des Masers ergibt sich somit

B; kW

«410 i4)

2 μ₀ μm 2 ^* : In der nachfolgenden Tabelle 2 sind Größenordnungen einiger Feldeigenschaften mit gleichgerichtetem B_0I-FeId angegeben:

An baulicher Anordnung bestehen Freiheiten. Setzt man z. B. optische Fasern ein, um Laserstrahlung zu erzeugen, sind nicht unbedingt mehrer Laserquellen erforderlich, die aufeinander getriggert werden müssen, da sich die Strahlung einer einzigen Quelle mit unterschiedlichen Faseranordnungen entsprechend eingestellt werden kann.

Es lässt sich auch eine definierte Phasenlage verschiedener Poiarisa- tionszustände erzeugen, so dass sich die in der NMR übliche phasenempfindliche Quadraturdetektion (siehe z. B.

Electronics Letters, 15, 1979, 615) einsetzen lässt.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Untersuchung der Kernspiήresonanz in einem Probenvolumen, das sich in einem Messvolumen befindet,

mit den Schritten

a) Erzeugen mindestens eines Pakets von Laserpulsen mittels eines Anregungslasers,

b) Beaufschlagen des Messvolumens mit dem mindestens einen Paket von Laserpulsen, das derart abgestrahlt wird, dass es das Messvolumen dann beaufschlagt, wenn innerhalb des Messvolumens ein quasi-statisches Magnetfeld auftritt, wodurch aus dem sich im Messvolumen befindlichen Probenvolumen, sofern die Resonanzbedingungen für darin enthaltende Kernspins erfüllt sind, ein Antwortsignal auf das mindestens eine Paket von Laserpulsen ausgesandt wird, und

c) Empfangen des Antwortsignals aus dem Probenvolumen in mindestens einem Detektor,

wobei das innerhalb des Messvolumens auftretende quasi-statische

Magnetfeld dadurch bereit gestellt wird, dass

i) das Messvolumen mit einem niederfrequenten ersten Laserstrahl, dessen Wellenlänge die Wellenlänge des Anregungslasers um mindestens einen Faktor 10² übersteigt, beaufschlagt wird, wodurch im Messvolumen ein periodisch veränderliches Magnetfeld mit einer Flussdichte Boi erzeugt wird, und die Amplitude des Magnetfelds innerhalb des Messvolumens zumindest 90% ihres Maximums aufweist, oder

ii) das Messvolumen mit einem hochfrequenten ersten Laserstrahl, dessen Frequenz die Frequenz des Anregungslasers um mindestens einen Faktor 10² übersteigt, beaufschlagt wird, wobei der Laserstrahl vor der Beaufschlagung des Messvolumens einer Gleichrichtung unterzogen wird, wodurch im Messvolumen ein quasi-statisches Magnetfeld erzeugt wird, das über mindestens 10 Perioden hinweg eine effektive mittlere konstante Flussdichte Boieff aufweist, deren räumliches und zeitliches Mittel ungleich Null ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das quasi-statische Magnetfeld durch Maßnahme (i) bereit gestellt wird, indem das mindestens eine Paket von Laserpulsen von einem Anregungslaser mit einer Frequenz von 10⁹ bis 10¹⁵ Hz erzeugt wird und der niederfrequente erste Laserstrahl von einem ersten Feldlaser mit einer Frequenz von 10⁷ bis 10¹³ Hz erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das quasi-statische Magnetfeld durch die Maßnahme (ii) bereit gestellt wird, indem das mindestens eine Paket von Laserpulsen von einem Anregungslaser mit einer Wellenlänge von 10⁷ bis 10⁹ Hz erzeugt wird und der hochfrequente erste Laserstrahl von einem

ersten Feldlaser mit einer Wellenlänge von 10⁹ bis 10¹¹ Hz erzeugt und einer elektronischen Gleichrichtung unterzogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens ein weiterer Laserstrahl erzeugt wird, dessen Wellenlänge der Wellenlänge des niederfrequenten ersten Laserstrahls entspricht und sich die Phase des mindestens einen weiteren Laserstrahls von der Phase des niederfrequenten ersten Laserstrahls um 90° ± 5° unterscheidet, und das Messvolumen während Schritt b) gleichzeitig mit dem mindestens einen weiteren Laserstrahl beaufschlagt wird, wodurch im Messvolumen mindestens ein weiteres periodisch veränderliches Magnetfeld mit einer Flussdichte B_Oi mit i = 1, oder 3 erzeugt wird, das eine Gradienten aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der mindestens eine weitere Laserstrahl entweder

- von mindestens einem weiteren zusätzlichen Feldlaser erzeugt wird oder

- mittels mindestens eines in den Strahlengang eingebrachten Strahlteilers und einer π/2 Verzögerungsleitung aus dem nie- derfrequenten ersten Laserstrahl abgezweigt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend

- mindestens einen Feldlaser zur Erzeugung eines ersten Laserstrahls,

- einen Anregungslaser zur Erzeugung von Laserpulsen,

- Mittel zur Steuerung der relativen Phase zwischen dem Feldlaser und dem Anregungsiaser und

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei in den Strahlengang zusätzlich mindestens ein Strahlteiler und mindestens eine Verzögerungsleitung eingebracht sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei weiterhin mindestens ein

Gleichrichter vorhanden ist.