ядерний магнітний резонанс спектрометрія

ЯМР - найпотужніший та інформативний метод дослідження молекул. Строго кажучи, це не один метод, це велика кількість різноманітних типів експериментів, тобто імпульсних послідовностей. Хоча всі вони ґрунтуються на явищі ЯМР, але кожен із цих експериментів призначений для отримання якоїсь конкретної специфічної інформації. Число цих експериментів вимірюється багатьма десятками, а то й сотнями. Теоретично ЯМР може якщо не все, то майже все, що можуть всі інші експериментальні методи дослідження структури та динаміки молекул, хоча практично це можна здійснити, звичайно, далеко не завжди. Одна з основних переваг ЯМР у тому, що, з одного боку, його природні зонди, тобто магнітні ядра, розподілені по всій молекулі, а з іншого боку, він дозволяє відрізнити ці ядра один від одного і отримувати просторово-селективні дані про властивості молекули. Майже решта методів дають інформацію або усереднену по всій молекулі, або тільки про якусь одну її частину.

Основних недоліків у ЯМР два. По-перше, це низька чутливість порівняно з більшістю інших експериментальних методів (оптична спектроскопія, флюоресценція, ЕПР тощо). Це призводить до того, що для усереднення шумів сигнал потрібно накопичувати тривалий час. У деяких випадках ЯМР-експеримент може проводитися навіть протягом декількох тижнів. По-друге, це його дорожнеча. ЯМР-спектрометри – одні з найдорожчих наукових приладів, їхня вартість вимірюється як мінімум сотнями тисяч доларів, а найдорожчі спектрометри коштують кілька мільйонів. Не всі лабораторії, особливо у Росії, можуть дозволити собі мати таке наукове устаткування.

Застосування ЯМР

Застосування спектроскопії ЯМР. Спектроскопія ЯМР відноситься до неруйнівних методів аналізу. Сучасна імпульсна ЯМР фур'є-спектроскопія дозволяє вести аналіз по 80 магнітним ядрам. ЯМР спектроскопія - один із основних фізико-хімічних методів аналізу, її дані використовують для однозначної ідентифікації як проміжних продуктів хімічних реакцій, так і цільових. Крім структурних віднесень та кількісного аналізу, спектроскопія ЯМР приносить інформацію про конформаційні рівноваги, дифузію атомів і молекул у твердих тілах, внутрішніх рухах, водневих зв'язках та асоціації в рідинах, таутомерії, металах і прототропії, упорядкованості та розподілі ланок у полімерних ланцюгах. кристалів, рідких кристалів та ін. Спектроскопія ЯМР – джерело інформації про структуру біополімерів, у т. ч. білкових молекул у розчинах, порівнянної за достовірністю з даними рентгеноструктурного аналізу. У 80-ті роки. почалося бурхливе впровадження методів спектроскопії та томографії ЯМР у медицину для діагностики складних захворювань та при диспансеризації населення. Число та положення ліній у спектрах ЯМР однозначно характеризують всі фракції сирої нафти, синтетичних каучуків, пластмас, сланців, вугілля, ліків, препаратів, продукції хімії та фармацевтичними та ін. насіння, збереження зерна. При відбудові від сигналів води можна реєструвати вміст клейковини в кожному зерні, що, як і аналіз олійності, дозволяє вести прискорену селекцію с.-г. культур. Застосування все сильніших магнітних полів (до 14 Тл у серійних приладах і до 19 Тл в експериментальних установках) забезпечує можливість повного визначення структури білкових молекул у розчинах, експрес-аналізу біологічних рідин (концентрації ендогенних метаболітів у крові, сечі, лімфі, спинномозковій рідині) , контролю якості нових полімерних матеріалів При цьому застосовують численні варіанти багатоквантових та багатовимірних фур'є-спектроскопічних методик.

ЯДЕРНИЙ МАГНІТНИЙ РЕЗОНАНС(ЯМР), явище резонансного поглинання радіочастотної електромагн. енергії в-вом з ненульовими магн. моментами ядер, що у зовнішньо. постійному мага. поле. Ненульовим ядерним магном. моментом мають ядра 1 Н, 2 Н, 13 С, 14 N, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P та ін. ЯМР зазвичай спостерігається в однорідному постійному магн. поле В 0 , на якому накладається слабке радіочастотне поле 1 перпендикулярне полю 0 . Для в-в, у яких брало ядерний I = 1 / 2 (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P та ін), в полі В 0 можливі дві орієнтації магн. ядра "по полю" та "проти поля". Виникають два рівні енергії Е за рахунок взаємодій. магн. моменту ядра з полем В 0 розділені інтервалом
За умови, що або де h - , v 0 - частота радіочастотного поля В 1 - кругова частота - т. зв. гіромагн. відношення ядра, спостерігається резонансне поглинання енергії поля B 1 , назване ЯМР. Для 1 H, 13 C, 31 Р частоти ЯМР у полі 0 = 11,7 Тл рівні соотв. (МГц): 500, 160,42 і 202,4; значення (МГц/Тл): 42,58, 10,68 і 17,24. Згідно квантової моделі в полі В 0 виникає 2I + 1 рівнів енергії, переходи між к-рими дозволені при де т - магн. квантове число.

Техніка експерименту. Параметри спектрів ЯМР.На явище ЯМР заснована. Спектри ЯМР реєструють за допомогою радіоспектрометрів (рис.). Зразок досліджуваного в-ва поміщають як сердечник в котушку генеруючого контуру (поле B 1), розташованого в зазорі магніту, що створює поле В 0 так, що настає резонансне поглинання, що викликає падіння напруги на контурі, в схему якого включена котушка з зразком. Падіння напруги детектується, посилюється і подається на розгортку осцилографа або записуючий пристрій. У совр. радіоспектрометри ЯМР зазвичай використовують мага, поля напруженістю 1-12 Тл. Область спектра, в якій є детектований сигнал з одним або дек. максимумами, зв. лінією поглинання ЯМР. Ширина лінії, що спостерігається, виміряна на половині макс. інтенсивності та виражена в Гц, зв. шириною лінії ЯМР. Роздільна здатність спектра ЯМР - мінім. ширина лінії ЯМР, яка дозволяє спостерігати даний спектрометр. Швидкість проходження - швидкість (в Гц/с), з якою змінюється напруженість магн. поля або частота, що впливає на зразок радіочастотного випромінювання при отриманні спектра ЯМР.

Схема спектрометра ЯМР: 1 – котушка із зразком; 2 – полюси магніту; 3-генератор радіочастотного поля; 4 -підсилювач та детектор; 5 - генератор модулюючої напруги; 6 - котушки модуляції поля В 0; 7 – осцилограф.

Поглинену енергію система перерозподіляє всередині себе (т. зв. спин-спинова, або поперечна; характеристич. час Т 2) і віддає в (спин-ґратова, час Т 1). Часи Т 1 і Т 2 несуть інформацію про між'ядерні відстані і часи кореляції разл. мовляв. рухів. Вимірювання залежності Т 1 і Т 2 від т-ри та частоти v 0 дають інформацію про характер теплового руху, хім. , та ін. В з жорсткими гратами Т 2 = 10 мкс, а Т 1 > 10 3 с, тому що регулярний механізм спін-решіткової відсутня і обумовлена ​​парамагн. домішками. Через небагато Т 2 природна ширина лінії ЯМР дуже велика (десятки кГц), їх реєстрація -область ЯМР широких ліній. У малій Т 1 T 2 і вимірюється секундами. Соотв. лінії ЯМР мають ширину близько 10 -1 Гц (ЯМР високої роздільної здатності). Для неперекрученого відтворення форми лінії треба проходити через лінію шириною 0,1 Гц протягом 100 с. Це накладає значні обмеження на чутливість спектрометрів ЯМР.
Основний параметр спектра ЯМР – хім. зрушення- взяте з відповідним знаком відношення різниці частот спостережуваного сигналу ЯМР і деякого умовно обраного еталонного сигналу к.-л. стандарту до частоти еталонного сигналу (виражається у мільйонних частках, м. буд.). Хім. зсуви ЯМР вимірюють у безрозмірних величинах відрахованих від піку еталонного сигналу. Якщо стандарт дає сигнал на частоті v 0 то Залежно від природи досліджуваних ядер розрізняють протонний ЯМР, або ПМР, та ЯМР 13 С (таблиці величин хімічних зрушень наведені на форзацах тому). ЯМР 19 F (див.), ЯМР 31 Р (див.) і т. д. Величини мають суттєву характеристичність і дозволяють визначати за спектрами ЯМР наявність певних мовляв. фрагментів. Відповідні дані про хім. зсувах разл. ядер публікуються в довідкових і навчальних посібниках, а також заносяться в бази даних, якими постачаються совр. спектрометри ЯМР. У рядах близьких за будовою сполук хім. зсув прямо пропорційний відповідних ядрах.
Загальноприйнятий стандарт для ПМР та ЯМР 13 С – тетраметилсилан (ТМС). Стандарт м. б. розчинений у досліджуваному розчині (внутр. еталон) або поміщений, напр., в запаяний капіляр, що знаходиться всередині ампули зі зразком (зовніш. еталон). Як р-телеглятів можуть використовуватися лише такі, чиє власне поглинання не перекривається з областю, що представляє інтерес для дослідження. Для ПМР кращі розчинники - ті, що не містять (СС1 4 , CDC1 3 , CS 2 , D 2 O та ін).
У багатоатомних ядрах однакових , що займають хімічно нееквівалентні положення, мають хімічні. зрушення, зумовлені відмінністю магн. екранування ядер валентними (такі ядра зв. анізохронними). Для i-го ядра де-постійна діамангн. екранування, що вимірюється в м. д. Для типовий інтервал змін - до 20 м. д., для більш важких ядер ці інтервали на 2-3 порядки більше.
Важливий параметр спектрів ЯМР - спін-спіновий взаємод. (ССВ) - міра непрямого ССВ між разл. магн. ядрами однієї (див.); виявляється у Гц.
Взаємод. ядерних з , що містяться між ядрами i і j, призводять до взаємної орієнтації цих ядер в полі В 0 (ССВ). При достатньому дозволі ССВ призводить до доповнення. ліній, що відповідають певним значенням хім. зрушень: де J ij - ССВ; F ij - величини, значення яких брало визначаються ядер i і j, відповідного мол. фрагмента, діедральними кутами між хім. зв'язками та числом цих зв'язків між ядрами, що беруть участь у ССВ.
Якщо хім. зрушення досить великі, тобто. min max (J ij), то ССВ проявляються у вигляді простих мультиплетів з біноміальним розподілом інтенсивностей (спектри першого порядку). Так в етильній групі сигнал метильних проявляється у вигляді із співвідношенням інтенсивностей 1:2:1, а сигнал метиленових - у вигляді квадруплету із співвідношенням інтенсивностей 1:3:3:1. У спектрах ЯМР 13 С метинові групи - дублети (1:1), а метиленові та метильні - соотв. і квадруплети, але з більшими, ніж у протонних спектpax, значеннями ССВ. Хім. зрушення в спектрах першого порядку дорівнюють інтервалам між центрами мультиплетів, а J ij - відстаням між сусідніми піками мультиплету. Якщо умова першого порядку не виконується, то спектри стають складними: у них жоден інтервал, взагалі кажучи, не дорівнює ні J ij . Точні значення параметрів спектрів одержують із квантовоміх. розрахунків. Відповідні програми входять у мат. забезпечення совр. спектрометрів ЯМР. Інформативність хім. зрушень і ССВ перетворила високого дозволу на один з найважливіших методів якостей. та кількостей. аналізу складних сумішей, систем, препаратів та композицій, а також дослідження будови та реакц. Можливості. При вивченні, вироджених та ін динаміч. систем, геом. структури білкових у розчині, при неруйнівному локальному хім. аналізі живих тощо можливості методів ЯМР унікальні.

Ядерна намагніченість в-ва.Відповідно до розподілу Больцмана в дворівневій спин-системі з N відношення числа N + на нижньому рівні до N - на верхньому рівні дорівнює де k - ; Т – т-ра. При 0 = 1 Тл і Т=300 До для відношення N + / N - .= 1,00005. Це і визначає величину ядерної намагніченості в-ва, поміщеного в полі B 0 . магніт. момент m кожного ядра здійснює прецесійний рух щодо осі z, вздовж якої спрямоване поле B 0 ; частота цього руху дорівнює частоті ЯМР. Сума проекцій прецесуючих ядерних моментів на вісь z утворює макроскопіч. намагніченість в-ва M z = 10 18 У площині ху, перпендикулярної осі z, проекції через випадковість фаз прецесії дорівнюють нулю: М xy = 0. Поглинання енергії при ЯМР означає, що в одиницю часу з нижнього рівня на верхній переходить більше, ніж у зворотному напрямку , Т. е. Різниця населеностей N + - N - убуває (нагрів спин-системи, насичення ЯМР). При насиченні в стаціонарному режимі намагніченість системи може зрости. Це - т. зв. ефект Оверхаузера, для ядер, що позначається NOE (Nuclear Overhauser effect), який широко застосовується для підвищення чутливості, а також для оцінки міжядерних відстаней при вивченні мовляв. геометрії методами.

Векторні моделі ЯМР.При реєстрації ЯМР на зразок накладають радіочастотне поле, що діє у площині ху. У цій площині поле 1 можна розглядати як два з амплітудами 1т/2, що обертаються з частотою в протилежних напрямках. Вводять систему координат, що обертається x"y"z, вісь х" до-рой збігається з В 1т/2, що обертається в тому ж напрямку, що і Його вплив викликає зміну кута при вершині конуса прецесії ядерних магн. моментів; ядерна намагніченість М z починає залежати від часу, а в площині х"у" з'являється відмінна від нуля проекція ядерної намагніченості. -цію ядерної намагніченості від частоти розрізняють повільне зміна (свіп-режим) і імпульсний ЯМР. зрушений щодо B 1 по фазі на 90 °С). Одночасна реєстрація М х" та M y" (квадратурне детектування) вдвічі підвищує чутливість спектрометра ЯМР. При досить великій амплітуді 1т проекції М z = М х "=М у" = 0 (насичення ЯМР). Тому при безперервній дії поля 1 його амплітуда повинна бути дуже малою, щоб зберегти незмінними вихідні умови спостереження.
В імпульсному ЯМР величина В 1 навпаки вибирається настільки великий, щоб за час t і Т 2 відхилити в системі координат M, що обертається, від осі z на кут . При = 90° імпульс називають 90°-ним (/2-імпульс); під його впливом ядерної намагніченості виявляється в площині х"у", тобто після закінчення імпульсу M y" починає спадати по амплітуді з часом Т 2 завдяки розбіжності по фазі складових його елементарних (спін-спінова ). рівноважної ядерної намагніченості М z відбувається з часом спін-решіткової T 1 .
Важливою особливістю системи координат, що обертається, є відмінність резонансних частот в ній і в нерухомій системі координат: якщо B 1 В лок (статич. локальне поле), то М прецесує в системі координат, що обертається, відносно поля При точному налаштуванні в резонанс частота ЯМР в системі координат, що обертається дозволяє істотно розширити можливості ЯМР щодо повільних процесів у в-ве.

Хім. обмін та спектри ЯМР(Динаміч. ЯМР). Параметрами двопозиційного обміну А В служать часи перебування та ймовірності перебування іПри низькій т-ре спектр ЯМР складається з двох вузьких ліній, що віддаляються на Гц; потім при зменшенні лінії починають поширюватися, залишаючись на своїх місцях. Коли частота обміну починає перевищувати вихідну відстань між лініями, лінії починають зближуватися, а при 10-кратному перевищенні утворюється одна широка лінія в центрі інтервалу (v A, v B), якщо При подальшому зростанні т-ри ця об'єднана лінія стає вузькою. Зіставлення експерим. спектра з розрахунковим дозволяє кожної т-ры вказати точну частоту хім. обміну, за цими даними обчислюють термодинамічні. Показники процесу. При багатопозиційному обміні у складному спектрі ЯМР теоретич. спектр отримують із квантовоміх. розрахунку. Динаміч. ЯМР - один із осн. методів вивчення стереохім. нежорсткості, конформаційних тощо.

Обертання під магічним кутом.Вираз для потенціалу диполь-дипольного взаємод. містить множники де - кут між 0 і міжядерним r ij . При = arccos 3 -1/2 = 54°44" ("магічний" кут) ці множники звертаються в нуль, тобто зникають відповідні вклади в ширину лінії. Якщо закрутити твердий зразок з дуже великою швидкістю навколо осі, нахиленої під магіч . кутом до В 0 , то можна отримати спектри високого дозволу з майже настільки ж вузькими лініями, як в .

Широкі лінії у .З жорсткими гратами форма лінії ЯМР обумовлена ​​статич. розподілом локальних магн. полів. Всі ядра решітки, за винятком , в трансляційно-інваріантному обсязі V 0 навколо ядра, що розглядається, дають гауссово розподіл g(v) = exp(-v 2 /2a 2), де v - відстань від центру лінії; ширина гауссіани а обернено пропорційна середньому геом. обсягів V 0 і V 1, причому V 1 характеризує середню по всьому магн. ядер. Всередині V0 магн. ядер більше середньої, і ближні ядра завдяки диполь-дипольному взаємод. та хім. зсувів створюють спектр, обмежений на інтервалі (-b, b), де b приблизно вдвічі більше а. У першому наближенні спектр можна вважати прямокутником, тоді фур'є-образ лінії, тобто відгук спин-системи на 90° імпульс буде

Ядерно-магнітний резонанс (ЯМР) – найбезпечніший діагностичний метод

Дякую

Сайт надає довідкову інформацію виключно для ознайомлення. Діагностику та лікування захворювань потрібно проходити під наглядом фахівця. Усі препарати мають протипоказання. Консультація фахівця є обов'язковою!

Загальні відомості

Застосування економіки та науці

Суть методу

Якщо ж раптово змінити напрямок поля, молекула води виділяє частинку електрики. Саме ці заряди фіксуються датчиками приладу та аналізуються комп'ютером. За інтенсивністю концентрації води в клітинах комп'ютер створює модель того органу або частини тіла, яка вивчається.

На виході лікар має монохромне зображення, на якому можна побачити тонкі зрізи органу у найдрібніших подробицях. За ступенем інформативності цей метод значно перевищує комп'ютерну томографію. Іноді деталей про досліджуваний орган видається навіть більше, ніж потрібно для діагностики.

Види магнітно-резонансної спектроскопії

• Біологічних рідин,
• внутрішніх органів.

Методика магнітно-резонансної перфузії дає можливість проконтролювати рух крові через тканини печінки та головного мозку.

На сьогоднішній день у медицині ширше використовується назва МРТ (Магнітно-резонансна томографія ), оскільки згадка ядерної реакції у назві лякає пацієнтів.

Показання

Протипоказання

Відносні протипоказання:
1. Стимулятори нервової системи
2. Інсулінові насоси,
3. Інші види внутрішніх вушних протезів,
4. Протези серцевих клапанів
5. Кровозупинні затискачі на інших органах,
6. Вагітність ( необхідно отримати висновок гінеколога),
7. Серцева недостатність у стадії декомпенсації,
8. Клаустрофобія ( страх замкнутого простору).

Підготовка до дослідження

Як проводиться дослідження?

Прилад є широкою трубою, в яку поміщають пацієнта в горизонтальному положенні. Пацієнт повинен зберігати повну нерухомість, інакше зображення не вийде досить чітким. Усередині труби не темно і є вентиляція припливу, так що умови для проходження процедури досить комфортні. Деякі установки здійснює відчутний гул, тоді досліджуваному обличчю надягають шумопоглинаючі навушники.

Тривалість обстеження може становити від 15 до 60 хвилин.
У деяких медичних центрах дозволяється, щоб у приміщенні, де проводиться дослідження, разом з пацієнтом знаходився його родич або супроводжуючий ( якщо у нього немає протипоказань).

У деяких медичних центрах анестезіолог проводить запровадження заспокійливих препаратів. Процедура в такому випадку переноситься набагато легше, особливо це стосується хворих, які страждають на клаустрофобію, маленьких дітей або пацієнтів, яким з якихось причин важко перебувати в нерухомому стані. Пацієнт впадає у стан лікувального сну і виходить із нього відпочилим і бадьорим. Препарати, що використовуються, швидко виводяться з організму і безпечні для пацієнта.

Результат обстеження готовий вже за 30 хвилин після закінчення процедури. Результат видається у вигляді DVD-диску, висновків лікаря та знімків.

Використання контрастної речовини при ЯМР

Протипоказання до використання контрастної речовини:

• Вагітність,
• Індивідуальна нестерпність компонентів контрастної речовини, виявлена ​​раніше.

Дослідження судин (магнітно-резонансна ангіографія)

Показання:

• Вроджені вади серця
• Аневризм , розшарування її,
• Стеноз судин,

Дослідження головного мозку

• основні судини шиї,
• кровоносні судини, які живлять головний мозок,
• тканини головного мозку,
• орбіти очних ямок,
• більш глибоко перебувають частини головного мозку ( мозок, епіфіз, гіпофіз, довгастий та проміжний відділи).

Функціональна ЯМР

Дослідження хребта

Можна обстежити весь хребет, а можна тільки відділ, що турбує: шийний, грудний, попереково-крижовий, а також окремо куприк. Так, при обстеженні шийного відділу можна виявити патології судин та хребців, що впливають на кровопостачання головного мозку.
При обстеженні поперекового відділу можна виявити міжхребцеві грижі, кісткові та хрящові шипи, а також утиски нервів.

Показання:

• Зміна форми міжхребцевих дисків, у тому числі грижі,
• Травми спини та хребта,
• Остеохондроз, дистрофічні та запальні процеси в кістках,
• Новоутворення.

Дослідження спинного мозку

Показання:

• Ймовірність новоутворень спинного мозку, осередкове ураження,
• Для контролю над заповненням спинномозкової рідиною порожнин спинного мозку,
• Кісти спинного мозку,
• Для контролю за відновленням після операцій,
• За ймовірності захворювань спинного мозку.

Дослідження суглобів

Використовується для діагностики:

• Хронічних артритів
• Травм сухожилля, м'язів і зв'язок ( особливо часто використовується у спортивній медицині),
• Переломів,
• Новоутворень м'яких тканин та кісток,
• Ушкоджень, які не виявляються іншими методами діагностики.

• Обстеження кульшових суглобів при остеомієліті, некрозі головки стегнової кістки, стресовому переломі, артриті септичного характеру,
• Обстеження колінних суглобів при стресових переломах, порушення цілісності деяких внутрішніх складових ( менісків, хрящів),
• Обстеження суглоба плеча при вивихах, утиску нервів, розриві капсули суглоба,
• Обстеження променево-зап'ясткового суглоба при порушенні стабільності, множинних переломах, утиску серединного нерва, пошкодженні зв'язок.

Дослідження скронево-нижньощелепного суглоба

Показання:

• Порушення рухливості нижньої щелепи,
• Натискання при відкриванні – закриванні рота,
• Болі у скроні при відкриванні – закриванні рота,
• Біль при промацуванні жувальної мускулатури,
• Біль у м'язах шиї та голови.

Дослідження внутрішніх органів черевної порожнини

• Неінфекційної жовтяниці
• Можливості новоутворення печінки, переродження, абсцесу, кіст, при цирозі,
• Як контроль над перебігом лікування,
• При травматичних розривах,
• Камені в жовчному міхурі або жовчних протоках,
• Панкреатите будь-якої форми,
• Можливості новоутворень,
• Ішемії органів паренхіми.

Обстеження нирок призначається при:

• Підозрі на новоутворення,
• Захворювання органів і тканин, що знаходяться біля нирок,
• Ймовірності порушення формування органів сечовиведення,
• У разі неможливості проведення екскреторної урографії.

Дослідження при захворюваннях системи відтворення

• Можливості новоутворення матки, сечового міхура, простати,
• травм,
• Новоутворення малого тазу для виявлення метастазів,
• Болях в області крижів,
• Везикуліть,
• Для дослідження стану лімфатичних вузлів.

За годину до дослідження небажано мочитися, оскільки зображення буде більш інформативним, якщо сечовий міхур дещо заповнений.

Дослідження під час вагітності

Запобіжні заходи

2. У приміщення, де знаходиться прилад, заборонено входити з металевими предметами та електронними приладами ( наприклад, годинником, прикрасами, ключами), оскільки в потужному електромагнітному полі електронні прилади можуть зламатися, а дрібні металеві предмети розлітатимуться. Водночас будуть отримані не зовсім коректні дані обстеження.

У цьому розділі, як і в попередній, розглядаються явища, пов'язані з випромінюванням та поглинанням енергії атомами та молекулами.

Магнітний резонанс - вибіркове поглинання електромагнітних хвиль речовиною, поміщеною в магнітне поле.

§ 25.1. Розщеплення енергетичних рівнів атомів у магнітному полі

У § 13.1, 13.2 було показано, що на контур із струмом, поміщений у магнітне поле, діє момент сили. При стійкому рівновазі контуру його магнітний момент збігається із напрямом вектора магнітної індукції. Таке становище займає контур із струмом, наданий самому собі. Істотно інакше орієнтуються в магнітному полі магнітні моменти частинок. Розглянемо це питання з позиції квантової механіки.

У § 23.6 зазначалося, що проекція моменту імпульсу електрона на певний напрямок набуває дискретних значень. Щоб виявити ці проекції, необхідно якось виділити напрямок Z.Один із найбільш поширених способів - завдання магнітного поля, у цьому випадку визначають проекцію орбітального моменту імпульсу [див. (23.26)], проекцію спина (23.27), проекцію повного моменту імпульсу електрона [див. (23.30)] та проекцію моменту імпульсу атома L Az[див. (23.37)] на напрямок вектора магнітної індукції Ст.

Зв'язок між моментом імпульсу та магнітним моментом (13.30) та (13.31) дозволяє використовувати перелічені формули для знаходження дискретних проекцій відповідного магнітного моменту на напрям вектора Ст.Отже, на відміну класичних уявлень, магнітні моменти частинок орієнтуються щодо магнітного поля під деякими певними кутами.

Для атома, наприклад, (23.37) отримуємо наступні значення проекцій магнітного моменту р тгна напрямок вектора магнітної індукції:

де магнетон Бора(див. § 13.1), т -маса електрона, m j- магнітне квантове число, g- множник Ланде(g-фактор) (див. § 13.4), для заданого рівня енергії атома він залежить від квантових чисел L, J, S.Знак «-» (25.1) обумовлений негативним зарядом електрона.

Енергія атома в магнітному полі з урахуванням того, що відсутність поля енергія атома дорівнює Е о,визначається формулою

Оскільки магнітне квантове число mj[див. (23.37)] може приймати 2 J+ 1 значень від +Jдо -J,то з (25.2) випливає, що кожен енергетичний рівень при поміщенні атома в магнітне поле розщеплюється на 2J+1 підрівнів. Це схематично показано на рис. 25.1 для J= 1/2. Різниця енергій між сусідніми

підрівнями дорівнює

Розщеплення енергетичних рівнів призводить до розщеплення спектральних ліній атомів, поміщених у магнітне поле. Це явище називають ефектом Зеємана.

Запишемо вираз (25.2) для двох підрівнів E 1і Е 2 ,утворених при накладенні магнітного поля:

де Е 01і Е 02- енергетичні рівні атома без магнітного поля. Використовуючи (23.31) і (25.4), отримуємо вираз для випромінюваних атомом частот:

Частота спектральної лінії без магнітного поля;

Розщеплення спектральної лінії у магнітному полі. З (25.7) видно, що Av залежить від магнітного квантового числа, множника Ланде та магнітної індукції поля. Якщо g 1= g 2 = g,то

Відповідно до правил відбору для магнітного квантового числа, маємо

Це відповідає трьом можливим частотам: n 0 + gm B B/h, n 0 , n 0 - gm B B/h,т. е. у магнітному полі спектральна лінія розщеплюється і перетворюється на триплет (рис. 25.2). Таке розщеплення називається нормальним або простим ефектом Зеємана. Він спостерігається в сильних магнітних полях або при g 1= g 2 .

У слабких магнітних полях при g 1 ¹ g 2існує аномальний ефект Зеємана, і розщеплення спектральних ліній значно складніше.

§ 25.2. Електронний парамагнітний резонанс та його медико-біологічні застосування

У атома, поміщеного в магнітне поле, спонтанні переходи між підрівнями того самого рівня малоймовірні. Однак такі переходи здійснюються індуковано під впливом зовнішнього електромагнітного поля. Необхідною умовою є збіг частоти електромагнітного поля з частотою фотона, що відповідає різниці енергій між розщепленими підрівнями. При цьому можна спостерігати поглинання енергії електромагнітного поля, яке називають магнітним резонансом.

Залежно від типу частинок – носіїв магнітного моменту – розрізняють електронний парамагнітний резонанс (ЕПР)і ядерний магнітний резонанс (ЯМР).

ЕПР відбувається в речовинах, що містять парамагнітні частинки: молекули, атоми, іони, радикали, що мають магнітний момент, зумовлений електронами. Виникаючий при цьому явище Зеемана пояснюють розщепленням електронних рівнів (звідси назва резонансу - «електронний»). Найбільш поширений ЕПР на частинках з суто спиновим магнітним моментом (у зарубіжній літературі такий різновид ЕПР іноді називають електронним спіновим резонансом).

ЕПР було відкрито Є. П. Завойським у 1944 р. У перших дослідах спостерігалося резонансне поглинання в солях іонів групи заліза. Завойському вдалося вивчити низку закономірностей цього явища.

З виразів (23.31) та (25.3) отримуємо наступну умову резонансного поглинання енергії:

Магнітний резонанс спостерігається, якщо на частинку одночасно діють постійне поле індукції рез і електромагнітне поле з частотою v. З умови (25.9) відомо, що виявити резонансне поглинання можна двома шляхами: або за постійної частоті плавно змінювати магнітну індукцію, або за постійної магнітної індукції плавно змінювати частоту. Технічно зручнішим виявляється перший варіант.

На рис. 25.3 показано розщеплення енергетичного рівня електрона (а) та зміну потужності Релектромагнітної хвилі, що пройшла зразок, залежно від індукції магнітного поля (Б).За умови (25.9) виникає ЕПР.

Форма та інтенсивність спектральних ліній, що спостерігаються в ЕПР, визначаються взаємодією магнітних моментів електронів, зокрема спінових, один з одним, з ґратами твердого тіла тощо. З'ясуємо, як ці фактори впливають на характер спектрів.

Припустимо, що умова (25.9) виконується. Для поглинання енергії необхідно, щоб атоми речовини мали велику населеність нижніх підрівнів, ніж верхніх. В іншому випадку, переважатиме індуковане випромінювання енергії.

При електронному парамагнітному резонансі поряд із поглинанням енергії та збільшенням населеності верхніх підрівнів відбувається і зворотний процес – безвипромінювальні переходи на нижні підрівні, енергія частки передається ґратам.

Процес передачі енергії частинок решітці називають спін-решітковою релаксацією,він характеризується часом т. По співвідношенню Гейзенберга (23.11) це призводить до розширення рівня.

Таким чином, резонансне поглинання викликається не точно при одному значенні В, а вдеякому інтервалі DВ(Рис. 25.4). Замість нескінченно вузької лінії поглинання буде лінія кінцевої ширини: чим менше час спін-решіткової релаксації, тим більша ширина лінії (t 1< t 2 відповідно криві 1 і 2 на рис. 25.4).

Поширення ліній ЕПР залежить також від взаємодії спинів електронів (спін-спінова взаємодія) та інших взаємодій парамагнітних частинок. Різні типи взаємодії впливають як на ширину лінії поглинання, а й у її форму.

Поглинена при ЕПР енергія, тобто інтегральна (сумарна) інтенсивність лінії, за певних умов пропорційна числу парамагнітних частинок. Звідси випливає, що з виміряної інтегральної інтенсивності можна будувати висновки про концентрації цих частинок.

Важливими параметрами, що характеризують синглетну (одиночну) лінію поглинання є n pe з, У рез, g(положення точки резонансу), які відповідають умові (25.9). При постійній частоті значення У різзалежить від g-фактору. У найпростішому випадку g-фактор дозволяє визначити характер магнетизму системи (спіновий чи орбітальний). Якщо ж електрон пов'язаний з атомом, що входить до складу твердої кристалічної решітки або якоїсь молекулярної системи, то на нього впливатимуть сильні внутрішні поля. Вимірюючи g-фактор, можна отримати інформацію про поля та внутрішньомолекулярні зв'язки.

Однак якби при дослідженні виходила лише синглетна лінія поглинання, багато додатків магнітних резонансних методів були б неможливі. Більшість додатків, у тому числі медико-біологічних, базується на аналізі групи ліній. Наявність у спектрі ЕПР групи близьких ліній умовно називають розщепленням.Є два характерні типи розщеплення для спектру ЕПР.

Перше - електронне розщеплення- виникає в тих випадках, коли молекула або атом мають не один, а кілька електронів, що викликають ЕПР. Друге - надтонке розщеплення- спостерігається при взаємодії електронів із магнітним моментом ядра.

Сучасна методика виміру ЕПР ґрунтується на визначенні зміни будь-якого параметра системи, що відбувається при поглинанні електромагнітної енергії.

Прилад, який використовується для цієї мети називають ЕПР-спектрометр.Він складається з наступних основних частин (рис. 25.5): 1 - електромагніт, що створює сильне однорідне магнітне поле, індукція якого може змінюватися плавно; 2 - генератор НВЧ-випромінювання електромагнітного поля; 3 - Спеціальна

«поглинаюча комірка», яка концентрує падаюче НВЧ-випромінювання на зразку і дозволяє виявити поглинання енергії зразком (об'ємний резонатор); 4 - електронна схема, що забезпечує спостереження чи запис спектрів ЕПР; 5 - зразок; 6 - Осцилограф.

У сучасних ЕПР-спектрометрах використовують частоту близько 10 ГГц (довжина хвилі 0,03 м). Це означає відповідно (25.9), що максимум ЕПР поглинання для g = 2 спостерігається при У= 0, ЗТл.

Практично на ЕПР-спектрометрах реєструють не криву поглинання енергії (рис. 25.6 а), а її похідну (рис. 25.6, б).Одне з медико-біологічних застосувань методу ЕПР полягає у виявленні та дослідженні вільних радикалів. Так, наприклад, спектри ЕПР опромінених білків дозволили пояснити механізм утворення вільних радикалів та у зв'язку з цим простежити зміни первинних та вторинних продуктів радіаційного ураження.

ЕПР широко використовують із вивчення фотохімічних процесів, зокрема фотосинтезу. Досліджують канцерогенну активність деяких речовин.

З санітарно-гігієнічною метою метод ЕПР використовують визначення концентрації радикалів у повітряному середовищі.

Порівняно недавно спеціально для вивчення біологічних молекул був запропонований метод спін-міток, сутність якого полягає в тому, що з молекулою об'єкта, що досліджується, зв'язується парамагнітне з'єднання з добре відомою структурою. За спектрами ЕПР знаходять положення такої спін-мітки в молекулі. Вводячи мітки в різні частини молекул, можна встановити розташування різних груп атомів, їх взаємодії, вивчати природу та орієнтацію хімічних зв'язків та виявляти молекулярний рух. Приєднання до молекули не однієї, а кількох спін-міток, наприклад двох, дозволяє отримати відомості про відстані мічених груп та їх взаємну орієнтацію.

Використовуються також і спінові зонди – парамагнітні частки, які нековалентно пов'язані з молекулами. Зміна ЕПР-спектру спінових зондів дає інформацію про стан навколишніх молекул. На рис. 25.7 показані ЕПР-спектри нітроксильного радикала, який як спіновий зонд поміщений у гліцерин. Зі збільшенням температури зменшується в'язкість гліцерину, і це змінює вигляд спектру ЕПР. Таким чином, формою спектра ЕПР можна визначити мікров'язкість - в'язкість найближчого оточення спинового зонда. Так, зокрема, вдається визначити мікров'язкість ліпідного шару мембран (див. § 11.2).

Загалом дослідження біологічних об'єктів методом ЕПР мають широку сферу застосувань.

§ 25.3. Ядерний магнітний резонанс. ЯМР-інтроскопія (магніто-резонансна томографія)

Ядерний магнітний резонанс не відноситься до поділу фізики атомів і молекул, проте розглядається в одному розділі з ЕПР як явище магнітного резонансу.

Магнітний момент ядер сумується з магнітних моментів нуклонів. Зазвичай цей момент виражають у ядерних магнетонах (m я); m я = 5,05 10 -27 А м2. Магнітний момент протона приблизно дорівнює р mp= 2,79 м я, а нейтрон р тп= -1,91 м я. Знак "-" означає, що магнітний момент нейтрону орієнтований протилежно спину.

Наведемо магнітні моменти ртядеяких ядер, виражених у ядерних магнетонах.

Таблиця 32

Магнітний момент ядра, вміщеного в магнітне поле, може приймати лише дискретну орієнтацію. Це означає, що енергії ядра відповідатимуть підрівні, відстань між якими залежить від індукції магнітного поля.

Якщо цих умовах на ядро ​​впливати електромагнітним полем, можна викликати переходи між подуровнями. Щоб здійснити ці переходи, а також поглинання енергії електромагнітного поля необхідно виконання умови, аналогічної (25.9):

де g я - ядерний множник Ланде.

Виборче поглинання електромагнітних хвиль певної частоти речовиною у постійному магнітному полі, зумовлене переорієнтацією магнітних моментів ядер, називають ядерним магнітним резонансом.

ЯМР можна спостерігати за умови (25.10) лише вільних атомних ядер. Експериментальні значення резонансних частот ядер, що у атомах і молекулах, не відповідають (25.10). При цьому відбувається «хімічне зрушення», яке виникає внаслідок впливу локального (місцевого) магнітного поля, створюваного всередині атома електронними струмами. iіндукованим зовнішнім магнітним полем. Внаслідок такого «діамагнітного ефекту» виникає додаткове магнітне поле, індукція якого пропорційна індукції зовнішнього магнітного поля, але протилежна йому за напрямом. Тому повне ефективне магнітне поле, що діє на ядро, характеризується індукцією

де s - стала екранування, по порядку величини дорівнює 10 -6 і залежить від електронного оточення ядер.

Звідси випливає, що з даного типу ядер, що у різних оточеннях (різні молекули чи різні, не еквівалентні місця однієї й тієї молекули), резонанс спостерігається за різних частотах. Це визначає хімічний зрушення. Він залежить від природи хімічного зв'язку, електронної будови молекул, концентрації даної речовини, типу розчинника, температури тощо.

Якщо два або кілька ядер в молекулі екрановані по-різному, тобто ядра в молекулі займають хімічно не еквівалентні положення, вони мають різний хімічний зсув. Спектр ЯМР такої молекули містить стільки резонансних ліній, скільки хімічно не еквівалентних груп ядер цього типу в ній є. Інтенсивність кожної лінії пропорційна числу ядер у цій групі.

У спектрах ЯМР розрізняють два типи ліній з їхньої ширині. Спектри твердих тіл мають велику ширину, і цю сферу застосування ЯМР називають ЯМР широких ліній.У рідинах спостерігають вузькі лінії, і це називають ЯМР високої роздільної здатності.

На рис. 25.8 зображені криві ядерного магнітного резонансу для твердих тіл (а) та рідин (Б).Гострота піку в рідинах обумовлена ​​наступним. Кожне ядро ​​взаємодіє зі своїми сусідами. Так як орієнтація ядерних магнітних моментів, що оточують ядро ​​даного типу, змінюється від точки до точки в речовині, то повне магнітне поле, що діє різні однотипні ядра, також змінюється. Це означає, що для всієї сукупності ядер область резонансу повинна бути широкою лінією. Однак через швидкі переміщення молекул в рідині локальні магнітні поля недовговічні. Це призводить до того, що ядра рідини знаходяться під впливом того самого середнього поля, тому лінія резонансу є різкою.

Для хімічних сполук, у яких спостерігається ЯМР ядер, які займають хімічно еквівалентні місця у молекулі, спостерігається одиночна лінія. Сполуки складнішої будови дають спектри з багатьох ліній.

По хімічному зрушенню, числу та положенню спектральних ліній можна встановити структуру молекул.

Хіміки та біохіміки широко використовують метод ЯМР для дослідження структури від найпростіших молекул неорганічних речовин до найскладніших молекул живих об'єктів, а також при вирішенні багатьох завдань, пов'язаних з перебігом хімічних реакцій, вивченням структур вихідних речовин та продуктів, що виходять в результаті. Однією з переваг цього аналізу і те, що не руйнує об'єктів дослідження, як і відбувається, наприклад, при хімічному аналізі.

Дуже цікаві можливості для медицини можуть дати визначення параметрів спектра ЯМР у багатьох точках зразка. Поступово, пошарово проходячи весь зразок (скануючи), можна отримати повне уявлення про просторовий розподіл молекул, які містять, наприклад, атоми водню або фосфору (при магнітному резонансі від протонів або ядер фосфору відповідно).

Все це здійснюється без руйнування зразка і тому можна проводити дослідження на живих об'єктах. Такий метод називають ЯМР-інтроскопією(про інтроскопію див. § 19.8) або магніто-резонансної томографією (МРТ). Він дозволяє розрізняти кістки, судини, нормальні тканини та тканини зі злоякісною патологією. ЯМР-інтроскопія дозволяє розрізняти зображення м'яких тканин, наприклад, відрізняє зображення сірої речовини мозку від білого, пухлинних клітин від здорових, мінімальні розміри патологічних «включень» можуть становити частки міліметра. Очікується, що ЯМР-інтроскопія стане ефективним методом діагностики захворювань, пов'язаних із зміною станів органів і тканин.

Частота електромагнітних хвиль, що викликають переходи між енергетичними станами при ЕПР та ЯМР, відповідає радіодіапазону. Тому обидва ці явища відносяться до радіоспектроскопії.

1. Суть явища

   Насамперед, слід зазначити, що хоча в назві цього явища є слово «ядерний», до ядерної фізики ЯМР жодного відношення не має і з радіоактивністю ніяк не пов'язаний. Якщо говорити про суворий опис, то без законів квантової механіки не обійтися. Згідно з цими законами, енергія взаємодії магнітного ядра із зовнішнім магнітним полем може набувати лише кількох дискретних значень. Якщо опромінювати магнітні ядра змінним магнітним полем, частота якого відповідає різниці між цими дискретними енергетичними рівнями, вираженої в частотних одиницях, магнітні ядра починають переходити з одного рівня на інший, при цьому поглинаючи енергію змінного поля. У цьому полягає явище магнітного резонансу. Це пояснення формально правильне, але дуже наочне. Є інше пояснення без квантової механіки. Магнітне ядро ​​можна уявити як електрично заряджену кульку, що обертається навколо своєї осі (хоча, строго кажучи, це не так). Відповідно до законів електродинаміки, обертання заряду призводить до появи магнітного поля, тобто магнітного моменту ядра, спрямованого вздовж осі обертання. Якщо цей магнітний момент помістити в постійне зовнішнє поле, вектор цього моменту починає прецесувати, тобто обертатися навколо напрямку зовнішнього поля. Так само прецесує (обертається) навколо вертикалі вісь юли, якщо її розкрутити не строго вертикально, а під деяким кутом. І тут роль магнітного поля грає сила гравітації.

   Частота прецесії визначається як властивостями ядра, так і силою магнітного поля: чим сильніше поле, тим вища частота. Потім, якщо крім постійного зовнішнього магнітного поля на ядро ​​буде впливати змінне магнітне поле, то ядро ​​починає взаємодіяти з цим полем - воно ніби сильніше розгойдує ядро, амплітуда прецесії збільшується, і ядро ​​поглинає енергію змінного поля. Однак це відбуватиметься лише за умови резонансу, тобто збігу частоти прецесії та частоти зовнішнього змінного поля. Це схоже на класичний приклад зі шкільної фізики - солдати, що марширують мостом. Якщо частота кроку збігається з частотою своїх коливань моста, то міст розгойдується все сильніше і сильніше. Експериментально це явище проявляється залежно від поглинання змінного поля від його частоти. У момент резонансу поглинання різко зростає, а найпростіший спектр магнітного резонансу виглядає так:

   

2. Фур'є-спектроскопія

   Перші ЯМР-спектрометри працювали саме так, як описано вище - зразок поміщався у постійне магнітне поле, і на нього безперервно подавалося радіочастотне випромінювання. Потім плавно змінювалася частота змінного поля, або напруженість постійного магнітного поля. Поглинання енергії змінного поля реєструвалося радіочастотним мостом, сигнал якого виводився на самописець чи осцилограф. Але цей спосіб реєстрації сигналу вже давно не застосовується. У сучасних ЯМР-спектрометрах спектр записується за допомогою імпульсів. Магнітні моменти ядер збуджуються коротким потужним імпульсом, після якого реєструється сигнал, що наводиться в РЧ-котуні магнітними моментами, що вільно прецесують. Цей сигнал поступово спадає нанівець у міру повернення магнітних моментів у стан рівноваги (цей процес називається магнітною релаксацією). Спектр ЯМР виходить із цього сигналу за допомогою Фур'є-перетворення. Це стандартна математична процедура, що дозволяє розкладати будь-який сигнал на частотні гармоніки і таким чином одержувати частотний спектр цього сигналу. Цей спосіб запису спектра дозволяє значно знизити рівень шумів та проводити експерименти набагато швидше.

   

   Один збудливий імпульс для запису спектра - це найпростіший ЯМР-експеримент. Проте таких імпульсів, різної тривалості, амплітуди, з різними затримками з-поміж них тощо, в експерименті може бути багато, залежно від цього, які саме маніпуляції досліднику треба з системою ядерних магнітних моментів. Тим не менш, практично всі ці імпульсні послідовності закінчуються тим самим - записом сигналу вільної прецесії з подальшим Фур'є-перетворенням.

3. Магнітні взаємодії у речовині

   Сам собою магнітний резонанс залишився не більше ніж цікавим фізичним явищем, якби магнітні взаємодії ядер друг з одним і з електронною оболонкою молекули. Ці взаємодії впливають на параметри резонансу, і з їх допомогою методом ЯМР можна отримувати різноманітну інформацію про властивості молекул - їх орієнтацію, просторову структуру (конформацію), міжмолекулярні взаємодії, хімічний обмін, обертальну і трансляційну динаміку. Завдяки цьому ЯМР перетворився на дуже потужний інструмент дослідження речовин на молекулярному рівні, який широко застосовується не тільки у фізиці, але головним чином у хімії та молекулярній біології. Як приклад однієї з таких взаємодій можна навести так званий хімічний зсув. Суть його в наступному: електронна оболонка молекули відгукується на зовнішнє магнітне поле та намагається його екранувати – часткове екранування магнітного поля відбувається у всіх діамагнітних речовинах. Це означає, що магнітне поле в молекулі відрізнятиметься від зовнішнього магнітного поля на дуже невелику величину, яка називається хімічним зрушенням. Проте властивості електронної оболонки у різних частинах молекули різні, і хімічний зсув теж різний. Відповідно, умови резонансу для ядер у різних частинах молекули теж відрізнятимуться. Це дозволяє розрізняти у спектрі хімічно нееквівалентні ядра. Наприклад, якщо ми візьмемо спектр ядер водню (протонів) чистої води, то в ньому буде лише одна лінія, оскільки обидва протони в молекулі H 2 O абсолютно однакові. Але для метилового спирту СН 3 ВІН у діапазоні буде вже дві лінії (якщо нехтувати іншими магнітними взаємодіями), оскільки тут є два типи протонів - протони метильної групи СН 3 і протон, пов'язаний з атомом кисню. У міру ускладнення молекул число ліній збільшуватиметься, і якщо ми візьмемо таку велику і складну молекулу, як білок, то в цьому випадку спектр виглядатиме приблизно так:

   

4. Магнітні ядра

   ЯМР можна спостерігати на різних ядрах, але треба сказати, що не всі ядра мають магнітний момент. Часто буває так, що деякі ізотопи мають магнітний момент, а інші ізотопи того самого ядра - ні. Усього існує понад сотня ізотопів різних хімічних елементів, що мають магнітні ядра, проте в дослідженнях зазвичай використовується не більше 1520 магнітних ядер, все інше – екзотика. Для кожного ядра є своє характерне співвідношення магнітного поля та частоти прецесії, що називається гіромагнітним ставленням. Для всіх ядер ці відносини відомі. За ними можна підібрати частоту, де при цьому магнітному полі спостерігатиметься сигнал від необхідних досліднику ядер.

   Найважливіші для ЯМР ядра – це протони. Їх найбільше у природі, і вони мають дуже високу чутливість. Для хімії та біології дуже важливі ядра вуглецю, азоту та кисню, але з ними вченим не дуже пощастило: найбільш поширені ізотопи вуглецю та кисню, 12 С та 16 О, магнітного моменту не мають, у природного ізотопу азоту 14 N момент є, але він з низки причин для експериментів дуже незручний. Існують ізотопи 13 С, 15 N і 17 О, які підходять для ЯМР-експериментів, але їх природний вміст дуже низький, а чутливість дуже маленька в порівнянні з протонами. Тому часто для ЯМР-досліджень готують спеціальні ізотопно-збагачені зразки, у яких природний ізотоп того чи іншого ядра заміщений на той, який потрібний для експериментів. У більшості випадків ця процедура дуже непроста та недешева, але іноді це єдина можливість отримати необхідну інформацію.

5. Електронний парамагнітний та квадрупольний резонанс

   Говорячи про ЯМР, не можна не згадати про два інші споріднені фізичні явища - електронний парамагнітний резонанс (ЕПР) і ядерний квадрупольний резонанс (ЯКР). ЕПР за своєю суттю подібний до ЯМР, різниця полягає в тому, що резонанс спостерігається на магнітних моментах не атомних ядер, а електронної оболонки атома. ЕПР може спостерігатися тільки в тих молекулах чи хімічних групах, електронна оболонка яких містить так званий неспарений електрон, тоді оболонка має ненульовий магнітний момент. Такі речовини називаються парамагнетиками. ЕПР, як і ЯМР, також застосовується для досліджень різних структурно-динамічних властивостей речовин на молекулярному рівні, але його сфера використання істотно вже. Це пов'язано з тим, більшість молекул, особливо у живої природі, немає неспарених електронів. У деяких випадках можна використовувати так званий парамагнітний зонд, тобто хімічну групу з неспареним електроном, яка зв'язується з молекулою, що досліджується. Але такий підхід має очевидні недоліки, які обмежують можливості цього. Крім того, в ЕПР немає такого високого спектрального дозволу (тобто можливості відрізнити в спектрі одну лінію від іншої), як ЯМР.

   Пояснити «на пальцях» природу ЯКР найважче. Деякі ядра мають так званий електричний квадрупольний момент. Цей момент характеризує відхилення розподілу електричного заряду ядра від сферичної симетрії. Взаємодія цього з градієнтом електричного поля, створюваного кристалічної структурою речовини, призводить до розщеплення енергетичних рівнів ядра. У цьому випадку можна спостерігати резонанс на частоті, що відповідає переходам між цими рівнями. На відміну від ЯМР та ЕПР, для ЯКР не потрібно зовнішнього магнітного поля, оскільки розщеплення рівнів відбувається без нього. ЯКР також використовується для дослідження речовин, але сфера його застосування ще вже, ніж у ЕПР.

6. Переваги та недоліки ЯМР

   

   ЯМР - найпотужніший та інформативний метод дослідження молекул. Строго кажучи, це не один метод, це велика кількість різноманітних типів експериментів, тобто імпульсних послідовностей. Хоча всі вони ґрунтуються на явищі ЯМР, але кожен із цих експериментів призначений для отримання якоїсь конкретної специфічної інформації. Число цих експериментів вимірюється багатьма десятками, а то й сотнями. Теоретично ЯМР може якщо не все, то майже все, що можуть всі інші експериментальні методи дослідження структури та динаміки молекул, хоча практично це можна здійснити, звичайно, далеко не завжди. Одна з основних переваг ЯМР у тому, що, з одного боку, його природні зонди, тобто магнітні ядра, розподілені по всій молекулі, а з іншого боку, він дозволяє відрізнити ці ядра один від одного і отримувати просторово-селективні дані про властивості молекули. Майже решта методів дають інформацію або усереднену по всій молекулі, або тільки про якусь одну її частину.

   Основних недоліків у ЯМР два. По-перше, це низька чутливість порівняно з більшістю інших експериментальних методів (оптична спектроскопія, флюоресценція, ЕПР тощо). Це призводить до того, що для усереднення шумів сигнал потрібно накопичувати тривалий час. У деяких випадках ЯМР-експеримент може проводитися навіть протягом декількох тижнів. По-друге, це його дорожнеча. ЯМР-спектрометри – одні з найдорожчих наукових приладів, їхня вартість вимірюється як мінімум сотнями тисяч доларів, а найдорожчі спектрометри коштують кілька мільйонів. Не всі лабораторії, особливо у Росії, можуть дозволити собі мати таке наукове устаткування.

7. Магніти для ЯМР-спектрометрів

   Одна з найважливіших і найдорожчих частин спектрометра - магніт, що створює постійне магнітне поле. Чим сильніше поле, тим вище чутливість і спектральний дозвіл, тому вчені та інженери постійно намагаються отримати якомога вищі поля. Магнітне поле створюється електричним струмом в соленоїді - що сильніший струм, то більше вписувалося поле. Однак нескінченно збільшувати силу струму не можна, при дуже великому струмі дріт соленоїда просто почне плавитися. Тому вже дуже давно для високопідлогових ЯМР-спектрометрів використовуються надпровідні магніти, тобто магніти, в яких провід соленоїда знаходиться у надпровідному стані. У цьому випадку електричний опір дроту дорівнює нулю, і виділення енергії не відбувається за будь-якої величини струму. Надпровідний стан можна отримати лише за дуже низьких температур, лише кількох градусів Кельвіна, - це температура рідкого гелію. (Високотемпературна надпровідність - досі доля лише суто фундаментальних досліджень.) Саме з підтримкою такої низької температури і пов'язані всі технічні складності конструювання та виробництва магнітів, які зумовлюють їхню дорожнечу. Надпровідний магніт побудований за принципом термоса-матрешки. Соленоїд знаходиться у центрі, у вакуумній камері. Його оточує оболонка, де знаходиться рідкий гелій. Ця оболонка через вакуумний прошарок оточена оболонкою з рідкого азоту. Температура рідкого азоту - мінус 196 градусів за Цельсієм, азот потрібен для того, щоб гелій випаровувався якнайповільніше. Нарешті, азотна оболонка ізолюється від кімнатної температури зовнішнім вакуумним прошарком. Така система здатна зберігати потрібну температуру надпровідного магніту дуже довго, хоча для цього потрібно регулярно підливати в магніт рідкі азот та гелій. Перевага таких магнітів, крім можливості отримувати високі магнітні поля, також і в тому, що вони не споживають енергії: після запуску магніту струм бігає по надпровідних проводах практично без будь-яких втрат протягом багатьох років.

8. Томографія

   У звичайних ЯМР-спектрометрах магнітне поле намагаються зробити якомога одноріднішим, це потрібно для поліпшення спектрального дозволу. Але якщо магнітне поле всередині зразка, навпаки, зробити дуже неоднорідним, це відкриває нові можливості для використання ЯМР. Неоднорідність поля створюється так званими градієнтними котушками, які працюють у парі з основним магнітом. У цьому випадку величина магнітного поля в різних частинах зразка буде різною, а це означає, що сигнал ЯМР можна спостерігати не від усього зразка, як у звичайному спектрометрі, а тільки від його вузького шару, для якого дотримуються резонансні умови, тобто потрібне співвідношення магнітного поля та частоти. Змінюючи величину магнітного поля (або, що по суті те саме, частоту спостереження сигналу), можна змінювати шар, який даватиме сигнал. Таким чином, можна «просканувати» зразок по всьому об'єму і «побачити» його внутрішню тривимірну структуру, не руйнуючи зразок будь-яким механічним способом. Наразі розроблено велику кількість методик, що дозволяють вимірювати різні параметри ЯМР (спектральні характеристики, часи магнітної релаксації, швидкість самодифузії та деякі інші) з просторовим дозволом усередині зразка. Найцікавіше та важливе, з практичної точки зору, застосування ЯМР-томографії знайшлося в медицині. І тут досліджуваним «зразком» є людське тіло. ЯМР-томографія є одним з найефективніших і найбезпечніших (але також і дорогих) діагностичних засобів у різних галузях медицини, від онкології до акушерства. Цікаво зауважити, що у назві цього методу медики не вживають слова «ядерний», тому що деякі пацієнти пов'язують його з ядерними реакціями та атомною бомбою.

9. Історія відкриття

   

   Роком відкриття ЯМР вважається 1945-й, коли американці Фелікс Блох із Стенфорда і незалежно від нього Едвард Парселл та Роберт Паунд із Гарварду вперше спостерігали сигнал ЯМР на протонах. На той час було багато відомо про природі ядерного магнетизму, сам ефект ЯМР був теоретично передбачений, і було зроблено кілька спроб його експериментального спостереження. Важливо, що роком раніше у Радянському Союзі, в Казані, Євгеном Завойським було відкрито явище ЕПР. Наразі вже добре відомо, що Завойський також спостерігав і сигнал ЯМР, це було перед війною, у 1941 році. Однак у його розпорядженні був магніт низької якості з поганою однорідністю поля, результати були погано відтворювані і тому залишилися неопублікованими. Задля справедливості треба зауважити, що Завойський був не єдиним, хто спостерігав ЯМР до ​​його «офіційного» відкриття. Зокрема, американський фізик Ісідор Рабі (лауреат Нобелівської премії 1944 року за дослідження магнітних властивостей ядер в атомних і молекулярних пучках) наприкінці 30-х також спостерігав ЯМР, але вважав це апаратурним артефактом. Так чи інакше, але за нашою країною залишається пріоритет у експериментальному виявленні магнітного резонансу. Хоча сам Завойський невдовзі після війни став займатися іншими проблемами, його відкриття у розвиток науки у Казані зіграло величезну роль. Казань досі залишається одним із провідних світових наукових центрів з ЕПР-спектроскопії.

10. Нобелівські премії у галузі магнітного резонансу

    У першій половині XX століття було присуджено кілька Нобелівських премій вченим, без яких відкриття ЯМР не могло б відбутися. Серед них можна назвати Петера Зеємана, Отто Штерна, Ісідора Рабі, Вольфганга Паулі. Але безпосередньо пов'язаних із ЯМР Нобелівських премій було чотири. У 1952 році премію отримали Фелікс Блох та Едвард Парселл за відкриття ЯМР. Це єдина «ЯМР-на» Нобелівська премія з фізики. 1991 року премію з хімії отримав швейцарець Річард Ернст, який працював у знаменитій Швейцарській вищій технічній школі в Цюріху. Він був удостоєний її за розвиток методів багатовимірної ЯМР-спектроскопії, що дозволило кардинально збільшити інформативність ЯМР-експериментів. У 2002 році лауреатом премії, також з хімії, став Курт Вютріх, який працював з Ернстом у сусідніх будівлях у тій же Технічній школі. Він отримав премію за розробку методів визначення тривимірної структури білків у розчині. До цього єдиним методом, що дозволяє визначати просторову конформацію великих біомакромолекул, був лише рентгеноструктурний аналіз. Нарешті, 2003 року премію з медицини за винахід ЯМР-томографії отримали американець Поль Лаутербур та англієць Петер Мансфілд. Радянський першовідкривач ЕПР Е. К. Завойський Нобелівської премії, на жаль, не отримав.