این چه نوع تحقیقی است؟ رزونانس مغناطیسی هسته ای فرکانس تشدید یک هسته.

هسته های اتمی یکسان در محیط های مختلف در یک مولکول سیگنال های NMR متفاوتی را نشان می دهند. تفاوت بین چنین سیگنال NMR و سیگنال یک ماده استاندارد، تعیین به اصطلاح شیفت شیمیایی را ممکن می کند که توسط ساختار شیمیایی ماده مورد مطالعه تعیین می شود. تکنیک‌های NMR امکانات زیادی برای تعیین ساختار شیمیایی مواد، ترکیب‌های مولکولی، اثرات تأثیر متقابل و تبدیل‌های درون مولکولی دارند.

NMR فیزیک

تقسیم سطوح انرژی هسته ای با I = 1/2در یک میدان مغناطیسی

پدیده تشدید مغناطیسی هسته ای بر اساس ویژگی های مغناطیسی هسته های اتمی است که شامل نوکلئون هایی با اسپین نیمه صحیح 1/2، 3/2، 5/2 .... هسته هایی با جرم و اعداد بار زوج ( زوج - زوج هسته ها) گشتاور مغناطیسی ندارند، در حالی که برای تمام هسته های دیگر گشتاور مغناطیسی با صفر متفاوت است.

بنابراین، هسته‌ها دارای تکانه زاویه‌ای هستند که توسط رابطه به گشتاور مغناطیسی مربوط می‌شود

,

که در آن ثابت پلانک است، عدد کوانتومی اسپین، و نسبت ژیرو مغناطیسی است.

تکانه زاویه ای و گشتاور مغناطیسی هسته کوانتیزه می شود و مقادیر ویژه طرح ریزی گشتاورهای زاویه ای و مغناطیسی بر روی محور z یک سیستم مختصات به طور دلخواه انتخاب شده توسط این رابطه تعیین می شود.

و،

عدد کوانتومی مغناطیسی حالت ویژه هسته کجاست، مقادیر آن توسط عدد کوانتومی اسپین هسته تعیین می شود.

یعنی هسته می تواند در حالت ها باشد.

بنابراین، برای یک پروتون (یا هسته دیگر با I = 1/2- 13 C، 19 F، 31 P، و غیره) فقط می تواند در دو حالت باشد

,

چنین هسته ای را می توان به عنوان یک دوقطبی مغناطیسی نشان داد، که جزء z آن می تواند موازی یا ضد موازی با جهت مثبت محور z یک سیستم مختصات دلخواه باشد.

لازم به ذکر است که در غیاب میدان مغناطیسی خارجی، همه حالات با حالت های مختلف انرژی یکسانی دارند، یعنی منحط هستند. انحطاط در یک میدان مغناطیسی خارجی حذف می‌شود و شکاف نسبت به حالت انحطاط متناسب با بزرگی میدان مغناطیسی خارجی و گشتاور مغناطیسی حالت و برای هسته‌ای با عدد کوانتومی اسپینی است. مندر یک میدان مغناطیسی خارجی یک سیستم ظاهر می شود 2I+1سطوح انرژی، یعنی تشدید مغناطیسی هسته ای ماهیت مشابهی با اثر زیمن از تقسیم سطوح الکترونیکی در یک میدان مغناطیسی دارد.

در ساده ترین حالت، برای یک هسته با اسپین c I = 1/2- به عنوان مثال، برای یک پروتون، شکافتن

و اختلاف انرژی حالات اسپین

فرکانس های لارمور برخی از هسته های اتمی

فرکانس تشدید پروتون در محدوده طول موج کوتاه (طول موج حدود 7 متر) است.

کاربردهای NMR

طیف سنجی

مقاله اصلی: طیف سنجی NMR

دستگاه ها

قلب یک طیف سنج NMR یک آهنربای قدرتمند است. در آزمایشی که اولین بار توسط پورسل انجام شد، نمونه ای که در یک آمپول شیشه ای با قطر حدود 5 میلی متر قرار داده شده است، بین قطب های یک آهنربای الکتریکی قوی قرار می گیرد. سپس آمپول شروع به چرخش می کند و میدان مغناطیسی وارد بر آن به تدریج تقویت می شود. یک مولد فرکانس رادیویی با Q بالا به عنوان منبع تابش استفاده می شود. تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی فزاینده، هسته هایی که طیف سنج روی آنها تنظیم می شود شروع به تشدید می کنند. در این حالت، هسته های محافظ در فرکانس کمی کمتر از فرکانس اسمی تشدید (و دستگاه) تشدید می شوند.

جذب انرژی توسط یک پل فرکانس رادیویی تشخیص داده می شود و سپس توسط یک ضبط کننده ضبط می شود. فرکانس افزایش می یابد تا زمانی که به حد معینی برسد، که بیش از آن رزونانس غیرممکن است.

از آنجایی که جریان‌هایی که از پل می‌آیند بسیار کم هستند، آنها خود را به گرفتن یک طیف محدود نمی‌کنند، بلکه چندین ده پاس می‌دهند. تمام سیگنال های دریافتی در نمودار نهایی خلاصه می شوند که کیفیت آن به نسبت سیگنال به نویز دستگاه بستگی دارد.

در این روش نمونه با فرکانس ثابت در معرض تابش فرکانس رادیویی قرار می گیرد در حالی که قدرت میدان مغناطیسی متغیر است به همین دلیل به آن روش میدان ثابت (CW) نیز می گویند.

روش سنتی طیف سنجی NMR دارای معایب بسیاری است. اولاً، ساخت هر طیف به زمان زیادی نیاز دارد. ثانیا، در مورد عدم وجود تداخل خارجی بسیار خواستار است و، به عنوان یک قاعده، طیف های حاصل نویز قابل توجهی دارند. ثالثاً برای ایجاد طیف سنج های فرکانس بالا (300، 400، 500 و بیشتر مگاهرتز) نامناسب است. بنابراین، ابزارهای NMR مدرن از روش به اصطلاح طیف‌سنجی پالسی (PW) بر اساس تبدیل فوریه سیگنال دریافتی استفاده می‌کنند. در حال حاضر، تمام طیف سنج های NMR بر اساس آهنرباهای ابررسانای قدرتمند با میدان مغناطیسی ثابت ساخته می شوند.

برخلاف روش CW، در نسخه پالسی، هسته ها نه با یک "موج ثابت"، بلکه با کمک یک پالس کوتاه چند میکروثانیه برانگیخته می شوند. دامنه مولفه های فرکانس پالس با افزایش فاصله از ν 0 کاهش می یابد. اما از آنجایی که مطلوب است که همه هسته ها به طور یکسان تابش شوند، لازم است از "پالس های سخت" استفاده شود، یعنی پالس های کوتاه با توان بالا. مدت زمان پالس طوری انتخاب می شود که عرض باند فرکانسی یک یا دو مرتبه بزرگتر از عرض طیف باشد. قدرت به چندین وات می رسد.

در نتیجه طیف‌سنجی پالسی، طیف معمولی با پیک‌های تشدید مرئی به دست نمی‌آید، بلکه تصویری از نوسانات تشدید میرا دریافت می‌شود که در آن همه سیگنال‌ها از تمام هسته‌های تشدیدکننده مخلوط می‌شوند - به اصطلاح "واپاشی القایی آزاد" (FID, واپاشی القایی رایگان). برای تبدیل این طیف از روش های ریاضی استفاده می شود که اصطلاحاً تبدیل فوریه نامیده می شود که طبق آن هر تابعی را می توان به صورت مجموع مجموعه ای از نوسانات هارمونیک نشان داد.

طیف NMR

طیف 1H4-اتوکسی بنزآلدئید. در یک میدان ضعیف (تک ~ 9.25 ppm) سیگنال از پروتون گروه آلدهید است، در یک میدان قوی (سه گانه ~ 1.85-2 ppm) - از پروتون های گروه متیل اتوکسی.

برای تجزیه و تحلیل کیفی با استفاده از NMR، از آنالیز طیفی بر اساس ویژگی های قابل توجه این روش استفاده می شود:

• سیگنال‌های هسته‌های اتم‌های متعلق به گروه‌های عاملی خاص در مناطق کاملاً تعریف‌شده طیف قرار دارند.
• مساحت انتگرال محدود شده توسط پیک کاملاً متناسب با تعداد اتم های تشدید کننده است.
• هسته های نهفته از طریق پیوندهای 1-4 قادر به تولید سیگنال های چندگانه در نتیجه به اصطلاح هستند. جدا شدن روی یکدیگر

موقعیت سیگنال در طیف NMR با تغییر شیمیایی آنها نسبت به سیگنال مرجع مشخص می شود. تترا متیل سیلان Si (CH 3) 4 به عنوان دومی در 1H و 13 C NMR استفاده می شود. واحد شیفت شیمیایی قسمت در میلیون (ppm) فرکانس ابزار است. اگر سیگنال TMS را 0 در نظر بگیریم، و انتقال سیگنال به یک میدان ضعیف، یک شیفت شیمیایی مثبت در نظر گرفته شود، به اصطلاح مقیاس δ را بدست می آوریم. اگر رزونانس تترا متیل سیلان برابر 10 پی پی ام باشد. و علائم را معکوس کنید، سپس مقیاس حاصل مقیاس τ خواهد بود که در حال حاضر عملاً استفاده نمی شود. اگر طیف یک ماده برای تفسیر بسیار پیچیده است، می‌توانید از روش‌های شیمیایی کوانتومی برای محاسبه ثابت‌های غربالگری و ارتباط سیگنال‌ها بر اساس آنها استفاده کنید.

اینتروسکوپی NMR

پدیده تشدید مغناطیسی هسته ای نه تنها در فیزیک و شیمی، بلکه در پزشکی نیز قابل استفاده است: بدن انسان مجموعه ای از همان مولکول های آلی و معدنی است.

برای مشاهده این پدیده، یک جسم در یک میدان مغناطیسی ثابت قرار می گیرد و در معرض فرکانس رادیویی و میدان مغناطیسی گرادیان قرار می گیرد. در سیم پیچ القایی که جسم مورد مطالعه را احاطه کرده است، یک نیروی الکتروموتور متناوب (EMF) بوجود می آید که طیف دامنه فرکانس آن و ویژگی های گذرا زمانی حاوی اطلاعاتی در مورد چگالی فضایی هسته های اتمی تشدید کننده و همچنین سایر پارامترهای خاص هستند. رزونانس مغناطیسی هسته ای پردازش کامپیوتری این اطلاعات یک تصویر سه بعدی ایجاد می کند که چگالی هسته های شیمیایی معادل، زمان آرامش رزونانس مغناطیسی هسته ای، توزیع نرخ جریان سیال، انتشار مولکول ها و فرآیندهای متابولیک بیوشیمیایی در بافت های زنده را مشخص می کند.

ماهیت اینتروسکوپی NMR (یا تصویربرداری رزونانس مغناطیسی) در واقع اجرای نوع خاصی از تجزیه و تحلیل کمی دامنه سیگنال رزونانس مغناطیسی هسته ای است. در طیف‌سنجی NMR معمولی، فرد تلاش می‌کند تا به بهترین وضوح ممکن خطوط طیفی دست یابد. برای رسیدن به این هدف، سیستم های مغناطیسی به گونه ای تنظیم می شوند که بهترین یکنواختی میدان ممکن را در نمونه ایجاد کنند. در روش های درون سنجی NMR، برعکس، میدان مغناطیسی ایجاد شده آشکارا غیر یکنواخت است. پس دلیلی وجود دارد که انتظار داشته باشیم فرکانس رزونانس مغناطیسی هسته ای در هر نقطه از نمونه مقدار خاص خود را داشته باشد، متفاوت از مقادیر در سایر قسمت ها. با تنظیم هر کدی برای درجه‌بندی دامنه سیگنال‌های NMR (روشنایی یا رنگ روی صفحه نمایش)، می‌توانید یک تصویر شرطی دریافت کنید.

رزونانس مغناطیسی هسته ای

رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) - جذب تشدید یا انتشار انرژی الکترومغناطیسی توسط ماده ای حاوی هسته هایی با اسپین غیر صفر در یک میدان مغناطیسی خارجی، در فرکانس ν (به نام فرکانس NMR)، به دلیل جهت گیری مجدد گشتاورهای مغناطیسی هسته ها. پدیده تشدید مغناطیسی هسته ای در سال 1938 توسط ایزاک ربی در پرتوهای مولکولی کشف شد و به همین دلیل جایزه نوبل سال 1944 به او اهدا شد. در سال 1946، فلیکس بلوخ و ادوارد میلز پرسل رزونانس مغناطیسی هسته ای را در مایعات و جامدات به دست آوردند (جایزه نوبل 1952). .

هسته های اتمی یکسان در محیط های مختلف در یک مولکول سیگنال های NMR متفاوتی را نشان می دهند. تفاوت بین چنین سیگنال NMR و سیگنال یک ماده استاندارد، تعیین به اصطلاح شیفت شیمیایی را ممکن می کند که توسط ساختار شیمیایی ماده مورد مطالعه تعیین می شود. تکنیک‌های NMR امکانات زیادی برای تعیین ساختار شیمیایی مواد، ترکیب‌های مولکولی، اثرات تأثیر متقابل و تبدیل‌های درون مولکولی دارند.

توصیف ریاضی گشتاور مغناطیسی هسته mu=y*l که در آن l اسپین هسته است. y-bar ثابت فرکانسی که در آن NMR مشاهده می شود

قطبش شیمیایی هسته ها

هنگامی که برخی از واکنش های شیمیایی در یک میدان مغناطیسی رخ می دهد، یا جذب غیرعادی بزرگ یا انتشار رادیویی در طیف NMR محصولات واکنش تشخیص داده می شود. این واقعیت نشان‌دهنده جمعیت غیرتعادلی سطوح زیمان هسته‌ای در مولکول‌های محصولات واکنش است. جمعیت بیش از حد سطح پایین با جذب غیرعادی همراه است. جمعیت معکوس (سطح بالا پرجمعیت تر از پایین تر است) منجر به انتشار رادیویی می شود. این پدیده نامیده می شود قطبش شیمیایی هسته ها

در NMR برای تقویت مغناطیس هسته ای استفاده می شود فرکانس های لارمور برخی از هسته های اتمی

هسته	فرکانس لارمور در مگاهرتز در 0.5 تسلا	فرکانس لارمور در مگاهرتز در 1 تسلا	فرکانس لارمور در مگاهرتز در 7.05 تسلا
1 ساعت ( هیدروژن)
²D ( دوتریوم)
13 C ( کربن)
23Na( سدیم)
39 K ( پتاسیم)

فرکانس تشدید پروتون در محدوده است امواج کوتاه(طول موج حدود 7 متر) .

کاربردهای NMR

طیف سنجی

طیف سنجی NMR

دستگاه ها

قلب یک طیف سنج NMR یک آهنربای قدرتمند است. در آزمایشی که اولین بار توسط پورسل انجام شد، نمونه ای که در یک آمپول شیشه ای با قطر حدود 5 میلی متر قرار داده شده است، بین قطب های یک آهنربای الکتریکی قوی قرار می گیرد. سپس برای بهبود یکنواختی میدان مغناطیسی، آمپول شروع به چرخش می کند و میدان مغناطیسی وارد بر آن به تدریج تقویت می شود. یک مولد فرکانس رادیویی با Q بالا به عنوان منبع تابش استفاده می شود. تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی فزاینده، هسته هایی که طیف سنج روی آنها تنظیم می شود شروع به تشدید می کنند. در این حالت، هسته های محافظ با فرکانس کمی کمتر از هسته های بدون پوسته الکترونی تشدید می شوند. جذب انرژی توسط یک پل فرکانس رادیویی تشخیص داده می شود و سپس توسط یک ضبط کننده ضبط می شود. فرکانس افزایش می یابد تا زمانی که به حد معینی برسد، که بیش از آن رزونانس غیرممکن است.

از آنجایی که جریان‌هایی که از پل می‌آیند بسیار کم هستند، آنها خود را به گرفتن یک طیف محدود نمی‌کنند، بلکه چندین ده پاس می‌دهند. تمام سیگنال های دریافتی در نمودار نهایی خلاصه می شوند که کیفیت آن به نسبت سیگنال به نویز دستگاه بستگی دارد.

در این روش نمونه در معرض تابش فرکانس رادیویی با فرکانس ثابت قرار می گیرد، در حالی که قدرت میدان مغناطیسی متغیر است، بنابراین به آن روش تابش موج پیوسته (CW) نیز می گویند.

روش سنتی طیف سنجی NMR دارای معایب بسیاری است. اولاً، ساخت هر طیف به زمان زیادی نیاز دارد. ثانیا، در مورد عدم وجود تداخل خارجی بسیار خواستار است و، به عنوان یک قاعده، طیف های حاصل نویز قابل توجهی دارند. ثالثاً برای ایجاد طیف سنج های فرکانس بالا (300، 400، 500 و بیشتر مگاهرتز) نامناسب است. بنابراین، ابزارهای NMR مدرن از روش به اصطلاح طیف‌سنجی پالسی (PW) بر اساس تبدیل فوریه سیگنال دریافتی استفاده می‌کنند. در حال حاضر، تمام طیف سنج های NMR بر اساس آهنرباهای ابررسانای قدرتمند با میدان مغناطیسی ثابت ساخته می شوند.

برخلاف روش CW، در نسخه پالسی، هسته ها نه با یک "موج ثابت"، بلکه با کمک یک پالس کوتاه چند میکروثانیه برانگیخته می شوند. دامنه مولفه های فرکانس پالس با افزایش فاصله از ν 0 کاهش می یابد. اما از آنجایی که مطلوب است که همه هسته ها به طور یکسان تابش شوند، لازم است از "پالس های سخت" استفاده شود، یعنی پالس های کوتاه با توان بالا. مدت زمان پالس طوری انتخاب می شود که عرض باند فرکانسی یک یا دو مرتبه بزرگتر از عرض طیف باشد. قدرت به چند هزار وات می رسد.

در نتیجه طیف‌سنجی پالسی، طیف معمولی با پیک‌های تشدید مرئی به دست نمی‌آید، بلکه تصویری از نوسانات تشدید میرا دریافت می‌شود که در آن همه سیگنال‌ها از تمام هسته‌های تشدیدکننده مخلوط می‌شوند - به اصطلاح "واپاشی القایی آزاد" (FID, رایگان القاء پوسیدگی). برای تبدیل این طیف از روش های ریاضی استفاده می شود که اصطلاحاً تبدیل فوریه نامیده می شود که طبق آن هر تابعی را می توان به صورت مجموع مجموعه ای از نوسانات هارمونیک نشان داد.

طیف NMR

طیف 1H4-اتوکسی بنزآلدئید. در یک میدان ضعیف (تک ~ 9.25 ppm) سیگنال از پروتون گروه آلدهید است، در یک میدان قوی (سه گانه ~ 1.85-2 ppm) - از پروتون های گروه متیل اتوکسی.

برای تجزیه و تحلیل کیفی با استفاده از NMR، از آنالیز طیفی بر اساس ویژگی های قابل توجه این روش استفاده می شود:

سیگنال‌های هسته‌های اتم‌های متعلق به گروه‌های عاملی خاص در مناطق کاملاً تعریف‌شده طیف قرار دارند.

مساحت انتگرال محدود شده توسط پیک کاملاً متناسب با تعداد اتم های تشدید کننده است.

هسته های نهفته از طریق پیوندهای 1-4 قادر به تولید سیگنال های چندگانه در نتیجه به اصطلاح هستند. جدا شدن روی یکدیگر

موقعیت سیگنال در طیف NMR با تغییر شیمیایی آنها نسبت به سیگنال مرجع مشخص می شود. تترا متیل سیلان Si (CH 3) 4 (TMS) به عنوان دومی در 1H و 13 C NMR استفاده می شود. واحد شیفت شیمیایی قسمت در میلیون (ppm) فرکانس ابزار است. اگر سیگنال TMS را 0 در نظر بگیریم، و انتقال سیگنال به یک میدان ضعیف، یک شیفت شیمیایی مثبت در نظر گرفته شود، به اصطلاح مقیاس δ را بدست می آوریم. اگر رزونانس تترا متیل سیلان برابر 10 پی پی ام باشد. و علائم را معکوس کنید، سپس مقیاس حاصل مقیاس τ خواهد بود که در حال حاضر عملاً استفاده نمی شود. اگر طیف یک ماده برای تفسیر بسیار پیچیده است، می‌توانید از روش‌های شیمیایی کوانتومی برای محاسبه ثابت‌های غربالگری و ارتباط سیگنال‌ها بر اساس آنها استفاده کنید.

اینتروسکوپی NMR

پدیده تشدید مغناطیسی هسته ای نه تنها در فیزیک و شیمی، بلکه در پزشکی نیز قابل استفاده است: بدن انسان مجموعه ای از همان مولکول های آلی و معدنی است.

برای مشاهده این پدیده، یک جسم در یک میدان مغناطیسی ثابت قرار می گیرد و در معرض فرکانس رادیویی و میدان مغناطیسی گرادیان قرار می گیرد. در سیم پیچ القایی که جسم مورد مطالعه را احاطه کرده است، یک نیروی الکتروموتور متناوب (EMF) بوجود می آید که طیف دامنه فرکانس آن و ویژگی های گذرا زمانی حاوی اطلاعاتی در مورد چگالی فضایی هسته های اتمی تشدید کننده و همچنین سایر پارامترهای خاص هستند. رزونانس مغناطیسی هسته ای پردازش کامپیوتری این اطلاعات یک تصویر سه بعدی ایجاد می کند که چگالی هسته های شیمیایی معادل، زمان آرامش رزونانس مغناطیسی هسته ای، توزیع نرخ جریان سیال، انتشار مولکول ها و فرآیندهای متابولیک بیوشیمیایی در بافت های زنده را مشخص می کند.

ماهیت اینتروسکوپی NMR (یا تصویربرداری رزونانس مغناطیسی) در واقع اجرای نوع خاصی از تجزیه و تحلیل کمی دامنه سیگنال رزونانس مغناطیسی هسته ای است. در طیف‌سنجی NMR معمولی، فرد تلاش می‌کند تا به بهترین وضوح ممکن خطوط طیفی دست یابد. برای رسیدن به این هدف، سیستم های مغناطیسی به گونه ای تنظیم می شوند که بهترین یکنواختی میدان ممکن را در نمونه ایجاد کنند. در روش های درون سنجی NMR، برعکس، میدان مغناطیسی ایجاد شده آشکارا غیر یکنواخت است. پس دلیلی وجود دارد که انتظار داشته باشیم فرکانس رزونانس مغناطیسی هسته ای در هر نقطه از نمونه مقدار خاص خود را داشته باشد، متفاوت از مقادیر در سایر قسمت ها. با تنظیم هر کدی برای درجه بندی دامنه سیگنال های NMR (روشنایی یا رنگ در صفحه نمایشگر)، می توانید یک تصویر معمولی (توموگرام) از بخش های ساختار داخلی جسم به دست آورید.

اینتروسکوپی NMR و توموگرافی NMR برای اولین بار در سال 1960 توسط V.A. Ivanov در جهان اختراع شد. یک کارشناس ناتوان درخواست یک اختراع (روش و دستگاه) را "... به دلیل بی فایده بودن آشکار راه حل پیشنهادی" رد کرد، بنابراین گواهی حق چاپ برای این کار تنها بیش از 10 سال بعد صادر شد. بنابراین، رسماً به رسمیت شناخته شده است که نویسنده توموگرافی NMR تیم برندگان جایزه نوبل ذکر شده در زیر نیست، بلکه یک دانشمند روسی است. علیرغم این واقعیت قانونی، جایزه نوبل برای توموگرافی NMR نه به V.A. Ivanov تعلق گرفت.

رزونانس مغناطیسی هسته ای
رزونانس مغناطیسی هسته ای

تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) - جذب تشدید امواج الکترومغناطیسی توسط هسته اتم، که زمانی اتفاق می افتد که جهت بردارهای تکانه زاویه ای خود (اسپین) تغییر می کند. NMR در نمونه‌هایی رخ می‌دهد که در یک میدان مغناطیسی ثابت قوی قرار می‌گیرند در حالی که به طور همزمان در معرض یک میدان الکترومغناطیسی متناوب ضعیف در محدوده فرکانس رادیویی قرار می‌گیرند (خطوط میدان متناوب باید عمود بر خطوط میدان ثابت باشند). برای هسته های هیدروژن (پروتون ها) در یک میدان مغناطیسی ثابت 104 oersteds، رزونانس در فرکانس موج رادیویی 42.58 مگاهرتز رخ می دهد. برای هسته های دیگر در میدان های مغناطیسی 10 3-10 4 NMR oersted در محدوده فرکانس 1-10 مگاهرتز مشاهده می شود. NMR به طور گسترده ای در فیزیک، شیمی و بیوشیمی برای مطالعه ساختار جامدات و مولکول های پیچیده استفاده می شود. در پزشکی، NMR برای به دست آوردن تصویر فضایی از اندام های داخلی انسان با وضوح 0.5-1 میلی متر استفاده می شود.

اجازه دهید پدیده NMR را با استفاده از مثال ساده ترین هسته - هیدروژن در نظر بگیریم. هسته هیدروژن یک پروتون است که مقدار مشخصی از تکانه زاویه ای مکانیکی خود (اسپین) دارد. مطابق با مکانیک کوانتومی، بردار اسپین پروتون می تواند تنها دو جهت متقابل در فضا داشته باشد که به طور معمول با کلمات "بالا" و "پایین" نشان داده می شود. پروتون همچنین دارای یک گشتاور مغناطیسی است که جهت بردار آن به شدت با جهت بردار اسپین گره خورده است. بنابراین، بردار گشتاور مغناطیسی پروتون را می توان "بالا" یا "پایین" هدایت کرد. بنابراین، یک پروتون را می توان به عنوان یک آهنربای میکروسکوپی با دو جهت ممکن در فضا نشان داد. اگر یک پروتون را در یک میدان مغناطیسی ثابت خارجی قرار دهید، انرژی پروتون در این میدان بستگی به این دارد که گشتاور مغناطیسی آن به کجا هدایت شود. انرژی یک پروتون بیشتر خواهد بود اگر گشتاور مغناطیسی (و اسپین) آن در جهت مخالف میدان باشد. بیایید این انرژی را E ↓ نشان دهیم. اگر گشتاور مغناطیسی (اسپین) یک پروتون در همان جهت میدان باشد، انرژی پروتون که با E نشان داده می شود کمتر خواهد بود (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.
بیایید از یک پروتون منفرد به یک نمونه ماکروسکوپی هیدروژن که حاوی تعداد زیادی پروتون است حرکت کنیم. وضعیت به این صورت خواهد بود. در نمونه، به دلیل میانگین گیری جهت گیری های اسپین تصادفی، تعداد تقریبا مساوی پروتون، زمانی که یک میدان مغناطیسی خارجی ثابت اعمال می شود، با اسپین هایی به سمت بالا و پایین نسبت به این میدان ظاهر می شوند. تابش یک نمونه با امواج الکترومغناطیسی با فرکانس ω = (E↓ − E)/ћ باعث چرخش «عظیم» اسپین‌ها (لمان‌های مغناطیسی) پروتون‌ها می‌شود که در نتیجه همه پروتون‌های نمونه خود را پیدا می‌کنند. در حالتی با چرخش های معطوف به میدان. چنین تغییر عظیمی در جهت گیری پروتون ها با جذب شدید (رزونانسی) کوانتوم (و انرژی) میدان الکترومغناطیسی تابشی همراه خواهد بود. این NMR است. NMR را می توان تنها در نمونه هایی با تعداد زیادی هسته (10 16) با استفاده از تکنیک های خاص و ابزار بسیار حساس مشاهده کرد.

NMR یا در انگلیسی تصویربرداری NMR مخفف عبارت «رزونانس مغناطیسی هسته‌ای» است. این روش تحقیق در دهه 80 قرن گذشته وارد عمل پزشکی شد. با توموگرافی اشعه ایکس متفاوت است. تشعشع مورد استفاده در NMR شامل امواج رادیویی با طول موج 1 تا 300 متر است. بر اساس قیاس با CT، توموگرافی مغناطیسی هسته ای از کنترل خودکار اسکن کامپیوتری با پردازش تصاویر لایه به لایه از ساختار اندام های داخلی استفاده می کند.

ماهیت تصویربرداری رزونانس مغناطیسی هسته ای چیست؟

NMR از میدان های مغناطیسی قوی و همچنین امواج رادیویی برای ایجاد تصویری از بدن انسان از تصاویر منفرد (اسکن) استفاده می کند. این تکنیک برای مراقبت های اورژانسی از بیماران آسیب دیده و آسیب مغزی و همچنین برای آزمایش های معمول ضروری است. NMR جذب انتخابی امواج الکترومغناطیسی توسط ماده ای (بدن انسان) است که در میدان مغناطیسی قرار دارد. این امر در حضور هسته هایی با گشتاور مغناطیسی غیر صفر امکان پذیر می شود. ابتدا امواج رادیویی جذب می‌شوند، سپس امواج رادیویی توسط هسته‌ها ساطع می‌شوند و آنها به سمت سطوح کم انرژی حرکت می‌کنند. هر دو فرآیند را می توان با مطالعه و جذب هسته ها تشخیص داد. NMR یک میدان مغناطیسی غیریکنواخت ایجاد می کند. فقط باید آنتن فرستنده و گیرنده توموگراف NMR را در یک ناحیه کاملاً مشخص از بافت یا اندام تنظیم کنید و از نقاط قرائت کنید و فرکانس دریافت موج را تغییر دهید.

هنگام پردازش اطلاعات از نقاط اسکن شده، تصاویری از تمام اندام ها و سیستم ها در سطوح مختلف به دست می آید، در یک بخش، تصویری سه بعدی از بافت ها و اندام ها با وضوح بالا تشکیل می شود. فناوری توموگرافی هسته ای مغناطیسی بسیار پیچیده است؛ این فناوری بر اساس اصل جذب تشدید امواج الکترومغناطیسی توسط اتم ها است. فرد در دستگاهی با میدان مغناطیسی قوی قرار می گیرد. مولکول های آنجا در جهت میدان مغناطیسی می چرخند. سپس یک اسکن موج الکتریکی انجام می شود، تغییر مولکول ها ابتدا روی یک ماتریس مخصوص ثبت می شود و سپس به کامپیوتر منتقل می شود و تمام داده ها پردازش می شوند.

کاربردهای NMRI

توموگرافی NMR طیف نسبتاً گسترده ای از کاربردها را دارد، بنابراین اغلب به عنوان جایگزینی برای توموگرافی کامپیوتری استفاده می شود. لیست بیماری هایی که می توان با استفاده از NMR تشخیص داد بسیار گسترده است.

• مغز.

اغلب، چنین مطالعه ای برای اسکن مغز از نظر صدمات، تومورها، زوال عقل، صرع و مشکلات عروق مغزی استفاده می شود.

• سیستم قلبی عروقی.

هنگام تشخیص قلب و عروق خونی، NMR مکمل روش هایی مانند آنژیوگرافی و CT است.
MRI هسته ای می تواند کاردیومیوپاتی، بیماری مادرزادی قلبی، تغییرات عروقی، ایسکمی میوکارد، دیستروفی و ​​تومورها در قلب و عروق خونی را تشخیص دهد.

• سیستم اسکلتی عضلانی.

توموگرافی NMR همچنین به طور گسترده در تشخیص مشکلات سیستم اسکلتی عضلانی استفاده می شود. با این روش تشخیصی، رباط ها، تاندون ها و ساختارهای استخوانی به خوبی متمایز می شوند.

• اعضای داخلی.

هنگام معاینه دستگاه گوارش و کبد با استفاده از تصویربرداری رزونانس مغناطیسی هسته ای، می توانید اطلاعات کاملی در مورد طحال، کلیه ها، کبد و پانکراس به دست آورید. اگر علاوه بر این یک ماده حاجب را معرفی کنید، ردیابی توانایی عملکردی این اندام ها و سیستم عروقی آنها ممکن می شود. و برنامه های کامپیوتری اضافی به شما امکان می دهد تصاویری از روده، مری، مجاری صفراوی و برونش ها ایجاد کنید.

تصویربرداری رزونانس مغناطیسی هسته ای و MRI: آیا تفاوتی وجود دارد؟

گاهی اوقات ممکن است با نام های MRI و NMR گیج شوید. آیا تفاوتی بین این دو روش وجود دارد؟ پاسخ می تواند صریح باشد: نه.
در ابتدا، در زمان کشف، تصویربرداری رزونانس مغناطیسی کلمه دیگری "هسته‌ای" در نام خود داشت که با گذشت زمان ناپدید شد و تنها علامت اختصاری MRI باقی ماند.

تصویربرداری رزونانس مغناطیسی هسته ای شبیه به دستگاه اشعه ایکس است، با این حال، اصل عملکرد و قابلیت های آن تا حدودی متفاوت است. ام آر آی به گرفتن تصویر بصری از مغز، نخاع و سایر اندام های دارای بافت نرم کمک می کند. با استفاده از توموگرافی می توان سرعت جریان خون، جریان مایع مغزی نخاعی و مایع مغزی نخاعی را اندازه گیری کرد. همچنین می توان در نظر گرفت که چگونه یک ناحیه خاص از قشر مغز بسته به فعالیت انسان فعال می شود. هنگام انجام یک مطالعه، پزشک یک تصویر سه بعدی می بیند که به او امکان می دهد در ارزیابی وضعیت فرد حرکت کند.

چندین روش تحقیق وجود دارد: آنژیوگرافی، پرفیوژن، انتشار، طیف سنجی. تصویربرداری رزونانس مغناطیسی هسته‌ای یکی از بهترین روش‌های تحقیقاتی است، زیرا به شما امکان می‌دهد تصویری سه بعدی از وضعیت اندام‌ها و بافت‌ها به دست آورید که به این معنی است که تشخیص با دقت بیشتری مشخص می‌شود و درمان صحیح انتخاب می‌شود. معاینه NMR اندام های داخلی انسان تصاویر را نشان می دهد، نه بافت واقعی. هنگامی که اشعه ایکس در هنگام عکسبرداری اشعه ایکس جذب می شود، تصاویر روی فیلم حساس به نور ظاهر می شوند.

مزایای اصلی توموگرافی NMR

مزایای توموگرافی NMR در مقایسه با سایر روش های تحقیقاتی چند وجهی و قابل توجه است.

معایب توموگرافی NMR

اما البته این روش خالی از ایراد نیست.

• مصرف انرژی بالا. عملکرد دوربین برای ابررسانایی معمولی نیاز به مقدار زیادی برق و فناوری گران قیمت دارد. اما آهنرباهای پرقدرت تاثیر منفی بر سلامت انسان ندارند.
• مدت زمان فرآیند. تصویربرداری رزونانس مغناطیسی هسته ای در مقایسه با اشعه ایکس روشی کمتر حساس است. بنابراین زمان بیشتری برای ترانس ایلومیناسیون مورد نیاز است. علاوه بر این، تحریف تصویر می تواند به دلیل حرکات تنفسی رخ دهد، که داده ها را هنگام انجام مطالعات ریه ها و قلب مخدوش می کند.
• اگر بیماری مانند کلاستروفوبیا دارید، منع مصرف برای معاینه MRI است. همچنین در صورت وجود ایمپلنت های فلزی بزرگ، ضربان سازها یا ضربان سازهای مصنوعی، انجام تشخیص با استفاده از تصویربرداری NMR غیرممکن است. در دوران بارداری، تشخیص فقط در موارد استثنایی انجام می شود.

هر جسم ریز در بدن انسان را می توان با استفاده از تصویربرداری تشدید مغناطیسی هسته ای بررسی کرد. فقط در برخی موارد باید توزیع غلظت عناصر شیمیایی در بدن را در نظر گرفت. برای اینکه اندازه گیری ها حساس تر شوند، باید تعداد نسبتا زیادی سیگنال جمع آوری و جمع شوند. در این حالت تصویری واضح و با کیفیت به دست می آید که واقعیت را به اندازه کافی منتقل می کند. این همچنین به مدت زمانی که فرد برای توموگرافی NMR در اتاق می گذراند مرتبط است. شما باید برای مدت طولانی بی حرکت دراز بکشید.

در نتیجه می توان گفت که تصویربرداری رزونانس مغناطیسی هسته ای یک روش تشخیصی نسبتاً ایمن و کاملاً بدون درد است که به طور کامل از قرار گرفتن در معرض اشعه ایکس جلوگیری می کند. برنامه های کامپیوتری به شما این امکان را می دهند که اسکن های به دست آمده را برای تشکیل تصاویر مجازی پردازش کنید. محدودیت های NMR واقعا بی حد و حصر هستند.

در حال حاضر، این روش تشخیصی انگیزه ای برای توسعه سریع و استفاده گسترده آن در پزشکی است. این روش با مضرات کم آن برای سلامت انسان متمایز می شود، اما در عین حال به شما امکان می دهد ساختار اندام ها را چه در یک فرد سالم و چه در افراد مبتلا به بیماری های موجود به دقت بررسی کنید.