EP2467730A1 - Method for examining the nuclear magnetic resonance in a sample and device for carrying out the method - Google Patents

Method for examining the nuclear magnetic resonance in a sample and device for carrying out the method

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Publication number
EP2467730A1
EP2467730A1 EP10751802A EP10751802A EP2467730A1 EP 2467730 A1 EP2467730 A1 EP 2467730A1 EP 10751802 A EP10751802 A EP 10751802A EP 10751802 A EP10751802 A EP 10751802A EP 2467730 A1 EP2467730 A1 EP 2467730A1
Authority
EP
European Patent Office
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laser
frequency
magnetic field
laser beam
volume
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Ceased
Application number
EP10751802A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Raiker Witter
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Filing date
Publication date
Application filed by Karlsruher Institut fuer Technologie KIT filed Critical Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Publication of EP2467730A1 publication Critical patent/EP2467730A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/62Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using double resonance

Definitions

  • the invention relates to a method for investigating the interactions between molecules and electromagnetic fields by means of nuclear magnetic resonance (NMR) and an apparatus for carrying out this method.
  • NMR nuclear magnetic resonance
  • Nuclear magnetic resonance spectroscopy and imaging also referred to as MRI (magnetic resonance imaging)
  • MRI magnetic resonance imaging
  • the invention has for its object to provide a method for studying the nuclear magnetic resonance in a sample and an apparatus for performing this method, which allows a high resolution in the study of nuclear magnetic resonance and in imaging.
  • Radiation sources that emit synchronized, monochromatic electromagnetic radiation with high spatial and temporal coherence produce magnetic fields of high flux density and amplitude and magnetic field gradients of high slopes.
  • suitable lasers including here the radiation sources referred to as maser in the microwave range, are available;
  • the process according to the invention comprises the steps a) to c).
  • a laser suitable for this purpose which is referred to as an excitation laser, generates at least one packet of laser pulses, but in practice a whole cascade of packets of laser pulses.
  • the at least one packet of laser pulses is emitted in such a way that it acts on the measurement volume in which the sample volume is located at a time when a quasi-static magnetic field ⁇ 0 (zero) occurs within the measurement volume.
  • This condition ensures that precisely when there is a quasi-static magnetic field in the measurement volume on the time scale of the excitation laser, the sample is exposed approximately simultaneously to a laser pulse producing a time-varying magnetic field with a flux density B ⁇ .
  • h. is the gyromagnetic moment of the atomic nucleus and to respective B 01 denote the Planck constant, / k s, the flux density of a (quasi-) static (external) magnetic field.
  • the resonance condition according to Eq. (1) the sample, which is in the prevailing quasi-static magnetic field, emitting a response signal with the energy .DELTA.E in response to each irradiated excitation laser pulse received according to step c) of at least one detector and preferably forwarded to a data processing system for further processing becomes.
  • the magnetic field occurring within the measurement volume is then quasi-static with respect to the time scale of the frequency of the excitation laser within the measurement volume, if it is at
  • the frequency of the excitation laser changes slowly is ensured in the following manner, that always a value ⁇ 0 for the flux density Boi of the quasi-static magnetic field, in the resonance condition according to Eq. (1) is received
  • a suitable laser which is referred to as a field laser, generates a low-frequency first laser beam for this purpose.
  • the wavelength of the low-frequency first laser beam is selected such that it reduces the wavelength of the excitation laser by at least a factor 10 2 , preferably 10 3 ,
  • a field laser is used for this purpose, which emits a low-frequency first laser beam with a wavelength of 10 7 Hz to 10 13 Hz, while the at least one packet of laser pulses is generated by an excitation laser with a frequency of 10 9 to 10 15 Hz ,
  • the low-frequency first laser beam strikes the measurement volume in which the sample volume to be examined is located.
  • a first, periodically variable magnetic field with a flux density Boi is generated in the measurement volume, and the amplitude of the magnetic field has at least 90%, preferably 95% of its maximum within the measurement volume.
  • the value of the amplitude is determined according to where ⁇ o is the magnetic field constant and c is the speed of light.
  • the measuring volume with a high-frequency first laser beam whose frequency exceeds the frequency of the excitation laser by at least a factor of 10 2 , preferably 10 3 , applied. It is crucial that in this case ii) the high-frequency first laser beam is subjected to rectification before the measurement volume is applied, whereby a quasi-static magnetic field is generated in the measurement volume which has an effective mean constant flux density Boieff over at least 10 periods and time average
  • Waveforms required for this can be composed of several frequency components analogously to the Fourier analysis.
  • the at least one packet of laser pulses is generated by an excitation laser with a frequency of 10 7 to 10 9 Hz
  • a field laser is simultaneously used, which generates a high-frequency first laser beam with a wavelength of 10 9 to 10 11 Hz, which is subjected to a conventional and known electronic rectification before it acts on the measuring volume.
  • measure ii) is in principle equally suitable; however, no rectifier for the spectral optical range is currently known.
  • the method according to the invention is configured in such a way that, in addition to the quasi-static magnetic field already present, at least one further quasi-static magnetic field is present in the measurement volume.
  • At least one further laser beam is generated whose wavelength corresponds to the wavelength of the low-frequency first laser beam according to measure i), but the phases of the at least one further laser beam differ from the phase of the low-frequency first laser beam by 90 ° ⁇ 5 °, preferably by 90 °
  • the first laser beam and the existing further laser beams are aligned parallel to one another.
  • existing further laser beams are each aligned orthogonally to the first laser beam. Due to the three-dimensionality of the space, two further orthogonally aligned laser beams can be used to generate gradients in all x and y directions when the z direction is the direction of oscillation of the quasi-static magnetic field generated by the first laser beam.
  • the at least one further laser beam is either from
  • MRI imaging
  • the sample must be at least partially transparent or reflective in the frequency ranges of the laser beams and laser pulses acting on it in order to be able to generate a detectable response signal.
  • the invention further relates to an apparatus for carrying out the method according to the invention and includes at least
  • an excitation laser for generating laser pulses, wherein the frequency of the excitation laser exceeds the frequency of the first laser beam by at least a factor of 10 2 or the wavelength of the excitation laser exceeds the wavelength of the first laser beam by at least a factor of 10 2 ,
  • Beam splitter and a ⁇ / 2 delay line introduced so that the output of a field laser on at least two laser beams, the then have a phase shift of ⁇ / 2, can be divided.
  • the method according to the invention and the device suitable for carrying it out allow the generation of local magnetic fields and magnetic field gradients with very high flux densities.
  • the resulting sensitivity gain allows nuclear magnetic resonance examinations also on individual atomic nuclei.
  • Fig. 1 shows the general measuring principle according to measure i);
  • Fig. 2 is an enlarged view of Fig. 1;
  • Fig. 3 shows a simple means for spectroscopy according to
  • Fig. 6 enlarged view z ⁇ Fig. 5;
  • the principle of the invention using the measure i) is shown schematically in FIG.
  • the first laser beam having a frequency f O i, a period ⁇ oi and a wavelength ⁇ oi radiates on the measurement volume, whereby a quasistatic magnetic field having a flux density Boi is formed over the measurement volume on the time scale of the below-mentioned laser pulses in the z direction.
  • a further laser beam having a frequency f O2 , a period ⁇ o 2 and a wavelength Y 02 is irradiated onto the measuring volume, whereby a further magnetic field in the z-axis of the laser pulses is produced over the measuring volume.
  • Direction with a flux density B 02 forms.
  • the second laser beam is offset with respect to its phase for the first laser beam so that a quasi-static zero crossing of the magnetic field B 02 occurs as closely as possible in the center of the sample or at the location of the maximum of the magnetic field of the first laser beam.
  • the gradient of the superposition at this point has the highest slope in the case of the sinusoidal course of the two magnetic fields. From Fig. 1 it can be seen that depending on the frequency fo ⁇ , period ⁇ 02 and wavelength ⁇ o2, the strength of the magnetic field gradient can be set in the measurement volume.
  • the frequency f ⁇ was so dy dx
  • At least one sample volume located within the measurement volume in response to the application, transmits a nuclear magnetic resonance signal detected with a detector directed to the measurement volume.
  • Fig. 2 shows the situation with the sample volume to be examined and its close environment enlarged.
  • the amplitude- constant input pulse with a frequency f lf a period T 1 , a wavelength ⁇ i causes from the sample volume out the decaying response signal indicated on the right in the image, which is recorded with the detector.
  • FIGS. 1, 3 and 4 in each case a laser pulse sequence coming from the left in the image is drawn with three or four laser pulses, wherein the third or fourth laser pulse arrives just at the measuring volume, Fig. 2 shows contrast only highlighted this incident laser pulse.
  • FIG. 3 shows a simplified device for micro / nano-spectroscopy or micro / nanoscopy.
  • the first laser beam (frequency fo, period ⁇ o, wavelength ⁇ o) with the laser pulses (frequency f lr period ⁇ lr pulse duration ⁇ plr wavelength ⁇ i) together, so that in the measurement volume at the same time the quasi-constant Magnetic field Boi, which is aligned here in the z-direction, and centrally affect the laser pulse on the sample.
  • the laser pulse has at least 10 2 lower period duration than the first laser beam.
  • the magnetic field components S 2 of the laser pulses with the respectively associated frequencies f x .
  • Fig. 4 shows the same structure as Fig. 1, but extended to the representation of the beam sources.
  • the two field lasers are shown at the top and bottom for generating the first and second laser beams and in the middle of the excitation laser for generating the laser pulses and four laser pulses, which are on the way to sample.
  • the two light beams and the laser pulses are brought together and directed to the measurement volume.
  • the type of beam deflection is exemplified, with a different arrangement is possible, as long as the merging and localization of the two laser beams and the laser pulses are guaranteed in the volume of the sample to be examined.
  • a model calculation for laser fields should clarify the functionality of the method according to the invention in relation to measure i) quantitatively.
  • the principle of the invention using the measure ii) is shown schematically in Fig. 5.
  • the first laser beam with a frequency foi, a period ⁇ oi and a wavelength ⁇ oi is rectified and radiates to the measurement volume, whereby ü over the measurement volume on the time scale of the below-mentioned laser pulses in the z-direction, a quasi-static magnetic field with a flux density Boieff trains.
  • a further non-rectified laser beam having a frequency Jf 02, a period ⁇ o 2 and a wavelength on the measuring volume, whereby over the measurement volume on the time scale of the laser pulses, a further magnetic field in z-direction with a Flußdich- te B 02 trains.
  • the second laser beam is arranged so that a quasi-static zero crossing of the magnetic field B 02 occurs as accurately as possible in the center of the sample volume.
  • the measurement volume will now lt comprising a sequence of laser pulses with a frequency f wavelength ⁇ lr period Ti, pulse duration ⁇ pl and adjustable polarization p ⁇ applied such that each laser pulse the measurement volume at the location of the quasi-constant magnetic field B O i eff and the strongest magnetic field gra- dB m dB m
  • the frequency f 01 exceeds the frequency f ⁇ by at least a factor 10 2 , preferably 10 3 .
  • At least one sample volume located within the measurement volume in response to the application, transmits a nuclear magnetic resonance signal detected with a detector directed to the measurement volume.
  • Fig. 6 shows the situation with the sample volume to be examined and its close environment enlarged.
  • the magnified highlighted amplitude constant input pulse with a frequency £ ⁇ , a period ⁇ lf a wavelength ⁇ i causes from the sample volume out the decaying response signal indicated on the right in the image, which is recorded with the detector.
  • FIG. 7 shows a simplified device for micro / nano-spectroscopy or micro / nanoscopy.
  • Optical media, deflecting mirrors, rectifiers and semitransparent mirrors make the first te laser beam (frequency fo, period ⁇ o, wavelength ⁇ o) with the
  • Laser pulses (frequency f lr period ⁇ lt pulse duration ⁇ p i, wavelength Yi) together, so that in the measuring volume simultaneously the quasi-constant magnetic field Boi eff , which is aligned here in the z-direction, and centrally the laser pulse acting on the sample.
  • the laser pulse has at least 10 2 longer periods than the first
  • Laser beam Also shown are the magnetic field components B ⁇ the laser pulses with the respective associated frequencies f ⁇ .
  • Fig. 9 shows the same structure as Fig. 5, but extended to the representation of the beam sources.
  • the two field lasers are shown at the top and bottom for generating the first and second laser beams and in the middle of the excitation laser for generating the laser pulses.
  • deflecting mirror, a rectifier and semi-transparent mirror, the two light beams and the laser pulses are brought together and directed to the measurement volume.
  • Beam deflection is exemplified, with a different arrangement being possible as long as the merging and localization of the two laser beams and the laser pulses in the volume of the sample to be examined are ensured.
  • the magnetic field gradient can be measured using B 02 ⁇ 10 -3 B O i and ⁇ o 2

Abstract

The present invention relates to a method for examining the nuclear magnetic resonance in a sample volume located in a measuring volume and to a device for carrying out the method. By means of an excitation laser, a packet of laser pulses is created, which then acts on the measuring volume when a quasi-static magnetic field occurs therein. If the resonance conditions for nuclear spins contained therein are fulfilled, the sample volume emits a response signal that is received by a detector. The quasi-static magnetic field occurring within the measuring volume is provided as follows: i) the measuring volume is acted on by a low-frequency laser beam, the wavelength of which exceeds the wavelength of the excitation laser by at least 102. Thus a periodically variable magnetic field is created in the measuring volume. The amplitude of said field is at least 90% of the maximum thereof in the measuring volume; or ii) the measuring volume is acted on by a high-frequency laser beam, the frequency of which exceeds the frequency of the excitation laser by at least 102. The laser beam is subjected to rectification before acting on the measuring volume. Thus a quasi-static magnetic field is created in the measuring volume, having an effective mean constant flux density over at least 10 periods, wherein the spatial and time average of the flux density are not equal to zero.

Description

Verfahren zur Untersuchung der Kernspinresonanz in einer Probe undMethod for investigating nuclear magnetic resonance in a sample and
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Apparatus for carrying out the method
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. The invention relates to a method for investigating the interactions between molecules and electromagnetic fields by means of nuclear magnetic resonance (NMR) and an apparatus for carrying out this method.
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. Nuclear magnetic resonance spectroscopy and imaging, also referred to as MRI (magnetic resonance imaging), allow the characterization of molecular properties and the identification of atomic constituents of a sample due to interactions between the molecules contained in a sample and magnetic fields.
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. To generate external magnetic fields required to perform this method, high frequency pulsed fields having an amplitude of up to 100T are used, see e.g. B. Concepts in Magnetic Resonance 19B, 2003, page 9. Although magnetic fields with a higher amplitude would be desirable, but are not achievable in this way. The sensitivity of the nuclear magnetic resonance method is subject to Boltzman statistics and increases with increasing flux density. At room temperature and a flux density of approx. 20 T only one of approx. 10 5 atomic nuclei contributes to the signal. The magnetic field gradients additionally required for spatial resolution are too low below the μm range for micro / nanoscopy and micro / nano-spectroscopy.
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. According to D. Suter and J. Mlynek, Laser Excitation and Detection of Magnetic Resonance, Adv. In Magn. And Opt. Resonance, 16, pp. 1-12, 1991, find that atomic nuclei in a constant magnetic field experience a break in the symmetry leading to Zeemann splitting. The energy levels formed thereby can be optically excited, manipulated and detected with their fine structure. The use of a This opens up the investigation of new properties, eg. B. another spatial extent, bandwidth or induced 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. Thus, the invention has for its object to provide a method for studying the nuclear magnetic resonance in a sample and an apparatus for performing this method, which allows a high resolution in the study of nuclear magnetic resonance and in imaging.
Insbesondere sind die Bereitstellung von Magnetfeldern mit sehr hohen Flussdichten sowie von Magnetfeldgradienten mit sehr hohen Steigungen Aufgabe der vorliegenden Erfindung. In particular, the provision of magnetic fields with very high flux densities as well as magnetic field gradients with very high slopes are the object of the present invention.
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. The object is achieved with regard to the method by the steps of claim 1 and with respect to the device by the features of claim 6.
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 Radiation sources that emit synchronized, monochromatic electromagnetic radiation with high spatial and temporal coherence produce magnetic fields of high flux density and amplitude and magnetic field gradients of high slopes. In the frequency range of 10 7 to 10 15 Hz, which is of importance for the present invention, suitable lasers, including here the radiation sources referred to as maser in the microwave range, are available; Depending on the selected frequency range, the maser, Teherahertz laser, IR laser, laser in the visible spectral range
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. or UV laser. Due to their high intensities and frequencies, magnetic fields with an amplitude in the range of 10 4 T to 10 8 T and magnetic field gradients with high slopes in the nm range can be generated with these radiation sources. In this way, the detection of changes in the nuclear spin of individual atoms is possible.
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. The process according to the invention comprises the steps a) to c). According to step a), a laser suitable for this purpose, which is referred to as an excitation laser, generates at least one packet of laser pulses, but in practice a whole cascade of packets of laser pulses.
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. According to step b), the at least one packet of laser pulses is emitted in such a way that it acts on the measurement volume in which the sample volume is located at a time when a quasi-static magnetic field ≠ 0 (zero) occurs within the measurement volume. This condition ensures that precisely when there is a quasi-static magnetic field in the measurement volume on the time scale of the excitation laser, the sample is exposed approximately simultaneously to a laser pulse producing a time-varying magnetic field with a flux density B ^.
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-, The basic prerequisite for the detection of a response signal from the sample volume is the fulfillment of the frequency condition, the so-called Larmor condition, for the energetic excitation of nuclear spin levels with an energy difference ΔE as a consequence of an excitation frequency f% j = Pπ-ωi- irradiated onto the atomic nuclei.
gemäß according to
^E = hγKemBϋ, = hωXj = hfλJ I ( 1 ) wobei h. das Plancksche Wirkungsquantum, /kern das gyromagnetische Moment des zu betreffenden Atomkerns und B01 die Flussdichte eines (quasi-) statischen (externen) Magnetfelds bezeichnen. ^ E = hγ Kem B ϋ , = hω Xj = hf λJ I (1) where h. is the gyromagnetic moment of the atomic nucleus and to respective B 01 denote the Planck constant, / k s, the flux density of a (quasi-) static (external) magnetic field.
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 -Now meet at least some nuclear spins contained in the sample, the resonance condition according to Eq. (1), the sample, which is in the prevailing quasi-static magnetic field, emitting a response signal with the energy .DELTA.E in response to each irradiated excitation laser pulse received according to step c) of at least one detector and preferably forwarded to a data processing system for further processing becomes. ' - 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 The magnetic field occurring within the measurement volume is then quasi-static with respect to the time scale of the frequency of the excitation laser within the measurement volume, if it is at
einen Faktor 102, bevorzugt 103, entweder langsamer oder schneller als die Frequenz des Anregungslasers ändert. a factor 10 2 , preferably 10 3 , either slower or faster than the frequency of the excitation laser changes.
Im Fall i) , wenn sich das Magnetfeld in Bezug auf die Zeitskala derIn case i), when the magnetic field in relation to the time scale of the
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 The frequency of the excitation laser changes slowly, is ensured in the following manner, that always a value ≠ 0 for the flux density Boi of the quasi-static magnetic field, in the resonance condition according to Eq. (1) is received
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, In accordance with measure i), a suitable laser, which is referred to as a field laser, generates a low-frequency first laser beam for this purpose. The wavelength of the low-frequency first laser beam is selected such that it reduces the wavelength of the excitation laser by at least a factor 10 2 , preferably 10 3 ,
übersteigt . exceeds.
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. In a preferred embodiment, a field laser is used for this purpose, which emits a low-frequency first laser beam with a wavelength of 10 7 Hz to 10 13 Hz, while the at least one packet of laser pulses is generated by an excitation laser with a frequency of 10 9 to 10 15 Hz ,
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 . The low-frequency first laser beam strikes the measurement volume in which the sample volume to be examined is located. As a result, a first, periodically variable magnetic field with a flux density Boi is generated in the measurement volume, and the amplitude of the magnetic field has at least 90%, preferably 95% of its maximum within the measurement volume. The value of the amplitude is determined according to where μo is the magnetic field constant and c is the speed of light.
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 Boieff = 0 des quasistatischen Magnetfelds vor, so dass sich gemäß Gl. (1) keine Antwortsignal aus dem Probenvolumen beobachten lässt. In case ii), when the magnetic field changes rapidly with respect to the time scale of the frequency of the excitation laser, a vanishing effective flux density Boi eff = 0 of the quasi-static magnetic field is present on average, so that according to Eq. (1) does not allow a response signal to be observed from the sample volume.
Um dennoch ein quasi-statischen Magnetfeld mit einer effektiven Nevertheless, a quasi-static magnetic field with an effective
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 To obtain flux density ≠ 0, according to measure ii) the measuring volume with a high-frequency first laser beam whose frequency exceeds the frequency of the excitation laser by at least a factor of 10 2 , preferably 10 3 , applied. It is crucial that in this case ii) the high-frequency first laser beam is subjected to rectification before the measurement volume is applied, whereby a quasi-static magnetic field is generated in the measurement volume which has an effective mean constant flux density Boieff over at least 10 periods and time average
≠ 0 (Null) ist. Hierzu erforderliche Wellenformen lassen sich analog zur Fourieranalyse aus mehreren Frequenzanteilen zusammensetzen. ≠ 0 (zero). Waveforms required for this can be composed of several frequency components analogously to the Fourier analysis.
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. While in a preferred embodiment the at least one packet of laser pulses is generated by an excitation laser with a frequency of 10 7 to 10 9 Hz, a field laser is simultaneously used, which generates a high-frequency first laser beam with a wavelength of 10 9 to 10 11 Hz, which is subjected to a conventional and known electronic rectification before it acts on the measuring volume. For higher frequencies, measure ii) is in principle equally suitable; however, no rectifier for the spectral optical range is currently known.
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 Bot mit 1 = 1, 2, ... erzeugt wird. In a particular embodiment, the method according to the invention is configured in such a way that, in addition to the quasi-static magnetic field already present, at least one further quasi-static magnetic field is present in the measurement volume. static magnetic field of flux density Bo t with 1 = 1, 2, ... is generated.
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° For this purpose, according to the additional step a ') at least one further laser beam is generated whose wavelength corresponds to the wavelength of the low-frequency first laser beam according to measure i), but the phases of the at least one further laser beam differ from the phase of the low-frequency first laser beam by 90 ° ± 5 °, preferably by 90 °
± 1°, so dass die Flussdichte BOi 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 . ± 1 °, so that the flux density B O i of the at least one further laser beam in the measurement volume then shows a zero crossing and thus the highest possible gradient if the flux density of the quasi-static magnetic field according to measure i) has a maximum in the measurement volume.
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 the case of measure ii), if a low-frequency first laser beam according to measure i) has not already been used, at least one further low-frequency laser beam can be generated analogously, which then has a zero crossing and thus the highest possible gradient in the measuring volume.
In einer Ausgestaltung sind der erste Laserstrahl und die vorhandenen weiteren Laserstrahlen parallel zueinander ausgerichtet. In one embodiment, the first laser beam and the existing further laser beams are aligned parallel to one another.
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. In another embodiment, existing further laser beams are each aligned orthogonally to the first laser beam. Due to the three-dimensionality of the space, two further orthogonally aligned laser beams can be used to generate gradients in all x and y directions when the z direction is the direction of oscillation of the quasi-static magnetic field generated by the first laser beam.
Der mindestens eine weitere Laserstrahl wird entweder von The at least one further laser beam is either from
einem oder mehreren weiteren Feldlasern, die jeweils eine one or more other field lasers, each one
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. emitting a suitable wavelength, generated or by means of at least one in the beam path introduced beam splitter and a π / 2 delay line (phase shifter) from the first laser beam with the same wavelength branched.
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. In this embodiment, the at least one further laser beam acts on the measuring volume, whereby at least one further, periodically variable magnetic field with a flux density box with i = 1, 2,... Is generated in the measuring volume, each having a gradient. If during step b) a laser pulse with a time-varying magnetic field of flux density Bi hits the measuring volume, the additional presence of the quasi-static magnetic field gradient enables imaging (MRI) whose resolution is limited only by the gradient of the gradient itself.
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. It should be noted that the sample must be at least partially transparent or reflective in the frequency ranges of the laser beams and laser pulses acting on it in order to be able to generate a detectable response signal.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und beinhaltet wenigstens The invention further relates to an apparatus for carrying out the method according to the invention and includes at least
- mindestens einen Feldlaser zur Erzeugung eines ersten Laserstrahls, at least one field laser for generating a first laser beam,
- 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, an excitation laser for generating laser pulses, wherein the frequency of the excitation laser exceeds the frequency of the first laser beam by at least a factor of 10 2 or the wavelength of the excitation laser exceeds the wavelength of the first laser beam by at least a factor of 10 2 ,
- Mittel zur Steuerung der relativen Phase zwischen dem Feldlaser und dem Anregungslaser, insbesondere einen Trigger, und  - means for controlling the relative phase between the field laser and the excitation laser, in particular a trigger, and
- Mittel zur Führung des ersten Laserstrahls und der Laserpulse in einem Strahlengang auf ein Messvolumen zur Aufnahme einer Probe.  - Means for guiding the first laser beam and the laser pulses in a beam path to a measurement volume for receiving a sample.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird in den Strahlengang ein In a preferred embodiment is in the beam path
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. Beam splitter and a π / 2 delay line introduced, so that the output of a field laser on at least two laser beams, the then have a phase shift of π / 2, can be divided.
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. The method according to the invention and the device suitable for carrying it out allow the generation of local magnetic fields and magnetic field gradients with very high flux densities. The resulting sensitivity gain allows nuclear magnetic resonance examinations also on individual atomic nuclei.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Durchführung werden im Folgenden an Ausführungsbeispielen und den Figuren dargestellt. Hierbei zeigen im Einzelnen: The method according to the invention and the device for carrying it out are illustrated below using exemplary embodiments and the figures. Here are shown in detail:
Fig. 1 das allgemeine Messprinzip gemäß Maßnahme i) ; Fig. 1 shows the general measuring principle according to measure i);
Fig. 2 vergrößerte Darstellung zu Fig. 1; Fig. 2 is an enlarged view of Fig. 1;
Fig. 3 eine einfache Einrichtung zur Spektroskopie gemäß Fig. 3 shows a simple means for spectroscopy according to
Maßnahme i) ;  Measure i);
Fig. 4 eine Einrichtung zur Mikrospektroskopie gemäß Maßnahme i) ; Fig. 5 das allgemeine Messprinzip gemäß Maßnahme ii) ;  4 shows a device for microspectroscopy according to measure i); 5 shows the general measuring principle according to measure ii);
Fig. 6 vergrößerte Darstellung zυ Fig. 5; Fig. 6 enlarged view zυ Fig. 5;
Fig. 7 eine einfache Einrichtung zur Spektroskopie gemäß Maßnahme ii) ; 7 shows a simple device for spectroscopy according to measure ii );
Fig. 8 eine Einrichtung zur Mikrospektroskopie gemäß Maßnahme ii) . 8 shows a device for microspectroscopy according to measure ii).
Das Prinzip der Erfindung unter Verwendung der Maßnahme i) ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Der erste Laserstrahl mit einer Frequenz fOi, 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. The principle of the invention using the measure i) is shown schematically in FIG. The first laser beam having a frequency f O i, a period τoi and a wavelength γoi radiates on the measurement volume, whereby a quasistatic magnetic field having a flux density Boi is formed over the measurement volume on the time scale of the below-mentioned laser pulses in the z direction.
Weiterhin wird in Fig. 1 in Richtung des ersten Laserstrahls ein weiterer Laserstrahl mit einer Frequenz fO2, 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. Furthermore, in FIG. 1, in the direction of the first laser beam, a further laser beam having a frequency f O2 , a period τo 2 and a wavelength Y 02 is irradiated onto the measuring volume, whereby a further magnetic field in the z-axis of the laser pulses is produced over the measuring volume. Direction with a flux density B 02 forms. Of the second laser beam is offset with respect to its phase for the first laser beam so that a quasi-static zero crossing of the magnetic field B 02 occurs as closely as possible in the center of the sample or at the location of the maximum of the magnetic field of the first laser beam. If the oscillation planes of the two magnetic fields Boi and Bo 2 are in the same plane, the gradient of the superposition at this point has the highest slope in the case of the sinusoidal course of the two magnetic fields. From Fig. 1 it can be seen that depending on the frequency fo Σ , period τ 02 and wavelength γo2, the strength of the magnetic field gradient can be set in the measurement volume.
In Richtung der beiden Laserstrahlen wird nun das Messvolumen mit einer Folge von Laserpulsen mit einer Frequenz fι, Wellenlänge γi, Periodendauer τlr Pulsdauer τpl und einstellbarer Polarisation p% derart beaufschlagt, dass jeder Laserpuls das Messvolumen an der Stelle des quasi-konstanten Magnetfelds BOi und des stärksten Magnetfeldgradienten —— = max oder —— = max trifft. Dabei wurde die Frequenz fι so dy dx In the direction of the two laser beams, the measuring volume is then applied with a sequence of laser pulses with a frequency fι, wavelength γi, period τ lr pulse duration τ pl and adjustable polarization p % such that each laser pulse, the measuring volume at the location of the quasi-constant magnetic field B. O i and the strongest magnetic field gradient - = max or - = max hits. The frequency fι was so dy dx
gewählt wird, dass sie die Frequenzen fni und fn? der beiden Laserstrahlen um mindestens einen Faktor 102, bevorzugt 103, übersteigt. is chosen to be the frequencies fni and fn? of the two laser beams by at least a factor 10 2 , preferably 10 3 , exceeds.
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. If the Larmor condition is in accordance with Eq. 1, at least one sample volume located within the measurement volume, in response to the application, transmits a nuclear magnetic resonance signal detected with a detector directed to the measurement volume.
Fig. 2 zeigt die Situation mit dem zu untersuchenden Probenvolumen und seiner nahen Umgebung vergrößert. Der amplitudenkonstante Eingangspuls mit einer Frequenz flf einer Periodendauer T1, einer Wellenlänge γi bewirkt aus dem Probenvolumen heraus das rechts im Bild angedeutete abklingende Antwortsignal, das mit dem Detektor aufgenommen wird. Fig. 2 shows the situation with the sample volume to be examined and its close environment enlarged. The amplitude- constant input pulse with a frequency f lf a period T 1 , a wavelength γi causes from the sample volume out the decaying response signal indicated on the right in the image, which is recorded with the detector.
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. While in FIGS. 1, 3 and 4 in each case a laser pulse sequence coming from the left in the image is drawn with three or four laser pulses, wherein the third or fourth laser pulse arrives just at the measuring volume, Fig. 2 shows contrast only highlighted this incident laser pulse.
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 flr Periodendauer τlr Pulsdauer τplr 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 fx. FIG. 3 shows a simplified device for micro / nano-spectroscopy or micro / nanoscopy. About optical media, deflection mirror and semi-transparent mirror, the first laser beam (frequency fo, period τo, wavelength γo) with the laser pulses (frequency f lr period τ lr pulse duration τ plr wavelength γi) together, so that in the measurement volume at the same time the quasi-constant Magnetic field Boi, which is aligned here in the z-direction, and centrally affect the laser pulse on the sample. The laser pulse has at least 10 2 lower period duration than the first laser beam. Also shown are the magnetic field components S 2 of the laser pulses with the respectively associated frequencies 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. Fig. 4 shows the same structure as Fig. 1, but extended to the representation of the beam sources. On the left in the picture, the two field lasers are shown at the top and bottom for generating the first and second laser beams and in the middle of the excitation laser for generating the laser pulses and four laser pulses, which are on the way to sample. About deflecting mirrors and semi-transparent mirror, the two light beams and the laser pulses are brought together and directed to the measurement volume. The type of beam deflection is exemplified, with a different arrangement is possible, as long as the merging and localization of the two laser beams and the laser pulses are guaranteed in the volume of the sample to be examined.
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 fOi = 1013 Hz und als Anregungslaser ein gepulster UV-Laser ( τP1 = ICT14 s) mit einer Betriebsfrequenz A model calculation for laser fields should clarify the functionality of the method according to the invention in relation to measure i) quantitatively. For local generation of the on the time scale of the laser pulses quasi-constant magnetic field B 0 in the range of the measuring volume are as field lasers an IR laser with the operating frequency f O i = 10 13 Hz and as excitation laser a pulsed UV laser (τ P1 = ICT 14 s) with an operating frequency
fi = 1015 Hz verwendet. fi = 10 15 Hz used.
Unter Anwendung von Gl. 1 ergibt sich die Magnetfeldstärke für Protonenresonanz {γproton = 42,5#106 MHz/T) bei maximaler Laseramplitude zu Using Eq. 1 gives the magnetic field strength for proton resonance {γp roton = 42.5 # 10 6 MHz / T) at maximum laser amplitude
B0]=^±~\SOAdT. (3) B 0] = ^ ± ~ \ SOAdT. (3)
ΥKern  ΥKern
Die Laser-Feld-Intensität beträgt The laser field intensity is
Der Magnetfeldgradient lässt sich unter der Annahme von The magnetic field gradient can be calculated by assuming
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. B 0 2 ~ B 01 and Y02 & Yoi too estimated. In order for the energy levels to be excited, there is a corresponding excitation width required, it is confirmed that the pulse is shorter than the period of B 0 . This results in an estimated excitation pulse (90 ° pulse length) of 10 "14 s.
Daraus folgt für den Wert der Feldstärke B1 It follows for the value of the field strength B 1
0.25 «/„£, -1(T14S → Bx= 59OkT. (7) Für die Intensität des UV-Lasers ergibt sich somit zu 0.25 «/" £, -1 (T 14 S → B x = 59OkT. (7) For the intensity of the UV laser thus arises
In der folgenden Tabelle 1 sind Größenordnungen einiger Feldeigenschaften mit nicht gleichgerichtetem B0I-FeId angegeben: In the following Table 1, orders of magnitude of some field properties with non-rectified B 0I -FeId are given:
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. The principle of the invention using the measure ii) is shown schematically in Fig. 5. The first laser beam with a frequency foi, a period τoi and a wavelength γoi is rectified and radiates to the measurement volume, whereby ü over the measurement volume on the time scale of the below-mentioned laser pulses in the z-direction, a quasi-static magnetic field with a flux density Boieff trains.
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. Furthermore, 5, in FIG. Y 02 irradiated in the direction of the first laser beam, a further non-rectified laser beam having a frequency Jf 02, a period τo 2 and a wavelength on the measuring volume, whereby over the measurement volume on the time scale of the laser pulses, a further magnetic field in z-direction with a Flußdich- te B 02 trains. The second laser beam is arranged so that a quasi-static zero crossing of the magnetic field B 02 occurs as accurately as possible in the center of the sample volume.
Aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass je nach Frequenz f02, Periodendauer Xo2 und Wellenlänge γo sich die Stärke des Magnetfeldgradienten im Messvolumen einstellen lässt. From FIG. 5 it can be seen that, depending on the frequency f 02 , period Xo 2 and wavelength γo Σ , the strength of the magnetic field gradient in the measurement volume can be set.
In Richtung der beiden Laserstrahlen wird nun das Messvolumen mit einer Folge von Laserpulsen mit einer Frequenz flt Wellenlänge γlr Periodendauer Ti, Pulsdauer τpl und einstellbarer Polarisation pι derart beaufschlagt, dass jeder Laserpuls das Messvolumen an der Stelle des quasi-konstanten Magnetfelds BOieff und des stärksten Magnetfeldgra- dBm dBm In the direction of the two laser beams, the measurement volume will now lt comprising a sequence of laser pulses with a frequency f wavelength γ lr period Ti, pulse duration τ pl and adjustable polarization pι applied such that each laser pulse the measurement volume at the location of the quasi-constant magnetic field B O i eff and the strongest magnetic field gra- dB m dB m
dienten —— = max oder —— = max trifft. Dabei wurde die Frequenz fι dy δx served - = max or - = max hits. The frequency was 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 fλ um mindestens einen Faktor 102, bevorzugt 103. is chosen such that it exceeds the frequency fo 2 of the second laser beam by at least a factor 10 2 , preferably 10 3 . In contrast, the frequency f 01 exceeds the frequency f λ by at least a factor 10 2 , preferably 10 3 .
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. If the Larmor condition is in accordance with Eq. 1, at least one sample volume located within the measurement volume, in response to the application, transmits a nuclear magnetic resonance signal detected with a detector directed to the measurement volume.
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 τlf einer Wellenlänge γi bewirkt aus dem Probenvolumen heraus das rechts im Bild angedeutete abklingende Antwortsignal, das mit dem Detektor aufgenommen wird. Fig. 6 shows the situation with the sample volume to be examined and its close environment enlarged. The magnified highlighted amplitude constant input pulse with a frequency £ χ, a period τ lf a wavelength γi causes from the sample volume out the decaying response signal indicated on the right in the image, which is recorded with the detector.
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 denFIG. 7 shows a simplified device for micro / nano-spectroscopy or micro / nanoscopy. Optical media, deflecting mirrors, rectifiers and semitransparent mirrors make the first te laser beam (frequency fo, period τo, wavelength γo) with the
Laserpulsen (Frequenz flr Periodendauer τlt Pulsdauer τpi, Wellenlänge Yi) zusammen geführt, so dass im Messvolumen gleichzeitig das quasikonstante Magnetfeld Boieff, 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 Laser pulses (frequency f lr period τ lt pulse duration τ p i, wavelength Yi) together, so that in the measuring volume simultaneously the quasi-constant magnetic field Boi eff , which is aligned here in the z-direction, and centrally the laser pulse acting on the sample. The laser pulse has at least 10 2 longer periods than the first
Laserstrahl. Weiter dargestellt sind die Magnetfeldkomponenten B± der Laserpulse mit den jeweils zugehörigen Frequenzen f±. Laser beam. Also shown are the magnetic field components B ± the laser pulses with the respective associated frequencies 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 Fig. 9 shows the same structure as Fig. 5, but extended to the representation of the beam sources. On the left in the picture, the two field lasers are shown at the top and bottom for generating the first and second laser beams and in the middle of the excitation laser for generating the laser pulses. About deflecting mirror, a rectifier and semi-transparent mirror, the two light beams and the laser pulses are brought together and directed to the measurement volume. The nature of
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. Beam deflection is exemplified, with a different arrangement being possible as long as the merging and localization of the two laser beams and the laser pulses in the volume of the sample to be examined are ensured.
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 Boieff werden ein IR-Laser mit der Betriebsfrequenz foi = 1013 Hz und ein für das An exemplary calculation for the measure ii) under the conditions with rectification of Boi is intended to illustrate the inventive method quantitatively. For the local generation of the effective quasi-static magnetic field Boi eff , an IR laser with the operating frequency foi = 10 13 Hz and an for the
Anregsignal ein gepulster Maser (τP1 & 10'10 s; foi ~ 1013 Hz) der Betriebsfrequenz fi = 1011 Hz verwendet. Excitation signal a pulsed maser (τ P1 & 10 '10 s, foi ~ 101 3 Hz) of the operating frequency fi = 10 11 Hz used.
Unter Anwendung von Gl. 1 ergibt sich die Magnetfeldstärke für Protonenresonanz (γProton= 42,5-106 MHz/T) und einem Mittelungsfaktor ξ≤ 1.0 zu Using Eq. 1 results in the magnetic field strength for proton nuclear magnetic resonance (γ P ro t on = 42.5 to 10 6 MHz / T) ξ≤ and an averaging factor 1.0 to
Bow=ξ-B01=^-- ISkT. 9) B ow = ξ-B 01 = ^ - ISkT. 9)
7Kern Die Laser-Feld-Intensität mit ξ = 0,64 ist: 7Kern The laser field intensity with ξ = 0.64 is:
/ Oi -L ~s. GW / Oi -L ~ s. GW
B Ol «64  B Ol «64
2 Mo μm 2 * 10) 2 Mo μm 2 * 10)
Der Magnet feldgradient kann unter Verwendung von B02 ~ 10 -3 BOi und γo2 The magnetic field gradient can be measured using B 02 ~ 10 -3 B O i and γo 2
103 Vi abσeschätzt werden als: 10 3 Vi are estimated as:
(H) (H)
Damit die Energieniveaus angeregt werden ist eine entsprechende Anregungsbreite von In order for the energy levels to be excited there is a corresponding excitation width of
Δ/;~IO-3/ol=ioHz. 12) erforderlich. Es ergibt sich ein abgeschätzter Anregungspuls (90°- Pulslänge) von 10~10 s. Daraus ergibt sich für die Bi-Feldstärke ein Wert von Δ /; ~ IO- 3 / ol = 10 Hz Hz. 12). The result is an estimated excitation pulse (90 ° pulse length) of 10 ~ 10 s. This results in a value of
0.25 «/„5, -1(T10S → B,=S9T (13) 0.25 "/" 5, -1 (T 10 S → B, = S9T (13)
Für die Intensität des Masers ergibt sich somit For the intensity of the measles thus arises
B; kW B; kW
«410 i4)  «410 i4)
2 μ0 μm 2 * : In der nachfolgenden Tabelle 2 sind Größenordnungen einiger Feldeigenschaften mit gleichgerichtetem B0I-FeId angegeben: 2 μ 0 μm 2 * : In the following Table 2, orders of magnitude of some field properties with the same B 0I -feed are given:
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. There is freedom of construction. If you set z. As optical fibers to produce laser radiation, not necessarily several laser sources are required, which must be triggered on each other, since the radiation of a single source with different fiber arrangements can be adjusted accordingly.
Es lässt sich auch eine definierte Phasenlage verschiedener Poiarisa- tionszustände erzeugen, so dass sich die in der NMR übliche phasenempfindliche Quadraturdetektion (siehe z. B. It is also possible to generate a defined phase position of different polarization states, such that the phase-sensitive quadrature detection customary in NMR (see, for example, US Pat.
Electronics Letters, 15, 1979, 615) einsetzen lässt.  Electronics Letters, 15, 1979, 615).

Claims

Patentansprüche claims
Verfahren zur Untersuchung der Kernspiήresonanz in einem Probenvolumen, das sich in einem Messvolumen befindet, Method for the examination of nuclear magnetic resonance in a sample volume which is located in a measuring volume
mit den Schritten  with the steps
a) Erzeugen mindestens eines Pakets von Laserpulsen mittels eines Anregungslasers,  a) generating at least one packet of laser pulses by means of an excitation laser,
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  b) applying the at least one packet of laser pulses to the measurement volume in such a way that it acts on the measurement volume if a quasi-static magnetic field occurs within the measurement volume, whereby the sample volume in the measurement volume, provided the resonance conditions for it are present containing nuclear spins are satisfied, a response signal is emitted to the at least one packet of laser pulses, and
c) Empfangen des Antwortsignals aus dem Probenvolumen in mindestens einem Detektor,  c) receiving the response signal from the sample volume in at least one detector,
wobei das innerhalb des Messvolumens auftretende quasi-statische wherein the quasi-static occurring within the measuring volume
Magnetfeld dadurch bereit gestellt wird, dass Magnetic field is provided by that
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 i) the measurement volume is applied to a low-frequency first laser beam whose wavelength exceeds the wavelength of the excitation laser by at least a factor 10 2 , whereby a periodically variable magnetic field with a flux density Boi is generated in the measurement volume, and at least the amplitude of the magnetic field within the measurement volume Has 90% of its maximum, or
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. ii) the measurement volume is subjected to a high-frequency first laser beam whose frequency exceeds the frequency of the excitation laser by at least a factor 10 2 , wherein the laser beam is subjected to rectification before the measurement volume is applied, whereby a quasi-static magnetic field is generated in the measurement volume , which has an effective mean constant flux density Boieff over at least 10 periods, their spatial and temporal mean is not equal to zero.
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. 2. The method of claim 1, wherein the quasi-static magnetic field by measure (i) is provided by the at least one packet of laser pulses from an excitation laser having a frequency of 10 9 to 10 15 Hz is generated and the low-frequency first laser beam of a first field laser with a frequency of 10 7 to 10 13 Hz is generated.
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 3. The method of claim 1, wherein the quasi-static magnetic field by the measure (ii) is provided by the at least one packet of laser pulses from an excitation laser having a wavelength of 10 7 to 10 9 Hz is generated and the high-frequency first laser beam of a
ersten Feldlaser mit einer Wellenlänge von 109 bis 1011 Hz erzeugt und einer elektronischen Gleichrichtung unterzogen wird. first field laser with a wavelength of 10 9 to 10 11 Hz generated and subjected to an electronic rectification.
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 BOi mit i = 1, oder 3 erzeugt wird, das eine Gradienten aufweist. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one further laser beam is generated whose wavelength corresponds to the wavelength of the low-frequency first laser beam and the phase of the at least one further laser beam from the phase of the low-frequency first laser beam by 90 ° ± 5 ° differs, and the measuring volume during step b) is applied simultaneously with the at least one further laser beam, whereby at least one further periodically varying magnetic field is generated in the measuring volume with a flux density B O i with i = 1, or 3, which has a gradient.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der mindestens eine weitere Laserstrahl entweder 5. The method of claim 4, wherein the at least one further laser beam either
- von mindestens einem weiteren zusätzlichen Feldlaser erzeugt wird oder  - Is generated by at least one additional additional field laser or
- mittels mindestens eines in den Strahlengang eingebrachten Strahlteilers und einer π/2 Verzögerungsleitung aus dem nie- derfrequenten ersten Laserstrahl abgezweigt wird. by means of at least one beam splitter introduced into the beam path and a π / 2 delay line from the derfrequenzed first laser beam is diverted.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend 6. Apparatus for carrying out the method according to one of claims 1 to 5, comprising
- mindestens einen Feldlaser zur Erzeugung eines ersten Laserstrahls,  at least one field laser for generating a first laser beam,
- einen Anregungslaser zur Erzeugung von Laserpulsen,  an excitation laser for generating laser pulses,
- Mittel zur Steuerung der relativen Phase zwischen dem Feldlaser und dem Anregungsiaser und  - means for controlling the relative phase between the field laser and the excitation laser and
- Mittel zur Führung des ersten Laserstrahls und der Laserpulse in einem Strahlengang auf ein Messvolumen zur Aufnahme einer Probe.  - Means for guiding the first laser beam and the laser pulses in a beam path to a measurement volume for receiving a sample.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei in den Strahlengang zusätzlich mindestens ein Strahlteiler und mindestens eine Verzögerungsleitung eingebracht sind. 7. Apparatus according to claim 6, wherein in the beam path in addition at least one beam splitter and at least one delay line are introduced.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei weiterhin mindestens ein 8. Apparatus according to claim 6, further comprising at least one
Gleichrichter vorhanden ist.  Rectifier is present.
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