Ի՞նչ է այս ուսումնասիրությունը: Միջուկային մագնիսական ռեզոնանս Միջուկի ռեզոնանսային հաճախականությունը:

Ատոմների նույն միջուկները տարբեր միջավայրերում մոլեկուլում ցույց են տալիս տարբեր NMR ազդանշաններ: Նման NMR ազդանշանի և ստանդարտ նյութի ազդանշանի տարբերությունը հնարավորություն է տալիս որոշել այսպես կոչված քիմիական տեղաշարժը, որը պայմանավորված է ուսումնասիրվող նյութի քիմիական կառուցվածքով։ NMR տեխնիկայում բազմաթիվ հնարավորություններ կան որոշելու նյութերի քիմիական կառուցվածքը, մոլեկուլների կոնֆորմացիաները, փոխադարձ ազդեցության ազդեցությունը և ներմոլեկուլային փոխակերպումները։

Ֆիզիկա NMR

Միջուկի էներգիայի մակարդակների պառակտումը հետ I = 1/2մագնիսական դաշտում

Միջուկային մագնիսական ռեզոնանսի ֆենոմենը հիմնված է ատոմային միջուկների մագնիսական հատկությունների վրա, որոնք բաղկացած են նուկլոններից՝ կես ամբողջ թվով պտտվող 1/2, 3/2, 5/2 .... միջուկներ՝ զույգ զանգվածով և լիցքի թվերով (զույգ-զույգ) միջուկներ) չունեն մագնիսական մոմենտ, մինչդեռ մնացած բոլոր միջուկների համար մագնիսական մոմենտը զրոյական չէ:

Այսպիսով, միջուկներն ունեն անկյունային իմպուլս՝ կապված հարաբերության մագնիսական պահի հետ

,

որտեղ է Պլանկի հաստատունը, սպինի քվանտային թիվն է, գիրոմագնիսական հարաբերակցությունն է:

Միջուկի անկյունային իմպուլսը և մագնիսական մոմենտը քվանտացված են, և կամայականորեն ընտրված կոորդինատային համակարգի z առանցքի վրա պրոյեկցիայի սեփական արժեքները և անկյունային և մագնիսական մոմենտները որոշվում են հարաբերությամբ.

Եվ,

որտեղ է միջուկի սեփական վիճակի մագնիսական քվանտային թիվը, դրա արժեքները որոշվում են միջուկի սպին քվանտային թվով

այսինքն միջուկը կարող է լինել վիճակներում։

Այսպիսով, պրոտոնի համար (կամ այլ միջուկի հետ I = 1/2- 13 C, 19 F, 31 P և այլն) կարող են լինել միայն երկու վիճակում

,

այդպիսի միջուկը կարող է ներկայացվել որպես մագնիսական դիպոլ, որի z բաղադրիչը կարող է կողմնորոշվել կամայական կոորդինատային համակարգի z առանցքի դրական ուղղությանը զուգահեռ կամ հակազուգահեռ։

Պետք է նշել, որ արտաքին մագնիսական դաշտի բացակայության դեպքում տարբեր վիճակներով բոլոր վիճակներն ունեն նույն էներգիան, այսինքն՝ այլասերված են։ Դեգեներացիան հեռացվում է արտաքին մագնիսական դաշտում, մինչդեռ դեգեներատ վիճակի նկատմամբ տրոհումը համաչափ է արտաքին մագնիսական դաշտի մեծությանը և վիճակի մագնիսական մոմենտին և սպին քվանտային թվով միջուկի համար։ Իարտաքին մագնիսական դաշտում՝ համակարգ 2I+1էներգիայի մակարդակները, այսինքն՝ միջուկային մագնիսական ռեզոնանսը ունի նույն բնույթը, ինչ մագնիսական դաշտում էլեկտրոնային մակարդակների պառակտման Զեմանի էֆեկտը։

Ամենապարզ դեպքում սպինով միջուկի համար c I = 1/2- օրինակ, պրոտոնի համար, պառակտում

և սպինի վիճակների էներգիայի տարբերությունը

Որոշ ատոմային միջուկների լարմորի հաճախականություններ

Պրոտոնի ռեզոնանսի հաճախականությունը կարճ ալիքի միջակայքում է (ալիքի երկարությունը մոտ 7 մ):

NMR-ի կիրառում

Սպեկտրոսկոպիա

Հիմնական հոդված: NMR սպեկտրոսկոպիա

Սարքեր

NMR սպեկտրոմետրի սիրտը հզոր մագնիս է: Purcell-ի կողմից առաջին անգամ կիրառված փորձի ժամանակ մոտ 5 մմ տրամագծով ապակե ամպուլայի մեջ դրված նմուշը տեղադրվում է ուժեղ էլեկտրամագնիսի բևեռների միջև: Այնուհետև ամպուլը սկսում է պտտվել, և դրա վրա ազդող մագնիսական դաշտը աստիճանաբար մեծանում է։ Որպես ճառագայթման աղբյուր օգտագործվում է բարձրորակ ՌԴ գեներատոր: Աճող մագնիսական դաշտի գործողության ներքո միջուկները, որոնց սպեկտրոմետրը կարգավորվում է, սկսում են ռեզոնանսավորվել: Այս դեպքում պաշտպանված միջուկները ռեզոնանսվում են անվանական ռեզոնանսային հաճախականությունից (և սարքից) մի փոքր ավելի ցածր հաճախականությամբ:

Էներգիայի կլանումը գրանցվում է ՌԴ կամրջով, այնուհետև գրանցվում է գծապատկերների ձայնագրիչով: Հաճախականությունը մեծանում է մինչև այն հասնում է որոշակի սահմանի, որից բարձր ռեզոնանսն անհնար է։

Քանի որ կամրջից եկող հոսանքները շատ փոքր են, դրանք չեն սահմանափակվում մեկ սպեկտր վերցնելով, այլ կատարում են մի քանի տասնյակ անցումներ։ Բոլոր ստացված ազդանշաններն ամփոփվում են վերջնական գրաֆիկի վրա, որի որակը կախված է սարքի ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցությունից:

Այս մեթոդով նմուշը ենթարկվում է ռադիոհաճախականության ճառագայթման մշտական ​​հաճախականությամբ, մինչդեռ մագնիսական դաշտի ուժգնությունը փոխվում է, ուստի այն կոչվում է նաև հաստատուն դաշտի (CW) մեթոդ:

NMR սպեկտրոսկոպիայի ավանդական մեթոդն ունի բազմաթիվ թերություններ. Նախ, յուրաքանչյուր սպեկտրի կառուցման համար շատ ժամանակ է պահանջվում: Երկրորդը, շատ բծախնդիր է արտաքին միջամտության բացակայությունը, և, որպես կանոն, ստացված սպեկտրները զգալի աղմուկ ունեն: Երրորդ, այն պիտանի չէ բարձր հաճախականության սպեկտրոմետրեր ստեղծելու համար (300, 400, 500 և ավելի ՄՀց): Ուստի ժամանակակից NMR գործիքներում օգտագործվում է այսպես կոչված իմպուլսային սպեկտրոսկոպիայի (PW) մեթոդը՝ հիմնված ստացված ազդանշանի Ֆուրիեի փոխակերպման վրա։ Ներկայումս բոլոր NMR սպեկտրոմետրերը կառուցված են հզոր գերհաղորդիչ մագնիսների հիման վրա՝ մշտական ​​մագնիսական դաշտով։

Ի տարբերություն CW մեթոդի, իմպուլսային տարբերակում միջուկների գրգռումն իրականացվում է ոչ թե «հաստատուն ալիքով», այլ մի քանի միկրովայրկյան տեւողությամբ կարճ իմպուլսի օգնությամբ։ Զարկերակի հաճախականության բաղադրիչների ամպլիտուդները նվազում են ν 0-ից հեռավորության աճով: Բայց քանի որ ցանկալի է, որ բոլոր միջուկները հավասարապես ճառագայթվեն, անհրաժեշտ է օգտագործել «կոշտ իմպուլսներ», այսինքն՝ բարձր հզորության կարճ իմպուլսներ։ Իմպուլսի տեւողությունը ընտրվում է այնպես, որ հաճախականության թողունակությունը մեկ կամ երկու կարգով մեծ լինի սպեկտրի լայնությունից: Հզորությունը հասնում է մի քանի վտ:

Իմպուլսային սպեկտրոսկոպիայի արդյունքում ստացվում է ոչ թե սովորական սպեկտր՝ տեսանելի ռեզոնանսային գագաթներով, այլ խոնավացած ռեզոնանսային տատանումների պատկեր, որում խառնվում են բոլոր ռեզոնանսային միջուկների բոլոր ազդանշանները՝ այսպես կոչված «ազատ ինդուկցիոն քայքայումը» (FID, ազատ ինդուկցիոն քայքայումը) Այս սպեկտրը փոխակերպելու համար օգտագործվում են մաթեմատիկական մեթոդներ, այսպես կոչված, Ֆուրիեի փոխակերպումը, ըստ որի ցանկացած ֆունկցիա կարող է ներկայացվել որպես ներդաշնակ տատանումների բազմության գումար։

NMR սպեկտրներ

1 H 4-էթօքսիբենզալդեհիդի սպեկտր: Թույլ դաշտում (եզակի ~9,25 ppm) ալդեհիդային խմբի պրոտոնի ազդանշանը, ուժեղ դաշտում (եռյակ ~1,85-2 ppm)՝ մեթիլ էթոքսի խմբի պրոտոնը։

NMR-ի օգտագործմամբ որակական վերլուծության համար օգտագործվում է սպեկտրային վերլուծություն՝ հիմնվելով այս մեթոդի ուշագրավ հատկությունների վրա.

• Որոշ ֆունկցիոնալ խմբերում ընդգրկված ատոմների միջուկների ազդանշանները գտնվում են սպեկտրի խիստ սահմանված շրջաններում.
• գագաթով սահմանափակված անբաժանելի տարածքը խիստ համամասնական է ռեզոնանսվող ատոմների թվին.
• 1-4 կապերի միջով ընկած միջուկներն ունակ են բազմակի ազդանշաններ արտադրել այսպես կոչվածի արդյունքում. բաժանվում են միմյանց վրա.

Ազդանշանի դիրքը NMR սպեկտրներում բնութագրվում է դրանց քիմիական տեղաշարժով` հղումային ազդանշանի նկատմամբ: Քանի որ վերջինս 1 H և 13 C NMR-ում օգտագործվում է տետրամեթիլսիլան Si(CH 3) 4: Քիմիական տեղաշարժի միավորը գործիքի հաճախականության մեկ միլիոն մասերն են (ppm): Եթե ​​TMS ազդանշանը վերցնենք որպես 0, իսկ ազդանշանի անցումը թույլ դաշտ դիտարկենք որպես դրական քիմիական տեղաշարժ, ապա կստանանք այսպես կոչված δ սանդղակը։ Եթե ​​տետրամեթիլսիլանի ռեզոնանսը հավասարեցվում է 10 ppm և հակադարձել նշանները, ապա ստացված սանդղակը կլինի τ սանդղակը, որը ներկայումս գործնականում չի օգտագործվում։ Եթե ​​նյութի սպեկտրը չափազանց բարդ է մեկնաբանելու համար, կարելի է օգտագործել քվանտաքիմիական մեթոդներ զննման հաստատունները հաշվարկելու և դրանց հիման վրա ազդանշանները փոխկապակցելու համար:

NMR ինտրոսկոպիա

Միջուկային մագնիսական ռեզոնանսի ֆենոմենը կարող է օգտագործվել ոչ միայն ֆիզիկայի և քիմիայի, այլ նաև բժշկության մեջ. մարդու մարմինը բոլոր նույն օրգանական և անօրգանական մոլեկուլների համակցություն է:

Այս երեւույթը դիտարկելու համար օբյեկտը տեղադրվում է մշտական ​​մագնիսական դաշտում և ենթարկվում ռադիոհաճախականության և գրադիենտ մագնիսական դաշտերի: Ուսումնասիրվող օբյեկտը շրջապատող ինդուկտորում առաջանում է փոփոխական էլեկտրաշարժիչ ուժ (EMF), որի ամպլիտուդա-հաճախականության սպեկտրը և ժամանակի անցումային բնութագրերը պարունակում են տեղեկատվություն ռեզոնացիոն ատոմային միջուկների տարածական խտության, ինչպես նաև այլ պարամետրերի մասին, որոնք հատուկ են միայն միջուկային մագնիսական ռեզոնանս: Այս տեղեկատվության համակարգչային մշակումը առաջացնում է եռաչափ պատկեր, որը բնութագրում է քիմիապես համարժեք միջուկների խտությունը, միջուկային մագնիսական ռեզոնանսի թուլացման ժամանակները, հեղուկի հոսքի արագության բաշխումը, մոլեկուլների դիֆուզիան և կենդանի հյուսվածքներում նյութափոխանակության կենսաքիմիական գործընթացները:

NMR ինտրոսկոպիայի (կամ մագնիսական ռեզոնանսային պատկերման) էությունը, ըստ էության, բաղկացած է միջուկային մագնիսական ռեզոնանսային ազդանշանի ամպլիտուդության հատուկ տեսակի քանակական վերլուծությունից: Սովորական NMR սպեկտրոսկոպիայում նպատակն է իրականացնել սպեկտրային գծերի լավագույն հնարավոր լուծումը: Դա անելու համար մագնիսական համակարգերը ճշգրտվում են այնպես, որ նմուշի ներսում ստեղծվի դաշտի հնարավոր լավագույն միատեսակությունը: NMR ինտրոսկոպիայի մեթոդներում, ընդհակառակը, մագնիսական դաշտը ստեղծվում է ակնհայտ անհամասեռ։ Այնուհետև հիմք կա ակնկալելու, որ նմուշի յուրաքանչյուր կետում միջուկային մագնիսական ռեզոնանսի հաճախականությունն ունի իր սեփական արժեքը, որը տարբերվում է այլ մասերի արժեքներից: Սահմանելով որոշ կոդ NMR ազդանշանի ամպլիտուդի աստիճանավորման համար (պայծառություն կամ գույն մոնիտորի էկրանին), կարող եք պայմանական պատկեր ստանալ (

Միջուկային մագնիսական ռեզոնանս

Միջուկային մագնիսական ռեզոնանս (NMR) - էլեկտրամագնիսական էներգիայի ռեզոնանսային կլանումը կամ արտանետումը արտաքին մագնիսական դաշտում ոչ զրոյական սպինով միջուկներ պարունակող նյութի կողմից, ν հաճախականությամբ (կոչվում է NMR հաճախականություն), միջուկների մագնիսական պահերի վերակողմնորոշման պատճառով: Միջուկային մագնիսական ռեզոնանսի ֆենոմենը հայտնաբերվել է 1938 թվականին Իսահակ Ռաբիի կողմից մոլեկուլային ճառագայթներում, ինչի համար նա արժանացել է 1944 թվականին Նոբելյան մրցանակի։ 1946 թվականին Ֆելիքս Բլոխը և Էդվարդ Միլս Պուրսելը ստացան միջուկային մագնիսական ռեզոնանս հեղուկներում և պինդ մարմիններում (1952թ. Նոբելյան մրցանակ)։ .

Ատոմների նույն միջուկները տարբեր միջավայրերում մոլեկուլում ցույց են տալիս տարբեր NMR ազդանշաններ: Նման NMR ազդանշանի և ստանդարտ նյութի ազդանշանի տարբերությունը հնարավորություն է տալիս որոշել այսպես կոչված քիմիական տեղաշարժը, որը պայմանավորված է ուսումնասիրվող նյութի քիմիական կառուցվածքով։ NMR տեխնիկայում բազմաթիվ հնարավորություններ կան որոշելու նյութերի քիմիական կառուցվածքը, մոլեկուլների կոնֆորմացիաները, փոխադարձ ազդեցության ազդեցությունը և ներմոլեկուլային փոխակերպումները։

Մաթեմատիկական նկարագրություն Միջուկի մագնիսական մոմենտը mu=y*l որտեղ l-ն միջուկի պտույտն է; y - հաստատուն բար Հաճախականություն, որով դիտվում է NMR

Միջուկների քիմիական բևեռացում

Երբ որոշակի քիմիական ռեակցիաներ են ընթանում մագնիսական դաշտում, ռեակցիայի արտադրանքի NMR սպեկտրը ցույց է տալիս կա՛մ անոմալ բարձր կլանումը, կա՛մ ռադիոհաղորդումը: Այս փաստը ցույց է տալիս ռեակցիայի արտադրանքի մոլեկուլներում միջուկային Zeeman մակարդակների ոչ հավասարակշռված պոպուլյացիան: Ստորին մակարդակի գերբնակեցումն ուղեկցվում է անոմալ կլանմամբ։ Բնակչության հակադարձումը (վերին մակարդակն ավելի բնակեցված է, քան ստորինը) հանգեցնում է ռադիոհաղորդումների: Այս երեւույթը կոչվում է միջուկների քիմիական բևեռացում

NMR-ում այն ​​օգտագործվում է միջուկային մագնիսացումը ուժեղացնելու համար Որոշ ատոմային միջուկների լարմորի հաճախականություններ

միջուկը	Լարմորի հաճախականությունը ՄՀց-ում 0,5 Տեսլայում	Լարմորի հաճախականությունը ՄՀց-ում 1 Տեսլայում	Լարմորի հաճախականությունը ՄՀց-ում 7,05 Տեսլայում
1 ժ ( Ջրածին)
²D( Դեյտերիում)
13 C ( Ածխածին)
23 Na( Նատրիում)
39 Կ ( Կալիում)

Պրոտոնի ռեզոնանսի հաճախականությունը գտնվում է միջակայքում կարճ ալիքներ(ալիքի երկարությունը մոտ 7 մ) .

NMR-ի կիրառում

Սպեկտրոսկոպիա

NMR սպեկտրոսկոպիա

Սարքեր

NMR սպեկտրոմետրի սիրտը հզոր մագնիս է: Purcell-ի նախաձեռնած փորձի ժամանակ մոտ 5 մմ տրամագծով ապակե ամպուլայի մեջ դրված նմուշը տեղադրվում է ուժեղ էլեկտրամագնիսի բևեռների միջև: Այնուհետև մագնիսական դաշտի միատեսակությունը բարելավելու համար ամպուլը սկսում է պտտվել, և դրա վրա ազդող մագնիսական դաշտը աստիճանաբար մեծանում է։ Որպես ճառագայթման աղբյուր օգտագործվում է բարձրորակ ՌԴ գեներատոր: Աճող մագնիսական դաշտի գործողության ներքո միջուկները, որոնց սպեկտրոմետրը կարգավորվում է, սկսում են ռեզոնանսավորվել: Այս դեպքում պաշտպանված միջուկները ռեզոնանսվում են մի փոքր ավելի ցածր հաճախականությամբ, քան առանց էլեկտրոնային թաղանթների միջուկները։ Էներգիայի կլանումը գրանցվում է ՌԴ կամրջով, այնուհետև գրանցվում է գծապատկերների ձայնագրիչով: Հաճախականությունը մեծանում է մինչև այն հասնում է որոշակի սահմանի, որից բարձր ռեզոնանսն անհնար է։

Քանի որ կամրջից եկող հոսանքները շատ փոքր են, դրանք չեն սահմանափակվում մեկ սպեկտր վերցնելով, այլ կատարում են մի քանի տասնյակ անցումներ։ Բոլոր ստացված ազդանշաններն ամփոփվում են վերջնական գրաֆիկի վրա, որի որակը կախված է սարքի ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցությունից:

Այս մեթոդով նմուշը ենթարկվում է մշտական ​​հաճախականության ռադիոհաճախականության ճառագայթմանը, մինչդեռ մագնիսական դաշտի ուժգնությունը փոխվում է, այդ իսկ պատճառով այն կոչվում է նաև շարունակական ճառագայթման մեթոդ (CW, շարունակական ալիք):

NMR սպեկտրոսկոպիայի ավանդական մեթոդն ունի բազմաթիվ թերություններ. Նախ, յուրաքանչյուր սպեկտրի կառուցման համար շատ ժամանակ է պահանջվում: Երկրորդը, շատ բծախնդիր է արտաքին միջամտության բացակայությունը, և, որպես կանոն, ստացված սպեկտրները զգալի աղմուկ ունեն: Երրորդ, այն պիտանի չէ բարձր հաճախականության սպեկտրոմետրեր ստեղծելու համար (300, 400, 500 և ավելի ՄՀց): Ուստի ժամանակակից NMR գործիքներում օգտագործվում է այսպես կոչված իմպուլսային սպեկտրոսկոպիայի (PW) մեթոդը՝ հիմնված ստացված ազդանշանի Ֆուրիեի փոխակերպման վրա։ Ներկայումս բոլոր NMR սպեկտրոմետրերը կառուցված են հզոր գերհաղորդիչ մագնիսների հիման վրա՝ մշտական ​​մագնիսական դաշտով։

Ի տարբերություն CW մեթոդի, իմպուլսային տարբերակում միջուկների գրգռումն իրականացվում է ոչ թե «հաստատուն ալիքով», այլ մի քանի միկրովայրկյան տեւողությամբ կարճ իմպուլսի օգնությամբ։ Զարկերակի հաճախականության բաղադրիչների ամպլիտուդները նվազում են ν 0-ից հեռավորության աճով: Բայց քանի որ ցանկալի է, որ բոլոր միջուկները հավասարապես ճառագայթվեն, անհրաժեշտ է օգտագործել «կոշտ իմպուլսներ», այսինքն՝ բարձր հզորության կարճ իմպուլսներ։ Իմպուլսի տեւողությունը ընտրվում է այնպես, որ հաճախականության թողունակությունը մեկ կամ երկու կարգով մեծ լինի սպեկտրի լայնությունից: Հզորությունը հասնում է մի քանի հազար վտ-ի:

Իմպուլսային սպեկտրոսկոպիայի արդյունքում ստացվում է ոչ թե սովորական սպեկտր՝ տեսանելի ռեզոնանսային գագաթներով, այլ խոնավացած ռեզոնանսային տատանումների պատկեր, որում խառնվում են բոլոր ռեզոնանսային միջուկների բոլոր ազդանշանները՝ այսպես կոչված «ազատ ինդուկցիոն քայքայումը» (FID, անվճար ինդուկցիա քայքայումը) Այս սպեկտրը փոխակերպելու համար օգտագործվում են մաթեմատիկական մեթոդներ, այսպես կոչված, Ֆուրիեի փոխակերպումը, ըստ որի ցանկացած ֆունկցիա կարող է ներկայացվել որպես ներդաշնակ տատանումների բազմության գումար։

NMR սպեկտրներ

1 H 4-էթօքսիբենզալդեհիդի սպեկտր: Թույլ դաշտում (եզակի ~9,25 ppm) ալդեհիդային խմբի պրոտոնի ազդանշանը, ուժեղ դաշտում (եռյակ ~1,85-2 ppm)՝ մեթիլ էթոքսի խմբի պրոտոնը։

NMR-ի օգտագործմամբ որակական վերլուծության համար օգտագործվում է սպեկտրային վերլուծություն՝ հիմնվելով այս մեթոդի ուշագրավ հատկությունների վրա.

Որոշ ֆունկցիոնալ խմբերում ընդգրկված ատոմների միջուկների ազդանշանները գտնվում են սպեկտրի խիստ սահմանված շրջաններում.

գագաթով սահմանափակված անբաժանելի տարածքը խիստ համամասնական է ռեզոնանսային ատոմների թվին.

1-4 կապերի միջով ընկած միջուկներն ունակ են բազմակի ազդանշաններ արտադրել այսպես կոչվածի արդյունքում. բաժանվում են միմյանց վրա.

Ազդանշանի դիրքը NMR սպեկտրներում բնութագրվում է դրանց քիմիական տեղաշարժով` հղումային ազդանշանի նկատմամբ: Քանի որ վերջինս 1 H և 13 C NMR-ում օգտագործվում է տետրամեթիլսիլան Si(CH 3) 4 (TMS): Քիմիական տեղաշարժի միավորը գործիքի հաճախականության մեկ միլիոն մասերն են (ppm): Եթե ​​TMS ազդանշանը վերցնենք որպես 0, իսկ ազդանշանի անցումը թույլ դաշտ դիտարկենք որպես դրական քիմիական տեղաշարժ, ապա կստանանք այսպես կոչված δ սանդղակը։ Եթե ​​տետրամեթիլսիլանի ռեզոնանսը հավասարեցվում է 10 ppm և հակադարձել նշանները, ապա ստացված սանդղակը կլինի τ սանդղակը, որը ներկայումս գործնականում չի օգտագործվում։ Եթե ​​նյութի սպեկտրը չափազանց բարդ է մեկնաբանելու համար, կարելի է օգտագործել քվանտաքիմիական մեթոդներ զննման հաստատունները հաշվարկելու և դրանց հիման վրա ազդանշանները փոխկապակցելու համար:

NMR ինտրոսկոպիա

Միջուկային մագնիսական ռեզոնանսի ֆենոմենը կարող է օգտագործվել ոչ միայն ֆիզիկայի և քիմիայի, այլ նաև բժշկության մեջ. մարդու մարմինը բոլոր նույն օրգանական և անօրգանական մոլեկուլների համակցություն է:

Այս երեւույթը դիտարկելու համար օբյեկտը տեղադրվում է մշտական ​​մագնիսական դաշտում և ենթարկվում ռադիոհաճախականության և գրադիենտ մագնիսական դաշտերի: Ուսումնասիրվող օբյեկտը շրջապատող ինդուկտորում առաջանում է փոփոխական էլեկտրաշարժիչ ուժ (EMF), որի ամպլիտուդա-հաճախականության սպեկտրը և ժամանակի անցումային բնութագրերը պարունակում են տեղեկատվություն ռեզոնացիոն ատոմային միջուկների տարածական խտության, ինչպես նաև այլ պարամետրերի մասին, որոնք հատուկ են միայն միջուկային մագնիսական ռեզոնանս: Այս տեղեկատվության համակարգչային մշակումը կազմում է եռաչափ պատկեր, որը բնութագրում է քիմիապես համարժեք միջուկների խտությունը, միջուկային մագնիսական ռեզոնանսի թուլացման ժամանակները, հեղուկի հոսքի արագության բաշխումը, մոլեկուլների դիֆուզիան և կենդանի հյուսվածքներում նյութափոխանակության կենսաքիմիական գործընթացները:

NMR ինտրոսկոպիայի (կամ մագնիսական ռեզոնանսային պատկերման) էությունը, ըստ էության, բաղկացած է միջուկային մագնիսական ռեզոնանսային ազդանշանի ամպլիտուդության հատուկ տեսակի քանակական վերլուծությունից: Սովորական NMR սպեկտրոսկոպիայում նպատակն է իրականացնել սպեկտրային գծերի լավագույն հնարավոր լուծումը: Դա անելու համար մագնիսական համակարգերը ճշգրտվում են այնպես, որ նմուշի ներսում ստեղծվի դաշտի հնարավոր լավագույն միատեսակությունը: NMR ինտրոսկոպիայի մեթոդներում, ընդհակառակը, մագնիսական դաշտը ստեղծվում է ակնհայտ անհամասեռ։ Այնուհետև հիմք կա ակնկալելու, որ նմուշի յուրաքանչյուր կետում միջուկային մագնիսական ռեզոնանսի հաճախականությունն ունի իր սեփական արժեքը, որը տարբերվում է այլ մասերի արժեքներից: Նշելով NMR ազդանշանի ամպլիտուդային աստիճանավորումների որոշ կոդ (պայծառություն կամ գույն մոնիտորի էկրանին), կարելի է ստանալ օբյեկտի ներքին կառուցվածքի հատվածների պայմանական պատկեր (տոմոգրամ):

NMR ինտրոսկոպիան, NMR տոմոգրաֆիան աշխարհում առաջին անգամ հայտնագործվել են 1960 թվականին Վ.Ա.Իվանովի կողմից: Գյուտի (մեթոդի և սարքի) հայտը մերժվել է ոչ կոմպետենտ փորձագետի կողմից «...առաջարկվող լուծման ակնհայտ անիմաստության պատճառով», հետևաբար, դրա համար հեղինակային իրավունքի վկայական է տրվել միայն ավելի քան 10 տարի անց: Այսպիսով, պաշտոնապես ընդունված է, որ NMR պատկերի հեղինակը ոչ թե ստորև թվարկված Նոբելյան մրցանակակիրների թիմն է, այլ ռուս գիտնական: Չնայած այս իրավական փաստին, Նոբելյան մրցանակը MRI տոմոգրաֆիայի համար ոչ մի կերպ չի շնորհվել Վ.Ա.Իվանովին:

Միջուկային մագնիսական ռեզոնանս
միջուկային մագնիսական ռեզոնանս

Միջուկային մագնիսական ռեզոնանս (NMR) - ատոմային միջուկների կողմից էլեկտրամագնիսական ալիքների ռեզոնանսային կլանումը, որը տեղի է ունենում, երբ փոխվում է սեփական իմպուլսի (սպինների) պահերի վեկտորների կողմնորոշումը: NMR-ն առաջանում է ուժեղ հաստատուն մագնիսական դաշտում տեղադրված նմուշներում՝ միաժամանակ դրանք ենթարկելով ռադիոհաճախականության տիրույթի թույլ փոփոխվող էլեկտրամագնիսական դաշտին (փոխարինվող դաշտի ուժի գծերը պետք է ուղղահայաց լինեն հաստատուն դաշտի ուժի գծերին): Ջրածնի միջուկների (պրոտոնների) համար մշտական ​​մագնիսական դաշտում 10 4 oersted ուժգնությամբ, ռեզոնանսը տեղի է ունենում 42,58 ՄՀց ռադիոալիքի հաճախականությամբ: 103–104 մագնիսական դաշտերի այլ միջուկների համար դիտվում է 1–10 ՄՀց հաճախականության միջակայքում 103–104 երանգավորված NMR: NMR-ն լայնորեն կիրառվում է ֆիզիկայում, քիմիայում և կենսաքիմիայում՝ պինդ մարմինների և բարդ մոլեկուլների կառուցվածքն ուսումնասիրելու համար։ Բժշկության մեջ 0,5–1 մմ թույլատրությամբ NMR-ի միջոցով ստացվում է մարդու ներքին օրգանների տարածական պատկեր։

Դիտարկենք NMR-ի երեւույթը ամենապարզ միջուկի՝ ջրածնի օրինակով։ Ջրածնի միջուկը պրոտոն է, որն ունի իմպուլսի իր մեխանիկական պահի որոշակի արժեք (սպին)։ Քվանտային մեխանիկայի համաձայն, պրոտոնի սպին վեկտորը կարող է ունենալ միայն երկու միմյանց հակադիր ուղղություններ տարածության մեջ, որոնք պայմանականորեն նշվում են «վերև» և «ներքև» բառերով: Պրոտոնն ունի նաև մագնիսական մոմենտ, որի վեկտորի ուղղությունը կոշտորեն կապված է սպին վեկտորի ուղղության հետ։ Հետևաբար, պրոտոնի մագնիսական պահի վեկտորը կարող է ուղղվել կամ «վերև» կամ «ներքև»: Այսպիսով, պրոտոնը կարող է ներկայացվել որպես միկրոսկոպիկ մագնիս՝ տիեզերքում երկու հնարավոր կողմնորոշմամբ։ Եթե ​​պրոտոնը տեղադրեք արտաքին հաստատուն մագնիսական դաշտում, ապա այս դաշտում պրոտոնի էներգիան կախված կլինի նրանից, թե ուր է ուղղված նրա մագնիսական պահը: Պրոտոնի էներգիան ավելի մեծ կլինի, եթե նրա մագնիսական մոմենտը (և սպինը) ուղղված լինեն դաշտին հակառակ ուղղությամբ։ Նշենք այս էներգիան որպես E ↓: Եթե ​​պրոտոնի մագնիսական մոմենտը (սպինը) ուղղված է դաշտի նույն ուղղությամբ, ապա պրոտոնի էներգիան, որը նշանակում է E, ավելի քիչ կլինի (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.
Եկեք մեկ պրոտոնից անցնենք ջրածնի մակրոսկոպիկ նմուշ, որը պարունակում է մեծ թվով պրոտոններ։ Իրավիճակն այսպիսի տեսք կունենա. Նմուշում, պատահական սպինների կողմնորոշումների միջինացման շնորհիվ, մոտավորապես հավասար թվով պրոտոններ, երբ արտաքին մշտական ​​մագնիսական դաշտ է կիրառվում, կհայտնվեն այս դաշտի համեմատ՝ «վերև» և «ներքև» ուղղված սպիններով: ω = (E ↓ − E )/ћ հաճախականությամբ նմուշի ճառագայթումը էլեկտրամագնիսական ալիքներով կառաջացնի պրոտոնների «զանգվածային» պտույտ (մագնիսական պահեր), ինչի արդյունքում նմուշի բոլոր պրոտոնները կհայտնվեն վիճակում։ դաշտի դեմ ուղղված պտույտներով։ Պրոտոնների կողմնորոշման նման զանգվածային փոփոխությունը կուղեկցվի ճառագայթող էլեկտրամագնիսական դաշտի քվանտների (և էներգիայի) կտրուկ (ռեզոնանսային) կլանմամբ։ Սա NMR է: NMR-ը կարելի է դիտարկել միայն մեծ թվով միջուկներով (10 16) նմուշներում՝ օգտագործելով հատուկ տեխնիկա և բարձր զգայուն գործիքներ:

NMR-ն կամ անգլերենում NMR պատկերումը «միջուկային մագնիսական ռեզոնանս» արտահայտության հապավումն է։ Հետազոտության այս մեթոդը բժշկական պրակտիկա է մտել անցյալ դարի 80-ական թվականներին։ Այն տարբերվում է ռենտգեն տոմոգրաֆիայից: NMR-ում օգտագործվող ճառագայթումը ներառում է ռադիոալիքների տիրույթ՝ ալիքի երկարությամբ 1-ից մինչև 300 մ: ՀՏ-ի անալոգիայով միջուկային մագնիսական տոմոգրաֆիան օգտագործում է համակարգչային սկանավորման ավտոմատ կառավարում՝ ներքին օրգանների կառուցվածքի շերտավոր պատկերի մշակմամբ:

Ո՞րն է ՄՌՏ-ի էությունը

NMR-ն հիմնված է ուժեղ մագնիսական դաշտերի, ինչպես նաև ռադիոալիքների վրա, որոնք հնարավորություն են տալիս անհատական ​​պատկերներից (սկանավորումներից) ձևավորել մարդու մարմնի պատկերը։ Այս տեխնիկան անհրաժեշտ է վնասվածքներով և գլխուղեղի վնասվածքներով հիվանդների շտապ օգնության, ինչպես նաև սովորական ստուգումների համար: NMRI կոչվում է էլեկտրամագնիսական ալիքների ընտրովի կլանումը մի նյութի (մարդու մարմնի) կողմից, որը գտնվում է մագնիսական դաշտում: Դա հնարավոր է դառնում ոչ զրոյական մագնիսական մոմենտ ունեցող միջուկների առկայության դեպքում։ Սկզբում ռադիոալիքները կլանվում են, հետո ռադիոալիքներն արտանետվում են միջուկների կողմից և դրանք անցնում են էներգիայի ցածր մակարդակի: Երկու գործընթացները կարող են ամրագրվել միջուկների ուսումնասիրության և կլանման մեջ: NMR-ն ստեղծում է ոչ միատեսակ մագնիսական դաշտ: Միայն անհրաժեշտ է կարգավորել հաղորդիչ ալեհավաքը և NMR տոմոգրաֆի ստացողը հյուսվածքների կամ օրգանների խիստ սահմանված տարածքի վրա և վերցնել կետերից ընթերցումներ՝ փոխելով ալիքի ընդունման հաճախականությունը:

Սկանավորված կետերից տեղեկատվությունը մշակելիս ստացվում են բոլոր օրգանների և համակարգերի պատկերները տարբեր հարթություններում, կտրվածքում ձևավորվում է հյուսվածքների և օրգանների բարձր լուծաչափ եռաչափ պատկեր։ Մագնիսական-միջուկային տոմոգրաֆիայի տեխնոլոգիան շատ բարդ է, այն հիմնված է ատոմների կողմից էլեկտրամագնիսական ալիքների ռեզոնանսային կլանման սկզբունքի վրա։ Մարդը տեղադրվում է ուժեղ մագնիսական դաշտով ապարատի մեջ։ Այնտեղ մոլեկուլները պտտվում են մագնիսական դաշտի ուղղությամբ։ Այնուհետև սկանավորվում է էլեկտրական ալիքը, մոլեկուլների փոփոխությունը նախ գրանցվում է հատուկ մատրիցայի վրա, այնուհետև փոխանցվում է համակարգիչ և բոլոր տվյալները մշակվում են։

NMRI-ի կիրառությունները

NMR տոմոգրաֆիան ունի բավականին լայն կիրառություն, ուստի այն շատ ավելի հաճախ օգտագործվում է որպես համակարգչային տոմոգրաֆիայի այլընտրանք: Հիվանդությունների ցանկը, որոնք կարելի է հայտնաբերել ՄՌՏ-ի միջոցով, շատ ծավալուն է։

• Ուղեղ.

Ամենից հաճախ նման հետազոտությունն օգտագործվում է ուղեղի վնասվածքների, ուռուցքների, դեմենցիայի, էպիլեպսիայի և ուղեղի անոթների հետ կապված խնդիրների սկանավորման համար:

• Սրտանոթային համակարգը.

Սրտի և արյան անոթների ախտորոշման ժամանակ NMR-ն լրացնում է այնպիսի մեթոդներ, ինչպիսիք են անգիոգրաֆիան և CT:
ՄՌՏ-ն կարող է հայտնաբերել կարդիոմիոպաթիա, սրտի բնածին հիվանդություն, անոթային փոփոխություններ, սրտամկանի իշեմիա, դիստրոֆիա և ուռուցքներ սրտի և արյան անոթների շրջանում:

• Մկանային-կմախքային համակարգ.

NMR տոմոգրաֆիան լայնորեն կիրառվում է մկանային-կմախքային համակարգի հետ կապված խնդիրների ախտորոշման համար։ Ախտորոշման այս մեթոդով կապերը, ջլերը և ոսկրային կառուցվածքները շատ լավ են տարբերվում։

• Ներքին օրգաններ.

Միջուկային մագնիսական ռեզոնանսային տոմոգրաֆիայի միջոցով ստամոքս-աղիքային տրակտի և լյարդի ուսումնասիրության ընթացքում դուք կարող եք ամբողջական տեղեկատվություն ստանալ փայծաղի, երիկամների, լյարդի, ենթաստամոքսային գեղձի մասին: Եթե ​​լրացուցիչ ներմուծեք կոնտրաստային նյութ, ապա հնարավոր է դառնում հետևել այս օրգանների և նրանց անոթային համակարգի ֆունկցիոնալ կարողությանը: Իսկ լրացուցիչ համակարգչային ծրագրերը թույլ են տալիս ստեղծել աղիների, կերակրափողի, լեղուղիների, բրոնխների պատկերներ։

Միջուկային մագնիսական ռեզոնանսային պատկերացում և MRI. կա՞ տարբերություն

Երբեմն դուք կարող եք շփոթել MRI-ի և MRI-ի անուններում: Կա՞ տարբերություն այս երկու ընթացակարգերի միջև: Դուք կարող եք միանշանակ պատասխանել ոչ:
Սկզբում, մագնիսական ռեզոնանսային տոմոգրաֆիայի հայտնաբերման ժամանակ, նրա անունը պարունակում էր մեկ այլ «միջուկային» բառ, որը ժամանակի ընթացքում անհետացավ՝ թողնելով միայն MRI հապավումը:

Միջուկային մագնիսական ռեզոնանսային տոմոգրաֆիան նման է ռենտգեն մեքենային, այնուամենայնիվ, գործողության սկզբունքը և դրա հնարավորությունները փոքր-ինչ տարբեր են: ՄՌՏ-ն օգնում է ստանալ ուղեղի և ողնուղեղի, փափուկ հյուսվածքներով այլ օրգանների տեսողական պատկերը։ Տոմոգրաֆիայի միջոցով հնարավոր է չափել արյան հոսքի արագությունը, ողնուղեղային հեղուկի և ողնուղեղային հեղուկի հոսքը։ Կարելի է նաև դիտարկել, թե ինչպես է ուղեղի ծառի կեղևի այս կամ այն ​​հատվածն ակտիվանում՝ կախված մարդու գործունեությունից։ Բժիշկը հետազոտության ընթացքում տեսնում է եռաչափ պատկեր, որը նրան թույլ է տալիս կողմնորոշվել՝ գնահատելով մարդու վիճակը։

Կան հետազոտության մի քանի մեթոդներ՝ անգիոգրաֆիա, պերֆուզիա, դիֆուզիոն, սպեկտրոսկոպիա։ Միջուկային մագնիսառեզոնանսային տոմոգրաֆիան հետազոտության լավագույն մեթոդներից է, քանի որ այն թույլ է տալիս ստանալ օրգանների և հյուսվածքների վիճակի եռաչափ պատկեր, ինչը նշանակում է, որ ախտորոշումն ավելի ճշգրիտ կհաստատվի և կընտրվի ճիշտ բուժում։ Մարդու ներքին օրգանների NMR հետազոտությունը հենց պատկերներ են, ոչ թե իրական հյուսվածքներ։ Նմուշները հայտնվում են լուսազգայուն թաղանթում, երբ ռենտգենյան ճառագայթները ներծծվում են, երբ ռենտգեն նկարում են:

NMR պատկերման հիմնական առավելությունները

NMR տոմոգրաֆիայի առավելությունները հետազոտական ​​այլ մեթոդների նկատմամբ բազմակողմ են և նշանակալի:

MRI-ի դեմ

Բայց, իհարկե, այս մեթոդը զերծ չէ իր թերություններից:

• Մեծ էներգիայի սպառում. Խցիկի շահագործումը պահանջում է մեծ էլեկտրաէներգիա և թանկարժեք տեխնոլոգիա նորմալ գերհաղորդականության համար: Բայց բարձր հզորությամբ մագնիսները բացասաբար չեն ազդում մարդու առողջության վրա։
• Գործընթացի տևողությունը. Միջուկային մագնիսական ռեզոնանսային պատկերացումն ավելի քիչ զգայուն է, քան ռենտգենը: Հետևաբար, տրանսլուսավորման համար ավելի շատ ժամանակ է պահանջվում: Բացի այդ, պատկերի աղավաղումը կարող է առաջանալ շնչառական շարժումների պատճառով, ինչը խեղաթյուրում է տվյալները թոքերի և սրտի ուսումնասիրություններ կատարելիս:
• Նման հիվանդության առկայության դեպքում, ինչպիսին է կլաուստրոֆոբիան, դա հակացուցում է MRI-ի կիրառմամբ հետազոտության համար: Բացի այդ, անհնար է ախտորոշել ՄՌՏ տոմոգրաֆիայի միջոցով, եթե կան մեծ մետաղական իմպլանտներ, սրտի ռիթմավարներ, արհեստական ​​սրտի ռիթմավարներ: Հղիության ընթացքում ախտորոշումը կատարվում է միայն բացառիկ դեպքերում։

Մարդու մարմնի յուրաքանչյուր փոքրիկ առարկա կարող է հետազոտվել NMR-ի միջոցով: Միայն որոշ դեպքերում պետք է ներառվի մարմնում քիմիական տարրերի կոնցենտրացիայի բաշխումը: Չափումները ավելի զգայուն դարձնելու համար պետք է բավականին մեծ թվով ազդանշաններ կուտակվեն և գումարվեն: Այս դեպքում ստացվում է բարձր որակի հստակ պատկեր, որը ադեկվատ կերպով փոխանցում է իրականությունը։ Սա նաև կապված է ՆՄՌ պատկերագրման պալատում մարդու գտնվելու տևողության հետ: Դուք ստիպված կլինեք երկար ժամանակ անշարժ պառկել։

Եզրափակելով, կարելի է ասել, որ միջուկային մագնիսական ռեզոնանսային պատկերումը բավականին անվտանգ և բացարձակապես ցավազուրկ ախտորոշման մեթոդ է, որը թույլ է տալիս լիովին խուսափել ռենտգենյան ճառագայթներից: Համակարգչային ծրագրերը թույլ են տալիս ստացված սկանավորումները մշակել վիրտուալ պատկերների ձևավորմամբ։ NMR-ի սահմաններն իսկապես անսահման են:

Այժմ էլ այս ախտորոշիչ մեթոդը խթան է հանդիսանում դրա արագ զարգացման և բժշկության մեջ լայն կիրառման համար։ Մեթոդն առանձնանում է մարդու առողջության համար իր ցածր վնասով, բայց միևնույն ժամանակ թույլ է տալիս ուշադիր ուսումնասիրել օրգանների կառուցվածքը՝ ինչպես առողջ մարդու, այնպես էլ առկա հիվանդությունների դեպքում: