რა სახის კვლევაა ეს? ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი ბირთვის რეზონანსული სიხშირე.

ერთი და იგივე ატომური ბირთვები სხვადასხვა გარემოში მოლეკულაში აჩვენებს სხვადასხვა NMR სიგნალებს. განსხვავება ასეთ NMR სიგნალსა და სტანდარტული ნივთიერების სიგნალს შორის შესაძლებელს ხდის განისაზღვროს ეგრეთ წოდებული ქიმიური ცვლა, რომელიც განისაზღვრება შესწავლილი ნივთიერების ქიმიური სტრუქტურით. NMR ტექნიკას აქვს მრავალი შესაძლებლობა ნივთიერებების ქიმიური სტრუქტურის, მოლეკულური კონფორმაციების, ურთიერთგავლენის ეფექტების და ინტრამოლეკულური გარდაქმნების დასადგენად.

ფიზიკა NMR

ბირთვული ენერგიის დონეების გაყოფა მე = 1/2მაგნიტურ ველში

ბირთვული მაგნიტური რეზონანსის ფენომენი ემყარება ატომური ბირთვების მაგნიტურ თვისებებს, რომლებიც შედგება ნუკლეონებისგან ნახევარმთლიანი სპინით 1/2, 3/2, 5/2... ბირთვები ლუწი მასით და მუხტის რიცხვებით (ლუწი-ლუწი). ბირთვებს) არ აქვთ მაგნიტური მომენტი, ხოლო ყველა სხვა ბირთვისთვის მაგნიტური მომენტი განსხვავდება ნულიდან.

ამრიგად, ბირთვებს აქვთ კუთხოვანი იმპულსი, რომელიც დაკავშირებულია მაგნიტურ მომენტთან მიმართებით

,

სად არის პლანკის მუდმივი, არის სპინის კვანტური რიცხვი და არის გირომაგნიტური თანაფარდობა.

ბირთვის კუთხური იმპულსი და მაგნიტური მომენტი კვანტიზებულია და კუთხური და მაგნიტური მომენტების პროექციის საკუთრივ მნიშვნელობები თვითნებურად არჩეული კოორდინატთა სისტემის z ღერძზე განისაზღვრება მიმართებით.

და

სად არის ბირთვის საკუთრივ მდგომარეობის მაგნიტური კვანტური რიცხვი, მისი მნიშვნელობები განისაზღვრება ბირთვის სპინის კვანტური რიცხვით

ანუ ბირთვი შეიძლება იყოს შტატებში.

ასე რომ, პროტონისთვის (ან სხვა ბირთვით მე = 1/2- 13 C, 19 F, 31 P და ა.შ.) შეიძლება იყოს მხოლოდ ორ მდგომარეობაში

,

ასეთი ბირთვი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც მაგნიტური დიპოლი, რომლის z კომპონენტი შეიძლება იყოს ორიენტირებული პარალელურად ან ანტიპარალელურად თვითნებური კოორდინატთა სისტემის z ღერძის დადებითი მიმართულების მიმართ.

უნდა აღინიშნოს, რომ გარე მაგნიტური ველის არარსებობის შემთხვევაში, ყველა სხვადასხვა მდგომარეობას აქვს იგივე ენერგია, ანუ ისინი დეგენერირებულია. დეგენერაცია ამოღებულია გარე მაგნიტურ ველში, ხოლო დაშლა დეგენერაციულ მდგომარეობასთან მიმართებაში პროპორციულია გარე მაგნიტური ველის სიდიდესა და მდგომარეობის მაგნიტუდისა და ბირთვისთვის, რომელსაც აქვს სპინური კვანტური რიცხვი. მეგარე მაგნიტურ ველში ჩნდება სისტემა 2 მე + 1ენერგიის დონეებს, ანუ ბირთვულ მაგნიტურ რეზონანსს აქვს იგივე ბუნება, რაც ზეემანის ეფექტს ელექტრონული დონის მაგნიტურ ველში გაყოფისას.

უმარტივეს შემთხვევაში, სპინის მქონე ბირთვისთვის c მე = 1/2- მაგალითად, პროტონისთვის, გაყოფა

და სპინის მდგომარეობების ენერგეტიკული განსხვავება

ზოგიერთი ატომის ბირთვის ლარმორული სიხშირეები

პროტონული რეზონანსის სიხშირე არის მოკლე ტალღის სიგრძის დიაპაზონში (ტალღის სიგრძე დაახლოებით 7 მ).

NMR-ის აპლიკაციები

სპექტროსკოპია

მთავარი სტატია: NMR სპექტროსკოპია

მოწყობილობები

NMR სპექტრომეტრის გული ძლიერი მაგნიტია. პერსელის მიერ პირველად განხორციელებულ ექსპერიმენტში, დაახლოებით 5 მმ დიამეტრის მინის ამპულაში მოთავსებული ნიმუში მოთავსებულია ძლიერი ელექტრომაგნიტის პოლუსებს შორის. შემდეგ ამპულა იწყებს ბრუნვას და მასზე მოქმედი მაგნიტური ველი თანდათან ძლიერდება. რადიაციის წყაროდ გამოიყენება მაღალი Q რადიოსიხშირის გენერატორი. მზარდი მაგნიტური ველის გავლენის ქვეშ, ბირთვები, რომლებზეც არის დაყენებული სპექტრომეტრი, იწყებს რეზონანსს. ამ შემთხვევაში, დაცულ ბირთვებს რეზონანსი აქვს რეზონანსის (და მოწყობილობის) ნომინალურ სიხშირეზე ოდნავ დაბალი სიხშირით.

ენერგიის შთანთქმის გამოვლენა ხდება რადიოსიხშირული ხიდით და შემდეგ ჩაიწერება ჩამწერი. სიხშირე იზრდება მანამ, სანამ არ მიაღწევს გარკვეულ ზღვარს, რომლის ზემოთ რეზონანსი შეუძლებელია.

ვინაიდან ხიდიდან მომდინარე დინებები ძალიან მცირეა, ისინი არ შემოიფარგლებიან ერთი სპექტრის აღებით, არამედ აკეთებენ რამდენიმე ათეულ უღელტეხილს. ყველა მიღებული სიგნალი შეჯამებულია საბოლოო გრაფიკში, რომლის ხარისხი დამოკიდებულია მოწყობილობის სიგნალ-ხმაურის თანაფარდობაზე.

ამ მეთოდით, ნიმუში ექვემდებარება რადიოსიხშირულ დასხივებას მუდმივი სიხშირით, ხოლო მაგნიტური ველის სიძლიერე იცვლება, რის გამოც მას ასევე უწოდებენ მუდმივი ველის მეთოდს (CW).

ტრადიციული NMR სპექტროსკოპიის მეთოდს ბევრი უარყოფითი მხარე აქვს. პირველ რიგში, თითოეული სპექტრის ასაგებად დიდი დროა საჭირო. მეორეც, ის ძალიან მოთხოვნადია გარე ჩარევის არარსებობაზე და, როგორც წესი, შედეგად სპექტრს აქვს მნიშვნელოვანი ხმაური. მესამე, ის უვარგისია მაღალი სიხშირის სპექტრომეტრების შესაქმნელად (300, 400, 500 და მეტი MHz). ამიტომ, თანამედროვე NMR ინსტრუმენტები იყენებენ ეგრეთ წოდებულ იმპულსური სპექტროსკოპიის მეთოდს (PW), მიღებული სიგნალის ფურიეს გარდაქმნების საფუძველზე. ამჟამად, ყველა NMR სპექტრომეტრი აგებულია მუდმივი მაგნიტური ველის მქონე ძლიერი სუპერგამტარი მაგნიტების საფუძველზე.

CW მეთოდისგან განსხვავებით, იმპულსური ვერსიით, ბირთვები აღფრთოვანებულია არა "მუდმივი ტალღით", არამედ მოკლე პულსის დახმარებით, რომელიც გრძელდება რამდენიმე მიკროწამში. პულსის სიხშირის კომპონენტების ამპლიტუდები მცირდება ν 0-დან მანძილის გაზრდით. მაგრამ იმის გამო, რომ სასურველია, რომ ყველა ბირთვი თანაბრად იყოს დასხივებული, აუცილებელია გამოვიყენოთ "მყარი იმპულსები", ანუ მაღალი სიმძლავრის მოკლე იმპულსები. პულსის ხანგრძლივობა არჩეულია ისე, რომ სიხშირის დიაპაზონის სიგანე ერთი ან ორი რიგით აღემატება სპექტრის სიგანეს. სიმძლავრე რამდენიმე ვატს აღწევს.

იმპულსური სპექტროსკოპიის შედეგად მიიღება არა ჩვეულებრივი სპექტრი ხილული რეზონანსული მწვერვალებით, არამედ დამსხვრეული რეზონანსული რხევების გამოსახულება, რომელშიც შერეულია ყველა რეზონანსული ბირთვიდან ყველა სიგნალი - ე.წ. "თავისუფალი ინდუქციური დაშლა" (FID, უფასო ინდუქციური დაშლა). ამ სპექტრის გარდაქმნისთვის გამოიყენება მათემატიკური მეთოდები, ეგრეთ წოდებული ფურიეს ტრანსფორმაცია, რომლის მიხედვითაც ნებისმიერი ფუნქცია შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც ჰარმონიული რხევების სიმრავლის ჯამი.

NMR სპექტრები

1H4-ეთოქსიბენზალდეჰიდის სპექტრი. სუსტ ველში (ერთჯერადი ~ 9,25 ppm) სიგნალი არის ალდეჰიდის ჯგუფის პროტონიდან, ძლიერ ველში (სამმაგი ~1,85-2 ppm) - მეთილის ეთოქსი ჯგუფის პროტონებიდან.

NMR-ის გამოყენებით თვისებრივი ანალიზისთვის გამოიყენება სპექტრის ანალიზი, ამ მეთოდის შემდეგი ღირსშესანიშნავი თვისებების საფუძველზე:

• სიგნალები ატომების ბირთვებიდან, რომლებიც მიეკუთვნებიან გარკვეულ ფუნქციურ ჯგუფებს, დევს სპექტრის მკაცრად განსაზღვრულ რეგიონებში;
• მწვერვალით შეზღუდული ინტეგრალური ფართობი მკაცრად პროპორციულია რეზონანსული ატომების რაოდენობისა;
• 1-4 ობლიგაციებში მოქცეულ ბირთვებს შეუძლიათ მრავალჯერადი სიგნალების გამომუშავება ე.წ. ერთმანეთზე გაყოფა.

სიგნალის პოზიცია NMR სპექტრებში ხასიათდება მათი ქიმიური ცვლილებით საცნობარო სიგნალთან მიმართებაში. ტეტრამეთილსილანი Si(CH 3) 4 გამოიყენება როგორც უკანასკნელი 1 H და 13 C NMR-ში. ქიმიური ცვლის ერთეული არის ინსტრუმენტის სიხშირის ნაწილი მილიონზე (ppm). თუ TMS სიგნალს ავიღებთ 0-ად და სიგნალის სუსტ ველში გადატანა განიხილება დადებით ქიმიურ ცვლად, მაშინ მივიღებთ ე.წ. δ სკალას. თუ ტეტრამეთილსილანის რეზონანსი უდრის 10 ppm. და შეატრიალეთ ნიშნები, მაშინ მიღებული მასშტაბი იქნება τ სკალა, რომელიც პრაქტიკულად არ გამოიყენება ამჟამად. თუ ნივთიერების სპექტრი ძალიან რთულია ინტერპრეტაციისთვის, შეგიძლიათ გამოიყენოთ კვანტური ქიმიური მეთოდები სკრინინგის მუდმივების გამოსათვლელად და მათზე დაფუძნებული სიგნალების კორელაციისთვის.

NMR ინტროსკოპია

ბირთვული მაგნიტური რეზონანსის ფენომენი შეიძლება გამოყენებულ იქნას არა მხოლოდ ფიზიკასა და ქიმიაში, არამედ მედიცინაშიც: ადამიანის სხეული არის იგივე ორგანული და არაორგანული მოლეკულების კოლექცია.

ამ ფენომენის დასაკვირვებლად ობიექტი მოთავსებულია მუდმივ მაგნიტურ ველში და ექვემდებარება რადიოსიხშირულ და გრადიენტურ მაგნიტურ ველებს. შესწავლილი ობიექტის მიმდებარე ინდუქტორის ხვეულში წარმოიქმნება ალტერნატიული ელექტრომამოძრავებელი ძალა (EMF), რომლის ამპლიტუდა-სიხშირის სპექტრი და დრო-გარდამავალი მახასიათებლები შეიცავს ინფორმაციას რეზონანსული ატომის ბირთვების სივრცითი სიმკვრივის, ისევე როგორც სხვა პარამეტრების შესახებ, რომლებიც მხოლოდ სპეციფიკურია. ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი. ამ ინფორმაციის კომპიუტერული დამუშავება წარმოქმნის სამგანზომილებიან გამოსახულებას, რომელიც ახასიათებს ქიმიურად ეკვივალენტური ბირთვების სიმკვრივეს, ბირთვული მაგნიტურ-რეზონანსული რელაქსაციის დროს, სითხის ნაკადის სიჩქარის განაწილებას, მოლეკულების დიფუზიას და ბიოქიმიურ მეტაბოლურ პროცესებს ცოცხალ ქსოვილებში.

NMR ინტროსკოპიის (ან მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფიის) არსი, ფაქტობრივად, არის ბირთვული მაგნიტურ-რეზონანსული სიგნალის ამპლიტუდის სპეციალური სახის რაოდენობრივი ანალიზის განხორციელება. ჩვეულებრივი NMR სპექტროსკოპიით, ადამიანი ცდილობს მიაღწიოს სპექტრალური ხაზების საუკეთესო შესაძლო გარჩევადობას. ამის მისაღწევად, მაგნიტური სისტემები მორგებულია ისე, რომ შეიქმნას ველის საუკეთესო ერთგვაროვნება ნიმუშის შიგნით. NMR ინტროსკოპიის მეთოდებში, პირიქით, შექმნილი მაგნიტური ველი აშკარად არაერთგვაროვანია. მაშინ არსებობს საფუძველი იმის მოლოდინი, რომ ნიმუშის თითოეულ წერტილში ბირთვული მაგნიტური რეზონანსის სიხშირეს აქვს საკუთარი მნიშვნელობა, რომელიც განსხვავდება სხვა ნაწილების მნიშვნელობებისგან. NMR სიგნალების ამპლიტუდის გრადაციების ნებისმიერი კოდის დაყენებით (სიკაშკაშე ან ფერი მონიტორის ეკრანზე), შეგიძლიათ მიიღოთ პირობითი სურათი (

ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი

ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი (NMR) - ელექტრომაგნიტური ენერგიის რეზონანსული შთანთქმა ან ემისია ბირთვების შემცველი ნივთიერების მიერ გარე მაგნიტურ ველში, სიხშირეზე ν (ე.წ. NMR სიხშირე), ბირთვების მაგნიტური მომენტების რეორიენტაციის გამო. ბირთვული მაგნიტური რეზონანსის ფენომენი აღმოაჩინა ისააკ რაბიმ 1938 წელს მოლეკულურ სხივებში, რისთვისაც მას 1944 წელს მიენიჭა ნობელის პრემია. 1946 წელს ფელიქს ბლოხმა და ედვარდ მილს პერსელმა მიიღეს ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი სითხეებსა და მყარ სხეულებში (ნობელის პრემია 1952 წ.). .

ერთი და იგივე ატომური ბირთვები სხვადასხვა გარემოში მოლეკულაში აჩვენებს სხვადასხვა NMR სიგნალებს. განსხვავება ასეთ NMR სიგნალსა და სტანდარტული ნივთიერების სიგნალს შორის შესაძლებელს ხდის განისაზღვროს ეგრეთ წოდებული ქიმიური ცვლა, რომელიც განისაზღვრება შესწავლილი ნივთიერების ქიმიური სტრუქტურით. NMR ტექნიკას აქვს მრავალი შესაძლებლობა ნივთიერებების ქიმიური სტრუქტურის, მოლეკულური კონფორმაციების, ურთიერთგავლენის ეფექტების და ინტრამოლეკულური გარდაქმნების დასადგენად.

მათემატიკური აღწერა ბირთვის მაგნიტური მომენტი mu=y*l სადაც l არის ბირთვული სპინი; y-bar მუდმივი სიხშირე, რომელზედაც შეინიშნება NMR

ბირთვების ქიმიური პოლარიზაცია

როდესაც ზოგიერთი ქიმიური რეაქცია ხდება მაგნიტურ ველში, ანომალიურად დიდი შთანთქმა ან რადიო გამოსხივება ვლინდება რეაქციის პროდუქტების NMR სპექტრებში. ეს ფაქტი მიუთითებს ბირთვული ზეემანის დონის არათანაბარი პოპულაციაზე რეაქციის პროდუქტების მოლეკულებში. ქვედა დონის გადაჭარბებულ პოპულაციას თან ახლავს ანომალიური შეწოვა. ინვერსიული მოსახლეობა (ზედა დონე უფრო დასახლებულია, ვიდრე ქვედა) იწვევს რადიო გამოსხივებას. ამ ფენომენს ე.წ ბირთვების ქიმიური პოლარიზაცია

NMR-ში ის გამოიყენება ბირთვული მაგნიტიზაციის გასაძლიერებლად ზოგიერთი ატომის ბირთვის ლარმორული სიხშირეები

ბირთვი	ლარმორის სიხშირე MHz-ში 0,5 ტესლაზე	ლარმორის სიხშირე MHz-ში 1 ტესლაზე	ლარმორის სიხშირე MHz-ში 7.05 ტესლაზე
1 სთ( წყალბადი)
²D ( დეიტერიუმი)
13 C ( Ნახშირბადის)
23 Na ( ნატრიუმი)
39 K ( კალიუმი)

პროტონის რეზონანსის სიხშირე დიაპაზონშია მოკლე ტალღები(ტალღის სიგრძე დაახლოებით 7 მ) .

NMR-ის აპლიკაციები

სპექტროსკოპია

NMR სპექტროსკოპია

მოწყობილობები

NMR სპექტრომეტრის გული ძლიერი მაგნიტია. პერსელის მიერ პირველად განხორციელებულ ექსპერიმენტში, დაახლოებით 5 მმ დიამეტრის მინის ამპულაში მოთავსებული ნიმუში მოთავსებულია ძლიერი ელექტრომაგნიტის პოლუსებს შორის. შემდეგ, მაგნიტური ველის ერთგვაროვნების გასაუმჯობესებლად, ამპულა იწყებს ბრუნვას და მასზე მოქმედი მაგნიტური ველი თანდათან ძლიერდება. რადიაციის წყაროდ გამოიყენება მაღალი Q რადიოსიხშირის გენერატორი. მზარდი მაგნიტური ველის გავლენის ქვეშ, ბირთვები, რომლებზეც არის დაყენებული სპექტრომეტრი, იწყებს რეზონანსს. ამ შემთხვევაში, დაცულ ბირთვებს რეზონანსი აქვთ ოდნავ დაბალი სიხშირით, ვიდრე ბირთვები ელექტრონული გარსების გარეშე. ენერგიის შთანთქმის გამოვლენა ხდება რადიოსიხშირული ხიდით და შემდეგ ჩაიწერება ჩამწერი. სიხშირე იზრდება მანამ, სანამ არ მიაღწევს გარკვეულ ზღვარს, რომლის ზემოთ რეზონანსი შეუძლებელია.

ვინაიდან ხიდიდან მომდინარე დინებები ძალიან მცირეა, ისინი არ შემოიფარგლებიან ერთი სპექტრის აღებით, არამედ აკეთებენ რამდენიმე ათეულ უღელტეხილს. ყველა მიღებული სიგნალი შეჯამებულია საბოლოო გრაფიკში, რომლის ხარისხი დამოკიდებულია მოწყობილობის სიგნალ-ხმაურის თანაფარდობაზე.

ამ მეთოდით, ნიმუში ექვემდებარება მუდმივი სიხშირის რადიოსიხშირულ დასხივებას, ხოლო მაგნიტური ველის სიძლიერე იცვლება, ამიტომ მას ასევე უწოდებენ უწყვეტი ტალღის (CW) დასხივების მეთოდს.

ტრადიციული NMR სპექტროსკოპიის მეთოდს ბევრი უარყოფითი მხარე აქვს. პირველ რიგში, თითოეული სპექტრის ასაგებად დიდი დროა საჭირო. მეორეც, ის ძალიან მოთხოვნადია გარე ჩარევის არარსებობაზე და, როგორც წესი, შედეგად სპექტრს აქვს მნიშვნელოვანი ხმაური. მესამე, ის უვარგისია მაღალი სიხშირის სპექტრომეტრების შესაქმნელად (300, 400, 500 და მეტი MHz). ამიტომ, თანამედროვე NMR ინსტრუმენტები იყენებენ ეგრეთ წოდებულ იმპულსური სპექტროსკოპიის მეთოდს (PW), მიღებული სიგნალის ფურიეს გარდაქმნების საფუძველზე. ამჟამად, ყველა NMR სპექტრომეტრი აგებულია მუდმივი მაგნიტური ველის მქონე ძლიერი სუპერგამტარი მაგნიტების საფუძველზე.

CW მეთოდისგან განსხვავებით, იმპულსური ვერსიით, ბირთვები აღფრთოვანებულია არა "მუდმივი ტალღით", არამედ მოკლე პულსის დახმარებით, რომელიც გრძელდება რამდენიმე მიკროწამში. პულსის სიხშირის კომპონენტების ამპლიტუდები მცირდება ν 0-დან მანძილის გაზრდით. მაგრამ იმის გამო, რომ სასურველია, რომ ყველა ბირთვი თანაბრად იყოს დასხივებული, აუცილებელია გამოვიყენოთ "მყარი იმპულსები", ანუ მაღალი სიმძლავრის მოკლე იმპულსები. პულსის ხანგრძლივობა არჩეულია ისე, რომ სიხშირის დიაპაზონის სიგანე ერთი ან ორი რიგით აღემატება სპექტრის სიგანეს. სიმძლავრე რამდენიმე ათას ვატს აღწევს.

იმპულსური სპექტროსკოპიის შედეგად მიიღება არა ჩვეულებრივი სპექტრი ხილული რეზონანსული მწვერვალებით, არამედ დამსხვრეული რეზონანსული რხევების გამოსახულება, რომელშიც შერეულია ყველა რეზონანსული ბირთვიდან ყველა სიგნალი - ე.წ. "თავისუფალი ინდუქციური დაშლა" (FID, უფასო ინდუქცია გაფუჭება). ამ სპექტრის გარდაქმნისთვის გამოიყენება მათემატიკური მეთოდები, ეგრეთ წოდებული ფურიეს ტრანსფორმაცია, რომლის მიხედვითაც ნებისმიერი ფუნქცია შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც ჰარმონიული რხევების სიმრავლის ჯამი.

NMR სპექტრები

1H4-ეთოქსიბენზალდეჰიდის სპექტრი. სუსტ ველში (ერთჯერადი ~ 9,25 ppm) სიგნალი არის ალდეჰიდის ჯგუფის პროტონიდან, ძლიერ ველში (სამმაგი ~1,85-2 ppm) - მეთილის ეთოქსი ჯგუფის პროტონებიდან.

NMR-ის გამოყენებით თვისებრივი ანალიზისთვის გამოიყენება სპექტრის ანალიზი, ამ მეთოდის შემდეგი ღირსშესანიშნავი თვისებების საფუძველზე:

სიგნალები ატომების ბირთვებიდან, რომლებიც მიეკუთვნებიან გარკვეულ ფუნქციურ ჯგუფებს, დევს სპექტრის მკაცრად განსაზღვრულ რეგიონებში;

მწვერვალით შეზღუდული ინტეგრალური ფართობი მკაცრად პროპორციულია რეზონანსული ატომების რაოდენობისა;

1-4 ობლიგაციებში მოქცეულ ბირთვებს შეუძლიათ მრავალჯერადი სიგნალების გამომუშავება ე.წ. ერთმანეთზე გაყოფა.

სიგნალის პოზიცია NMR სპექტრებში ხასიათდება მათი ქიმიური ცვლილებით საცნობარო სიგნალთან მიმართებაში. ტეტრამეთილსილანი Si(CH 3) 4 (TMS) გამოიყენება როგორც ეს უკანასკნელი 1 H და 13 C NMR-ში. ქიმიური ცვლის ერთეული არის ინსტრუმენტის სიხშირის ნაწილი მილიონზე (ppm). თუ TMS სიგნალს ავიღებთ 0-ად და სიგნალის სუსტ ველში გადატანა განიხილება დადებით ქიმიურ ცვლად, მაშინ მივიღებთ ე.წ. δ სკალას. თუ ტეტრამეთილსილანის რეზონანსი უდრის 10 ppm. და შეატრიალეთ ნიშნები, მაშინ მიღებული მასშტაბი იქნება τ სკალა, რომელიც პრაქტიკულად არ გამოიყენება ამჟამად. თუ ნივთიერების სპექტრი ძალიან რთულია ინტერპრეტაციისთვის, შეგიძლიათ გამოიყენოთ კვანტური ქიმიური მეთოდები სკრინინგის მუდმივების გამოსათვლელად და მათზე დაფუძნებული სიგნალების კორელაციისთვის.

NMR ინტროსკოპია

ბირთვული მაგნიტური რეზონანსის ფენომენი შეიძლება გამოყენებულ იქნას არა მხოლოდ ფიზიკასა და ქიმიაში, არამედ მედიცინაშიც: ადამიანის სხეული არის იგივე ორგანული და არაორგანული მოლეკულების კოლექცია.

ამ ფენომენის დასაკვირვებლად ობიექტი მოთავსებულია მუდმივ მაგნიტურ ველში და ექვემდებარება რადიოსიხშირულ და გრადიენტურ მაგნიტურ ველებს. შესწავლილი ობიექტის მიმდებარე ინდუქტორის ხვეულში წარმოიქმნება ალტერნატიული ელექტრომამოძრავებელი ძალა (EMF), რომლის ამპლიტუდა-სიხშირის სპექტრი და დრო-გარდამავალი მახასიათებლები შეიცავს ინფორმაციას რეზონანსული ატომის ბირთვების სივრცითი სიმკვრივის, ისევე როგორც სხვა პარამეტრების შესახებ, რომლებიც მხოლოდ სპეციფიკურია. ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი. ამ ინფორმაციის კომპიუტერული დამუშავება წარმოქმნის სამგანზომილებიან გამოსახულებას, რომელიც ახასიათებს ქიმიურად ეკვივალენტური ბირთვების სიმკვრივეს, ბირთვული მაგნიტურ-რეზონანსული რელაქსაციის დროს, სითხის ნაკადის სიჩქარის განაწილებას, მოლეკულების დიფუზიას და ბიოქიმიურ მეტაბოლურ პროცესებს ცოცხალ ქსოვილებში.

NMR ინტროსკოპიის (ან მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფიის) არსი, ფაქტობრივად, არის ბირთვული მაგნიტურ-რეზონანსული სიგნალის ამპლიტუდის სპეციალური სახის რაოდენობრივი ანალიზის განხორციელება. ჩვეულებრივი NMR სპექტროსკოპიით, ადამიანი ცდილობს მიაღწიოს სპექტრალური ხაზების საუკეთესო შესაძლო გარჩევადობას. ამის მისაღწევად, მაგნიტური სისტემები მორგებულია ისე, რომ შეიქმნას ველის საუკეთესო ერთგვაროვნება ნიმუშის შიგნით. NMR ინტროსკოპიის მეთოდებში, პირიქით, შექმნილი მაგნიტური ველი აშკარად არაერთგვაროვანია. მაშინ არსებობს საფუძველი იმის მოლოდინი, რომ ნიმუშის თითოეულ წერტილში ბირთვული მაგნიტური რეზონანსის სიხშირეს აქვს საკუთარი მნიშვნელობა, რომელიც განსხვავდება სხვა ნაწილების მნიშვნელობებისგან. NMR სიგნალების ამპლიტუდის გრადაციების ნებისმიერი კოდის დაყენებით (სიკაშკაშე ან ფერი მონიტორის ეკრანზე), შეგიძლიათ მიიღოთ ობიექტის შიდა სტრუქტურის მონაკვეთების ჩვეულებრივი სურათი (ტომოგრამა).

NMR ინტროსკოპია და NMR ტომოგრაფია პირველად გამოიგონეს მსოფლიოში 1960 წელს V.A. Ivanov-ის მიერ. არაკომპეტენტურმა ექსპერტმა უარყო განაცხადი გამოგონებაზე (მეთოდი და მოწყობილობა) "... შემოთავაზებული გადაწყვეტის აშკარა უსარგებლობის გამო", ამიტომ საავტორო უფლების მოწმობა ამაზე გაიცა მხოლოდ 10 წელზე მეტი ხნის შემდეგ. ამგვარად, ოფიციალურად აღიარებულია, რომ NMR ტომოგრაფიის ავტორი არ არის ქვემოთ ჩამოთვლილი ნობელის პრემიის ლაურეატების გუნდი, არამედ რუსი მეცნიერი. ამ იურიდიული ფაქტის მიუხედავად, ნობელის პრემია NMR ტომოგრაფიისთვის მიენიჭა არა ვ.ა.ივანოვს.

ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი
ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი

ბირთვული მაგნიტური რეზონანსი (NMR) – ატომური ბირთვების მიერ ელექტრომაგნიტური ტალღების რეზონანსული შთანთქმა, რაც ხდება საკუთარი კუთხური იმპულსის (სპინების) ვექტორების ორიენტაციის ცვლილებისას. NMR ხდება ძლიერ მუდმივ მაგნიტურ ველში მოთავსებულ ნიმუშებში, ხოლო ერთდროულად ექვემდებარება სუსტ ალტერნატიულ ელექტრომაგნიტურ ველს რადიოსიხშირის დიაპაზონში (მონაცვლეობითი ველის ხაზები უნდა იყოს პერპენდიკულარული მუდმივი ველის ხაზებზე). წყალბადის ბირთვებისთვის (პროტონებისთვის) მუდმივ მაგნიტურ ველში 10 4 ერსტედი, რეზონანსი ხდება რადიოტალღის სიხშირეზე 42,58 MHz. სხვა ბირთვებისთვის მაგნიტურ ველებში 10 3 -10 4 აერსტირებული NMR შეინიშნება 1-10 MHz სიხშირის დიაპაზონში. NMR ფართოდ გამოიყენება ფიზიკაში, ქიმიასა და ბიოქიმიაში მყარი და რთული მოლეკულების სტრუქტურის შესასწავლად. მედიცინაში NMR გამოიყენება ადამიანის შინაგანი ორგანოების სივრცითი გამოსახულების მისაღებად 0,5–1 მმ გარჩევადობით.

განვიხილოთ NMR ფენომენი უმარტივესი ბირთვის - წყალბადის მაგალითის გამოყენებით. წყალბადის ბირთვი არის პროტონი, რომელსაც აქვს საკუთარი მექანიკური კუთხის იმპულსის გარკვეული მნიშვნელობა (სპინი). კვანტური მექანიკის შესაბამისად, პროტონის სპინის ვექტორს სივრცეში შეიძლება ჰქონდეს მხოლოდ ორი ერთმანეთის საპირისპირო მიმართულება, რომლებიც პირობითად აღინიშნება სიტყვებით "ზემოთ" და "ქვემოთ". პროტონს ასევე აქვს მაგნიტური მომენტი, რომლის ვექტორის მიმართულება მკაცრად არის მიბმული სპინის ვექტორის მიმართულებასთან. მაშასადამე, პროტონის მაგნიტური მომენტის ვექტორი შეიძლება იყოს მიმართული "ზევით" ან "ქვემოთ". ამრიგად, პროტონი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც მიკროსკოპული მაგნიტი სივრცეში ორი შესაძლო ორიენტაციის მქონე. თუ პროტონს მოათავსებთ გარე მუდმივ მაგნიტურ ველში, მაშინ ამ ველში პროტონის ენერგია დამოკიდებული იქნება იმაზე, თუ სად არის მიმართული მისი მაგნიტური მომენტი. პროტონის ენერგია უფრო დიდი იქნება, თუ მისი მაგნიტური მომენტი (და სპინი) მიმართულია ველის საწინააღმდეგო მიმართულებით. ავღნიშნოთ ეს ენერგია E ↓. თუ პროტონის მაგნიტური მომენტი (სპინი) მიმართულია იმავე მიმართულებით, როგორც ველი, მაშინ პროტონის ენერგია, რომელიც აღინიშნება E-ით, ნაკლები იქნება (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.
მოდით გადავიდეთ ერთი პროტონიდან წყალბადის მაკროსკოპულ ნიმუშზე, რომელიც შეიცავს პროტონების დიდ რაოდენობას. სიტუაცია ასე გამოიყურება. ნიმუშში, შემთხვევითი სპინის ორიენტაციების საშუალო შეფასების გამო, პროტონების დაახლოებით თანაბარი რაოდენობა, მუდმივი გარე მაგნიტური ველის გამოყენებისას, გამოჩნდება ამ ველთან მიმართებაში მიმართული „ზევით“ და „ქვემოთ“ მიმართული სპინებით. ნიმუშის დასხივება ელექტრომაგნიტური ტალღებით ω = (E ↓ − E )/ћ სიხშირით გამოიწვევს პროტონების სპინების (მაგნიტური მომენტების) „მასიური“ გადატრიალებას, რის შედეგადაც ნიმუშის ყველა პროტონი აღმოჩნდება. მინდვრის წინააღმდეგ მიმართული ტრიალების მდგომარეობაში. პროტონების ორიენტაციის ასეთ მასიურ ცვლილებას თან ახლავს გამოსხივების ელექტრომაგნიტური ველის კვანტების (და ენერგიის) მკვეთრი (რეზონანსული) შთანთქმა. ეს არის NMR. NMR შეიძლება დაფიქსირდეს მხოლოდ ნიმუშებში, რომლებსაც აქვთ ბირთვების დიდი რაოდენობა (10 16), სპეციალური ტექნიკისა და ძალიან მგრძნობიარე ინსტრუმენტების გამოყენებით.

NMR ან ინგლისურად NMR გამოსახულება არის ფრაზის "ბირთვული მაგნიტური რეზონანსის" აბრევიატურა. კვლევის ეს მეთოდი სამედიცინო პრაქტიკაში შემოვიდა გასული საუკუნის 80-იან წლებში. ის განსხვავდება რენტგენოტომოგრაფიისგან. NMR-ში გამოყენებული გამოსხივება მოიცავს რადიოტალღებს ტალღის სიგრძით 1-დან 300 მ-მდე. კომპიუტერული ტომოგრაფიის ანალოგიით, ბირთვული მაგნიტური ტომოგრაფია იყენებს კომპიუტერული სკანირების ავტომატურ კონტროლს შინაგანი ორგანოების სტრუქტურის ფენა-ფენა გამოსახულების დამუშავებით.

რა არის ბირთვული მაგნიტურ-რეზონანსული გამოსახულების არსი?

NMR იყენებს ძლიერ მაგნიტურ ველებს, ასევე რადიოტალღებს, რათა შექმნას ადამიანის სხეულის გამოსახულება ინდივიდუალური სურათებიდან (სკანირებით). ეს ტექნიკა აუცილებელია დაზიანებებისა და ტვინის დაზიანების მქონე პაციენტების გადაუდებელი დახმარებისთვის, ასევე რუტინული ტესტირებისთვის. NMR არის ელექტრომაგნიტური ტალღების შერჩევითი შთანთქმა ნივთიერების (ადამიანის სხეულის) მიერ, რომელიც იმყოფება მაგნიტურ ველში. ეს შესაძლებელი ხდება ნულოვანი მაგნიტური მომენტის მქონე ბირთვების არსებობისას. ჯერ რადიოტალღები შეიწოვება, შემდეგ რადიოტალღები გამოიყოფა ბირთვების მიერ და ისინი გადადიან დაბალ ენერგეტიკულ დონეზე. ორივე პროცესის აღმოჩენა შესაძლებელია ბირთვების შესწავლით და შთანთქმით. NMR ქმნის არაერთგვაროვან მაგნიტურ ველს. თქვენ უბრალოდ უნდა დაარეგულიროთ გადამცემის ანტენა და NMR ტომოგრაფის მიმღები ქსოვილის ან ორგანოების მკაცრად განსაზღვრულ არეალზე და აიღოთ კითხვები წერტილებიდან, შეცვალოთ ტალღის მიღების სიხშირე.

დასკანირებული წერტილებიდან ინფორმაციის დამუშავებისას მიიღება ყველა ორგანოსა და სისტემის გამოსახულება სხვადასხვა სიბრტყეში, განყოფილებაში იქმნება ქსოვილებისა და ორგანოების სამგანზომილებიანი გამოსახულება მაღალი გარჩევადობით. მაგნიტური ბირთვული ტომოგრაფიის ტექნოლოგია ძალიან რთულია, ის ეფუძნება ატომების მიერ ელექტრომაგნიტური ტალღების რეზონანსული შთანთქმის პრინციპს. ადამიანი მოთავსებულია მოწყობილობაში, რომელსაც აქვს ძლიერი მაგნიტური ველი. იქ მოლეკულები ბრუნავს მაგნიტური ველის მიმართულებით. შემდეგ ტარდება ელექტრული ტალღის სკანირება, მოლეკულების ცვლილება ჯერ სპეციალურ მატრიცაზე ფიქსირდება, შემდეგ კი კომპიუტერში გადადის და ყველა მონაცემი მუშავდება.

NMRI-ს აპლიკაციები

NMR ტომოგრაფიას აქვს აპლიკაციების საკმაოდ ფართო სპექტრი, ამიტომ ბევრად უფრო ხშირად გამოიყენება კომპიუტერული ტომოგრაფიის ალტერნატივად. NMR-ის გამოყენებით გამოვლენილი დაავადებების ჩამონათვალი ძალიან ვრცელია.

• Ტვინი.

ყველაზე ხშირად, ასეთი კვლევა გამოიყენება ტვინის დაზიანებების, სიმსივნეების, დემენციის, ეპილეფსიისა და ცერებრალური სისხლძარღვების პრობლემების დასკანირებისთვის.

• გულ-სისხლძარღვთა სისტემა.

გულისა და სისხლძარღვების დიაგნოსტიკისას NMR ავსებს ისეთ მეთოდებს, როგორიცაა ანგიოგრაფია და CT.
ბირთვული MRI-ს შეუძლია გამოავლინოს კარდიომიოპათია, თანდაყოლილი გულის დაავადება, სისხლძარღვთა ცვლილებები, მიოკარდიუმის იშემია, დისტროფია და სიმსივნეები გულსა და სისხლძარღვებში.

• კუნთოვანი სისტემა.

NMR ტომოგრაფია ასევე ფართოდ გამოიყენება კუნთოვანი სისტემის პრობლემების დიაგნოსტიკაში. ამ დიაგნოსტიკური მეთოდით ძალიან კარგად არის დიფერენცირებული ლიგატები, მყესები და ძვლის სტრუქტურები.

• Შინაგანი ორგანოები.

ბირთვული მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფიის გამოყენებით კუჭ-ნაწლავის ტრაქტისა და ღვიძლის გამოკვლევისას, შეგიძლიათ მიიღოთ სრული ინფორმაცია ელენთა, თირკმელების, ღვიძლისა და პანკრეასის შესახებ. თუ დამატებით შემოგთავაზებთ კონტრასტულ საშუალებას, შესაძლებელი გახდება ამ ორგანოების და მათი სისხლძარღვთა სისტემის ფუნქციონალური შესაძლებლობების თვალყურის დევნება. და დამატებითი კომპიუტერული პროგრამები საშუალებას გაძლევთ შექმნათ ნაწლავების, საყლაპავის, ნაღვლის სადინარების და ბრონქების სურათები.

ბირთვული მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფია და MRI: არის განსხვავება?

ზოგჯერ შეიძლება დაბნეული იყოს MRI და NMR სახელებით. არის თუ არა განსხვავება ამ ორ პროცედურას შორის? პასუხი შეიძლება იყოს ცალსახა: არა.
თავდაპირველად, აღმოჩენის მომენტში, მაგნიტურ-რეზონანსულ ტომოგრაფიას ჰქონდა სხვა სიტყვა „ბირთვული“ სახელწოდებით, რომელიც დროთა განმავლობაში გაქრა და დარჩა მხოლოდ აბრევიატურა MRI.

ბირთვული მაგნიტურ-რეზონანსული გამოსახულება რენტგენის აპარატის მსგავსია, თუმცა მისი მუშაობის პრინციპი და შესაძლებლობები გარკვეულწილად განსხვავებულია. MRI ხელს უწყობს ტვინის, ზურგის ტვინის და რბილი ქსოვილების სხვა ორგანოების ვიზუალური სურათის მიღებას. ტომოგრაფიის გამოყენებით შესაძლებელია სისხლის ნაკადის სიჩქარის გაზომვა, ცერებროსპინალური სითხის და ცერებროსპინალური სითხის დინება. ასევე შესაძლებელია განიხილოს, თუ როგორ აქტიურდება ცერებრალური ქერქის კონკრეტული უბანი ადამიანის აქტივობიდან გამომდინარე. კვლევის ჩატარებისას ექიმი ხედავს სამგანზომილებიან გამოსახულებას, რომელიც საშუალებას აძლევს მას ნავიგაცია მოახდინოს პირის მდგომარეობის შეფასებაში.

არსებობს კვლევის რამდენიმე მეთოდი: ანგიოგრაფია, პერფუზია, დიფუზია, სპექტროსკოპია. ბირთვული მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფია კვლევის ერთ-ერთი საუკეთესო მეთოდია, რადგან ის საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ ორგანოებისა და ქსოვილების მდგომარეობის სამგანზომილებიანი გამოსახულება, რაც ნიშნავს, რომ დიაგნოზი უფრო ზუსტად დადგინდება და სწორი მკურნალობა შეირჩევა. ადამიანის შინაგანი ორგანოების NMR გამოკვლევა წარმოადგენს სურათებს და არა რეალურ ქსოვილს. სურათები ჩნდება ფოტომგრძნობიარე ფილაზე, როდესაც რენტგენის სხივები შეიწოვება რენტგენის გადაღებისას.

NMR ტომოგრაფიის ძირითადი უპირატესობები

NMR ტომოგრაფიის უპირატესობები კვლევის სხვა მეთოდებთან შედარებით მრავალმხრივი და მნიშვნელოვანია.

NMR ტომოგრაფიის უარყოფითი მხარეები

მაგრამ, რა თქმა უნდა, ეს მეთოდი არ არის ნაკლოვანებების გარეშე.

• ენერგიის მაღალი მოხმარება. კამერის მუშაობას ნორმალური სუპერგამტარობისთვის დიდი რაოდენობით ელექტროენერგია და ძვირადღირებული ტექნოლოგია სჭირდება. მაგრამ მაღალი სიმძლავრის მაგნიტები არ ახდენს უარყოფით გავლენას ადამიანის ჯანმრთელობაზე.
• პროცესის ხანგრძლივობა. ბირთვული მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფია ნაკლებად მგრძნობიარე მეთოდია რენტგენთან შედარებით. ამიტომ ტრანსილუმინაციისთვის მეტი დროა საჭირო. გარდა ამისა, გამოსახულების დამახინჯება შეიძლება მოხდეს რესპირატორული მოძრაობების გამო, რაც ამახინჯებს მონაცემებს ფილტვებისა და გულის კვლევების ჩატარებისას.
• თუ თქვენ გაქვთ ისეთი დაავადება, როგორიცაა კლაუსტროფობია, ეს უკუჩვენებაა MRI გამოკვლევისთვის. ასევე შეუძლებელია დიაგნოსტიკის ჩატარება NMR გამოსახულების გამოყენებით, თუ არსებობს დიდი ლითონის იმპლანტები, კარდიოსტიმულატორები ან ხელოვნური კარდიოსტიმულატორები. ორსულობის დროს დიაგნოზი ტარდება მხოლოდ გამონაკლის შემთხვევებში.

ადამიანის სხეულში არსებული ყველა პატარა ობიექტის გამოკვლევა შესაძლებელია ბირთვული მაგნიტურ-რეზონანსული გამოსახულების გამოყენებით. მხოლოდ ზოგიერთ შემთხვევაში უნდა ჩაითვალოს ორგანიზმში ქიმიური ელემენტების კონცენტრაციების განაწილება. იმისათვის, რომ გაზომვები უფრო მგრძნობიარე გახდეს, საკმაოდ დიდი რაოდენობით სიგნალები უნდა დაგროვდეს და შეჯამდეს. ამ შემთხვევაში მიიღება მკაფიო, მაღალი ხარისხის გამოსახულება, რომელიც ადეკვატურად გადმოსცემს რეალობას. ეს ასევე დაკავშირებულია იმ დროის ხანგრძლივობასთან, რომელსაც ადამიანი ატარებს პალატაში NMR ტომოგრაფიისთვის. საკმაოდ დიდხანს მოგიწევთ უძრავად წოლა.

დასასრულს, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ბირთვული მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფია საკმაოდ უსაფრთხო და სრულიად უმტკივნეულო დიაგნოსტიკური მეთოდია, რომელიც მთლიანად ერიდება რენტგენის ზემოქმედებას. კომპიუტერული პროგრამები საშუალებას გაძლევთ დაამუშავოთ მიღებული სკანირება ვირტუალური სურათების შესაქმნელად. NMR-ის საზღვრები ნამდვილად უსაზღვროა.

უკვე ახლა ეს დიაგნოსტიკური მეთოდი არის სტიმული მისი სწრაფი განვითარებისა და მედიცინაში ფართოდ გამოყენებისთვის. მეთოდი გამოირჩევა ადამიანის ჯანმრთელობისთვის დაბალი მავნებლობით, მაგრამ ამავე დროს საშუალებას გაძლევთ გულდასმით შეისწავლოთ ორგანოების სტრუქტურა, როგორც ჯანმრთელ ადამიანში, ასევე არსებული დაავადებების მქონე ადამიანებში.