Τι είναι αυτή η μελέτη; Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Η συχνότητα συντονισμού ενός πυρήνα.

Οι ίδιοι ατομικοί πυρήνες σε διαφορετικά περιβάλλοντα σε ένα μόριο δείχνουν διαφορετικά σήματα NMR. Η διαφορά μεταξύ ενός τέτοιου σήματος NMR και του σήματος μιας τυπικής ουσίας καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της λεγόμενης χημικής μετατόπισης, η οποία καθορίζεται από τη χημική δομή της ουσίας που μελετάται. Οι τεχνικές NMR έχουν πολλές δυνατότητες για τον προσδιορισμό της χημικής δομής των ουσιών, των μοριακών διαμορφώσεων, των επιδράσεων αμοιβαίας επιρροής και των ενδομοριακών μετασχηματισμών.

Φυσική NMR

Διαίρεση των επιπέδων πυρηνικής ενέργειας με I = 1/2σε μαγνητικό πεδίο

Το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού βασίζεται στις μαγνητικές ιδιότητες των ατομικών πυρήνων, που αποτελούνται από νουκλεόνια με μισό ακέραιο σπιν 1/2, 3/2, 5/2.... Πυρήνες με ζυγούς αριθμούς μάζας και φορτίου (ζυγούς-ζυγούς οι πυρήνες) δεν έχουν μαγνητική ροπή, ενώ για όλους τους άλλους πυρήνες η μαγνητική ροπή είναι διαφορετική από το μηδέν.

Έτσι, οι πυρήνες έχουν γωνιακή ορμή, που σχετίζεται με τη μαγνητική ροπή από τη σχέση

,

όπου είναι η σταθερά του Planck, είναι ο κβαντικός αριθμός σπιν και είναι ο γυρομαγνητικός λόγος.

Η γωνιακή ορμή και η μαγνητική ροπή του πυρήνα κβαντίζονται και οι ιδιοτιμές της προβολής τόσο της γωνιακής όσο και της μαγνητικής ροπής στον άξονα z ενός αυθαίρετα επιλεγμένου συστήματος συντεταγμένων καθορίζονται από τη σχέση

Και ,

όπου είναι ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός της ιδιοκατάστασης του πυρήνα, οι τιμές του καθορίζονται από τον κβαντικό αριθμό σπιν του πυρήνα

δηλαδή ο πυρήνας μπορεί να είναι σε καταστάσεις.

Έτσι, για ένα πρωτόνιο (ή άλλο πυρήνα με I = 1/2- 13 C, 19 F, 31 P, κ.λπ.) μπορεί να είναι μόνο σε δύο καταστάσεις

,

ένας τέτοιος πυρήνας μπορεί να αναπαρασταθεί ως ένα μαγνητικό δίπολο, το συστατικό z του οποίου μπορεί να είναι προσανατολισμένο παράλληλα ή αντιπαράλληλο προς τη θετική κατεύθυνση του άξονα z ενός αυθαίρετου συστήματος συντεταγμένων.

Πρέπει να σημειωθεί ότι ελλείψει εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, όλες οι καταστάσεις με διαφορετικές έχουν την ίδια ενέργεια, δηλαδή είναι εκφυλισμένες. Ο εκφυλισμός αφαιρείται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και η διάσπαση σε σχέση με την εκφυλισμένη κατάσταση είναι ανάλογη με το μέγεθος του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου και τη μαγνητική ροπή της κατάστασης και για έναν πυρήνα με κβαντικό αριθμό σπιν Εγώσε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο εμφανίζεται ένα σύστημα από 2Ι+1επίπεδα ενέργειας, δηλαδή ο πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός έχει την ίδια φύση με το φαινόμενο Zeeman της διάσπασης των ηλεκτρονικών επιπέδων σε ένα μαγνητικό πεδίο.

Στην απλούστερη περίπτωση, για έναν πυρήνα με σπιν γ I = 1/2- για παράδειγμα, για ένα πρωτόνιο, διάσπαση

και η ενεργειακή διαφορά των καταστάσεων σπιν

Συχνότητες Larmor ορισμένων ατομικών πυρήνων

Η συχνότητα για συντονισμό πρωτονίων είναι στην περιοχή μικρού μήκους κύματος (μήκος κύματος περίπου 7 m).

Εφαρμογές NMR

Φασματοσκοπία

Κύριο άρθρο: Φασματοσκοπία NMR

συσκευές

Η καρδιά ενός φασματόμετρου NMR είναι ένας ισχυρός μαγνήτης. Σε ένα πείραμα που τέθηκε σε εφαρμογή για πρώτη φορά από τον Purcell, ένα δείγμα τοποθετημένο σε γυάλινη αμπούλα με διάμετρο περίπου 5 mm τοποθετείται ανάμεσα στους πόλους ενός ισχυρού ηλεκτρομαγνήτη. Στη συνέχεια, η αμπούλα αρχίζει να περιστρέφεται και το μαγνητικό πεδίο που ενεργεί πάνω της ενισχύεται σταδιακά. Μια γεννήτρια ραδιοσυχνοτήτων υψηλής Q χρησιμοποιείται ως πηγή ακτινοβολίας. Υπό την επίδραση ενός αυξανόμενου μαγνητικού πεδίου, οι πυρήνες στους οποίους συντονίζεται το φασματόμετρο αρχίζουν να συντονίζονται. Σε αυτή την περίπτωση, οι θωρακισμένοι πυρήνες αντηχούν σε συχνότητα ελαφρώς χαμηλότερη από την ονομαστική συχνότητα του συντονισμού (και της συσκευής).

Η απορρόφηση ενέργειας ανιχνεύεται από μια γέφυρα ραδιοσυχνοτήτων και στη συνέχεια καταγράφεται από συσκευή εγγραφής. Η συχνότητα αυξάνεται μέχρι να φτάσει σε ένα ορισμένο όριο, πάνω από το οποίο ο συντονισμός είναι αδύνατον.

Δεδομένου ότι τα ρεύματα που προέρχονται από τη γέφυρα είναι πολύ μικρά, δεν περιορίζονται στο να πάρουν ένα φάσμα, αλλά κάνουν αρκετές δεκάδες περάσματα. Όλα τα λαμβανόμενα σήματα συνοψίζονται στο τελικό γράφημα, η ποιότητα του οποίου εξαρτάται από την αναλογία σήματος προς θόρυβο της συσκευής.

Στη μέθοδο αυτή, το δείγμα εκτίθεται σε ακτινοβολία ραδιοσυχνοτήτων με σταθερή συχνότητα ενώ η ισχύς του μαγνητικού πεδίου ποικίλλει, γι' αυτό ονομάζεται και μέθοδος σταθερού πεδίου (CW).

Η παραδοσιακή μέθοδος φασματοσκοπίας NMR έχει πολλά μειονεκτήματα. Πρώτον, απαιτείται μεγάλος χρόνος για την κατασκευή κάθε φάσματος. Δεύτερον, είναι πολύ απαιτητικό για την απουσία εξωτερικών παρεμβολών και, κατά κανόνα, τα φάσματα που προκύπτουν έχουν σημαντικό θόρυβο. Τρίτον, είναι ακατάλληλο για τη δημιουργία φασματόμετρων υψηλής συχνότητας (300, 400, 500 και περισσότερα MHz). Επομένως, τα σύγχρονα όργανα NMR χρησιμοποιούν τη μέθοδο της λεγόμενης φασματοσκοπίας παλμών (PW), που βασίζεται στους μετασχηματισμούς Fourier του λαμβανόμενου σήματος. Επί του παρόντος, όλα τα φασματόμετρα NMR είναι κατασκευασμένα με βάση ισχυρούς υπεραγώγιμους μαγνήτες με σταθερό μαγνητικό πεδίο.

Σε αντίθεση με τη μέθοδο CW, στην παλμική έκδοση, οι πυρήνες διεγείρονται όχι με ένα «σταθερό κύμα», αλλά με τη βοήθεια ενός σύντομου παλμού που διαρκεί αρκετά μικροδευτερόλεπτα. Τα πλάτη των συνιστωσών συχνότητας του παλμού μειώνονται με την αύξηση της απόστασης από το ν 0 . Επειδή όμως είναι επιθυμητό όλοι οι πυρήνες να ακτινοβολούνται εξίσου, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν «σκληροί παλμοί», δηλαδή σύντομοι παλμοί υψηλής ισχύος. Η διάρκεια του παλμού επιλέγεται έτσι ώστε το πλάτος της ζώνης συχνοτήτων να είναι μία ή δύο τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από το πλάτος του φάσματος. Η ισχύς φτάνει πολλά watt.

Ως αποτέλεσμα της παλμικής φασματοσκοπίας, δεν λαμβάνεται το συνηθισμένο φάσμα με ορατές κορυφές συντονισμού, αλλά μια εικόνα αποσβεσμένων ταλαντώσεων συντονισμού, στις οποίες όλα τα σήματα από όλους τους συντονιστικούς πυρήνες αναμειγνύονται - η λεγόμενη «διάσπαση ελεύθερης επαγωγής» (FID, ελεύθερη επαγωγική διάσπαση). Για τον μετασχηματισμό αυτού του φάσματος χρησιμοποιούνται μαθηματικές μέθοδοι, ο λεγόμενος μετασχηματισμός Fourier, σύμφωνα με τον οποίο οποιαδήποτε συνάρτηση μπορεί να αναπαρασταθεί ως το άθροισμα ενός συνόλου αρμονικών ταλαντώσεων.

Φάσματα NMR

Φάσμα 1Η 4-αιθοξυβενζαλδεΰδης. Σε ένα ασθενές πεδίο (μονό ~ 9,25 ppm) το σήμα είναι από το πρωτόνιο της ομάδας αλδεΰδης, σε ένα ισχυρό πεδίο (τριπλό ~1,85-2 ppm) - από τα πρωτόνια της μεθυλαιθοξυ ομάδας.

Για ποιοτική ανάλυση με χρήση NMR, χρησιμοποιείται ανάλυση φασμάτων, με βάση τις ακόλουθες αξιοσημείωτες ιδιότητες αυτής της μεθόδου:

• Τα σήματα από τους πυρήνες των ατόμων που ανήκουν σε ορισμένες λειτουργικές ομάδες βρίσκονται σε αυστηρά καθορισμένες περιοχές του φάσματος.
• η ολοκληρωμένη περιοχή που περιορίζεται από την κορυφή είναι αυστηρά ανάλογη με τον αριθμό των ατόμων που συντονίζονται.
• πυρήνες που βρίσκονται μέσω δεσμών 1-4 είναι ικανοί να παράγουν πολλαπλά σήματα ως αποτέλεσμα των λεγόμενων. χωρίζει το ένα πάνω στο άλλο.

Η θέση του σήματος στα φάσματα NMR χαρακτηρίζεται από τη χημική τους μετατόπιση σε σχέση με το σήμα αναφοράς. Τετραμεθυλσιλάνιο Si(CH3)4 χρησιμοποιείται ως τελευταίο σε 1Η και 13C NMR. Η μονάδα χημικής μετατόπισης είναι το μέρος ανά εκατομμύριο (ppm) της συχνότητας του οργάνου. Εάν πάρουμε το σήμα TMS ως 0, και η μετατόπιση του σήματος σε ένα ασθενές πεδίο θεωρείται θετική χημική μετατόπιση, τότε λαμβάνουμε τη λεγόμενη κλίμακα δ. Εάν ο συντονισμός του τετραμεθυλοσιλανίου είναι ίσος με 10 ppm. και αντιστρέψτε τα σημάδια, τότε η κλίμακα που προκύπτει θα είναι η κλίμακα τ, η οποία πρακτικά δεν χρησιμοποιείται επί του παρόντος. Εάν το φάσμα μιας ουσίας είναι πολύ περίπλοκο για να ερμηνευτεί, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε κβαντικές χημικές μεθόδους για να υπολογίσετε τις σταθερές διαλογής και να συσχετίσετε τα σήματα που βασίζονται σε αυτές.

NMR ενδοσκόπηση

Το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο στη φυσική και τη χημεία, αλλά και στην ιατρική: το ανθρώπινο σώμα είναι μια συλλογή από τα ίδια οργανικά και ανόργανα μόρια.

Για να παρατηρηθεί αυτό το φαινόμενο, ένα αντικείμενο τοποθετείται σε σταθερό μαγνητικό πεδίο και εκτίθεται σε μαγνητικά πεδία ραδιοσυχνοτήτων και βαθμίδωσης. Στο πηνίο επαγωγής που περιβάλλει το υπό μελέτη αντικείμενο, προκύπτει μια εναλλασσόμενη ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF), το φάσμα πλάτους-συχνότητας της οποίας και τα μεταβατικά χαρακτηριστικά του χρόνου φέρουν πληροφορίες σχετικά με τη χωρική πυκνότητα των συντονισμένων ατομικών πυρήνων, καθώς και άλλες παραμέτρους που αφορούν μόνο πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό. Η επεξεργασία αυτών των πληροφοριών από υπολογιστή δημιουργεί μια τρισδιάστατη εικόνα που χαρακτηρίζει την πυκνότητα των χημικά ισοδύναμων πυρήνων, τους χρόνους χαλάρωσης του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, την κατανομή των ρυθμών ροής του υγρού, τη διάχυση των μορίων και τις βιοχημικές μεταβολικές διεργασίες στους ζωντανούς ιστούς.

Η ουσία της ενδοσκοπίας NMR (ή απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού) είναι, στην πραγματικότητα, η εφαρμογή ενός ειδικού είδους ποσοτικής ανάλυσης του πλάτους του σήματος πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού. Στη συμβατική φασματοσκοπία NMR, κάποιος προσπαθεί να επιτύχει την καλύτερη δυνατή ανάλυση των φασματικών γραμμών. Για να επιτευχθεί αυτό, τα μαγνητικά συστήματα ρυθμίζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργούν την καλύτερη δυνατή ομοιομορφία πεδίου μέσα στο δείγμα. Στις μεθόδους ενδοσκόπησης NMR, αντίθετα, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται είναι προφανώς ανομοιόμορφο. Τότε υπάρχει λόγος να περιμένουμε ότι η συχνότητα του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού σε κάθε σημείο του δείγματος έχει τη δική της τιμή, διαφορετική από τις τιμές σε άλλα μέρη. Ορίζοντας οποιονδήποτε κωδικό για διαβαθμίσεις του πλάτους των σημάτων NMR (φωτεινότητα ή χρώμα στην οθόνη της οθόνης), μπορείτε να αποκτήσετε μια εικόνα υπό όρους (

Πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός

Πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός (NMR) - συντονιστική απορρόφηση ή εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας από μια ουσία που περιέχει πυρήνες με μη μηδενικό σπιν σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, σε συχνότητα ν (που ονομάζεται συχνότητα NMR), λόγω του επαναπροσανατολισμού των μαγνητικών ροπών των πυρήνων. Το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού ανακαλύφθηκε το 1938 από τον Isaac Rabi σε μοριακές δέσμες, για το οποίο τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ το 1944. Το 1946, ο Felix Bloch και ο Edward Mills Purcell απέκτησαν πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό σε υγρά και στερεά (Βραβείο Νόμπελ 1952). .

Οι ίδιοι ατομικοί πυρήνες σε διαφορετικά περιβάλλοντα σε ένα μόριο δείχνουν διαφορετικά σήματα NMR. Η διαφορά μεταξύ ενός τέτοιου σήματος NMR και του σήματος μιας τυπικής ουσίας καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της λεγόμενης χημικής μετατόπισης, η οποία καθορίζεται από τη χημική δομή της ουσίας που μελετάται. Οι τεχνικές NMR έχουν πολλές δυνατότητες για τον προσδιορισμό της χημικής δομής των ουσιών, των μοριακών διαμορφώσεων, των επιδράσεων αμοιβαίας επιρροής και των ενδομοριακών μετασχηματισμών.

Μαθηματική περιγραφή Μαγνητική ροπή του πυρήνα mu=y*l όπου l είναι το πυρηνικό σπιν. σταθερά y-bar Συχνότητα στην οποία παρατηρείται NMR

Χημική πόλωση πυρήνων

Όταν συμβαίνουν ορισμένες χημικές αντιδράσεις σε ένα μαγνητικό πεδίο, ανιχνεύεται είτε ασυνήθιστα μεγάλη απορρόφηση είτε ραδιοεκπομπή στα φάσματα NMR των προϊόντων αντίδρασης. Αυτό το γεγονός υποδεικνύει έναν πληθυσμό μη ισορροπίας πυρηνικών επιπέδων Zeeman στα μόρια των προϊόντων αντίδρασης. Ο υπερβολικός πληθυσμός του κατώτερου επιπέδου συνοδεύεται από ανώμαλη απορρόφηση. Ο ανεστραμμένος πληθυσμός (το ανώτερο επίπεδο είναι πιο πυκνοκατοικημένο από το χαμηλότερο) οδηγεί σε εκπομπή ραδιοφώνου. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται χημική πόλωση των πυρήνων

Στο NMR χρησιμοποιείται για την ενίσχυση της πυρηνικής μαγνήτισης Συχνότητες Larmor ορισμένων ατομικών πυρήνων

πυρήνας	Συχνότητα Larmor σε MHz στα 0,5 Tesla	Συχνότητα Larmor σε MHz στο 1 Tesla	Συχνότητα Larmor σε MHz στα 7,05 Tesla
1 Ω ( Υδρογόνο)
²D ( Δευτέριο)
13 C ( Ανθρακας)
23 Na( Νάτριο)
39 K ( Κάλιο)

Η συχνότητα για συντονισμό πρωτονίων είναι στην περιοχή μικρά κύματα(μήκος κύματος περίπου 7 m) .

Εφαρμογές NMR

Φασματοσκοπία

Φασματοσκοπία NMR

συσκευές

Η καρδιά ενός φασματόμετρου NMR είναι ένας ισχυρός μαγνήτης. Σε ένα πείραμα που τέθηκε σε εφαρμογή για πρώτη φορά από τον Purcell, ένα δείγμα τοποθετημένο σε γυάλινη αμπούλα με διάμετρο περίπου 5 mm τοποθετείται ανάμεσα στους πόλους ενός ισχυρού ηλεκτρομαγνήτη. Στη συνέχεια, για να βελτιωθεί η ομοιομορφία του μαγνητικού πεδίου, η αμπούλα αρχίζει να περιστρέφεται και το μαγνητικό πεδίο που ενεργεί πάνω της ενισχύεται σταδιακά. Μια γεννήτρια ραδιοσυχνοτήτων υψηλής Q χρησιμοποιείται ως πηγή ακτινοβολίας. Υπό την επίδραση ενός αυξανόμενου μαγνητικού πεδίου, οι πυρήνες στους οποίους συντονίζεται το φασματόμετρο αρχίζουν να συντονίζονται. Σε αυτή την περίπτωση, οι θωρακισμένοι πυρήνες αντηχούν σε συχνότητα ελαφρώς χαμηλότερη από τους πυρήνες χωρίς κελύφη ηλεκτρονίων. Η απορρόφηση ενέργειας ανιχνεύεται από μια γέφυρα ραδιοσυχνοτήτων και στη συνέχεια καταγράφεται από συσκευή εγγραφής. Η συχνότητα αυξάνεται μέχρι να φτάσει σε ένα ορισμένο όριο, πάνω από το οποίο ο συντονισμός είναι αδύνατον.

Δεδομένου ότι τα ρεύματα που προέρχονται από τη γέφυρα είναι πολύ μικρά, δεν περιορίζονται στο να πάρουν ένα φάσμα, αλλά κάνουν αρκετές δεκάδες περάσματα. Όλα τα λαμβανόμενα σήματα συνοψίζονται στο τελικό γράφημα, η ποιότητα του οποίου εξαρτάται από την αναλογία σήματος προς θόρυβο της συσκευής.

Στη μέθοδο αυτή, το δείγμα εκτίθεται σε ακτινοβολία ραδιοσυχνοτήτων σταθερής συχνότητας, ενώ η ισχύς του μαγνητικού πεδίου ποικίλλει, γι' αυτό ονομάζεται και μέθοδος ακτινοβολίας συνεχούς κύματος (CW).

Η παραδοσιακή μέθοδος φασματοσκοπίας NMR έχει πολλά μειονεκτήματα. Πρώτον, απαιτείται μεγάλος χρόνος για την κατασκευή κάθε φάσματος. Δεύτερον, είναι πολύ απαιτητικό για την απουσία εξωτερικών παρεμβολών και, κατά κανόνα, τα φάσματα που προκύπτουν έχουν σημαντικό θόρυβο. Τρίτον, είναι ακατάλληλο για τη δημιουργία φασματόμετρων υψηλής συχνότητας (300, 400, 500 και περισσότερα MHz). Επομένως, τα σύγχρονα όργανα NMR χρησιμοποιούν τη μέθοδο της λεγόμενης φασματοσκοπίας παλμών (PW), που βασίζεται στους μετασχηματισμούς Fourier του λαμβανόμενου σήματος. Επί του παρόντος, όλα τα φασματόμετρα NMR είναι κατασκευασμένα με βάση ισχυρούς υπεραγώγιμους μαγνήτες με σταθερό μαγνητικό πεδίο.

Σε αντίθεση με τη μέθοδο CW, στην παλμική έκδοση, οι πυρήνες διεγείρονται όχι με ένα «σταθερό κύμα», αλλά με τη βοήθεια ενός σύντομου παλμού που διαρκεί αρκετά μικροδευτερόλεπτα. Τα πλάτη των συνιστωσών συχνότητας του παλμού μειώνονται με την αύξηση της απόστασης από το ν 0 . Επειδή όμως είναι επιθυμητό όλοι οι πυρήνες να ακτινοβολούνται εξίσου, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν «σκληροί παλμοί», δηλαδή σύντομοι παλμοί υψηλής ισχύος. Η διάρκεια του παλμού επιλέγεται έτσι ώστε το πλάτος της ζώνης συχνοτήτων να είναι μία ή δύο τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από το πλάτος του φάσματος. Η ισχύς φτάνει πολλές χιλιάδες watt.

Ως αποτέλεσμα της παλμικής φασματοσκοπίας, δεν λαμβάνεται το συνηθισμένο φάσμα με ορατές κορυφές συντονισμού, αλλά μια εικόνα αποσβεσμένων ταλαντώσεων συντονισμού, στις οποίες όλα τα σήματα από όλους τους συντονιστικούς πυρήνες αναμειγνύονται - η λεγόμενη «διάσπαση ελεύθερης επαγωγής» (FID, Ελεύθερος επαγωγή φθορά). Για τον μετασχηματισμό αυτού του φάσματος χρησιμοποιούνται μαθηματικές μέθοδοι, ο λεγόμενος μετασχηματισμός Fourier, σύμφωνα με τον οποίο οποιαδήποτε συνάρτηση μπορεί να αναπαρασταθεί ως το άθροισμα ενός συνόλου αρμονικών ταλαντώσεων.

Φάσματα NMR

Φάσμα 1Η 4-αιθοξυβενζαλδεΰδης. Σε ένα ασθενές πεδίο (μονό ~ 9,25 ppm) το σήμα είναι από το πρωτόνιο της ομάδας αλδεΰδης, σε ένα ισχυρό πεδίο (τριπλό ~1,85-2 ppm) - από τα πρωτόνια της μεθυλαιθοξυ ομάδας.

Για ποιοτική ανάλυση με χρήση NMR, χρησιμοποιείται ανάλυση φασμάτων, με βάση τις ακόλουθες αξιοσημείωτες ιδιότητες αυτής της μεθόδου:

Τα σήματα από τους πυρήνες των ατόμων που ανήκουν σε ορισμένες λειτουργικές ομάδες βρίσκονται σε αυστηρά καθορισμένες περιοχές του φάσματος.

η ολοκληρωμένη περιοχή που περιορίζεται από την κορυφή είναι αυστηρά ανάλογη με τον αριθμό των ατόμων που συντονίζονται.

πυρήνες που βρίσκονται μέσω δεσμών 1-4 είναι ικανοί να παράγουν πολλαπλά σήματα ως αποτέλεσμα των λεγόμενων. χωρίζοντας ο ένας πάνω στον άλλο.

Η θέση του σήματος στα φάσματα NMR χαρακτηρίζεται από τη χημική τους μετατόπιση σε σχέση με το σήμα αναφοράς. Τετραμεθυλοσιλάνιο Si(CH3)4 (TMS) χρησιμοποιείται ως το τελευταίο σε 1Η και 13C NMR. Η μονάδα χημικής μετατόπισης είναι το μέρος ανά εκατομμύριο (ppm) της συχνότητας του οργάνου. Εάν πάρουμε το σήμα TMS ως 0, και η μετατόπιση του σήματος σε ένα ασθενές πεδίο θεωρείται θετική χημική μετατόπιση, τότε λαμβάνουμε τη λεγόμενη κλίμακα δ. Εάν ο συντονισμός του τετραμεθυλοσιλανίου είναι ίσος με 10 ppm. και αντιστρέψτε τα σημάδια, τότε η κλίμακα που προκύπτει θα είναι η κλίμακα τ, η οποία πρακτικά δεν χρησιμοποιείται επί του παρόντος. Εάν το φάσμα μιας ουσίας είναι πολύ περίπλοκο για να ερμηνευτεί, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε κβαντικές χημικές μεθόδους για να υπολογίσετε τις σταθερές διαλογής και να συσχετίσετε τα σήματα που βασίζονται σε αυτές.

NMR ενδοσκόπηση

Το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο στη φυσική και τη χημεία, αλλά και στην ιατρική: το ανθρώπινο σώμα είναι μια συλλογή από τα ίδια οργανικά και ανόργανα μόρια.

Για να παρατηρηθεί αυτό το φαινόμενο, ένα αντικείμενο τοποθετείται σε σταθερό μαγνητικό πεδίο και εκτίθεται σε μαγνητικά πεδία ραδιοσυχνοτήτων και βαθμίδωσης. Στο πηνίο επαγωγής που περιβάλλει το υπό μελέτη αντικείμενο, προκύπτει μια εναλλασσόμενη ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF), το φάσμα πλάτους-συχνότητας της οποίας και τα μεταβατικά χαρακτηριστικά του χρόνου φέρουν πληροφορίες σχετικά με τη χωρική πυκνότητα των συντονισμένων ατομικών πυρήνων, καθώς και άλλες παραμέτρους που αφορούν μόνο πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό. Η επεξεργασία αυτών των πληροφοριών από υπολογιστή δημιουργεί μια τρισδιάστατη εικόνα που χαρακτηρίζει την πυκνότητα των χημικά ισοδύναμων πυρήνων, τους χρόνους χαλάρωσης του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, την κατανομή των ρυθμών ροής του υγρού, τη διάχυση των μορίων και τις βιοχημικές μεταβολικές διεργασίες στους ζωντανούς ιστούς.

Η ουσία της ενδοσκοπίας NMR (ή απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού) είναι, στην πραγματικότητα, η εφαρμογή ενός ειδικού είδους ποσοτικής ανάλυσης του πλάτους του σήματος πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού. Στη συμβατική φασματοσκοπία NMR, κάποιος προσπαθεί να επιτύχει την καλύτερη δυνατή ανάλυση των φασματικών γραμμών. Για να επιτευχθεί αυτό, τα μαγνητικά συστήματα ρυθμίζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργούν την καλύτερη δυνατή ομοιομορφία πεδίου μέσα στο δείγμα. Στις μεθόδους ενδοσκόπησης NMR, αντίθετα, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται είναι προφανώς ανομοιόμορφο. Τότε υπάρχει λόγος να περιμένουμε ότι η συχνότητα του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού σε κάθε σημείο του δείγματος έχει τη δική της τιμή, διαφορετική από τις τιμές σε άλλα μέρη. Ορίζοντας οποιονδήποτε κωδικό για διαβαθμίσεις του πλάτους των σημάτων NMR (φωτεινότητα ή χρώμα στην οθόνη της οθόνης), μπορείτε να αποκτήσετε μια συμβατική εικόνα (τομογράφημα) τμημάτων της εσωτερικής δομής του αντικειμένου.

Η ενδοσκόπηση NMR και η τομογραφία NMR εφευρέθηκαν για πρώτη φορά στον κόσμο το 1960 από τον V. A. Ivanov. Ένας ανίκανος εμπειρογνώμονας απέρριψε την αίτηση για μια εφεύρεση (μέθοδος και συσκευή) "... λόγω της προφανούς αχρηστίας της προτεινόμενης λύσης", επομένως το πιστοποιητικό πνευματικών δικαιωμάτων για αυτό εκδόθηκε μόνο περισσότερα από 10 χρόνια αργότερα. Έτσι, αναγνωρίζεται επίσημα ότι ο συγγραφέας της τομογραφίας NMR δεν είναι η ομάδα των βραβευθέντων με Νόμπελ που αναφέρονται παρακάτω, αλλά ένας Ρώσος επιστήμονας. Παρά αυτό το νομικό γεγονός, το βραβείο Νόμπελ απονεμήθηκε για τομογραφία NMR όχι στον V. A. Ivanov.

Πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός
Πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός

Πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός (NMR) – συντονισμένη απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από ατομικούς πυρήνες, η οποία συμβαίνει όταν αλλάζει ο προσανατολισμός των διανυσμάτων της δικής τους γωνιακής ορμής (σπιν). Το NMR εμφανίζεται σε δείγματα που τοποθετούνται σε ισχυρό σταθερό μαγνητικό πεδίο ενώ ταυτόχρονα εκτίθενται σε ένα ασθενές εναλλασσόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στην περιοχή ραδιοσυχνοτήτων (οι γραμμές εναλλασσόμενου πεδίου πρέπει να είναι κάθετες στις γραμμές σταθερού πεδίου). Για πυρήνες υδρογόνου (πρωτόνια) σε σταθερό μαγνητικό πεδίο 104 oersteds, ο συντονισμός εμφανίζεται σε συχνότητα ραδιοκυμάτων 42,58 MHz. Για άλλους πυρήνες σε μαγνητικά πεδία 10 3 – 10, παρατηρείται 4 oersted NMR στην περιοχή συχνοτήτων 1–10 MHz. Το NMR χρησιμοποιείται ευρέως στη φυσική, τη χημεία και τη βιοχημεία για τη μελέτη της δομής των στερεών και των πολύπλοκων μορίων. Στην ιατρική, το NMR χρησιμοποιείται για τη λήψη μιας χωρικής εικόνας των εσωτερικών οργάνων του ανθρώπου με ανάλυση 0,5–1 mm.

Ας εξετάσουμε το φαινόμενο του NMR χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του απλούστερου πυρήνα - του υδρογόνου. Ο πυρήνας του υδρογόνου είναι ένα πρωτόνιο, το οποίο έχει μια ορισμένη τιμή της δικής του μηχανικής γωνιακής ορμής (σπιν). Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, το διάνυσμα σπιν πρωτονίου μπορεί να έχει μόνο δύο αμοιβαία αντίθετες κατευθύνσεις στο χώρο, που συμβατικά υποδηλώνονται με τις λέξεις «πάνω» και «κάτω». Το πρωτόνιο έχει επίσης μαγνητική ροπή, η κατεύθυνση του διανύσματος της οποίας είναι αυστηρά συνδεδεμένη με την κατεύθυνση του διανύσματος σπιν. Επομένως, το διάνυσμα της μαγνητικής ροπής του πρωτονίου μπορεί να κατευθυνθεί είτε «πάνω» ή «κάτω». Έτσι, ένα πρωτόνιο μπορεί να αναπαρασταθεί ως ένας μικροσκοπικός μαγνήτης με δύο πιθανούς προσανατολισμούς στο διάστημα. Εάν τοποθετήσετε ένα πρωτόνιο σε ένα εξωτερικό σταθερό μαγνητικό πεδίο, τότε η ενέργεια του πρωτονίου σε αυτό το πεδίο θα εξαρτηθεί από το πού κατευθύνεται η μαγνητική του ροπή. Η ενέργεια ενός πρωτονίου θα είναι μεγαλύτερη εάν η μαγνητική του ροπή (και το σπιν) κατευθύνεται προς την αντίθετη κατεύθυνση από το πεδίο. Ας συμβολίσουμε αυτή την ενέργεια E ↓. Εάν η μαγνητική ροπή (σπιν) ενός πρωτονίου κατευθύνεται προς την ίδια κατεύθυνση με το πεδίο, τότε η ενέργεια του πρωτονίου, που συμβολίζεται με Ε, θα είναι μικρότερη (Ε< 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.
Ας περάσουμε από ένα μοναδικό πρωτόνιο σε ένα μακροσκοπικό δείγμα υδρογόνου που περιέχει μεγάλο αριθμό πρωτονίων. Η κατάσταση θα μοιάζει με αυτό. Στο δείγμα, λόγω του μέσου όρου των τυχαίων προσανατολισμών σπιν, περίπου ίσος αριθμός πρωτονίων, όταν εφαρμόζεται σταθερό εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, θα εμφανιστούν με σπιν κατευθυνόμενα «πάνω» και «κάτω» σε σχέση με αυτό το πεδίο. Η ακτινοβολία ενός δείγματος με ηλεκτρομαγνητικά κύματα με συχνότητα ω = (E ↓ − E )/ћ θα προκαλέσει μια «μεγάλη» ανατροπή των σπιν (μαγνητικές ροπές) των πρωτονίων, με αποτέλεσμα όλα τα πρωτόνια του δείγματος να βρεθούν σε κατάσταση με περιστροφές στραμμένες κατά του γηπέδου. Μια τέτοια μαζική αλλαγή στον προσανατολισμό των πρωτονίων θα συνοδεύεται από μια απότομη (συντονιζόμενη) απορρόφηση κβαντών (και ενέργειας) του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που ακτινοβολεί. Αυτό είναι NMR. Το NMR μπορεί να παρατηρηθεί μόνο σε δείγματα με μεγάλο αριθμό πυρήνων (10 16), χρησιμοποιώντας ειδικές τεχνικές και εξαιρετικά ευαίσθητα όργανα.

Το NMR ή στα αγγλικά η απεικόνιση NMR είναι συντομογραφία της φράσης "nuclear magnetic resonance". Αυτή η μέθοδος έρευνας εισήλθε στην ιατρική πρακτική τη δεκαετία του '80 του περασμένου αιώνα. Διαφέρει από την αξονική τομογραφία. Η ακτινοβολία που χρησιμοποιείται στο NMR περιλαμβάνει ραδιοκύματα με μήκος κύματος από 1 έως 300 μ. Κατ' αναλογία με την αξονική τομογραφία, η πυρηνική μαγνητική τομογραφία χρησιμοποιεί αυτόματο έλεγχο σάρωσης υπολογιστή με επεξεργασία εικόνων στρώμα προς στρώμα της δομής των εσωτερικών οργάνων.

Ποια είναι η ουσία της απεικόνισης πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού;

Το NMR χρησιμοποιεί ισχυρά μαγνητικά πεδία καθώς και ραδιοκύματα για να δημιουργήσει μια εικόνα του ανθρώπινου σώματος από μεμονωμένες εικόνες (σαρώσεις). Αυτή η τεχνική είναι απαραίτητη για την επείγουσα περίθαλψη ασθενών με τραυματισμούς και εγκεφαλικές βλάβες, καθώς και για εξετάσεις ρουτίνας. Το NMR είναι η επιλεκτική απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από μια ουσία (το ανθρώπινο σώμα) που βρίσκεται σε μαγνητικό πεδίο. Αυτό γίνεται δυνατό με την παρουσία πυρήνων με μη μηδενική μαγνητική ροπή. Πρώτα απορροφώνται τα ραδιοκύματα, μετά εκπέμπονται ραδιοκύματα από τους πυρήνες και μετακινούνται σε χαμηλά επίπεδα ενέργειας. Και οι δύο διαδικασίες μπορούν να ανιχνευθούν με τη μελέτη και την απορρόφηση των πυρήνων. Το NMR δημιουργεί ένα μη ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο. Απλά πρέπει να προσαρμόσετε την κεραία πομπού και τον δέκτη του τομογράφου NMR σε μια αυστηρά καθορισμένη περιοχή ιστού ή οργάνων και να λάβετε μετρήσεις από τα σημεία, αλλάζοντας τη συχνότητα λήψης κύματος.

Κατά την επεξεργασία πληροφοριών από σαρωμένα σημεία, λαμβάνονται εικόνες όλων των οργάνων και συστημάτων σε διάφορα επίπεδα, σε ένα τμήμα σχηματίζεται μια τρισδιάστατη εικόνα ιστών και οργάνων με υψηλή ανάλυση. Η τεχνολογία της μαγνητικής πυρηνικής τομογραφίας είναι πολύ περίπλοκη· βασίζεται στην αρχή της συντονισμένης απορρόφησης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από τα άτομα. Ένα άτομο τοποθετείται σε μια συσκευή με ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Τα μόρια εκεί στρέφονται προς την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου. Στη συνέχεια πραγματοποιείται σάρωση ηλεκτρικών κυμάτων, η αλλαγή των μορίων καταγράφεται πρώτα σε μια ειδική μήτρα και στη συνέχεια μεταφέρεται σε υπολογιστή και όλα τα δεδομένα υποβάλλονται σε επεξεργασία.

Εφαρμογές NMRI

Η τομογραφία NMR έχει ένα αρκετά ευρύ φάσμα εφαρμογών, επομένως χρησιμοποιείται πολύ πιο συχνά ως εναλλακτική λύση στην αξονική τομογραφία. Ο κατάλογος των ασθενειών που μπορούν να ανιχνευθούν με τη χρήση NMR είναι πολύ εκτενής.

• Εγκέφαλος.

Τις περισσότερες φορές, μια τέτοια μελέτη χρησιμοποιείται για τη σάρωση του εγκεφάλου για τραυματισμούς, όγκους, άνοια, επιληψία και προβλήματα με τα εγκεφαλικά αγγεία.

• Το καρδιαγγειακό σύστημα.

Κατά τη διάγνωση της καρδιάς και των αιμοφόρων αγγείων, το NMR συμπληρώνει μεθόδους όπως η αγγειογραφία και η αξονική τομογραφία.
Η πυρηνική μαγνητική τομογραφία μπορεί να ανιχνεύσει μυοκαρδιοπάθεια, συγγενείς καρδιοπάθειες, αγγειακές αλλαγές, ισχαιμία του μυοκαρδίου, δυστροφία και όγκους στην καρδιά και τα αιμοφόρα αγγεία.

• Μυοσκελετικό σύστημα.

Η τομογραφία NMR χρησιμοποιείται επίσης ευρέως για τη διάγνωση προβλημάτων με το μυοσκελετικό σύστημα. Με αυτή τη διαγνωστική μέθοδο, οι σύνδεσμοι, οι τένοντες και οι δομές των οστών διαφοροποιούνται πολύ καλά.

• Εσωτερικά όργανα.

Κατά την εξέταση του γαστρεντερικού σωλήνα και του ήπατος χρησιμοποιώντας απεικόνιση πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, μπορείτε να λάβετε πλήρεις πληροφορίες για τον σπλήνα, τα νεφρά, το ήπαρ και το πάγκρεας. Εάν εισάγετε επιπλέον ένα σκιαγραφικό, καθίσταται δυνατή η παρακολούθηση της λειτουργικής ικανότητας αυτών των οργάνων και του αγγειακού τους συστήματος. Και πρόσθετα προγράμματα υπολογιστή σας επιτρέπουν να δημιουργείτε εικόνες των εντέρων, του οισοφάγου, των χοληφόρων οδών και των βρόγχων.

Πυρηνική μαγνητική τομογραφία και μαγνητική τομογραφία: υπάρχει διαφορά;

Μερικές φορές μπορεί να μπερδευτείτε με τα ονόματα MRI και NMR. Υπάρχει διαφορά μεταξύ αυτών των δύο διαδικασιών; Η απάντηση μπορεί να είναι κατηγορηματική: όχι.
Αρχικά, τη στιγμή της ανακάλυψής της, η μαγνητική τομογραφία είχε μια άλλη λέξη «πυρηνική» στο όνομά της, η οποία εξαφανίστηκε με την πάροδο του χρόνου, αφήνοντας μόνο τη συντομογραφία MRI.

Η απεικόνιση πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού είναι παρόμοια με μια μηχανή ακτίνων Χ, ωστόσο, η αρχή λειτουργίας και οι δυνατότητές της είναι κάπως διαφορετικές. Η μαγνητική τομογραφία βοηθά στη λήψη οπτικής εικόνας του εγκεφάλου, του νωτιαίου μυελού και άλλων οργάνων με μαλακούς ιστούς. Με τη χρήση τομογραφίας, είναι δυνατό να μετρηθεί η ταχύτητα της ροής του αίματος, η ροή του εγκεφαλονωτιαίου υγρού και του εγκεφαλονωτιαίου υγρού. Είναι επίσης δυνατό να εξεταστεί πώς ενεργοποιείται μια συγκεκριμένη περιοχή του εγκεφαλικού φλοιού ανάλογα με την ανθρώπινη δραστηριότητα. Κατά τη διεξαγωγή μιας μελέτης, ο γιατρός βλέπει μια τρισδιάστατη εικόνα, η οποία του επιτρέπει να πλοηγηθεί στην αξιολόγηση της κατάστασης του ατόμου.

Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι έρευνας: αγγειογραφία, αιμάτωση, διάχυση, φασματοσκοπία. Η απεικόνιση πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού είναι μια από τις καλύτερες μεθόδους έρευνας, καθώς σας επιτρέπει να αποκτήσετε μια τρισδιάστατη εικόνα της κατάστασης των οργάνων και των ιστών, πράγμα που σημαίνει ότι η διάγνωση θα τεθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια και θα επιλεγεί η σωστή θεραπεία. Η εξέταση με NMR των εσωτερικών οργάνων του ανθρώπου αντιπροσωπεύει εικόνες, όχι πραγματικό ιστό. Οι εικόνες εμφανίζονται σε φωτοευαίσθητο φιλμ όταν οι ακτίνες Χ απορροφώνται όταν λαμβάνεται μια ακτινογραφία.

Τα κύρια πλεονεκτήματα της τομογραφίας NMR

Τα πλεονεκτήματα της τομογραφίας NMR σε σύγκριση με άλλες ερευνητικές μεθόδους είναι πολύπλευρα και σημαντικά.

Μειονεκτήματα της τομογραφίας NMR

Αλλά φυσικά, αυτή η μέθοδος δεν είναι χωρίς μειονεκτήματα.

• Υψηλή κατανάλωση ενέργειας. Η λειτουργία της κάμερας απαιτεί μεγάλη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας και ακριβή τεχνολογία για κανονική υπεραγωγιμότητα. Αλλά οι μαγνήτες υψηλής ισχύος δεν έχουν αρνητική επίδραση στην ανθρώπινη υγεία.
• Διάρκεια της διαδικασίας. Η πυρηνική μαγνητική τομογραφία είναι μια λιγότερο ευαίσθητη μέθοδος σε σύγκριση με τις ακτίνες Χ. Επομένως, απαιτείται περισσότερος χρόνος για τη διαφώτιση. Επιπλέον, η παραμόρφωση της εικόνας μπορεί να συμβεί λόγω αναπνευστικών κινήσεων, οι οποίες παραμορφώνουν τα δεδομένα κατά τη διεξαγωγή μελετών στους πνεύμονες και την καρδιά.
• Εάν έχετε μια ασθένεια όπως η κλειστοφοβία, είναι αντένδειξη για εξέταση με μαγνητική τομογραφία. Είναι επίσης αδύνατο να διεξαχθούν διαγνωστικά με τη χρήση απεικόνισης NMR εάν υπάρχουν μεγάλα μεταλλικά εμφυτεύματα, βηματοδότες ή τεχνητοί βηματοδότες. Κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης, η διάγνωση πραγματοποιείται μόνο σε εξαιρετικές περιπτώσεις.

Κάθε μικροσκοπικό αντικείμενο στο ανθρώπινο σώμα μπορεί να εξεταστεί χρησιμοποιώντας απεικόνιση πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού. Μόνο σε ορισμένες περιπτώσεις θα πρέπει να περιλαμβάνεται η κατανομή των συγκεντρώσεων των χημικών στοιχείων στο σώμα. Για να γίνουν πιο ευαίσθητες οι μετρήσεις, πρέπει να συσσωρευτεί και να αθροιστεί ένας αρκετά μεγάλος αριθμός σημάτων. Σε αυτή την περίπτωση, λαμβάνεται μια καθαρή, υψηλής ποιότητας εικόνα που μεταφέρει επαρκώς την πραγματικότητα. Αυτό σχετίζεται επίσης με το χρονικό διάστημα που περνάει ένα άτομο στον θάλαμο για τομογραφία NMR. Θα πρέπει να μείνετε ακίνητοι για αρκετή ώρα.

Συμπερασματικά, μπορούμε να πούμε ότι η πυρηνική μαγνητική τομογραφία είναι μια αρκετά ασφαλής και εντελώς ανώδυνη διαγνωστική μέθοδος που αποφεύγει εντελώς την έκθεση σε ακτινογραφίες. Τα προγράμματα υπολογιστών σάς επιτρέπουν να επεξεργάζεστε τις προκύπτουσες σαρώσεις για να σχηματίσετε εικονικές εικόνες. Τα όρια του NMR είναι πραγματικά απεριόριστα.

Ήδη τώρα, αυτή η διαγνωστική μέθοδος αποτελεί κίνητρο για την ταχεία ανάπτυξη και την ευρεία χρήση της στην ιατρική. Η μέθοδος διακρίνεται από τη χαμηλή της επιβλαβή για την ανθρώπινη υγεία, αλλά ταυτόχρονα σας επιτρέπει να εξετάσετε προσεκτικά τη δομή των οργάνων, τόσο σε ένα υγιές άτομο όσο και σε άτομα με υπάρχουσες ασθένειες.