Ядрено-магнитен резонанс. ЧЗВ: Ядрено-магнитен резонанс

Всички елементарни частици, тоест всичко, от което сме направени, са малки магнити - това е протон, неутрон и електрон. По този начин ядрата, съставени от протони и неутрони, също могат да имат магнитен момент.

1. Характеристики на магнитния момент на ядрото

Природата на магнитния момент е квантова. Но ако се опитате да го илюстрирате в по-разбираем класически израз, поведението на ядрото е подобно на поведението на малък въртящ се магнит. Така, ако нямаме външно магнитно поле, тогава такъв магнит може да бъде ориентиран във всяка посока. Веднага щом приложим външно магнитно поле, ядрото, което има магнитен момент, като всеки магнит, започва да усеща това магнитно поле и ако неговото спиново число е ½, тогава се появяват две посоки на неговата преобладаваща ориентация: в посоката и срещу посоката на магнитното поле. Тези две състояния се различават по енергия и едно ядро, като протон, може да преминава от едно състояние в друго. Такава промяна в ориентацията му спрямо външното магнитно поле е придружена от поглъщане или освобождаване на енергиен квант.

Тази енергия е много малка. Квантът на енергията се намира в областта на радиочестотното излъчване. И точно тази малка енергия е едно от неприятните свойства на метода на ядрено-магнитния резонанс, тъй като определя близостта на популациите на долните и горните нива. Но въпреки това, ако разгледаме ансамбъл от такива ядра, тоест вещество, което сме поставили в магнитно поле, се появяват достатъчно голям брой магнитни моменти, насочени нагоре и надолу, и между тях възникват преходи. По този начин можем да регистрираме тези преходи и да измерим свойствата, свързани с тях.

2. Свойства на магнитния момент на ядрото

Тъй като енергийният квант по време на прехода от едно ниво към друго зависи само от магнитните свойства на изследваното ядро ​​и от величината на външното магнитно поле, така наречената честота на магнитна прецесия или честотата на Лармор е фактор за тези два компонента.

В действителност обаче магнитното поле, което заобикаля конкретно ядро, не е равно на магнитното поле, което сме приложили към него, като поставим обекта, който изследваме, в магнита на нашия спектрометър. В допълнение към външното магнитно поле е необходимо да се вземат предвид локалните магнитни полета, които се индуцират например от движението на електрони около ядрата, действието на съседни ядра, същите магнити, способни да индуцират локални магнитни полета, и подобни. Така всяко ядро, разположено в различна част от молекулата, има напълно различно ефективно магнитно поле, което заобикаля това ядро. В резултат на това можем да регистрираме не един резонанс, а съвкупност от тях, тоест спектъра на ядрено-магнитния резонанс.

Относителната резонансна честота се изразява, като правило, в милионни части по отношение на големината на външното магнитно поле. Този параметър е стабилна стойност, независима от стойността на външното магнитно поле, но се определя от електронните свойства на изследваната молекула.

Така че, ако разгледаме някакво химично съединение: в различни позиции, например, протоните усещат напълно различно магнитно поле, тогава по този начин е възможно да се идентифицира, да речем, протонен сигнал на ароматен остатък, протонен сигнал на някаква група –CH3 и така нататък. И сама по себе си тази информация е изключително важна от структурна гледна точка.

3. Взаимодействие на ядра с магнитен момент

Поради факта, че магнитните моменти взаимодействат помежду си, има още един слой информация, който можем да извлечем. Това е информация, която е свързана с взаимодействието на две различни ядра едно с друго. Ако, например, едно ядро ​​взаимодейства с друго чрез система от електрони, участващи в образуването на химични връзки, тогава това се нарича индиректно или спин-спиново взаимодействие. Стойностите на спин-спиновото взаимодействие на ядрата са изключително чувствителни към геометрията на молекулата, към нейните електронни свойства, например към електронната плътност около определени ядра. По този начин можем да получим редица много важни структурни параметри вече от величината на взаимодействието.

В допълнение, две ядра, които имат магнитен момент, могат да взаимодействат едно с друго просто през пространството. Това се нарича "директно дипол-диполно взаимодействие" и, отново, тези видове взаимодействия са изключително структурно информативни. Например векторът на взаимодействие на две ядра може да ни даде информация за пространствената близост на ядрата, за ориентацията на двойка взаимодействащи ядра по отношение на външно магнитно поле.

По този начин, ако измерим спектъра на ядрено-магнитен резонанс на съединение, можем да получим много подробна информация за неговата структура. Ако, например, можем да измерим междуядреното разстояние - и това може да стане чрез определяне на свойствата, свързани с дипол-диполното взаимодействие на ядрата, тъй като неговата стойност се определя от това междуядрено разстояние - тогава ЯМР всъщност се превръща в структурен метод .

4. История на откриването на ЯМР метода

ЯМР спектроскопията като метод за изследване на свойствата на молекулите се появява в средата на 40-те години на ХХ век и за много кратко време - до средата на 50-те години на миналия век - се превръща в един от ключовите методи за изследване на органичните съединения.

Но истинските пионери на ЯМР в течности са Блох и Пърсел, американски учени, получили Нобелова награда през 50-те години за откритие, направено от тях през 1945-1946 г. Трябва да се отбележи, че нашият сънародник Евгений Константинович Завойски през 1944 г. публикува работа за откриването на магнитния резонанс на електрон. Електронът, както беше споменато по-горе, също има магнитен момент и големината на този магнитен момент е дори по-голяма от магнитния момент на ядрата. Физическите принципи на метода на ядрено-магнитния резонанс и метода на електронния парамагнитен резонанс са много сходни.

Но, за съжаление, по една или друга причина - причини по-скоро от политическо естество - работата на Евгений Константинович Завойски не беше удостоена с Нобелова награда, въпреки че, разбира се, той трябваше да бъде сред хората, които получиха наградата за откриването на феномена на магнитен резонанс.

Малко по-рано Исак Раби получава Нобелова награда за работата си през 30-те години на ХХ век за откриването на магнитните свойства на ядрата в газови лъчи. И всъщност тези работи послужиха като тласък за създаването на ЯМР методи в течности и твърди вещества.

Често се дават Нобелови награди за открития, свързани с ЯМР метода. Не може да не се отбележи, например, наградата, присъдена на Ричард Ернст, който създаде основната методология на ЯМР спектроскопията, например FT-IR ЯМР спектроскопия, методи на двумерна ЯМР спектроскопия; както и такъв учен като Kurt Wüthrich, швейцарски колега на Richard Ernst, който създаде методология за изследване на структурата на протеиновите молекули с помощта на ядрено-магнитен резонанс.

5. Практическо приложение на ЯМР метода

Методът ЯМР, след създаването му, започна активно да се използва за изследване на органични съединения. Но магнитните моменти са присъщи не само на онези ядра, които са част от, тоест протон, въглерод или неговия изотоп C-13 и азот или неговия изотоп N-15. Всъщност цялата периодична система е в една или друга степен покрита от определени стабилни изотопи на ядра, които имат магнитни моменти. Този метод е напълно несвързан с радиоактивните свойства на ядрата - само с техните магнитни свойства. Почти всеки елемент от периодичната система има определени изотопи, които имат свойства, удобни за ядрено-магнитен резонанс.

И скоро след усвояването на ЯМР техники за прости органични съединения, той започна активно да се използва за изследване на различни неорганични съединения. В момента методът на ядрено-магнитния резонанс според повечето оценки е най-мощният физически метод за изследване на съединения от най-разнообразна природа.

МАГНИТЕН РЕЗОНАНС
резонансно (селективно) поглъщане на радиочестотно лъчение от определени атомни частици, поставени в постоянно магнитно поле. Повечето елементарни частици, подобно на върховете, се въртят около собствената си ос. Ако една частица има електрически заряд, тогава когато се върти, възниква магнитно поле, т.е. държи се като малък магнит. Когато този магнит взаимодейства с външно магнитно поле, възникват явления, които позволяват да се получи информация за ядра, атоми или молекули, които включват тази елементарна частица. Методът на магнитния резонанс е универсален изследователски инструмент, използван в различни области на науката като биология, химия, геология и физика. Има два основни вида магнитни резонанси: електронен парамагнитен резонанс и ядрено-магнитен резонанс.
Вижте също
МАГНИТИ И МАГНИТНИ СВОЙСТВА НА ВЕЩЕСТВОТО;
ЕЛЕМЕНТАРНИ ЧАСТИЦИ.
Електронен парамагнитен резонанс (EPR). EPR е открит през 1944 г. от руския физик Е. К. Завойски. Електроните във веществата се държат като микроскопични магнити. В различните вещества те се преориентират по различни начини, ако веществото се постави в постоянно външно магнитно поле и се изложи на радиочестотно поле. Връщането на електроните към първоначалната им ориентация е придружено от радиочестотен сигнал, който носи информация за свойствата на електроните и тяхната среда. Този метод, който е един от видовете спектроскопия, се използва при изследване на кристалната структура на елементите, химията на живите клетки, химичните връзки във веществата и др.
Вижте същоОБХВАТ ; СПЕКТРОСКОПИЯ.
Ядрено-магнитен резонанс (ЯМР).ЯМР е открит през 1946 г. от американските физици Е. Пърсел и Ф. Блок. Работейки независимо един от друг, те намериха начин за резонансна "настройка" в магнитните полета на собствените ротации на ядрата на някои атоми, като водорода и един от изотопите на въглерода. Когато проба, съдържаща такива ядра, се постави в силно магнитно поле, техните ядрени моменти се „подреждат“ като железни стружки близо до постоянен магнит. Тази обща ориентация може да бъде нарушена от RF сигнал. Когато сигналът е изключен, ядрените моменти се връщат в първоначалното си състояние и скоростта на това възстановяване зависи от тяхното енергийно състояние, вида на околните ядра и редица други фактори. Преходът е придружен от излъчване на радиочестотен сигнал. Сигналът се изпраща до компютър, който го обработва. По този начин (методът на компютърната ЯМР томография) могат да се получат изображения. (Когато външното магнитно поле се променя на малки стъпки, се постига ефект на триизмерно изображение.) ЯМР методът осигурява висок контраст на различни меки тъкани в изображението, което е изключително важно за идентифициране на болните клетки на фона. от здравите. ЯМР томографията се счита за по-безопасна от рентгеновата, тъй като не причинява разрушаване или дразнене на тъканите.
(виж също РЕНТГЕНОВО ЛЪЧЕНИЕ). ЯМР също дава възможност да се изследват живи клетки, без да се нарушават жизнените им функции. Следователно трябва да се очаква, че използването на ЯМР в клиничната медицина ще се разшири. Вижте също ХИРУРГИЯ.

Енциклопедия на Collier. - Отворено общество. 2000 .

Вижте какво е "МАГНИТЕН РЕЗОНАНС" в други речници:

избирам. абсорбция от вещество. магн. вълни с определена честота w, поради промяна в ориентацията на магнет. моменти на частици на материята (електрони, ат. ядра). Енергия нива на частица с магнитен момент m, във вътр. магн. поле H…… Физическа енциклопедия

избирам. абсорбция във вом ел. магн. дефинирани вълни. честота w, поради промяна в ориентацията на магнита. моменти h c в va (el нови, при. ядра). Енергия нива h tsy, който има магнит. момент m, във вътр. магн. полето H се разделя на магнитно. ... ... Физическа енциклопедия

магнитен резонанс- — [Я.Н.Лугински, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Английско-руски речник по електротехника и енергетика, Москва, 1999] Теми по електротехника, основни понятия EN магнитен резонанс ... Наръчник за технически преводач

Селективно поглъщане от вещество на електромагнитни вълни с определена дължина на вълната, дължащо се на промяна в ориентацията на магнитните моменти на електрони или атомни ядра. Енергийни нива на частица с магнитен момент (Вижте ... ... Велика съветска енциклопедия

избирам. усвояване на имейл магн. излъчване с определена честота с ВОМ, разположен във външния. магн. поле. Поради преходи между магнитни поднива на едно и също енергийно ниво на атома, ядрото и други квантови системи. Наиб. важни примери за такива резонанси ... ... Естествени науки. енциклопедичен речник

магнитен резонанс- селективно поглъщане от вещество на електромагнитни вълни с определена честота, дължащо се на промяна в ориентацията на магнитните моменти на частиците на веществото; Вижте също: Резонансен ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) ... Енциклопедичен речник по металургия

магнитен резонанс- magnetinis rezonansas statusas T sritis chemija apibrėžtis Tam tikro dažnio elektromagnetinių bangų atrankioji sugertis medžiagoje. атитикменис: англ. магнитен резонанс. магнитен резонанс... Chemijes terminų aiskinamasis žodynas

- (ЯМР), селективно усвояване на имейл. магн. енергия във vom поради ядрен парамагнетизъм. ЯМР е един от методите на радиоспектроскопията, който се наблюдава, когато върху изследваната проба действат взаимно перпендикулярни магнитни полета. полета: силна константа H0 ... Физическа енциклопедия

Изображение на човешкия мозък на медицински NMR томограф Ядрено-магнитен резонанс (NMR) резонансно поглъщане или излъчване на електромагнитна енергия от вещество, съдържащо ядра с ненулево въртене във външно магнитно поле, при честота ν ... ... Wikipedia

- (NAM), селективно поглъщане на акустична енергия. вибрации (фонони), поради преориентацията на магн. моменти при. ядра в тв. тяло, поставено в постоянен магнит. поле. За повечето ядра се наблюдава резонансно поглъщане в ултразвуковата област ... ... Физическа енциклопедия

Книги

• Магнитен резонанс в химията и медицината, Р. Фрийман. Монографията на известния учен в областта на ЯМР спектроскопията Р. Фрийман съчетава видимостта на разглеждането на основните принципи на магнитния резонанс в химията и медицината (биологията) с висока...

ЯМР или на английски NMR imaging е съкращение от фразата "ядрено-магнитен резонанс". Този метод на изследване навлиза в медицинската практика през 80-те години на миналия век. Различава се от рентгеновата томография. Излъчването, използвано в ЯМР, включва радиовълновия диапазон с дължина на вълната от 1 до 300 м. По аналогия с КТ ядрено-магнитната томография използва автоматично управление на компютърно сканиране с обработка на послойно изображение на структурата на вътрешните органи.

Каква е същността на ЯМР

При обработката на информацията от сканираните точки се получават изображения на всички органи и системи в различни равнини, в разрез се формира триизмерно изображение с висока разделителна способност на тъкани и органи. Технологията на магнитно-ядрената томография е много сложна, тя се основава на принципа на резонансно поглъщане на електромагнитни вълни от атоми. Човек се поставя в апарат със силно магнитно поле. Молекулите там се обръщат по посока на магнитното поле. След това се сканира електрическа вълна, промяната в молекулите първо се записва на специална матрица, след което се прехвърля на компютър и всички данни се обработват.

Приложения на ЯМР

ЯМР томографията има доста широк спектър от приложения, така че много по-често се използва като алтернатива на компютърната томография. Списъкът от заболявания, които могат да бъдат открити с помощта на ЯМР, е много обемен.

• мозък.

Най-често такова изследване се използва за сканиране на мозъка за наранявания, тумори, деменция, епилепсия и проблеми с мозъчните съдове.

• Сърдечно-съдовата система.

В диагностиката на сърцето и кръвоносните съдове ЯМР допълва методи като ангиография и КТ.
ЯМР може да открие кардиомиопатия, вродени сърдечни заболявания, съдови промени, миокардна исхемия, дистрофия и тумори в областта на сърцето и кръвоносните съдове.

• Мускулно-скелетна система.

ЯМР томографията намира широко приложение в диагностиката на проблеми с опорно-двигателния апарат. С този диагностичен метод много добре се диференцират връзки, сухожилия и костни структури.

• Вътрешни органи.

При изследване на стомашно-чревния тракт и черния дроб с помощта на ядрено-магнитен резонанс можете да получите пълна информация за далака, бъбреците, черния дроб, панкреаса. Ако допълнително въведете контрастно вещество, тогава става възможно да се проследи функционалната способност на тези органи и тяхната съдова система. И допълнителните компютърни програми ви позволяват да създавате изображения на червата, хранопровода, жлъчните пътища, бронхите.

Ядрено-магнитен резонанс и ЯМР: има ли разлика

Понякога можете да се объркате в имената на MRI и MRI. Има ли разлика между тези две процедури? Определено можете да отговорите не.
Първоначално, по време на откриването на ядрено-магнитен резонанс, името му съдържа друга дума „ядрен“, която изчезва с времето, оставяйки само съкращението MRI.

Има няколко метода за изследване: ангиография, перфузия, дифузия, спектроскопия. Ядрено-магнитен резонанс е един от най-добрите методи за изследване, тъй като ви позволява да получите триизмерно изображение на състоянието на органите и тъканите, което означава, че диагнозата ще бъде установена по-точно и ще бъде избрано правилното лечение. ЯМР изследването на вътрешните органи на човек е точно изображения, а не реални тъкани. Моделите се появяват върху фоточувствителен филм, когато рентгеновите лъчи се абсорбират, когато се прави рентгенова снимка.

Основните предимства на ЯМР изображенията

Предимствата на ЯМР томографията пред другите методи на изследване са многостранни и значими.

Минуси на ЯМР

Но, разбира се, този метод не е без недостатъци.

• Голяма консумация на енергия. Работата на камерата изисква много електричество и скъпа технология за нормална свръхпроводимост. Но магнитите с висока мощност не оказват отрицателно въздействие върху човешкото здраве.
• Продължителност на процеса. Ядрено-магнитният резонанс е по-малко чувствителен от рентгеновите лъчи. Следователно е необходимо повече време за трансилюминация. Освен това може да възникне изкривяване на изображението поради дихателни движения, което изкривява данните при провеждане на изследвания на белите дробове и сърцето.
• При наличие на заболяване като клаустрофобия е противопоказание за изследване с помощта на ЯМР. Също така е невъзможно да се диагностицира с помощта на ЯМР томография, ако има големи метални импланти, пейсмейкъри, изкуствени пейсмейкъри. По време на бременност диагнозата се извършва само в изключителни случаи.

Всеки малък обект в човешкото тяло може да бъде изследван с ЯМР. Само в някои случаи трябва да се включи разпределението на концентрацията на химичните елементи в тялото. За да се направят измерванията по-чувствителни, трябва да се натрупат и сумират доста голям брой сигнали. В този случай се получава ясно изображение с високо качество, което адекватно предава реалността. Това е свързано и с продължителността на престоя на човек в камерата за ЯМР. Ще трябва да лежите неподвижно дълго време.

В заключение можем да кажем, че ядрено-магнитният резонанс е сравнително безопасен и абсолютно безболезнен диагностичен метод, който ви позволява напълно да избегнете излагането на рентгенови лъчи. Компютърните програми ви позволяват да обработвате получените сканирания с формирането на виртуални изображения. Границите на ЯМР са наистина неограничени.

Още сега този диагностичен метод е стимул за бързото му развитие и широко приложение в медицината. Методът се отличава с ниската си вреда за човешкото здраве, но в същото време ви позволява внимателно да изследвате структурата на органите, както при здрав човек, така и при съществуващи заболявания.

Терминът "магнитен резонанс" се отнася до селективното (резонансно) поглъщане на енергията на променливо електромагнитно поле от електронна или ядрена подсистема на вещество, подложено на постоянно магнитно поле. Механизмът на абсорбция е свързан с квантови преходи в тези подсистеми между дискретни енергийни нива, които възникват в присъствието на магнитно поле.

Магнитните резонанси обикновено се разделят на пет вида: 1) циклотронен резонанс (CR); 2) електронен парамагнитен резонанс (EPR); 3) ядрено-магнитен резонанс (ЯМР); 4) електронен феромагнитен резонанс; 5) електронен антиферомагнитен резонанс.

Циклотронен резонанс. При CR се наблюдава селективно поглъщане на енергията на електромагнитното поле в полупроводници и метали в постоянно магнитно поле, поради квантови преходи на електрони между енергийните нива на Ландау. Квази-непрекъснатият енергиен спектър на проводимите електрони във външно магнитно поле се разделя на такива равноотдалечени нива.

Същността на физическия механизъм на CR може да бъде разбрана и в рамките на класическата теория. Свободен електрон се движи в постоянно магнитно поле (насочено по оста) по спирална траектория около линии на магнитна индукция с циклотронна честота

където и са съответно големината на заряда и ефективната маса на електрона. Нека сега включим радиочестотното поле с честота и с вектор, перпендикулярен на (например по оста ). Ако електронът е в правилната фаза за своето спирално движение, тогава тъй като неговата ротационна честота съвпада с честотата на външното поле, той ще се ускори и спиралата ще се разшири. Ускоряването на електрона означава увеличаване на неговата енергия, което се дължи на прехвърлянето му от радиочестотното поле. По този начин резонансното поглъщане е възможно при следните условия:

честотата на външното електромагнитно поле, чиято енергия се абсорбира, трябва да съвпада с циклотронната честота на електроните;

векторът на напрегнатостта на електрическото поле на електромагнитната вълна трябва да има компонента, нормална към посоката на постоянното магнитно поле;

средният свободен път на електроните в кристала трябва да надвишава периода на циклотронните трептения.

Методът CR се използва за определяне на ефективната маса на носителите в полупроводниците. От полуширината на CR линията могат да се определят характерните времена на разсейване и по този начин да се определи подвижността на носителя. Площта на линията може да се използва за определяне на концентрацията на носители на заряд в пробата.

Електронен парамагнитен резонанс. Феноменът EPR се състои в резонансно поглъщане на енергията на електромагнитното поле в парамагнитни проби, поставени в постоянно магнитно поле, нормално на магнитния вектор на електромагнитното поле. Физическата същност на явлението е следната.

Магнитният момент на атом с несдвоени електрони се определя от израз (5.35). В магнитно поле енергийните нива на атома, поради взаимодействието на магнитния момент с магнитното поле, се разделят на поднива с енергията

където е магнитното квантово число на атома и приема стойността

От (5.52) се вижда, че броят на поднивата е , а разстоянието между поднивата е

Преходите на атомите от ниски към по-високи нива могат да възникнат под действието на външно електромагнитно поле. Съгласно правилата за квантово-механичен подбор, разрешените преходи са тези, при които магнитното квантово число се променя с единица, т.е. Следователно енергийният квант на такова поле трябва да бъде равен на разстоянието между поднивата

Съотношението (5.55) е EPR условието. Променливо магнитно поле с резонансна честота със същата вероятност ще предизвика преходи от долните магнитни поднива към горните (абсорбция) и обратно (излъчване). В състояние на термодинамично равновесие връзката между популациите и две съседни нива се определя от закона на Болцман

От (5.56) се вижда, че държавите с по-ниска енергия имат по-голямо население (). Следователно, броят на атомите, поглъщащи кванти на електромагнитното поле при тези условия, ще преобладава над броя на излъчващите атоми; в резултат на това системата ще абсорбира енергията на електромагнитното поле, което води до увеличаване на . Въпреки това, поради взаимодействието с решетката, абсорбираната енергия под формата на топлина се прехвърля към решетката и обикновено толкова бързо, че при използваните честоти съотношението се различава много малко от равновесната си стойност (5.56).

Честотите на EPR могат да бъдат определени от (5.55). Замествайки стойността и броейки (чист момент на въртене), получаваме за резонансната честота

От (5.57) може да се види, че в полета от до 1 T, резонансните честоти са в диапазона от Hz, тоест в радиочестотната и микровълновата област.

Условието за резонанс (5.55) се прилага за изолирани атоми, които имат магнитни моменти. Въпреки това, той остава валиден за система от атоми, ако взаимодействието между магнитните моменти е пренебрежимо малко. Такава система е парамагнитен кристал, в който магнитните атоми са разположени на големи разстояния един от друг.

Феноменът EPR е предсказан през 1923 г. Я. Г. Дорфман и експериментално открит през 1944 г. Е.К.Завойски. В момента EPR се използва като един от най-мощните методи за изследване на твърди вещества. Въз основа на интерпретацията на EPR спектрите се получава информация за дефекти, примеси в твърди тела и електронна структура, за механизмите на химичните реакции и др. На базата на явлението EPR са изградени парамагнитни усилватели и генератори.

Ядрено-магнитен резонанс. Тежките елементарни частици са протони и неутрони (нуклони) и следователно изградените от тях атомни ядра имат свои собствени магнитни моменти, които служат като източник на ядрен магнетизъм. Ролята на елементарен магнитен момент, по аналогия с електрона, тук се играе от ядрения магнетон на Бор

Атомното ядро ​​има магнитен момент

където е коефициентът на ядрото, е спиновото число на ядрото, което приема полуцели и цели числа:

0, 1/2, 1, 3/2, 2, ... . (5.60)

Проекция на ядрения магнитен момент върху оста zна произволно избрана координатна система се определя от отношението

Тук магнитното квантово число, когато е известно, приема стойностите:

При липса на външно магнитно поле всички състояния с различни състояния имат еднаква енергия и следователно са изродени. Атомно ядро ​​с ненулев магнитен момент, поставено във външно постоянно магнитно поле, изпитва пространствено квантуване и неговото -кратно изродено ниво се разделя на Зееманов мултиплет, чиито нива имат енергии

Ако след това върху ядрото се въздейства променливо поле, чийто енергиен квант е равен на разстоянието между нивата (5.63)

тогава има резонансно поглъщане на енергия от атомните ядра, което се нарича ядрен парамагнитен резонанс или просто ядрено-магнитен резонанс.

Поради факта, че е много по-малък, резонансната честота на ЯМР е значително по-ниска от честотата на ЕПР. Така че ЯМР в полета от порядъка на 1 T се наблюдава в радиочестотната област.

ЯМР като метод за изследване на ядра, атоми и молекули е получил различни приложения във физиката, химията, биологията, медицината, технологиите, по-специално за измерване на силата на магнитните полета.

Традиционният метод на ЯМР спектроскопия има много недостатъци. Първо, изграждането на всеки спектър отнема много време. Второ, той е много придирчив към липсата на външна намеса и като правило получените спектри имат значителен шум. Трето, той е неподходящ за създаване на високочестотни спектрометри. Затова в съвременните прибори за ЯМР се използва така нареченият метод на импулсна спектроскопия, основан на преобразуването на Фурие на получения сигнал.

В момента всички ЯМР спектрометри са изградени на базата на мощни свръхпроводящи магнити с постоянно магнитно поле.

Същността на ЯМР интроскопията (или магнитно-резонансната томография) е извършването на специален вид количествен анализ на амплитудата на сигнала от ядрено-магнитен резонанс. При методите на ЯМР интроскопията магнитното поле се създава от умишлено нехомогенно поле. Тогава има основание да се очаква, че честотата на ядрено-магнитния резонанс във всяка точка на пробата има своя собствена стойност, която се различава от стойностите в други части. Чрез задаване на някакъв код за градации на амплитудата на ЯМР сигнала (яркост или цвят на екрана на монитора) може да се получи условно изображение (томограма) на участъци от вътрешната структура на обекта.

Феро- и антиферомагнитен резонанс. Физическата същност на феромагнитния резонанс се крие във факта, че под въздействието на външно магнитно поле, което магнетизира феромагнетик до насищане, общият магнитен момент на пробата започва да прецесира около това поле с честота на Larmor в зависимост от полето. Ако към такъв образец се приложи високочестотно електромагнитно поле, перпендикулярно на, и неговата честота се промени, тогава при , възниква резонансно поглъщане на енергията на полето. Поглъщането в този случай е с няколко порядъка по-високо, отколкото при парамагнитния резонанс, тъй като магнитната чувствителност и следователно магнитният момент на насищане е много по-висок в тях, отколкото в парамагнетиците.

Характеристики на резонансните явления във феро - и антиферомагнетиците се определят главно от факта, че в такива вещества не се работи с изолирани атоми или сравнително слабо взаимодействащи йони на обикновени парамагнитни тела, а със сложна система от силно взаимодействащи електрони. Обменното (електростатично) взаимодействие създава голямо получено намагнитване, а с него и голямо вътрешно магнитно поле, което значително променя резонансните условия (5.55).

Феромагнитният резонанс се различава от EPR по това, че поглъщането на енергия в този случай е с много порядъци по-силно и резонансното състояние (връзката между резонансната честота на променливото поле и големината на постоянното магнитно поле) зависи значително от формата на пробите. .

Много микровълнови устройства се основават на явлението феромагнитен резонанс: резонансни вентили и филтри, парамагнитни усилватели, ограничители на мощността и линии за забавяне.

Антиферомагнитен резонанс (електронен магнитен резонанс V антиферомагнетици) - феноменът на сравнително голям селективен отговор на магнитната система на антиферомагнетик към действието на електромагнитно поле с честота (10-1000 GHz), близка до естествените честоти на прецесията на векторите на намагнитване на магнитните подрешетки на система. Това явление е придружено от силно поглъщане на енергията на електромагнитното поле.

От квантова гледна точка, a антиферомагнитен резонансможе да се разглежда като резонансна трансформация на фотоните на електромагнитното поле в магнони с вълнов вектор.

За да наблюдавате a антиферомагнитен резонанссе използват радиоспектрометри, подобни на тези, използвани за изследване на EPR, но позволяващи измервания при високи (до 1000 GHz) честоти и в силни (до 1 MG) магнитни полета. Най-обещаващи са спектрометрите, в които се сканира честотата, а не магнитното поле. Оптични методи за откриване на a антиферомагнитен резонанс.

МИНИСТЕРСТВО НА ЗДРАВЕОПАЗВАНЕТО НА РУСКАТА ФЕДЕРАЦИЯ

ОБЩО ФАРМАКОПЕННО РАЗРЕШЕНИЕ

Спектроскопия на ядрени GPM.1.2.1.1.0007.15
магнитен резонанс вместо GFXII, част 1,
OFS 42-0046-07

Спектроскопията с ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) е метод, основан на абсорбцията на радиочестотно електромагнитно лъчение от ядрата на проба с ненулев магнитен момент, поставена в постоянно магнитно поле ( б 0). Отлични от нула магнитни моменти имат изотопи на ядра на елементи с нечетна атомна маса (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P и др.).

Основни принципи

Ядрото, въртящо се около оста си, има свой собствен момент на импулс (ъглов импулс или спин) П. Магнитният момент на ядрото μ е право пропорционален на спина: μ = γ ∙ П(γ е коефициентът на пропорционалност или жиромагнитното съотношение). Ъгловите и магнитните моменти се квантуват, т.е. може да бъде в едно от 2 аз+ 1 състояния на завъртане ( аз – спиново квантово число). Различните състояния на магнитните моменти на ядрата имат еднаква енергия, ако не се влияят от външно магнитно поле. Когато ядрата са поставени във външно магнитно поле б 0, енергийната дегенерация на ядрата се отстранява и възниква възможността за енергиен преход от едно ниво на друго. Процесът на разпределение на ядрата между различни енергийни нива протича в съответствие със закона за разпределение на Болцман и води до появата на макроскопично равновесно надлъжно намагнитване М z Времето, необходимо за създаване М z след включване на външното магнитно поле IN 0, се нарича време надлъжноили завъртане—решетка релаксация (T 1). Нарушаването на равновесното разпределение на ядрата възниква под действието на радиочестотно магнитно поле ( б 1), перпендикулярно б 0 , което предизвиква допълнителни преходи между енергийните нива, придружени от поглъщане на енергия (феноменът ядрено-магнитен резонанс). Честота ν 0, при което се извършва поглъщането на енергия от ядрата ( Лармороваили резонансна честота на поглъщане), варира в зависимост от стойността на константното поле б 0: ν 0 = γ б 0/2π. В момента на резонанса има взаимодействие между отделните ядрени магнитни моменти и полето IN 1, което извежда вектор М z от равновесното му положение по оста z. В резултат на това се появява напречно намагнитване М xy. Неговата промяна, свързана с обмена в спиновата система, се характеризира с времето напреченили върти-върти релаксация (T 2).

Зависимост на интензитета на поглъщане на енергия от ядра от същия тип от честотата на радиочестотното магнитно поле при фиксирана стойност IN 0 се извиква едномерен спектърядрено-магнитен резонансядра от този тип. ЯМР спектърът може да бъде получен по два начина: чрез непрекъснато облъчване на пробата с радиочестотно поле с различна честота, в резултат на което ЯМР спектърът се записва директно (спектроскопия с непрекъсната експозиция), или чрез излагане на пробата на кратък радиочестотен импулс ( импулсна спектроскопия). В импулсната ЯМР спектроскопия, разпадналото се във времето кохерентно лъчение, излъчвано от ядра при връщане към първоначалното спиново състояние ( сигнал за затихване на свободната индукция), последвано от трансформация на времевата скала в честота ( Преобразуване на Фурие).

В молекулите електроните на атомите намаляват величината на действащото външно магнитно поле б 0 на мястото на ядрото, т.е. появява се диамагнитно екраниране:

б loc = б 0 ∙ (1 – σ),

б lok е интензитетът на полученото поле;

σ е екраниращата константа.

Разликата в резонансните честоти на сигналите на ядрата, равна на разликата в техните екраниращи константи, се нарича химическо изместванесигнали, обозначени със символа δ , измерено в части на милион (ppm). Взаимодействие на магнитните моменти на ядрата чрез електрони на химична връзка ( спин-спин взаимодействие) причинява разделяне на ЯМР сигнала ( множественост, m). Броят на компонентите в мултиплетите се определя от ядрения спин и броя на взаимодействащите ядра. Мярката на спин-спиновото взаимодействие е константа на спин-спин свързване (Дж, измерено в херци, Hz). Стойности δ, мИ Джне зависят от големината на постоянното магнитно поле.

Интензитетът на ядрения NMR сигнал в спектъра се определя от популацията на неговите енергийни нива. От ядрата с естествено изобилие от изотопи най-интензивните сигнали се произвеждат от водородните ядра. Интензитетът на ЯМР сигналите също се влияе от времето на надлъжно-напречна релаксация (голяма T 1 води до намаляване на интензитета на сигнала).

Ширината на ЯМР сигналите (разликата между честотите на половината от максимума на сигнала) зависи от T 1 и T 2. малки времена T 1 и T 2 причиняват сигнали с широк и лошо интерпретиран спектър.

Чувствителността на ЯМР метода (максимална откриваема концентрация на вещество) зависи от интензитета на ядрения сигнал. За 1 H ядра чувствителността е 10 -9 ÷ 10 -11 mol.

Корелациите на различни спектрални параметри (например химически измествания на различни ядра в рамките на една и съща молекулна система) могат да бъдат получени чрез хомо- и хетероядрени методи в 2D или 3D формат.

устройство

ЯМР импулсен спектрометър с висока разделителна способност (ЯМР спектрометър) се състои от:

• магнит за създаване на постоянно магнитно поле б 0 ;
• сензор с контролирана температура с държач за проба за прилагане на радиочестотен импулс и детектиране на радиацията, излъчвана от пробата;
• електронно устройство за създаване на радиочестотен импулс, записващо, усилващо и преобразуващо в цифрова форма сигнала със затихване на свободната индукция;
• устройства за настройка и регулиране на електронни вериги;
• Устройства за събиране и обработка на данни (компютър);

и може също да включва:

проточна клетка за NMR течна хроматография или поточно-инжекционен анализ;

• система за създаване на импулсен градиент на магнитно поле.

Силно магнитно поле се генерира от намотка за свръхпроводимост в съд на Дюар, пълен с течен хелий.

Трябва да се провери правилното функциониране на ЯМР спектрометъра. За проверка се провеждат подходящи тестове, включително, като правило, измерване на ширината на спектралната линия на полувисочина на определени пикове при определени условия ( разрешение), възпроизводимостта на позицията на сигнала и съотношението сигнал/шум (съотношението между интензитета на специфичен сигнал в NMR спектъра и случайните колебания в областта на спектъра, която не съдържа сигнали от аналита, С/н) за стандартни смеси. Софтуерът на спектрометъра съдържа алгоритми за определяне S/N. Всички производители на инструменти предоставят спецификации и протоколи за измерване на тези параметри.

ЯМР спектроскопия на проби в разтвори

Методика

Тестовата проба се разтваря в разтворител, към който може да се добави подходящ стандарт за калибриране на химическото отместване, както е посочено в регулаторната документация. Стойността на относителното химично изместване на ядрото на веществото (δ in-in) се определя от следния израз:

δ вход \u003d (ν вход - ν стандарт) / ν на устройството,

ν in-in - резонансната честота на ядрото на веществото, Hz;

ν etalon е резонансната честота на ядрото на еталона, Hz;

ν на устройството е работната честота на ЯМР спектрометъра (честотата, при която резонансните условия за водородните ядра са изпълнени за дадена б 0, MHz).

За разтвори в органични разтворители, химическото отместване в спектрите 1H и 13C се измерва спрямо сигнала на тетраметилсилан, чиято позиция се приема за 0 ppm. Химичните отмествания се отчитат в посока на слабо поле (вляво) от сигнала на тетраметилсилан (делта е скалата на химичните отмествания). За водни разтвори, натриевият 2,2-диметил-2-силанпентан-5-сулфонат се използва като еталон в 1Н NMR спектрите, химичното отместване на протоните на метиловата група на който е 0,015 ppm. За спектрите на 13 C водни разтвори, като еталон се използва диоксан, чието химично отместване е 67,4 ppm.

При калибриране на 19F спектрите, трифлуорооцетната киселина или трихлорофлуорометанът се използва като основен стандарт с нулево химично отместване; спектри 31 P - 85% разтвор на фосфорна киселина или триметилфосфат; спектри 15 N - нитрометан или наситен разтвор на амоняк. При 1 Н и 13 С ЯМР по правило се използва вътрешен стандарт, който се добавя директно към тестовата проба. 15 N, 19 F и 31 P NMR често използват външен стандарт, който се държи отделно в коаксиална цилиндрична тръба или капиляра.

При описване на ЯМР спектрите е необходимо да се посочи разтворителят, в който е разтворено веществото, и неговата концентрация. Като разтворители се използват лесно подвижни течности, в които водородните атоми са заменени с деутериеви атоми, за да се намали интензитета на сигналите на разтворителя. Деутерираният разтворител се избира въз основа на следните критерии:

• 1) разтворимостта на изпитваното съединение в него;
• 2) липса на припокриване между сигналите на остатъчните протони на деутерирания разтворител и сигналите на тестваното съединение;
• 3) липса на взаимодействие между разтворителя и тестваното съединение, освен ако не е посочено друго.

Атомите на разтворителя дават сигнали, които лесно се идентифицират чрез тяхното химическо изместване и могат да се използват за калибриране на оста на химическо изместване (вторичен стандарт). Химичните отмествания на остатъчните протонни сигнали на деутерирани разтворители имат следните стойности (ppm): хлороформ, 7,26; бензен 7,16; вода - 4,7; метанол -3,35 и 4,78; диметилсулфоксид - 2,50; ацетон - 2,05; положението на сигнала на водата и протоните на хидроксилните групи на алкохолите зависи от pH на средата и температурата.

За количествен анализ разтворите не трябва да съдържат неразтворени частици. За някои анализи може да се наложи добавянето на вътрешен стандарт за сравняване на тестовия и референтния интензитет. Подходящите стандартни проби и техните концентрации трябва да бъдат посочени в нормативната документация. След поставяне на пробата в епруветка и затваряне, пробата се въвежда в магнита на ЯМР спектрометъра, настройват се параметрите на теста (настройки, регистрация, дигитализиране на сигнала за затихване на свободната индукция). Основните параметри на изпитването, посочени в нормативната документация, се записват или съхраняват в компютър.

За да се предотврати дрейф на спектъра с течение на времето, се извършва стабилизираща процедура (заключване на деутерий), като се използва сигналът на деутерий, индуциран от деутерирани разтворители, освен ако не е посочено друго. Инструментът се настройва, за да се получат най-оптималните резонансни условия и максимално съотношение S/N(блещукане).

По време на теста е възможно да се извършат множество последователности от цикли "импулс - събиране на данни - пауза" с последващо сумиране на отделни сигнали за затихване на свободната индукция и осредняване на нивото на шума. Времето на забавяне между импулсните последователности, през които системата от ядрени завъртания възстановява своята магнетизация ( д 1), за количествени измервания трябва да надвишава времето за надлъжна релаксация T 1: д 1 ≥ 5 T 1 . Софтуерът на спектрометъра съдържа алгоритми за определяне T 1 . Ако стойността T 1 е неизвестен, препоръчително е да използвате стойността д 1 = 25 сек.

След извършване на преобразуването на Фурие, сигналите в честотното представяне се калибрират спрямо избрания стандарт и техният относителен интензитет се измерва чрез интегриране - измерване на отношението на площите на резонансните сигнали. В 13 C спектрите се интегрират само сигнали от същия тип. Точността на интегриране на сигнала зависи от съотношението сигнал – шум (S/N):

Където u(аз) е стандартната несигурност на интегрирането.

Броят на натрупванията на свободен индукционен спад, необходими за постигане на задоволително съотношение С/ н, трябва да бъдат посочени в нормативната документация.

Наред с едномерните за аналитични цели се използват хомо- и хетероядрени двумерни корелационни спектри, базирани на определена последователност от импулси (COSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC, HETCOR, CIGAR, INADEQUATE и др.). В двумерните спектри взаимодействието между ядрата се проявява под формата на сигнали, наречени кръстосани пикове. Позицията на кръстосаните пикове се определя от стойностите на химичните отмествания на двете взаимодействащи ядра. Двуизмерните спектри се използват за предпочитане за определяне на състава на сложни смеси и екстракти, т.к вероятността за суперпозиция на сигнала (напречни пикове) в двумерни спектри е значително по-ниска от вероятността за суперпозиция на сигнала в едномерни спектри.

За бързо получаване на спектрите на хетероядра (13 C, 15 N и т.н.) се използват методи (HSQC, HMBC), които позволяват да се получат спектри на други ядра върху 1 H ядра, използвайки механизмите на хетероядрено взаимодействие.

Техниката DOSY, базирана на записване на загубата на фазова кохерентност на ядрени завъртания поради транслационни измествания на молекули под действието на градиент на магнитно поле, дава възможност да се получат спектри на отделни съединения (спектрално разделяне) в смес без тяхното физическо разделяне и за определяне на размерите, степените на агрегация и молекулните тегла на молекулярните обекти (молекули, макромолекули, молекулни комплекси, надмолекулни системи).

Области на използване

Разнообразието от структурна и аналитична информация, съдържаща се в спектрите на ядрено-магнитен резонанс, прави възможно използването на метода на ядрено-магнитен резонанс за качествен и количествен анализ. Използването на спектроскопия с ядрено-магнитен резонанс в количествения анализ се основава на пряката пропорционалност на моларната концентрация на магнитно активните ядра към интегралния интензитет на съответния абсорбционен сигнал в спектъра.

1. Идентификация на активното вещество. Идентифицирането на активното вещество се извършва чрез сравняване на спектъра на тестовата проба със спектъра на стандартна проба или с публикуван референтен спектър. Спектрите на стандартните и тестовите проби трябва да се получат, като се използват същите методи и условия. Пиковете в сравняваните спектри трябва да съвпадат по позиция (отклонения на стойностите δ тестови и стандартни проби в рамките на ± 0,1 ppm. за ядрено-магнитен резонанс 1 N и ± 0,5 ppm. за ядрено-магнитен резонанс 13 C), интегриран интензитет и множественост, чиито стойности трябва да бъдат дадени при описание на спектрите. При липса на стандартна проба може да се използва фармакопейна стандартна проба, чиято идентичност се потвърждава чрез независима структурна интерпретация на спектралните данни и алтернативни методи.

При потвърждаване на автентичността на проби с нестехиометричен състав (например естествени полимери с променлив състав), е разрешено пиковете на тестовите и стандартните проби да се различават по позиция и интегрален интензитет на сигналите. Сравняваните спектри трябва да са подобни, т.е. съдържат същите характерни области на сигналите, потвърждаващи съвпадението на фрагментния състав на тестовите и стандартните проби.

За да се установи автентичността на смес от вещества (екстракти), едномерните NMR спектри могат да се използват като цяло, като „пръстови отпечатъци“ на обект, без да се уточняват стойностите на δ и множеството на отделните сигнали. В случай на използване на двумерна ЯМР спектроскопия в описанието на спектри (спектърни фрагменти), за които се претендира автентичност, трябва да се дадат стойностите на кръстосаните пикове.

1. Идентифициране на чужди вещества/остатъчни органични разтворители. Идентифицирането на примеси/остатъчни органични разтворители се извършва подобно на идентифицирането на активното вещество, като се затягат изискванията за чувствителност и цифрова разделителна способност.
2. Определяне на съдържанието на чужди примеси / остатъчни органични разтворители по отношение на активното вещество.ЯМР методът е директен абсолютен метод за определяне на моларното съотношение на активното вещество и примесното съединение ( н/нпримес):

Където С‘ И С‘ примес - нормализирани стойности на интегралните интензитети на сигналите на активното вещество и примеса.

Нормализацията се извършва според броя на ядрата в структурния фрагмент, които определят измерения сигнал.

Масова част на примеса/остатъчен органичен разтворител спрямо активното вещество ( х pr) се определя по формулата:

М pr е молекулното тегло на примеса;

Ме молекулното тегло на активното вещество;

С‘ pr е нормализираната стойност на интегралния интензитет на сигнала на примеса;

С'– нормализирана стойност на интегралния интензитет на сигнала на активното вещество.

1. Количествено определяне на съдържанието на веществото (активно вещество, примес / остатъчен разтворител) във фармацевтичното вещество. Абсолютно съдържание на материята във фармацевтична субстанция се определя по вътрешния стандартен метод, който се избира като субстанция, чиито сигнали са близки до сигналите на аналита, без да се припокриват с тях. Интензитетите на сигнала на аналита и стандарта не трябва да се различават значително.

Процентът на аналита в тестовата проба по отношение на сухо вещество ( х,% маса) се изчислява по формулата:

х,% маса = 100 ∙ ( С‘ /С‘ 0) ∙ (М ∙ а 0 /М 0 ∙ а) ∙ ,

С'е нормализираната стойност на интегралния интензитет на сигнала на аналита;

С‘ 0 е нормализираната стойност на интегралния интензитет на сигнала на стандарта;

Ме молекулното тегло на аналита;

М 0 – молекулно тегло;

а- претегляне на пробната проба;

а 0– тегло на еталонното вещество;

У- съдържание на влага, %.

Следните съединения могат да се използват като стандарти: малеинова киселина (2H; 6,60 ppm, М= 116.07), бензил бензоат (2Н; 5.30 ppm, М= 212.25), малонова киселина (2Н; 3.30 ppm, М= 104.03), сукцинимид (4H; 2.77 ppm, М= 99.09), ацетанилид (ЗН; 2.12 ppm, М = 135,16), трет-бутанол (9H; 1,30 ppm, М = 74,12).

Относително съдържание на веществотъй като съотношението на компонент в смес от компоненти на фармацевтично вещество се определя чрез метода на вътрешна нормализация. молар ( х mol) и маса ( хмаса) фракция на компонента азв смес нвещества се определя по формулите:

1. Определяне на молекулното тегло на протеини и полимери. Молекулните тегла на протеините и полимерите се определят чрез сравняване на тяхната мобилност с тази на референтни съединения с известно молекулно тегло с помощта на DOSY техники. Измерват се коефициентите на самодифузия ( д) на тестовите и стандартните проби, изградете графика на зависимостта на логаритмите на молекулните тегла на стандартните съединения от логаритмите д. От така получената графика неизвестните молекулни тегла на тестовите проби се определят чрез линейна регресия. Пълно описание на експеримента DOSY трябва да бъде дадено в регулаторната документация.

ЯМР спектроскопия на твърди вещества

Пробите в твърдо състояние се анализират с помощта на специално оборудвани ЯМР спектрометри. Някои технически операции (въртене на прахообразна проба в ротор, наклонен под магически ъгъл (54,7°) спрямо оста на магнитното поле IN 0 , сила на разпаряване, поляризационен трансфер от силно възбудими ядра към по-малко поляризуеми ядра - кръстосана поляризация) правят възможно получаването на спектри с висока разделителна способност на органични и неорганични съединения. Пълно описание на процедурата трябва да бъде дадено в нормативната документация. Основната област на приложение на този тип ЯМР спектроскопия е изследването на полиморфизма на твърди лекарства.