Ядрен магнитен резонанс. NMR приложения

Ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) е ядрена спектроскопия, която се използва широко във всички физически науки и промишленост. используется большой магнит. В NMR се използва голям магнит за изследване на присъщите спинови свойства на атомните ядра . ). Както всяка спектроскопия, за да се създаде преход между енергийните нива (резонанс), той използва електромагнитно излъчване (радиочестотни вълни в VHF обхвата). В химията NMR помага да се определи структурата на малките молекули. применение в магнитно-резонансной Ядрено-магнитният резонанс в медицината намира приложение в магнитния резонанс томография (MRI).

откритие

Гарвардского университета Перселем , Фунтом и Торри , а также Блохом , Хансеном и Паккардом из Стэнфорда. ЯМР е открит през 1946 г. от Пърсел , Паунд и Тори от Харвардския университет, както и от Блох , Хансен и Пакард от Станфорд. Те забелязаха, че ядрата ¹ Н и ³¹ Р (протон и фосфор-31) са способни да абсорбират радиочестотна енергия, когато са изложени на магнитно поле, силата на която е специфична за всеки атом. Когато се абсорбират, те започват да резонират, всеки елемент на своята честота. Това наблюдение позволява да се извърши подробен анализ на структурата на молекулата. применение в кинетических и структурных исследованиях твердых тел, жидкостей и газов, в результате чего было присуждено 6 Нобелевских премий. Оттогава NMR е намерил приложение в кинетичните и структурните изследвания на твърди вещества, течности и газове, в резултат на което са присъдени 6 Нобелови награди.

Спин и магнитни свойства

Ядрото се състои от елементарни частици, наречени неутрони и протони. Те имат свой собствен импулс, наречен въртене. Подобно на електроните, спинът на ядрото може да бъде описан с квантови числа I и в магнитно поле m. числом протонов и нейтронов имеют нулевой спин, а все остальные – ненулевой. Атомните ядра с четен брой протони и неутрони имат нулево въртене, а всички останали имат ненулева въртене. В допълнение, молекулите с ненулево въртене имат магнитен момент μ = γ I , където γ е гиромагнитното съотношение, константа на пропорционалност между магнитния диполен момент и ъгловия, който е различен за всеки атом.

Магнитният момент на ядрото я кара да се държи като малък магнит. При липсата на външно магнитно поле всеки магнит е ориентиран на случаен принцип. По време на ЯМР експеримента, пробата се поставя във външното магнитно поле В ₀ , което причинява ниско енергийните лентови магнити да се подравняват в посока В ₀ и от високото в обратна посока. Когато това се случи, центрофугиращата ориентация на магнитите се променя. За да се разбере тази абстрактна концепция, трябва да се вземат предвид енергийните нива на ядрото по време на NMR експеримента.

Нива на енергия

За спин флип е необходимо цяло число на квантите. За всеки m има 2м + 1 енергийни нива. За едно ядро ​​със завъртане на 1/2, само 2 от тях са ниски, заети от завъртания, подравнени с B0, и високи, заети от завъртания, насочени срещу B0. = -mℏγВ ₀ , где m – магнитное квантовое число, в этом случае +/- 1/2. Всяко енергийно ниво се определя от израза E = -mℏγB ₀ , където m е магнитното квантово число, в този случай +/- 1/2. Енергийните нива за m> 1/2, известни като квадруполни ядра, са по-сложни.

Разликата в енергията на нивата е: ΔE = ВγV ₀ , където ℏ е константата на Планк.

отсутствии уровни вырождаются. Както се вижда, силата на магнитното поле е от голямо значение, тъй като в нейно отсъствие нивата се дегенерират.

Силови преходи

За да възникне ядрен магнитен резонанс, спин трябва да се обърне между нивата на енергия. Разликата в енергията между две състояния съответства на енергията. електромагнитно излъчване което кара ядрото да променя енергийните си нива. В ₀ имеет порядок 1 Тесла ( Т ), а γ – 10 ⁷ . За повечето ЯМР спектрометри B ₀ е от порядъка на 1 Tesla ( T ), а γ е 10 ⁷ . Следователно, необходимото електромагнитно излъчване е от порядъка на 10 ⁷ Hz. = hν. Енергията на фотона е представена с формулата E = hν. Следователно, честотата, необходима за абсорбцията, е: ν = γВ ₀ / 2π.

Ядрена защита

Физиката NMR се основава на концепцията за ядрена защита, която ви позволява да определите структурата на веществото. вызывает небольшие изменения энергетических уровней. Всеки атом е заобиколен от електрони, които се въртят около ядрото и действат върху неговото магнитно поле, което от своя страна води до малки промени в енергийните нива. Това се нарича екраниране. Ядрата, които изпитват различни магнитни полета, свързани с локални електронни взаимодействия, се наричат ​​нееквивалентни. новый пик в спектре ЯМР. Промяната на енергийните нива за спин флип изисква различна честота, която създава нов пик в NMR спектъра. анализа сигнала ЯМР с помощью преобразования Фурье. Екранирането позволява структурно определяне на молекули чрез анализиране на NMR сигнала чрез преобразуване на Фурие. Резултатът е спектър, състоящ се от набор от пикове, всеки от които съответства на различна химическа среда. Площта на пика е право пропорционална на броя на ядрата. ЯМР-взаимодействий , по-разному изменяющих спектр. Подробна информация за структурата се извлича чрез NMR взаимодействия, които променят спектъра по различни начини.

отдих

стабильные после возбуждения до более высоких энергетических уровней состояния. Релаксацията се отнася до явлението връщане на ядрата в тяхното термодинамично стабилно състояние след възбуждане до по-високи енергийни нива. при переходе с более низкого уровня к более высокому. Това освобождава енергията, погълната по време на прехода от по-ниско ниво към по-високо ниво. Това е доста сложен процес, който протича в различни времеви рамки. типами релаксации являются спин-решеточная и спин-спиновая. Двата най- често срещани вида релаксация са спин-решетката и спин-спина.

За да разберем релаксацията, е необходимо да разгледаме цялата проба. намагниченность вдоль оси Z. Их спины также когерентны и позволяют обнаружить сигнал. Ако ядрата се поставят във външно магнитно поле, те ще създадат насипно намагнитване по оста Z. Техните завъртания също са кохерентни и могат да открият сигнала. намагниченность от оси Z в плоскость XY, где она и проявляется. NMR измества обемното намагнитване от Z ос до XY равнина, където се появява.

релаксация характеризуется временем T ₁ , необходимым для восстановления 37 % объемной намагниченности вдоль оси Z. Чем эффективнее процесс релаксации, тем меньше T ₁ . Релаксацията на спин-решетката се характеризира с времето T1, което е необходимо за възстановяване на 37 % от обемното намагнитване по оста Z. Колкото по- ефективен е релаксационният процес, толкова по-малко T ₁ . телах, поскольку движение между молекулами ограничено, время релаксации велико. В твърдите вещества , тъй като движението между молекулите е ограничено, времето за релаксация е голямо. Измерванията обикновено се извършват чрез импулсни методи.

Спин-спиновата релаксация се характеризира с времето на загуба на взаимна кохерентност Т2. Тя може да бъде по-малка или равна на T1.

Ядрено-магнитен резонанс и неговото приложение

это медицина и химия, однако каждый день разрабатываются новые сферы его применения. Двете основни области, в които ЯМР се оказаха изключително важни, са медицината и химията, но нови области на нейното приложение се развиват всеки ден.

, используемым для изучения функций и структуры человеческого тела. Ядрено-магнитен резонанс, по-известен като магнитен резонанс (MRI), е важен медицински диагностичен инструмент, използван за изследване на функциите и структурата на човешкото тяло. Тя ви позволява да получите подробни изображения на всеки орган, особено на меките тъкани, във всички възможни равнини. Използва се в областта на сърдечно-съдовата, неврологичната, мускулно-скелетната и онкологичната визуализация. За разлика от алтернативния компютър, магнитен резонанс не използва йонизиращо лъчение, затова е напълно безопасен.

MRI може да открива незначителни промени във времето. можно использовать для выявления структурных аномалий, возникающих в ходе болезни, а также того, как они влияют на последующее развитие и как их прогрессирование коррелирует с психическими и эмоциональными аспектами расстройства. ЯМР интроскопията може да се използва за идентифициране на структурни аномалии, които възникват по време на хода на заболяването, как те засягат последващото развитие и как тяхната прогресия корелира с умствените и емоционалните аспекти на заболяването. содержимого. Тъй като ЯМР сканира слабо за костите, се получават отлични изображения на вътречерепно и интравертебрално съдържание.

Принципи на използване на ядрено-магнитен резонанс в диагностиката

По време на MRI процедурата пациентът се намира в масивен кухи цилиндричен магнит и е изложен на мощно, стабилно магнитно поле. Различни атоми в сканираната част на тялото резонират при различни честоти на полето. MRI се използва предимно за откриване на вибрации на водородни атоми, които съдържат въртящо се протонно ядро ​​с малко магнитно поле. С MRI фоновото магнитно поле подрежда всички водородни атоми в тъканта. Второто магнитно поле, чиято ориентация е различна от фона, се включва и изключва много пъти в секунда. частоте атомы резонируют и выстраиваются в линию со вторым полем. При определена честота атомите резонират и се подравняват с второто поле. Когато се изключи, атомите се връщат, подравнявайки се с фона. Това създава сигнал, който може да бъде получен и преобразуван в изображение.

яркое изображение, а с малым его содержанием или отсутствием (например, кости) выглядят темными . Тъкани с голямо количество водород, което присъства в човешкото тяло в състава на водата, създава ярко изображение, а при ниско съдържание или отсъствие (например кости) изглежда тъмно . , который пациенты принимают перед процедурой. Яркостта на ЯМР се засилва от контрастен агент, като гадодиамид , който пациентите приемат преди процедурата. относительно ограниченной. Въпреки че тези агенти могат да подобрят качеството на изображението, процедурата остава относително ограничена по отношение на чувствителността. Разработват се методи за повишаване на чувствителността на ЯМР. формы водорода с уникальными свойствами молекулярного спина, который очень чувствителен к магнитным полям. Най-обещаващо е използването на параводород - форма на водород с уникалните свойства на молекулярния спин, който е много чувствителен към магнитните полета.

Подобряването на характеристиките на магнитното поле, използвани в ЯМР, доведе до разработването на високочувствителни техники за изобразяване, като дифузия и функционална ЯМР, които са проектирани да показват много специфични тъканни свойства. , называемая магнитно-резонансной ангиографией, используется для получения изображения движения крови. В допълнение, уникална форма на ЯМР технология , наречена магнитно-резонансна ангиография, се използва за заснемане на изображения на движение на кръвта. Тя ви позволява да визуализирате артериите и вените без нужда от игли, катетри или контрастни вещества. Както и при ЯМР, тези методи помогнаха за революция в биомедицинските изследвания и диагностиката.

голограммы, служащие для определения точной локализации повреждений. Разширените компютърни технологии позволяват на радиолозите от цифрови секции, получени чрез ЯМР скенери, да създадат триизмерни холограми, които се използват за определяне на точното местоположение на повредата. Томографията е особено ценна при изследване на мозъка и гръбначния мозък, както и на тазовите органи като пикочния мехур и порестата кост. лечение. Методът позволява бързо и ясно да се определи степента на увреждане на тумора и да се оцени потенциалното увреждане от инсулт, което позволява на лекарите да предписват подходящо лечение своевременно. , необходимость вводить контрастное вещество в сустав для визуализации хряща или повреждение связок, а также миелографию , инъекцию контрастного вещества в позвоночный канал для визуализации нарушений спинного мозга или межпозвонкового диска. Ядрено-магнитен резонанс в голяма степен изместена артрография , необходимостта от инжектиране на контрастен агент в ставата, за да се визуализира хрущял или увреждане на лигаментите, както и миелография , инжектиране на контрастно средство в гръбначния канал за визуализиране на нарушения на гръбначния мозък или междинния гръден диск.

Приложение на химията

В много лаборатории днес ядрено-магнитен резонанс се използва за определяне на структурите на важни химични и биологични съединения. В NMR спектрите, различни пикове дават информация за специфичната химична среда и връзките между атомите. изотопами, используемыми для обнаружения сигналов магнитного резонанса, являются ¹ H и ¹³ C, но подходит и множество других, таких как ² H, ³ He , ¹⁵ N, ¹⁹ F и т. д. Най- честите изотопи, използвани за откриване на магнитно-резонансни сигнали са ¹ Н и ¹³ С, но много други са подходящи, като 2Н, ³ He , ¹⁵ N, ¹⁹ F и др.

Съвременната ЯМР спектроскопия е намерила широко приложение в биомолекулярните системи и играе важна роля в структурната биология. . С разработването на методология и инструменти, ЯМР се превърна в един от най-мощните и универсални спектроскопски методи за анализ на биомакромолекули, което ни позволява да характеризираме тях и техните комплекси до размер до 100 kDa . на атомном уровне. Заедно с рентгеновата кристалография това е една от двете водещи технологии за определяне на тяхната структура на атомно ниво. В допълнение, NMR осигурява уникална и важна информация за протеинови функции играе ключова роля в разработването на лекарства. приведены ниже. Някои от приложенията на ЯМР спектроскопия са дадени по-долу.

• условиях или имитирующих мембрану средах. Това е единственият метод за определяне на атомната структура на биомакромолекулите във водни разтвори при условия, близки до физиологична или мембрана имитираща среда.
• Молекулярна динамика. . Това е най-мощният метод за количествено определяне на динамичните свойства на биомакромолекулите .
• Сгъване на катерица. является наиболее мощным инструментом для определения остаточных структур развернутых белков и посредников сворачивания. ЯМР спектроскопията е най-мощният инструмент за определяне на остатъчни структури на разгънати протеини и сгъваеми медиатори.
• Йонизиращо състояние. . Методът е ефективен при определяне на химичните свойства на функционалните групи в биомакромолекулите, като например йонизационните състояния на йонизиращи се групи активни места на ензими .
• Ядрено-магнитният резонанс позволява да се изследват слаби функционални взаимодействия между макробиомолекули (например, с дисоциационни константи в микромоларните и милимоларни диапазони), което не може да се направи с други методи.
• Хидратация на протеин. взаимодействия с биомакромолекулами. ЯМР е средство за откриване на вътрешни води и взаимодействието му с биомакромолекули.
• водородных связей . Това е уникален метод за директно откриване на взаимодействието на водородни връзки .
• Скрининг и разработване на лекарства. По-специално, методът на ядрено-магнитен резонанс е особено полезен при идентифициране на лекарства и определяне на конформациите на съединения, свързани с ензими, рецептори и други протеини.
• Натриев белтък. в среде нативной мембраны, в том числе со связанными лигандами. NMR с твърдо състояние има потенциала да определя атомните структури на домейните на мембранните протеини в средата на нативната мембрана, включително тези с свързани лиганди.
• Метаболитен анализ.
• Химичен анализ. Химическа идентификация и конформационен анализ на синтетични и естествени химикали.
• Материалознание. Мощен инструмент в изучаването на химията и физиката на полимерите.

Други приложения

медициной и химией. Ядреният магнитен резонанс и неговото използване не се ограничават до медицината и химията. Методът се оказа много полезен в други области, като екологични тестове, нефтена промишленост, контрол на процесите, ЯМР на полето на Земята и магнитометри. Неразрушаващият тест ви позволява да запишете на скъпи биологични проби, които могат да бъдат използвани повторно, ако са необходими повече тестове. Ядрено-магнитният резонанс в геологията се използва за измерване на порьозността на скалите и пропускливостта на подземните течности. Магнитометрите се използват за измерване на различни магнитни полета.