Was ist das für eine Forschung? Kernspinresonanz Die Resonanzfrequenz eines Kerns.

Dieselben Atomkerne in unterschiedlichen Umgebungen in einem Molekül zeigen unterschiedliche NMR-Signale. Der Unterschied zwischen einem solchen NMR-Signal und dem Signal einer Standardsubstanz ermöglicht die Bestimmung der sogenannten chemischen Verschiebung, die durch die chemische Struktur der untersuchten Substanz bestimmt wird. NMR-Techniken bieten viele Möglichkeiten zur Bestimmung der chemischen Struktur von Substanzen, molekularen Konformationen, gegenseitigen Beeinflussungen und intramolekularen Transformationen.

Physik NMR

Aufteilung der Kernenergieniveaus mit Ich = 1/2 in einem Magnetfeld

Das Phänomen der Kernspinresonanz basiert auf den magnetischen Eigenschaften von Atomkernen, bestehend aus Nukleonen mit halbzahligem Spin 1/2, 3/2, 5/2... Kerne mit gerader Masse und Ladungszahlen (gerade-gerade). Kerne) haben kein magnetisches Moment, während bei allen anderen Kernen das magnetische Moment von Null verschieden ist.

Daher haben Kerne einen Drehimpuls, der durch die Beziehung zum magnetischen Moment in Beziehung steht

,

Dabei ist das Plancksche Wirkungsquantum, die Spinquantenzahl und das gyromagnetische Verhältnis.

Der Drehimpuls und das magnetische Moment des Kerns werden quantisiert und die Eigenwerte der Projektion sowohl des Drehimpulses als auch des magnetischen Moments auf die z-Achse eines willkürlich gewählten Koordinatensystems werden durch die Beziehung bestimmt

Und ,

wo ist die magnetische Quantenzahl des Eigenzustands des Kerns, seine Werte werden durch die Spinquantenzahl des Kerns bestimmt

das heißt, der Kern kann in Zuständen liegen.

Also für ein Proton (oder einen anderen Kern mit Ich = 1/2- 13 C, 19 F, 31 P usw.) kann nur in zwei Zuständen vorliegen

,

Ein solcher Kern kann als magnetischer Dipol dargestellt werden, dessen z-Komponente parallel oder antiparallel zur positiven Richtung der z-Achse eines beliebigen Koordinatensystems ausgerichtet sein kann.

Es ist zu beachten, dass in Abwesenheit eines äußeren Magnetfelds alle Zustände mit unterschiedlicher Energie die gleiche Energie haben, also entartet sind. Die Entartung wird in einem externen Magnetfeld aufgehoben, und die Aufspaltung relativ zum entarteten Zustand ist proportional zur Größe des externen Magnetfelds und zum magnetischen Moment des Zustands und für einen Kern mit einer Spinquantenzahl ICH In einem äußeren Magnetfeld entsteht ein System 2I+1 Energieniveaus, das heißt, die Kernspinresonanz hat die gleiche Natur wie der Zeeman-Effekt der Aufspaltung elektronischer Niveaus in einem Magnetfeld.

Im einfachsten Fall für einen Kern mit Spin c Ich = 1/2- zum Beispiel für ein Proton, Spaltung

und die Energiedifferenz der Spinzustände

Larmorfrequenzen einiger Atomkerne

Die Frequenz der Protonenresonanz liegt im kurzwelligen Bereich (Wellenlänge etwa 7 m).

Anwendungen der NMR

Spektroskopie

Hauptartikel: NMR-Spektroskopie

Geräte

Das Herzstück eines NMR-Spektrometers ist ein starker Magnet. In einem erstmals von Purcell durchgeführten Experiment wird eine Probe in einer Glasampulle mit einem Durchmesser von etwa 5 mm zwischen die Pole eines starken Elektromagneten gebracht. Dann beginnt sich die Ampulle zu drehen und das auf sie wirkende Magnetfeld wird allmählich verstärkt. Als Strahlungsquelle wird ein High-Q-Hochfrequenzgenerator verwendet. Unter dem Einfluss eines zunehmenden Magnetfelds beginnen die Kerne, auf die das Spektrometer abgestimmt ist, in Resonanz zu geraten. In diesem Fall schwingen die abgeschirmten Kerne mit einer Frequenz, die geringfügig unter der Nennfrequenz der Resonanz (und des Geräts) liegt.

Die Energieaufnahme wird von einer Hochfrequenzbrücke erfasst und anschließend von einem Rekorder aufgezeichnet. Die Frequenz wird erhöht, bis sie eine bestimmte Grenze erreicht, oberhalb derer eine Resonanz unmöglich ist.

Da die von der Brücke kommenden Ströme sehr gering sind, beschränken sie sich nicht auf die Aufnahme eines Spektrums, sondern machen mehrere Dutzend Durchgänge. Alle empfangenen Signale werden in der endgültigen Grafik zusammengefasst, deren Qualität vom Signal-Rausch-Verhältnis des Geräts abhängt.

Bei dieser Methode wird die Probe einer Hochfrequenzstrahlung mit konstanter Frequenz ausgesetzt, während die Stärke des Magnetfelds variiert, weshalb sie auch als Konstantfeldmethode (CW) bezeichnet wird.

Die traditionelle NMR-Spektroskopiemethode hat viele Nachteile. Erstens erfordert die Erstellung jedes Spektrums viel Zeit. Zweitens werden hohe Anforderungen an die Abwesenheit externer Störungen gestellt, und die resultierenden Spektren weisen in der Regel ein erhebliches Rauschen auf. Drittens ist es für den Bau von Hochfrequenzspektrometern (300, 400, 500 und mehr MHz) ungeeignet. Daher nutzen moderne NMR-Instrumente die Methode der sogenannten gepulsten Spektroskopie (PW), die auf Fourier-Transformationen des empfangenen Signals basiert. Derzeit basieren alle NMR-Spektrometer auf der Basis leistungsstarker supraleitender Magnete mit konstantem Magnetfeld.

Anders als bei der CW-Methode werden bei der gepulsten Variante Kerne nicht mit einer „konstanten Welle“, sondern mit Hilfe eines kurzen Impulses von mehreren Mikrosekunden Dauer angeregt. Die Amplituden der Frequenzkomponenten des Impulses nehmen mit zunehmendem Abstand von ν 0 ab. Da es aber wünschenswert ist, dass alle Kerne gleichmäßig bestrahlt werden, ist es notwendig, „harte Pulse“, also kurze Pulse hoher Leistung, zu verwenden. Die Pulsdauer wird so gewählt, dass die Frequenzbandbreite ein oder zwei Größenordnungen größer ist als die Spektrumsbreite. Die Leistung erreicht mehrere Watt.

Als Ergebnis der gepulsten Spektroskopie erhält man nicht das übliche Spektrum mit sichtbaren Resonanzspitzen, sondern ein Bild gedämpfter Resonanzschwingungen, in dem alle Signale aller Resonanzkerne gemischt sind – der sogenannte „freie Induktionszerfall“ (FID, freier Induktionszerfall). Zur Transformation dieses Spektrums werden mathematische Methoden verwendet, die sogenannte Fourier-Transformation, nach der jede Funktion als Summe einer Menge harmonischer Schwingungen dargestellt werden kann.

NMR-Spektren

Spektrum von 1 H 4-Ethoxybenzaldehyd. In einem schwachen Feld (Singulett ~9,25 ppm) kommt das Signal vom Proton der Aldehydgruppe, in einem starken Feld (Triplett ~1,85-2 ppm) von den Protonen der Methylethoxygruppe.

Für die qualitative Analyse mittels NMR wird die Spektrenanalyse verwendet, basierend auf den folgenden bemerkenswerten Eigenschaften dieser Methode:

• Signale von Atomkernen bestimmter funktioneller Gruppen liegen in genau definierten Bereichen des Spektrums;
• die durch den Peak begrenzte Integralfläche ist streng proportional zur Anzahl der resonierenden Atome;
• Kerne, die über 1-4-Bindungen liegen, sind aufgrund der sogenannten Multiplettsignale in der Lage. spalten sich aufeinander.

Die Position des Signals in den NMR-Spektren wird durch ihre chemische Verschiebung relativ zum Referenzsignal charakterisiert. Als Letzteres wird im 1 H- und 13 C-NMR Tetramethylsilan Si(CH 3) 4 verwendet. Die Einheit der chemischen Verschiebung ist der Teil pro Million (ppm) der Instrumentenfrequenz. Wenn wir das TMS-Signal als 0 annehmen und die Verschiebung des Signals in ein schwaches Feld als positive chemische Verschiebung betrachten, erhalten wir die sogenannte δ-Skala. Wenn die Resonanz von Tetramethylsilan 10 ppm beträgt. und die Vorzeichen umkehren, dann ist die resultierende Skala die τ-Skala, die derzeit praktisch nicht verwendet wird. Wenn das Spektrum einer Substanz zu komplex ist, um interpretiert zu werden, können Sie mit quantenchemischen Methoden Screening-Konstanten berechnen und die darauf basierenden Signale korrelieren.

NMR-Introskopie

Das Phänomen der Kernspinresonanz kann nicht nur in der Physik und Chemie, sondern auch in der Medizin genutzt werden: Der menschliche Körper ist eine Ansammlung derselben organischen und anorganischen Moleküle.

Um dieses Phänomen zu beobachten, wird ein Objekt in ein konstantes Magnetfeld gebracht und Hochfrequenz- und Gradientenmagnetfeldern ausgesetzt. In der das Untersuchungsobjekt umgebenden Induktorspule entsteht eine alternierende elektromotorische Kraft (EMF), deren Amplituden-Frequenz-Spektrum und zeitliche Übergangseigenschaften Informationen über die räumliche Dichte resonierender Atomkerne sowie andere nur für diese spezifische Parameter enthalten Kernspinresonanz. Die Computerverarbeitung dieser Informationen erzeugt ein dreidimensionales Bild, das die Dichte chemisch äquivalenter Kerne, die Relaxationszeiten der Kernspinresonanz, die Verteilung der Flüssigkeitsströmungsraten, die Diffusion von Molekülen und biochemische Stoffwechselprozesse in lebenden Geweben charakterisiert.

Das Wesen der NMR-Introskopie (oder Magnetresonanztomographie) besteht in der Tat in der Durchführung einer besonderen Art der quantitativen Analyse der Amplitude des Kernspinresonanzsignals. Bei der konventionellen NMR-Spektroskopie strebt man eine möglichst gute Auflösung der Spektrallinien an. Um dies zu erreichen, werden die magnetischen Systeme so eingestellt, dass eine bestmögliche Feldgleichmäßigkeit innerhalb der Probe entsteht. Bei NMR-Introskopiemethoden hingegen ist das erzeugte Magnetfeld offensichtlich ungleichmäßig. Dann gibt es Grund zu der Annahme, dass die Frequenz der Kernspinresonanz an jedem Punkt der Probe ihren eigenen Wert hat, der sich von den Werten in anderen Teilen unterscheidet. Durch Einstellen eines beliebigen Codes für Abstufungen der Amplitude von NMR-Signalen (Helligkeit oder Farbe auf dem Monitorbildschirm) können Sie ein bedingtes Bild erhalten (

Kernspinresonanz

Kernspinresonanz (NMR) – resonante Absorption oder Emission elektromagnetischer Energie durch eine Substanz, die Kerne mit einem Spin ungleich Null enthält, in einem externen Magnetfeld bei einer Frequenz ν (sogenannte NMR-Frequenz) aufgrund der Neuorientierung der magnetischen Momente der Kerne. Das Phänomen der Kernspinresonanz wurde 1938 von Isaac Rabi in Molekularstrahlen entdeckt, wofür er 1944 den Nobelpreis erhielt. 1946 erlangten Felix Bloch und Edward Mills Purcell die magnetische Kernresonanz in Flüssigkeiten und Feststoffen (Nobelpreis 1952). .

Dieselben Atomkerne in unterschiedlichen Umgebungen in einem Molekül zeigen unterschiedliche NMR-Signale. Der Unterschied zwischen einem solchen NMR-Signal und dem Signal einer Standardsubstanz ermöglicht die Bestimmung der sogenannten chemischen Verschiebung, die durch die chemische Struktur der untersuchten Substanz bestimmt wird. NMR-Techniken bieten viele Möglichkeiten zur Bestimmung der chemischen Struktur von Substanzen, molekularen Konformationen, gegenseitigen Beeinflussungen und intramolekularen Transformationen.

Mathematische Beschreibung Magnetisches Moment des Kerns mu=y*l wobei l der Kernspin ist; y-Balkenkonstante Frequenz, bei der NMR beobachtet wird

Chemische Polarisation von Kernen

Wenn einige chemische Reaktionen in einem Magnetfeld ablaufen, wird in den NMR-Spektren der Reaktionsprodukte entweder eine ungewöhnlich große Absorption oder Radioemission festgestellt. Diese Tatsache weist auf eine Nichtgleichgewichtspopulation nuklearer Zeeman-Niveaus in den Molekülen der Reaktionsprodukte hin. Eine übermäßige Besetzung der unteren Ebene geht mit einer anomalen Absorption einher. Eine invertierte Bevölkerung (die obere Ebene ist stärker besiedelt als die untere) führt zu Funkemissionen. Dieses Phänomen nennt man chemische Polarisation von Kernen

In der NMR wird es zur Verstärkung der Kernmagnetisierung verwendet Larmorfrequenzen einiger Atomkerne

Kern	Larmorfrequenz in MHz bei 0,5 Tesla	Larmorfrequenz in MHz bei 1 Tesla	Larmorfrequenz in MHz bei 7,05 Tesla
1H( Wasserstoff)
²D ( Deuterium)
13 °C ( Kohlenstoff)
23Na( Natrium)
39 K ( Kalium)

Die Frequenz für die Protonenresonanz liegt im Bereich kurze Wellen(Wellenlänge ca. 7 m) .

Anwendungen der NMR

Spektroskopie

NMR-Spektroskopie

Geräte

Das Herzstück eines NMR-Spektrometers ist ein starker Magnet. In einem erstmals von Purcell durchgeführten Experiment wird eine Probe in einer Glasampulle mit einem Durchmesser von etwa 5 mm zwischen die Pole eines starken Elektromagneten gebracht. Um die Gleichmäßigkeit des Magnetfelds zu verbessern, beginnt sich die Ampulle zu drehen und das auf sie wirkende Magnetfeld wird allmählich verstärkt. Als Strahlungsquelle wird ein High-Q-Hochfrequenzgenerator verwendet. Unter dem Einfluss eines zunehmenden Magnetfelds beginnen die Kerne, auf die das Spektrometer abgestimmt ist, in Resonanz zu geraten. In diesem Fall schwingen abgeschirmte Kerne mit einer etwas niedrigeren Frequenz als Kerne ohne Elektronenhülle. Die Energieaufnahme wird von einer Hochfrequenzbrücke erfasst und anschließend von einem Rekorder aufgezeichnet. Die Frequenz wird erhöht, bis sie eine bestimmte Grenze erreicht, oberhalb derer eine Resonanz unmöglich ist.

Da die von der Brücke kommenden Ströme sehr gering sind, beschränken sie sich nicht auf die Aufnahme eines Spektrums, sondern machen mehrere Dutzend Durchgänge. Alle empfangenen Signale werden in der endgültigen Grafik zusammengefasst, deren Qualität vom Signal-Rausch-Verhältnis des Geräts abhängt.

Bei dieser Methode wird die Probe einer Hochfrequenzbestrahlung mit konstanter Frequenz ausgesetzt, während die Stärke des Magnetfelds variiert. Man spricht daher auch von der kontinuierlichen Bestrahlungsmethode (CW).

Die traditionelle NMR-Spektroskopiemethode hat viele Nachteile. Erstens erfordert die Erstellung jedes Spektrums viel Zeit. Zweitens werden hohe Anforderungen an die Abwesenheit externer Störungen gestellt, und die resultierenden Spektren weisen in der Regel ein erhebliches Rauschen auf. Drittens ist es für den Bau von Hochfrequenzspektrometern (300, 400, 500 und mehr MHz) ungeeignet. Daher nutzen moderne NMR-Instrumente die Methode der sogenannten gepulsten Spektroskopie (PW), die auf Fourier-Transformationen des empfangenen Signals basiert. Derzeit basieren alle NMR-Spektrometer auf der Basis leistungsstarker supraleitender Magnete mit konstantem Magnetfeld.

Anders als bei der CW-Methode werden bei der gepulsten Variante Kerne nicht mit einer „konstanten Welle“, sondern mit Hilfe eines kurzen Impulses von mehreren Mikrosekunden Dauer angeregt. Die Amplituden der Frequenzkomponenten des Impulses nehmen mit zunehmendem Abstand von ν 0 ab. Da es aber wünschenswert ist, dass alle Kerne gleichmäßig bestrahlt werden, ist es notwendig, „harte Pulse“, also kurze Pulse hoher Leistung, zu verwenden. Die Pulsdauer wird so gewählt, dass die Frequenzbandbreite ein oder zwei Größenordnungen größer ist als die Spektrumsbreite. Die Leistung erreicht mehrere tausend Watt.

Als Ergebnis der gepulsten Spektroskopie erhält man nicht das übliche Spektrum mit sichtbaren Resonanzspitzen, sondern ein Bild gedämpfter Resonanzschwingungen, in dem alle Signale aller Resonanzkerne gemischt sind – der sogenannte „freie Induktionszerfall“ (FID, frei Induktion Verfall). Zur Transformation dieses Spektrums werden mathematische Methoden verwendet, die sogenannte Fourier-Transformation, nach der jede Funktion als Summe einer Menge harmonischer Schwingungen dargestellt werden kann.

NMR-Spektren

Spektrum von 1 H 4-Ethoxybenzaldehyd. In einem schwachen Feld (Singulett ~9,25 ppm) kommt das Signal vom Proton der Aldehydgruppe, in einem starken Feld (Triplett ~1,85-2 ppm) von den Protonen der Methylethoxygruppe.

Für die qualitative Analyse mittels NMR wird die Spektrenanalyse verwendet, basierend auf den folgenden bemerkenswerten Eigenschaften dieser Methode:

Signale von Atomkernen bestimmter funktioneller Gruppen liegen in genau definierten Bereichen des Spektrums;

die durch den Peak begrenzte Integralfläche ist streng proportional zur Anzahl der resonierenden Atome;

Kerne, die über 1-4-Bindungen liegen, sind aufgrund der sogenannten Multiplettsignale in der Lage. spalten sich aufeinander.

Die Position des Signals in den NMR-Spektren wird durch ihre chemische Verschiebung relativ zum Referenzsignal charakterisiert. Als Letzteres wird im 1 H- und 13 C-NMR Tetramethylsilan Si(CH 3) 4 (TMS) verwendet. Die Einheit der chemischen Verschiebung ist der Teil pro Million (ppm) der Instrumentenfrequenz. Wenn wir das TMS-Signal als 0 annehmen und die Verschiebung des Signals in ein schwaches Feld als positive chemische Verschiebung betrachten, erhalten wir die sogenannte δ-Skala. Wenn die Resonanz von Tetramethylsilan 10 ppm beträgt. und die Vorzeichen umkehren, dann ist die resultierende Skala die τ-Skala, die derzeit praktisch nicht verwendet wird. Wenn das Spektrum einer Substanz zu komplex ist, um interpretiert zu werden, können Sie mit quantenchemischen Methoden Screening-Konstanten berechnen und die darauf basierenden Signale korrelieren.

NMR-Introskopie

Das Phänomen der Kernspinresonanz kann nicht nur in der Physik und Chemie, sondern auch in der Medizin genutzt werden: Der menschliche Körper ist eine Ansammlung derselben organischen und anorganischen Moleküle.

Um dieses Phänomen zu beobachten, wird ein Objekt in ein konstantes Magnetfeld gebracht und Hochfrequenz- und Gradientenmagnetfeldern ausgesetzt. In der das Untersuchungsobjekt umgebenden Induktorspule entsteht eine alternierende elektromotorische Kraft (EMF), deren Amplituden-Frequenz-Spektrum und zeitliche Übergangseigenschaften Informationen über die räumliche Dichte resonierender Atomkerne sowie andere nur für diese spezifische Parameter enthalten Kernspinresonanz. Die Computerverarbeitung dieser Informationen erzeugt ein dreidimensionales Bild, das die Dichte chemisch äquivalenter Kerne, die Relaxationszeiten der Kernspinresonanz, die Verteilung der Flüssigkeitsströmungsraten, die Diffusion von Molekülen und biochemische Stoffwechselprozesse in lebenden Geweben charakterisiert.

Das Wesen der NMR-Introskopie (oder Magnetresonanztomographie) besteht in der Tat in der Durchführung einer besonderen Art der quantitativen Analyse der Amplitude des Kernspinresonanzsignals. Bei der konventionellen NMR-Spektroskopie strebt man eine möglichst gute Auflösung der Spektrallinien an. Um dies zu erreichen, werden die magnetischen Systeme so eingestellt, dass eine bestmögliche Feldgleichmäßigkeit innerhalb der Probe entsteht. Bei NMR-Introskopiemethoden hingegen ist das erzeugte Magnetfeld offensichtlich ungleichmäßig. Dann gibt es Grund zu der Annahme, dass die Frequenz der Kernspinresonanz an jedem Punkt der Probe ihren eigenen Wert hat, der sich von den Werten in anderen Teilen unterscheidet. Durch Einstellen eines beliebigen Codes für die Abstufungen der Amplitude von NMR-Signalen (Helligkeit oder Farbe auf dem Monitorbildschirm) können Sie ein herkömmliches Bild (Tomogramm) von Abschnitten der inneren Struktur des Objekts erhalten.

NMR-Introskopie und NMR-Tomographie wurden weltweit erstmals 1960 von V. A. Ivanov erfunden. Ein inkompetenter Sachverständiger lehnte die Anmeldung einer Erfindung (Methode und Vorrichtung) „... wegen der offensichtlichen Nutzlosigkeit der vorgeschlagenen Lösung“ ab, sodass die Urheberrechtsbescheinigung hierfür erst mehr als 10 Jahre später ausgestellt wurde. Somit ist offiziell anerkannt, dass der Autor der NMR-Tomographie nicht das Team der unten aufgeführten Nobelpreisträger ist, sondern ein russischer Wissenschaftler. Trotz dieser rechtlichen Tatsache wurde der Nobelpreis für NMR-Tomographie nicht an V. A. Ivanov verliehen.

Kernspinresonanz
Kernspinresonanz

Kernspinresonanz (NMR) – resonante Absorption elektromagnetischer Wellen durch Atomkerne, die auftritt, wenn sich die Ausrichtung der Vektoren ihres eigenen Drehimpulses (Spins) ändert. NMR tritt bei Proben auf, die in ein starkes konstantes Magnetfeld gebracht und gleichzeitig einem schwachen elektromagnetischen Wechselfeld im Hochfrequenzbereich ausgesetzt werden (die wechselnden Feldlinien müssen senkrecht zu den konstanten Feldlinien verlaufen). Bei Wasserstoffkernen (Protonen) in einem konstanten Magnetfeld von 10 4 Oersted tritt Resonanz bei einer Radiowellenfrequenz von 42,58 MHz auf. Für andere Kerne in Magnetfeldern von 10 3 –10 4 Oersted-NMR wird im Frequenzbereich 1–10 MHz beobachtet. NMR wird in der Physik, Chemie und Biochemie häufig zur Untersuchung der Struktur von Festkörpern und komplexen Molekülen eingesetzt. In der Medizin wird NMR verwendet, um ein räumliches Bild menschlicher innerer Organe mit einer Auflösung von 0,5–1 mm zu erhalten.

Betrachten wir das Phänomen der NMR am Beispiel des einfachsten Kerns – Wasserstoff. Der Wasserstoffkern ist ein Proton, das über einen bestimmten Wert seines mechanischen Eigendrehimpulses (Spin) verfügt. Gemäß der Quantenmechanik kann der Protonenspinvektor nur zwei einander entgegengesetzte Richtungen im Raum haben, die herkömmlicherweise mit den Worten „oben“ und „unten“ bezeichnet werden. Das Proton hat auch ein magnetisches Moment, dessen Vektorrichtung streng an die Richtung des Spinvektors gebunden ist. Daher kann der Vektor des magnetischen Moments des Protons entweder „nach oben“ oder „nach unten“ gerichtet sein. Somit kann ein Proton als mikroskopischer Magnet mit zwei möglichen Orientierungen im Raum dargestellt werden. Wenn Sie ein Proton in ein externes konstantes Magnetfeld bringen, hängt die Energie des Protons in diesem Feld davon ab, wohin sein magnetisches Moment gerichtet ist. Die Energie eines Protons ist größer, wenn sein magnetisches Moment (und sein Spin) in die entgegengesetzte Richtung zum Feld gerichtet sind. Bezeichnen wir diese Energie mit E ↓. Wenn das magnetische Moment (Spin) eines Protons in die gleiche Richtung wie das Feld gerichtet ist, ist die mit E bezeichnete Protonenenergie geringer (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.
Gehen wir von einem einzelnen Proton zu einer makroskopischen Wasserstoffprobe über, die eine große Anzahl von Protonen enthält. Die Situation wird so aussehen. In der Probe erscheinen aufgrund der Mittelung zufälliger Spinorientierungen etwa gleich viele Protonen, wenn ein konstantes äußeres Magnetfeld angelegt wird, wobei die Spins relativ zu diesem Feld „nach oben“ und „nach unten“ gerichtet sind. Die Bestrahlung einer Probe mit elektromagnetischen Wellen der Frequenz ω = (E ↓ − E )/ћ führt zu einer „massiven“ Umkehrung der Spins (magnetischen Momente) der Protonen, wodurch sich alle Protonen der Probe wiederfinden in einem Zustand mit gegen das Feld gerichteten Spins. Solch eine massive Änderung der Orientierung der Protonen wird von einer starken (resonanten) Absorption von Quanten (und Energie) des einstrahlenden elektromagnetischen Feldes begleitet. Das ist NMR. NMR kann nur in Proben mit einer großen Anzahl von Kernen (10 16) mit speziellen Techniken und hochempfindlichen Instrumenten beobachtet werden.

NMR oder auf Englisch NMR-Bildgebung ist eine Abkürzung für den Begriff „Kernmagnetische Resonanz“. Diese Forschungsmethode gelangte in den 80er Jahren des letzten Jahrhunderts in die medizinische Praxis. Es unterscheidet sich von der Röntgentomographie. Die bei der NMR verwendete Strahlung umfasst Radiowellen mit einer Wellenlänge von 1 bis 300 m. In Analogie zur CT verwendet die Kernspintomographie eine automatische Steuerung des Computerscans mit Verarbeitung schichtweiser Bilder der Struktur innerer Organe.

Was ist das Wesentliche der Kernspintomographie?

NMR nutzt starke Magnetfelder sowie Radiowellen, um aus Einzelbildern (Scans) ein Bild des menschlichen Körpers zu erstellen. Diese Technik ist für die Notfallversorgung von Patienten mit Verletzungen und Hirnschäden sowie für Routineuntersuchungen erforderlich. Unter NMR versteht man die selektive Absorption elektromagnetischer Wellen durch eine Substanz (den menschlichen Körper), die sich in einem Magnetfeld befindet. Dies wird möglich, wenn Kerne mit einem magnetischen Moment ungleich Null vorhanden sind. Zuerst werden Radiowellen absorbiert, dann werden Radiowellen von den Kernen ausgesendet und sie bewegen sich auf niedrige Energieniveaus. Beide Prozesse können durch Untersuchung und Aufnahme von Kernen nachgewiesen werden. NMR erzeugt ein ungleichmäßiges Magnetfeld. Sie müssen lediglich die Senderantenne und den Empfänger des NMR-Tomographen auf einen genau definierten Gewebe- oder Organbereich ausrichten und an den Punkten Messungen vornehmen, wodurch die Frequenz des Wellenempfangs geändert wird.

Bei der Verarbeitung von Informationen aus gescannten Punkten werden Bilder aller Organe und Systeme in verschiedenen Ebenen gewonnen, in einem Schnitt entsteht ein dreidimensionales Bild von Geweben und Organen mit hoher Auflösung. Die Technologie der magnetischen Kerntomographie ist sehr komplex, sie basiert auf dem Prinzip der resonanten Absorption elektromagnetischer Wellen durch Atome. Eine Person wird in ein Gerät mit einem starken Magnetfeld gebracht. Dort drehen sich die Moleküle in Richtung des Magnetfeldes. Anschließend wird ein elektrischer Wellenscan durchgeführt, die Veränderung der Moleküle zunächst auf einer speziellen Matrix aufgezeichnet, dann auf einen Computer übertragen und alle Daten verarbeitet.

Anwendungen von NMRI

Die NMR-Tomographie hat ein ziemlich breites Anwendungsspektrum und wird daher viel häufiger als Alternative zur Computertomographie eingesetzt. Die Liste der Krankheiten, die mittels NMR nachgewiesen werden können, ist sehr umfangreich.

• Gehirn.

Am häufigsten wird eine solche Studie verwendet, um das Gehirn auf Verletzungen, Tumore, Demenz, Epilepsie und Probleme mit Hirngefäßen zu untersuchen.

• Das Herz-Kreislauf-System.

Bei der Diagnostik des Herzens und der Blutgefäße ergänzt die NMR Methoden wie Angiographie und CT.
Die nukleare MRT kann Kardiomyopathie, angeborene Herzfehler, Gefäßveränderungen, Myokardischämie, Dystrophie und Tumoren im Herzen und in den Blutgefäßen erkennen.

• Bewegungsapparat.

Die NMR-Tomographie wird auch häufig zur Diagnose von Problemen des Bewegungsapparates eingesetzt. Mit dieser Diagnosemethode werden Bänder, Sehnen und Knochenstrukturen sehr gut differenziert.

• Innere Organe.

Bei der Untersuchung des Magen-Darm-Trakts und der Leber mittels Kernspintomographie erhalten Sie vollständige Informationen über Milz, Nieren, Leber und Bauchspeicheldrüse. Durch die zusätzliche Gabe eines Kontrastmittels ist es möglich, die Funktionsfähigkeit dieser Organe und ihres Gefäßsystems zu verfolgen. Und mit zusätzlichen Computerprogrammen können Sie Bilder des Darms, der Speiseröhre, der Gallenwege und der Bronchien erstellen.

Kernspintomographie und MRT: Gibt es einen Unterschied?

Manchmal kann man durch die Bezeichnungen MRT und NMR verwechselt werden. Gibt es einen Unterschied zwischen diesen beiden Verfahren? Die Antwort kann eindeutig sein: Nein.
Zum Zeitpunkt ihrer Entdeckung hatte die Magnetresonanztomographie zunächst ein anderes Wort „nuklear“ im Namen, das mit der Zeit verschwand und nur noch die Abkürzung MRT übrig blieb.

Die Kernspintomographie ähnelt einem Röntgengerät, unterscheidet sich jedoch in ihrem Funktionsprinzip und ihren Fähigkeiten etwas. Die MRT hilft, ein visuelles Bild des Gehirns, des Rückenmarks und anderer Organe mit Weichteilen zu erhalten. Mithilfe der Tomographie ist es möglich, die Geschwindigkeit des Blutflusses, des Liquorflusses und der Liquor zu messen. Es kann auch berücksichtigt werden, wie ein bestimmter Bereich der Großhirnrinde abhängig von der menschlichen Aktivität aktiviert wird. Bei der Durchführung einer Studie sieht der Arzt ein dreidimensionales Bild, das es ihm ermöglicht, bei der Beurteilung des Zustands der Person zu navigieren.

Es gibt verschiedene Forschungsmethoden: Angiographie, Perfusion, Diffusion, Spektroskopie. Die Kernspintomographie ist eine der besten Forschungsmethoden, da sie es ermöglicht, ein dreidimensionales Bild des Zustands von Organen und Geweben zu erhalten, wodurch die Diagnose genauer gestellt und die richtige Behandlung ausgewählt werden kann. Die NMR-Untersuchung menschlicher innerer Organe stellt Bilder dar, kein echtes Gewebe. Bilder erscheinen auf lichtempfindlichem Film, wenn bei einer Röntgenaufnahme Röntgenstrahlen absorbiert werden.

Die Hauptvorteile der NMR-Tomographie

Die Vorteile der NMR-Tomographie gegenüber anderen Forschungsmethoden sind vielfältig und erheblich.

Nachteile der NMR-Tomographie

Aber natürlich ist diese Methode nicht ohne Nachteile.

• Hoher Energieverbrauch. Der Betrieb der Kamera erfordert viel Strom und teure Technik für normale Supraleitung. Hochleistungsmagnete haben jedoch keine negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit.
• Dauer des Prozesses. Die Kernspinresonanztomographie ist im Vergleich zum Röntgen eine weniger empfindliche Methode. Daher ist für die Durchleuchtung mehr Zeit erforderlich. Darüber hinaus kann es durch Atembewegungen zu Bildverzerrungen kommen, die die Daten bei Untersuchungen der Lunge und des Herzens verfälschen.
• Wenn Sie an einer Krankheit wie Klaustrophobie leiden, ist dies eine Kontraindikation für eine MRT-Untersuchung. Auch bei großen Metallimplantaten, Herzschrittmachern oder künstlichen Herzschrittmachern ist eine Diagnostik mittels NMR-Bildgebung nicht möglich. Während der Schwangerschaft wird die Diagnose nur in Ausnahmefällen durchgeführt.

Mit der Kernspintomographie kann jedes noch so kleine Objekt im menschlichen Körper untersucht werden. Nur in einigen Fällen sollte die Verteilung der Konzentrationen chemischer Elemente im Körper berücksichtigt werden. Um Messungen empfindlicher zu machen, muss eine relativ große Anzahl von Signalen akkumuliert und summiert werden. In diesem Fall erhält man ein klares, qualitativ hochwertiges Bild, das die Realität angemessen wiedergibt. Dies hängt auch mit der Verweildauer einer Person in der Kammer für die NMR-Tomographie zusammen. Sie werden ziemlich lange still liegen müssen.

Zusammenfassend können wir sagen, dass die Kernspintomographie eine ziemlich sichere und völlig schmerzfreie Diagnosemethode ist, die eine Röntgenbelastung vollständig vermeidet. Mithilfe von Computerprogrammen können Sie die resultierenden Scans zu virtuellen Bildern verarbeiten. Die Grenzen der NMR sind wirklich grenzenlos.

Diese Diagnosemethode ist bereits jetzt ein Ansporn für ihre schnelle Entwicklung und breite Anwendung in der Medizin. Die Methode zeichnet sich durch eine geringe Gesundheitsschädlichkeit aus, ermöglicht aber gleichzeitig eine sorgfältige Untersuchung der Organstruktur sowohl bei einem gesunden Menschen als auch bei Menschen mit bestehenden Erkrankungen.