Исследование эффекта переноса намагниченности на примере системы крахмал-вода в слабом поле
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
?. Образец представляется в виде совокупности двух фракций протонов водорода: связанные протоны - входящие в состав макромолекул (в том числе и протоны, входящие в состав присоединенных гидратацией к макромолекулам, молекул воды) и свободные протоны, входящие в состав несвязанных молекул воды.
В МРТ-исследованиях сигнал протонов макромолекул явным образом не обнаруживается. Причиной этого являются небольшая концентрация и малое время спин-спиновой релаксации(T2) протонов макромолекул (порядка менее 1 миллисекунды). Напротив время спин-спиновой релаксации протонов несвязанной воды имеет значение порядка более 10 миллисекунд. Из-за обратной зависимости между T2 и шириной спектральной линии, ЯМР-спектр исследуемой системы будет нести очень широкий пик от связанных протонов и очень узкий пик от свободных (рис. 5). [13]
Существенное различие в ширине спектральных линий, дает возможность получить частичное насыщение намагниченности связанных протонов при минимальном воздействии на намагниченность свободных, по средствам РЧ облучении объекта (импульсном или непрерывном) при достаточно большой отстройке от резонанса.
Рисунок 5. иллюстрирует сигнал от двух фракций: протонов водорода несвязанной воды и связанных протонов. Связанные протоны избирательно насыщаются внерезонансным импульсом, существенно не влияющим на протоны несвязанной воды.[13]
Дальнейшее поведение системы можно представить в виде следующей диаграммы[13]:
ядерный намагниченность лабораторный импульсный
Иными словами, преднасыщающим внерезонансным импульсом мы частично насыщаем связанные протоны водорода, входящие в состав макромолекул. Перенос насыщения от связанных протонов к свободным вследствие химического обмена и механизмов релаксации приводит к снижению экспериментально измеряемой интенсивности сигнала несвязанной воды.
Динамика намагниченности в рассматриваемой системе связанных спинов описывается уравнениями Блоха в модификации Мак Коннела [14], учитывающими обмен между Z-компонентами намагниченности. Для случая двух фракций свободных и связанных протонов система уравнений Блоха-Мак Коннела имеет вид:
- X-. Y- и Z-компоненты намагниченности свободных(F) и связанных (B) протонов;
, - скорости продольной и поперечной релаксаций,
- отстройка РЧ поля от резонанса (- ларморова частота, одинаковая для свободных и связанных протонов);
- амплитуда РЧ поля, выраженная в единицах частоты(- гиромагнитное отношение);
- молярное отношение фракций свободных и связанных протонов,
- эффективная константа скорости кросс-релаксации, феноменологически описывающая вклады ядерного эффекта Оверхаузера и химического обмена;
- равновестная намагниченность фракции свободных протонов. Равновестная намагниченность связанных протонов выражена через величины и
Теоретическое описание действия насыщающего импульса на спиновую систему в общем случае требует решения уравнений системы (2)-(7) и не может быть выражено аналитически. Однако возможно существенно упростить математическое описание, если пренебречь влиянием РЧ воздействия на намагниченность свободной фракции. В этом случае поперечные компоненты намагниченности свободных протонов выпадают из уравнений (2)-(7), что позволяет снизить размерность системы с 6 до 4. Теоретический анализ и численное моделирование импульсного переноса намагниченности при данном предположении показали, что динамика намагниченности в течении насыщающего импульса с высокой точностью описывается эффективным уравнением для продольных компонент[15]:
Где RrfB - скорость утечки продольной намагниченности связанных спинов под действием РЧ облучения.
В работе R.M. Henkelman, G.J. Stanisz, S.J. Graham, [13] проведены исследования переноса намагниченности в 4% водном растворе агара. В ходе эксперимента, исследовалась зависимость амплитуды сигнала от величины расстройки по частоте насыщяющих импульсов. Из полученных данных, математическим моделированием в рамках двух фракционной модели раствора, были получены кривые насыщения отдельных фракций без учета взаимодействия между ними. Результат представлен на рисунке 6:
Верхняя кривая показывает изменение намагниченности, которое наблюдалось бы в в ходе эксперимента, случае отсутствия агара. Случай отсутствия воды отображает нижняя кривая. Центральная же кривая представляет реальные данные полученные от водного раствора агара.
Затемненная область показывает величину обменного взаимодействия между насыщенным агаром и водой.
Материалы и методы
Целью настоящей работы являются:
)Установление возможности наблюдения эффекта переноса ядерной намагниченности используя имеющееся лабораторное оборудование.
)Изучение влияния параметров исследуемых образцов на отношение переноса намагниченности.
Подготовка образцов
)Клейстеризованный крахмал.
Первым объектом исследований, был выбран клейстеризованный картофельный крахмал.
Крахмал, главный резервный полисахарид растений; накапливается в виде зерен в клетках семян, луковиц, клубней, а также в листьях и стеблях. Бесцветное аморфное вещество, не растворим в холодной воде, диэтиловом эфире, этаноле, в горячей воде образует клейстер. В зе?/p>