Electromagnetic field analysis in coils used for high-field NMR experiments in HR-MAS probes. - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2007

Electromagnetic field analysis in coils used for high-field NMR experiments in HR-MAS probes.

Analyse du champ électromagnétique dans les bobines des sondes de HR-MAS utilisées pour la RMN à haut-champ.

Résumé

It is possible, thanks to HR-MAS probeheads, to set up a high resolution NMR experiment for a solid sample of biological interest. The most valuable components of these instruments are the coils and the rotors, containing the sample. Magic angle spinning (MAS) consists in rotating the sample around the principal axis coil. In the first part we will explain the advantage of this technique and hypothesize why this mechanical setup introduces unwanted effects on the NMR experiment.

Why does the rotation speed of the sample in its coil, influence the effects of NMR radio frequency (RF) pulses on an NMR experiment ?

To answer this question, the second part of our work will be devoted to introducing certain features from classical electrodynamics, applied to probehead engineering. Concepts involved in the electromagnetic (EM) field mapping, obtained from (i) simulations based on Maxwell's equations or, from (ii) experiments via the perturbation methods and the reciprocity in NMR signal measurments, will be presented.

The third part will show how those fundamental concepts can be deployed to understand the interference between a mechanical rotation movement and the evolution of magnetization under a certain RF field distribution.
Describing this phenomenon requires deriving the master equation for the density matrix evolution (Liouville-von Neumann equation).
The calculated field distribution, governing the RF Hamiltonian, employed to predict the evolution of the nuclear magnetization. On the other hand experimental evidence of the RF field radial component, is shown and explained through NMR pulse sequences such as nutations, COSY, TOCSY. Finally complex spin locking schemes (MLEV-DIPSI) are bringing this type of theoretical problem into the most popular NMR experiments for Biochemists.

Another aspect of HR-MAS in sample of biological interest is the requirement of minimum RF heat deposition.

This work defends the thesis of a possible improvement of the low-E field capabilities of a coil together with the improved magnetic field B1 homogeneity. RF heating will be approached through the Maxwell-Ampere equation in the fourth part.
This will treat the interaction of the sample's dielectric dispersion with the EM field distribution produced during the RF pulses. Since this study is oriented toward high-field probe developments, it is necessary to introduce novel low-E coil to prevent sample degradation at high frequencies.

Our philosophy has made it possible to invent a type of coil, which manages simultaneously to (i) reduce the radial field inhomogeneity, and (ii) minimize the Joule heating in the sample region. These coils are certainly better suited for biomedical applications, in particular the study of samples such as biopsies.
L'objet de ma thése est la conception rationnelle d'une bobine utilisable par une sonde de RMN pour des échantillons solides d'origine biologique, tels que les milieux membranaires ou les biopsies. L'étude de la distribution du champ électromagnétique créée pendant l'impulsion radiofréquence s'est avérée indispensable pour permettre d'une part une meilleure homogénéité du champ B1 et d'autre part une redistribution du champ électrique dans un plan normal à l'axe principal de la bobine. Auparavant, cette distribution de champ avait été considérée homogène au centre de l'échantillon, et seule la composante axiale était prise en compte. La démarche scientique suivie ici est originale en cela qu'elle se sert d'une résolution numérique des équations de Maxwell, et permet la mise en évidence des composantes radiales du champ B1 jusqu'alors ignorées. La première partie présente les caractéristiques instrumentales de la méthode HR-MAS. Il s'en suit une partie plus théorique sur les concepts d'électromagnétisme nécessaires pour aborder la cartographie de champ radiofréquence B1 dans une bobine. Ce travail utilise une résolution de l'équation maîtresse de l'évolution des spins (Liouville von Neumann) où l'Hamiltonien de champ B1 est construit en tenant compte de la forme particulière du champ magnétique dans une bobine hélicoïdale. Une étude de l'impact du champ électrique sur un échantillon aqueux dispersif est introduite dans la quatrième partie. Finalement une bobine innovante a été conçue, celle-ci permet d'éloigner le champ électrique du centre de l'échantillon, où le champ magnétique est dominant et homogène ses performances sont décrites à travers une série d'expériences sur les bicelles.
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Dates et versions

tel-00207457 , version 1 (18-01-2008)
tel-00207457 , version 2 (26-12-2008)
tel-00207457 , version 3 (30-08-2009)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00207457 , version 3

Citer

Baudouin Dillmann. Electromagnetic field analysis in coils used for high-field NMR experiments in HR-MAS probes.. Electromagnetism. Université Louis Pasteur - Strasbourg I, 2007. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00207457v3⟩

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