Off-resonanssi T1ρ-relaksaatio

Abstract

Ydinmagneettinen resonanssi eli NMR (Nuclear Magnetic Resonance) on fysikaalinen ilmiö, jossa ulkoisessa magneettikentässä oleva atomiydin absorboi ja emittoi sähkömagneettista säteilyä tietyllä radiotaajuudella. Ulkoisessa magneettikentässä ydin alkaa pyörivän hyrrän tavoin prekessoimaan magneettikentän suunnan ympäri taajuudella, jota kutsutaan ytimen resonanssitaajuudeksi. Useista prekessoivista ytimistä muodostuvaa systeemiä voidaan mallintaa makroskooppisen ydinmagnetoituman avulla, joka kuvaa ytimien keskimääräistä magneettista orientaatiota suhteessa ulkoiseen kenttään. Ydinmagnetoituman orientaatioon voidaan vaikuttaa radiopulsseilla, joiden taajuus vastaa ytimien resonanssitaajuutta. Tällaisia pulsseja kutsutaan virityspulsseiksi. Virityspulssien aikaansaamia ydinmagnetoituman orientaation ja voimakkuuden muutoksia pystytään havaitsemaan sähkömagneettisen induktion avulla tuomalla kela tarkasteltavien ytimien läheisyyteen. Kelaan indusoitunut virta havaitaan signaalina, jonka sisältämät taajuudet ja amplitudit antavat tietoa tutkittavista ytimistä.

Tämä tutkielma keskittyy tiettyyn NMR:n tutkimusalaan, NMR-relaksometriaan. NMR-relaksometria tutkii niin sanottua relaksaatiota, joka kuvaa NMR:ssä tarkasteltavien ydinmagnetoitumien komponenttien muutoksia ajan funktiona. Relaksaatio jaetaan tarkasteltavien magneettisten komponenttien ja vallitsevien magneettisten olosuhteiden mukaan eri tyyppeihin, joista tunnetuimmat ovat T1- ja T2-relaksaatiot. Relaksaatio antaa epäsuorasti tietoa tutkittavan aineen ominaisuuksista, kuten atomien tai molekyylien: koosta ja liikkeestä, kemiallisesta ympäristöstä ja sidosvoimista. Tässä tutkielmassa esitellään NMR-ilmiö yleisesti sekä sen soveltamista materiaalien tutkimuksessa, tarkastellaan eri relaksaatiotyyppejä ja syvennytään eritoten vähemmän tunnettuun T1ρ-relaksaatioon (lue: T1 rhoo), tarkemmin ottaen off-resonanssi T1ρ-relaksaatioon. Off-resonanssi T1ρ on muunnelma tavanomaisista T1ρ NMR-kokeista, sillä siinä käytettävien radiopulssien taajuus ei vastaa täysin ytimen resonanssitaajuutta. Pulssien taajuuksia ja voimakkuuksia säätämällä pyritään saavuttamaan uudenlaisia mittausasetelmia, jotka antaisivat tarkempaa tietoa tutkittavista kohteista. Tutkielma kokoaa yhteen tämänhetkistä tietoa off-resonanssi T1ρ:sta, teoriaa, hyötyjä ja haittoja, sovelluskohteita, sekä pohditaan minkälaisia mahdollisuuksia off-resonanssi T1ρ tuo NMR-tutkimuksen monitieteelliselle kentälle.