Ugyanazok az atommagok különböző környezetekben egy molekulában eltérő NMR jeleket mutatnak. Az ilyen NMR-jel és a jel közötti különbség standard anyag lehetővé teszi az úgynevezett kémiai eltolódás meghatározását, amely a vizsgált anyag kémiai szerkezetéből adódik. Az NMR technikákban számos lehetőség kínálkozik az anyagok kémiai szerkezetének, a molekulák konformációinak, a kölcsönös befolyásolás hatásainak és az intramolekuláris átalakulásoknak a meghatározására.

Enciklopédiai YouTube

• 1 / 5

  A mágneses magrezonancia jelensége az 1/2, 3/2, 5/2… spinnel rendelkező nukleonokból álló atommagok mágneses tulajdonságain alapul. A páros tömegű és töltésszámú atommagoknak (páros-páros magoknak) nincs mágneses momentuma.

  Az atommag impulzusnyomatéka és mágneses nyomatéka kvantálva van, és egy tetszőlegesen választott koordinátarendszer z tengelyére eső vetület sajátértékeit, valamint a szög- és mágneses nyomatékokat az összefüggés határozza meg.

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

  ahol μ I (\displaystyle \mu _(I))- az atommag sajátállapotának mágneses kvantum  száma, értékeit az atommag spinkvantumszáma határozza meg

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

  vagyis a mag benne lehet 2 I + 1 (\displaystyle 2I+1)Államok.

  Tehát egy protonhoz (vagy egy másik atommaghoz I = 1/2- 13 C, 19 F, 31 P stb.) csak két állapotban lehet

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

  egy ilyen mag ábrázolható mágneses dipólusként, amelynek z komponense a z tengely pozitív irányával párhuzamosan vagy antiparallel módon orientálható önkényes rendszer koordináták.

  Meg kell jegyezni, hogy külső mágneses tér hiányában minden állapot eltérő μ z (\displaystyle \mu _(z)) ugyanolyan energiájúak, vagyis degeneráltak. A degenerációt külső mágneses térben távolítják el, míg a degenerált állapothoz viszonyított hasadás arányos a külső mágneses térrel és az állapot mágneses momentumával és spinkvantumszámú atommag esetén én külső mágneses térben olyan rendszer 2I+1 energiaszintek − μ z B 0 , − I − 1 I B 0 , . . . , I − 1 IB 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)), vagyis a mágneses magrezonancia természete megegyezik a mágneses térben az elektronikus szintek kettéhasadásával járó Zeeman-effektussal.

  A legegyszerűbb esetben c spinnel rendelkező atommag esetén I = 1/2- például egy protonnál a hasadás

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

  és a spinállapotok energiakülönbsége

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

  Az NMR megfigyelését megkönnyíti, hogy a legtöbb anyagban az atomoknak nincs állandó mágneses momentuma az atomi héj elektronjainak a fagyási orbitális  pillanat jelensége miatt.

  Az NMR rezonanciafrekvenciája fémekben magasabb, mint a diamágnesekben (Knight shift).

  A magok kémiai polarizációja

  Során néhány kémiai reakciók mágneses térben a reakciótermékek NMR-spektrumai vagy rendellenesen nagy abszorpciót vagy rádiósugárzást mutatnak. Ez a tény azt jelzi, hogy a reakciótermékek molekuláiban a nukleáris Zeeman-szintek nem egyensúlyi populációi vannak. Az alsó szint túlnépesedése rendellenes felszívódással jár. A populáció inverziója (a felső szint népesebb, mint az alsó) rádiósugárzást eredményez. Ezt a jelenséget az atommagok kémiai polarizációjának nevezik.

  Egyes atommagok larmor frekvenciái

  mag	Larmor frekvencia MHz-ben, 0,5 Tesla	Larmor frekvencia MHz-ben, 1 Tesla	Larmor frekvencia MHz-ben 7,05 Tesla
  1 H (hidrogén)	21,29	42,58	300.18
  ²D (deutérium)	3,27	6,53	46,08
  13 C (szén)	5,36	10,71	75,51
  23 Na (nátrium)	5,63	11,26	79.40
  39K (kálium)	1,00	1,99

  A protonok rezonanciájának frekvenciája a rövid hullámok tartományába esik (a hullámhossz körülbelül 7 m).

  Az NMR alkalmazása

  Spektroszkópia

  Eszközök

  Az NMR spektrométer szíve egy erős mágnes. Egy Purcell által először a gyakorlatba bevezetett kísérletben egy körülbelül 5 mm átmérőjű üvegampullába helyezett mintát egy erős elektromágnes pólusai közé helyeztek. Ezután a mágneses tér egyenletességének javítása érdekében az ampulla forogni kezd, és a rá ható mágneses mező fokozatosan növekszik. Sugárforrásként kiváló minőségű RF generátort használnak. A növekvő mágneses tér hatására rezonálni kezdenek azok az atommagok, amelyekre a spektrométer hangolva van. Ebben az esetben az árnyékolt atommagok valamivel alacsonyabb frekvencián rezonálnak, mint az elektronhéj nélküli atommagok. Az energiaelnyelést egy RF híd rögzíti, majd egy diagramrögzítő rögzíti. A frekvenciát addig növeljük, amíg el nem ér egy bizonyos határt, amely felett a rezonancia nem lehetséges.

  Mivel a hídról érkező áramok nagyon kicsik, nem korlátozódnak egy spektrum felvételére, hanem több tucat áthaladást tesznek lehetővé. Az összes vett jelet a végső grafikon összegzi, melynek minősége a készülék jel-zaj viszonyától függ.

  Ennél a módszernél a mintát állandó frekvenciájú rádiófrekvenciás sugárzásnak teszik ki, miközben a mágneses tér erőssége változik, ezért is nevezik folyamatos besugárzási módszernek (CW, continous wave).

  Az NMR spektroszkópia hagyományos módszerének számos hátránya van. Először is megköveteli egy nagy szám ideje felépíteni minden spektrumot. Másodszor, nagyon válogatós a külső interferencia hiányában, és általában a kapott spektrumok jelentős zajjal rendelkeznek. Harmadszor, nem alkalmas nagyfrekvenciás spektrométerek (300, 400, 500 és több MHz) létrehozására. Ezért a modern NMR műszerekben az úgynevezett impulzusspektroszkópia (PW) módszerét alkalmazzák, amely a vett jel Fourier-transzformációján alapul. Jelenleg minden NMR spektrométer erős szupravezető mágnesekre épül, állandó mágneses térrel.

  A CW módszerrel ellentétben az impulzusos változatban a magok gerjesztését nem „állandó hullámmal”, hanem egy rövid, több mikroszekundumos impulzus segítségével végzik. Az impulzus frekvenciakomponenseinek amplitúdója a ν 0-tól való távolság növekedésével csökken. De mivel kívánatos, hogy minden mag egyformán legyen besugározva, "kemény impulzusokat", azaz rövid, nagy teljesítményű impulzusokat kell használni. Az impulzus időtartamát úgy választjuk meg, hogy a frekvencia sávszélessége egy vagy két nagyságrenddel nagyobb legyen, mint a spektrum szélessége. A teljesítmény eléri a több ezer wattot.

  Az impulzusspektroszkópia eredményeként nem egy közönséges spektrum látható rezonanciacsúcsokkal, hanem csillapított rezonancia-oszcillációk képe, amelyben az összes rezonáló magból származó összes jel keveredik - az úgynevezett „szabad indukciós bomlás” (FID, szabad indukciós bomlás). Ennek a spektrumnak az átalakítására matematikai módszereket alkalmaznak, az úgynevezett Fourier-transzformációt, amely szerint bármely függvény ábrázolható harmonikus rezgések halmazának összegeként.

  NMR spektrumok

  Az NMR-t használó kvalitatív analízishez spektrális analízist használnak, amely ennek a módszernek a figyelemre méltó tulajdonságain alapul:

  • az egyes funkciós csoportokba tartozó atommagok jelei a spektrum szigorúan meghatározott részein találhatók;
  • a csúcs által határolt integrálterület szigorúan arányos a rezonáló atomok számával;
  • az 1-4 kötésen átfekvő magok multiplett jelek előállítására képesek az ún. hasít egymásra.

  A jel helyzetét az NMR-spektrumokban a referenciajelhez viszonyított kémiai eltolódásuk jellemzi. Az 1H- és13C-NMR-ben ez utóbbiként tetrametil-szilán Si(CH3)4-et (TMS) használunk. A kémiai eltolódás mértékegysége a műszerfrekvencia része per millió (ppm). Ha a TMS jelet 0-nak vesszük, és a gyenge mezőre történő jeleltolódást pozitív kémiai eltolódásnak tekintjük, akkor megkapjuk az ún. δ skálát. Ha a tetrametil-szilán rezonanciája 10 ppm-nek felel meg és fordítsuk meg az előjeleket, akkor a kapott skála a jelenleg gyakorlatilag nem használt τ skála lesz. Ha egy anyag spektruma túl bonyolult értelmezni, akkor kvantumkémiai módszerekkel lehet szűrési állandókat számítani, és ezek alapján korrelálni a jeleket.

  NMR introszkópia

  A mágneses magrezonancia jelensége nemcsak a fizikában és a kémiában, hanem az orvostudományban is hasznosítható: az emberi test ugyanazon szerves és szervetlen molekulák kombinációja.

  Ennek a jelenségnek a megfigyeléséhez egy tárgyat állandó mágneses térbe helyeznek, és rádiófrekvenciás és gradiens mágneses mezőknek teszik ki. A vizsgált objektumot körülvevő induktorban változó elektromotoros erő (EMF) keletkezik, amelynek amplitúdó-frekvencia spektruma és idő-átmeneti jellemzői a rezonáló atommagok térbeli sűrűségéről, valamint egyéb, csak specifikus paraméterekről hordoznak információt. mágneses magrezonanciához. Ezen információk számítógépes feldolgozása során háromdimenziós kép jön létre, amely jellemzi a kémiailag egyenértékű magok sűrűségét, a mágneses magrezonancia relaxációs idejét, a folyadékáramlási sebességek eloszlását, a molekulák diffúzióját, valamint az élő szövetekben zajló anyagcsere biokémiai folyamatait.

  Nukleáris mágneses rezonancia
  nukleáris mágneses rezonancia

  Mágneses magrezonancia (NMR) - az elektromágneses hullámok atommagok általi rezonáns abszorpciója, amely akkor következik be, amikor a saját lendületi momentumaik (spin) vektorainak orientációja megváltozik. Az NMR erős állandó mágneses térbe helyezett mintákban fordul elő, miközben egyidejűleg a rádiófrekvenciás tartomány gyenge váltakozó elektromágneses terének vannak kitéve (a váltakozó tér erővonalainak merőlegesnek kell lenniük az állandó tér erővonalaira). A hidrogénatommagok (protonok) esetén 10 4 oersted erősségű állandó mágneses térben a rezonancia 42,58 MHz rádióhullám-frekvencián lép fel. A 103–104 mágneses mezőben lévő többi atommag esetében az 1–10 MHz frekvenciatartományban figyelhető meg az oersted NMR. Az NMR-t széles körben használják a fizikában, a kémiában és a biokémiában szilárd anyagok és komplex molekulák szerkezetének tanulmányozására. Az orvostudományban 0,5–1 mm felbontású NMR segítségével térbeli képet kapnak az ember belső szerveiről.

  Tekintsük az NMR jelenségét a legegyszerűbb atommag - hidrogén - példáján. A hidrogén atommagja egy proton, amelynek saját mechanikai impulzusnyomatéka (spin) van. A kvantummechanika szerint a proton spin vektornak csak két egymással ellentétes iránya lehet a térben, amelyeket hagyományosan „fel” és „le” szavakkal jelölnek. A protonnak van egy mágneses momentuma is, melynek vektorának iránya mereven kötődik a spinvektor irányához. Ezért a proton mágneses momentumának vektora „fel” vagy „le” irányítható. Így a proton mikroszkopikus mágnesként ábrázolható, két lehetséges térbeli orientációval. Ha egy protont egy külső állandó mágneses térbe helyez, akkor a proton energiája ebben a mezőben attól függ, hogy hová irányul a mágneses momentuma. A proton energiája nagyobb lesz, ha mágneses momentuma (és spinje) a mezővel ellentétes irányba van irányítva. Jelöljük ezt az energiát E ↓ -vel. Ha a proton mágneses momentuma (spin) a mezővel azonos irányú, akkor az E-vel jelölt proton energiája kisebb lesz (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.
  Térjünk át egyetlen protonról egy makroszkopikus hidrogéntartalmú mintára nagy szám protonok. A helyzet így fog kinézni. A mintában a véletlenszerű forgásirányok átlagolása miatt kb egyenlő mennyiségben A protonok állandó külső mágneses mező alkalmazásakor ehhez a mezőhöz viszonyítva lesznek „fel” és „le” spinekkel. A minta ω = (E ↓ − E )/ћ frekvenciájú elektromágneses hullámokkal történő besugárzása a protonok „masszív” spin-flipjét (mágneses momentumait) okozza, aminek következtében a minta összes protonja olyan állapotba kerül. mezőre irányuló pörgetésekkel. A protonok orientációjának ilyen hatalmas változását a besugárzó elektromágneses tér kvantumainak (és energiájának) éles (rezonáns) abszorpciója kíséri. Ez az NMR. Az NMR csak olyan mintákban figyelhető meg egy nagy szám magok (10 16) speciális technikákkal és rendkívül érzékeny eszközökkel.

  NUKLEÁRIS MÁGNESES REZONANCIA(NMR), a rádiófrekvenciás elektromágnes rezonancia-abszorpciójának jelensége. energia in-tion nem nulla magn. ext.-ben található magok pillanatai. állandó mágus. terület. Nem nulla magmágnes. Az 1 H, 2 H, 13 C, 14 N, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P és más atommagok impulzussal rendelkeznek. Az NMR-t általában egyenletes állandó magnon figyeljük meg. mező B 0 , a B 0 mezőre merőleges, gyenge B 1 rádiófrekvenciás mezőt egy vágásra helyezzük. In-in esetén, amelyben a magspin I \u003d 1/2 (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P stb.), a B 0 mezőben a mágnes két iránya lehetségesek. az atommag dipólusmomentuma „a mező mentén” és „mezővel szemben”. A kölcsönhatás következtében kialakuló két energiaszint E. magn. a B mezővel rendelkező mag lendülete 0 intervallum választja el
  Feltéve, hogy vagy ahol h Planck-állandó, v 0 a B 1 rádiófrekvenciás mező frekvenciája, a körfrekvencia, - az ún. gyromag. az atommag aránya, a mező energiájának rezonanciaelnyelése B 1 , az úgynevezett NMR. Az 1 H, 13 C, 31 P nuklidok esetében a B 0 = 11,7 T mező NMR-frekvenciái rendre megegyeznek. (MHz-ben): 500, 160,42 és 202,4; értékek (MHz/T-ben): 42,58, 10,68 és 17,24. A kvantummodell szerint a B 0 mezőben 2I + 1 energiaszint keletkezik, amelyek között átmenetek megengedettek ott, ahol m a magn. kvantumszám.

  Kísérleti technika. Az NMR spektrumok paraméterei. Az NMR spektroszkópia az NMR jelenségen alapul. Az NMR-spektrumokat rádióspektrométerekkel vettük fel (ábra). A vizsgált in-va mintáját magként helyezzük el a generátor áramkör tekercsében (B 1 mező), amely a mágnes résében helyezkedik el, ami létrehozza a B 0 teret úgy, hogy amikor rezonáns abszorpció lép fel, ami egy feszültségesés az áramkörben, amelynek áramköre egy tekercset tartalmaz mintával. A feszültségesést érzékeli, felerősíti, és egy oszcilloszkóp sweep- vagy rögzítőeszközre táplálja. Modernben A rádiós NMR spektrométerek általában varázslót használnak, 1-12 T térerősséggel. A spektrum azon tartománya, amelyben egy vagy több érzékelhető jel van. maxima, ún NMR abszorpciós vonal. A megfigyelt vonal szélessége, max. intenzitása és Hz-ben kifejezve, ún. NMR vonalszélesség. Az NMR-spektrum felbontása - min. az NMR vonal szélessége, a to-ruyu lehetővé teszi ennek a spektrométernek a megfigyelését. Átviteli sebesség - sebesség (Hz / s-ban), amellyel a mágneses erő megváltozik. a mintát befolyásoló rádiófrekvenciás sugárzás mezője vagy frekvenciája az NMR spektrum felvételekor.

  

  Az NMR spektrométer vázlata: 1 - tekercs a mintával; 2 - mágnes pólusok; 3 - rádiófrekvenciás térgenerátor; 4 - erősítő és detektor; 5 - moduláló feszültséggenerátor; 6 - mezőmodulációs tekercsek B 0; 7 - oszcilloszkóp.

  A rendszer az elnyelt energiát újra elosztja magában (ún. spin-spin, vagy transzverzális relaxáció; karakterisztikus idő T 2), és átadja a környezetnek (spin-rács relaxáció, relaxációs idő T 1). A T 1 és T 2 idők információt hordoznak a magok közötti távolságokról és a korrelációs idők bomlásáról. azt mondják mozgások. A T 1 és T 2 függésének mérése a t-ry-től és a v 0 frekvenciától információt ad a hőmozgás természetéről, kémiai. egyensúlyok, fázisátalakulások stb. Merev ráccsal rendelkező szilárd testekben T 2 \u003d 10 μs és T 1\u003e 10 3 s, mivel a spin-rács relaxációnak nincs szabályos mechanizmusa, és a relaxáció a paramágnesességnek köszönhető. szennyeződéseket. A T 2 kicsinysége miatt az NMR vonal természetes szélessége nagyon nagy (tíz kHz), regisztrációjuk a széles vonalak NMR tartományában van. Alacsony viszkozitású folyadékokban a T 1 T 2 mérése másodpercben történik. Ill. Az NMR vonalak szélessége 10-1 Hz nagyságrendű (nagy felbontású NMR). A vonal alakjának torzításmentes reprodukálásához 0,1 Hz szélességű vonalon kell áthaladni 100 másodpercig. Ez jelentős korlátozásokat támaszt az NMR spektrométerek érzékenységében.
  Az NMR-spektrum fő paramétere a chem. eltolás - a megfelelő előjellel felvéve a megfigyelt NMR-jel és valamilyen konvencionálisan kiválasztott referenciajel frekvenciái közötti különbség aránya.-l. szabvány a referenciajel frekvenciájához (ppm-ben kifejezve). Chem. Az NMR eltolódásokat a referenciajel csúcsától számított dimenzió nélküli értékekben mérjük. Ha a szabvány v 0 frekvencián ad jelet, akkor A vizsgált magok természetétől függően proton-NMR-t, vagy PMR-t és 13 C-NMR-t különböztetnek meg (a kémiai eltolódások táblázata a térfogat légylevelein található). NMR 19 F (lásd Organofluor vegyületek), NMR 31 P (lásd Szerves foszforvegyületek) stb. Az értékek jelentős jellemzőkkel rendelkeznek, és lehetővé teszik bizonyos mol jelenlétének meghatározását az NMR spektrumokból. töredékek. Vonatkozó adatok a chem. váltások diff. A kerneleket referenciaként és kézikönyvekben adják ki, és adatbázisokba is hozzák, a to-rymi modern. NMR spektrométerek. A vegyületek sorában szerkezetében közeli, kémiai. az eltolódás egyenesen arányos a megfelelő atommagokon lévő elektronsűrűséggel.
  Az NMR és a13C NMR általánosan elfogadott standardja a tetrametil-szilán (TMS). Normál m. b. feloldjuk a vizsgált oldatban (belső standard), vagy például egy lezárt kapillárisba helyezzük, amely a mintaampulla belsejében helyezkedik el (külső standard). Oldószerként csak olyanok használhatók, amelyek saját felszívódása nem esik át a vizsgálat szempontjából érdekes régióval. A PMR esetében a legjobb p-hordozók azok, amelyek nem tartalmaznak protont (CC1 4, CDC1 3, CS 2, D 2 O stb.).
  A többatomos molekulákban az azonos atomok magjai, amelyek kémiailag nem egyenértékű pozíciót foglalnak el, eltérő kémiai összetételűek. eltolódik a mágneses különbség miatt. magok szűrése vegyértékelektronokkal (az ilyen magokat anizokronnak nevezzük). Az i-edik maghoz hol van az állandó diamágnes. szűrés, ppm-ben mérve A protonoknál a tipikus változási tartomány 20 ppm-ig terjed, nehezebb magoknál ezek az intervallumok 2-3 nagyságrenddel nagyobbak.
  Az NMR spektrumok fontos paramétere a spin-spin kölcsönhatás állandója. (konstans CER) - a közvetett CER mértéke december között. magn. egy molekula magjai (lásd Spin-spin kölcsönhatás); Hz-ben kifejezve.
  Intermod. A nukleáris spinek az i és j atommagok közötti molekulában található elektronspinekkel ezeknek az atommagoknak a kölcsönös orientációjához vezetnek a B 0 mezőben (CNE). Kellő felbontással CER további. a vegyi anyagok bizonyos értékeinek megfelelő sorok sokasága. eltolódások: ahol J ij - CER állandók; F ij - mennyiségek, amelyek értékét az i és j magok spinjei, a megfelelő móló szimmetriája határozzák meg. töredék, kétszögek a vegyi anyag között. a CER-ben részt vevő atommagok közötti kötések száma.
  Ha a chem. Ha az eltolódások elég nagyok, azaz min max (J ij), akkor az SWV egyszerű multiplettként jelenik meg binomiális intenzitáseloszlással (elsőrendű spektrumok). Így az etilcsoportban a metil proton jel 1:2:1 intenzitásarányú hármasként, a metilén protonjel pedig 1:3:3:1 intenzitásarányú négyesként jelenik meg. A 13C-NMR-spektrumban a metincsoportok dublettek (1:1), a metilén- és metilcsoportok pedig rendre. hármasok és négyesek, de magasabb, mint a protonspektrumban, a CER állandó értékei. Chem. az elsőrendű spektrumok eltolódásai megegyeznek a multiplettek középpontjai közötti intervallumokkal, és J ij - a multiplett szomszédos csúcsai közötti távolságokkal. Ha az elsőrendű feltétel nem teljesül, akkor a spektrumok bonyolulttá válnak: bennük általában egyetlen intervallum sem egyenlő J ij -vel. A spektrális paraméterek pontos értékei a kvantummech-ből származnak. számításokat. A vonatkozó programokat a szőnyeg tartalmazza. modern NMR spektrométerek. A kémia informatívsága. Az eltolódások és a CCR-állandók a nagyfelbontású NMR-spektroszkópiát az egyik legfontosabb minőségi módszerré változtatták. és mennyiségeket. komplex keverékek, rendszerek, készítmények és összetételek elemzése, valamint szerkezet- és reakcióvizsgálatok. a molekulák képessége. A konformációk, degenerált és egyéb dinamikusok tanulmányozása során. rendszerek, geom. fehérjemolekulák szerkezete oldatban, roncsolásmentes helyi chem. élő szervezetek elemzése stb. az NMR-módszerek lehetőségei egyedülállóak.

  Magmágnesezés in-va. A Boltzmann-eloszlásnak megfelelően egy kétszintű, N spinből álló spinrendszerben az alsó szinten lévő N + pörgetések számának aránya a felső szinten lévő N - pörgetések számához, ahol k a Boltzmann-állandó; T - t-ra. B 0 \u003d 1 T és T \u003d 300 K esetén a protonok esetében az N + /N - .= 1,00005 arány. Ez az arány határozza meg az in-va magmágnesezés nagyságát, a B 0 mezőbe helyezve. Magn. pillanat m mindegyik mag precessziós mozgást végez a z tengely körül, amely mentén a B 0 mező irányul; ennek a mozgásnak a frekvenciája megegyezik az NMR frekvenciával. A precesszáló magmomentumok z tengelyre vetített vetületeinek összege makroszkopikus képet alkot. mágnesezés in-va M z \u003d 10 18 Az xy síkban, a z tengelyre merőlegesen a vektorok vetületei nullával egyenlőek a precessziós fázisok véletlenszerűsége miatt: M xy \u003d 0. Az energiaelnyelés az NMR során azt jelenti, hogy több spin megy át az alsó szintről a felsőre egységnyi idő alatt, mint az ellenkező irányba, azaz a populációkülönbség N + - N - csökken (a spinrendszer felmelegedése, NMR-telítettség). Amikor telített álló üzemmód a rendszer mágnesezettsége nagymértékben megnőhet. Ez az ún. az Overhauser-effektust a NOE (Nuclear Overhauser-effektus) elnevezésű atommagoknál a to-ry széles körben alkalmazzák az érzékenység növelésére, valamint a magok közötti távolságok felmérésére a mol tanulmányozása során. geometriák NMR spektroszkópiai módszerekkel.

  Vektor NMR modell. Az NMR regisztrálásakor rádiófrekvenciás mezőt alkalmaznak a mintára, amely az xy síkban hat. Ebben a síkban a B 1 mező két B 1m/ 2 amplitúdójú vektornak tekinthető, amelyek frekvenciával ellentétes irányban forognak. Bevezetünk egy x "y" z forgó koordináta-rendszert, az x tengely egybeesik a vektorokkal azonos irányban forgó B 1m / 2 vektorral, melynek hatása a precessziós kúp csúcsán bezárt szög változását okozza. magmágneses momentumok, az M z magmágnesezés kezd függni az időtől, és az x "y" síkban a magmágnesezettség nullától eltérő vetülete jelenik meg. Fix koordinátarendszerben ez a vetület frekvenciával, azaz rádiófrekvenciás feszültséggel forog indukálódik az induktorban, ami detektálás után NMR jelet ad - a magmágnesezés funkcióját a frekvenciától lassú változás (sweep mód) és impulzusos NMR különbözteti meg. A magmágnesezési vektor valós komplex mozgása két független jelet hoz létre. x "y" síkban: M x, (egy fázisban B 1 rádiófrekvenciás feszültséggel) és M y" (B 1-hez képest 90 °C-kal eltolva). M x" és M y" (kvadratúra detektálás) egyidejű regisztrálása megduplázza az NMR spektrométer érzékenységét. Az M z = M x" = M y" = 0 vetület B 1m kellően nagy amplitúdójával (NMR telítés). Ezért a B 1 mező folyamatos működése mellett az amplitúdójának nagyon kicsinek kell lennie ahhoz, hogy a megfigyelés kezdeti feltételei változatlanok maradjanak.
  Az impulzusos NMR-nél a B 1 értékét ezzel szemben olyan nagyra választjuk, hogy t és T 2 idő alatt az M z vektor szöggel eltér a z tengelytől. \u003d 90 °-nál az impulzust 90 °-nak nevezik (/2-impulzus); hatása alatt a magmágnesezési vektor az x "y" síkban van, azaz az impulzus vége után az M y vektor amplitúdója csökkenni kezd T 2 idővel a fázisdivergencia következtében. alkotó elemi vektorok (spin-spin relaxáció) Az M z magmágnesezés egyensúlyának helyreállítása a T 1 spin-rács relaxációs idővel történik. = 180°-nál (impulzus) az M z vektor a z negatív iránya mentén illeszkedik tengelyen, az impulzus vége után ellazulva egyensúlyi helyzetébe A kombinációkat és impulzusokat széles körben alkalmazzák a modern többimpulzusos NMR-spektroszkópiában.
  Fontos tulajdonság forgó koordinátarendszer a rezonanciafrekvenciák különbsége benne és fix koordinátarendszerben: ha B 1 B lok (statikus lokális mező), akkor az M vektor a forgó koordináta-rendszerben a mezőhöz képest precesszál Rezonanciára finomhangoláskor a NMR frekvencia a forgó koordinátarendszerben Ez lehetővé teszi az NMR lehetőségeinek jelentős bővítését a lassú folyamatok vizsgálatában a ve.

  Chem. csere és NMR spektrumok(dinamikus NMR). Az A B kétpozíciós csere paraméterei a tartózkodási idők és a tartózkodási valószínűségek és Alacsony t-re mellett az NMR-spektrum két keskeny vonalból áll, amelyeket Hz választ el; majd a csökkenéssel és a vonalak a helyükön maradva kiszélesedni kezdenek. Amikor a cserefrekvencia kezdi meghaladni a vonalak közötti kezdeti távolságot, a vonalak konvergálni kezdenek, és 10-szeres többletnél egy széles vonal keletkezik az intervallum közepén (v A, v B), ha egy a hőmérséklet további emelkedésével ez a kombinált vonal leszűkül. Kísérletek összehasonlítása. A számított spektrum lehetővé teszi, hogy minden t-ry meghatározza a vegyi anyag pontos gyakoriságát. ezek az adatok termodinamikai számításokat végeznek. folyamat jellemzői. Többpozíciós cserével komplex NMR-spektrumban, elmélet. a spektrumot a kvantummech. számítás. Dinamikus Az NMR az egyik fő a sztereokémia tanulmányozásának módszerei. nem-merevség, konformációs egyensúlyok stb.

  Forgatás varázslatos szögben. A dipól-dipól kölcsönhatás potenciáljának kifejezése. szorzót tartalmaz ahol a B 0 és az r ij internukleáris vektor közötti szög. At = arccos 3 -1/2 = 54 ° 44 "("mágikus" szög), ezek a tényezők eltűnnek, azaz a vonalszélességhez való megfelelő hozzájárulások eltűnnek. Ha egy szilárd mintát nagyon nagy sebességgel csavarnak egy ferde tengely körül a B 0 -hoz mért mágikus szög alatt, akkor szilárd anyagban csaknem olyan keskeny vonalakkal rendelkező, nagyfelbontású spektrumok nyerhetők, mint a folyadékban.

  Széles vonalak szilárd testekben. A merev ráccsal rendelkező kristályokban az NMR vonal alakja a statikusságnak köszönhető. lokális mágnesek elosztása. mezőket. Az összes rácsmag, a klaszter kivételével, a vizsgált mag körüli V 0 transzlációs invariáns térfogatban, Gauss-eloszlást ad g(v) = exp(-v 2 /2a 2), ahol v a távolság a a vonal közepe; a Gauss-a szélessége fordítottan arányos a geom középértékével. V 0 és V 1 térfogat, V 1 pedig a magnézium átlagos koncentrációját jellemzi a kristályban. magok. A mágnes belső V 0 koncentrációja. magok az átlagosnál több, és közel magokhoz a dipól-dipól kölcsönhatás miatt. és chem. Az eltolódások a (-b, b) intervallumra korlátozott spektrumot hoznak létre, ahol b körülbelül kétszer akkora, mint a. Az első közelítésben a spektrum

  Az oldal biztosítja háttér-információ csak tájékoztató jellegűek. A betegségek diagnosztizálását és kezelését szakember felügyelete mellett kell elvégezni. Minden gyógyszernek van ellenjavallata. Szakértői tanács szükséges!

  Általános információ

  Jelenség mágneses magrezonancia (NMR) Isaac rabbi fedezte fel 1938-ban. A jelenség alapja az atommagok mágneses tulajdonságainak jelenléte. Csak 2003-ban találtak ki módszert ennek a jelenségnek az orvostudományban történő diagnosztikai célú felhasználására. A találmányért szerzői Nobel-díjat kaptak. A spektroszkópiában a vizsgált test ( azaz a páciens testét) elektromágneses mezőbe helyezik, és rádióhullámokkal besugározzák. Ez egy teljesen biztonságos módszer ellentétben például a számítógépes tomográfiával), amelynek felbontása és érzékenysége nagyon magas.
  

  Alkalmazás a közgazdaságtanban és a tudományban

  1. Kémiában és fizikában a reakcióban részt vevő anyagok azonosítása, valamint végeredmények reakciók,
  2. A gyógyszerek előállítására szolgáló farmakológiában
  3. A mezőgazdaságban meghatározni kémiai összetétel gabona és vetéskész ( nagyon hasznos új fajok nemesítésében),
  4. Az orvostudományban - diagnosztikára. Nagyon informatív módszer a gerincbetegségek, különösen a csigolyaközi lemezek diagnosztizálására. Lehetővé teszi a lemez integritásának legkisebb megsértésének észlelését is. Kimutatja a rákos daganatokat a kialakulásának korai szakaszában.

  A módszer lényege

  A mágneses magrezonancia módszere azon a tényen alapul, hogy abban a pillanatban, amikor a test speciálisan hangolt nagyon erős mágneses térben van ( 10 000-szer erősebb, mint bolygónk mágneses tere), a test minden sejtjében jelenlévő vízmolekulák a mágneses tér irányával párhuzamos láncokat alkotnak.

  Ha a mező iránya hirtelen megváltozik, a vízmolekula egy részecskét elektromosságot szabadít fel. Ezeket a töltéseket rögzítik a készülék érzékelői, és egy számítógép elemzi. A sejtekben a vízkoncentráció intenzitása szerint a számítógép modellt készít a vizsgált szervről vagy testrészről.

  A kimeneten az orvosnak van egy monokróm képe, amelyen nagyon részletesen láthatók a szerv vékony metszete. Információtartalmát tekintve ez a módszer jelentősen meghaladja a számítógépes tomográfiát. Néha még több részlet áll rendelkezésre a vizsgált szervről, mint amennyi a diagnózishoz szükséges.

  A mágneses rezonancia spektroszkópia típusai

  • biológiai folyadékok,
  • Belső szervek.
  A technika lehetővé teszi az emberi test összes szövetének részletes vizsgálatát, beleértve a vizet is. Minél több folyadék van a szövetekben, annál világosabbak és világosabbak a képen. A csontokat, amelyekben kevés a víz, sötétnek ábrázolják. Ezért a csontbetegségek diagnosztizálásában a számítógépes tomográfia informatívabb.

  A mágneses rezonancia perfúziós technika lehetővé teszi a vér mozgásának szabályozását a máj és az agy szövetein keresztül.

  Ma ezt a nevet szélesebb körben használják az orvostudományban. MRI (Mágneses rezonancia képalkotás ), mivel a címben szereplő nukleáris reakció említése megrémíti a betegeket.

  Javallatok

  1. agyi betegségek,
  2. Az agyi régiók funkcióinak tanulmányozása,
  3. ízületi betegségek,
  4. gerincbetegségek,
  5. A hasüreg belső szerveinek betegségei,
  6. A húgyúti rendszer és a reprodukciós betegségek,
  7. A mediastinum és a szív betegségei,
  8. Érrendszeri betegségek.

  Ellenjavallatok

  Abszolút ellenjavallatok:
  1. pacemaker,
  2. Elektronikus vagy ferromágneses középfül protézisek,
  3. Ilizarov ferromágneses eszközök,
  4. Nagyméretű fém belső protézisek,
  5. Az agyi erek vérzéscsillapító bilincsei.

  Relatív ellenjavallatok:
  1. idegrendszer stimulánsok,
  2. inzulinpumpák,
  3. Más típusú belső fülprotézisek,
  4. szívbillentyű protézisek,
  5. Vérzéscsillapító bilincsek más szerveken,
  6. Terhesség ( ki kell kérni egy nőgyógyász véleményét),
  7. szívelégtelenség a dekompenzáció szakaszában,
  8. klausztrofóbia ( félelem a zárt tértől).

  Tanulmányi előkészítés

  Speciális felkészülésre csak azoknak a betegeknek van szükségük, akik belső szervi vizsgálatra mennek ( húgyúti és emésztőrendszer): Az eljárás előtt öt órával nem szabad enni.
  Ha a fejet vizsgálják, a szép nemnek ajánlott eltávolítani a sminket, mivel a kozmetikumokban található anyagok ( például szemhéjfestékben) befolyásolhatja az eredményt. Minden fém ékszert el kell távolítani.
  Néha az egészségügyi személyzet egy hordozható fémdetektorral ellenőrzi a pácienst.

  Hogyan történik a kutatás?

  A vizsgálat megkezdése előtt minden beteg kitölt egy kérdőívet, amely segít azonosítani az ellenjavallatokat.

  Az eszköz egy széles cső, amelybe a pácienst vízszintes helyzetbe helyezik. A betegnek teljesen mozdulatlanul kell maradnia, különben a kép nem lesz elég tiszta. A cső belsejében nincs sötét, és kényszerszellőztetés van, így az eljárás körülményei meglehetősen kényelmesek. Egyes installációk érezhető zümmögést produkálnak, majd zajelnyelő fejhallgatót helyeznek a vizsgált személyre.
  
  A vizsgálat időtartama 15 perctől 60 percig terjedhet.
  Egyes egészségügyi központokban megengedett, hogy a vizsgálatot végző helyiség a pácienssel együtt a hozzátartozója vagy kísérője legyen ( ha nincs ellenjavallata).

  Egyes egészségügyi központokban aneszteziológus nyugtatókat ad be. Ebben az esetben az eljárás sokkal könnyebben tolerálható, különösen a klausztrofóbiában szenvedő betegek, kisgyermekek vagy olyan betegek, akik valamilyen okból nehezen mozdulnak el. A páciens a terápiás alvás állapotába esik, és kipihenten és éberen jön ki belőle. Az alkalmazott gyógyszerek gyorsan kiürülnek a szervezetből, és biztonságosak a beteg számára.

  
  A vizsgálat eredménye az eljárás befejezése után 30 percen belül készen áll. Az eredményt DVD, orvosi jelentés és képek formájában adjuk ki.

  Kontrasztanyag használata MRI-ben

  Leggyakrabban az eljárás kontraszt használata nélkül történik. Bizonyos esetekben azonban szükséges érrendszeri vizsgálatra). Ebben az esetben a kontrasztanyagot katéter segítségével intravénásan infundáljuk. Az eljárás hasonló bármely intravénás injekcióhoz. Az ilyen típusú kutatásokhoz speciális anyagokat használnak - paramágnesek. Ezek gyenge mágneses anyagok, amelyek részecskéi külső mágneses térben a térerővonalakkal párhuzamosan mágneseződnek.

  Ellenjavallatok a kontrasztanyag használatához:

  • Terhesség,
  • Egyéni intolerancia a kontrasztanyag összetevőivel szemben, korábban azonosítva.

  Érek vizsgálata (mágneses rezonancia angiográfia)

  Ezzel a módszerrel szabályozhatja a keringési hálózat állapotát és a vér mozgását az ereken keresztül.
  Annak ellenére, hogy a módszer lehetővé teszi az erek "látását" kontrasztanyag nélkül, használatával a kép vizuálisabb.
  A speciális 4-D telepítések lehetővé teszik a vér mozgásának szinte valós idejű követését.

  Javallatok:

  • veleszületett szívhibák,
  • Aneurizma, boncolása,
  • érszűkület,

  agykutatás

  Ez egy olyan agykutatás, amely nem használ radioaktív sugarakat. A módszer lehetővé teszi a koponya csontjainak megtekintését, de a lágy szövetek részletesebben is megvizsgálhatók. Kiváló diagnosztikai módszer az idegsebészetben, valamint a neurológiában. Lehetővé teszi a krónikus zúzódások és agyrázkódások, agyvérzések, valamint a daganatok következményeinek kimutatását.
  Általában ismeretlen etiológiájú migrénszerű állapotok, tudatzavar, daganatok, hematómák, koordinációs zavarok esetén írják fel.
  
  Az agy MRI-jével a következőket vizsgálják:
  • a nyak fő erei,
  • az agyat tápláló erek
  • agyszövet,
  • szempályák,
  • az agy mélyebb részei kisagy, tobozmirigy, agyalapi mirigy, hosszúkás és közbenső osztályok).

  Funkcionális NMR

  Ez a diagnózis azon a tényen alapul, hogy ha az agy egy bizonyos funkcióért felelős része aktiválódik, akkor ezen a területen a vérkeringés fokozódik.
  A vizsgált személy különféle feladatokat kap, ezek végrehajtása során rögzítik a vérkeringést az agy különböző részein. A kísérletek során kapott adatokat összehasonlítjuk a pihenőidő alatt kapott tomogrammal.

  Gerinc vizsgálata

  Ez a módszer kiválóan alkalmas idegvégződések, izmok, csontvelő és szalagok, valamint csigolyaközi lemezek vizsgálatára. De a gerinctörések vagy a csontszerkezetek tanulmányozásának szükségessége esetén ez némileg rosszabb, mint a számítógépes tomográfia.

  Megvizsgálhatja az egész gerincet, vagy csak a zavaró szakaszt: a nyaki, a mellkasi, a lumbosacralis és külön a farkcsontot is. Tehát a nyaki régió vizsgálatakor kimutathatók az erek és a csigolyák patológiái, amelyek befolyásolják az agy vérellátását.
  Az ágyéki régió vizsgálatakor csigolyaközi sérvek, csont- és porctüskék, valamint becsípődött idegek kimutathatók.
  
  Javallatok:

  • A csigolyaközi lemezek alakjának megváltozása, beleértve a herniációt,
  • Hát- és gerincsérülések
  • Osteochondrosis, dystrophiás és gyulladásos folyamatok a csontokban,
  • Neoplazmák.

  Gerincvelő vizsgálata

  A gerinc vizsgálatával egyidejűleg történik.

  Javallatok:

  • A gerincvelő neoplazmáinak valószínűsége, fokális elváltozás,
  • A gerincvelői folyadék üregeinek feltöltődésének szabályozására,
  • gerinc ciszták,
  • A műtét utáni felépülés szabályozására,
  • A gerincvelő betegségeinek valószínűségével.

  Közös tanulmány

  Ez a kutatási módszer nagyon hatékony az ízületet alkotó lágy szövetek állapotának vizsgálatára.

  Diagnosztizálására használják:

  • krónikus ízületi gyulladás,
  • Ín-, izom- és szalagsérülések ( különösen a sportgyógyászatban használják),
  • törések,
  • Lágy szövetek és csontok daganatai,
  • Más diagnosztikai módszerekkel nem észlelt károsodás.
  Vonatkozik:
  • Csípőízületek vizsgálata osteomyelitis, combfej nekrózis, stressztörés, szeptikus ízületi gyulladás,
  • Térdízületek vizsgálata stresszes törésekkel, egyes belső alkatrészek integritásának megsértésével ( meniszkusz, porc),
  • Vállízület vizsgálata elmozdulás, idegcsípődés, ízületi tokszakadás esetén,
  • A csuklóízület vizsgálata a stabilitás megsértésével, többszörös törés, a középső ideg sérülése, a szalagok károsodása.

  A temporomandibularis ízület vizsgálata

  Az ízület működésében fellépő jogsértés okainak meghatározását írják elő. Ez a tanulmány a legteljesebben feltárja a porcok és az izmok állapotát, lehetővé teszi a diszlokációk kimutatását. Fogszabályozási vagy ortopédiai műtétek előtt is alkalmazzák.

  Javallatok:

  • Az alsó állkapocs mobilitásának elvesztése
  • Kattanások nyitáskor - a száj bezárása,
  • Fájdalom a templomban nyitáskor - a száj bezárása,
  • Fájdalom a rágóizmok tapintásakor,
  • Fájdalom a nyak és a fej izmaiban.

  A hasüreg belső szerveinek vizsgálata

  A hasnyálmirigy és a máj vizsgálatát a következőkre írják fel:
  • nem fertőző sárgaság,
  • Májdaganat, degeneráció, tályog, ciszták, májzsugorodás valószínűsége,
  • A kezelés folyamatának ellenőrzéseként
  • Traumatikus törések esetén
  • Kövek az epehólyagban vagy az epeutakban
  • Pancreatitis bármilyen formában,
  • A daganatok kialakulásának valószínűsége
  • A parenchyma ischaemia.
  A módszer lehetővé teszi a hasnyálmirigy-ciszták kimutatását, az epeutak állapotának vizsgálatát. Minden olyan képződmény látható, amely eltömíti a csatornákat.

  Vesevizsgálat javasolt:

  • Neoplazma gyanúja
  • A vesék közelében található szervek és szövetek betegségei,
  • A húgyúti szervek képződésének megsértésének valószínűsége,
  • Excretory urográfia elvégzésének lehetetlensége esetén.
  A belső szervek mágneses magrezonancia módszerrel történő vizsgálata előtt ultrahangvizsgálatot kell végezni.

  A reproduktív rendszer betegségeinek kutatása

  Kismedencei vizsgálatokat írnak elő:
  • A méh, a hólyag, a prosztata daganatának valószínűsége,
  • sérülés,
  • A kis medence daganatai a metasztázisok kimutatására,
  • Fájdalom a keresztcsont régiójában,
  • vesiculitis,
  • A nyirokcsomók állapotának vizsgálata.
  Prosztatarák esetén ezt a vizsgálatot a neoplazma közeli szervekre való terjedésének kimutatására írják elő.

  Egy órával a vizsgálat előtt nem kívánatos a vizelés, mivel a kép informatívabb lesz, ha a hólyag kissé tele van.

  Kutatás terhesség alatt

  Annak ellenére, hogy ez a kutatási módszer sokkal biztonságosabb, mint a röntgen vagy a számítógépes tomográfia, a terhesség első trimeszterében szigorúan tilos használni.
  E módszerek második és harmadik trimeszterében a módszert csak egészségügyi okokból írják elő. Az eljárás veszélye a terhes nő testére abban rejlik, hogy az eljárás során egyes szövetek felmelegednek, ami nem kívánt változásokat okozhat a magzat kialakulásában.
  De a kontrasztanyag alkalmazása a terhesség alatt szigorúan tilos a terhesség bármely szakaszában.
  

  Elővigyázatossági intézkedések

  1. Egyes NMR-berendezések zárt cső formájában épülnek fel. A zárt terektől való félelemtől szenvedők rohamot kaphatnak. Ezért jobb előre megkérdezni, hogyan fog menni az eljárás. Vannak nyitott telepítések. Ezek egy röntgenszobához hasonló helyiségek, de ritkák az ilyen létesítmények.

  2. Tilos fémtárgyakkal és elektronikus eszközökkel belépni abba a helyiségbe, ahol a készülék található ( például órák, ékszerek, kulcsok), mivel az erős elektromágneses térben az elektronikai eszközök meghibásodhatnak, és kis fémtárgyak szétszóródhatnak. Ugyanakkor nem teljesen helyes felmérési adatokat kapunk.
  

  A nukleáris mágneses rezonancia (NMR) egy olyan magspektroszkópia, amelyet széles körben alkalmaznak minden területen fizikai tudományokés az ipar. Az NMR-ben a az atommagok belső spin tulajdonságainak vizsgálata nagy mágnes segítségével. Mint minden spektroszkópia, ez is elektromágneses sugárzást (rádiófrekvenciás hullámokat a VHF tartományban) használ az energiaszintek közötti átmenet (rezonancia) létrehozására. A kémiában az NMR segít meghatározni a kis molekulák szerkezetét. A mágneses magrezonancia az orvostudományban alkalmazásra talált a mágneses rezonancia képalkotásban (MRI).

  Nyítás

  Az NMR-t 1946-ban fedezték fel a Harvard Egyetem tudósai, Purcell, Pound és Torrey, valamint a stanfordi Bloch, Hansen és Packard. Észrevették, hogy az 1 H és 31 P atommagok (proton és foszfor-31) képesek elnyelni a rádiófrekvenciás energiát, ha olyan mágneses térnek vannak kitéve, amelynek erőssége minden atomra jellemző. Amikor felszívódtak, rezonálni kezdtek, mindegyik elem a saját frekvenciáján. Ez a megfigyelés lehetővé tette a molekula szerkezetének részletes elemzését. Azóta az NMR-t szilárd anyagok, folyadékok és gázok kinetikai és szerkezeti vizsgálataiban alkalmazták, ami 6 Nobel-díjat eredményezett.

  Spin és mágneses tulajdonságok

  A mag abból áll elemi részecskék neutronoknak és protonoknak nevezzük. Megvan a saját szögimpulzusuk, amit spinnek neveznek. Az elektronokhoz hasonlóan az atommag spinje is leírható az I és m kvantumszámokkal mágneses térben. A páros számú protont és neutront tartalmazó atommagok spinje nulla, míg az összes többi nem nulla. Ezenkívül a nem nulla spinű molekulák mágneses momentuma μ = γ én, ahol γ a giromágneses arány, a mágneses dipólusmomentum és a szögmomentum közötti arányossági állandó, amely atomonként eltérő.

  A mag mágneses nyomatéka apró mágnesként viselkedik. Külső mágneses tér hiányában minden mágnes véletlenszerűen van orientálva. Az NMR-kísérlet során a mintát egy külső B 0 mágneses térbe helyezzük, ami hatására az alacsony energiájú rúdmágnesek a B 0 irányába, a nagy energiájúak pedig az ellenkező irányban igazodnak. Ebben az esetben a mágnesek spinjének iránya megváltozik. Ennek a meglehetősen absztrakt fogalomnak a megértéséhez figyelembe kell venni az atommag energiaszintjét egy NMR-kísérlet során.

  Energiaszintek

  A forgatáshoz egész számú kvantum szükséges. Bármely m-hez 2m + 1 energiaszint tartozik. Egy 1/2-es spinű atommagnál csak kettő van - alacsony, amelyet a B 0 -hoz igazodó spinek foglalnak el, és a magas, amelyet a B 0 ellen irányuló spinek foglalnak el. Minden energiaszintet E = -mℏγВ 0 definiál, ahol m a mágneses kvantumszám, ebben az esetben +/- 1/2. Az m > 1/2 energiaszintek, amelyeket kvadrupol magoknak neveznek, összetettebbek.

  A szintek közötti energiakülönbség: ΔE = ℏγB 0, ahol ℏ Planck-állandó.

  Amint látja, a mágneses tér erőssége van nagyon fontos, mert ennek hiányában a szintek elfajulnak.

  

  Energiaátmenetek

  A mágneses magrezonancia létrejöttéhez spin-flipnek kell bekövetkeznie az energiaszintek között. A két állapot közötti energiakülönbség az elektromágneses sugárzás energiájának felel meg, ami miatt az atommagok energiaszintjüket megváltoztatják. Legtöbbnek NMR spektrométerek 0-nál 1 Tesla (T) nagyságrendű, γ - 10 7. Ezért a szükséges elektromágneses sugárzás 10 7 Hz nagyságrendű. A fotonenergiát az E = hν képlet ábrázolja. Ezért az abszorpcióhoz szükséges frekvencia: ν= γВ 0 /2π.

  Nukleáris árnyékolás

  Az NMR fizikája a nukleáris árnyékolás koncepcióján alapul, amely lehetővé teszi az anyag szerkezetének meghatározását. Mindegyik atomot elektronok vesznek körül, amelyek az atommag körül keringenek, és annak mágneses terére hatnak, ami viszont kis energiaszint-változásokat okoz. Ezt árnyékolásnak hívják. Azokat az atommagokat, amelyek a helyi elektronikus kölcsönhatásokhoz kapcsolódó különböző mágneses tereket tapasztalnak, nem egyenértékűnek nevezzük. A spin-flip energiaszintjének megváltoztatása eltérő frekvenciát igényel, ami új csúcsot hoz létre az NMR-spektrumban. A szűrés lehetővé teszi a molekulák szerkezeti meghatározását az NMR-jel Fourier-transzformációval történő elemzésével. Az eredmény egy spektrum, amely csúcsok halmazából áll, amelyek mindegyike más-más kémiai környezetnek felel meg. A csúcs területe egyenesen arányos a magok számával. A részletes szerkezeti információkat a NMR kölcsönhatások, amelyek különböző módon változtatják a spektrumot.

  

  Kikapcsolódás

  A relaxáció arra a jelenségre utal, amikor a magok visszakerülnek a magukba termodinamikailag stabil a gerjesztés után az állapot magasabb energiaszintjére. Ebben az esetben a többről való átmenet során elnyelt energia alacsony szint egy magasabbra. Ez egy meglehetősen összetett folyamat, amely különböző időkeretekben megy végbe. A kettő leginkább széles körben elterjedt relaxációs típusok a spin-rács és a spin-spin.

  A relaxáció megértéséhez a teljes mintát figyelembe kell venni. Ha az atommagokat külső mágneses térbe helyezzük, akkor a Z tengely mentén ömlesztett mágnesezettséget hoznak létre, spinjeik is koherensek és lehetővé teszik a jel detektálását. Az NMR a tömbmágnesezést a Z tengelyről az XY síkra tolja el, ahol megnyilvánul.

  A spin-rács relaxációt az a T 1 idő jellemzi, amely ahhoz szükséges, hogy a Z tengely mentén a mágnesezettség 37%-a helyreálljon Minél hatékonyabb a relaxációs folyamat, annál kisebb a T 1 . Szilárd testekben, mivel a molekulák közötti mozgás korlátozott, a relaxációs idő hosszú. A méréseket általában impulzusos módszerrel végzik.

  A spin-spin relaxációt a T 2 kölcsönös koherencia elvesztése jellemzi. Lehet kisebb vagy egyenlő, mint T 1 .

  

  A mágneses magrezonancia és alkalmazásai

  A két fő terület, ahol az NMR rendkívül fontosnak bizonyult, az orvostudomány és a kémia, de minden nap új alkalmazások születnek.

  A nukleáris mágneses rezonancia képalkotás, közismertebb nevén mágneses rezonancia képalkotás (MRI) fontos orvosi diagnosztikai eszköz az emberi test funkcióinak és szerkezetének tanulmányozására szolgál. Lehetővé teszi bármely szervről, különösen a lágyszövetekről, minden lehetséges síkban részletes képek készítését. Szív- és érrendszeri, neurológiai, mozgásszervi és onkológiai képalkotás területén használatos. Az alternatív számítógépes tomográfiával ellentétben a mágneses rezonancia képalkotás nem használ ionizáló sugárzást, ezért teljesen biztonságos.

  Az MRI képes észlelni az idő múlásával fellépő finom változásokat. Az NMR képalkotás segítségével azonosíthatók a betegség során fellépő szerkezeti rendellenességek, hogyan befolyásolják a későbbi fejlődést, és hogyan korrelál a progressziójuk a mentális és érzelmi szempontok rendellenességek. Mivel az MRI nem jól vizualizálja a csontot, kiváló intracranialis és intravertebrális tartalom.

  

  A mágneses magrezonancia alkalmazásának elvei a diagnosztikában

  Az MRI-eljárás során a páciens egy hatalmas, üreges hengeres mágnesben fekszik, és erős, stabil mágneses térnek van kitéve. A pásztázott testrész különböző atomjai a tér különböző frekvenciáin rezonálnak. Az MRI-t elsősorban olyan hidrogénatomok rezgésének kimutatására használják, amelyek kisméretű, forgó protonmagot tartalmaznak. mágneses mező. Az MRI-ben a háttér mágneses mező sorba rendezi a szövet összes hidrogénatomját. A második mágneses tér, amelynek tájolása eltér a háttértől, másodpercenként sokszor be- és kikapcsol. Egy bizonyos frekvencián az atomok rezonálnak és felsorakoznak a második mezővel. Amikor kikapcsol, az atomok visszapattannak, igazodva a háttérhez. Ez olyan jelet hoz létre, amely fogadható és képpé alakítható.

  A nagy mennyiségű hidrogént tartalmazó szövetek, amelyek a víz összetételében jelen vannak az emberi testben, világos képet hoznak létre, kis mennyiségben vagy hiányában (például csontok) sötétnek tűnnek. Az MRI fényességét kontrasztanyag, például gadodiamid növeli, amelyet a betegek a beavatkozás előtt vesznek be. Bár ezek a szerek javíthatják a képminőséget, az eljárás érzékenysége viszonylag korlátozott marad. Olyan technikákat fejlesztenek ki, amelyek növelik az MRI érzékenységét. A legígéretesebb a parahidrogén, a hidrogén egy olyan formája, amely egyedülálló molekuláris spin tulajdonságokkal rendelkezik, és nagyon érzékeny a mágneses mezőkre.

  

  Az MRI-ben használt mágneses mezők teljesítményének javulása rendkívül érzékeny képalkotó módszerek, például diffúziós és funkcionális MRI kifejlesztéséhez vezetett, amelyeket úgy terveztek, hogy nagyon specifikus szöveti tulajdonságokat jelenítsenek meg. Ezenkívül az MRI technológia egyedülálló formáját, az úgynevezett mágneses rezonancia angiográfiát használják a vér mozgásának leképezésére. Lehetővé teszi az artériák és vénák megjelenítését tűk, katéterek vagy kontrasztanyagok nélkül. Az MRI-hez hasonlóan ezek a technikák is forradalmasították az orvosbiológiai kutatást és diagnosztikát.

  A fejlett számítástechnika lehetővé tette a radiológusok számára, hogy MRI-szkennerekkel nyert digitális metszetekből háromdimenziós hologramokat hozzanak létre, amelyek a léziók pontos helyének meghatározására szolgálnak. A tomográfia különösen értékes az agy és a gerincvelő, valamint a kismedencei szervek, például a hólyag és a szivacsos csontok vizsgálatában. A módszer lehetővé teszi a daganatos károsodás mértékének gyors és egyértelműen pontos meghatározását, valamint a stroke lehetséges károsodásának felmérését, így az orvosok időben előírhatják a megfelelő kezelést. Az MRI nagymértékben kiszorította az artrográfiát, a kontrasztanyag ízületbe történő befecskendezésének szükségességét a porc- vagy szalagkárosodás megjelenítéséhez, valamint a mielográfiát, a kontrasztanyagnak a gerinccsatornába történő befecskendezését a gerincvelő vagy a csigolyaközi porckorong rendellenességeinek megjelenítésére.

  

  Alkalmazás a kémiában

  Manapság számos laboratóriumban a mágneses magrezonanciát használják fontos kémiai és biológiai vegyületek szerkezetének meghatározására. Az NMR-spektrumokban különböző csúcsok adnak információt az adott kémiai környezetről és az atomok közötti kötésekről. A legtöbb széles körben elterjedt a mágneses rezonancia jelek kimutatására használt izotópok az 1 H és a 13 C, de sok más is megfelelő, mint például a 2 H, 3 He, 15 N, 19 F stb.

  A modern NMR-spektroszkópia széleskörű alkalmazást talált biomolekuláris rendszerekben és játékokban fontos szerep szerkezetbiológiában. A módszertan és az eszközök fejlődésével az NMR a biomakromolekulák elemzésének egyik legerősebb és legsokoldalúbb spektroszkópiai módszerévé vált, amely lehetővé teszi azok és komplexeik jellemzését akár 100 kDa méretig. A röntgenkrisztallográfiával együtt ez az egyik szerkezetük meghatározására szolgáló két vezető technológia közül atomi szinten. Emellett az NMR egyedülálló és fontos információ a fejlődésben döntő szerepet játszó fehérje funkcióiról gyógyszerek. Néhány alkalmazás NMR spektroszkópia alább felsoroljuk.

  • Ez az egyetlen módszer a biomakromolekulák atomi szerkezetének meghatározására vizes oldatokban közel fiziológiai körülmények vagy membrán-szimuláló közeg.
  • Molekuláris dinamika. Ez a legerősebb módszer számszerűsítése biomakromolekulák dinamikus tulajdonságai.
  • Fehérje hajtogatás. NMR spektroszkópia a leghatékonyabb eszköz a kibontott fehérjék és a folding mediátorok maradék szerkezetének meghatározására.
  • Az ionizáció állapota. A módszer hatékonyan meghatározza a biomakromolekulák funkciós csoportjainak kémiai tulajdonságait, például az ionizációt. enzimaktív helyek ionizálható csoportjainak állapotai.
  • A mágneses magrezonancia lehetővé teszi a makrobiomolekulák közötti gyenge funkcionális kölcsönhatások vizsgálatát (például mikromoláris és millimoláris tartományban lévő disszociációs állandókkal), amelyek más módszerekkel nem végezhetők el.
  • Fehérje hidratálás. Az NMR egy eszköz a belső víz és annak biomakromolekulákkal való kölcsönhatásának kimutatására.
  • Ez egyedi közvetlen kölcsönhatás kimutatási módszer hidrogénkötések.
  • Szűrés és gyógyszerfejlesztés. A mágneses magrezonancia különösen hasznos gyógyszerek azonosításában és az enzimekkel, receptorokkal és más fehérjékkel kapcsolatos vegyületek konformációinak meghatározásában.
  • natív membránfehérje. A szilárdtest-NMR-re van lehetőség membránfehérje domének atomi szerkezetének meghatározása a natív membrán környezetében, beleértve a kötött ligandumokkal rendelkezőket is.
  • Metabolikus elemzés.
  • Kémiai elemzés. Szintetikus és természetes vegyszerek kémiai azonosítása és konformációs elemzése.
  • Anyagtudomány. Hatékony eszköz a polimer kémia és fizika tanulmányozásában.

  Egyéb felhasználások

  A mágneses magrezonancia és alkalmazásai nem korlátozódnak az orvostudományra és a kémiára. A módszer nagyon hasznosnak bizonyult más területeken is, mint például a környezeti tesztelés, az olajipar, a folyamatszabályozás, a Föld mező NMR-vizsgálata és a magnetométerek. A roncsolásmentes tesztelés költséges biológiai mintákat takarít meg, amelyek újra felhasználhatók, ha további vizsgálatokra van szükség. A mágneses magrezonanciát a geológiában a kőzetek porozitásának és a föld alatti folyadékok permeabilitásának mérésére használják. A magnetométereket különféle mágneses mezők mérésére használják.