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Original title:
Low-Field NMR and the Application on Magnetic Nanoparticles and Multiple-Quantum Coherences
Translated title:
Niederfeld-NMR und die Anwendung auf magnetische Nanopartikel und Mehrquantenkohärenzen
Author:
Wegemann, Andreas
Year:
2021
Document type:
Dissertation
Faculty/School:
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Advisor:
Hemmert, Werner (Prof. Dr.)
Referee:
Hemmert, Werner (Prof. Dr.); Haase, Axel (Prof. Dr.)
Language:
en
Subject group:
ELT Elektrotechnik; MED Medizin; PHY Physik
TUM classification:
PHY 820d; MED 370d
Abstract:
Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy can be considered as one of the most versatile and powerful tools regarding the investigation of molecular interactions, structures, and dynamics. A rising number of applications rely on low-field permanent magnets due to increased mobility, small outline dimensions and reduced costs. However, permanent magnets suffer from reduced signal-to-noise ratio and resolution as well as temperature-dependent field drifts. Nevertheless, the benefits of permanent magnets exceed in certain circumstances, such that portable NMR spectrometers are used in various scientific fields. In this thesis, two applications of low-field NMR are investigated. First, low-field NMR spectroscopy is applied for the characterization of magnetic nanoparticles (MNPs). In addition, quality control and reaction monitoring throughout the synthesis process are performed. The rapid characterization regarding NMR relaxation properties right after the synthesis process improves and accelerates the development of functional MNPs. Therefore, an automated system combining the microfluidic synthesis of iron oxide MNPs by coprecipitation with an integrated miniaturized NMR spectrometer is designed and validated. The characterization in terms of transverse and longitudinal relaxation rates is performed with a 0.5 T permanent magnet. Clogging and fouling of the tape-based microreactor are successfully prevented by 3D hydrodynamic flow focusing. MNPs with primary particle sizes of up to 25 nm are synthesized. Finally, the potential use of the system is demonstrated by efficiently optimizing MNPs regarding their transverse relaxivity. Values of 115.5 mM-1s-1 are achieved. The compact system shows to be an efficient tool for accelerated optimization and quality control for MNP synthesis as well as subsequent functionalization. Second, a portable NMR spectrometer, capable of field gradient generation without additional external gradient coils is designed and validated. Various NMR experiments rely on the application of pulsed field gradients. However, the majority of portable low-field NMR systems lacks the ability to generate these due to additional and cumbersome hardware requirements. Therefore, an NMR probe head, incorporating radio frequency (RF)-capabilities with the ability to generate pulsed field gradients in a single center-tapped solenoid is presented. The corresponding circuitry allows to drive direct currents through the center tap without disturbing the RF reception sensitivity. Furthermore, an advanced standalone System-on-Chip-based NMR spectrometer is presented. In combination with the gradient-capable probe head, it represents a very versatile low-cost system. The broadband spectrometer is suitable for proton NMR at magnetic flux densities ranging from 0.5 T to 1 T. A characterization of the probe head is presented regarding quality factor, scatter parameters, and transverse field homogeneity. The external probe head circuitry is discussed and the resulting gradient field is presented by simulation data. Furthermore, the dephasing capabilities and the spatial shape of the gradient are investigated by experimental results. Finally, the potential use of this setup in highly sophisticated two-dimensional NMR experiments is presented by the mapping of J-couplings in 1-butanol via zero-quantum coherences. Prior to a discussion of the results, the pulse sequence is theoretically analyzed for a homonuclear two-spin system using the quantum mechanical approach.
Translated abstract:
Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie von englisch nuclear magnetic resonance) gilt als eines der vielfältigsten und leistungsstärksten Werkzeuge zur Untersuchung von molekularen Interaktionen, Strukturen sowie deren Dynamiken. Für eine Vielzahl an Anwendungen eignen sich Permanentmagneten auf Grund von erhöhter Mobilität, geringeren Abmessungen und der kostengünstigeren Beschaffung. Niedrige magnetische Flussdichten resultieren allerdings auch in einem reduzierten Signal-Rausch-Verhältnis und einer geringeren Auflösung. Außerdem driftet die Flussdichte mit der Temperatur. Nichtsdestotrotz gibt es einige Anwendungen, bei denen die Vorteile überwiegen. Daher finden tragbare Spektrometer in einigen Wissenschaftsgebieten Anwendung. In dieser Arbeit werden zwei Anwendungsgebiete für Niederfeld-NMR-Spektroskopie vertieft. Zunächst werden magnetische Nanopartikel mit Hilfe von NMR-Spektroskopie charakterisiert, sowie Reaktions- und Qualitätskontrollen während des Syntheseprozesses durchgeführt. Durch die schnelle Charakterisierung des transversalen und des longitudinalen Relaxationsverhaltens direkt nach der Synthese kann die Entwicklung funktionaler magnetischer Nanopartikel beschleunigt und verbessert werden. Es wird daher ein automatisiertes System entwickelt und validiert, das die mikrofluidische Synthese von Eisenoxid-Nanopartikeln durch Mitfällung mit einem miniaturisiertem Spektrometer kombiniert. Verschmutzungen und Verstopfungen des Mikroreaktors werden durch Einsatz von 3D-Fokussierung verhindert. Die synthetisierten Partikel haben eine primäre Partikelgröße von bis zu 25 nm. Mögliche Anwendungsbereiche werden anhand der Optimierung hinsichtlich der transversalen Relaxivität gezeigt. Dabei werden transversale Relaxivitäten von 115,5 mM-1s-1 erreicht. Das kompakte System stellt damit ein effizientes Werkzeug zur beschleunigten Optimierung sowie zur Qualitätskontrolle während der Synthese als auch während der Funktionalisierung von magnetischen Nanopartikeln dar. Des Weiteren wird im Rahmen dieser Arbeit ein tragbares Spektrometer entwickelt und validiert, das es ermöglicht gepulste Feldgradienten ohne zusätzliche Gradientenspulen zu erzeugen. Diese werden für zahlreiche NMR Experimente benötigt, können allerdings von einem Großteil der miniaturisierten Spektrometer auf Grund des erhöhten Hardwarebedarfs nicht erzeugt werden. Daher wird hier ein Probenkopf, basierend auf einem einzigen Solenoiden mit Mittelanzapfung präsentiert, der neben der Funktionalität im Radiofrequenzbereich Feldgradienten erzeugen kann. Es wird ein Gleichstom durch die Mittelanzapfung getrieben, ohne dabei die Sensitivität im Radiofrequenzbereich zu verringern. In Kombination mit einem breitbandigen Spektrometer, basierend auf einem Ein-Chip-System wird damit ein vielseitig einsetzbares und kostengünstiges System vorgestellt. Die Charakterisierung des Probenkopfes erfolgt anhand des Qualitätsfaktors, der Streuparameter sowie der transversalen Feldhomogenität. Externe Beschaltung und der Feldverlauf des Gradienten werden anhand von Simulationsdaten diskutiert. Experimentelle Ergebnisse zeigen die Auswirkungen des Gradienten bezüglich der Probendephasierung sowie dessen räumliche Verteilung. Zuletzt wird die Eignung des Messgerätes für die komplexe, zwei-dimensionale NMR-Spektroskopie anhand der Detektion von J-Kopplungen an 1-Butanol durch Nullquantenkohärenzen gezeigt. Zusätzlich wird eine ausführliche theoretische quantenmechanische Analyse der Sequenz am Beispiel eines Zwei-Spin Systems präsentiert.
WWW:
https://mediatum.ub.tum.de/?id=1548439
Date of submission:
17.06.2020
Oral examination:
17.05.2021
File size:
9704408 bytes
Pages:
133
Urn (citeable URL):
https://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:91-diss-20210517-1548439-1-7
Last change:
21.06.2021
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