Spekroskopie 3 (Pieles) at FHNW - Fachhochschule Nordwestschweiz | Flashcards & Summaries

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Lernmaterialien für Spekroskopie 3 (Pieles) an der FHNW - Fachhochschule Nordwestschweiz

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  1. Was ist der Unterschied zwischen Oxyhaemoglobin und Desoxyhaemoglobin im Bezug auf den Einfluss auf T2*?
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  • T2* wird verkürzt bei vorhanden sein von Desoxyhämoglobin (Paramagnetisch) und somit zu mehr Inhomogenitäten führt, was zu einer Abnahme der Intensität des Signals führt.
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  1. Beschreiben Sie die Eigenschaften eines Kerns, damit er im NMR oder MRI gemessen werden kann und die Ursache für seine quantenmechanischen Eigenschaften. Benennen Sie drei der für die NMR Spektroskopie wichtigsten Kerne.
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  • Damit man ein Kern im NMR messen kann, muss dieser über eine ungerade Zahl an Nukleonen besitzen. So kann Kernresonanz entstehen. Der gesamte Spin eines Atoms kommt durch die einzelnen Spins von Elektronen, Protonen und Neutronen zustande. Man kann das Proton als ein einzig kleiner Magnet vorstellen, welches für den NMR Effekt verantwortlich ist. Jeder Kern besitzt einen Eigendrehimpuls P, der gequantelt ist. P ist mit dem Kernmoment 
    {\displaystyle {\vec {\mu }}_{s}}verknüpft μ=P*Y 
  • Nimmt die Spinquantenzahl I = 0 an, ist kein Eigendrehimpuls vorhanden und somit kein Magnetischen Moment vorhanden (im NMR nicht messbar). Ist I = ½ somit kann der Kern gemessen werden. Bringt man einen 1H-Proton in ein Magnetfeld, so folgt eine Richtungsquantelung und P richtet sich mit und gegen das Magnetfeld. Es entstehen Z Zustände + ½  und – ½  (weil m = 2I + 1 Werte). Die Kerne präzessieren um die Z-Achse des Magnetfelds mit der Lamourfrequenz (gegen und mit dem Magnetfeld). Nun können Kerne angeregt werden (Resonanz) 

Kerne 15N, 31P, 13C, 1H, 19F

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  1. Was bedeutet der Begriff BOLD?
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  • BOLD = Blood Oxygen Level Dependant. Eine Technik die in der fMRI angewendet wird.
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Beschreiben Sie den T1 Relaxationsprozess.

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  • Im Angelegten B0 stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Nalpha und Nbeta ein. Die Boltzmannverteilung beschreibt diesen Prozess. Es resultiert ein Magnetisierungsvektor in Z Richtung. Dieser entspricht M0 (Gleichgewichtsmagnetisierung). Wird nun mit der Lamourfrequenz angeregt, werden die Spins angeregt und es entsteht ein gesättigter Zustand. 

Mz = 0 Nalpha=Nbeta. Magnet wird abgeschaltet und es entsteht wieder ein thermisches Gleichgewicht. Die benötigte Zeit wird T1 genannt. Die Energie wird über thermische Prozesse abgegeben. 

T1 Energieübertragung auf das Gitter oder Lösungsmittelmaterial, Kopplung Kernmagnetfeld mit Magnetfeldern die von Gitter oder Lösungsmittel erzeugt werden, Temperatur steigt minimal an, T1 exponentieller Abfall

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  1. Was versteht man unter T1 Gewichtung?
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  • Allgemeint gesagt spielt für die T1-Gewichtung der Parameter Time to Repeat (TR) eine grosse Rolle. Gewebe, dass viel Wasser enthält bzw. die darin enthaltenen Proteine haben eine lange T1, T2 Zeit. Fettreiches Gewebe hat hingegen kurze T1 und T2 Zeit. Wird nun ein T1 gewichtetes MRI aufgenommen, wird die vollständige T1 Zeit abgewartet (Time to Repeat 5*T1).

So sieht man keine unterschiede der Protonen mit unterschiedlicher Umgebung (mehr oder weniger Fett) . Wird jedoch eine kurze TR gewählt, so können Protonen die längere T1 Zeiten haben (Wegen hohen Wassergehalt im Gewebe, kleiner Fettanteil) nicht vollständig relaxieren und bei erneuten Messung wird das Signal eine geringe Intensität haben -> so entstehen Kontraste im Bild und fetthaltiges Gewebe erscheint heller als z.B Flüssigkeiten

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  1. Was geschieht, wenn man einen NMR aktiven Kern in ein starkes äusseres Magnetfeld bringt? Beschreiben Sie den Effekt.
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  • Wird ein Kern in ein starkes Magnetfeld gebracht (Kern mit I= 1/2) somit wird dieser sich gegen und mit dem Magnetfeld ausrichten. Da sich mehr im nicht angeregten Zustand befinden als im angeregten Zustand und so entsteht eine Energiedifferenz zwischen den Niveaus. Die Spins präzedieren mit der Lamourfrequenz um die Z-Achse. 
  • Wenn I = ½ kann es 2 mögliche Zustände ergeben (Magnetquantenzahl = 2I+1) ½ und -1/2 
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  1. Wie hängt die Lamorfrequenz vom aussen angelegten Magnetfeld ab und welche Informationen sind dort indirekt enthalten?
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  • Y hängt linear vom aussen angelegten Magnetfeld ab. Je grösser B0, desto grösser die Lamourfrequenz. Die Lamourfrequenz enthält alle nötigen Informationen (chem. Verschiebung, Kopplung und Intensität) um ein Spektrum mittels Fourier-Transformation zu erzeugen.
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  1. Die gyromagnetische Konstante beschreibt eine sehr wichtige Eigenschaft eines Kerns. Erläutern Sie den Einfluss dieses Faktors auf ein NMR oder MRI Experiment.
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  • Y ist eine Stoffkonstante (charakteristisch für die jeweiligen Isotope). Von Y hängt die Nachweiseempfindlichkeit eines Kerns ab und wichtig für eine empfindliche Messung. Je höher die Konstante, desto empfindlicher kann gemessen werden.
  • Z.B hat 1H 4x grösse Y-Konstante als 13C
  • Der Kernmoment μ hängt direkt proportional mit der Gyromagnetische Konstante zusammen. Das heisst je grösser Y desto grösser μ, da (μ=P*Y) 
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  1. Was ist die Phasenkohärenz und welche Rolle spielt sie bei der NMR und MRI?
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  • Die Phasenkohärenz ist die Synchronisierung der Spins nach dem sie z.B durch einen 90° Impuls (B1) in die y-Achse ausgelenkt worden sind. Wird nun B1 abgestellt, verlieren de Spins die Phasenkohärenz und fangen an sich aufzufächern -> unterschiedliche Lamourfrequenzen. Dieses auffächern kann gemessen werden und wird T2 genannt.  
  • Die Zeit, die es benötigt, um wieder in den Grundzustand zu gelangen mittels Spin-Spin Relaxation
  • NMR und MRI benötigen diese Zeit, um ein Signal zu erzeugen
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Was ist die Lamor Frequenz? Welche Rolle spielt sie in einem NMR/MRI Experiment?

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  • Die Lamourfrequenz ist die Frequenz mit der sich ein Kern, in einem aussenangelegten Magnetfeld präzessiert (Umlauffrequenz um die Z-Achse von B0). Sie hängt linear vom angelegten B0 ab.
  • NMR/MRI: ist die Frequenz, mit der sich der Kern über Resonanz angeregt wird. 
  • NMR: durch chem. Verschiebung und Kopplung erhalten gleiche Kerne unterschiedliche Lamourfrequenz und somit kann ein Molekül ermittelt werden.

MRI: Durch Gradienten werden Slices bestimmt, diese unterscheiden sich in der Lamourfrequenz

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  1. Wie kann der Spin eines Atoms erklärt werden?
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  • Der Kern dreht sich um seine eigene Achse und induziert so ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld hat eine Richtung und eine Feldstärke und wird als magnetischer Moment bezeichnet (Analog Drehmoment)
  • Mass für die Eigenrotation der Protonen und Neutronen des Atomkerns
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  1. Wie kann man die Auflösung und Empfindlichkeit bei einem NMR/MRI Experiment generell erhöhen?
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  • Generell kann man die Empfindlichkeit erhöhen, indem man bei sehr tiefen Temperaturen misst (-267°C). mit Helium gekühlt und sehr starke Magneten verwenden. Weiter kann man im NMR mit dem NOE-Effekt die Empfindlichkeit erhöhen. 
  • Rotation NMR Röhrchen.
  • Des weiteren kann man über wiederholende Messungen die Empfindlichkeit erhöhen
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Q:
  1. Was ist der Unterschied zwischen Oxyhaemoglobin und Desoxyhaemoglobin im Bezug auf den Einfluss auf T2*?
A:
  • T2* wird verkürzt bei vorhanden sein von Desoxyhämoglobin (Paramagnetisch) und somit zu mehr Inhomogenitäten führt, was zu einer Abnahme der Intensität des Signals führt.
Q:
  1. Beschreiben Sie die Eigenschaften eines Kerns, damit er im NMR oder MRI gemessen werden kann und die Ursache für seine quantenmechanischen Eigenschaften. Benennen Sie drei der für die NMR Spektroskopie wichtigsten Kerne.
A:
  • Damit man ein Kern im NMR messen kann, muss dieser über eine ungerade Zahl an Nukleonen besitzen. So kann Kernresonanz entstehen. Der gesamte Spin eines Atoms kommt durch die einzelnen Spins von Elektronen, Protonen und Neutronen zustande. Man kann das Proton als ein einzig kleiner Magnet vorstellen, welches für den NMR Effekt verantwortlich ist. Jeder Kern besitzt einen Eigendrehimpuls P, der gequantelt ist. P ist mit dem Kernmoment 
    {\displaystyle {\vec {\mu }}_{s}}verknüpft μ=P*Y 
  • Nimmt die Spinquantenzahl I = 0 an, ist kein Eigendrehimpuls vorhanden und somit kein Magnetischen Moment vorhanden (im NMR nicht messbar). Ist I = ½ somit kann der Kern gemessen werden. Bringt man einen 1H-Proton in ein Magnetfeld, so folgt eine Richtungsquantelung und P richtet sich mit und gegen das Magnetfeld. Es entstehen Z Zustände + ½  und – ½  (weil m = 2I + 1 Werte). Die Kerne präzessieren um die Z-Achse des Magnetfelds mit der Lamourfrequenz (gegen und mit dem Magnetfeld). Nun können Kerne angeregt werden (Resonanz) 

Kerne 15N, 31P, 13C, 1H, 19F

Q:
  1. Was bedeutet der Begriff BOLD?
A:
  • BOLD = Blood Oxygen Level Dependant. Eine Technik die in der fMRI angewendet wird.
Q:

Beschreiben Sie den T1 Relaxationsprozess.

A:
  • Im Angelegten B0 stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Nalpha und Nbeta ein. Die Boltzmannverteilung beschreibt diesen Prozess. Es resultiert ein Magnetisierungsvektor in Z Richtung. Dieser entspricht M0 (Gleichgewichtsmagnetisierung). Wird nun mit der Lamourfrequenz angeregt, werden die Spins angeregt und es entsteht ein gesättigter Zustand. 

Mz = 0 Nalpha=Nbeta. Magnet wird abgeschaltet und es entsteht wieder ein thermisches Gleichgewicht. Die benötigte Zeit wird T1 genannt. Die Energie wird über thermische Prozesse abgegeben. 

T1 Energieübertragung auf das Gitter oder Lösungsmittelmaterial, Kopplung Kernmagnetfeld mit Magnetfeldern die von Gitter oder Lösungsmittel erzeugt werden, Temperatur steigt minimal an, T1 exponentieller Abfall

Q:
  1. Was versteht man unter T1 Gewichtung?
A:
  • Allgemeint gesagt spielt für die T1-Gewichtung der Parameter Time to Repeat (TR) eine grosse Rolle. Gewebe, dass viel Wasser enthält bzw. die darin enthaltenen Proteine haben eine lange T1, T2 Zeit. Fettreiches Gewebe hat hingegen kurze T1 und T2 Zeit. Wird nun ein T1 gewichtetes MRI aufgenommen, wird die vollständige T1 Zeit abgewartet (Time to Repeat 5*T1).

So sieht man keine unterschiede der Protonen mit unterschiedlicher Umgebung (mehr oder weniger Fett) . Wird jedoch eine kurze TR gewählt, so können Protonen die längere T1 Zeiten haben (Wegen hohen Wassergehalt im Gewebe, kleiner Fettanteil) nicht vollständig relaxieren und bei erneuten Messung wird das Signal eine geringe Intensität haben -> so entstehen Kontraste im Bild und fetthaltiges Gewebe erscheint heller als z.B Flüssigkeiten

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Q:
  1. Was geschieht, wenn man einen NMR aktiven Kern in ein starkes äusseres Magnetfeld bringt? Beschreiben Sie den Effekt.
A:
  • Wird ein Kern in ein starkes Magnetfeld gebracht (Kern mit I= 1/2) somit wird dieser sich gegen und mit dem Magnetfeld ausrichten. Da sich mehr im nicht angeregten Zustand befinden als im angeregten Zustand und so entsteht eine Energiedifferenz zwischen den Niveaus. Die Spins präzedieren mit der Lamourfrequenz um die Z-Achse. 
  • Wenn I = ½ kann es 2 mögliche Zustände ergeben (Magnetquantenzahl = 2I+1) ½ und -1/2 
Q:
  1. Wie hängt die Lamorfrequenz vom aussen angelegten Magnetfeld ab und welche Informationen sind dort indirekt enthalten?
A:
  • Y hängt linear vom aussen angelegten Magnetfeld ab. Je grösser B0, desto grösser die Lamourfrequenz. Die Lamourfrequenz enthält alle nötigen Informationen (chem. Verschiebung, Kopplung und Intensität) um ein Spektrum mittels Fourier-Transformation zu erzeugen.
Q:
  1. Die gyromagnetische Konstante beschreibt eine sehr wichtige Eigenschaft eines Kerns. Erläutern Sie den Einfluss dieses Faktors auf ein NMR oder MRI Experiment.
A:
  • Y ist eine Stoffkonstante (charakteristisch für die jeweiligen Isotope). Von Y hängt die Nachweiseempfindlichkeit eines Kerns ab und wichtig für eine empfindliche Messung. Je höher die Konstante, desto empfindlicher kann gemessen werden.
  • Z.B hat 1H 4x grösse Y-Konstante als 13C
  • Der Kernmoment μ hängt direkt proportional mit der Gyromagnetische Konstante zusammen. Das heisst je grösser Y desto grösser μ, da (μ=P*Y) 
Q:
  1. Was ist die Phasenkohärenz und welche Rolle spielt sie bei der NMR und MRI?
A:
  • Die Phasenkohärenz ist die Synchronisierung der Spins nach dem sie z.B durch einen 90° Impuls (B1) in die y-Achse ausgelenkt worden sind. Wird nun B1 abgestellt, verlieren de Spins die Phasenkohärenz und fangen an sich aufzufächern -> unterschiedliche Lamourfrequenzen. Dieses auffächern kann gemessen werden und wird T2 genannt.  
  • Die Zeit, die es benötigt, um wieder in den Grundzustand zu gelangen mittels Spin-Spin Relaxation
  • NMR und MRI benötigen diese Zeit, um ein Signal zu erzeugen
Q:

Was ist die Lamor Frequenz? Welche Rolle spielt sie in einem NMR/MRI Experiment?

A:
  • Die Lamourfrequenz ist die Frequenz mit der sich ein Kern, in einem aussenangelegten Magnetfeld präzessiert (Umlauffrequenz um die Z-Achse von B0). Sie hängt linear vom angelegten B0 ab.
  • NMR/MRI: ist die Frequenz, mit der sich der Kern über Resonanz angeregt wird. 
  • NMR: durch chem. Verschiebung und Kopplung erhalten gleiche Kerne unterschiedliche Lamourfrequenz und somit kann ein Molekül ermittelt werden.

MRI: Durch Gradienten werden Slices bestimmt, diese unterscheiden sich in der Lamourfrequenz

Q:
  1. Wie kann der Spin eines Atoms erklärt werden?
A:
  • Der Kern dreht sich um seine eigene Achse und induziert so ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld hat eine Richtung und eine Feldstärke und wird als magnetischer Moment bezeichnet (Analog Drehmoment)
  • Mass für die Eigenrotation der Protonen und Neutronen des Atomkerns
Q:
  1. Wie kann man die Auflösung und Empfindlichkeit bei einem NMR/MRI Experiment generell erhöhen?
A:
  • Generell kann man die Empfindlichkeit erhöhen, indem man bei sehr tiefen Temperaturen misst (-267°C). mit Helium gekühlt und sehr starke Magneten verwenden. Weiter kann man im NMR mit dem NOE-Effekt die Empfindlichkeit erhöhen. 
  • Rotation NMR Röhrchen.
  • Des weiteren kann man über wiederholende Messungen die Empfindlichkeit erhöhen
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