Diffusion and flow investigations in natural porous media by nuclear magnetic resonance

Spindler, Natascha; Blümich, Bernhard

doi:1866-1793

Diffusion and flow investigations in natural porous media by nuclear magnetic resonance = Diffusions- und Flussuntersuchungen in natürlichen porösen Medien mittels der magnetischen Kernspinresonanz

Spindler, Natascha

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Natascha Spindler

ImpressumJülich : Forschungszentrum, Zentralbibliothek 2011

UmfangVIII, 144 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-89336-719-1

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt ; 112

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Blümich, Bernhard (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-04-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-37874
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/65411/files/3787.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
PFG-NMR-Spektroskopie (Genormte SW) ; Magnetische Kernresonanz (Genormte SW) ; Bodenphysik (Genormte SW) ; Wassertransport (Genormte SW) ; Chemie (frei) ; Diffusion (frei) ; Flussgeschwindigkeit (frei) ; PFG NMR (frei) ; nuclear magnetic resonance (frei) ; soil physics (frei) ; water transport (frei) ; diffusion (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Der Klimawandel und die wachsende Weltbevölkerung üben extremen Druck auf die Sicherstellung der Nahrungsversorgung der Menschen aus. Einen wesentlichen Aspekt hierbei stellt die Möglichkeit dar, die Kultivierung von Nutzpflanzen an die sich ändernden Umweltbedingungen anzupassen. Dies ist eine starke Motivation, sich für die Mechanismen der Wasseraufnahme von pflanzlichen Wurzeln zu interessieren. Um zu einem verbesserten Verständnis dieser Mechanismen zu gelangen ist es notwendig, die Bewegung von Wassermolekülen sowohl in Wurzeln als auch im Boden hin zu den Wurzeln zu analysieren. Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung der Wasserbewegung in natürlichen porösen Medien wie etwa Pflanzenwurzeln oder Böden durch die Nutzung von verschiedenen Methoden der Kernspinresonanz (engl. nuclear magnetic resonance, NMR). Diese in der medizinischen Diagnostik verbreitete Technik erlaubt die nicht-invasive Untersuchung von intakten Pflanzen und natürlichen Böden. Da die Modellierung der Wasseraufnahme von Wurzeln eine vollständige, dreidimensionale Rekonstruktion des Wurzelskeletts verlangt, erscheint die Magnetresonanztomographie (engl. magnetic resonance imaging, MRI) sehr vielversprechend. Aus der räumlichen Analyse der Probenantwort auf magnetische Pulse kann auf Wasserverteilung und -bewegung innerhalb der Probe geschlossen werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wird dargestellt, dass herkömmliche NMR-Bildgebungsverfahren zu einer nur unvollständigen Darstellung der Wurzelstruktur führen. Die Ursache liegt in Suszeptibilitätseffekten an Übergängen verschiedener Materialien. Um diese Effekte zu umgehen, wurde in dieser Arbeit Diffusion Tensor Imagings (DTI) auf die Anforderungen von Pflanzenwurzeln übertragen und erstmals erfolgreich angewandt. DTI ist ein weiteres in der medizinischen Forschung bekanntes NMR-Verfahren, welches die diffusive Verschiebung von Molekülen innerhalb des Untersuchungsobjekts mit hoher räumlicher Auflösung bestimmt. In Pflanzenwurzeln ist die Molekülbewegung beispielsweise entlang der Zellwand eingeschränkt, damit ist das Diffusionsvermögen begrenzt. Besteht wie im Beispiel der Zellwand eine Einschränkung nicht in alle Raumrichtungen gleichermaßen, ist die Diffusion anisotrop. Mathematisch kann ein solches Verhalten mit einem Tensor beschrieben werden. Mit DTI werden Diffusionstensoren an verschiedenen Orten innerhalb der Probe bestimmt. Die Herausforderung dabei war, trotz des sehr geringen Verhältnisses von Signalstärke zum Umgebungsrauschen bei Pflanzenwurzeln, DTI erfolgreich durchzuführen. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein alternatives Verfahren zur herkömmlichen Datenauswertung eingeführt. Damit war es erstmalig möglich, durch eine dreidimensionale Tensorvisualisierung einen zusammenhängenden Wurzelstrang zu rekonstruieren. Einen zweiten Schwerpunkt bildet die ortsgemittelte Bestimmung von makroskopischer und mikroskopischer Diffusion in natürlichem Boden. Hierbei werden Korrelationen von Diffusion in unterschiedliche Raumrichtungen mittels der Diffusion Diffusion Correlation Spectroscopy (DDCOSY) untersucht. Böden wie beispielsweise natürliche Sande besitzen starke interne Magnetfeldgradienten, die das NMR-Signal beeinflussen. Des Weiteren wird in natürlichen Sanden das NMR-Signal durch eine sehr kurze T_2-Relaxationszeit beeinträchtigt. Um diesen beiden Einschränkungen entgegenzuwirken, wurde eine neuartige Pulssequenz implementiert. Durch die Halbierung der Pulssequenzdauer sowie der Erweiterung mit alternierenden gepulsten Magnetfeldgradienten (engl. alternating pulsed magnetic field gradient, APFG) entstand die Pulssequenz 13-interval sDDCOSY. Mit dieser Pulssequenz war es möglich, die vollständige Isotropie des natürlichen Sandes zu zeigen. Eine weitere Möglichkeit zur Quantifizierung von Wasserbewegungen in natürlichen porösen Medien bietet die direkte Messung der Geschwindigkeit. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde mittels NMR-Flussbildgebung der Wasserfluss durch natürlichen Sand analysiert. Da auch hier interne Gradienten das NMR-Signal beeinflussen, war die Erweiterung der herkömmlichen Flussbildgebung durch APFGs zur Reduktion der Gradienten notwendig, was mit der Pulssequenz 13-interval STEMSI realisiert wurde. Bei hohen Flussgeschwindigkeiten war eine Abweichung von der erwarteten, extern angelegten Geschwindigkeit zu beobachten. Diese Abweichung ließ sich als T_1-ähnliche Relaxation charakterisieren. Nach einer entsprechenden Korrektur des NMR-Signals stimmten Messwerte und Erwartungswert für alle Geschwindigkeiten sehr gut überein. Hiermit war es schließlich möglich, eine untere Grenze von detektierbaren Flüssen im untersuchten natürlichen Sand zu finden. Diese lag bei v = 0.06 mm/s und ist damit die bislang kleinste mit NMR detektierte Flussgeschwindigkeit in porösen Medien, die Einflüsse von internen Gradienten zeigen.

Climate change and a growing global population impose severe pressure on securing the supply of nutrition to mankind. A crucial aspect thereby is the possibility to adopt the cultivation of crops to the changing climatic conditions. This is a strong motivation for being interested in root water uptake of plants. To obtain a better understanding of these mechanisms, analysis of water motion inside and towards plant roots in natural soil are essential. This work aims on the determination of water motion in natural porous media such as roots and soil using different techniques of nuclear magnetic resonance (NMR). NMR is known from medical diagnosis and allows non-invasive investigations of natural soil and intact plants. Therefore, NMR is best suited for investigating root water uptake processes. Since modeling of root water uptake processes requires an unambiguous three-dimensional reconstruction of the root skeleton, magnetic resonance imaging (MRI) is an appropriate technique for this challenge. From the spatial analysis of the answer of the sample to excitation with radio frequency (rf) pulses, the water distribution and motion inside the sample can be determined. This thesis shows how common imaging techniques introduce gaps in reconstructed roots due to susceptibility effects. To compensate for these effects, diffusion tensor imaging (DTI) was transformed to the requirements of plant roots and successfully applied for the first time. DTI is also an NMR-technique known from medical research, which detects local diffusive displacements of water molecules with high spatial resolution. Restrictions such as cell walls in plant roots limit the diffusion. If such restrictions are spatially dependent, diffusion is called anisotropic. This can be mathematically expressed by a tensor, describing the local anisotropy. DTI determines the diffusion tensors at different positions in the sample. Since DTI on plant roots shows typically a low signal to noise ratio (SNR), this work presents a new approach for data analyzing beside the common medical procedure. In the end, it was possible to visualize a single root of the root skeleton three-dimensionally by measuring diffusion tensors inside the root. Furthermore, non-localized NMR diffusion measurements were performed identifying isotropy of natural soil on the macroscopic and microscopic scale. Hereby, correlations of diffusion in different spatial directions are investigated by diffusion diffusion correlation spectroscopy (DDCOSY). Soils such as natural sand have strong internal magnetic field gradients that impact on the NMR signal. Additionally, the signal intensity is lowered by short T_2 relaxation times. To challenge these effects a new pulse sequence taking into account both internal magnetic field gradients and short relaxation time was developed. Shortening the DDCOSY pulse sequence and extending the sequence with alternating pulsed magnetic field gradients (APFG) reduce the influence of internal magnetic field gradients. The new developed pulse sequence is named 13-interval sDDCOSY. Using this pulse sequence it was possible to show that natural sand is macroscopically and microscopically isotropic. Another approach of detecting water motion in natural porous media is the direct flow measurement. In this thesis flow measurement was realized by velocity imaging of water flowing through natural sand. Internal magnetic field gradients again distort the NMR signal. Therefore, also the common approach of velocity mapping was extended with APFGs to a new pulse sequence named 13-interval STEMSI. At high applied pore flow the velocity detected by NMR deviated from the externally measured velocity. This could be explained with relaxation effects similar to T_1 relaxation, which can be corrected. For slow velocities, the NMR detected mean pore flow velocities agree with the applied velocities. Finally, a lower limit value for MRI detectable velocities was found at v = 0.06 mm/s. This limit is so far the lowest velocity detected with nuclear magnetic resonance in porous media influenced by internal magnetic field gradients.

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