Ядерно магнітно резонансна. FAQ: Ядерний магнітний резонанс

Всі елементарні частинки, тобто все, з чого ми складаємося, є маленькими магнітиками - це протон, нейтрон, і електрон. Таким чином, ядра, складені з протонів та нейтронів, також можуть мати магнітний момент.

1. Характеристика магнітного моменту ядра

Природа магнітного моменту квантова. Але якщо спробувати проілюструвати її в більш зрозумілому класичному вираженні, поведінка ядра схожа на поведінку маленького магнітика, що обертається. Таким чином, якщо у нас немає зовнішнього магнітного поля, такий магніт може бути орієнтований у будь-якому напрямку. Як тільки ми прикладаємо зовнішнє магнітне поле, то ядро, що володіє магнітним моментом, як будь-який магніт, починає відчувати це магнітне поле, і якщо його спинове число дорівнює 1/2, то з'являються два напрямки його переважної орієнтації: у напрямку і проти напрямку магнітного поля. Ці два стани розрізняються за енергією, і ядро, наприклад протон, може переходити з одного стану в інший. Така зміна його орієнтації щодо зовнішнього магнітного поля супроводжується поглинанням чи виділенням кванта енергії.

Енергія ця дуже мала. Квант енергії лежить у сфері радіочастотних випромінювань. І саме ця дещиця енергії – одна з неприємних властивостей методу ядерного магнітного резонансу, оскільки вона визначає близькість заселеностей нижнього та верхнього рівнів. Проте, якщо ми подивимося на ансамбль таких ядер, тобто на речовину, яку ми помістили в магнітне поле, з'являється досить багато магнітних моментів, спрямованих вниз і вгору, і між ними виникають переходи. Таким чином, ми можемо реєструвати ці переходи та вимірювати властивості, пов'язані з ними.

2. Властивості магнітного моменту ядра

Оскільки квант енергії при переході з одного рівня на інший залежить тільки від магнітних властивостей ядра, що досліджується, і від величини зовнішнього магнітного поля, то так звана частота магнітної прецесії, або ларморова частота, є фактором цих двох складових.

Однак насправді магнітне поле, яке оточує те чи інше ядро, нерівне тому магнітному полю, яке ми доклали до нього, помістивши об'єкт, що вивчається, в магніт нашого спектрометра. Крім зовнішнього магнітного поля, потрібно врахувати і локальні магнітні поля, які наводяться, наприклад, рухом електронів навколо ядер, дією сусідніх ядер, таких самих магнітів, здатних індукувати локальні магнітні поля тощо. Таким чином, кожне ядро, що знаходиться в різній частині молекули, має різне ефективне магнітне поле, яке оточує це ядро. В результаті ми можемо реєструвати не одиночний резонанс, а їхній набір, тобто спектр ядерного магнітного резонансу.

Відносна резонансна частота виражається, як правило, у мільйонних частках по відношенню до величини зовнішнього магнітного поля. Цей параметр є стабільною величиною, яка не залежить від значення зовнішнього магнітного поля, але визначається електронними властивостями молекули, що вивчається.

Отже, якщо ми розглядаємо якусь хімічну сполуку: у різних положеннях протони, що знаходяться, наприклад, відчувають зовсім різне магнітне поле, то таким чином можна ідентифікувати, скажімо, сигнал протона ароматичного залишку, сигнал протона якоїсь групи –CH3 і так далі. І сама по собі ця інформація є надзвичайно важливою зі структурної точки зору.

3. Взаємодія ядер, які мають магнітний момент

Через те, що магнітні моменти взаємодіють один з одним, з'являється ще один пласт інформації, яку ми можемо отримувати. Це інформація, яка пов'язана із взаємодією двох різних ядер один з одним. Якщо, наприклад, одне ядро ​​взаємодіє з іншим за допомогою системи електронів, що беруть участь в утворенні хімічних зв'язків, це називається непрямим, або спін-спіновим, взаємодією. Величини спін-спінової взаємодії ядер надзвичайно чутливі до геометрії молекули, до її електронних властивостей, наприклад, до електронної щільності, що оточує ті чи інші ядра. Таким чином, ми можемо отримати низку дуже важливих структурних параметрів з величини взаємодії.

Крім того, два ядра, що мають магнітний момент, можуть взаємодіяти один з одним просто через простір. Це називається "пряма диполь-дипольна взаємодія", і, знову ж таки, такого сорту взаємодії надзвичайно структурно інформативні. Наприклад, вектор взаємодії двох ядер може дати нам інформацію про просторову близькість ядер, про орієнтацію пари ядер ядер по відношенню до зовнішнього магнітного поля.

Таким чином, якщо ми вимірюємо спектр ядерного магнітного резонансу якогось з'єднання, ми можемо отримати дуже детальну інформацію про його будову. Якщо ми, наприклад, здатні виміряти міжядерну відстань - а це можна зробити, визначивши властивості, пов'язані з диполь-дипольною взаємодією ядер, адже його величина визначається цією між'ядерною відстанню, то ЯМР фактично стає структурним методом.

4. Історія відкриття методу ЯМР

Спектроскопія ЯМР як метод вивчення властивостей молекул з'явилася в середині 40-х років XX століття і за дуже короткий час – вже до середини 1950-х років – стала одним із ключових методів вивчення органічних сполук.

Але реальними першовідкривачами методу ЯМР у рідинах є Блох і Парселл – американські вчені, які отримали Нобелівську премію у 1950-ті роки за відкриття, яке вони зробили у 1945–1946 роках. Слід зазначити, що наш співвітчизник Євген Костянтинович Завойський в 1944 році опублікував роботу з детектування магнітного резонансу електрона. Електрон, як було сказано вище, теж має магнітний момент, причому величина цього магнітного моменту ще більше магнітного моменту ядер. Фізичні принципи методу ядерного магнітного резонансу та методу електронного парамагнітного резонансу дуже схожі.

Але, на жаль, з тих чи інших причин – причин швидше політичного штибу – робота Євгена Костянтиновича Завойського не була відзначена Нобелівською премією, хоча, безумовно, він мав увійти до тих людей, хто отримав премію за відкриття явища магнітного резонансу.

Дещо раніше Ісаак Рабі отримав Нобелівську премію за роботи, проведені ним у 1930-х роках XX століття, за відкриття магнітних властивостей ядер у газових пучках. І фактично ці роботи послужили імпульсом для створення методів ЯМР у рідині та твердому тілі.

Нобелівські премії часто давали через відкриття, пов'язані з методом ЯМР. Не можна, наприклад, не відзначити премію, присуджену Річарду Ернсту, який створив базову методологію спектроскопії ЯМР, наприклад імпульсну фур'є-спектроскопію ЯМР, методи двовимірної спектроскопії ЯМР; а також такого вченого як Курт Вютріх, швейцарського колегу Річарда Ернста, який створив методологію вивчення будови білкових молекул за допомогою ядерного магнітного резонансу.

5. Практичне застосування методу ЯМР

Метод ЯМР після його створення почав активно використовуватись для вивчення органічних сполук. Але магнітні моменти притаманні не лише тим ядрам, які входять до складу , тобто протону, вуглецю або його ізотопу C-13 та азоту або його ізотопу N-15. Фактично вся періодична система тією чи іншою мірою охоплена тими чи іншими стабільними ізотопами ядер, які мають магнітні моменти. Цей метод зовсім не пов'язаний з жодними радіоактивними властивостями ядер - тільки з їх магнітними властивостями. Майже кожен елемент періодичної системи має ті чи інші ізотопи, що мають зручні для ядерного магнітного резонансу властивості.

І невдовзі після освоєння методик ЯМР для простих органічних сполук він почав активно застосовуватися вивчення різних неорганічних сполук. В даний час метод ядерного магнітного резонансу є, за більшістю оцінок, найбільш потужним фізичним методом вивчення сполук самої різної природи.

МАГНІТНИЙ РЕЗОНАНС
резонансне (виборче) поглинання радіочастотного випромінювання деякими атомними частинками, вміщеними у постійне магнітне поле. Більшість елементарних частинок, подібно до дзиги, обертаються навколо власної осі. Якщо частка володіє електричним зарядом, то її обертанні виникає магнітне полі, тобто. вона веде себе подібно до крихітного магніту. При взаємодії цього магнітика із зовнішнім магнітним полем відбуваються явища, що дозволяють отримати інформацію про ядра, атоми або молекули, до складу яких входить дана елементарна частка. Метод магнітного резонансу є універсальним інструментом досліджень, застосовуваний у різних областях науки, як біологія, хімія, геологія і фізика. Розрізняють магнітні резонанси двох основних видів: електронний парамагнітний резонанс та ядерний магнітний резонанс.
Див. також
МАГНІТИ ТА МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИНИ ;
ЧАСТИНИ ЕЛЕМЕНТАРНІ.
Електронний парамагнітний резонанс (ЕПР).ЕПР було відкрито 1944 російським фізиком Е.К.Завойским. Електрони у речовинах поводяться як мікроскопічні магніти. У різних речовинах вони переорієнтуються по-різному, якщо помістити речовину у постійне зовнішнє магнітне поле та впливати на нього радіочастотним полем. Повернення електронів до вихідної орієнтації супроводжується радіочастотним сигналом, який несе інформацію про властивості електронів та їхнє оточення. Такий метод, що є одним із видів спектроскопії, застосовується при дослідженні кристалічної структури елементів, хімії живих клітин, хімічних зв'язків у речовинах і т.д.
Див. такожСПЕКТР; СПЕКТРОСКОПІЯ.
Ядерний магнітний резонанс (ЯМР).ЯМР було відкрито 1946 американськими фізиками Еге. Перселлом і Ф. Блохом. Працюючи незалежно один від одного, вони знайшли спосіб резонансного "налаштування" в магнітних полях власних обертань ядер деяких атомів, наприклад, водню та одного з ізотопів вуглецю. Коли зразок, що містить такі ядра, поміщають у сильне магнітне поле, їх ядерні моменти "вибудовуються" подібно до залізної тирси поблизу постійного магніту. Цю загальну орієнтацію можна порушити радіочастотним сигналом. Після вимкнення сигналу ядерні моменти повертаються у вихідний стан, причому швидкість такого відновлення залежить від їхнього енергетичного стану, типу навколишніх ядер та інших факторів. Перехід супроводжується випромінюванням радіочастотного сигналу. Сигнал подається на комп'ютер, який його обробляє. Таким чином (метод комп'ютерної ЯМР-томографії) можна отримати зображення. (При зміні зовнішнього магнітного поля малими ступенями досягається ефект тривимірного зображення.) Метод ЯМР забезпечує високу контрастність різних м'яких тканин на зображенні, що дуже важливо виявлення хворих клітин на тлі здорових. ЯМР-томографія вважається безпечнішою, ніж рентгенівська, оскільки не викликає ні руйнування, ні подразнення тканин
(Див. також РЕНТГЕНІВСЬКЕ ВИМИКАННЯ). ЯМР дозволяє також вивчати живі клітини, не порушуючи їхньої життєдіяльності. Тому слід очікувати, що застосування ЯМР у клінічній медицині розширюватиметься. також ХІРУРГІЯ.

Енциклопедія Кольєра. - Відкрите суспільство. 2000 .

Дивитись що таке "МАГНІТНИЙ РЕЗОНАНС" в інших словниках:

Обирають. поглинання речовиною ел. магн. хвиль певної частоти w, обумовлене зміною орієнтації магн. моментів частинок речовини (електронів, ат. ядер). Енергетич. рівні частки, що має магн. моментом m, у зовніш. магн. поле H… … Фізична енциклопедія

Обирають. поглинання у вом ел. магн. хвиль визнач. частоти w, обумовлене зміною орієнтації магн. моментів ч ц в ва (ел нов, ат. Ядер). Енергетич. рівні ч ци, що має магн. моментом m, у зовніш. магн. поле Н розщеплюються на магн. Фізична енциклопедія

магнітний резонанс- - [Я.Н.Лугинський, М.С.Фезі Жилінська, Ю.С.Кабіров. Англо-російський словник з електротехніки та електроенергетики, Москва, 1999 р.] Тематики електротехніка, основні поняття EN magnetic resonance … Довідник технічного перекладача

Виборче поглинання речовиною електромагнітних хвиль певної довжини хвилі, обумовлене зміною орієнтації магнітних моментів електронів чи атомних ядер. Енергетичні рівні частки, що володіє магнітним моментом. Велика Радянська Енциклопедія

Обирають. поглинання ел. магн. випромінювання певної частоти зі в вом, що перебувають у зовніш. магн. поле. Зумовлений переходами між магн. підрівнями одного рівня енергії атома, ядра та ін квантових систем. наиб. важливі приклади таких резонансів. Природознавство. Енциклопедичний словник

магнітний резонанс- вибіркове поглинання речовиною електромагнітних хвиль певної частоти, обумовлене зміною орієнтації магнітних моментів частинок речовини; Дивись також: Резонанс ядерний магнітний резонанс (ЯМР). Енциклопедичний словник з металургії

магнітний резонанс- magnetinis rezonansas statusas T sritis chemija apibrėžtis Tam tikro dažnio elektromagnetinių bangų atrankioji sugertis medžiagoje. atitikmenys: англ. magnetic resonance rus. магнітний резонанс … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

- (ЯМР), вибіркове поглинання ел. магн. енергії у вом, обумовлене ядерним парамагнетизмом. ЯМР один із методів радіоспектроскопії, спостерігається, коли на досліджуваний зразок діють взаємно перпендикулярні магн. поля: сильне постійне Н0 … Фізична енциклопедія

Зображення мозку людини на медичному ЯМР томографі Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) резонансне поглинання або випромінювання електромагнітної енергії речовиною, що містить ядра з ненульовим спином у зовнішньому магнітному полі, на частоті ν… Вікіпедія

- (АЯМР), вибіркове поглинання енергії акустич. коливань (фононів), зумовлене переорієнтацією магн. моментів ат. ядер у тб. тілі, вміщеному в постійне магн. поле. Для більшості ядер резонансне поглинання спостерігається в області УЗ. Фізична енциклопедія

Книги

• Магнітний резонанс у хімії та медицині, Р. Фрімен. Монографія відомого вченого в галузі ЯМР-спектроскопії Р. Фрімена поєднує в собі наочність розгляду основних принципів магнітного резонансу в хімії та медицині (біології) з високим…

ЯМР чи англійською NMR imaging – це скорочення від словосполучення «ядерний магнітний резонанс». Такий спосіб дослідження увійшов до медичної практики у 80-х роках минулого століття. Він відрізняється від рентгенівської томографії. Випромінювання, що використовується в ЯМР, включає радіохвильовий діапазон із довжиною хвилі від 1 до 300 м. За аналогією з КТ ядерно-магнітна томографія використовує автоматичне керування комп'ютерним скануванням з обробкою шарового зображення структури внутрішніх органів.

У чому суть ЯМРТ

При обробці інформації від просканованих точок виходять картинки всіх органів та систем у різних площинах, у зрізі, формується тривимірне зображення тканин та органів з високою роздільною здатністю. Технологія магнітно-ядерної томографії дуже складна, в її основу покладено принцип резонансного поглинання електромагнітних хвиль атомами. Людина поміщається в апарат із сильним магнітним полем. Молекули там розвертаються за напрямком магнітного поля. Потім проводиться сканування електрохвиль, зміна молекул спочатку фіксується на особливій матриці, а потім передається в комп'ютер і проводиться обробка всіх даних.

Області застосування ЯМРТ

ЯМР томографія має досить широкий спектр застосування, тому його набагато частіше використовують як альтернативу комп'ютерної томографії. Список захворювань, які можна виявити за допомогою ЯМР, дуже об'ємний.

• Головний мозок.

Найчастіше таке дослідження застосовується для сканування мозку при травмах, пухлинах, деменції, епілепсії, проблемах з судинами мозку.

• Серцево-судинна система.

При діагностиці серця та судин ЯМР доповнює такі методи, як ангіографія та КТ.
ЯМРТ дозволяє виявити кардіоміопатію, вроджену ваду серця, судинні зміни, ішемію міокарда, дистрофію та пухлини в ділянці серця, судин.

• Опорно-рухова система.

Широко застосовується ЯМР томографія та при діагностиці проблем з опорно-руховим апаратом. При такому методі діагностики дуже добре диференціюються зв'язки, сухожилля та кісткові структури.

• Внутрішні органи.

При дослідженні ШКТ та печінки за допомогою ядерно-магнітно-резонансної томографії можна отримати повноцінну інформацію про селезінку, нирки, печінку, підшлункову залозу. Якщо додатково ввести контрастну речовину, з'являється можливість відстежити функціональну здатність цих органів та їх судинну систему. А додаткові комп'ютерні програми дозволяють сформувати образи кишківника, стравоходу, жовчних шляхів, бронхів.

Ядерна магнітно-резонансна томографія та МРТ: чи є різниця

Іноді можна заплутатися у назвах МРТ та ЯМР. Якщо відмінність між цими двома процедурами? Можна однозначно відповісти, що ні.
Спочатку, на момент свого відкриття магнітно-резонансної томографії у її назві було ще одне слово «ядерна», яке з часом зникло, залишилася лише абревіатура МРТ.

Існує кілька методів дослідження: ангіографія, перфузія, дифузія, спектроскопія. Ядерна магнітно-резонансна томографія є однією з найкращих методик дослідження, так як вона дозволяє отримати тривимірне зображення стану органів і тканин, а отже, діагноз буде встановлений точніше і лікування буде обрано правильне. ЯМР дослідження внутрішніх органів людини є саме образами, а не реальними тканинами. Образи з'являються фоточутливої ​​плівці, коли поглинаються рентгенівські промені при отриманні рентгенівського знімка.

Основні плюси ЯМР-томографії

Переваги томографії ЯМР проти іншими методами дослідження багатогранні і значні.

Мінуси ЯМР-томографії

Але, звичайно, і такий метод не позбавлений своїх недоліків.

• Велика енерговитрата. Робота камери потребує великої кількості електроенергії та дорогих технологій для нормальної надпровідності. Але магніти з великою потужністю не надають негативного впливу здоров'я людини.
• Тривалість процесу. Ядерна магнітно-резонансна томографія є менш чутливим методом, порівняно з рентгеном. Тому потрібно більше часу для просвічування. До того ж спотворення картинки може відбуватися через дихальні рухи, що спотворює дані при проведенні досліджень легень і серця.
• За наявності такого захворювання, як клаустрофобія є протипоказанням для дослідження за допомогою ЯМРТ. Також не можна проводити діагностику за допомогою ЯМР-томографії, якщо є великі металеві імплантати, кардіостимулятор, штучні водії ритму. При вагітності діагностику проводять лише у виняткових випадках.

Кожен крихітний об'єкт людського тіла можна досліджувати з допомогою ЯМР-томографии. Лише у деяких випадках слід включати розподіл концентрації хімічних елементів у організмі. Щоб вимірювання ставали більш чутливими, слід накопичувати і підсумовувати досить багато сигналів. У такому разі виходить чітке зображення високої якості, адекватно передає реальність. З цим пов'язана і тривалість перебування людини у камері щодо ЯМР-томографии. Доведеться нерухомо пролежати досить довго.

Насамкінець можна сказати, що ядерна магнітно-резонансна томографія є досить безпечним і абсолютно безболісним методом діагностики, який дозволяє повністю уникнути впливу рентгенівських променів. Комп'ютерні програми дозволяють обробляти скани з формуванням віртуальних зображень. Межі ЯМР воістину безмежні.

Вже зараз такий спосіб діагностики є стимулом для її стрімкого розвитку та широкого застосування у медицині. Метод відрізняється своєю малою шкідливістю для здоров'я людини, але при цьому дозволяє ретельно дослідити будову органів як здорової людини, так і при наявних захворюваннях.

Під терміном «магнітний резонанс» розуміється вибіркове (резонансне) поглинання енергії змінного електромагнітного поля електронною або ядерною підсистемою речовини, що піддається дії постійного магнітного поля. Механізм поглинання пов'язані з квантовими переходами у цих підсистемах між дискретними рівнями енергії, що у присутності магнітного поля.

Магнітні резонанси поділяються зазвичай п'ять видів: 1)циклотронний резонанс (ЦР); 2) електронний парамагнітний резонанс (ЕПР); 3) ядерний магнітний резонанс (ЯМР); 4) електронний феромагнітний резонанс; 5) електронний антиферомагнітний резонанс.

Циклотронний резонанс. При ЦР спостерігається вибіркове поглинання енергії електромагнітного поля у напівпровідниках і металах, що у постійному магнітному полі, обумовлене квантовими переходами електронів між енергетичними рівнями Ландау. На такі еквідистантні рівні розщеплюється квазінеперервний енергетичний спектр електронів провідності у зовнішньому магнітному полі.

Суть фізичного механізму ЦР можна й у рамках класичної теорії. Вільний електрон рухається в постійному магнітному полі (спрямованому вздовж осі) по спіральній траєкторії навколо ліній магнітної індукції з циклотронною частотою

де і - відповідно величина заряду та ефективна маса електрона. Включимо тепер радіочастотне поле з частотою і з перпендикулярним вектором до (наприклад, вздовж осі ). Якщо електрон має відповідну фазу свого руху по спіралі, то оскільки частота його обертання збігається з частотою зовнішнього поля, він прискорюватиметься, і спіраль буде розширюватися. Прискорення електрона означає збільшення його енергії, що відбувається за рахунок передачі від радіочастотного поля. Таким чином, резонансне поглинання можливе при виконанні наступних умов:

частота зовнішнього електромагнітного поля, енергія якого поглинається, повинна збігатися з циклотронною частотою електронів;

вектор напруженості електричного поля електромагнітної хвилі повинен мати компоненту, нормальну до напрямку постійного магнітного поля;

середній час вільного пробігу електронів у кристалі має перевищувати період циклотронних коливань.

Метод ЦР використовується визначення ефективної маси носіїв у напівпровідниках. По півширині лінії ЦР можна визначити характерні часи розсіювання, і тим самим встановити рухливість носіїв. За площею лінії можна встановити концентрацію носіїв заряду у зразку.

Електронний парамагнітний резонанс. Явище ЕПР полягає у резонансному поглинанні енергії електромагнітного поля в парамагнітних зразках, поміщених у постійне магнітне поле, нормальне до вектору магнітного електромагнітного поля. Фізична сутність явища ось у чому.

Магнітний момент атома, що має неспарені електрони, визначається виразом (5.35). У магнітному полі енергетичні рівні атома завдяки взаємодії магнітного моменту з магнітним полем розщеплюються на рівні з енергією

де є магнітне квантове число атома і приймає значення

З (5.52) видно, що число підрівнів дорівнює , а відстань між підрівнями становить

Переходи атомів з низьких більш високі рівні можуть відбуватися під впливом зовнішнього електромагнітного поля. Згідно з квантовомеханічними правилами відбору дозволеними переходами є такі, при яких магнітне квантове число змінюється на одиницю, тобто . Отже, квант енергії такого поля має дорівнювати відстані між підрівнями

Співвідношення (5.55) є умовою ЕПР. Змінне магнітне поле резонансної частоти з однаковою ймовірністю викликатиме переходи з нижніх магнітних рівнів на верхні (поглинання) і навпаки (випромінювання). У стані термодинамічної рівноваги зв'язок між заселеностями та двома сусідніми рівнями визначається законом Больцмана

З (5.56) видно, що стани з нижчою енергією мають велику населеність (). Тому число атомів, що поглинають кванти електромагнітного поля, у цих умовах переважатиме над числом випромінюючих атомів; в результаті система поглинатиме енергію електромагнітного поля, що призводить до зростання. Однак завдяки взаємодії з решіткою енергія, що поглинається, у вигляді тепла передається решітці, і зазвичай настільки швидко, що при використовуваних частотах відношення дуже слабо відрізняється від свого рівноважного значення (5.56).

Частоти ЕПР можуть бути визначені (5.55). Підставляючи значення та рахуючи (чисто спиновий момент), отримаємо для резонансної частоти

З (5.57) видно, що у полях від до 1 Тл резонансні частоти лежать в інтервалі Гц, тобто в радіочастотній та НВЧ областях.

Умова резонансу (5.55) відноситься до ізольованих атомів, що мають магнітні моменти. Однак воно залишається справедливим і для системи атомів, якщо взаємодія між магнітними моментами дуже мала. Такий системою є кристал парамагнетика, у якому магнітні атоми перебувають у великих відстанях друг від друга.

Явище ЕПР було передбачено 1923г. Я.Г.Дорфманом та експериментально виявлено у 1944 р. Є.К.Завойським. В даний час ЕПР використовується як один із найпотужніших методів вивчення твердого тіла. На основі інтерпретації спектрів ЕПР отримують інформацію про дефекти, домішки у твердих тілах та електронній структурі, про механізми хімічних реакцій тощо. На явищі ЕПР побудовано парамагнітні підсилювачі та генератори.

Ядерний магнітний резонанс. Важкі елементарні частинки - протони і нейтрони (нуклони), отже, побудовані їх атомні ядра мають власні магнітні моменти, які є джерелом ядерного магнетизму. Роль елементарного магнітного моменту за аналогією з електроном грає ядерний магнетон Бора

Атомне ядро ​​має магнітний момент

де - фактор ядра, - спинове число ядра, яке приймає напівцілі та цілі значення:

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

Проекція ядерного магнітного моменту на вісь zдовільно обраної системи координат визначається співвідношенням

Тут магнітне квантове число при відомому набуває значень:

За відсутності зовнішнього магнітного поля всі стани з різними мають однакову енергію, отже є виродженими. Атомне ядро ​​з відмінним від нуля магнітним моментом, поміщене в зовнішнє постійне магнітне поле, відчуває просторове квантування, і його кратно вироджений рівень розщеплюється в зееманівський мультиплет, рівні якого володіють енергіями

Якщо після цього на ядро ​​впливатиме змінним полем, квант енергії якого дорівнює відстані між рівнями (5.63)

то виникає резонансне поглинання енергії атомними ядрами, яке називається ядерним парамагнітним резонансом чи просто ядерним магнітним резонансом.

З огляду на те, що набагато менше , резонансна частота ЯМР помітно менше частоти ЭПР. Так ЯМР у полях близько 1 Тл спостерігається в галузі радіочастот.

ЯМР як метод дослідження ядер, атомів та молекул отримав різноманітні застосування у фізиці, хімії, біології, медицині, техніці, зокрема, для вимірювання напруженості магнітних полів.

Традиційний метод ЯМР-спектроскопії має багато недоліків. По-перше, він вимагає багато часу для побудови кожного спектра. По-друге, він дуже вимогливий до відсутності зовнішніх перешкод, і, як правило, спектри, що отримуються, мають значні шуми. По-третє, він непридатний створення спектрометрів високих частот. Тому в сучасних приладах ЯМР використовується метод так званої імпульсної спектроскопії, заснованої на фур'є-перетворення отриманого сигналу.

В даний час усі ЯМР-спектрометри будуються на основі потужних надпровідних магнітів з постійною величиною магнітного поля.

Сутність ЯМР-інтроскопії (або магнітно-резонансної томографії) полягає в реалізації особливого кількісного аналізу по амплітуді сигналу ядерного магнітного резонансу. У методах ЯМР-інтроскопії магнітне поле створюється наперед неоднорідним. Тоді є підстави очікувати, що частота ядерного магнітного резонансу в кожній точці зразка має своє значення, що відрізняється від значень в інших частинах. Задавши будь-який код для градацій амплітуди ЯМР-сигналів (яскравість або колір на екрані монітора), можна отримати умовне зображення (томограму) зрізів внутрішньої структури об'єкта.

Ферро- та антиферомагнітний резонанс. Фізична сутність феромагнітного резонансу полягає в тому, що під дією зовнішнього магнітного поля , що намагнічує феромагнетик до насичення, повний магнітний момент зразка починає прецесувати навколо цього поля з частотою ларморової , що залежить від поля. Якщо на такий зразок накласти високочастотне електромагнітне поле, перпендикулярне і змінювати його частоту, то при настає резонансне поглинання енергії поля. Поглинання у своїй кілька порядків вище, ніж при парамагнитном резонансі, оскільки магнітна сприйнятливість, отже, і магнітний момент насичення у яких набагато вище, ніж в парамагнетиков.

Особливості резонансних явищ у ферро - і антиферомагнетиках визначаються в першу чергу тим, що в таких речовинах мають справу не з ізольованими атомами або порівняно слабо взаємодіють іонами звичайних парамагнітних тіл, а зі складною системою електронів, що сильно взаємодіють. Обмінна (електростатична) взаємодія створює велику результуючу намагніченість, а з нею і велике внутрішнє магнітне поле, що суттєво змінює умови резонансу (5.55).

Від ЕПР феромагнітний резонанс відрізняється тим, що поглинання енергії в цьому випадку на багато порядків сильніше і умова резонансу (зв'язок між резонансною частотою змінного поля та величиною постійного магнітного поля) істотно залежить від форми зразків.

На явищі феромагнітного резонансу засновані багато НВЧ-пристроїв: резонансні вентилі та фільтри, парамагнітні підсилювачі, обмежувачі потужності та лінії затримки.

Антиферомагнітний резонанс (електронний магнітний резонансв антиферомагнетики) - явище щодо великого вибіркового відгуку магнітної системи антиферомагнетика на вплив електромагнітного поля з частотою (10-1000 ГГц), близькою до власних частот прецесії векторів намагніченості магнітних грат системи. Це супроводжується сильним поглинанням енергії електромагнітного поля.

З квантової точки зору а нтиферомагнітний резонансможна розглядати як резонансне перетворення фотонів електромагнітного поля на магнони з хвильовим вектором.

Для спостереження а нтиферомагнітного резонансувикористовуються радіоспектрометри, аналогічні застосовуваним вивчення ЕПР, але дозволяють проводити виміри на високих (до 1000 ГГц) частотах й у сильних (до 1 МГс) магнітних полях. Найбільш перспективними є спектрометри, в яких сканується не магнітне поле, а частота. Набули поширення оптичні методи детектування а нтиферомагнітного резонансу.

МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ'Я РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

ЗАГАЛЬНА ФАРМАКОПЕЙНА СТАТТЯ

Спектроскопія ядерного ОФС.1.2.1.1.0007.15
магнітного резонансу Замість ГФXII, ч.1,
ОФС 42-0046-07

Спектроскопія ядерного магнітного резонансу (ЯМР) – метод, що ґрунтується на поглинанні радіочастотного електромагнітного випромінювання ядрами зразка з ненульовим магнітним моментом, поміщеного у постійне магнітне поле ( B 0). Ненульові магнітні моменти мають ізотопи ядер елементів з непарною атомною масою (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P та ін.).

Загальні принципи

Ядро, що обертається навколо своєї осі, має власний момент кількості руху (кутовий момент, або спин) P. Магнітний момент ядра μ прямо пропорційний спині: μ = γ ∙ P(γ – коефіцієнт пропорційності або гіромагнітне відношення). Кутовий та магнітний моменти є квантованими, тобто. можуть знаходитися в одному з 2 I+ 1 спинових станів ( I – спинове квантове число). Різні стани магнітних моментів ядер мають однакову енергію, якщо на них не діє зовнішнє магнітне поле. При розміщенні ядер у зовнішнє магнітне поле B 0 енергетичне виродження ядер знімається і виникає можливість енергетичного переходу з рівня на інший. Процес розподілу ядер між різними енергетичними рівнями протікає відповідно до закону розподілу Больцмана та призводить до появи макроскопічної рівноважної поздовжньої намагніченості. М z. Час, який потрібний для створення М z після включення зовнішнього магнітного поля У 0 , називається часом поздовжнійабо спин—решіткової релаксації (Т 1). Порушення рівноважного розподілу ядер відбувається під впливом радіочастотного магнітного поля ( B 1), перпендикулярного B 0 , що викликає додаткові переходи між енергетичними рівнями, що супроводжуються поглинанням енергії ядерного магнітного резонансу). Частота ν 0 при якій виникає поглинання енергії ядрами ( Лармороваабо резонансна частота поглинання), змінюється в залежності від величини постійного поля B 0: ν 0 = γ B 0 /2π. У момент резонансу відбувається взаємодія між індивідуальними ядерними магнітними моментами та полем У 1 , яке виводить вектор М z з його рівноважного положення вздовж осі z. В результаті з'являється поперечна намагніченість М xy. Її зміна, пов'язана з обміном усередині спинової системи, характеризується часом поперечноїабо спін-спиновий релаксації (Т 2).

Залежність інтенсивності поглинання енергії ядрами одного типу від частоти магнітного поля радіочастотного при фіксованому значенні У 0 називається одновимірним спектромядерного магнітного резонансуядра цього типу. Спектр ЯМР може бути отриманий двома способами: при безперервному опроміненні зразка радіочастотним полем з частотою, що змінюється, в результаті чого реєструється безпосередньо спектр ЯМР (спектроскопія з безперервним опроміненням), або при впливі на зразок короткого радіочастотного імпульсу ( імпульсна спектроскопія). В імпульсній спектроскопії ЯМР реєструється когерентне випромінювання, що затухає в часі, що випускається ядрами при поверненні у вихідний спиновий стан ( сигнал спаду вільної індукції) з подальшим перетворенням тимчасової шкали на частотну ( Фур'є-перетворення).

У молекулах електрони атомів зменшують величину діючого зовнішнього магнітного поля. B 0 місці знаходження ядра, тобто. проявляється діамагнітне екранування:

Bлок = B 0 ∙ (1 – σ),

Bлок – напруженість результуючого поля;

σ – константа екранування.

Різниця в резонансних частотах сигналів ядер, що дорівнює різниці в їх константах екранування, називається хімічним зрушеннямсигналів, позначається символом δ , Вимірюється в мільйонних частках (м.д.). Взаємодія магнітних моментів ядер за допомогою електронів хімічного зв'язку ( спин-спінова взаємодія) викликає розщеплення сигналу ЯМР ( мультиплетність, m). Кількість компонентів у мультиплетах визначається спином ядра та кількістю взаємодіючих ядер. Мірою спін-спінової взаємодії є константа спін-спінової взаємодії (J, Вимірюється в герцах, Гц). Значення δ, mі Jне залежить від величини постійного магнітного поля.

Інтенсивність сигналу ЯМР ядра у діапазоні визначається заселеністю його енергетичних рівнів. З ядер з природним вмістом ізотопів найінтенсивніші сигнали дають ядра водню. На інтенсивність сигналів ЯМР також впливає час поздовжньо-поперечної релаксації (великі Т 1 ведуть зменшення інтенсивності сигналу).

Ширина сигналів ЯМР (різниця між частотами напіввисоті сигналу) залежить від Т 1 і Т 2 . Малі часи T 1 і Т 2 зумовлюють широкі та мало інтерпретовані сигнали спектра.

Чутливість методу ЯМР (концентрація речовини, що гранично виявляється) залежить від інтенсивності сигналу ядра. Для ядер 1 Н чутливість становить 10 -9 ÷ 10 -11 моль.

Кореляції різних спектральних параметрів (наприклад, хімічних зсувів різних ядер у межах однієї молекулярної системи) можуть бути отримані гомо- та гетероядерними методами у форматі 2D або 3D.

Прилад

Імпульсний спектрометр ЯМР (ЯМР-спектрометр) з високою роздільною здатністю складається з:

• магніту для створення постійного магнітного поля B 0 ;
• термостатованого датчика з тримачем зразка для подачі радіочастотного імпульсу та визначення випромінювання, що випускається зразком;
• електронного пристрою для створення радіочастотного імпульсу, реєстрації, посилення та перетворення сигналу спаду вільної індукції у цифрову форму;
• пристрої для налаштування та регулювання електронних контурів;
• пристрої збору та обробки даних (комп'ютер);

і може також включати:

проточну кювету для проведення рідинної хроматографії ядерного магнітного резонансу або проточно-ін'єкційного аналізу;

• систему створення імпульсного градієнта магнітного поля.

Сильне магнітне поле генерується котушкою надпровідності в посудині Дьюара, заповненому рідким гелієм.

Потрібно перевіряти належне функціонування ЯМР-спектрометра. Для перевірки проводять відповідні випробування, що включають, як правило, вимірювання ширини спектральної лінії на піввисоті певних піків за певних умов ( Дозвіл), відтворюваність положення сигналу та відношення сигнал/шум (відношення між інтенсивністю певного сигналу в спектрі ЯМР і випадкових коливань в області спектру, що не містить сигналів від аналізованої речовини, S/N) для стандартних сумішей. У програмному забезпеченні спектрометрів є алгоритми визначення S/N. Усі виробники приладів надають специфікації та протоколи вимірювання цих параметрів.

Спектроскопія ЯМР зразків у розчинах

Методика

Випробуваний зразок розчиняють у розчиннику, якого може бути доданий відповідний еталон для калібрування хімічного зсуву, як зазначено в нормативній документації. Величина відносного хімічного зсуву ядра речовини (δ-во) визначається наступним виразом:

δ в-во = (ν в-во – ν еталон)/ν приладу,

ν в-во – частота резонансу ядра речовини, Гц;

ν еталон – частота резонансу ядра зразка, Гц;

ν приладу – робоча частота ЯМР-спектрометра (частота, на якій виконуються умови резонансу для ядер водню при цьому B 0 , МГц).

Для розчинів в органічних розчинниках хімічний зсув спектрах 1 H і 13 C вимірюється щодо сигналу тетраметилсилана, положення якого прийнято за 0 м.д. Відлік хімічних зрушень ведеться у бік слабкого поля (ліворуч) сигналу тетраметилсилана (дельта – шкала хімічних зрушень). Для водних розчинів як зразок у спектрах ЯМР 1 H використовується 2,2-диметил-2-силанпентан-5-сульфонат натрію, хімічний зсув протонів метильної групи якого дорівнює 0,015 м.д. Для спектрів 13 C водних розчинів як зразок використовують діоксан, хімічний зсув якого дорівнює 67,4 м.д.

При калібруванні спектрів 19 F як первинний зразок з нульовим значенням хімічного зсуву використовують трифтороцтову кислоту або трихлорфторметан; спектрів 31 P – 85 % розчин ортофосфорної кислоти чи триметилфосфат; Спектрів 15 N - нітрометан або інтенсивний розчин аміаку. У 1 Н і 13 З ЯМР, як правило, використовують внутрішній еталон, який безпосередньо додають до випробуваного зразка. У 15 N, 19 F і 31 Р ЯМР часто використовують зовнішній еталон, який знаходиться окремо в циліндричній коаксіальній пробірці або капілярі.

При описі спектрів ЯМР необхідно вказувати розчинник, в якому розчинено речовину, та її концентрацію. Як розчинники використовують легкорухливі рідини, у яких зменшення інтенсивності сигналів розчинників атоми водню замінені атомами дейтерію. Дейтерований розчинник вибирають, виходячи з наступних критеріїв:

• 1) розчинності в ньому випробуваного з'єднання;
• 2) відсутності перекривання сигналів залишкових протонів дейтерованого розчинника з сигналами випробуваного з'єднання;
• 3) відсутності взаємодії між розчинником та випробуваною сполукою, якщо не зазначено інакше.

Атоми розчинника дають сигнали, які легко ідентифікуються за їх хімічним зсувом і можуть використовуватися для калібрування хімічної осі хімічного зсуву (вторинний еталон). Хімічні зрушення сигналів залишкових протонів дейтерованих розчинників мають такі значення (м.д.): хлороформ - 7,26; бензол - 7,16; вода - 4,7; метанол -3,35 та 4,78; диметилсульфоксид - 2,50; ацетон - 2,05; положення сигналу води та протонів гідроксильних груп спиртів залежить від pH середовища та температури.

Для кількісного аналізу розчини не повинні містити нерозчинених частинок. При деяких кількісних визначеннях може знадобитися додавання внутрішнього стандарту для порівняння інтенсивності випробуваного та стандартного зразків. Відповідні стандартні зразки та їх концентрації мають бути зазначені у нормативній документації. Після приміщення зразка в пробірку та закупорювання зразок вводять у магніт ЯМР-спектрометра, встановлюють параметри випробування (параметри налаштування, реєстрації, оцифрування сигналу спаду вільної індукції). Основні параметри випробування, що наводяться у нормативній документації, записують чи зберігають у комп'ютері.

Для запобігання дрейфу спектру в часі виконують стабілізаційну процедуру (дейтерієвий лок), використовуючи сигнал дейтерію, що викликається дейтерованими розчинниками, якщо не зазначено інакше. Прилад регулюють для отримання найбільш оптимальних умов резонансу та максимального співвідношення S/N(шиммування).

У результаті випробування можливе виконання багаторазових послідовностей циклів «імпульс – збір даних – пауза» з наступним підсумовуванням окремих сигналів спаду вільної індукції та усередненням рівня шуму. Час затримки між імпульсними послідовностями, протягом якого система ядерних спинів відновлює свою намагніченість ( D 1), для кількісних вимірів має перевищувати час поздовжньої релаксації T 1: D 1 ≥ 5 T 1 . У програмному забезпеченні спектрометрів є алгоритми визначення T 1 . Якщо величина T 1 невідома, рекомендується використовувати значення D 1 = 25 с.

Після проведення Фур'є-перетворення сигнали в частотному поданні калібрують під обраний зразок і вимірюють їхню відносну інтенсивність шляхом інтегрування - вимірювання відношення площ резонансних сигналів. У спектрах 13 інтегрують тільки однотипні сигнали. Точність інтегрування сигналу залежить від співвідношення сигнал – шум (S/N):

де u(I) – стандартна невизначеність інтегрування.

Число накопичень спаду вільної індукції, необхідне досягнення задовільного співвідношення S/ N, має бути наведено у нормативній документації.

Поряд з одновимірними в аналітичних цілях використовують гомо- та гетероядерні двовимірні кореляційні спектри, засновані на певній послідовності імпульсів (COSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC, HETCOR, CIGAR, INADEQUATE та ін.). У двовимірних спектрах взаємодія між ядрами проявляється у вигляді сигналів, званих крос-піками. Положення крос-піків визначається значеннями хімічних зрушень двох взаємодіючих ядер. Двовимірні спектри переважно використовуватиме визначення складу складних сумішей і екстрактів, т.к. ймовірність накладання сигналів (крос-піків) у двовимірних спектрах істотно нижча, ніж ймовірність накладання сигналів в одномірних спектрах.

Для швидкого отримання спектрів гетероядер (13 C, 15 N та ін) застосовують методики (HSQC, HMBC), які дозволяють отримувати на ядрах 1 H спектри інших ядер, використовуючи механізми гетероядерної взаємодії.

Методика DOSY, заснована на реєстрації втрати фазової когерентності ядерних спинів за рахунок трансляційних переміщень молекул під дією градієнта магнітного поля, дозволяє отримувати спектри індивідуальних сполук (спектральний поділ) у суміші без їх фізичного поділу та визначати розміри, ступеня агрегованості та молекулярні маси молекулярних об'єктів (моле , макромолекул, молекулярних комплексів, супрамолекулярних систем)

Області застосування

Різноманітність структурної та аналітичної інформації, що міститься у спектрах ядерного магнітного резонансу, дозволяє використовувати метод ядерного магнітного резонансу для проведення якісного та кількісного аналізу. Застосування спектроскопії ядерного магнітного резонансу в кількісному аналізі ґрунтується на прямій пропорційності молярної концентрації магнітно-активних ядер інтегральної інтенсивності відповідного сигналу поглинання у спектрі.

1. Встановлення справжності діючої речовини. Встановлення справжності діючої речовини здійснюють шляхом порівняння спектра випробуваного зразка зі спектром стандартного зразка або опублікованим еталонним спектром. Спектри стандартних та випробуваних зразків повинні бути отримані з використанням одних і тих самих методик та умов. Піки в порівнюваних спектрах повинні збігатися за положенням (відхилення значень δ випробуваного та стандартних зразків у межах ± 0,1 м.д. для ядерного магнітного резонансу 1 Н та ± 0,5 м.д. для ядерного магнітного резонансу 13 С), інтегральної інтенсивності та мультиплетності, значення яких слід наводити при описі спектрів. За відсутності стандартного зразка можна використовувати стандартний фармакопейний зразок, ідентичність якого підтверджують самостійною структурною інтерпретацією спектральних даних і альтернативними методами.

При підтвердженні справжності зразків нестехіометричного складу (наприклад, природних полімерів змінного складу) допускають розбіжність піків випробуваного та стандартних зразків за становищем та інтегральною інтенсивністю сигналів. Порівнювані спектри би мало бути подібні, тобто. містити однакові характеристичні області сигналів, що підтверджують збіг фрагментного складу випробуваного та стандартних зразків.

Для встановлення справжності суміші речовин (екстрактів) допускають використання одновимірних спектрів ЯМР цілком, як відбитків пальця об'єкта, без деталізації значень і мультиплетності окремих сигналів. У разі використання двовимірної спектроскопії ЯМР при описі спектрів (фрагментів спектру), заявлених на справжність, слід наводити значення крос-піків.

1. Ідентифікація сторонніх домішок/залишкових органічних розчинників. Ідентифікацію сторонніх домішок/залишкових органічних розчинників здійснюють аналогічно встановленню справжності діючої речовини, посилюючи вимоги до чутливості та цифрового дозволу.
2. Визначення вмісту сторонніх домішок/залишкових органічних розчинників щодо діючої речовини.Метод ЯМР є прямим абсолютним методом визначення мольного співвідношення діючої речовини та домішкової сполуки ( n/nдомішка):

де S‘ і S‘ домішка – нормовані значення інтегральних інтенсивностей сигналів діючої речовини та домішки.

Нормування проводять за кількістю ядер у структурному фрагменті, що зумовлюють вимірюваний сигнал.

Масову частку домішки/залишкового органічного розчинника щодо діючої речовини ( Xпр) визначають за формулою:

Mпр – молекулярна маса домішки;

M– молекулярна маса діючої речовини;

S‘ пр – нормоване значення інтегральної інтенсивності сигналу домішки;

S’– нормоване значення інтегральної інтенсивності сигналу речовини, що діє.

1. Кількісне визначення вмісту речовини (діючої речовини, домішки/залишкового розчинника) у фармацевтичній субстанції. Абсолютний вміст речовини у фармацевтичній субстанції визначається методом внутрішнього стандарту, як якого вибирається речовина, сигнали якого знаходяться поблизу сигналів визначається речовини, не перекриваючись з ними. Інтенсивності сигналів визначається речовини та стандарту не повинні суттєво відрізнятися.

Відсотковий вміст визначеної речовини у випробуваному зразку в перерахунку на суху речовину ( X,% мас) обчислюють за формулою:

X,% мас = 100 ∙ ( S‘ /S‘ 0) ∙ (M ∙ a 0 /M 0 ∙ a) ∙ ,

S’– нормоване значення інтегральної інтенсивності сигналу речовини, що визначається;

S 0 - нормоване значення інтегральної інтенсивності сигналу стандарту;

M– молекулярна маса речовини, що визначається;

M 0 – молекулярна маса;

a- Наважка випробуваного зразка;

a 0- навішування речовини-стандарту;

W- Вміст вологи, %.

Як речовини-стандарти можна використовувати такі сполуки: малеїнова кислота (2H; 6,60 м.д., M= 116,07), бензилбензоат (2H; 5,30 м.д., M= 212,25), малонова кислота (2H; 3,30 м.д., M= 104,03), сукцинімід (4H; 2,77 м.д., M= 99,09), ацетанілід (3H; 2,12 м.д., M = 135,16), трет-бутанол (9H; 1,30 м.д., M = 74,12).

Відносний вміст речовинияк частка компонента суміші компонентів фармацевтичної субстанції визначається методом внутрішньої нормалізації. Мольна ( Xмоль) та масова ( Xмас) частка компонента iу суміші nречовин визначається за формулами:

1. Визначення молекулярної маси білків та полімерів. Молекулярні маси білків та полімерів визначають порівнянням їхньої рухливості з рухливістю сполук-стандартів з відомою молекулярною масою, використовуючи методики DOSY. Вимірюють коефіцієнти самодифузії ( D) випробуваних та стандартних зразків, будують графік залежності логарифмів молекулярних мас сполук-стандартів від логарифмів D. За отриманим таким чином графіком методом лінійної регресії визначають невідомі молекулярні маси випробуваних зразків. Повний опис DOSY-експерименту має бути наведено у нормативній документації.

Спектроскопія ЯМР твердих речовин

Зразки у твердому стані аналізують за допомогою спеціально обладнаних ЯМР-спектрометрів. Певні технічні операції (обертання порошкоподібного зразка в роторі, нахиленому під магічним кутом (54,7°) до осі магнітного поля У 0 , силове розпарювання, перенесення поляризації від легковозбудимых ядер до менш ядрам, що поляризуються (крос-поляризація) дозволяють отримувати спектри органічних і неорганічних сполук з високою роздільною здатністю. Повний опис процедури має бути наведено у нормативній документації. Основна сфера застосування цього різновиду спектроскопії ЯМР – вивчення поліморфізму твердих лікарських засобів.