Optimal control in design of magnetic resonance experiments
| Thesis title in Czech: | Optimální řízení v návrhu experimentů magnetické rezonance |
|---|---|
| Thesis title in English: | Optimal control in design of magnetic resonance experiments |
| Academic year of topic announcement: | 2023/2024 |
| Thesis type: | dissertation |
| Thesis language: | angličtina |
| Department: | Department of Physical and Macromolecular Chemistry (31-260) |
| Supervisor: | doc. RNDr. Zdeněk Tošner, Ph.D. |
| Author: | Mgr. Andrej Šmelko - assigned by the advisor |
| Date of registration: | 02.10.2023 |
| Date of assignment: | 02.10.2023 |
| Preliminary scope of work |
| Naše nedávné práce otištěné v prestižních časopisech (Angewandte Chemie, Science Advances, JACS) se věnovaly aplikaci teorie optimálního řízení pro vývoj nových experimentálních schémat NMR pevné fáze v oblasti strukturní biologie. Tento přístup byl založen na numerických výpočtech spinové dynamiky na úrovni matice hustoty, která vyžaduje detailní znalost interakčních konstant a dalších parametrů spinového systému. Pro další aplikace optimálního řízení je však důležité vytvořit nové postupy založené na analytických teoriích průměrného Hamiltoniánu a nebo nedávno vyvinuté kontinuální Floquet teorii. To umožní konstruovat experimenty obecně jen na základě přítomných interakcí (tj. nezávisle od hodnot interakčních konstant). Efektivní Hamiltonián řídící vývoj spinového systému požadovaným směrem lze vytvořit pomocí optimalizované sekvence radifrekvenčních pulsů.
Vedle vývoje metod pro biomolekulární NMR v pevné fázi se bude projekt orientovat směrem ke kvadrupolárním jádrům a aplikacím v NMR materiálů, nebo též na oblast hyperpolarizace pomocí DNP (dynamic nuclear polarization) přenosem z volného elektronu. Projekt bude řešen v úzké spolupráci s Technickou univerzitou v Mnichově a univerzitou v Aarhusu, kde budou vyvíjené metody experimentálně otestovány a aplikovány. |
| Preliminary scope of work in English |
| Recently, we have introduced new experimental schemes for solid-state NMR spectroscopy applied to structural biology that were published in high-rank journals (Angewandte Chemie, Science Advances, JACS). The new pulse sequences were developed using optimal control theory and numerical optimizations based on spin dynamics evaluated on the level of full density matrix. It requires a detailed knowledge of interaction constants and other parameters of the spin system. To bring the optimal control applications to a new level, we see it necessary to switch to analytical approaches based on average Hamiltonian or Floquet theories. It will allow abstraction from interaction constants to the actual form of spin couplings. The form of spin interactions can be effectively shaped (averaged) by rf irradiation to produce the desired spin dynamics.
This PhD project will concentrate on merging the Hamiltonian approach with numerical optimization by means of optimal control. In addition to applications in biomolecular solid-state NMR, another branch of the project will be oriented toward dynamic nuclear polarization (DNP), that is, developing methods for transferring electron polarization to nuclear spins, providing a theoretical signal gain of 660. The project will be conducted in close collaboration with the Technical University of Munich (bio-solid-state NMR) and the Aarhus University (DNP), which are both equipped with the latest instrumentation necessary for experimental verifications. |