Ista jezgra atoma u različitim sredinama u molekulu pokazuju različite NMR signale. Razlika između takvog NMR signala i signala standardna supstanca omogućava vam da odredite takozvani kemijski pomak, koji je posljedica kemijske strukture tvari koja se proučava. U NMR tehnikama postoje mnoge mogućnosti za određivanje hemijske strukture supstanci, konformacija molekula, efekata međusobnog uticaja i unutarmolekulskih transformacija.

Enciklopedijski YouTube

• 1 / 5

  Fenomen nuklearne magnetne rezonancije zasniva se na magnetskim svojstvima atomskih jezgara koje se sastoje od nukleona sa polucijelim spinom 1/2, 3/2, 5/2…. Jezgra s parnom masom i brojem naboja (parno-parna jezgra) nemaju magnetni moment.

  Ugaoni moment i magnetni moment jezgra su kvantizirani, a vlastite vrijednosti projekcije i ugaoni i magnetni momenti na z-osu proizvoljno odabranog koordinatnog sistema određene su relacijom

  J z = ℏ μ I (\displaystyle J_(z)=\hbar \mu _(I)) i μ z = γ ℏ μ I (\displaystyle \mu _(z)=\gamma \hbar \mu _(I)),

  gdje μ I (\displaystyle \mu _(I))- magnetni kvantni broj sopstvenog stanja jezgra, njegove vrednosti su određene spin kvantnim brojem jezgra

  μ I = I , I − 1 , I − 2 , . . . , − I (\displaystyle \mu _(I)=I,I-1,I-2,...,-I),

  odnosno jezgro može biti unutra 2 I + 1 (\displaystyle 2I+1) države.

  Dakle, za proton (ili drugo jezgro sa I = 1/2- 13 C, 19 F, 31 P, itd.) mogu biti samo u dva stanja

  μ z = ± γ ℏ I = ± ℏ / 2 (\displaystyle \mu _(z)=\pm \gamma \hbar I=\pm \hbar /2),

  takvo jezgro se može predstaviti kao magnetni-dipol, čija z-komponenta može biti orijentirana paralelno ili antiparalelno s pozitivnim smjerom ose z proizvoljan sistem koordinate.

  Treba napomenuti da u odsustvu vanjskog magnetskog polja, sva stanja s različitim μ z (\displaystyle \mu _(z)) imaju istu energiju, odnosno degenerisani su. Degeneracija se uklanja u vanjskom magnetskom polju, dok je cijepanje u odnosu na degenerirano stanje proporcionalno vanjskom magnetskom polju i magnetskom momentu stanja i za jezgro sa spin kvantnim brojem I u spoljašnjem magnetnom polju, sistem od 2I+1 nivoi energije − μ z B 0 , − I − 1 I B 0 , . . . , I − 1 I B 0 , μ z B 0 (\displaystyle -\mu _(z)B_(0),-(\frac (I-1)(I))B_(0),...,(\ frac (I-1)(I))B_(0),\mu _(z)B_(0)), odnosno nuklearna magnetna rezonanca ima istu prirodu kao i Zeemanov efekat cijepanja elektronskih nivoa u magnetskom polju.

  U najjednostavnijem slučaju, za jezgro sa spinom c I = 1/2- na primjer, za proton, cijepanje

  δ E = ± μ z B 0 (\displaystyle \delta E=\pm \mu _(z)B_(0))

  i energetska razlika spinskih stanja

  Δ E = 2 μ z B 0 (\displaystyle \Delta E=2\mu _(z)B_(0))

  Posmatranje NMR je olakšano činjenicom da u većini supstanci atomi nemaju trajne magnetne momente elektrona atomskih ljuski zbog fenomena zamrznutog orbitalnog momenta.

  Rezonantne frekvencije NMR-a u metalima su veće nego u dijamagnetima (Knight-ov pomak).

  Hemijska polarizacija jezgara

  U toku nekih hemijske reakcije u magnetnom polju, NMR spektri produkta reakcije pokazuju ili anomalno visoku apsorpciju ili radio emisiju. Ova činjenica ukazuje na neravnotežnu populaciju nuklearnih Zeemanovih nivoa u molekulima produkta reakcije. Prenaseljenost donjeg nivoa je praćena anomalnom apsorpcijom. Inverzija stanovništva (gornji nivo je naseljeniji od donjeg) rezultira radio emisijom. Ovaj fenomen se naziva hemijska polarizacija jezgara.

  Larmorove frekvencije nekih atomskih jezgara

  jezgro	Larmorova frekvencija u MHz na 0,5 Tesla	Larmorova frekvencija u MHz na 1 Tesla	Larmorova frekvencija u MHz na 7,05 Tesla
  1 H (vodik)	21,29	42,58	300.18
  ²D (deuterijum)	3,27	6,53	46,08
  13 C (ugljik)	5,36	10,71	75,51
  23 Na (natrijum)	5,63	11,26	79.40
  39K (kalijum)	1,00	1,99

  Frekvencija za rezonanciju protona je u opsegu kratkih talasa (talasna dužina je oko 7 m).

  Primjena NMR

  Spektroskopija

  Uređaji

  Srce NMR spektrometra je snažan magnet. U eksperimentu koji je prvi u praksi sproveo Purcell, uzorak stavljen u staklenu ampulu prečnika oko 5 mm stavlja se između polova jakog elektromagneta. Zatim, kako bi se poboljšala ujednačenost magnetskog polja, ampula se počinje okretati, a magnetsko polje koje djeluje na nju postepeno se povećava. Kao izvor zračenja koristi se visokokvalitetni RF generator. Pod dejstvom sve većeg magnetnog polja, jezgre na koje je podešen spektrometar počinju da rezonuju. U ovom slučaju, zaštićena jezgra rezoniraju na frekvenciji nešto nižoj od jezgara bez elektronske ljuske. Apsorpcija energije se bilježi RF mostom, a zatim bilježi kartofon. Frekvencija se povećava sve dok ne dostigne određenu granicu, iznad koje je rezonancija nemoguća.

  Budući da su struje koje dolaze sa mosta vrlo male, one se ne ograničavaju samo na jedan spektar, već čine nekoliko desetina prolaza. Svi primljeni signali sumirani su na konačnom grafikonu, čiji kvalitet zavisi od odnosa signal-šum uređaja.

  U ovoj metodi uzorak se izlaže radiofrekventnom zračenju konstantne frekvencije dok se mijenja jačina magnetnog polja, zbog čega se naziva i metoda kontinuiranog zračenja (CW, continous wave).

  Tradicionalna metoda NMR spektroskopije ima mnoge nedostatke. Prvo, to zahtijeva veliki broj vrijeme za izgradnju svakog spektra. Drugo, vrlo je izbirljiv u pogledu odsustva vanjskih smetnji, i po pravilu, rezultirajući spektri imaju značajan šum. Treće, nije pogodan za pravljenje spektrometara visoke frekvencije (300, 400, 500 i više MHz). Stoga se u savremenim NMR instrumentima koristi metoda tzv. pulsne spektroskopije (PW), zasnovana na Fourierovoj transformaciji primljenog signala. Trenutno su svi NMR spektrometri izgrađeni na bazi moćnih supravodljivih magneta sa konstantnim magnetnim poljem.

  Za razliku od CW metode, u impulsnoj verziji, pobuđivanje jezgara se ne provodi "konstantnim valom", već uz pomoć kratkog impulsa, dugog nekoliko mikrosekundi. Amplitude frekvencijskih komponenti impulsa opadaju sa povećanjem udaljenosti od ν 0 . Ali pošto je poželjno da sva jezgra budu podjednako ozračena, potrebno je koristiti "tvrde impulse", odnosno kratke impulse velike snage. Trajanje impulsa se bira tako da je frekvencijski opseg veći od širine spektra za jedan ili dva reda veličine. Snaga doseže nekoliko hiljada vati.

  Kao rezultat pulsne spektroskopije, ne dobija se običan spektar sa vidljivim rezonantnim pikovima, već slika prigušenih rezonantnih oscilacija, u kojoj se miješaju svi signali iz svih rezonantnih jezgara - tzv. indukcijski raspad). Za transformaciju ovog spektra koriste se matematičke metode, takozvana Fourierova transformacija, prema kojoj se bilo koja funkcija može predstaviti kao zbir skupa harmonijskih oscilacija.

  NMR spektri

  Za kvalitativnu analizu pomoću NMR, koristi se spektralna analiza, zasnovana na takvim izuzetnim svojstvima ove metode:

  • signali jezgara atoma uključenih u određene funkcionalne grupe leže u strogo određenim dijelovima spektra;
  • integralna površina ograničena vrhom je striktno proporcionalna broju rezonantnih atoma;
  • jezgre koje leže kroz 1-4 veze sposobne su za proizvodnju multipletnih signala kao rezultat tzv. razdvaja jedno na drugo.

  Položaj signala u NMR spektrima karakteriziran je njihovim kemijskim pomakom u odnosu na referentni signal. Kao potonji u 1 H i 13 C NMR, koristi se tetrametilsilan Si(CH 3) 4 (TMS). Jedinica hemijskog pomaka je delovi na milion (ppm) frekvencije instrumenta. Ako TMS signal uzmemo kao 0, a pomak signala u slabo polje smatramo pozitivnim kemijskim pomakom, onda ćemo dobiti takozvanu δ skalu. Ako se rezonancija tetrametilsilana izjednači sa 10 ppm i obrnuti predznake, onda će rezultujuća skala biti skala τ, koja se trenutno praktično ne koristi. Ako je spektar supstance previše kompliciran za interpretaciju, može se koristiti kvantno-hemijske metode za izračunavanje konstanti skrininga i korelacija signala na osnovu njih.

  NMR introskopija

  Fenomen nuklearne magnetne rezonancije može se koristiti ne samo u fizici i hemiji, već iu medicini: ljudsko tijelo je kombinacija svih istih organskih i neorganskih molekula.

  Da bi se posmatrao ovaj fenomen, objekat se stavlja u konstantno magnetno polje i izlaže radiofrekvencijskim i gradijentnim magnetnim poljima. U induktoru koji okružuje predmet koji se proučava nastaje promjenjiva elektromotorna sila (EMF) čiji amplitudno-frekventni spektar i karakteristike vremenskog prijelaza nose informaciju o prostornoj gustoći rezonirajućih atomskih jezgara, kao io drugim parametrima koji su samo specifični. za nuklearnu magnetnu rezonancu. Kompjuterska obrada ovih informacija generiše trodimenzionalnu sliku koja karakteriše gustinu hemijski ekvivalentnih jezgara, vremena relaksacije nuklearne magnetne rezonancije, distribuciju brzina protoka tečnosti, difuziju molekula i biohemijske procese metabolizma u živim tkivima.

  Nuklearna magnetna rezonanca
  nuklearna magnetna rezonanca

  Nuklearna magnetna rezonanca (NMR) - rezonantna apsorpcija elektromagnetnih talasa atomskim jezgrama, koja nastaje kada se promeni orijentacija vektora sopstvenih momenta momenta (spinova). NMR se javlja u uzorcima smještenim u jakom konstantnom magnetskom polju, a istovremeno ih izlaže slabom naizmjeničnom elektromagnetnom polju radiofrekventnog opsega (linije sile naizmjeničnog polja moraju biti okomite na linije sile konstantnog polja). Za jezgra vodonika (protone) u konstantnom magnetnom polju jačine 10 4 oersteda, rezonancija se javlja na frekvenciji radio talasa od 42,58 MHz. Za druga jezgra u magnetnim poljima od 103–104 ersteda NMR je uočen u frekvencijskom opsegu od 1–10 MHz. NMR se široko koristi u fizici, hemiji i biohemiji za proučavanje strukture čvrstih materija i složenih molekula. U medicini, koristeći NMR s rezolucijom od 0,5-1 mm, dobiva se prostorna slika unutarnjih organa osobe.

  Razmotrimo fenomen NMR na primjeru najjednostavnijeg jezgra - vodika. Jezgro vodika je proton, koji ima određenu vrijednost vlastitog mehaničkog momenta momenta (spin). U skladu s kvantnom mehanikom, vektor spina protona može imati samo dva međusobno suprotna smjera u prostoru, konvencionalno označena riječima “gore” i “dolje”. Proton također ima magnetni moment čiji je smjer vektora čvrsto vezan za smjer vektora spina. Dakle, vektor magnetskog momenta protona može biti usmjeren ili "gore" ili "dolje". Dakle, proton se može predstaviti kao mikroskopski magnet sa dvije moguće orijentacije u prostoru. Ako stavite proton u vanjsko konstantno magnetsko polje, tada će energija protona u ovom polju ovisiti o tome gdje je usmjeren njegov magnetni moment. Energija protona će biti veća ako je njegov magnetni moment (i spin) usmjeren u smjeru suprotnom od polja. Označimo ovu energiju kao E ↓ . Ako je magnetni moment (spin) protona usmjeren u istom smjeru kao i polje, tada će energija protona, označena E, biti manja (E< E ↓). Пусть протон оказался именно в этом последнем состоянии. Если теперь протону добавить энергию Δ Е = E ↓ − E , то он сможет скачком перейти в состояние с большей энергией, в котором его спин будет направлен против поля. Добавить энергию протону можно, “облучая” его квантами электромагнитных волн с частотой ω, определяемой соотношением ΔЕ = ћω.
  Prijeđimo s jednog protona na makroskopski uzorak koji sadrži vodonik veliki broj protona. Situacija će izgledati ovako. U uzorku, zbog usrednjavanja nasumičnih orijentacija spina, približno jednake količine protoni, kada se primeni konstantno spoljašnje magnetno polje, biće relativni u odnosu na ovo polje sa spinovima usmerenim „gore“ i „dole“. Ozračenje uzorka elektromagnetnim talasima frekvencije ω = (E ↓ − E )/ć će izazvati „masovni“ spin flip (magnetni momenti) protona, usled čega će svi protoni uzorka biti u stanju sa okretima usmjerenim protiv polja. Ovako masivna promjena u orijentaciji protona će biti praćena oštrom (rezonantnom) apsorpcijom kvanta (i energije) zračećeg elektromagnetnog polja. Ovo je NMR. NMR se može posmatrati samo u uzorcima sa veliki broj jezgra (10 16) upotrebom posebnih tehnika i visokoosjetljivih uređaja.

  NUKLEARNA MAGNETNA REZONANCA(NMR), fenomen rezonantne apsorpcije elektromagneta radio frekvencije. energija in-cija sa nenula magn. momenti jezgara lociranih u ekst. stalni mag. polje. Nuklearni magnet koji nije nula. 1 H, 2 H, 13 C, 14 N, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P i druga jezgra imaju impuls NMR se obično posmatra u uniformnoj konstanti magn. polje B 0 , slabo radio-frekventno polje B 1 okomito na polje B 0 je superponirano na rez. Za in-in, u kojem je nuklearni spin I \u003d 1/2 (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P, itd.), U polju B 0, dvije orijentacije magneta su moguće. dipolni moment jezgra "duž polja" i "protiv polja". Nastaju dva nivoa energije E zbog interakcije. magn. impuls jezgra sa poljem B 0 odvojene intervalom
  Pod uslovom da ili gde je h Plankova konstanta, v 0 je frekvencija radiofrekventnog polja B 1, je kružna frekvencija, - tzv. gyromag. odnos jezgra, rezonantna apsorpcija energije polja B 1 , nazvan NMR. Za nuklide 1 H, 13 C, 31 P, NMR frekvencije u polju B 0 = 11,7 T su jednake, respektivno. (u MHz): 500, 160,42 i 202,4; vrijednosti (u MHz/T): 42,58, 10,68 i 17,24. Prema kvantnom modelu, 2I + 1 energetski nivoi nastaju u polju B 0, prijelazi između kojih su dozvoljeni pri čemu je m magn. kvantni broj.

  Tehnika eksperimenta. Parametri NMR spektra. NMR spektroskopija se zasniva na NMR fenomenu. NMR spektri se snimaju pomoću radio spektrometara (sl.). Uzorak istraživanog in-va je postavljen kao jezgro u kalem generatorskog kola (polje B 1), koji se nalazi u procepu magneta, čime se stvara polje B 0 tako da pri rezonantnoj apsorpciji dolazi do pad napona u krugu, čiji krug uključuje zavojnicu s uzorkom. Pad napona se detektuje, pojačava i prenosi na uređaj za skeniranje ili snimanje osciloskopom. U modernom Radio NMR spektrometri obično koriste magičare, jačine polja od 1-12 T. Područje spektra u kojem postoji signal koji se može detektirati s jednim ili više. maxima, tzv NMR apsorpciona linija. Širina posmatrane linije, mjerena na pola max. intenzitet i izražen u Hz, tzv. Širina NMR linije. Rezolucija NMR spektra - min. širina NMR linije, to-ruyu vam omogućava da posmatrate ovaj spektrometar. Brzina prijenosa - brzina (u Hz/s), s kojom se mijenja magnetna snaga. polje ili frekvencija RF zračenja koje utiče na uzorak prilikom dobijanja NMR spektra.

  

  Šema NMR spektrometra: 1 - kalem sa uzorkom; 2 - polovi magneta; 3 - generator radio frekvencijskog polja; 4 - pojačalo i detektor; 5 - generator modulacionog napona; 6 - kalem modulacije polja B 0; 7 - osciloskop.

  Sistem redistribuira apsorbiranu energiju unutar sebe (tzv. spin-spin, ili poprečna relaksacija; karakteristično vrijeme T 2) i daje je okolini (relaksacija spin-rešetke, vrijeme relaksacije T 1). Vremena T 1 i T 2 nose informacije o međunuklearnim udaljenostima i korelacionim vremenima dekomp. oni kazu pokreta. Mjerenja ovisnosti T 1 i T 2 od t-ry i frekvencije v 0 daju informacije o prirodi toplinskog kretanja, kemijskog. ravnoteže, fazni prijelazi itd. U čvrstim tijelima s krutom rešetkom, T 2 = 10 μs, i T 1\u003e 10 3 s, budući da ne postoji pravilan mehanizam relaksacije spin-rešetke, a relaksacija je posljedica paramagnetizma. nečistoće. Zbog malog T 2 , prirodna širina NMR linije je vrlo velika (desetine kHz), a njihova registracija je u NMR području širokih linija. U tečnostima niske viskoznosti, T 1 T 2 se meri u sekundama. Resp. NMR linije imaju širinu reda od 10 -1 Hz (NMR visoke rezolucije). Za neiskrivljenu reprodukciju oblika linije potrebno je proći kroz liniju širine 0,1 Hz za 100 s. Ovo nameće značajna ograničenja na osjetljivost NMR spektrometara.
  Glavni parametar NMR spektra je kem. pomak - uzet sa odgovarajućim predznakom, odnos razlike između frekvencija posmatranog NMR signala i nekog konvencionalno odabranog referentnog signala prema.-l. standard za frekvenciju referentnog signala (izraženo u dijelovima na milion, ppm). Chem. NMR pomaci se mjere u bezdimenzionalnim vrijednostima koje se računaju od vrha referentnog signala. Ako standard daje signal na frekvenciji v 0, onda U zavisnosti od prirode proučavanih jezgara, razlikuju se protonski NMR ili PMR i 13 C NMR (tablice hemijskih pomaka date su na listovima zapremine). NMR 19 F (vidi Organofluorova jedinjenja), NMR 31 P (vidi Organoposforna jedinjenja) itd. Vrednosti ​​imaju značajnu karakteristiku i omogućavaju određivanje prisustva određenog mola iz NMR spektra. fragmenti. Relevantni podaci o kem. pomaci dif. kerneli se objavljuju u referencama i priručnicima, a takođe se unose u baze podataka, to-rymi su snabdeveni modernim. NMR spektrometri. U nizu spojeva bliskih po strukturi, hemijskih. pomak je direktno proporcionalan gustini elektrona na odgovarajućim jezgrima.
  Općenito prihvaćeni standard za NMR i 13C NMR je tetrametilsilan (TMS). Standard m. b. rastvoren u ispitivanom rastvoru (interni standard) ili stavljen, na primer, u zapečaćenu kapilaru koja se nalazi unutar ampule uzorka (eksterni standard). Kao rastvarači mogu se koristiti samo oni čija se vlastita apsorpcija ne preklapa sa regijom od interesa za istraživanje. Za PMR, najbolji p-nosioci su oni koji ne sadrže protone (CC1 4 , CDC1 3 , CS 2 , D 2 O, itd.).
  U poliatomskim molekulima, jezgra identičnih atoma koji zauzimaju hemijski neekvivalentne pozicije imaju različite hemikalije. pomaci zbog razlike u magnetima. skriniranje jezgara valentnim elektronima (takva jezgra se nazivaju anizohrona). Za i-to jezgro gdje je konstantni dijamagnet. skrining, mjereno u ppm Za protone, tipičan raspon promjena je do 20 ppm, za teže jezgre ovi intervali su 2-3 reda veličine veći.
  Važan parametar NMR spektra je konstanta spin-spin interakcije. (konstantni CER) - mjera indirektnog CER-a između dec. magn. jezgra jednog molekula (vidi Spin-spin interakcija); izraženo u Hz.
  Intermod. nuklearni spinovi sa spinovima elektrona sadržanim u molekuli između jezgri i i j, dovode do međusobne orijentacije ovih jezgara u polju B 0 (CNE). Sa dovoljnom rezolucijom CER dovodi do dodatnih. mnoštvo linija koje odgovaraju određenim vrijednostima hemikalije. pomaci: gdje je J ij - CNE konstante; F ij - količine čije su vrijednosti određene spinovima jezgara i i j, simetrija odgovarajućeg stupa. fragment, diedralni uglovi između hemikalije. veze i broj ovih veza između jezgara koje učestvuju u CER-u.
  Ako chem. Ako su pomaci dovoljno veliki, tj. min max (J ij), tada se SWV pojavljuju kao jednostavni multipleti sa binomnom raspodjelom intenziteta (spektri prvog reda). Tako se u etilnoj grupi signal metil protona pojavljuje kao triplet sa omjerom intenziteta 1:2:1, a signal metilen protona kao četverostruk sa omjerom intenziteta 1:3:3:1. U 13 C NMR spektrima, metinske grupe su dubleti (1:1), a metilenske i metilne grupe su respektivno. trojke i četvorke, ali sa većim nego u protonskom spektru, vrijednostima CER konstanti. Chem. pomaci u spektrima prvog reda jednaki su intervalima između centara multipleta, a J ij - udaljenostima između susjednih pikova multipleta. Ako uslov prvog reda nije zadovoljen, tada spektri postaju složeni: u njima ni jedan interval, uopšteno govoreći, nije jednak ni J ij . Tačne vrijednosti spektralnih parametara su dobijene iz kvantnog mehanizma. kalkulacije. Relevantni programi su uključeni u prostirku. obezbeđivanje modernog NMR spektrometri. Informativnost hem. pomaci i CCR konstante pretvorile su NMR spektroskopiju visoke rezolucije u jednu od najvažnijih metoda kvaliteta. i količine. analiza složenih smeša, sistema, preparata i sastava, kao i proučavanje strukture i reakcija. sposobnost molekula. Prilikom proučavanja konformacija, degeneracija i drugih dinamika. sistemi, geom. strukture proteinskih molekula u rastvoru, sa nedestruktivnim lokalnim hem. analiza živih organizama itd. mogućnosti NMR metoda su jedinstvene.

  Nuklearna magnetizacija in-va. U skladu sa Boltzmannom raspodelom u dvostepenom spin sistemu od N spinova, odnos broja spinova N + na donjem nivou prema broju spinova N - na gornjem nivou je gde je k Bolcmanova konstanta; T - t-ra. Kod B 0 = 1 T i T = 300 K za protone, omjer N + /N - .= 1,00005. Ovaj omjer određuje veličinu nuklearne magnetizacije in-va, smještene u polje B 0 . Magn. momenat m svako jezgro vrši precesijsko kretanje oko z-ose, duž koje je usmjereno polje B 0; frekvencija ovog kretanja jednaka je NMR frekvenciji. Zbir projekcija precesirajućih nuklearnih momenata na osi z čini makroskop. magnetizacija in-va M z \u003d 10 18 U xy ravni, okomitoj na z os, projekcije vektora su jednake nuli zbog slučajnosti faza precesije: M xy = 0. Apsorpcija energije tokom NMR znači da prolazi više okretaja sa donjeg nivoa na gornji u jedinici vremena nego u u suprotnom smjeru, odnosno smanjuje se populacijska razlika N + - N - (zagrijavanje spin sistema, NMR zasićenje). Kada je zasićen u stacionarni način rada magnetizacija sistema se može znatno povećati. Ovo je tzv. Overhauserov efekat, za jezgre označene kao NOE (Nuclear Overhauser effect), to-ry se široko koristi za povećanje osjetljivosti, kao i za procjenu međunuklearnih udaljenosti u proučavanju mol. geometrije metodama NMR spektroskopije.

  Vektorski NMR model. Prilikom registracije NMR, na uzorak se primjenjuje polje radio frekvencije koje djeluje u xy ravni. U ovoj ravni, polje B 1 se može posmatrati kao dva vektora sa amplitudama B 1m/2, koji rotiraju frekvencijom u suprotnim smerovima. Uvodi se rotirajući koordinatni sistem x "y" z, x-osa se poklapa sa vektorom B 1m / 2, rotirajući u istom smeru kao i vektori. Njegovo delovanje izaziva promenu ugla na vrhu precesijskog konusa od nuklearni magnetni momenti; nuklearna magnetizacija M z počinje ovisiti o vremenu, a u ravnini x "y" pojavljuje se projekcija nuklearne magnetizacije različita od nule. U fiksnom koordinatnom sistemu ova projekcija rotira frekvencijom, tj. naponom radio frekvencije se inducira u induktoru, koji nakon detekcije daje NMR signal - funkcija nuklearne magnetizacije od frekvencije se razlikuje po sporoj promjeni (sweep mod) i pulsnom NMR. Pravo složeno kretanje vektora nuklearne magnetizacije stvara dva nezavisna signala u ravni x "y": M x, (u fazi sa radiofrekvencijskim naponom B 1) i M y" (pomaknut u odnosu na B 1 u fazi za 90°C). Istovremena registracija M x" i M y" (detekcija kvadrature) udvostručuje osjetljivost NMR spektrometra. Sa dovoljno velikom amplitudom B 1m projekcije M z = M x" = M y" = 0 (NMR zasićenje). Stoga, uz kontinuirano djelovanje polja B 1, njegova amplituda mora biti vrlo mala da bi početni uvjeti posmatranja ostali nepromijenjeni.
  U pulsnom NMR, vrijednost B 1 , naprotiv, je odabrana tako velika da za vrijeme t i T 2 vektor M z odstupa od z ose za ugao . Na \u003d 90 °, impuls se naziva 90 ° (/2-impuls); pod njegovim utjecajem ispada da je vektor nuklearne magnetizacije u ravnini x "y", tj. nakon završetka impulsa vektor M y "počinje opadati u amplitudi s vremenom T 2 zbog fazne divergencije njegovog sastavni elementarni vektori (spin-spin relaksacija) Obnavljanje ravnoteže nuklearne magnetizacije M z se dešava sa vremenom relaksacije spin-rešetke T 1. Na = 180° (moment), vektor M z se uklapa duž negativnog smjera z ose, opuštajući nakon završetka impulsa u svoj ravnotežni položaj.Kombinacije i impulsi se široko koriste u modernim verzijama NMR spektroskopije sa više impulsa.
  Važna karakteristika rotirajući koordinatni sistem je razlika u rezonantnim frekvencijama u njemu i u fiksnom koordinatnom sistemu: ako je B 1 B lok (statičko lokalno polje), tada vektor M precesira u rotirajućem koordinatnom sistemu u odnosu na polje Kada je fino podešen na rezonanciju, NMR frekvencija u rotirajućem koordinatnom sistemu Ovo omogućava značajno proširenje mogućnosti NMR-a u proučavanju sporih procesa u ve.

  Chem. razmena i NMR spektri(dinamički. NMR). Parametri razmjene sa dvije pozicije A B su vremena boravka i kao i vjerovatnoće boravka i Pri niskom t-re, NMR spektar se sastoji od dvije uske linije razdvojene Hz; zatim, sa smanjenjem i, linije počinju da se šire, ostajući na svojim mestima. Kada frekvencija razmene počne da prelazi početnu udaljenost između linija, linije počinju da konvergiraju, a pri 10-strukom višku formira se jedna široka linija u centru intervala (v A, v B), ako je sa dalji porast temperature, ova kombinovana linija postaje uska. Poređenje eksperimenata. spektar sa izračunatim omogućava za svaki t-ry da specificira tačnu frekvenciju hemikalije. razmene, ovi podaci izračunavaju termodinamiku. karakteristike procesa. Sa multipozicionom razmjenom u kompleksnom NMR spektru, teor. spektar se dobija iz kvantnog mehanizma. proračun. Dynamic NMR je jedan od glavnih metode za proučavanje stereohemije. nerigidnost, konformaciona ravnoteža, itd.

  Rotacija pod magičnim uglom. Izraz za potencijal dipol-dipol interakcije. sadrži množitelje gdje je ugao između B 0 i internuklearnog vektora r ij . Na = arccos 3 -1/2 = 54 ° 44 "("magični" ugao), ovi faktori nestaju, tj. odgovarajući doprinosi širini linije nestaju. Ako se čvrsti uzorak uvrne veoma velikom brzinom oko nagnute ose pod magičnim uglom do B 0 , tada se spektri visoke rezolucije sa skoro jednako uskim linijama kao u tečnosti mogu dobiti u čvrstom stanju.

  Široke linije u čvrstim tijelima. U kristalima sa krutom rešetkom, oblik NMR linije je zbog statike. distribucija lokalnih magneta. polja. Sva jezgra rešetke, s izuzetkom klastera , u translativno nepromjenljivom volumenu V 0 oko razmatranog jezgra, daju Gausovu raspodjelu g(v) = exp(-v 2 /2a 2), gdje je v udaljenost od centar linije; širina Gaussovog a je obrnuto proporcionalna srednjoj geom. zapremine V 0 i V 1, a V 1 karakteriše prosečnu koncentraciju magnezijuma u celom kristalu. jezgra. Unutar V 0 koncentracija magnetskog. jezgri više od prosjeka, i blizu jezgara zbog dipol-dipol interakcije. and chem. pomaci stvaraju spektar ograničen na interval (-b, b), gdje je b otprilike dvostruko veći od a. U prvoj aproksimaciji, spektar

  Stranica pruža pozadinske informacije samo u informativne svrhe. Dijagnozu i liječenje bolesti treba provoditi pod nadzorom specijaliste. Svi lijekovi imaju kontraindikacije. Potreban je savjet stručnjaka!

  Opće informacije

  Fenomen nuklearna magnetna rezonanca (NMR) otkrio je rabin Isaac 1938. Fenomen se zasniva na prisustvu magnetnih svojstava u jezgri atoma. Tek 2003. godine izumljena je metoda kojom se ovaj fenomen koristi u dijagnostičke svrhe u medicini. Za izum su njegovi autori dobili Nobelovu nagradu. U spektroskopiji, tijelo koje se proučava ( odnosno tijelo pacijenta) se stavlja u elektromagnetno polje i ozračuje radio talasima. Ovo je potpuno sigurna metoda za razliku od, na primjer, kompjuterizovane tomografije), koji ima veoma visok stepen rezolucije i osetljivosti.
  

  Primjena u ekonomiji i nauci

  1. U hemiji i fizici, da identifikuje supstance koje učestvuju u reakciji, kao i krajnji rezultati reakcije,
  2. U farmakologiji za proizvodnju lijekova,
  3. U poljoprivredi odrediti hemijski sastav zrno i spremnost za setvu ( vrlo korisna u uzgoju novih vrsta),
  4. U medicini - za dijagnostiku. Vrlo informativna metoda za dijagnosticiranje bolesti kralježnice, posebno intervertebralnih diskova. Omogućava otkrivanje čak i najmanjih povreda integriteta diska. Otkriva kancerogene tumore u ranim fazama formiranja.

  Suština metode

  Metoda nuklearne magnetne rezonancije zasniva se na činjenici da se u trenutku kada se tijelo nalazi u posebno podešenom vrlo jakom magnetskom polju ( 10.000 puta jače od magnetnog polja naše planete), molekule vode prisutne u svim ćelijama tijela formiraju lance paralelne smjeru magnetskog polja.

  Ako se smjer polja naglo promijeni, molekula vode oslobađa česticu električne energije. Upravo ta naelektrisanja bilježe senzori uređaja i analiziraju ih kompjuter. Prema intenzitetu koncentracije vode u ćelijama, kompjuter kreira model organa ili dijela tijela koji se proučava.

  Na izlazu, doktor ima jednobojnu sliku, na kojoj možete vidjeti tanke dijelove organa s velikim detaljima. Po informativnom sadržaju ova metoda značajno nadmašuje kompjutersku tomografiju. Ponekad postoji čak i više detalja o organu koji se proučava nego što je potrebno za dijagnozu.

  Vrste spektroskopije magnetne rezonance

  • biološke tečnosti,
  • Unutrašnji organi.
  Tehnika omogućava detaljno ispitivanje svih tkiva ljudskog tijela, uključujući vodu. Što je više tečnosti u tkivima, to su svetlije i svetlije na slici. Kosti, u kojima ima malo vode, prikazane su kao tamne. Stoga je u dijagnostici bolesti kostiju kompjuterska tomografija informativnija.

  Tehnika perfuzije magnetne rezonancije omogućava kontrolu kretanja krvi kroz tkiva jetre i mozga.

  Danas se naziv sve više koristi u medicini. MRI (Magnetna rezonanca ), budući da spominjanje nuklearne reakcije u naslovu plaši pacijente.

  Indikacije

  1. bolesti mozga,
  2. Studije funkcija moždanih regija,
  3. bolesti zglobova,
  4. bolesti kičme,
  5. Bolesti unutrašnjih organa trbušne duplje,
  6. Bolesti mokraćnog sistema i reprodukcije,
  7. Bolesti medijastinuma i srca,
  8. Vaskularne bolesti.

  Kontraindikacije

  Apsolutne kontraindikacije:
  1. pejsmejker,
  2. Elektronske ili feromagnetne proteze srednjeg uha,
  3. Ilizarov feromagnetni uređaji,
  4. Velike metalne unutrašnje proteze,
  5. Hemostatske stezaljke cerebralnih sudova.

  Relativne kontraindikacije:
  1. stimulansi nervnog sistema,
  2. inzulinske pumpe,
  3. Ostale vrste proteza za unutrašnje uho,
  4. protetski srčani zalisci,
  5. hemostatske stezaljke na drugim organima,
  6. trudnoća ( potrebno je mišljenje ginekologa),
  7. Zatajenje srca u fazi dekompenzacije,
  8. klaustrofobija ( strah od zatvorenog prostora).

  Priprema studija

  Posebna priprema potrebna je samo za one pacijente koji idu na pregled unutrašnjih organa ( urinarnog i digestivnog trakta): Pet sati prije zahvata ne treba jesti hranu.
  Ako se pregleda glava, ljepšem spolu se savjetuje da skine šminku, budući da su supstance sadržane u kozmetici ( npr. u sjenilu za oči) može uticati na rezultat. Sav metalni nakit treba ukloniti.
  Ponekad će medicinsko osoblje pregledati pacijenta prenosivim detektorom metala.

  Kako se radi istraživanje?

  Prije početka studije, svaki pacijent ispunjava upitnik koji pomaže u identificiranju kontraindikacija.

  Uređaj je široka cijev u koju se pacijent postavlja u vodoravni položaj. Pacijent mora ostati potpuno miran, inače slika neće biti dovoljno jasna. Unutar cijevi nije mračno i postoji prisilna ventilacija, tako da su uslovi za postupak prilično ugodni. Neke instalacije proizvode primjetno zujanje, a zatim se ispitivanoj osobi stavljaju slušalice koje upijaju buku.
  
  Trajanje pregleda može biti od 15 minuta do 60 minuta.
  U nekim medicinskim centrima dozvoljeno je da je u prostoriji u kojoj se vrši pregled, zajedno sa pacijentom, bio njegov rođak ili lice u pratnji ( ako nema kontraindikacija).

  U nekim medicinskim centrima anesteziolog daje sedative. Postupak je u ovom slučaju mnogo lakše podnošljiv, posebno pacijentima koji pate od klaustrofobije, maloj djeci ili pacijentima koji iz nekog razloga teško ostaju nepokretni. Pacijent pada u stanje terapeutskog sna i iz njega izlazi odmoran i budan. Korišteni lijekovi se brzo izlučuju iz tijela i sigurni su za pacijenta.

  
  Rezultat pregleda je spreman u roku od 30 minuta nakon završetka postupka. Rezultat se izdaje u obliku DVD-a, ljekarskog nalaza i slika.

  Upotreba kontrastnog sredstva u MRI

  Najčešće se postupak odvija bez upotrebe kontrasta. Međutim, u nekim slučajevima je to neophodno za vaskularni pregled). U ovom slučaju, kontrastno sredstvo se infundira intravenozno pomoću katetera. Postupak je sličan svakoj intravenskoj injekciji. Za ovu vrstu istraživanja koriste se posebne supstance - paramagneti. To su slabe magnetske tvari čije se čestice, nalazeći se u vanjskom magnetskom polju, magnetiziraju paralelno s linijama polja.

  Kontraindikacije za upotrebu kontrastnog sredstva:

  • trudnoća,
  • Individualna netolerancija na komponente kontrastnog sredstva, prethodno utvrđena.

  Pregled krvnih sudova (magnetna rezonantna angiografija)

  Pomoću ove metode možete kontrolirati i stanje cirkulacijske mreže i kretanje krvi kroz žile.
  Unatoč činjenici da metoda omogućava "vidjeti" krvne žile bez kontrastnog sredstva, njegovom upotrebom slika je vizualnija.
  Posebne 4-D instalacije omogućavaju praćenje kretanja krvi gotovo u realnom vremenu.

  Indikacije:

  • urođene srčane mane,
  • Aneurizma, njeno seciranje,
  • vaskularna stenoza,

  istraživanje mozga

  Ovo je istraživanje mozga koje ne koristi radioaktivne zrake. Metoda vam omogućava da vidite kosti lubanje, ali se meka tkiva mogu detaljnije ispitati. Odlična dijagnostička metoda u neurohirurgiji, ali i neurologiji. Omogućuje otkrivanje posljedica kroničnih modrica i potresa mozga, moždanog udara, kao i neoplazmi.
  Obično se propisuje za stanja slična migreni nepoznate etiologije, poremećene svijesti, neoplazme, hematome, poremećenu koordinaciju.
  
  MRI mozga ispituje se sljedeće:
  • glavne žile vrata,
  • krvnih sudova koji hrane mozak
  • moždano tkivo,
  • očne orbite,
  • dubljim dijelovima mozga mali mozak, epifiza, hipofiza, duguljasti i srednji odjeli).

  Funkcionalni NMR

  Ova dijagnoza se temelji na činjenici da kada se aktivira bilo koji dio mozga zadužen za određenu funkciju, povećava se cirkulacija krvi u ovom području.
  Ispitaniku se zadaju različiti zadaci, a prilikom njihovog izvršavanja snima se cirkulacija krvi u različitim dijelovima mozga. Podaci dobijeni tokom eksperimenata upoređuju se sa tomogramom dobijenim tokom perioda odmora.

  Pregled kičme

  Ova metoda je odlična za pregled nervnih završetaka, mišića, koštane srži i ligamenata, kao i intervertebralnih diskova. Ali s prijelomima kralježnice ili potrebom za proučavanjem koštanih struktura, nešto je inferiorniji od kompjuterske tomografije.

  Možete pregledati cijelu kralježnicu, a možete samo pregledati uznemirujući dio: cervikalni, torakalni, lumbosakralni, a također i trtičnu kost zasebno. Dakle, prilikom pregleda cervikalne regije mogu se otkriti patologije krvnih žila i kralježaka koje utječu na opskrbu mozga krvlju.
  Prilikom pregleda lumbalne regije moguće je otkriti intervertebralne kile, šiljke kostiju i hrskavice, kao i uklještene živce.
  
  Indikacije:

  • Promjene u obliku intervertebralnih diskova, uključujući herniju,
  • Povrede leđa i kičme
  • Osteohondroza, distrofični i upalni procesi u kostima,
  • Neoplazme.

  Pregled kičmene moždine

  Izvodi se istovremeno sa pregledom kičme.

  Indikacije:

  • Vjerojatnost neoplazmi kičmene moždine, fokalne lezije,
  • Za kontrolu punjenja cerebrospinalne tečnosti šupljina kičmene moždine,
  • ciste kičme,
  • Za kontrolu oporavka nakon operacije,
  • Sa vjerovatnoćom bolesti kičmene moždine.

  Zajednička studija

  Ova metoda istraživanja je vrlo efikasna za ispitivanje stanja mekih tkiva koja čine zglob.

  Koristi se za dijagnostiku:

  • hronični artritis,
  • Povrede tetiva, mišića i ligamenata ( posebno se koristi u sportskoj medicini),
  • frakture,
  • neoplazme mekih tkiva i kostiju,
  • Oštećenja nisu otkrivena drugim dijagnostičkim metodama.
  Odnosi se na:
  • Pregled zglobova kuka na osteomijelitis, nekrozu glave bedrene kosti, stres frakturu, septički artritis,
  • Pregled zglobova koljena sa stres frakturama, narušavanjem integriteta nekih unutrašnjih komponenti ( meniskus, hrskavica),
  • Pregled ramenog zgloba u slučaju iščašenja, uklještenih živaca, rupture zglobne čahure,
  • Pregled zgloba ručnog zgloba uz narušavanje stabilnosti, višestruki prijelomi, infrastruktura srednjeg živca, oštećenje ligamenata.

  Pregled temporomandibularnog zgloba

  Propisuje se za utvrđivanje uzroka poremećaja u funkciji zgloba. Ova studija najpotpunije otkriva stanje hrskavice i mišića, omogućava otkrivanje dislokacija. Koristi se i prije ortodontskih ili ortopedskih operacija.

  Indikacije:

  • Gubitak pokretljivosti donje vilice
  • Klikovi pri otvaranju-zatvaranju usta,
  • Bol u sljepoočnici pri otvaranju - zatvaranju usta,
  • Bol prilikom sondiranja mišića za žvakanje,
  • Bol u mišićima vrata i glave.

  Pregled unutrašnjih organa trbušne duplje

  Pregled pankreasa i jetre propisan je za:
  • neinfektivna žutica,
  • Vjerojatnosti neoplazme jetre, degeneracije, apscesa, cista, sa cirozom,
  • Kao kontrola toka lečenja,
  • Za traumatske frakture
  • Kamenje u žučnoj kesi ili žučnim kanalima
  • Pankreatitis bilo kojeg oblika,
  • Vjerovatnoća neoplazmi
  • Ishemija parenhima.
  Metoda vam omogućava da otkrijete ciste pankreasa, da ispitate stanje žučnih kanala. Otkrivaju se sve formacije koje začepljuju kanale.

  Ispitivanje bubrega je indicirano za:

  • Sumnja na neoplazmu
  • Bolesti organa i tkiva u blizini bubrega,
  • Vjerojatnost kršenja formiranja mokraćnih organa,
  • U slučaju nemogućnosti provođenja ekskretorne urografije.
  Prije pregleda unutarnjih organa metodom nuklearne magnetne rezonancije potrebno je provesti ultrazvučni pregled.

  Istraživanje bolesti reproduktivnog sistema

  Pregledi karlice su propisani za:
  • Vjerojatnosti neoplazme materice, mokraćne bešike, prostate,
  • povreda,
  • Neoplazme male karlice za otkrivanje metastaza,
  • Bol u predelu sakruma,
  • vezikulitis,
  • Za ispitivanje stanja limfnih čvorova.
  Kod karcinoma prostate, ovaj pregled se propisuje kako bi se otkrilo širenje neoplazme na obližnje organe.

  Sat vremena prije studije, nepoželjno je mokriti, jer će slika biti informativnija ako je mjehur nešto pun.

  Istraživanja tokom trudnoće

  Unatoč činjenici da je ova metoda istraživanja mnogo sigurnija od rendgenskih zraka ili kompjuterske tomografije, strogo se ne smije koristiti u prvom tromjesečju trudnoće.
  U drugom i trećem trimestru ovih metoda metoda se propisuje samo iz zdravstvenih razloga. Opasnost postupka za tijelo trudnice leži u činjenici da se tokom zahvata neka tkiva zagrijavaju, što može uzrokovati neželjene promjene u formiranju fetusa.
  Ali upotreba kontrastnog sredstva tijekom trudnoće strogo je zabranjena u bilo kojoj fazi trudnoće.
  

  Mere predostrožnosti

  1. Neke NMR instalacije su izgrađene u obliku zatvorene cijevi. Ljudi koji pate od straha od zatvorenih prostora mogu imati napad. Stoga je bolje unaprijed raspitati se kako će teći postupak. Postoje otvorene instalacije. One su prostorija slična rendgenskoj sobi, ali su takve instalacije rijetke.

  2. U prostoriju u kojoj se uređaj nalazi zabranjen je ulazak metalnim predmetima i elektronskim uređajima ( npr. satovi, nakit, ključevi), budući da se u snažnom elektromagnetnom polju elektronički uređaji mogu pokvariti, a mali metalni predmeti će se raspršiti. Istovremeno će se dobiti ne sasvim tačni podaci ankete.
  

  Nuklearna magnetna rezonanca (NMR) je nuklearna spektroskopija koja se široko koristi u svima fizičke nauke i industrije. U NMR za ispitivanje intrinzičnih spin osobina atomskih jezgara koristeći veliki magnet. Kao i svaka spektroskopija, ona koristi elektromagnetno zračenje (radiofrekventni talasi u VHF opsegu) da stvori prelaz između energetskih nivoa (rezonanca). U hemiji, NMR pomaže u određivanju strukture malih molekula. Nuklearna magnetna rezonanca u medicini našla je primjenu u magnetnoj rezonanciji (MRI).

  Otvaranje

  NMR su 1946. godine otkrili naučnici sa Univerziteta Harvard Purcell, Pound i Torrey, te Bloch, Hansen i Packard sa Stanforda. Primijetili su da su jezgre 1 H i 31 P (proton i fosfor-31) u stanju apsorbirati energiju radio frekvencije kada su izložene magnetnom polju, čija je jačina specifična za svaki atom. Kada se apsorbuju, počeli su da rezoniraju, svaki element na svojoj frekvenciji. Ovo zapažanje omogućilo je detaljnu analizu strukture molekula. Od tada je NMR pronašao primenu u kinetičkim i strukturnim studijama čvrstih materija, tečnosti i gasova, što je rezultiralo sa 6 Nobelovih nagrada.

  Spin i magnetna svojstva

  Jezgro se sastoji od elementarne čestice nazivaju neutroni i protoni. Oni imaju svoj ugaoni moment, koji se zove spin. Poput elektrona, spin jezgra se može opisati kvantnim brojevima I i m u magnetskom polju. Atomska jezgra sa parnim brojem protona i neutrona imaju nulti spin, dok sve ostale imaju različit od nule. Osim toga, molekuli sa spinom različitom od nule imaju magnetni moment μ = γ I, gdje je γ žiromagnetski omjer, konstanta proporcionalnosti između magnetskog dipolnog momenta i kutnog momenta, koji je različit za svaki atom.

  Magnetski moment jezgra čini da se ponaša kao mali magnet. U nedostatku vanjskog magnetskog polja, svaki magnet je nasumično orijentiran. Tokom NMR eksperimenta, uzorak se postavlja u vanjsko magnetsko polje B 0 , što uzrokuje da se magneti niske energije poravnaju u smjeru B 0, a visoka energija u suprotnom smjeru. U tom slučaju se mijenja orijentacija spina magneta. Da bismo razumeli ovaj prilično apstraktan koncept, moramo razmotriti nivoe energije jezgra tokom NMR eksperimenta.

  Nivoi energije

  Za okretanje okretanja potreban je cijeli broj kvanta. Za bilo koji m postoji 2m + 1 energetski nivo. Za jezgro sa spinom 1/2 postoje samo 2 njih - niska, okupirana spinovima poravnatim sa B 0 , i visoka, okupirana spinovima usmerenim protiv B 0 . Svaki energetski nivo je definisan sa E = -mℏγV 0 , gde je m magnetni kvantni broj, u ovom slučaju +/- 1/2. Nivoi energije za m > 1/2, poznati kao kvadrupolna jezgra, su složeniji.

  Energetska razlika između nivoa je: ΔE = ℏγB 0 , gde je ℏ Plankova konstanta.

  Kao što vidite, jačina magnetnog polja ima veliki značaj, jer u njegovom odsustvu nivoi degeneriraju.

  

  Energetske tranzicije

  Da bi došlo do nuklearne magnetne rezonancije, mora doći do okretanja spina između nivoa energije. Energetska razlika između dva stanja odgovara energiji elektromagnetnog zračenja, koje uzrokuje da jezgra mijenjaju svoje energetske nivoe. Za većinu NMR spektrometri Na 0 ima reda 1 Tesla (T), a γ - 10 7 . Stoga je potrebno elektromagnetno zračenje reda veličine 10 7 Hz. Energija fotona je predstavljena formulom E = hν. Stoga je frekvencija potrebna za apsorpciju: ν= γV 0 /2π.

  Nuklearna zaštita

  Fizika NMR-a je zasnovana na konceptu nuklearne zaštite, što omogućava određivanje strukture materije. Svaki atom je okružen elektronima koji kruže oko jezgra i djeluju na njegovo magnetsko polje, što zauzvrat uzrokuje male promjene u energetskim razinama. Ovo se zove oklop. Jezgre koje doživljavaju različita magnetna polja povezana s lokalnim elektronskim interakcijama nazivaju se neekvivalentnim. Promjena nivoa energije za okretanje zahtijeva drugačiju frekvenciju, što stvara novi vrh u NMR spektru. Skrining omogućava određivanje strukture molekula analizom NMR signala korištenjem Fourierove transformacije. Rezultat je spektar koji se sastoji od skupa pikova, od kojih svaki odgovara različitom hemijskom okruženju. Površina pika je direktno proporcionalna broju jezgara. Detaljne informacije o strukturi se preuzimaju pomoću NMR interakcije, koji mijenjaju spektar na različite načine.

  

  Relaksacija

  Relaksacija se odnosi na fenomen vraćanja jezgara u svoje termodinamički stabilan nakon ekscitacije na više energetske nivoe stanja. U ovom slučaju, energija apsorbovana tokom prelaska sa više nizak nivo na viši. Ovo je prilično složen proces koji se odvija u različitim vremenskim okvirima. Najviše dvoje rasprostranjena vrste relaksacije su spin-rešetka i spin-spin.

  Da bi se razumjela relaksacija, potrebno je razmotriti cijeli uzorak. Ako se jezgre stave u vanjsko magnetsko polje, stvorit će masovnu magnetizaciju duž ose Z. Njihovi spinovi su također koherentni i omogućavaju detekciju signala. NMR pomera magnetizaciju sa Z ose na XY ravan, gde se manifestuje.

  Relaksaciju spin-rešetke karakteriše vrijeme T 1 koje je potrebno za obnavljanje 37% ukupne magnetizacije duž ose Z. Što je efikasniji proces relaksacije, manji je T 1 . U čvrstim tijelima, budući da je kretanje između molekula ograničeno, vrijeme relaksacije je dugo. Mjerenja se obično provode pulsnim metodama.

  Spin-spin relaksaciju karakterizira gubitak međusobne koherencije T 2 . Može biti manji ili jednak T 1 .

  

  Nuklearna magnetna rezonanca i njena primena

  Dvije glavne oblasti u kojima se NMR pokazao izuzetno važnim su medicina i hemija, ali se svakodnevno razvijaju nove aplikacije.

  Nuklearna magnetna rezonanca, poznatija kao magnetna rezonanca (MRI), je važan medicinski dijagnostički alat koristi se za proučavanje funkcija i strukture ljudskog tijela. Omogućava vam da dobijete detaljne slike bilo kojeg organa, posebno mekih tkiva, u svim mogućim ravnima. Koristi se u oblastima kardiovaskularnog, neurološkog, muskuloskeletnog i onkološkog snimanja. Za razliku od alternativne kompjuterske tomografije, magnetna rezonanca ne koristi jonizujuće zračenje, stoga je potpuno sigurna.

  MRI može otkriti suptilne promjene koje se javljaju tokom vremena. NMR snimanje se može koristiti za identifikaciju strukturnih abnormalnosti koje se javljaju tokom bolesti, kako utiču na kasniji razvoj i kako njihovo napredovanje korelira sa mentalnim i emocionalne aspekte poremećaji. S obzirom da MRI ne vizualizira dobro kost, odlična intrakranijalna i intravertebralno sadržaj.

  

  Principi upotrebe nuklearne magnetne rezonancije u dijagnostici

  Tokom MRI procedure, pacijent leži unutar masivnog šupljeg cilindričnog magneta i izložen je snažnom, stabilnom magnetnom polju. Različiti atomi u skeniranom dijelu tijela rezoniraju na različitim frekvencijama polja. MRI se prvenstveno koristi za otkrivanje vibracija atoma vodika, koji sadrže rotirajuće protonsko jezgro sa malim magnetsko polje. U MRI, pozadinsko magnetsko polje poravnava sve atome vodonika u tkivu. Drugo magnetsko polje, čija se orijentacija razlikuje od pozadine, uključuje se i gasi mnogo puta u sekundi. Na određenoj frekvenciji, atomi rezoniraju i poravnavaju se sa drugim poljem. Kada se ugasi, atomi se vraćaju, poravnavajući se s pozadinom. Ovo stvara signal koji se može primiti i pretvoriti u sliku.

  Tkiva s velikom količinom vodika, koja je prisutna u ljudskom tijelu u sastavu vode, stvara svijetlu sliku, a s malom količinom ili odsutnošću (na primjer, kosti) izgledaju tamno. Svjetlina MR-a je pojačana kontrastnim agensom kao što je gadodiamid, koji pacijenti uzimaju prije procedure. Iako ovi agensi mogu poboljšati kvalitet slike, osjetljivost procedure ostaje relativno ograničena. Razvijaju se tehnike za povećanje osjetljivosti MRI. Najviše obećava upotreba paravodonika, oblika vodonika s jedinstvenim molekularnim spinskim svojstvima koji je vrlo osjetljiv na magnetna polja.

  

  Poboljšanja u performansama magnetnih polja koja se koriste u MRI dovela su do razvoja visoko osjetljivih modaliteta snimanja kao što su difuzija i funkcionalna MRI, koji su dizajnirani da pokažu vrlo specifična svojstva tkiva. Osim toga, za snimanje kretanja krvi koristi se jedinstveni oblik MRI tehnologije pod nazivom angiografija magnetne rezonance. Omogućava vizualizaciju arterija i vena bez potrebe za iglama, kateterima ili kontrastnim sredstvima. Kao i kod MRI, ove tehnike su pomogle u revoluciji u biomedicinskim istraživanjima i dijagnostici.

  Napredna kompjuterska tehnologija omogućila je radiolozima da kreiraju trodimenzionalne holograme od digitalnih preseka dobijenih MR skenerima, koji služe za određivanje tačne lokacije lezija. Tomografija je posebno vrijedna u pregledu mozga i kičmene moždine, kao i karličnih organa poput mjehura i spužvaste kosti. Metoda vam omogućava da brzo i jasno precizno odredite opseg oštećenja tumora i procijenite potencijalnu štetu od moždanog udara, omogućavajući liječnicima da na vrijeme prepišu odgovarajući tretman. MRI je u velikoj mjeri potisnuo artrografiju, potrebu da se kontrastno sredstvo ubrizga u zglob da bi se vizualiziralo oštećenje hrskavice ili ligamenata, i mijelografiju, ubrizgavanje kontrastnog sredstva u kičmeni kanal za vizualizaciju poremećaja kičmene moždine ili intervertebralnog diska.

  

  Primjena u hemiji

  U mnogim laboratorijama danas se nuklearna magnetna rezonanca koristi za određivanje strukture važnih kemijskih i bioloških spojeva. U NMR spektrima, različiti pikovi daju informacije o specifičnom hemijskom okruženju i vezama između atoma. Većina rasprostranjena izotopi koji se koriste za detekciju signala magnetne rezonance su 1 H i 13 C, ali mnogi drugi su prikladni, kao što su 2 H, 3 He, 15 N, 19 F, itd.

  Moderna NMR spektroskopija našla je široku primenu u biomolekularnim sistemima i igrama važnu ulogu u strukturnoj biologiji. Razvojem metodologije i alata, NMR je postao jedna od najmoćnijih i najraznovrsnijih spektroskopskih metoda za analizu biomakromolekula, što omogućava karakterizaciju njih i njihovih kompleksa veličine do 100 kDa. Zajedno sa rendgenskom kristalografijom, ovo je jedno od dvije vodeće tehnologije za određivanje njihove strukture na atomskom nivou. Osim toga, NMR pruža jedinstven i važna informacija o funkcijama proteina, koji igra ključnu ulogu u razvoju lijekovi. Neke od aplikacija NMR spektroskopija su navedene u nastavku.

  • Ovo je jedina metoda za određivanje atomske strukture biomakromolekula u vodenim rastvorima u blizini fiziološki uslove ili medije koji simuliraju membranu.
  • Molekularna dinamika. Ovo je najmoćnije metoda kvantifikacija dinamičke osobine biomakromolekula.
  • Protein folding. NMR spektroskopija je najmoćniji alat za određivanje rezidualnih struktura nesavijenih proteina i medijatora savijanja.
  • Stanje jonizacije. Metoda je efikasna u određivanju hemijskih svojstava funkcionalnih grupa u biomakromolekulama, kao što je jonizacija stanja jonizujućih grupa aktivnih mesta enzima.
  • Nuklearna magnetna rezonanca omogućava proučavanje slabih funkcionalnih interakcija između makrobiomolekula (na primjer, sa konstantama disocijacije u mikromolarnom i milimolarnom rasponu), što se ne može učiniti drugim metodama.
  • Hidratacija proteina. NMR je alat za detekciju unutrašnje vode i njene interakcije sa biomakromolekulama.
  • To je jedinstveno metoda detekcije direktne interakcije vodonične veze.
  • Skrining i razvoj lijekova. Naročito je nuklearna magnetna rezonanca posebno korisna u identifikaciji lijekova i određivanju konformacija spojeva povezanih s enzimima, receptorima i drugim proteinima.
  • nativni membranski protein. NMR u čvrstom stanju ima potencijal određivanje atomske strukture membranskih proteinskih domena u okruženju nativne membrane, uključujući i one sa vezanim ligandima.
  • Metabolička analiza.
  • Hemijska analiza. Hemijska identifikacija i konformacijska analiza sintetičkih i prirodnih kemikalija.
  • Nauka o materijalima. Moćan alat u proučavanju hemije i fizike polimera.

  Druge upotrebe

  Nuklearna magnetna rezonanca i njene primjene nisu ograničene na medicinu i hemiju. Metoda se pokazala veoma korisnom iu drugim oblastima, kao što su ispitivanje životne sredine, naftna industrija, kontrola procesa, NMR Zemljinog polja i magnetometri. Ispitivanje bez razaranja štedi skupe biološke uzorke koji se mogu ponovo koristiti ako je potrebno više ispitivanja. Nuklearna magnetna rezonanca u geologiji se koristi za mjerenje poroznosti stijena i permeabilnosti podzemnih fluida. Magnetometri se koriste za mjerenje različitih magnetnih polja.