Ядерный магнитный резонанс

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

Ядерный магнитный резонанс

Виктор Лаврус

Явление магнитного резонанса используется для обнаружения и измерения электрических и магнитных взаимодействий электронов и ядер в макроскопических количествах вещества. Это явление обусловлено парамагнитной ориентацией электронного и ядерного токов внешним полем и их ларморовской прецессией относительно направления внешнего поля.

Частота ларморовской прецессии пропорциональна напряженности магнитного поля, приложенного в области нахождения прецессирующего электрона или ядра. Когда соседние частицы дают вклад в локальное магнитное поле, он измеряется по сдвигу частоты прецессии.

Дополнительный сдвиг частоты прецессии может произойти также за счет неоднородных электрических полей, создаваемых соседними частицами.

Ларморовская прецессия

Эксперименты, в которых прослеживается отклик атомов на магнитное поле, дают ключевую информацию об атомной механике. Ларморовская прецессия атомов и других частиц в магнитном поле состоит в том, что средний магнитный момент атомов периодически изменяет направление.

Описание этого изменения служит прототипом описания нестационарных состояний атомных систем.

Изучая нестационарные состояния, мы прослеживаем развитие атомных явлений во времени, тогда как при изучении стационарных состояний мы сосредотачиваемся на свойствах, остающихся неизменными.

Механическим аналогом Ларморовской прецессии служит вращающийся волчок.

Рис. 1. Прецессия вращающегося волчка.
J – момент импульса, Р – сила тяжести, R – реакция опоры, М – вращающий момент.

Действие вращающего момента, например на атом газа, приводит к гироскопическому эффекту, при котором инерция атома проявляется как момент импульса.

Иными словами, воздействие внешнего постоянного магнитного поля B на атомный контур с током аналогично воздействию силы тяжести на вращающийся волчок и описывается аналогичным уравнением.

Вращающий момент М волчка стремится опустить его центр масс, поворачивая ось вращения относительно точки опоры.

В случае атома с кольцевым током вращающий момент М, определяемый равенством M = [μ·B], стремится повернуть атом вокруг его центра масс. В обоих случаях воздействие вращающего момента изменяет момент импульса J, обусловленный вращением волчка или циркуляцией носителей тока в атоме. Уравнение движения имеет вид:

M = dJ/dt.

Векторная добавка dJ/dt к мгновенному значению момента импульса J вызывает прецессию его направления относительно оси, вертикальной в случае волчка и параллельной вектору индукции внешнего магнитного поля B в случае атома. В ходе прецессии угол между J и осью прецессии остается постоянным. Угловая скорость прецессии обычно описывается вектором ω, параллельным этой оси:

dJ/dt = [ω·J].

Таким образом, мы видим, что атомы могут прецессировать вокруг направления приложенного внешнего магнитного поля.

Схема установки

Схема экспериментальной установки изображена на рис. 2.

Рис. 2. Схематическое изображение установки для эксперимента по магнитному резонансу.
Резонанс достигается в радиочастотном диапазоне. Катушка (а) и резонатор (б) присоединяются к источникам переменного поля и измерителям потери мощности.

Исследуемый образец помещается внутрь радиочастотной катушки или микроволнового резонатора, расположенных между полюсами магнита. Крайне высокая точность настройки установки и ее чувствительность при определении поглощаемой мощности – главное преимущество метода магнитного резонанса.

В стандартной экспериментальной методике частота колебаний ω поперечного поля поддерживается постоянной и резонанс достигается с помощью изменения напряженности поля B0, что приводит к медленному изменению частоты прецессии γB0.

На экране осциллографа при этом можно наблюдать компоненту M, колеблющуюся либо в противофазе с управляющим поперечным полем В1cos ωt (т.е. поглощаемую мощность), либо в фазе с ним (рис. 3).

Рис. 3. Сигналы магнитного резонанса протона в жидком водороде
а) Потеря мощности, б) Компонента М, находящаяся в фазе с поперечным полем.

Методика измерения

Магнитный резонанс наблюдается по изменению магнитного момента M образца вещества, помещенного во внешнее поле. Вектор M равен сумме средних моментов всех атомных систем, составляющих данный образец, обычно наблюдаемые изменения вектора M обусловлены прецессией моментов отдельных составляющих, например ядер атомов водорода.

Средний магнитный момент атомной системы, возникающий в результате парамагнитной ориентации, обычно параллелен локальному полю B0, которое мы считаем постоянным. Следовательно, если момент не отклоняется от направления B0 каким-либо возмущающим полем, то он не прецессирует вокруг B0.

При отклонении момента возникает прецессия с частотой γB0, гиромагнитное отношение γ предполагается известным из других экспериментов. Отклонение происходит при наложении переменного поперечного поля напряженности B1cos ωt, если ω совпадает с частотой прецессии γB0.

Такое совпадение частот и обеспечивает возникновение магнитного резонанса. Появление прецессии наблюдается чаще всего по поглощению энергии переменного поперечного поля. Эксперименты по магнитному резонансу позволяют найти распределение поля в веществе в местах расположения токов, для которых наблюдается этот резонанс.

Например, в типичном эксперименте по обнаружению резонанса спиновых токов в органических веществах определяются напряженности магнитного поля в местах нахождения различных атомов водорода.

Если напряженности Bi, поля в разных точках образца одинаковы, резонанс наблюдается на одной частоте, которая равна ω при Bi = B0 и отличается от нее на постоянную величину в противном случае. Изменение величины внутреннего поля от точки к точке приводит к возникновению резонанса на разных частотах.

Источники информации:

  1. Фано У., Фано Л. Физика атомов и молекул. Пер. с англ. / Под ред. Л.И. Пономарева. – М.: Наука, 1980.
  2. Физика микромира. Маленькая энциклопедия. [Гл. ред. Д.В. Ширков]. – М.: «Сов. энциклопедия», 1980.

См. также:

2 февраля 2002 года

Электронная версия:

© НиТ. Cтатьи, 1997

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) (стр. 1 из 8)

Ядерный магнитный резонанс

До недавнего времени основой наших представлений о структуре атомов и молекул служили исследования методами оптической спектроскопии.

В связи с усовершенствованием спектральных методов, продвинувших область спектроскопических измерений в диапазон сверхвысоких (примерно 103 — 106 МГц; микрорадиоволны) и высоких частот (примерно 10-2 — 102 МГц; радиоволны), появились новые источники информации о структуре вещества.

При поглощении и испускании излучения в этой области частот происходит тот же основной процесс, что и в других диапазонах электромагнитного спектра, а именно при переходе с одного энергетического уровня на другой система поглощает или испускает квант энергии.

Разность энергий уровней и энергия квантов, участвующих в этих процессах, составляют около 10-7 эВ для области радиочастот и около 10-4 эВ для сверхвысоких частот.
Существование ядерных моментов впервые было обнаружено при изучении сверхтонкой структуры электронных спектров некоторых атомов с помощью оптических спектрометров с высокой разрешающей способностью.

Сверхтонкая структура атомных спектров навела Паули в 1924 г. на мысль о том, что некоторые ядра обладают моментом количества движения (угловым моментом), а, следовательно, и магнитным моментом, взаимодействующим с атомными орбитальными электронами.

Впоследствии эта гипотеза была подтверждена спектроскопическими измерениями, которые позволили определить значения угловых и магнитных моментов для многих ядер.

Под влиянием внешнего магнитного поля магнитные моменты ядер ориентируются определенным образом, и появляется возможность наблюдать переходы между ядерными энергетическими уровнями, связанными с этими разными ориентациями: переходы, происходящие под действием излучения определенной частоты.

Квантование энергетических уровней ядра является прямым следствием квантовой природы углового момента ядра, принимающего 2I + 1 значений. Спиновое квантовое число (спин) I может принимать любое значение, кратное 1/2; наиболее высоким из известных значений I (≥7) обладает 17671Lu.

Измеримое наибольшее значение углового момента (наибольшее значение проекции момента на выделенное направление) равно Iħ, где ħ=h/2π, а h — постоянная Планка.

Значения I для конкретных ядер предсказать нельзя, однако было замечено, что изотопы, у которых и массовое число, и атомный номер четные, имеют I = 0, а изотопы с нечетными массовыми числами имеют полуцелые значения спина. Такое положение, когда числа протонов и нейтронов в ядре четные и равны (I = 0), можно рассматривать как состояние с «полным спариванием», аналогичным полному спариванию электронов в диамагнитной молекуле.

В 1921г. Штерн и Герлах методом атомного пучка показали, что измеримые значения магнитного момента атома дискретны соответственно пространственному квантованию атома в неоднородном магнитном поле.

В последующих экспериментах, пропуская через постоянное магнитное поле пучок молекул водорода, удалось измерить небольшой по величине магнитный момент ядра водорода.

Дальнейшее развитие метода состояло в том, что на пучок воздействовали дополнительным магнитным полем, осциллирующим с частотой, при которой индуцируются переходы между ядерными энергетическими уровнями, соответствующими квантовым значениям ядерного магнитного момента.

Если ядерное спиновое число равно I, то ядро имеет (2I+1) равноотстоящих энергетических уровней; в постоянном магнитном поле с напряженностью H расстояние между наивысшим и наинизшим из этих уровней равно 2mH, где m- максимальное измеримое значение магнитного момента ядра. Отсюда расстояние между соседними уровнями равно mH/I, а частота осциллирующего магнитного поля, которое может вызвать переходы между этими уровнями, равна mH/Ih.

В эксперименте с молекулярным пучком до детектора доходят те молекулы, энергия которых не меняется. Частота, при которой происходят резонансные переходы между уровнями, определяется путем последовательного изменения (развертки) частоты в некотором диапазоне. На определенной частоте происходит внезапное уменьшение числа молекул, достигающих детектора.

Первые успешные наблюдения ЯМР такого рода были выполнены с основными магнитными полями порядка нескольких кило эрстед, что соответствует частотам осциллирующего магнитного поля в диапазоне 105-108 Гц. Резонансный обмен энергией может происходить не только в молекулярных пучках; его можно наблюдать во всех агрегатных состояниях вещества.

В 1936г. Горнер пытался обнаружить резонанс ядер Li7 во фтористом литии и ядер H1 в алюмокалиевых квасцах. Другая безуспешная попытка была предпринята гортнером и Бруром в 1942г. Регистрацию поглощения высокочастотной энергии при резонансе в этих экспериментах предполагалось производить соответственно калориметрическим методом и по аномальной дисперсии.

Основной причиной неудач этих опытов был выбор неподходящих объектов. Лишь в конце 1945 года двумя группами американских физиков под руководством Ф. Блоха и Э.М. Пурселла впервые были получены сигналы ядерного магнитного резонанса. Блох наблюдал резонансное поглощение на протонах в воде, а Парселл добился успеха в обнаружении ядерного резонанса на протонах в парафине.

За это открытие они в 1952 году были удостоены Нобелевской премии.

1.2.Технологичекие приложения ЯМР (основные достоинства метода ЯМР).

Метод ЯМР, хотя он и называется методом ядерного магнитного резонанса, не имеет никакого отношения к ядерной физике, которая, как известно, изучает процессы превращения ядер, т.е. радиоактивные процессы.

При этом магнитная энергия (а явление ЯМР имеет место при помещении исследуемого образца в постоянное магнитное поле) не влияет на термодинамические свойства вещества, т.к.

она во много раз (а точнее — на несколько порядков) меньше тепловой энергии, характерной для происходящих в обычных условиях процессов, в том числе и биологических.

Основные достоинства метода ЯМР.

Высокая разрешающая способность – на десять порядков больше, чем у оптической спектроскопии.

— Возможность вести количественный учет (подсчет) резонирующих ядер. Это открывает возможности для количественного анализа вещества.

— Спектры ЯМР зависят от характера процессов, протекающих в исследуемом веществе. Поэтому эти процессы можно изучать указанным методом. Причем доступной оказывается временная шкала в очень широких пределах – от многих часов до малых долей секунды.

— Современная радиоэлектронная аппаратура и ЭВМ позволяют получать параметры, характеризующие явление, в удобной для исследователей и потребителей метода ЯМР форме. Данное обстоятельство особенно важно, когда речь идет о практическом использовании экспериментальных данных.

Главным преимуществом ЯМР по сравнении с другими видами спектроскопии является возможность преобразования и видоизменения ядерного спинового гамильтониана по воле экспериментатора практически без каких-либо ограничений и подгонки его под специальные требования решаемой задачи.

Из-за большой сложности картины не полностью разрешенных линий многие инфракрасные и ультрафиолетовые спектры невозможно расшифровать.

Однако в ЯМР преобразование гамильтониана таким образом, чтобы можно было подробно проанализировать спектр, во многих случаях позволяет упростить сложные спектры.

То, с какой легкостью удается преобразовать ядерный спиновый гамильтониан, обусловлено определенными причинами.

Благодаря тому, что ядерные взаимодействия являются слабыми, можно ввести сильные возмущения, достаточные для того, чтобы подавить нежелательные взаимодействия.

В оптической спектроскопии соответствующие взаимодействия обладают значительно большей энергией и подобные преобразования фактически невозможны.

Модификация спинового гамильтониана играет существенную роль во многих приложениях одномерной ЯМР — спектроскопии. В настоящее время широкое распространение получило упрощение спектров или повышение их информативности с помощью спиновой развязки, когерентного усреднения многоимпульсными последовательностями, вращения образцов или частичной ориентации в жидкокристаллических растворителях.

Говоря о достоинствах приборов ЯМР, необходимо исходить из реальных возможностей в приобретении и эксплуатации ЯМР-спектрометров. В этой связи необходимо отметить следующее.

Операторские обязанности при работе на этих спектрометрах может выполнять любой человек. Но само обслуживание и ремонт требуют высокой квалификации.

Проведение экспериментов по ЯМР сводится к следующему. Исследуемый образец помещают в постоянное магнитное поле, которое создается постоянным магнитом или, чаще всего, электромагнитом.

При этом на образец подается радиочастотное излучение, обычно метрового диапазона.

Резонанс детектируется соответствующими радиоэлектронными устройствами, обрабатывается ими и выдается в виде спектрограммы, которая может быть выедена на осциллограф или самописец, в виде ряда цифр и таблиц, получаемых с помощью печатающего устройства. Выходной резонансный сигнал может быть также введен в тот или иной технологический процесс для управления этим процессом или циклом.

Обычно, если речь идет об исследовании в стационарных условиях моно мерных соединений на ядрах водорода с молекулярной массой несколько сотен единиц (а таких веществ при исследовании большинство), масса исследуемого образца должна быть от нескольких миллиграммов до ста миллиграммов.

Образец обычно растворяют в том или ином растворителе, причем объем раствора 0.7¸1 мм3 . При детектировании сигналов ЯМР от других (помимо Н1) ядер масса образца может достигать двух граммов.

Если исследуемое вещество – жидкость, то, естественно, готовить раствор в этом случае не обязательно – все зависит от целей эксперимента.

Ядерная магнито-резонансная томография – современный метод диагностики

Ядерный магнитный резонанс

Сегодня все чаще пациентов направляют не на рентгенографию или УЗИ, а на ядерную магниторезонансную томографию. В основе такого метода исследования лежит магнетизм ядра. Рассмотрим, что такое ямр томография, какие ее преимущества и в каких случаях она проводится.

Что это за исследование?

Этот метод диагностики основан на ядерном магнитном резонансе. Во внешнем магнитном поле ядро атома водорода, или протон, находится в двух взаимно противоположных состояниях. Изменить направление магнитного момента ядра можно, подействовав на него электромагнитными лучами с некоторой определенной частотой.

Помещение протона во внешнее магнитное поле вызывает изменение его магнитного момента с возвращением в исходное положение. При этом выделяется определенное количество энергии. Магнитно резонансный томограф фиксирует изменение количества такой энергии.

Томограф использует очень сильные магнитные поля. Электромагниты обычно способны развивать магнитное поле напряженностью 3, иногда до 9 Тл. Оно является полностью безвредным для человека. Система томографа позволяет локализировать направленность магнитного поля с тем, чтобы получить наиболее качественные изображения.

Ядерно магнитный томограф

Способ диагностики основывается на фиксации электромагнитного отклика ядра атома (протона), происходящего из-за возбуждения его электромагнитными волнами в высоконапряженном магнитном поле.

Впервые о магнитно резонансной томографии заговорили еще в 1973 году. Тогда американский ученый П. Латербур предложил провести исследование объекта в изменяющемся магнитном поле.

Работы этого ученого послужили началу новой эры в медицине.

С помощью магнитно резонансного томографа стало возможным изучать ткани и полости организма человека благодаря степени насыщенности тканей водородом. Часто применяются магнито-резонансные контрастные вещества. Чаще всего это препараты гадолиния, которые способны изменять отклик протонов.
Термин «ядерная МР томография» существовал до 1986 года.

В связи с радиобоязнью у населения в связи с катастрофой на Чернобыльской атомной электростанции из названия нового метода диагностики решено было убрать слово «ядерный». Впрочем, это позволило магнито-резонансной томографии быстро войти в практику диагностики многих заболеваний. На сегодня этот метод является ключевым в определении множества еще недавно труднодиагностируемых заболеваний.

Как проводится диагностика?

При проведении МРТ используется очень сильное магнитное поле. И хотя оно не опасно для человека, все же врачу и пациенту нужно придерживаться определенных правил.

Прежде всего, перед процедурой диагностики пациент заполняет специальную анкету. В ней он указывает состояние здоровья, а также ведомости о себе. Обследование делается в специально подготовленном помещении с кабинкой для переодевания и личных вещей.

Чтобы не навредить самому себе, а также для обеспечения правильности результатов пациент должен снять с себя все вещи, которые содержат металл, оставить в шкафчике для личных вещей мобильные телефоны, кредитные карточки, часы и проч.

Женщинам желательно смыть с кожи декоративную косметику.
Дале пациента помещают внутрь трубы томографа. По указанию врача определяется зона обследования. Каждая зона обследуется в течение десяти – двадцати минут. Все это время пациент должен находиться неподвижно.

От этого будет зависеть качество снимков. Врач может зафиксировать положение пациента, если это необходимо.

Во время работы аппарата слышатся равномерные звуки. Это нормально и свидетельствует о том, что исследование проходит правильно. Для получения более точных результатов пациенту может быть введено внутривенно контрастное вещество. В отдельных случаях при введении такого вещества ощущается прилив тепла. Это совершенно нормально.

Приблизительно через полчаса после исследования врач может получить протокол исследования (заключение). Выдается также диск с результатами.

Преимущества ядерной МРТ

К преимуществам такого обследования относят следующее.

  1. Возможность получить высококачественные изображения тканей организма в трех проекциях. Это значительно повышает визуализацию тканей и органов. В таком случае ЯМРТ намного лучше, чем компьютерная томография, рентгенография и ультразвуковая диагностика.
  2. Высококачественные объемные изображения дают возможность получить точный диагноз, что улучшает лечение и повышает вероятность выздоровления.
  3. Так как на МРТ можно получить высококачественное изображение, то такое исследование – лучшее для обнаружения опухолей, нарушений деятельности центральной нервной системы, патологических состояний опорно-двигательного аппарата. Так появляется возможность диагностировать те заболевания, которые еще недавно было сложно или невозможно обнаружить.
  4. Современные аппараты для томографии позволяют получить качественные снимки без изменения положения пациента. А для кодирования информации применяются те же методы, что и в компьютерной томографии. Это облегчает диагностику, так как врач видит трехмерные изображения целых органов. Также врач может получить изображения того или иного органа послойно.
  5. Такое обследование хорошо определяет самые ранние патологические изменения в органах. Таким образом можно обнаружить болезнь на стадии, когда пациент еще не ощущает симптомов.
  6. При проведении такого исследования больной не подвергается ионизирующему излучению. Это существенно расширяет сферы применения МРТ.
  7. Процедура МРТ полностью безболезненна и не доставляет больному никакого дискомфорта.

Показания к МРТ

Показаний к проведению магнитно резонансной томографии много.

  • Нарушения мозгового кровообращения.
  • Подозрения на новообразование мозга, поражение его оболочек.
  • Оценка состояния органов после оперативного вмешательства.
  • Диагностика воспалительных явлений.
  • Судороги, эпилепсии.
  • Черепно-мозговая травма.
  • Оценка состояния сосудов.
  • Оценка состояния костей и суставов.
  • Диагностика мягких тканей организма.
  • Заболевания позвоночника (в том числе остеохондроз, спондилоартроз).
  • Травмы позвоночника.
  • Оценка состояния спинного мозга, в том числе подозрения на злокачественные процессы.
  • Остеопороз.
  • Оценка состояния органов брюшины, а также забрюшинного пространства. МРТ показано при желтухе, хроническом гепатите, холецистите, желчнокаменной болезни, опухолевидном поражении печени, панкреатите, заболеваниях желудка, кишечника, селезенки, почек.
  • Диагностика кист.
  • Диагностика состояния надпочечников.
  • Заболевания органов малого таза.
  • Урологические патологии.
  • Гинекологические заболевания.
  • Болезни органов грудной полости.

Кроме того, показано магнито-резонансное исследование всего организма при подозрении на новообразование. С помощью МРТ можно проводить поиск метастазов, если диагностирована первичная опухоль.

Это далеко не полный перечень показаний для проведения магнито-резонансной томографии. Можно с уверенностью утверждать, что нет такого организма и заболевания, которое не можно было бы обнаружить при помощи такого способа диагностики. Поскольку же возможности медицины растут, то перед врачами открываются практически безграничные возможности диагностики и лечения многих опасных болезней.

Когда противопоказана магнитно-резонансная томография?

Для МРТ существует ряд абсолютных и относительных противопоказаний. К абсолютным противопоказаниям относятся такие.

  1. Наличие установленного кардиостимулятора. Это связано с тем, что колебания магнитного поля способны подстраиваться под ритм сердца и таким образом могут привести к летальному исходу.
  2. Наличие установленных ферромагнитных или электронных имплантатов в среднем ухе.
  3. Большие имплантаты из металла.
  4. Наличие в организме ферромагнитных осколков.
  5. Наличие аппаратов Илизарова.

К относительным противопоказаниям (когда исследование возможно при выполнении определенных условий) относятся:

  • инсулиновые насосы;
  • инсулиновые помпы;
  • стимуляторы ЦНС;
  • имплантаты неферромагнитного типа;
  • кардиопротезы;
  • клипсы кровоостанавливающие;
  • сердечная недостаточность в декомпенсированной стадии;
  • беременность до 12 недель (хотя в настоящее время собрано мало информации касательно влияния магнитного поля на организм);
  • клаустрофобия;
  • неадекватное поведение пациента;
  • тяжелые заболевания;
  • необходимость в постоянном наблюдении;
  • клаустрофобия;
  • татуировки, выполненные с помощью красок, содержащих соли металлов.

При выполнении МРТ с контрастом противопоказаниями является анемия, хроническая декомпенсированная почечная недостаточность, беременность, индивидуальная непереносимость.

Заключение

Значение магнитно-резонансной томографии для диагностики трудно переоценить. Это – совершенный, неизвазивный, безболезненный и безвредный способ обнаружения многих болезней. С внедрением магнитно-резонансной томографии улучшилось и лечение пациентов, так как врач знает точный диагноз и особенности всех процессов, протекающих в организме пациента.

Не нужно бояться проведения МРТ. Пациент не ощущает никаких болевых ощущений во время процедуры. Она ничего не имеет общего с ядерным или рентгеновским излучением. Отказываться от проведения такой процедуры также нельзя.

Ядерный магнитный резонанс

Ядерный магнитный резонанс
ядерный магнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс в
Я́дерный магни́тный резона́нс (ЯМР) — резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.

Явление ядерного магнитного резонанса было открыто в 1938 году Исидором Раби в молекулярных пучках, за что он был удостоен Нобелевской премии 1944 года. В 1946 году Феликс Блох и Эдвард Миллз Парселл получили ядерный магнитный резонанс в жидкостях и твёрдых телах (нобелевская премия 1952 года).

Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР.

Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества.

В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения.

  • 1 Физика ЯМР
  • 2 Химическая поляризация ядер
    • 2.1 Ларморовские частоты некоторых атомных ядер
  • 3 Применение ЯМР
    • 3.1 Спектроскопия
      • 3.1.1 Приборы
      • 3.1.2 Спектры ЯМР
    • 3.2 ЯМР-интроскопия
  • 4 Нобелевские премии
  • 5 Литература
  • 6 Примечания

Физика ЯМР

Расщепление энергетических уровней ядра с I = 1/2 в магнитном поле

В основе явления ядерного магнитного резонанса лежат магнитные свойства атомных ядер, состоящих из нуклонов с полуцелым спином 1/2, 3/2, 5/2…. Ядра с чётными массовым и зарядовым числами (чётно-чётные ядра) не обладают магнитным моментом, в то время как для всех прочих ядер магнитный момент отличен от нуля.

Ядра обладают угловым моментом , связанным с магнитным моментом соотношением

,

где  — постоянная Планка,  — спиновое квантовое число,  — гиромагнитное отношение.

Угловой момент и магнитный момент ядра квантованы, и собственные значения проекции и углового и магнитного моментов на ось z произвольно выбранной системы координат определяются соотношением

и ,

где  — магнитное квантовое число собственного состояния ядра, его значения определяются спиновым квантовым числом ядра

то есть ядро может находиться в состояниях.

Так, у протона (или другого ядра с I = 1/2 — 13C, 19F, 31P и т. п.) может находиться только в двух состояниях

,

такое ядро можно представить как магнитный диполь, z-компонента которого может быть ориентирована параллельно либо антипараллельно положительному направлению оси z произвольной системы координат.

Следует отметить, что в отсутствие внешнего магнитного поля все состояния с различными имеют одинаковую энергию, то есть являются вырожденными.

Вырождение снимается во внешнем магнитном поле, при этом расщепление относительно вырожденного состояния пропорционально величине внешнего магнитного поля и магнитного момента состояния и для ядра со спиновым квантовым числом I во внешнем магнитном поле появляется система из 2I+1 энергетических уровней , то есть ядерный магнитный резонанс имеет ту же природу, что и эффект Зеемана расщепления электронных уровней в магнитном поле.

В простейшем случае для ядра со спином с I = 1/2 — например, для протона, расщепление

и разность энергии спиновых состояний

Химическая поляризация ядер

При протекании некоторых химических реакций в магнитном поле в спектрах ЯМР продуктов реакции обнаруживается либо аномально большое поглощение, либо радиоизлучение.

Этот факт свидетельствует о неравновесном заселении ядерных зеемановских уровней в молекулах продуктов реакции. Избыточная заселённость нижнего уровня сопровождается аномальным поглощением.

Инверсная заселённость (верхний уровень заселён больше нижнего) приводит к радиоизлучению. Данное явление называется химической поляризацией ядер.

Ларморовские частоты некоторых атомных ядер

ядроЛарморовская частота в МГц при 0,5 ТеслаЛарморовская частота в МГц при 1 ТеслаЛарморовская частота в МГц при 7,05 Тесла
1H (Водород) 21,29 42,58 300.

18

²D (Дейтерий) 3,27 6,53 46,08
13C (Углерод) 5,36 10,71 75,51
23Na (Натрий) 5,63 11,26 79.

40

39K (Калий) 1,00 1,99

Частота для резонанса протонов находится в диапазоне коротких волн (длина волн около 7 м).

Спектроскопия

Основная статья: ЯМР-спектроскопия

Приборы

Сердцем спектрометра ЯМР является мощный магнит. В эксперименте, впервые осуществленном на практике Парселлом, образец, помещенный в стеклянную ампулу диаметром около 5 мм, заключается между полюсами сильного электромагнита.

Затем, для улучшения однородности магнитного поля, ампула начинает вращаться, а магнитное поле, действующее на неё, постепенно усиливают. В качестве источника излучения используется радиочастотный генератор высокой добротности.

Под действием усиливающегося магнитного поля начинают резонировать ядра, на которые настроен спектрометр. При этом экранированные ядра резонируют на частоте чуть меньшей, чем ядра, лишенные электронных оболочек.

Поглощение энергии фиксируется радиочастотным мостом и затем записывается самописцем. Частоту увеличивают до тех пор, пока она не достигнет некого предела, выше которого резонанс невозможен.

Так как идущие от моста токи весьма малы, снятием одного спектра не ограничиваются, а делают несколько десятков проходов. Все полученные сигналы суммируются на итоговом графике, качество которого зависит от отношения сигнал/шум прибора.

В данном методе образец подвергается радиочастотному облучению неизменной частоты, в то время как сила магнитного поля изменяется, поэтому его ещё называют методом непрерывного облучения (CW, continous wave).

Традиционный метод ЯМР-спектроскопии имеет множество недостатков. Во-первых, он требует большого количества времени для построения каждого спектра. Во-вторых, он очень требователен к отсутствию внешних помех, и как правило, получаемые спектры имеют значительные шумы.

В-третьих, он непригоден для создания спектрометров высоких частот (300, 400, 500 и более МГц). Поэтому в современных приборах ЯМР используется метод так называемой импульсной спектроскопии (PW), основанной на фурье-преобразованиях полученного сигнала.

В настоящее время все ЯМР-спектрометры строятся на основе мощных сверхпроводящих магнитов с постоянной величиной магнитного поля.

В отличие от CW-метода, в импульсном варианте возбуждение ядер осуществляют не «постоянной волной», а с помощью короткого импульса, продолжительностью несколько микросекунд. Амплитуды частотных компонент импульса уменьшаются с увеличением расстояния от ν0.

Но так как желательно, чтобы все ядра облучались одинаково, необходимо использовать «жесткие импульсы», то есть короткие импульсы большой мощности. Продолжительность импульса выбирают так, чтобы ширина частотной полосы была больше ширины спектра на один-два порядка.

Мощность достигает нескольких тысяч ватт.

В результате импульсной спектроскопии получают не обычный спектр с видимыми пиками резонанса, а изображение затухающих резонансных колебаний, в котором смешаны все сигналы от всех резонирующих ядер — так называемый «спад свободной индукции» (FID, free induction decay). Для преобразования данного спектра используют математические методы, так называемое фурье-преобразование, по которому любая функция может быть представлена в виде суммы множества гармонических колебаний.

Спектры ЯМР

Спектр 1H 4-этоксибензальдегида. В слабом поле (синглет ~9,25 м д.) сигнал протона альдегидной группы, в сильном (триплет ~1,85-2 м д.) — протонов метила этоксильной группы.

Для качественного анализа c помощью ЯМР используют анализ спектров, основанный на таких замечательных свойствах данного метода:

  • сигналы ядер атомов, входящих в определенные функциональные группы, лежат в строго определенных участках спектра;
  • интегральная площадь, ограниченная пиком, строго пропорциональна количеству резонирующих атомов;
  • ядра, лежащие через 1-4 связи, способны давать мультиплетные сигналы в результате т. н. расщепления друг на друге.

Положение сигнала в спектрах ЯМР характеризуют химическим сдвигом их относительно эталонного сигнала. В качестве последнего в ЯМР 1Н и 13С применяют тетраметилсилан Si(CH3)4 (ТМС). Единицей химического сдвига является миллионная доля (м.д.) частоты прибора.

Если принять сигнал ТМС за 0, а смещение сигнала в слабое поле считать положительным химическим сдвигом, то мы получим так называемую шкалу δ. Если резонанс тетраметилсилана приравнять 10 м.д. и обратить знаки на противоположные, то результирующая шкала будет шкалой τ, практически не используемой в настоящее время.

Если спектр вещества слишком сложен для интерпретирования, можно воспользоваться квантовохимическими методами расчёта констант экранирования и на их основании соотнести сигналы.

ЯМР-интроскопия

Основная статья: Магнитно-резонансная томография

Явление ядерного магнитного резонанса можно применять не только в физике и химии, но и в медицине: организм человека — это совокупность все тех же органических и неорганических молекул.

Чтобы наблюдать это явление, объект помещают в постоянное магнитное поле и подвергают действию радиочастотных и градиентных магнитных полей.

В катушке индуктивности, окружающей исследуемый объект, возникает переменная электродвижущая сила (ЭДС), амплитудно-частотный спектр которой и переходные во времени характеристики несут информацию о пространственной плотности резонирующих атомных ядер, а также о других параметрах, специфических только для ядерного магнитного резонанса.

Компьютерная обработка этой информации формирует объёмное изображение, которое характеризует плотность химически эквивалентных ядер, времена релаксации ядерного магнитного резонанса, распределение скоростей потока жидкости, диффузию молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.

Сущность ЯМР-интроскопии (или магнитно-резонансной томографии) состоит, по сути дела, в реализации особого рода количественного анализа по амплитуде сигнала ядерного магнитного резонанса.

В обычной ЯМР-спектроскопии стремятся реализовать, по возможности, наилучшее разрешение спектральных линий. Для этого магнитные системы регулируются таким образом, чтобы в пределах образца создать как можно лучшую однородность поля.

В методах ЯМР-интроскопии, напротив, магнитное поле создается заведомо неоднородным. Тогда есть основание ожидать, что частота ядерного магнитного резонанса в каждой точке образца имеет свое собственное значение, отличающееся от значений в других частях.

Задав какой-либо код для градаций амплитуды ЯМР-сигналов (яркость или цвет на экране монитора), можно получить условное изображение (томограмму) срезов внутренней структуры объекта.

ЯМР-интроскопия, ЯМР-томография впервые в мире изобретены в 1960 г. В. А. Ивановым.

Заявку на изобретение (способ и устройство) некомпетентный эксперт отклонил «… ввиду явной бесполезности предлагаемого решения», поэтому авторское свидетельство на это было выдано лишь более чем через 10 лет.

Таким образом, официально признано, что автором ЯМР-томографии является не коллектив нижеуказанных нобелевских лауреатов, а российский учёный. Невзирая на этот юридический факт, Нобелевская премия была присуждена за ЯМР-томографию вовсе не В. А. Иванову.

Нобелевские премии

Нобелевская премия по физике за 1952 г. была присуждена Феликсу Блоху и Эдварду Миллс Парселлу «За развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия».

Нобелевская премия по химии за 1991 г. была присуждена Ричарду Эрнсту «За вклад в развитие методологии ядерной магнитной резонансной спектроскопии высокого разрешения».

Нобелевская премия по химии за 2002 г. (1/2 часть) была присуждена Курту Вютриху «За разработку применения ЯМР-спектроскопии для определения трёхмерной структуры биологических макромолекул в растворе».

Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2003 г. была присуждена Полу Лотербуру, Питеру Мэнсфилду «За изобретение метода магнитно-резонансной томографии».

Литература

  1. Абрагам А. Ядерный магнетизм. — М.: Издательство иностр. лит., 1963.
  2. Сликтер Ч. Основы теории магнитного резонанса. — М.: Мир, 1981.
  3. Эрнст Р., Боденхаузен Дж., Вокаун А. ЯМР в одном и двух измерениях: Пер. с англ. под ред. К. М. Салихова, М.: Мир, 1990.
  4. Гюнтер Х. Введение в курс спектроскопии ЯМР: Пер. с англ. — М.: Мир, 1984. — 478 с.

  5. Дероум А. Современные методы ЯМР для химических исследований.
  6. Калабин. Природная спектроскопия ЯМР природного органического сырья.
  7. Чижик В. И. Квантовая радиофизика. Магнитный резонанс и его приложения. — С-Петерб. ун-та, 2004 (2009), — 700с.
  8. Аминова Р. М.

    Квантовохимические методы вычисления констант ядерного магнитного экранирования — в журн. Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2002. № 6. С. 11.

  9. Габуда С. П., Плетнев Р. Н.,Федотов М. А. Ядерный магнитный резонанс в неорганической химии. — М: Наука, 1988. — 214 с.
  10. Габуда С. П., Ржавин А. Ф.

    Ядерный магнитный резонанс в кристаллогидратах и гидратированных белках. — Из-во: Наука. Новосибирск. 1978. —160с.

Примечания

  1. Исаак Раби на сайте Nobelprize.org
  2. Purcell E.M.; Torrey H.C.; Pound R.V. Resonance Absorption by Nuclear Magnetic Moments in a Solid // Phys. Rev. — 1946. — Т. 69. — С. 37-38.
  3. Bloch F.; Hansen W.W.; Packard M. Nuclear Induction // Phys. Rev. — 1946. — Т. 69. — С. 127.

  4. Praxis Dr. B. Sander: MR-Grundlagen
  5. Т. Батенева. Интервью В. А. Иванова «Известиям», 26.10.

    2003

  6. Иванов Владислав Александрович на сайте «Виртуальный музей СПбГУ ИТМО»

ядерный магнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс в, ядерный магнитный резонанс фото

Ядерный магнитный резонанс Информацию О

Ядерный магнитный резонанс

Ядерный магнитный резонанс
Ядерный магнитный резонанс Вы просматриваете субъект
Ядерный магнитный резонанс что, Ядерный магнитный резонанс кто, Ядерный магнитный резонанс описание

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть