Jedrska magnetna resonanca. NMR aplikacije

Jedrska magnetna resonanca (NMR) je jedrska spektroskopija, ki se pogosto uporablja v vseh fizikalnih znanostih in industriji. используется большой магнит. Pri NMR se za merjenje intrinzičnih spinskih lastnosti atomskih jeder uporablja velik magnet. ). Kot katera koli spektroskopija, za ustvarjanje prehoda med energijskimi nivoji (resonanco) uporablja elektromagnetno sevanje (radiofrekvenčni valovi v VHF pasu). V kemiji NMR pomaga določiti strukturo majhnih molekul. применение в магнитно-резонансной Jedrska magnetna resonanca v medicini je našla uporabo v magnetni resonanci tomografijo (MRI).

Odkritje

Гарвардского университета Перселем , Фунтом и Торри , а также Блохом , Хансеном и Паккардом из Стэнфорда. NMR so leta 1946 odkrili znanstveniki Purcell , Pound in Torrey na univerzi Harvard, pa tudi Bloch , Hansen in Packard iz Stanforda. Opazili so, da sta jedra ¹ H in ³¹ P (proton in fosfor-31) sposobna absorbirati radiofrekvenčno energijo, kadar sta izpostavljena magnetnemu polju, katerega moč je specifična za vsak atom. Ko so bili absorbirani, so začeli resonirati, vsak element na svoji frekvenci. To opazovanje omogočila podrobno analizo strukture molekule. применение в кинетических и структурных исследованиях твердых тел, жидкостей и газов, в результате чего было присуждено 6 Нобелевских премий. Od takrat je NMR našel uporabo v kinetičnih in strukturnih študijah trdnih snovi, tekočin in plinov, tako da je bilo podeljenih 6 Nobelovih nagrad.

Spin in magnetne lastnosti

Jedro je sestavljeno iz osnovnih delcev, imenovanih nevtroni in protoni. Imajo svoj lastni kotni moment, imenovan spin. Podobno kot elektroni lahko spin jedra opišemo s kvantnimi številkami I in v magnetnem polju m. числом протонов и нейтронов имеют нулевой спин, а все остальные – ненулевой. Atomska jedra s sodim številom protonov in nevtronov imajo ničelni spin in vsi ostali imajo neničelni spin. Poleg tega imajo molekule z ničelnim spinom magnetni moment μ = γ I , kjer je γ gyromagnetno razmerje, konstanto sorazmernosti med magnetnim dipolnim momentom in kotnim, ki je različen za vsak atom.

Zaradi magnetnega momenta jedra se obnaša kot majhen magnet. V odsotnosti zunanjega magnetnega polja je vsak magnet naključno usmerjen. Med NMR eksperimentom se vzorec postavi v zunanje magnetno polje B ₀ , kar povzroči, da se nizkoenergijski magnetni magneti poravnajo v smeri B ₀ in od visokega v nasprotni smeri. Ko se to zgodi, se spin-orientacija magnetov spremeni. Da bi razumeli ta precej abstrakten koncept, je treba upoštevati energetske nivoje jedra med NMR eksperimentom.

Ravni energije

Za spin flip je potrebno celo število kvantov. Za vsako m je 2m + 1 energije. Za jedro s spinom 1/2 je le 2 nizka, zasedena z spinovi, poravnanimi z B ₀ , in visoka, zasedena s spinovi, usmerjenimi proti B0. = -mℏγВ ₀ , где m – магнитное квантовое число, в этом случае +/- 1/2. Vsak nivo energije je določen z izrazom E = -mℏγB ₀ , kjer je m magnetno kvantno število, v tem primeru +/- 1/2. Energijski nivoji za m> 1/2, poznani kot kvadrupolna jedra, so bolj kompleksni.

Energetska razlika med ravnmi je: ΔE = ВγV ₀ , kjer je ck Planckova konstanta.

отсутствии уровни вырождаются. Kot je razvidno, je moč magnetnega polja zelo pomembna, saj v njeni odsotnosti ravni degenerirajo.

Prehodi moči

Da bi se pojavila jedrska magnetna resonanca, je treba vrtenje med ravnmi energije preklopiti. Razlika v energiji med dvema državama ustreza energiji. elektromagnetno sevanje ki povzroči, da jedro spremeni svoje energetske nivoje. В ₀ имеет порядок 1 Тесла ( Т ), а γ – 10 ⁷ . Za večino NMR spektrometrov je B ₀ reda 1 Tesla ( T ) in γ je 10 ⁷ . Zato je zahtevano elektromagnetno sevanje reda 10 ⁷ Hz. = hν. Energijo fotona predstavlja formula E = hν. Zato je potrebna frekvenca za absorpcijo: ν = γV ₀ / 2π.

Jedrska zaščita

Fizika NMR temelji na konceptu jedrske zaščite, ki vam omogoča določitev strukture snovi. вызывает небольшие изменения энергетических уровней. Vsak atom je obkrožen z elektroni, ki se vrtijo okoli jedra in delujejo na njegovo magnetno polje, kar povzroča majhne spremembe v energijskih nivojih. To se imenuje zaščita. Jedra, ki doživljajo različna magnetna polja, povezana z lokalnimi elektronskimi interakcijami, se imenujejo enakovredna. новый пик в спектре ЯМР. Spreminjanje energetskih ravni za spin flip zahteva drugačno frekvenco, ki ustvari nov vrh v NMR spektru. анализа сигнала ЯМР с помощью преобразования Фурье. Zaščita omogoča strukturno določanje molekul z analizo NMR signala z uporabo Fourierove transformacije. Rezultat je spekter, sestavljen iz niza vrhov, od katerih vsak ustreza različnemu kemijskemu okolju. Površina vrha je neposredno sorazmerna s številom jeder. ЯМР-взаимодействий , по-разному изменяющих спектр. Podrobne informacije o strukturi se ekstrahirajo z NMR interakcijami, ki spremenijo spekter na različne načine.

Sprostitev

стабильные после возбуждения до более высоких энергетических уровней состояния. Sproščanje se nanaša na pojav vračanja jeder v njihovo termodinamično stabilno stanje po vzbujanju na višje energetske nivoje. при переходе с более низкого уровня к более высокому. To sprosti absorbirano energijo med prehodom z nižje ravni na višjo raven. To je dokaj zapleten proces, ki poteka v različnih časovnih okvirih. типами релаксации являются спин-решеточная и спин-спиновая. Dve najpogostejši vrsti sprostitve sta spin-lattice in spin-spin.

Za razumevanje sprostitve je potrebno upoštevati celoten vzorec. намагниченность вдоль оси Z. Их спины также когерентны и позволяют обнаружить сигнал. Če se jedra postavijo v zunanje magnetno polje, bodo ustvarili množično magnetizacijo vzdolž osi Z, njihovi spini pa so tudi koherentni in lahko zaznajo signal. намагниченность от оси Z в плоскость XY, где она и проявляется. NMR premakne masno magnetizacijo iz osi Z v ravnino XY, kjer se pojavi.

релаксация характеризуется временем T ₁ , необходимым для восстановления 37 % объемной намагниченности вдоль оси Z. Чем эффективнее процесс релаксации, тем меньше T ₁ . Spinilnost spin-rešetke je karakterizirana s časom T ₁ , ki je potreben za obnovitev 37 % vsotane magnetizacije vzdolž osi Z. Čim bolj učinkovit je proces relaksacije, tem manj T1. телах, поскольку движение между молекулами ограничено, время релаксации велико. V trdnih snoveh , ker je gibanje med molekulami omejeno, je čas relaksacije velik. Meritve se običajno izvajajo s pulznimi metodami.

Spin-spin-relaksacijo karakterizira čas izgube medsebojne koherence T2. Lahko je manjši ali enak T1.

Jedrska magnetna resonanca in njena uporaba

это медицина и химия, однако каждый день разрабатываются новые сферы его применения. Dve glavni področji, na katerih se je NMR izkazala za izjemno pomembno, sta medicina in kemija, vendar se vsak dan razvijajo nova področja njene uporabe.

, используемым для изучения функций и структуры человеческого тела. Jedrsko magnetno resonančno slikanje, bolj znano kot magnetno resonančno slikanje (MRI), je pomembno medicinsko diagnostično orodje, ki se uporablja za preučevanje funkcij in strukture človeškega telesa. Omogoča vam, da dobite podrobne slike vseh organov, zlasti mehkega tkiva, v vseh možnih ravninah. Uporablja se na področjih kardiovaskularne, nevrološke, mišično-skeletne in onkološke vizualizacije. Za razliko od alternativnega računalnika magnetno resonančno slikanje ne uporablja ionizirajočega sevanja, zato je popolnoma varno.

MRI lahko sčasoma zazna manjše spremembe. можно использовать для выявления структурных аномалий, возникающих в ходе болезни, а также того, как они влияют на последующее развитие и как их прогрессирование коррелирует с психическими и эмоциональными аспектами расстройства. Introskopija NMR se lahko uporablja za identifikacijo strukturnih nepravilnosti, ki se pojavijo med potekom bolezni, kako vplivajo na kasnejši razvoj in kako je njihovo napredovanje povezano z duševnimi in čustvenimi vidiki motnje. содержимого. Ker MRI slabo skenira kosti, dobimo odlične slike intrakranialne in intravertebralne vsebine.

Načela uporabe jedrske magnetne resonance v diagnostiki

Med postopkom magnetne resonancije pacient leži znotraj masivnega votlega cilindričnega magneta in je izpostavljen močnemu, stabilnemu magnetnemu polju. Različni atomi v skeniranem delu telesa odmevajo na različnih frekvencah polja. MRI se uporablja predvsem za odkrivanje vibracij vodikovih atomov, ki vsebujejo rotirajoče protonsko jedro z majhnim magnetnim poljem. Z magnetno resonanco magnetno polje ozadja poravna vse vodikove atome v tkivu. Drugo magnetno polje, katerega orientacija se razlikuje od ozadja, se vklopi in izklopi večkrat v sekundi. частоте атомы резонируют и выстраиваются в линию со вторым полем. Pri določeni frekvenci atomi resonirajo in se poravnajo z drugim poljem. Ko se izklopi, se atomi vrnejo in se poravnajo z ozadjem. To povzroči signal, ki ga je mogoče sprejeti in pretvoriti v sliko.

яркое изображение, а с малым его содержанием или отсутствием (например, кости) выглядят темными . Tkanine z veliko količino vodika, ki je prisotna v človeškem telesu v sestavi vode, ustvarja svetlo sliko in z nizko vsebnostjo ali odsotnostjo (na primer kosti) izgleda temno . , который пациенты принимают перед процедурой. Svetlost MRI se poveča s kontrastnim sredstvom, kot je gadodiamid , ki ga pacienti vzamejo pred postopkom. относительно ограниченной. Čeprav lahko ti dejavniki izboljšajo kakovost slike, postopek ostaja relativno omejen. Razvijajo se metode za povečanje občutljivosti MRI. формы водорода с уникальными свойствами молекулярного спина, который очень чувствителен к магнитным полям. Najbolj obetajoča je uporaba para - vodika - oblike vodika z edinstvenimi lastnostmi molekularnega spina, ki je zelo občutljiv na magnetna polja.

Izboljšanje karakteristik magnetnega polja, ki se uporabljajo v MRI, je privedlo do razvoja zelo občutljivih tehnik slikanja, kot so difuzija in funkcionalni MRI, ki so zasnovane za prikaz zelo specifičnih lastnosti tkiva. , называемая магнитно-резонансной ангиографией, используется для получения изображения движения крови. Poleg tega se za zajem slik gibanja krvi uporablja edinstvena oblika tehnologije MRI , imenovana magnetna resonančna angiografija. Omogoča vam vizualizacijo arterij in žil brez uporabe igel, katetrov ali kontrastnih sredstev. Tako kot pri MRI so te metode pomagale revolucionirati biomedicinske raziskave in diagnostiko.

голограммы, служащие для определения точной локализации повреждений. Napredne računalniške tehnologije so omogočile radiologom iz digitalnih odsekov, pridobljenih z MRI skenerji, ustvariti tridimenzionalne holograme, ki se uporabljajo za določanje natančne lokacije poškodb. Tomografija je še posebej dragocena pri pregledovanju možganov in hrbtenjače, kot tudi medeničnih organov, kot so mehur in gobasta kost. лечение. Metoda vam omogoča, da hitro in jasno določite obseg poškodbe tumorja in ocenite možno škodo zaradi možganske kapi, kar zdravnikom omogoča, da pravočasno predpisajo ustrezno zdravljenje. , необходимость вводить контрастное вещество в сустав для визуализации хряща или повреждение связок, а также миелографию , инъекцию контрастного вещества в позвоночный канал для визуализации нарушений спинного мозга или межпозвонкового диска. MRI je v glavnem izrinila artrografijo , potrebo po injiciranju kontrastnega sredstva v sklep, da bi vizualizirali hrustanec ali poškodbe vezi, pa tudi mielografijo , injekcijo kontrastnega sredstva v spinalni kanal za vizualizacijo motenj hrbtenjače ali medvretenčnega diska.

Aplikacija za kemijo

V mnogih laboratorijih se danes uporablja jedrska magnetna resonanca za določanje struktur pomembnih kemičnih in bioloških spojin. V NMR spektrih dajejo različni vrhovi informacije o specifičnem kemičnem okolju in vezih med atomi. изотопами, используемыми для обнаружения сигналов магнитного резонанса, являются ¹ H и ¹³ C, но подходит и множество других, таких как ² H, ³ He , ¹⁵ N, ¹⁹ F и т. д. Najpogostejši izotopi, ki se uporabljajo za zaznavanje signalov magnetne resonance, so ¹ H in ¹³ C, vendar so primerni tudi mnogi drugi, kot sta ² H, ³ He , ¹⁵ N, ¹⁹ F itd.

Sodobna NMR spektroskopija je našla široko uporabo v biomolekularnih sistemih in igra pomembno vlogo v strukturni biologiji. . Z razvojem metodologije in orodij je NMR postal ena najmočnejših in univerzalnih spektroskopskih metod za analizo biomakromolekul, kar nam omogoča, da jih označimo in njihove komplekse velikosti do 100 kDa . на атомном уровне. Skupaj z rentgensko kristalografijo je to ena od dveh vodilnih tehnologij za določanje njihove strukture na atomski ravni. Poleg tega NMR zagotavlja edinstvene in pomembne informacije o proteinske funkcije pomembno vlogo pri razvoju zdravil. приведены ниже. Nekatere aplikacije NMR spektroskopije so navedene spodaj.

• условиях или имитирующих мембрану средах. To je edina metoda za določanje atomske strukture biomakromolekul v vodnih raztopinah v pogojih, ki so blizu fiziološkim ali membranskim imitacijam.
• Molekularna dinamika. . To je najmočnejša metoda za kvantitativno določanje dinamičnih lastnosti biomakromolekul .
• Zmešavanje veverice. является наиболее мощным инструментом для определения остаточных структур развернутых белков и посредников сворачивания. NMR spektroskopija je najmočnejše orodje za določanje rezidualnih struktur nezaprtih proteinov in zložljivih mediatorjev.
• Ionizacijsko stanje. . Metoda je učinkovita pri določanju kemijskih lastnosti funkcionalnih skupin v biomakromolekulah, kot so ionizacijska stanja ionizabilnih skupin aktivnih mest encimov .
• Jedrska magnetna resonanca omogoča preučevanje šibkih funkcionalnih interakcij med makrobiomolekulami (npr. Z disociacijskimi konstantami v mikromolarnih in milimolarnih območjih), kar ni mogoče z uporabo drugih metod.
• Hidratacija beljakovin. взаимодействия с биомакромолекулами. NMR je orodje za odkrivanje celinskih voda in njegove interakcije z biomakromolekulami.
• водородных связей . To je edinstvena metoda neposrednega odkrivanja interakcije vodikovih vezi .
• Pregled in razvoj zdravil. Zlasti metoda jedrske magnetne resonance je še posebej uporabna pri identifikaciji zdravil in določanju konformacij spojin, povezanih z encimi, receptorji in drugimi proteini.
• Native membranski protein. в среде нативной мембраны, в том числе со связанными лигандами. NMR v trdnem stanju ima potencial za določanje atomskih struktur domen membranskih proteinov v okolju nativne membrane, vključno s tistimi z vezanimi ligandi.
• Metabolična analiza.
• Kemična analiza. Kemijska identifikacija in konformacijska analiza sintetičnih in naravnih kemikalij.
• Znanost o materialih. Močno orodje pri proučevanju kemije in fizike polimerov.

Druge uporabe

медициной и химией. Jedrska magnetna resonanca in njena uporaba nista omejeni na medicino in kemijo. Metoda se je izkazala za zelo uporabno na drugih področjih, kot so okoljski preskusi, naftna industrija, nadzor procesov, NMR zemeljskega polja in magnetometri. Ne-destruktivno testiranje vam omogoča, da prihranite na dragih bioloških vzorcih, ki jih je mogoče ponovno uporabiti, če je potrebnih več testov. Jedrska magnetna resonanca v geologiji se uporablja za merjenje poroznosti kamnin in prepustnosti podzemnih tekočin. Magnetometri se uporabljajo za merjenje različnih magnetnih polj.