Diffusionseffekte in volumenselektiver NMR auf kleinen Längenskalen

In dieser Dissertation wird das Zusammenspiel zwischen Diffusions und Relaxationseffekten in ortsaufgelösten NMR Experimenten auf kurzen Längenskalen erforscht. Dies ist in Hinblick sowohl auf die konventionelle wie auch die mechanisch detektierte Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) für die (Sub-)Mikrometer-Auflösung in biologischen Zellen entscheidend. Aktuelle Veröffentlichungen zur Untersuchung von sehr dünnen angeregten Schichten zeigen eine scheinbare Relaxation in der Schicht, die um Größenordnungen schneller ist, als die longitudinale Relaxation es ermöglicht. Allerdings wurden diese Experimente an völlig relaxierten Proben durchgeführt, während hingegen MRT und besonders die mechanisch detektierte NMR typischerweise periodisch mit einer Periodendauer viel kleiner als T1 ablaufen. Das Ziel dieser Arbeit war deshalb die weitere Erforschung des Zusammenspiels zwischen Diffusion und longitudinaler Relaxation unter periodischen NMR-Anregungen. Dies ist in gewisser Weise der umgekehrte Effekt vom DESIRE-Ansatz (Diffusive Enhancement of SIgnal and REsolution), welcher 1992 von Paul Lauterbur vorgeschlagen wurde. Die Experimente an periodisch angeregten dünnen Schichten wurden an einem speziellen supraleitenden statischen Feldgradienten-Magneten mit einem Gradienten von 180 T/m durchgeführt. Um eine flache Schichtgeometrie zu gewährleisten, musste eine geeignete Position im Feld des Magneten gefunden werden: Diese Bedingungen sind bei 3,8 T und 73 T/m erfüllt. An diesem Ort konnten Schichten mit Dicken bis hinunter zu 3,2 µm angeregt werden. Die Detektion des NMR Signals erfolgte durch FIDs anstatt Echos, da die Anregungsbandbreite dieser dünnen Schichten hinreichend klein ist, um FIDs zu beobachten, die normalerweise in starken statischen Feldgradienten schwer zu beobachten sind. Ein Simulations-Werkzeugkasten wurde entwickelt, der basierend auf der kompletten Bloch-Torrey-Gleichung die Anregung und die Bildung der NMR-Signale unter diesen ungewöhnlichen Umständen des gemeinsamen Wirkens von Diffusion und Relaxation berechnet. Sowohl die Experimente wie die Simulationen zeigen, dass die Diffusions-Effekte zu einem stark verstärkten NMR-Signal auch unter periodischer Anregung führen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Diffusions-Barrieren innerhalb der Sättigungs-Gedächtnis-Länge sqrt{2DT_1} das NMR-Signal stark beeinflussen. Während dieser Arbeit wurde die Spektrometersteuerungs-Software DAMARIS entwickelt, die als "Open-Source-Software" zur Konstruktion von speziellen Forschungs-NMR-Systemen zur Verfügung steht. DAMARIS ist in mehreren Forschungsgruppen an der TU Darmstadt und anderen Universitäten im Einsatz