Aceleași nuclee de atomi din medii diferite într-o moleculă prezintă semnale RMN diferite. Diferența dintre un astfel de semnal RMN și semnal substanță standard vă permite să determinați așa-numita schimbare chimică, care se datorează structurii chimice a substanței studiate. În tehnicile RMN, există multe oportunități de a determina structura chimică a substanțelor, conformațiile moleculelor, efectele influenței reciproce și transformările intramoleculare.

YouTube enciclopedic

• 1 / 5

  Fenomenul de rezonanță magnetică nucleară se bazează pe proprietățile magnetice ale nucleelor ​​atomice formate din nucleoni cu spin semiîntreg 1/2, 3/2, 5/2... Nucleele cu numere de masă și sarcină pare (nuclee par-pare) nu au un moment magnetic.

  Momentul unghiular și momentul magnetic al nucleului sunt cuantificate, iar valorile proprii ale proiecției și momentele unghiulare și magnetice pe axa z a unui sistem de coordonate ales arbitrar sunt determinate de relația

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

  Unde μ eu (\displaystyle \mu _(I))- numărul cuantic magnetic al stării proprii a nucleului, valorile sale sunt determinate de numărul cuantic de spin al nucleului

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

  adică miezul poate fi în 2 I + 1 (\displaystyle 2I+1) state.

  Deci, pentru un proton (sau alt nucleu cu I = 1/2- 13 C, 19 F, 31 P etc.) pot fi doar în două stări

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

  un astfel de nucleu poate fi reprezentat ca un dipol  magnetic, a cărui componentă z poate fi orientată paralel sau antiparalel cu direcția pozitivă a axei z sistem arbitrar coordonate.

  Trebuie remarcat faptul că, în absența unui câmp magnetic extern, toate stările cu diferite μ z (\displaystyle \mu _(z)) au aceeasi energie, adica sunt degenerati. Degenerarea este eliminată într-un câmp magnetic extern, în timp ce diviziunea față de starea degenerată este proporțională cu mărimea câmpului magnetic extern și momentul magnetic al stării și pentru un nucleu cu un număr cuantic de spin. euîntr-un câmp magnetic extern, un sistem de 2I+1 niveluri de energie − 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)), adică rezonanța magnetică nucleară are aceeași natură ca efectul Zeeman al divizării nivelurilor electronice într-un câmp magnetic.

  În cel mai simplu caz, pentru un nucleu cu spin c I = 1/2- de exemplu, pentru un proton, scindare

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

  și diferența de energie a stărilor de spin

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

  Observarea RMN este facilitată de faptul că în majoritatea substanțelor atomii nu au momente magnetice permanente ale electronilor învelișurilor atomice din cauza fenomenului de îngheț orbital moment.

  Frecvențele de rezonanță ale RMN în metale sunt mai mari decât în ​​diamagneți (Knight Shift).

  Polarizarea chimică a nucleelor

  Pe parcursul unora reacții chimiceîntr-un câmp magnetic, spectrele RMN ale produselor de reacție prezintă fie o absorbție anormal de mare, fie o emisie radio. Acest fapt indică o populație de neechilibru a nivelurilor Zeeman nucleare în moleculele produșilor de reacție. Suprapopularea nivelului inferior este însoțită de absorbție anormală. Inversarea populației (nivelul superior este mai populat decât cel inferior) are ca rezultat emisii radio. Acest fenomen se numește polarizarea chimică a nucleelor.

  Frecvențele Larmor ale unor nuclee atomice

  nucleu	Frecvența Larmor în MHz la 0,5 Tesla	Frecvența Larmor în MHz la 1 Tesla	Frecvența Larmor în MHz la 7,05 Tesla
  1 H (hidrogen)	21,29	42,58	300.18
  ²D (Deuteriu)	3,27	6,53	46,08
  13 C (carbon)	5,36	10,71	75,51
  23 Na (sodiu)	5,63	11,26	79.40
  39K (Potasiu)	1,00	1,99

  Frecvența de rezonanță a protonilor este în domeniul undelor scurte (lungimea de undă este de aproximativ 7 m).

  Aplicarea RMN

  Spectroscopie

  Dispozitive

  Inima spectrometrului RMN este un magnet puternic. Într-un experiment pus în practică pentru prima dată de Purcell, o probă plasată într-o fiolă de sticlă de aproximativ 5 mm în diametru este plasată între polii unui electromagnet puternic. Apoi, pentru a îmbunătăți uniformitatea câmpului magnetic, fiola începe să se rotească, iar câmpul magnetic care acționează asupra acesteia crește treptat. Un generator RF de înaltă calitate este utilizat ca sursă de radiație. Sub acțiunea unui câmp magnetic în creștere, nucleele la care este reglat spectrometrul încep să rezoneze. În acest caz, nucleele ecranate rezonează la o frecvență puțin mai mică decât nucleele fără învelișuri de electroni. Absorbția de energie este înregistrată de o punte RF și apoi înregistrată de un înregistrator grafic. Frecvența crește până când atinge o anumită limită, peste care rezonanța este imposibilă.

  Deoarece curenții care vin de pe pod sunt foarte mici, ei nu se limitează la a lua un spectru, ci fac câteva zeci de treceri. Toate semnalele primite sunt rezumate pe graficul final, a cărui calitate depinde de raportul semnal-zgomot al instrumentului.

  În această metodă, proba este expusă la radiații de radiofrecvență de o frecvență constantă în timp ce intensitatea câmpului magnetic se modifică, motiv pentru care este numită și metoda de iradiere continuă (CW, undă continuă).

  Metoda tradițională de spectroscopie RMN are multe dezavantaje. În primul rând, necesită un numar mare timpul pentru a construi fiecare spectru. În al doilea rând, este foarte pretențios cu privire la absența interferențelor externe și, de regulă, spectrele rezultate au zgomot semnificativ. În al treilea rând, este nepotrivit pentru crearea de spectrometre de înaltă frecvență (300, 400, 500 și mai mult MHz). Prin urmare, în instrumentele moderne RMN se utilizează metoda așa-numitei spectroscopie în impulsuri (PW), bazată pe transformarea Fourier a semnalului recepționat. În prezent, toate spectrometrele RMN sunt construite pe baza unor magneți supraconductori puternici cu un câmp magnetic constant.

  Spre deosebire de metoda CW, în versiunea în impulsuri, excitarea nucleelor ​​se realizează nu cu o „undă constantă”, ci cu ajutorul unui impuls scurt, lung de câteva microsecunde. Amplitudinile componentelor de frecvență ale pulsului scad odată cu creșterea distanței de la ν 0 . Dar, deoarece este de dorit ca toate nucleele să fie iradiate în mod egal, este necesar să se utilizeze „impulsuri dure”, adică impulsuri scurte de mare putere. Durata impulsului este aleasă astfel încât lățimea de bandă a frecvenței să fie mai mare decât lățimea spectrului cu unul sau două ordine de mărime. Puterea ajunge la câteva mii de wați.

  Ca rezultat al spectroscopiei pulsate, nu se obține un spectru obișnuit cu vârfuri de rezonanță vizibile, ci o imagine a oscilațiilor rezonante amortizate, în care sunt amestecate toate semnalele de la toate nucleele rezonante - așa-numita „decădere prin inducție liberă” (FID, free). dezintegrare prin inducție). Pentru transformarea acestui spectru se folosesc metode matematice, așa-numita transformată Fourier, conform căreia orice funcție poate fi reprezentată ca suma unui set de oscilații armonice.

  Spectrele RMN

  Pentru analiza calitativă folosind RMN, se utilizează analiza spectrală, bazată pe astfel de proprietăți remarcabile ale acestei metode:

  • semnalele nucleelor ​​atomilor incluși în anumite grupe funcționale se află în părți strict definite ale spectrului;
  • aria integrală limitată de vârf este strict proporțională cu numărul de atomi rezonanți;
  • nucleii care se află prin 1-4 legături sunt capabili să producă semnale multiplete ca urmare a așa-numitelor. se despart unul pe altul.

  Poziția semnalului în spectrele RMN este caracterizată prin deplasarea lor chimică în raport cu semnalul de referință. Ca acesta din urmă în 1H și 13C RMN, este utilizat tetrametilsilan Si(CH3)4 (TMS). Unitatea de deplasare chimică este părțile pe milion (ppm) ale frecvenței instrumentului. Dacă luăm semnalul TMS ca 0 și considerăm deplasarea semnalului la un câmp slab ca o schimbare chimică pozitivă, atunci vom obține așa-numita scară δ. Dacă rezonanța tetrametilsilanului este egală cu 10 ppm și inversați semnele, atunci scara rezultată va fi scala τ, care practic nu este utilizată în prezent. Dacă spectrul unei substanțe este prea complicat de interpretat, se pot folosi metode chimice cuantice pentru calcularea constantelor de screening și corelarea semnalelor pe baza acestora.

  Introscopie RMN

  Fenomenul de rezonanță magnetică nucleară poate fi folosit nu numai în fizică și chimie, ci și în medicină: corpul uman este o combinație de toate aceleași molecule organice și anorganice.

  Pentru a observa acest fenomen, un obiect este plasat într-un câmp magnetic constant și expus la frecvență radio și câmpuri magnetice în gradient. În inductorul care înconjoară obiectul studiat, apare o forță electromotoare variabilă (EMF), al cărei spectru amplitudine-frecvență și caracteristicile de tranziție în timp transportă informații despre densitatea spațială a nucleelor ​​atomice rezonante, precum și despre alți parametri specifici doar pentru rezonanța magnetică nucleară. Prelucrarea computerizată a acestor informații generează o imagine tridimensională care caracterizează densitatea nucleelor ​​echivalente chimic, timpii de relaxare ai rezonanței magnetice nucleare, distribuția debitelor fluidelor, difuzia moleculelor și procesele biochimice ale metabolismului în țesuturile vii.

  Rezonanță magnetică nucleară
  rezonanță magnetică nucleară

  Rezonanța magnetică nucleară (RMN) - absorbția rezonantă a undelor electromagnetice de către nucleele atomice, care are loc atunci când se modifică orientarea vectorilor propriilor momente de impuls (spinuri). RMN apare în probele plasate într-un câmp magnetic constant puternic, în timp ce le expun simultan la un câmp electromagnetic alternativ slab din domeniul de frecvență radio (liniile de forță ale câmpului alternativ trebuie să fie perpendiculare pe liniile de forță ale câmpului constant). Pentru nucleele de hidrogen (protoni) într-un câmp magnetic constant cu o putere de 10 4 oersted, rezonanța are loc la o frecvență a undelor radio de 42,58 MHz. Pentru alte nuclee în câmpuri magnetice de 103–104 oersted RMN se observă în intervalul de frecvență de 1–10 MHz. RMN este utilizat pe scară largă în fizică, chimie și biochimie pentru a studia structura solidelor și a moleculelor complexe. În medicină, folosind RMN cu o rezoluție de 0,5-1 mm, se obține o imagine spațială a organelor interne ale unei persoane.

  Să luăm în considerare fenomenul RMN pe exemplul celui mai simplu nucleu - hidrogenul. Nucleul de hidrogen este un proton, care are o anumită valoare a propriului moment mecanic de impuls (spin). În conformitate cu mecanica cuantică, vectorul de spin al protonului poate avea doar două direcții reciproc opuse în spațiu, notate în mod convențional prin cuvintele „sus” și „jos”. Protonul are, de asemenea, un moment magnetic, a cărui direcție vectorului este legată rigid de direcția vectorului spin. Prin urmare, vectorul momentului magnetic al protonului poate fi direcționat fie „în sus”, fie „în jos”. Astfel, protonul poate fi reprezentat ca un magnet microscopic cu două orientări posibile în spațiu. Dacă plasați un proton într-un câmp magnetic extern constant, atunci energia protonului în acest câmp va depinde de unde este direcționat momentul său magnetic. Energia unui proton va fi mai mare dacă momentul său magnetic (și spinul) este îndreptat în direcția opusă câmpului. Să notăm această energie ca E ↓ . Dacă momentul magnetic (spin) al protonului este îndreptat în aceeași direcție cu câmpul, atunci energia protonului, notat cu E, va fi mai mică (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.
  Să trecem de la un singur proton la o probă macroscopică de hidrogen care conține număr mare protoni. Situația va arăta așa. În eșantion, datorită medierii orientărilor de spin aleatoare, aproximativ sume egale protonii, atunci când se aplică un câmp magnetic extern constant, vor fi relativ la acest câmp cu spini direcționați „sus” și „jos”. Iradierea unui eșantion cu unde electromagnetice cu o frecvență ω = (E ↓ − E )/ћ va provoca o întoarcere „masivă” de spin (momente magnetice) a protonilor, ca urmare a căreia toți protonii probei vor fi într-o stare cu rotiri îndreptate împotriva câmpului. O astfel de schimbare masivă a orientării protonilor va fi însoțită de o absorbție puternică (rezonantă) a cuantelor (și a energiei) a câmpului electromagnetic de iradiere. Acesta este RMN. RMN poate fi observată numai în probe cu un numar mare nuclee (10 16) folosind tehnici speciale și dispozitive foarte sensibile.

  REZONANȚĂ MAGNETICĂ NUCLEARĂ(RMN), fenomenul de absorbție rezonantă a electromagnetului de radiofrecvență. energie in-tion cu magn non-zero. momente de nuclee situate în ext. mag permanent. camp. Magnet nuclear diferit de zero. 1 H, 2 H, 13 C, 14 N, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P și alte nuclee au impuls RMN este de obicei observată într-un magn constant uniform. câmpul B 0 , un câmp slab de radiofrecvență B 1 perpendicular pe câmpul B 0 se suprapune unei tăieturi. Pentru in-in, în care spinul nuclear I \u003d 1/2 (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P etc.), în câmpul B 0, două orientări ale magnetului sunt posibile. momentul dipol al nucleului „de-a lungul câmpului” și „împotriva câmpului”. Cele două niveluri de energie E care apar datorită interacțiunii. magn. impulsul nucleului cu câmpul B 0 separate printr-un interval
  Cu condiția ca sau unde h este constanta lui Planck, v 0 este frecvența câmpului de radiofrecvență B 1, este frecvența circulară, - așa-numita. giromag. raportul nucleului, absorbția rezonantă a energiei câmpului B 1 , numit RMN. Pentru nuclizii 1 H, 13 C, 31 P, frecvențele RMN din câmpul B 0 = 11,7 T sunt, respectiv, egale. (în MHz): 500, 160,42 și 202,4; valori (în MHz/T): 42,58, 10,68 și 17,24. Conform modelului cuantic, în câmpul B 0 apar niveluri de energie 2I + 1, tranziții între care sunt permise unde m este mag. număr cuantic.

  Tehnica experimentului. Parametrii spectrelor RMN. Spectroscopia RMN se bazează pe fenomenul RMN. Spectrele RMN sunt înregistrate folosind spectrometre radio (Fig.). O mostră din in-va investigat este plasată ca miez în bobina circuitului generator (câmpul B 1), situat în golul magnetului, care creează câmpul B 0 astfel încât atunci când are loc absorbția rezonantă, ceea ce determină o căderea de tensiune în circuit, circuitul căruia include o bobină cu probă. Căderea de tensiune este detectată, amplificată și alimentată la un dispozitiv de măsurare a osciloscopului sau de înregistrare. În modern Spectrometrele radio RMN folosesc de obicei magician, puterea câmpului de 1-12 T. Regiunea spectrului, în care există un semnal detectabil cu unul sau mai multe. maxima, numit Linia de absorbție RMN. Lățimea liniei observate, măsurată la jumătate de max. intensitate și exprimată în Hz, numită. Lățimea liniei RMN. Rezoluția spectrului RMN - min. lățimea liniei RMN, to-ruyu vă permite să observați acest spectrometru. Viteza de transmisie - viteza (în Hz / s), cu care se modifică puterea magnetică. câmpul sau frecvența radiației RF care afectează proba la obținerea spectrului RMN.

  

  Schema spectrometrului RMN: 1 - bobina cu proba; 2 - poli magnetici; 3 - generator de câmp de radiofrecvență; 4 - amplificator si detector; 5 - generator de tensiune modulator; 6 - bobine de modulație de câmp B 0; 7 - osciloscop.

  Sistemul redistribuie energia absorbită în interiorul său (așa-numita spin-spin, sau relaxare transversală; timp caracteristic T 2) și o dă mediului (relaxare spin-latice, timp de relaxare T 1). Timpii T 1 și T 2 transportă informații despre distanțe internucleare și timpii de corelație decomp. ei spun miscarile. Măsurătorile dependenței lui T 1 și T 2 de t-ry și frecvența v 0 oferă informații despre natura mișcării termice, chimice. echilibre, tranziții de fază etc. În solidele cu o rețea rigidă, T 2 \u003d 10 μs și T 1\u003e 10 3 s, deoarece nu există un mecanism regulat de relaxare a rețelei spin și relaxarea se datorează paramagnetismului. impurităţi. Datorită dimensiunii mici a lui T2, lățimea naturală a liniei RMN este foarte mare (zeci de kHz), iar înregistrarea lor este în regiunea RMN a liniilor largi. În lichidele cu vâscozitate scăzută, T 1 T 2 se măsoară în secunde. Resp. Liniile RMN au o lățime de ordinul a 10 -1 Hz (RMN de înaltă rezoluție). Pentru o reproducere nedistorsionată a formei liniei, este necesar să treceți printr-o linie cu o lățime de 0,1 Hz timp de 100 s. Acest lucru impune limitări semnificative asupra sensibilității spectrometrelor RMN.
  Parametrul principal al spectrului RMN este chimic. shift - luat cu semnul corespunzător, raportul dintre diferența dintre frecvențele semnalului RMN observat și un semnal de referință selectat în mod convențional la.-l. standard la frecvența semnalului de referință (exprimată în părți per milion, ppm). Chim. Deplasările RMN sunt măsurate în valori adimensionale numărate de la vârful semnalului de referință. Dacă standardul dă un semnal la o frecvență v 0, atunci În funcție de natura nucleelor ​​studiate, se disting RMN de proton sau PMR și RMN 13 C (tabelele deplasărilor chimice sunt date pe frunzele volumului). RMN 19 F (vezi compuși organofluorinați), RMN 31 P (vezi compuși organofosforici), etc. Valorile au o caracteristică semnificativă și fac posibilă determinarea prezenței anumitor moli din spectrele RMN. fragmente. Date relevante despre chimie. schimburi dif. kernel-urile sunt publicate în manuale de referință și, de asemenea, sunt aduse în baze de date, to-rymi sunt furnizate cu modern. Spectrometre RMN. În seria compușilor apropiati ca structură, chimici. deplasarea este direct proporțională cu densitatea electronilor de pe nucleele corespondente.
  Standardul general acceptat pentru RMN și 13C RMN este tetrametilsilanul (TMS). Standard m. b. dizolvat în soluția investigată (standard intern) sau plasat, de exemplu, într-un capilar etanș situat în interiorul fiolei de probă (standard extern). Ca solvenți, pot fi utilizați numai cei a căror absorbție proprie nu se suprapune cu regiunea de interes pentru studiu. Pentru PMR, cei mai buni p-purtători sunt cei care nu conţin protoni (CC14, CDC13, CS2, D2O etc.).
  În moleculele poliatomice, nucleele atomilor identici care ocupă poziții neechivalente din punct de vedere chimic au substanțe chimice diferite. se deplasează datorită diferenței de magnetic. screening-ul nucleelor ​​de către electroni de valență (astfel de nuclee se numesc anizocrone). Pentru miezul i-lea unde este diamagnetul constant. screening, măsurat în ppm. Pentru protoni, intervalul tipic de modificări este de până la 20 ppm, pentru nucleele mai grele, aceste intervale sunt cu 2-3 ordine de mărime mai mari.
  Un parametru important al spectrelor RMN este constanta interacțiunii spin-spin. (CER constant) - o măsură a CER indirectă între dec. magn. nucleele unei molecule (vezi interacțiunea spin-spin); exprimată în Hz.
  Intermod. spinurile nucleare cu spinurile electronice cuprinse în molecula dintre nucleele i și j, duc la orientarea reciprocă a acestor nuclee în câmpul B 0 (CNE). Cu suficientă rezoluție CER duce la suplimentare. multiplicitatea liniilor corespunzătoare anumitor valori ale chimiei. deplasări: unde J ij - constante CNE; F ij - cantități, ale căror valori sunt determinate de spinurile nucleelor ​​i și j, simetria pilonului corespunzător. fragment, unghiuri diedrice dintre substanța chimică. legături și numărul acestor legături dintre nucleele care participă la CER.
  Dacă chem. Dacă deplasările sunt suficient de mari, adică min max (J ij), atunci SWV apar ca multiplete simple cu o distribuție binomială a intensităților (spectre de ordinul întâi). Astfel, în grupa etil, semnalul metil proton apare ca un triplet cu un raport de intensitate de 1:2:1, iar semnalul metilen proton apare ca un cvadruplet cu un raport de intensitate de 1:3:3:1. În spectrele 13C RMN, grupările metină sunt dublete (1:1), iar grupările metilen și, respectiv, metil sunt. tripleți și cvadrupleți, dar cu valorile constantelor CER mai mari decât în ​​spectrul de protoni. Chim. deplasările în spectrele de ordinul întâi sunt egale cu intervalele dintre centrele multipletelor, iar J ij - distanțele dintre vârfurile adiacente ale multipletului. Dacă condiția de ordinul întâi nu este îndeplinită, atunci spectrele devin complexe: în ele, nici un singur interval, în general, nu este egal cu nici J ij . Valorile exacte ale parametrilor spectrale sunt obținute din mecanica cuantică. calculele. Programele relevante sunt incluse în covoraș. oferind modern Spectrometre RMN. Informativitatea chimiei. deplasările și constantele CCR au transformat spectroscopia RMN de înaltă rezoluție într-una dintre cele mai importante metode de calitate. și cantități. analiza amestecurilor complexe, sistemelor, preparatelor și compozițiilor, precum și studiile structurii și reacțiilor. capacitatea moleculelor. Când se studiază conformațiile, degenerate și alte dinamice. sisteme, geom. structuri ale moleculelor proteice în soluție, cu chimie locală nedistructivă. analiza organismelor vii etc. posibilităţile metodelor RMN sunt unice.

  Magnetizare nucleară in-va.În conformitate cu distribuția Boltzmann într-un sistem de spin cu două niveluri de N spini, raportul dintre numărul de spini N + la nivelul inferior și numărul de spini N - la nivelul superior este unde k este constanta lui Boltzmann; T - t-ra. La B 0 \u003d 1 T și T \u003d 300 K pentru protoni, raportul N + /N - .= 1,00005. Acest raport determină mărimea magnetizării nucleare in-va, plasată în câmpul B 0 . Magn. moment m fiecare nucleu efectuează o mișcare precesională în jurul axei z, de-a lungul căreia este îndreptat câmpul B 0; frecvența acestei mișcări este egală cu frecvența RMN. Suma proiecțiilor momentelor nucleare precedente pe axa z formează o macroscopică. magnetizare in-va M z \u003d 10 18 În planul xy, perpendicular pe axa z, proiecțiile vectorilor sunt egale cu zero datorită caracterului aleatoriu al fazelor de precesiune: M xy \u003d 0. Absorbția de energie în timpul RMN înseamnă că trec mai multe rotiri. de la nivelul inferior la cel superior pe unitatea de timp decât în ​​sens opus, adică diferența populației N + - N - scade (încălzirea sistemului de spin, saturația RMN). Când este saturată în modul staționar magnetizarea sistemului poate crește foarte mult. Acesta este așa-numitul. efectul Overhauser, pentru nucleele desemnate NOE (efectul Nuclear Overhauser), to-ry este utilizat pe scară largă pentru a crește sensibilitatea, precum și pentru a evalua distanțe internucleare în studiul mol. geometrii prin metode de spectroscopie RMN.

  Model vectorial RMN. La înregistrarea RMN, eșantionului i se aplică un câmp de frecvență radio, care acționează în planul xy. În acest plan, câmpul B 1 poate fi considerat ca doi vectori cu amplitudini B 1m/ 2, care se rotesc cu frecvență în direcții opuse. Se introduce un sistem de coordonate rotativ x „y” z, axa x coincide cu vectorul B 1m / 2, rotindu-se în aceeași direcție cu vectorii.Acțiunea acestuia determină modificarea unghiului din vârful conului de precesiune. a momentelor magnetice nucleare; magnetizarea nucleară M z începe să depindă de timp, iar în planul x „y” apare o proiecție diferită de zero a magnetizării nucleare. Într-un sistem de coordonate fix, această proiecție se rotește cu frecvența, adică o frecvență radio. tensiunea este indusă în inductor, care, după detectare, dă semnalul RMN - funcția magnetizării nucleare față de frecvență se distinge printr-o schimbare lentă (modul de baleiaj) și RMN pulsat. Mișcarea complexă reală a vectorului de magnetizare nucleară creează două semnale în planul x „y”: M x, (în fază cu tensiunea de radiofrecvență B 1) și M y” (deplasat față de B 1 în fază cu 90 ° C). Înregistrarea simultană a lui M x" și M y" (detecția în cuadratura) dublează sensibilitatea spectrometrului RMN. Cu o amplitudine suficient de mare B 1m a proiecției M z = M x" = M y" = 0 (saturație RMN). Prin urmare, cu acțiunea continuă a câmpului B 1, amplitudinea acestuia trebuie să fie foarte mică pentru a menține condițiile inițiale de observație neschimbate.
  În RMN pulsată, valoarea lui B1, dimpotrivă, este aleasă atât de mare încât în ​​timpul t și T2 vectorul Mz se abate de la axa z cu un unghi. La \u003d 90 °, impulsul se numește 90 ° (/2-impuls); sub influența sa, vectorul de magnetizare nucleară se dovedește a fi în planul x „y”, adică după sfârșitul pulsului, vectorul M y „începe să scadă în amplitudine cu timpul T 2 datorită divergenței de fază a acestuia. vectori elementari constituenți (relaxarea spin-spin).Restabilirea echilibrului magnetizării nucleare M z are loc cu timpul de relaxare spin-latice T 1. La = 180° (momentum), vectorul M z se potrivește de-a lungul direcției negative a z axa, relaxându-se după sfârșitul pulsului în poziția sa de echilibru.Combinațiile și impulsurile sunt utilizate pe scară largă în versiunile moderne cu mai multe pulsuri spectroscopie RMN.
  O caracteristică importantă a sistemului de coordonate rotativ este diferența dintre frecvențele de rezonanță din acesta și din sistemul de coordonate fix: dacă B 1 B lok (câmp local static), atunci vectorul M precedă în sistemul de coordonate rotativ față de câmp Când este reglat fin la rezonanță, frecvența RMN în sistemul de coordonate rotativ Acest lucru permite extinderea semnificativă a posibilităților RMN în studiul proceselor lente în ve.

  Chim. spectre de schimb și RMN(dinamic. RMN). Parametrii schimbului cu două poziții A B sunt timpii de ședere și probabilitățile de ședere. și La t-re scăzută, spectrul RMN constă din două linii înguste separate de Hz; apoi, cu scăderea și, liniile încep să se lărgească, rămânând la locul lor. Când frecvența de schimb începe să depășească distanța inițială dintre linii, liniile încep să convergă, iar la un exces de 10 ori, se formează o linie largă în centrul intervalului (v A, v B), dacă Cu a creșterea suplimentară a temperaturii, această linie combinată devine îngustă. Compararea experimentelor. spectrul de frecvențe cu calculate permite fiecărei probe să specifice frecvența exactă a substanței chimice. schimb, aceste date calculează termodinamica. caracteristicile procesului. Cu schimb multipozițional într-un spectru RMN complex, teoretică. spectrul este obținut din mecanica cuantică. calcul. Dinamic RMN este unul dintre principalele metode de studiere a stereochimiei. non-rigiditate, echilibre conformaţionale etc.

  Rotire într-un unghi magic. Exprimarea potențialului interacțiunii dipol-dipol. conţine multiplicatori unde este unghiul dintre B 0 si vectorul internuclear r ij . La = arccos 3 -1/2 = 54 ° 44 "(unghi "magic"), acești factori dispar, adică contribuțiile corespunzătoare la lățimea liniei dispar. Dacă o probă solidă este răsucită cu o viteză foarte mare în jurul unei axe înclinate sub unghiul magic la B 0 , atunci spectre de înaltă rezoluție cu linii aproape la fel de înguste ca într-un lichid pot fi obținute într-un solid.

  Linii largi în solide.În cristalele cu o rețea rigidă, forma liniei RMN se datorează staticii. distribuția magneților locali. câmpuri. Toate nucleele reticulate, cu excepția clusterului , în volumul invariant de translație V 0 în jurul nucleului considerat, dau o distribuție gaussiană g(v) = exp(-v 2 /2a 2), unde v este distanța de la centrul liniei; lățimea gaussianului a este invers proporțională cu geoma medie. volumele V 0 și V 1 și V 1 caracterizează concentrația medie de magneziu în întregul cristal. nuclee. În interiorul V 0 concentrația magnetică. nuclee mai mult decât media și aproape de nuclee datorită interacțiunii dipol-dipol. si chimic. deplasările creează un spectru limitat la intervalul (-b, b), unde b este aproximativ de două ori mai mare decât a. În prima aproximare, spectrul

  Site-ul oferă informații generale numai în scop informativ. Diagnosticul și tratamentul bolilor trebuie efectuate sub supravegherea unui specialist. Toate medicamentele au contraindicații. Este necesar un sfat de specialitate!

  Informatii generale

  Fenomen rezonanță magnetică nucleară (RMN) a fost descoperit în 1938 de rabinul Isaac. Fenomenul se bazează pe prezența proprietăților magnetice în nucleele atomilor. Abia în 2003 a fost inventată o metodă de utilizare a acestui fenomen în scopuri de diagnostic în medicină. Pentru invenție, autorii acesteia au primit Premiul Nobel. În spectroscopie, corpul studiat ( adică corpul pacientului) este plasat într-un câmp electromagnetic și iradiat cu unde radio. Aceasta este o metodă complet sigură spre deosebire, de exemplu, de tomografia computerizată), care are un grad foarte ridicat de rezoluție și sensibilitate.
  

  Aplicație în economie și știință

  1. În chimie și fizică, pentru a identifica substanțele care participă la reacție, precum și rezultate finale reactii,
  2. În farmacologia pentru producerea de medicamente,
  3. În agricultură pentru a determina compoziție chimică cereale și pregătire pentru semănat ( foarte util în reproducerea de noi specii),
  4. În medicină - pentru diagnosticare. O metodă foarte informativă pentru diagnosticarea bolilor coloanei vertebrale, în special a discurilor intervertebrale. Face posibilă detectarea chiar și a celor mai mici încălcări ale integrității discului. Detectează tumorile canceroase în stadiile incipiente de formare.

  Esența metodei

  Metoda rezonanței magnetice nucleare se bazează pe faptul că în momentul în care corpul se află într-un câmp magnetic foarte puternic reglat special ( De 10.000 de ori mai puternic decât câmpul magnetic al planetei noastre), moleculele de apă prezente în toate celulele corpului formează lanțuri paralele cu direcția câmpului magnetic.

  Dacă direcția câmpului se schimbă brusc, molecula de apă eliberează o particulă de electricitate. Aceste încărcări sunt înregistrate de senzorii dispozitivului și analizate de un computer. În funcție de intensitatea concentrației apei în celule, computerul creează un model al organului sau al părții corpului care este studiată.

  La ieșire, medicul are o imagine monocromă, pe care puteți vedea secțiuni subțiri ale organului în detaliu. În ceea ce privește conținutul informațional, această metodă depășește semnificativ tomografia computerizată. Uneori există chiar mai multe detalii despre organul studiat decât sunt necesare pentru diagnostic.

  Tipuri de spectroscopie de rezonanță magnetică

  • fluide biologice,
  • Organe interne.
  Tehnica face posibilă examinarea în detaliu a tuturor țesuturilor corpului uman, inclusiv a apei. Cu cât țesuturile sunt mai fluide, cu atât sunt mai ușoare și mai strălucitoare în imagine. Oasele, în care există puțină apă, sunt descrise ca întunecate. Prin urmare, în diagnosticul bolilor osoase, tomografia computerizată este mai informativă.

  Tehnica de perfuzie prin rezonanță magnetică face posibilă controlul mișcării sângelui prin țesuturile ficatului și creierului.

  Astăzi, numele este folosit pe scară largă în medicină. RMN (Imagistică prin rezonanță magnetică ), întrucât menționarea unei reacții nucleare în titlu sperie pacienții.

  Indicatii

  1. boli ale creierului,
  2. Studii ale funcțiilor regiunilor creierului,
  3. boli articulare,
  4. boli ale coloanei vertebrale,
  5. Boli ale organelor interne ale cavității abdominale,
  6. Boli ale sistemului urinar și ale reproducerii,
  7. Boli ale mediastinului și inimii,
  8. Boli vasculare.

  Contraindicatii

  Contraindicatii absolute:
  1. stimulator cardiac,
  2. Proteze electronice sau feromagnetice pentru urechea medie,
  3. dispozitive feromagnetice Ilizarov,
  4. Proteze interioare metalice mari,
  5. Cleme hemostatice ale vaselor cerebrale.

  Contraindicații relative:
  1. stimulente ale sistemului nervos,
  2. pompe de insulină,
  3. Alte tipuri de proteze ale urechii interne,
  4. proteze de valve cardiace,
  5. Cleme hemostatice pe alte organe,
  6. Sarcina ( trebuie sa ai parerea unui ginecolog),
  7. Insuficiență cardiacă în stadiul de decompensare,
  8. claustrofobie ( frica de spațiu închis).

  Pregătirea studiului

  O pregătire specială este necesară numai pentru acei pacienți care merg la o examinare a organelor interne ( tractului urinar și digestiv): Nu trebuie să mâncați alimente cu cinci ore înainte de procedură.
  Dacă capul este examinat, sexul frumos este sfătuit să se demachieze, deoarece substanțele incluse în produse cosmetice ( de exemplu în fardul de ochi) poate afecta rezultatul. Toate bijuteriile metalice trebuie îndepărtate.
  Uneori, personalul medical va verifica pacientul cu un detector de metale portabil.

  Cum se face cercetarea?

  Înainte de începerea studiului, fiecare pacient completează un chestionar care ajută la identificarea contraindicațiilor.

  Dispozitivul este un tub larg în care pacientul este plasat în poziție orizontală. Pacientul trebuie să rămână complet nemișcat, altfel imaginea nu va fi suficient de clară. Nu este întuneric în interiorul conductei și există ventilație forțată, așa că condițiile pentru procedură sunt destul de confortabile. Unele instalații produc un zumzet vizibil, apoi sunt puse căști cu absorbție de zgomot persoanei examinate.
  
  Durata examinării poate fi de la 15 minute la 60 de minute.
  În unele centre medicale, este permis ca camera în care se efectuează examinarea, împreună cu pacientul, să fie rudă sau persoana însoțitoare a acestuia ( daca nu are contraindicatii).

  În unele centre medicale, un anestezist administrează sedative. Procedura in acest caz este mult mai usor de tolerat, mai ales pentru pacientii care sufera de claustrofobie, copii mici sau pacienti carora, din anumite motive, le este greu sa fie imobili. Pacientul cade într-o stare de somn terapeutic și iese din ea odihnit și alert. Medicamentele utilizate sunt eliminate rapid din organism și sunt sigure pentru pacient.

  
  Rezultatul examinării este gata în 30 de minute de la încheierea procedurii. Rezultatul este emis sub forma unui DVD, a raportului medicului și a imaginilor.

  Utilizarea unui agent de contrast în RMN

  Cel mai adesea, procedura are loc fără utilizarea contrastului. Cu toate acestea, în unele cazuri este necesar pentru examen vascular). În acest caz, agentul de contrast este perfuzat intravenos folosind un cateter. Procedura este similară cu orice injecție intravenoasă. Pentru acest tip de cercetare se folosesc substanțe speciale - paramagneti. Acestea sunt substanțe magnetice slabe, ale căror particule, aflându-se într-un câmp magnetic extern, sunt magnetizate paralel cu liniile de câmp.

  Contraindicații la utilizarea unui agent de contrast:

  • sarcina,
  • Intoleranță individuală la componentele agentului de contrast, identificată anterior.

  Examinarea vaselor (angiografie prin rezonanță magnetică)

  Folosind această metodă, puteți controla atât starea rețelei circulatorii, cât și mișcarea sângelui prin vase.
  În ciuda faptului că metoda face posibilă „vederea” vaselor fără agent de contrast, cu utilizarea sa imaginea este mai vizuală.
  Instalațiile speciale 4-D fac posibilă urmărirea mișcării sângelui aproape în timp real.

  Indicatii:

  • defecte cardiace congenitale,
  • Anevrism, disecându-l,
  • stenoza vasculara,

  cercetarea creierului

  Acesta este un studiu asupra creierului care nu folosește raze radioactive. Metoda vă permite să vedeți oasele craniului, dar țesuturile moi pot fi examinate mai detaliat. O metodă excelentă de diagnostic în neurochirurgie, precum și în neurologie. Face posibilă detectarea consecințelor vânătăilor și comoțiilor cronice, accidente vasculare cerebrale, precum și neoplasme.
  De obicei, este prescris pentru afecțiuni asemănătoare migrenei cu etiologie necunoscută, tulburări de conștiență, neoplasme, hematoame, tulburări de coordonare.
  
  Cu RMN al creierului, sunt examinate următoarele:
  • vasele principale ale gâtului,
  • vasele de sânge care hrănesc creierul
  • țesut cerebral,
  • orbitele oculare,
  • părțile profunde ale creierului cerebel, glanda pineală, glanda pituitară, diviziuni alungite și intermediare).

  RMN funcțional

  Acest diagnostic se bazează pe faptul că atunci când orice parte a creierului responsabilă de o anumită funcție este activată, circulația sângelui în această zonă crește.
  Persoanei examinate i se atribuie diverse sarcini, iar în timpul executării acestora se înregistrează circulația sângelui în diferite părți ale creierului. Datele obținute în timpul experimentelor sunt comparate cu tomograma obținută în perioada de repaus.

  Examinarea coloanei vertebrale

  Această metodă este excelentă pentru examinarea terminațiilor nervoase, a mușchilor, a măduvei osoase și a ligamentelor, precum și a discurilor intervertebrale. Dar cu fracturi ale coloanei vertebrale sau nevoia de a studia structurile osoase, este oarecum inferior tomografiei computerizate.

  Puteți examina întreaga coloană vertebrală sau puteți examina doar secțiunea tulburătoare: cervical, toracic, lombo-sacral și, de asemenea, coccisul separat. Deci, la examinarea regiunii cervicale, pot fi detectate patologii ale vaselor de sânge și vertebrelor care afectează alimentarea cu sânge a creierului.
  Când se examinează regiunea lombară, este posibil să se detecteze herniile intervertebrale, vârfurile osoase și cartilajului, precum și nervii ciupit.
  
  Indicatii:

  • Modificări ale formei discurilor intervertebrale, inclusiv hernie,
  • Leziuni ale spatelui și coloanei vertebrale
  • Osteocondroză, procese distrofice și inflamatorii în oase,
  • Neoplasme.

  Examinarea măduvei spinării

  Se efectuează concomitent cu examinarea coloanei vertebrale.

  Indicatii:

  • Probabilitatea apariției unor neoplasme ale măduvei spinării, leziuni focale,
  • Pentru a controla umplerea cavităților lichidului cefalorahidian ale măduvei spinării,
  • chisturi spinale,
  • Pentru a controla recuperarea după intervenție chirurgicală,
  • Cu probabilitatea de boli ale măduvei spinării.

  Studiu comun

  Această metodă de cercetare este foarte eficientă pentru examinarea stării țesuturilor moi care alcătuiesc articulația.

  Folosit pentru a diagnostica:

  • artrita cronica,
  • Leziuni ale tendoanelor, mușchilor și ligamentelor ( utilizat în special în medicina sportivă),
  • fracturi,
  • Neoplasme ale țesuturilor moi și oaselor,
  • Daune nedetectate prin alte metode de diagnosticare.
  Se aplică la:
  • Examinarea articulațiilor șoldului pentru osteomielita, necroza capului femural, fractură de stres, artrită septică,
  • Examinarea articulațiilor genunchiului cu fracturi de stres, încălcarea integrității unor componente interne ( menisc, cartilaj),
  • Examinarea articulației umărului în caz de luxații, ciupirea nervilor, ruptura capsulei articulare,
  • Examinarea articulației încheieturii mâinii cu încălcarea stabilității, fracturi multiple, lezarea nervului median, deteriorarea ligamentelor.

  Examinarea articulației temporomandibulare

  Este prescris pentru a determina cauzele unei încălcări a funcției articulației. Acest studiu dezvăluie cel mai pe deplin starea cartilajului și a mușchilor, face posibilă detectarea luxațiilor. Se foloseste si inaintea operatiilor ortodontice sau ortopedice.

  Indicatii:

  • Pierderea mobilității maxilarului inferior
  • Clicuri la deschidere - închiderea gurii,
  • Durere în tâmplă la deschidere - închiderea gurii,
  • Durere la sondarea mușchilor de mestecat,
  • Durere în mușchii gâtului și ai capului.

  Examinarea organelor interne ale cavității abdominale

  Examinarea pancreasului și a ficatului este prescrisă pentru:
  • icter neinfectios,
  • Probabilități de neoplasm hepatic, degenerare, abces, chisturi, cu ciroză,
  • Ca control asupra cursului tratamentului,
  • Pentru fracturi traumatice
  • Pietre în vezica biliară sau în căile biliare
  • Pancreatită sub orice formă,
  • Probabilitatea apariției neoplasmelor
  • Ischemia parenchimului.
  Metoda vă permite să detectați chisturile pancreatice, să examinați starea căilor biliare. Orice formațiuni care înfundă canalele sunt dezvăluite.

  Un test de rinichi este indicat pentru:

  • Suspiciunea unui neoplasm
  • Boli ale organelor și țesuturilor situate în apropierea rinichilor,
  • Probabilitatea de încălcări ale formării organelor urinare,
  • În cazul imposibilității efectuării urografiei excretorii.
  Înainte de examinarea organelor interne prin metoda rezonanței magnetice nucleare, este necesar să se efectueze o examinare cu ultrasunete.

  Cercetare în boli ale sistemului reproducător

  Examinările pelvine sunt prescrise pentru:
  • Probabilitățile de neoplasm al uterului, vezicii urinare, prostatei,
  • accidentare,
  • Neoplasme ale pelvisului mic pentru a detecta metastaze,
  • Durere în regiunea sacrului,
  • veziculita,
  • Pentru a examina starea ganglionilor limfatici.
  În cazul cancerului de prostată, această examinare este prescrisă pentru a detecta răspândirea neoplasmului la organele din apropiere.

  Cu o oră înainte de studiu, nu este de dorit să urinați, deoarece imaginea va fi mai informativă dacă vezica urinară este oarecum plină.

  Cercetare în timpul sarcinii

  În ciuda faptului că această metodă de cercetare este mult mai sigură decât razele X sau tomografia computerizată, nu este strict permisă utilizarea acesteia în primul trimestru de sarcină.
  În al doilea și al treilea trimestru al acestor metode, metoda este prescrisă numai din motive de sănătate. Pericolul procedurii pentru corpul unei femei gravide constă în faptul că în timpul procedurii unele țesuturi sunt încălzite, ceea ce poate provoca modificări nedorite în formarea fătului.
  Dar utilizarea unui agent de contrast în timpul sarcinii este strict interzisă în orice stadiu al gestației.
  

  Masuri de precautie

  1. Unele instalații RMN sunt construite sub formă de tub închis. Persoanele care suferă de frica de spații închise pot avea un atac. Prin urmare, este mai bine să întrebați în avans cum va decurge procedura. Există instalații deschise. Sunt o cameră asemănătoare unei camere cu raze X, dar astfel de instalații sunt rare.

  2. Este interzisă intrarea în încăperea în care se află dispozitivul cu obiecte metalice și dispozitive electronice ( de exemplu, ceasuri, bijuterii, chei), deoarece într-un câmp electromagnet puternic, dispozitivele electronice se pot defecta, iar obiectele metalice mici se vor împrăștia. În același timp, nu vor fi obținute date de sondaj complet corecte.
  

  Rezonanța magnetică nucleară (RMN) este o spectroscopie nucleară care este utilizată pe scară largă în toate Științe fiziceși industrie. În RMN pentru sondarea proprietăților spin intrinseci ale nucleelor ​​atomice folosind un magnet mare. Ca orice spectroscopie, folosește radiația electromagnetică (unde de radiofrecvență în domeniul VHF) pentru a crea o tranziție între nivelurile de energie (rezonanță). În chimie, RMN ajută la determinarea structurii moleculelor mici. Rezonanța magnetică nucleară în medicină și-a găsit aplicație în imagistica prin rezonanță magnetică (IRM).

  Deschidere

  RMN a fost descoperit în 1946 de oamenii de știință de la Universitatea Harvard Purcell, Pound și Torrey și de Bloch, Hansen și Packard din Stanford. Ei au observat că nucleele 1 H și 31 P (protoni și fosfor-31) sunt capabile să absoarbă energia de radiofrecvență atunci când sunt expuse unui câmp magnetic, a cărui putere este specifică fiecărui atom. Când au fost absorbite, au început să rezoneze, fiecare element la frecvența sa. Această observație a permis o analiză detaliată a structurii moleculei. De atunci, RMN și-a găsit aplicație în studiile cinetice și structurale ale solidelor, lichidelor și gazelor, rezultând 6 premii Nobel.

  Spin și proprietăți magnetice

  Miezul este alcătuit din particule elementare numite neutroni și protoni. Au propriul moment unghiular, numit spin. Ca și electronii, spinul unui nucleu poate fi descris prin numere cuantice I și m într-un câmp magnetic. Nucleele atomice cu un număr par de protoni și neutroni au spin zero, în timp ce toate celelalte au un nul. În plus, moleculele cu spin diferit de zero au un moment magnetic μ = γ eu, unde γ este raportul giromagnetic, constanta de proporționalitate dintre momentul dipol magnetic și momentul unghiular, care este diferit pentru fiecare atom.

  Momentul magnetic al miezului îl face să se comporte ca un magnet minuscul. În absența unui câmp magnetic extern, fiecare magnet este orientat aleatoriu. În timpul experimentului RMN, proba este plasată într-un câmp magnetic extern B 0 , ceea ce face ca magneții barei de energie joasă să se alinieze în direcția lui B 0 și energia mare în direcția opusă. În acest caz, orientarea rotației magneților se modifică. Pentru a înțelege acest concept destul de abstract, trebuie să luăm în considerare nivelurile de energie ale nucleului în timpul unui experiment RMN.

  Niveluri de energie

  O întoarcere de rotație necesită un număr întreg de cuante. Pentru orice m, există 2m + 1 niveluri de energie. Pentru un nucleu cu spin 1/2 există doar 2 dintre ele - scăzut, ocupat de spini aliniați cu B 0 , și înalt, ocupat de spini direcționați împotriva lui B 0 . Fiecare nivel de energie este definit de E = -mℏγВ 0 , unde m este numărul cuantic magnetic, în acest caz +/- 1/2. Nivelurile de energie pentru m > 1/2, cunoscute sub numele de nuclee cvadrupole, sunt mai complexe.

  Diferența de energie dintre niveluri este: ΔE = ℏγB 0 , unde ℏ este constanta lui Planck.

  După cum puteți vedea, puterea câmpului magnetic are mare importanță, deoarece în lipsa ei nivelele degenerează.

  

  Tranziții energetice

  Pentru ca rezonanța magnetică nucleară să aibă loc, trebuie să aibă loc o rotire între nivelurile de energie. Diferența de energie dintre cele două stări corespunde energiei radiațiilor electromagnetice, care determină nucleele să își schimbe nivelurile de energie. Pentru cele mai multe Spectrometre RMN La 0 are ordinul 1 Tesla (T), iar γ - 10 7 . Prin urmare, radiația electromagnetică necesară este de ordinul a 10 7 Hz. Energia fotonului este reprezentată de formula E = hν. Prin urmare, frecvența necesară pentru absorbție este: ν= γВ 0 /2π.

  Ecran nuclear

  Fizica RMN se bazează pe conceptul de ecranare nucleară, care face posibilă determinarea structurii materiei. Fiecare atom este înconjurat de electroni care se învârt în jurul nucleului și acționează asupra câmpului magnetic al acestuia, care, la rândul său, provoacă mici modificări ale nivelurilor de energie. Aceasta se numește ecranare. Nucleele care experimentează câmpuri magnetice diferite asociate cu interacțiunile electronice locale sunt numite neechivalente. Modificarea nivelurilor de energie pentru o rotație de rotație necesită o frecvență diferită, ceea ce creează un nou vârf în spectrul RMN. Screeningul permite determinarea structurală a moleculelor prin analiza semnalului RMN folosind transformata Fourier. Rezultatul este un spectru format dintr-un set de vârfuri, fiecare corespunzând unui mediu chimic diferit. Aria vârfului este direct proporțională cu numărul de nuclee. Informațiile detaliate despre structură sunt preluate de Interacțiuni RMN, care schimbă spectrul în moduri diferite.

  

  Relaxare

  Relaxarea se referă la fenomenul de întoarcere a nucleelor ​​la lor termodinamic stabil după excitare la niveluri de energie mai ridicate ale stării. În acest caz, energia absorbită în timpul tranziției de la mai mult nivel scăzut la unul mai înalt. Acesta este un proces destul de complex care are loc în intervale de timp diferite. Cele două cele mai multe răspândită tipurile de relaxare sunt spin-latice și spin-spin.

  Pentru a înțelege relaxarea, este necesar să luați în considerare întregul eșantion. Dacă nucleele sunt plasate într-un câmp magnetic extern, ei vor crea magnetizare în vrac de-a lungul axei Z. Spiriile lor sunt, de asemenea, coerente și permit detectarea semnalului. RMN deplasează magnetizarea în vrac de pe axa Z în planul XY, unde se manifestă.

  Relaxarea spin-latice este caracterizată prin timpul T1 necesar pentru a recupera 37% din magnetizarea în vrac de-a lungul axei Z. Cu cât procesul de relaxare este mai eficient, cu atât este mai mic T1. La solide, deoarece mișcarea dintre molecule este limitată, timpul de relaxare este lung. Măsurătorile sunt de obicei efectuate prin metode cu puls.

  Relaxarea spin-spin se caracterizează prin pierderea coerenței reciproce T 2 . Acesta poate fi mai mic sau egal cu T 1 .

  

  Rezonanța magnetică nucleară și aplicațiile sale

  Cele două domenii principale în care RMN s-a dovedit extrem de importantă sunt medicina și chimia, dar noi aplicații sunt dezvoltate în fiecare zi.

  Imagistica prin rezonanță magnetică nucleară, cunoscută mai frecvent ca imagistica prin rezonanță magnetică (IRM), este instrument important de diagnostic medical folosit pentru a studia funcțiile și structura corpului uman. Vă permite să obțineți imagini detaliate ale oricărui organ, în special ale țesuturilor moi, în toate planurile posibile. Folosit în domeniile imagistică cardiovasculară, neurologică, musculo-scheletică și oncologică. Spre deosebire de tomografia computerizată alternativă, imagistica prin rezonanță magnetică nu utilizează radiații ionizante, prin urmare este complet sigură.

  RMN-ul poate detecta modificări subtile care apar în timp. Imagistica RMN poate fi utilizată pentru a identifica anomaliile structurale care apar în cursul bolii, modul în care acestea afectează dezvoltarea ulterioară și modul în care progresia lor se corelează cu mentalul și aspecte emoționale tulburări. Deoarece RMN nu vizualizează bine osul, excelent intracranian și intravertebrale conţinut.

  

  Principii de utilizare a rezonanței magnetice nucleare în diagnosticare

  În timpul unei proceduri RMN, pacientul se află în interiorul unui magnet masiv cilindric gol și este expus la un câmp magnetic puternic și stabil. Diferiți atomi din partea scanată a corpului rezonează la diferite frecvențe ale câmpului. RMN-ul este utilizat în primul rând pentru a detecta vibrațiile atomilor de hidrogen, care conțin un nucleu de proton rotativ cu un mic camp magnetic. În RMN, câmpul magnetic de fundal aliniază toți atomii de hidrogen din țesut. Al doilea câmp magnetic, a cărui orientare diferă de cea a fundalului, se aprinde și se oprește de multe ori pe secundă. La o anumită frecvență, atomii rezonează și se aliniază cu al doilea câmp. Când se stinge, atomii revin, aliniându-se cu fundalul. Acest lucru creează un semnal care poate fi recepționat și convertit într-o imagine.

  Țesuturile cu o cantitate mare de hidrogen, care este prezent în corpul uman în compoziția apei, creează o imagine strălucitoare, iar cu un conținut mic sau absența acesteia (de exemplu, oase) arată întunecat. Luminozitatea RMN-ului este îmbunătățită de un agent de contrast, cum ar fi gadodiamida, pe care pacienții îl iau înainte de procedură. Deși acești agenți pot îmbunătăți calitatea imaginii, sensibilitatea procedurii rămâne relativ limitată. Sunt dezvoltate tehnici pentru a crește sensibilitatea RMN. Cea mai promițătoare este utilizarea parahidrogenului, o formă de hidrogen cu proprietăți unice de spin molecular, care este foarte sensibilă la câmpurile magnetice.

  

  Îmbunătățirile în performanța câmpurilor magnetice utilizate în RMN au condus la dezvoltarea unor modalități de imagistică extrem de sensibile, cum ar fi RMN-ul de difuzie și funcțional, care sunt concepute pentru a afișa proprietăți tisulare foarte specifice. În plus, o formă unică de tehnologie RMN numită angiografie prin rezonanță magnetică este utilizată pentru a vizualiza mișcarea sângelui. Permite vizualizarea arterelor și venelor fără a fi nevoie de ace, catetere sau agenți de contrast. Ca și în cazul RMN, aceste tehnici au contribuit la revoluționarea cercetării și diagnosticului biomedical.

  Tehnologia computerizată avansată a permis radiologilor să creeze holograme tridimensionale din secțiuni digitale obținute de scanerele RMN, care servesc la determinarea locației exacte a leziunilor. Tomografia este deosebit de valoroasă în examinarea creierului și a măduvei spinării, precum și a organelor pelvine, cum ar fi vezica urinară și osul spongios. Metoda vă permite să determinați rapid și clar cu exactitate amploarea leziunilor tumorale și să evaluați daunele potențiale de la un accident vascular cerebral, permițând medicilor să prescrie tratamentul adecvat în timp util. RMN-ul a înlocuit în mare măsură artrografia, nevoia de a injecta un agent de contrast într-o articulație pentru a vizualiza deteriorarea cartilajului sau ligamentului și mielografia, injectarea unui agent de contrast în canalul spinal pentru a vizualiza tulburările măduvei spinării sau ale discului intervertebral.

  

  Aplicație în chimie

  În multe laboratoare de astăzi, rezonanța magnetică nucleară este folosită pentru a determina structurile compușilor chimici și biologici importanți. În spectrele RMN, diferite vârfuri oferă informații despre mediul chimic specific și legăturile dintre atomi. Cel mai răspândită izotopii utilizați pentru detectarea semnalelor de rezonanță magnetică sunt 1 H și 13 C, dar mulți alții sunt potriviți, precum 2 H, 3 He, 15 N, 19 F etc.

  Spectroscopia RMN modernă și-a găsit o aplicație largă în sistemele și jocurile biomoleculare rol importantîn biologia structurală. Odată cu dezvoltarea metodologiei și instrumentelor, RMN a devenit una dintre cele mai puternice și versatile metode spectroscopice pentru analiza biomacromoleculelor, ceea ce face posibilă caracterizarea acestora și a complexelor lor cu dimensiuni de până la 100 kDa. Împreună cu cristalografia cu raze X, aceasta este una dintre cele două tehnologii de vârf pentru determinarea structurii lor la nivel atomic. În plus, RMN oferă o unică și Informații importante despre funcțiile proteinei, care joacă un rol crucial în dezvoltare medicamente. Unele dintre aplicații Spectroscopie RMN sunt enumerate mai jos.

  • Aceasta este singura metodă pentru determinarea structurii atomice a biomacromoleculelor în soluții apoase în apropiere fiziologic condiţii sau medii de simulare a membranei.
  • Dinamica moleculară. Acesta este cel mai puternic metodă cuantificare proprietățile dinamice ale biomacromoleculelor.
  • Plierea proteinelor. Spectroscopie RMN este cel mai puternic instrument pentru determinarea structurilor reziduale ale proteinelor desfăcute și ale mediatorilor de pliere.
  • Starea de ionizare. Metoda este eficientă în determinarea proprietăților chimice ale grupurilor funcționale din biomacromolecule, cum ar fi ionizarea stări ale grupărilor ionizabile ale situsurilor active ale enzimelor.
  • Rezonanța magnetică nucleară face posibilă studierea interacțiunilor funcționale slabe dintre macrobiomolecule (de exemplu, cu constante de disociere în intervalele micromolare și milimolare), care nu pot fi realizate prin alte metode.
  • Hidratarea proteinelor. RMN este un instrument pentru detectarea apei interne și a interacțiunii acesteia cu biomacromolecule.
  • Este unic metoda de detectare a interacțiunii directe legături de hidrogen.
  • Screening și dezvoltare de medicamente. În special, rezonanța magnetică nucleară este deosebit de utilă în identificarea medicamentelor și determinarea conformațiilor compușilor asociați cu enzime, receptori și alte proteine.
  • proteină membranară nativă. RMN în stare solidă are potențialul determinarea structurilor atomice ale domeniilor proteice membranareîn mediul membranei native, inclusiv cele cu liganzi legați.
  • Analiza metabolică.
  • Analiza chimica. Identificarea chimică și analiza conformațională a substanțelor chimice sintetice și naturale.
  • Stiinta Materialelor. Un instrument puternic în studiul chimiei și fizicii polimerilor.

  Alte utilizări

  Rezonanța magnetică nucleară și aplicațiile sale nu se limitează la medicină și chimie. Metoda s-a dovedit a fi foarte utilă și în alte domenii, cum ar fi testarea mediului, industria petrolului, controlul proceselor, RMN-ul câmpului Pământului și magnetometre. Testarea nedistructivă economisește probe biologice costisitoare care pot fi reutilizate dacă sunt necesare mai multe teste. Rezonanța magnetică nucleară în geologie este utilizată pentru a măsura porozitatea rocilor și permeabilitatea fluidelor subterane. Magnetometrele sunt folosite pentru a măsura diferite câmpuri magnetice.