Το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού και η εφαρμογή του. Ο πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός (NMR) είναι η ασφαλέστερη διαγνωστική μέθοδος. Προετοιμασία μελέτης

  1. Η ουσία του φαινομένου

    Πρώτα απ 'όλα, πρέπει να σημειωθεί ότι αν και η λέξη "πυρηνικό" υπάρχει στο όνομα αυτού του φαινομένου, το NMR δεν έχει καμία σχέση με την πυρηνική φυσική και δεν έχει καμία σχέση με τη ραδιενέργεια. Αν μιλάμε για μια αυστηρή περιγραφή, τότε δεν μπορεί κανείς να κάνει χωρίς τους νόμους της κβαντικής μηχανικής. Σύμφωνα με αυτούς τους νόμους, η ενέργεια αλληλεπίδρασης ενός μαγνητικού πυρήνα με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο μπορεί να λάβει μόνο μερικές διακριτές τιμές. Εάν οι μαγνητικοί πυρήνες ακτινοβολούνται με ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, η συχνότητα του οποίου αντιστοιχεί στη διαφορά μεταξύ αυτών των διακριτών ενεργειακών επιπέδων, εκφρασμένη σε μονάδες συχνότητας, τότε οι μαγνητικοί πυρήνες αρχίζουν να μετακινούνται από το ένα επίπεδο στο άλλο, ενώ απορροφούν την ενέργεια του εναλλασσόμενου πεδίο. Αυτό είναι το φαινόμενο του μαγνητικού συντονισμού. Αυτή η εξήγηση είναι τυπικά σωστή, αλλά όχι πολύ σαφής. Υπάρχει μια άλλη εξήγηση, χωρίς κβαντομηχανική. Ο μαγνητικός πυρήνας μπορεί να θεωρηθεί ως μια ηλεκτρικά φορτισμένη μπάλα που περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της (αν και, αυστηρά μιλώντας, αυτό δεν ισχύει). Σύμφωνα με τους νόμους της ηλεκτροδυναμικής, η περιστροφή ενός φορτίου οδηγεί στην εμφάνιση ενός μαγνητικού πεδίου, δηλαδή της μαγνητικής ροπής του πυρήνα, η οποία κατευθύνεται κατά μήκος του άξονα περιστροφής. Εάν αυτή η μαγνητική ροπή τοποθετηθεί σε ένα σταθερό εξωτερικό πεδίο, τότε το διάνυσμα αυτής της ροπής αρχίζει να προηγείται, δηλ. να περιστρέφεται γύρω από την κατεύθυνση του εξωτερικού πεδίου. Με τον ίδιο τρόπο, ο άξονας του περιστρεφόμενου τροχού προχωρά (περιστρέφεται) γύρω από την κατακόρυφο, εάν ξετυλιχθεί όχι αυστηρά κατακόρυφα, αλλά υπό μια ορισμένη γωνία. Σε αυτή την περίπτωση, το ρόλο του μαγνητικού πεδίου παίζει η βαρυτική δύναμη.

    Η συχνότητα μετάπτωσης καθορίζεται τόσο από τις ιδιότητες του πυρήνα όσο και από την ισχύ του μαγνητικού πεδίου: όσο ισχυρότερο είναι το πεδίο, τόσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα. Στη συνέχεια, εάν, εκτός από ένα σταθερό εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο ενεργεί στον πυρήνα, τότε ο πυρήνας αρχίζει να αλληλεπιδρά με αυτό το πεδίο - όπως ήταν, ταλαντεύει τον πυρήνα πιο έντονα, το πλάτος μετάπτωσης αυξάνεται και ο πυρήνας απορροφά την ενέργεια του εναλλασσόμενου πεδίου. Ωστόσο, αυτό θα συμβεί μόνο υπό την προϋπόθεση του συντονισμού, δηλαδή τη σύμπτωση της συχνότητας μετάπτωσης και της συχνότητας του εξωτερικού εναλλασσόμενου πεδίου. Μοιάζει με ένα κλασικό παράδειγμα από τη φυσική του γυμνασίου - στρατιώτες που βαδίζουν σε μια γέφυρα. Εάν η συχνότητα βήματος συμπίπτει με τη φυσική συχνότητα της γέφυρας, τότε η γέφυρα ταλαντεύεται όλο και περισσότερο. Πειραματικά, αυτό το φαινόμενο εκδηλώνεται στην εξάρτηση της απορρόφησης ενός εναλλασσόμενου πεδίου από τη συχνότητά του. Τη στιγμή του συντονισμού, η απορρόφηση αυξάνεται απότομα και το απλούστερο φάσμα μαγνητικού συντονισμού μοιάζει με αυτό:

  2. Φασματοσκοπία Fourier

    Τα πρώτα φασματόμετρα NMR λειτούργησαν ακριβώς όπως περιγράφηκε παραπάνω - το δείγμα τοποθετήθηκε σε σταθερό μαγνητικό πεδίο και η ακτινοβολία RF εφαρμοζόταν συνεχώς σε αυτό. Τότε είτε η συχνότητα του εναλλασσόμενου πεδίου είτε η ένταση του σταθερού μαγνητικού πεδίου άλλαξε ομαλά. Η απορρόφηση ενέργειας του εναλλασσόμενου πεδίου καταγράφηκε από μια γέφυρα ραδιοσυχνοτήτων, από την οποία το σήμα εξαγόταν σε συσκευή εγγραφής ή παλμογράφο. Αλλά αυτή η μέθοδος καταχώρισης σήματος δεν έχει χρησιμοποιηθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Στα σύγχρονα φασματόμετρα NMR, το φάσμα καταγράφεται χρησιμοποιώντας παλμούς. Οι μαγνητικές ροπές των πυρήνων διεγείρονται από έναν σύντομο ισχυρό παλμό, μετά τον οποίο καταγράφεται ένα σήμα, το οποίο επάγεται στο πηνίο RF προκαλώντας ελεύθερα μαγνητικές ροπές. Αυτό το σήμα σταδιακά μειώνεται στο μηδέν καθώς οι μαγνητικές ροπές επανέρχονται στην ισορροπία (αυτή η διαδικασία ονομάζεται μαγνητική χαλάρωση). Το φάσμα NMR λαμβάνεται από αυτό το σήμα χρησιμοποιώντας μετασχηματισμό Fourier. Αυτή είναι μια τυπική μαθηματική διαδικασία που σας επιτρέπει να αποσυνθέσετε οποιοδήποτε σήμα σε αρμονικές συχνότητας και έτσι να αποκτήσετε το φάσμα συχνοτήτων αυτού του σήματος. Αυτή η μέθοδος καταγραφής του φάσματος σάς επιτρέπει να μειώσετε σημαντικά το επίπεδο θορύβου και να διεξάγετε πειράματα πολύ πιο γρήγορα.

    Ένας παλμός διέγερσης για την καταγραφή του φάσματος είναι το απλούστερο πείραμα NMR. Ωστόσο, μπορεί να υπάρχουν πολλοί τέτοιοι παλμοί, διαφορετικής διάρκειας, πλάτη, με διαφορετικές καθυστερήσεις μεταξύ τους κ.λπ., στο πείραμα, ανάλογα με το είδος των χειρισμών που χρειάζεται να κάνει ο ερευνητής με το σύστημα των πυρηνικών μαγνητικών ροπών. Ωστόσο, σχεδόν όλες αυτές οι ακολουθίες παλμών καταλήγουν στο ίδιο πράγμα - καταγράφοντας ένα ελεύθερο σήμα μετάπτωσης που ακολουθείται από μετασχηματισμό Fourier.

  3. Μαγνητικές αλληλεπιδράσεις στην ύλη

    Από μόνος του, ο μαγνητικός συντονισμός δεν θα παρέμενε τίποτα περισσότερο από ένα ενδιαφέρον φυσικό φαινόμενο, αν δεν υπήρχαν οι μαγνητικές αλληλεπιδράσεις των πυρήνων μεταξύ τους και με το ηλεκτρονιακό κέλυφος του μορίου. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις επηρεάζουν τις παραμέτρους συντονισμού και με τη βοήθειά τους, το NMR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λήψη διαφόρων πληροφοριών σχετικά με τις ιδιότητες των μορίων - τον προσανατολισμό τους, τη χωρική δομή (διαμόρφωση), τις διαμοριακές αλληλεπιδράσεις, τη χημική ανταλλαγή, τη δυναμική περιστροφής και μετάφρασης. Χάρη σε αυτό, το NMR έχει γίνει ένα πολύ ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη ουσιών σε μοριακό επίπεδο, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως όχι μόνο στη φυσική, αλλά κυρίως στη χημεία και τη μοριακή βιολογία. Ένα παράδειγμα μιας από αυτές τις αλληλεπιδράσεις είναι η λεγόμενη χημική μετατόπιση. Η ουσία του είναι η εξής: το κέλυφος ηλεκτρονίων του μορίου ανταποκρίνεται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και προσπαθεί να το ελέγξει - μερική διαλογή του μαγνητικού πεδίου συμβαίνει σε όλες τις διαμαγνητικές ουσίες. Αυτό σημαίνει ότι το μαγνητικό πεδίο στο μόριο θα διαφέρει από το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο κατά πολύ μικρό ποσοστό, το οποίο ονομάζεται χημική μετατόπιση. Ωστόσο, οι ιδιότητες του κελύφους ηλεκτρονίων σε διαφορετικά μέρη του μορίου είναι διαφορετικές και η χημική μετατόπιση είναι επίσης διαφορετική. Κατά συνέπεια, οι συνθήκες συντονισμού για τους πυρήνες σε διαφορετικά μέρη του μορίου θα διαφέρουν επίσης. Αυτό καθιστά δυνατή τη διάκριση χημικά μη ισοδύναμων πυρήνων στο φάσμα. Για παράδειγμα, αν πάρουμε το φάσμα των πυρήνων υδρογόνου (πρωτόνια) του καθαρού νερού, τότε θα υπάρχει μόνο μία γραμμή σε αυτό, αφού και τα δύο πρωτόνια στο μόριο H 2 O είναι ακριβώς τα ίδια. Αλλά για τη μεθυλική αλκοόλη CH 3 OH, θα υπάρχουν ήδη δύο γραμμές στο φάσμα (αν παραβλέψουμε άλλες μαγνητικές αλληλεπιδράσεις), καθώς υπάρχουν δύο τύποι πρωτονίων - πρωτόνια της μεθυλικής ομάδας CH 3 και ένα πρωτόνιο που σχετίζεται με ένα άτομο οξυγόνου. Καθώς τα μόρια γίνονται πιο πολύπλοκα, ο αριθμός των γραμμών θα αυξηθεί και αν πάρουμε ένα τόσο μεγάλο και πολύπλοκο μόριο ως πρωτεΐνη, τότε σε αυτήν την περίπτωση το φάσμα θα μοιάζει κάπως έτσι:

  4. Μαγνητικούς πυρήνες

    Το NMR μπορεί να παρατηρηθεί σε διαφορετικούς πυρήνες, αλλά πρέπει να ειπωθεί ότι δεν έχουν όλοι οι πυρήνες μαγνητική ροπή. Συμβαίνει συχνά κάποια ισότοπα να έχουν μαγνητική ροπή, ενώ άλλα ισότοπα του ίδιου πυρήνα όχι. Συνολικά, υπάρχουν περισσότερα από εκατό ισότοπα διαφόρων χημικών στοιχείων που έχουν μαγνητικούς πυρήνες, αλλά συνήθως δεν χρησιμοποιούνται περισσότεροι από 1520 μαγνητικοί πυρήνες στην έρευνα, όλα τα άλλα είναι εξωτικά. Κάθε πυρήνας έχει τη δική του χαρακτηριστική αναλογία του μαγνητικού πεδίου και της συχνότητας μετάπτωσης, που ονομάζεται γυρομαγνητική αναλογία. Για όλους τους πυρήνες αυτές οι αναλογίες είναι γνωστές. Χρησιμοποιώντας τους, μπορεί κανείς να επιλέξει τη συχνότητα στην οποία, για ένα δεδομένο μαγνητικό πεδίο, θα παρατηρηθεί ένα σήμα από τους πυρήνες που χρειάζεται ο ερευνητής.

    Οι πιο σημαντικοί πυρήνες για το NMR είναι τα πρωτόνια. Είναι πιο άφθονα στη φύση και έχουν πολύ υψηλή ευαισθησία. Για τη χημεία και τη βιολογία, οι πυρήνες του άνθρακα, του αζώτου και του οξυγόνου είναι πολύ σημαντικοί, αλλά οι επιστήμονες δεν ήταν πολύ τυχεροί με αυτούς: τα πιο κοινά ισότοπα άνθρακα και οξυγόνου, 12 C και 16 O, δεν έχουν μαγνητική ροπή, η φυσική Το ισότοπο αζώτου 14 N έχει ροπή, αλλά για διάφορους λόγους είναι πολύ άβολο για πειράματα. Υπάρχουν 13 ισότοπα C, 15 N και 17 O που είναι κατάλληλα για πειράματα NMR, αλλά η φυσική τους αφθονία είναι πολύ χαμηλή και η ευαισθησία είναι πολύ χαμηλή σε σύγκριση με τα πρωτόνια. Ως εκ τούτου, συχνά παρασκευάζονται ειδικά ισοτοπικά εμπλουτισμένα δείγματα για μελέτες NMR, στις οποίες το φυσικό ισότοπο του ενός ή του άλλου πυρήνα αντικαθίσταται από αυτό που απαιτείται για πειράματα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αυτή η διαδικασία είναι πολύ δύσκολη και δαπανηρή, αλλά μερικές φορές είναι ο μόνος τρόπος για να λάβετε τις απαραίτητες πληροφορίες.

  5. Παραμαγνητικός και τετραπολικός συντονισμός ηλεκτρονίων

    Μιλώντας για NMR, δεν μπορούμε να παραλείψουμε να αναφέρουμε δύο άλλα σχετικά φυσικά φαινόμενα - τον παραμαγνητικό συντονισμό ηλεκτρονίων (EPR) και τον πυρηνικό τετραπολικό συντονισμό (NQR). Το EPR είναι ουσιαστικά παρόμοιο με το NMR, η διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι ο συντονισμός παρατηρείται στις μαγνητικές ροπές όχι των ατομικών πυρήνων, αλλά του ηλεκτρονιακού κελύφους του ατόμου. Το EPR μπορεί να παρατηρηθεί μόνο σε εκείνα τα μόρια ή τις χημικές ομάδες των οποίων το ηλεκτρονιακό κέλυφος περιέχει το λεγόμενο μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο, τότε το κέλυφος έχει μη μηδενική μαγνητική ροπή. Τέτοιες ουσίες ονομάζονται παραμαγνήτες. Το EPR, όπως και το NMR, χρησιμοποιείται επίσης για τη μελέτη διαφόρων δομικών και δυναμικών ιδιοτήτων ουσιών σε μοριακό επίπεδο, αλλά το πεδίο εφαρμογής του είναι πολύ στενότερο. Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι τα περισσότερα μόρια, ειδικά στη ζωντανή φύση, δεν περιέχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια. Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί ένας λεγόμενος παραμαγνητικός ανιχνευτής, δηλαδή μια χημική ομάδα με ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο που συνδέεται με το υπό μελέτη μόριο. Αλλά αυτή η προσέγγιση έχει προφανή μειονεκτήματα που περιορίζουν τις δυνατότητες αυτής της μεθόδου. Επιπλέον, στο EPR δεν υπάρχει τόσο υψηλή φασματική ανάλυση (δηλαδή η ικανότητα διάκρισης μιας γραμμής από την άλλη στο φάσμα) όπως στο NMR.

    Είναι πιο δύσκολο να εξηγηθεί η φύση του NQR «στα δάχτυλα». Μερικοί πυρήνες έχουν μια λεγόμενη ηλεκτρική τετραπολική ροπή. Αυτή η στιγμή χαρακτηρίζει την απόκλιση της κατανομής του ηλεκτρικού φορτίου του πυρήνα από τη σφαιρική συμμετρία. Η αλληλεπίδραση αυτής της στιγμής με τη βαθμίδα του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται από την κρυσταλλική δομή της ουσίας οδηγεί στη διάσπαση των ενεργειακών επιπέδων του πυρήνα. Σε αυτή την περίπτωση, ο συντονισμός μπορεί να παρατηρηθεί σε συχνότητα που αντιστοιχεί σε μεταβάσεις μεταξύ αυτών των επιπέδων. Σε αντίθεση με το NMR και το EPR, το NQR δεν απαιτεί εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, καθώς ο διαχωρισμός στάθμης συμβαίνει χωρίς αυτό. Το NQR χρησιμοποιείται επίσης για τη μελέτη ουσιών, αλλά το πεδίο εφαρμογής του είναι ακόμη πιο στενό από αυτό του EPR.

  6. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του NMR

    Το NMR είναι η πιο ισχυρή και κατατοπιστική μέθοδος για τη μελέτη των μορίων. Αυστηρά μιλώντας, αυτή δεν είναι μία μέθοδος, αλλά ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών τύπων πειραμάτων, δηλαδή, ακολουθίες παλμών. Αν και όλα βασίζονται στο φαινόμενο NMR, αλλά καθένα από αυτά τα πειράματα έχει σχεδιαστεί για να λαμβάνει ορισμένες συγκεκριμένες συγκεκριμένες πληροφορίες. Ο αριθμός αυτών των πειραμάτων μετριέται με πολλές δεκάδες, αν όχι εκατοντάδες. Θεωρητικά, το NMR μπορεί, αν όχι τα πάντα, τότε σχεδόν ό,τι μπορούν όλες οι άλλες πειραματικές μέθοδοι για τη μελέτη της δομής και της δυναμικής των μορίων, αν και στην πράξη αυτό δεν είναι, φυσικά, πάντα εφικτό. Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα του NMR είναι ότι, αφενός, οι φυσικοί ανιχνευτές του, δηλαδή οι μαγνητικοί πυρήνες, κατανέμονται σε ολόκληρο το μόριο και, από την άλλη, καθιστά δυνατή τη διάκριση αυτών των πυρήνων μεταξύ τους και λάβετε χωρικά επιλεκτικά δεδομένα για τις ιδιότητες του μορίου. Σχεδόν όλες οι άλλες μέθοδοι παρέχουν πληροφορίες είτε με μέσο όρο για ολόκληρο το μόριο είτε μόνο για ένα από τα μέρη του.

    Υπάρχουν δύο βασικά μειονεκτήματα του NMR. Πρώτον, πρόκειται για χαμηλή ευαισθησία σε σύγκριση με τις περισσότερες άλλες πειραματικές μεθόδους (οπτική φασματοσκοπία, φθορισμός, EPR, κ.λπ.). Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι για να υπολογιστεί ο μέσος όρος του θορύβου, το σήμα πρέπει να συσσωρευτεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το πείραμα NMR μπορεί να πραγματοποιηθεί ακόμη και για αρκετές εβδομάδες. Δεύτερον, είναι το υψηλό κόστος του. Τα φασματόμετρα NMR είναι από τα πιο ακριβά επιστημονικά όργανα, κοστίζουν τουλάχιστον εκατοντάδες χιλιάδες δολάρια, με τα πιο ακριβά φασματόμετρα να κοστίζουν αρκετά εκατομμύρια. Δεν μπορούν όλα τα εργαστήρια, ειδικά στη Ρωσία, να αντέξουν οικονομικά να διαθέτουν τέτοιο επιστημονικό εξοπλισμό.

  7. Μαγνήτες για φασματόμετρα NMR

    Ένα από τα πιο σημαντικά και ακριβά μέρη ενός φασματόμετρου είναι ο μαγνήτης, ο οποίος δημιουργεί ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο. Όσο ισχυρότερο είναι το πεδίο, τόσο μεγαλύτερη είναι η ευαισθησία και η φασματική ανάλυση, έτσι οι επιστήμονες και οι μηχανικοί προσπαθούν συνεχώς να αποκτήσουν τα υψηλότερα δυνατά πεδία. Το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από ένα ηλεκτρικό ρεύμα στην ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα - όσο ισχυρότερο είναι το ρεύμα, τόσο μεγαλύτερο είναι το πεδίο. Ωστόσο, είναι αδύνατο να αυξηθεί το ρεύμα επ' αόριστον· σε πολύ υψηλό ρεύμα, το σωληνοειδές καλώδιο θα αρχίσει απλώς να λιώνει. Επομένως, υπεραγώγιμοι μαγνήτες, δηλαδή μαγνήτες στους οποίους το σωληνοειδές σύρμα βρίσκεται σε υπεραγώγιμη κατάσταση, έχουν χρησιμοποιηθεί για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα για φασματόμετρα NMR υψηλού πεδίου. Σε αυτή την περίπτωση, η ηλεκτρική αντίσταση του καλωδίου είναι μηδενική και δεν απελευθερώνεται ενέργεια σε καμία τιμή ρεύματος. Η υπεραγώγιμη κατάσταση μπορεί να επιτευχθεί μόνο σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, μόλις μερικούς βαθμούς Kelvin - αυτή είναι η θερμοκρασία του υγρού ηλίου. (Η υπεραγωγιμότητα σε υψηλές θερμοκρασίες εξακολουθεί να είναι μόνο θέμα καθαρά θεμελιώδους έρευνας.) Με τη διατήρηση μιας τόσο χαμηλής θερμοκρασίας συνδέονται όλες οι τεχνικές δυσκολίες στο σχεδιασμό και την παραγωγή μαγνητών, που προκαλούν το υψηλό κόστος τους. Ο υπεραγώγιμος μαγνήτης είναι χτισμένος με βάση την αρχή του θερμός matryoshka. Η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα βρίσκεται στο κέντρο, στον θάλαμο κενού. Περιβάλλεται από ένα κέλυφος που περιέχει υγρό ήλιο. Αυτό το κέλυφος περιβάλλεται από ένα κέλυφος υγρού αζώτου μέσω ενός στρώματος κενού. Η θερμοκρασία του υγρού αζώτου είναι μείον 196 βαθμοί Κελσίου, χρειάζεται άζωτο ώστε το ήλιο να εξατμίζεται όσο πιο αργά γίνεται. Τέλος, το κέλυφος αζώτου απομονώνεται από τη θερμοκρασία δωματίου με ένα εξωτερικό στρώμα κενού. Ένα τέτοιο σύστημα είναι σε θέση να διατηρήσει την επιθυμητή θερμοκρασία του υπεραγώγιμου μαγνήτη για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, αν και αυτό απαιτεί τακτική έκχυση υγρού αζώτου και ηλίου στον μαγνήτη. Το πλεονέκτημα τέτοιων μαγνητών, εκτός από την ικανότητα λήψης υψηλών μαγνητικών πεδίων, είναι επίσης ότι δεν καταναλώνουν ενέργεια: μετά την έναρξη του μαγνήτη, το ρεύμα διατρέχει τα υπεραγώγιμα σύρματα χωρίς ουσιαστικά απώλεια για πολλά χρόνια.

  8. Τομογραφία

    Στα συμβατικά φασματόμετρα NMR, προσπαθούν να κάνουν το μαγνητικό πεδίο όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφο, αυτό είναι απαραίτητο για τη βελτίωση της φασματικής ανάλυσης. Αλλά εάν το μαγνητικό πεδίο μέσα στο δείγμα, αντίθετα, είναι πολύ ανομοιογενές, αυτό ανοίγει θεμελιωδώς νέες δυνατότητες για τη χρήση NMR. Η ανομοιογένεια του πεδίου δημιουργείται από τα λεγόμενα πηνία κλίσης, τα οποία ζευγαρώνονται με τον κύριο μαγνήτη. Σε αυτή την περίπτωση, το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου σε διαφορετικά μέρη του δείγματος θα είναι διαφορετικό, πράγμα που σημαίνει ότι το σήμα NMR μπορεί να παρατηρηθεί όχι από ολόκληρο το δείγμα, όπως σε ένα συμβατικό φασματόμετρο, αλλά μόνο από το στενό στρώμα του, για το οποίο πληρούνται οι συνθήκες συντονισμού, δηλαδή η επιθυμητή αναλογία μαγνητικού πεδίου και συχνότητας. Αλλάζοντας το μέγεθος του μαγνητικού πεδίου (ή, που είναι ουσιαστικά το ίδιο πράγμα, τη συχνότητα παρατήρησης του σήματος), μπορείτε να αλλάξετε το στρώμα που θα δώσει το σήμα. Έτσι, είναι δυνατό να «σκανάρουμε» το δείγμα σε όλο τον όγκο του και να «δούμε» την εσωτερική του τρισδιάστατη δομή χωρίς να καταστραφεί το δείγμα με κανένα μηχανικό τρόπο. Μέχρι σήμερα, έχει αναπτυχθεί ένας μεγάλος αριθμός τεχνικών που καθιστούν δυνατή τη μέτρηση διαφόρων παραμέτρων NMR (φασματικά χαρακτηριστικά, χρόνοι μαγνητικής χαλάρωσης, ρυθμός αυτοδιάχυσης και κάποιες άλλες) με χωρική ανάλυση μέσα σε ένα δείγμα. Η πιο ενδιαφέρουσα και σημαντική, από πρακτική άποψη, η χρήση της τομογραφίας NMR βρέθηκε στην ιατρική. Στην περίπτωση αυτή, το «δείγμα» που εξετάζεται είναι το ανθρώπινο σώμα. Η απεικόνιση NMR είναι ένα από τα πιο αποτελεσματικά και ασφαλή (αλλά και ακριβά) διαγνωστικά εργαλεία σε διάφορους τομείς της ιατρικής, από την ογκολογία έως τη μαιευτική. Είναι περίεργο να σημειωθεί ότι οι γιατροί δεν χρησιμοποιούν τη λέξη «πυρηνική» στο όνομα αυτής της μεθόδου, επειδή ορισμένοι ασθενείς τη συσχετίζουν με τις πυρηνικές αντιδράσεις και την ατομική βόμβα.

  9. Ιστορικό ανακάλυψης

    Το έτος ανακάλυψης του NMR θεωρείται το 1945, όταν οι Αμερικανοί Felix Bloch από το Stanford και ανεξάρτητα οι Edward Parcell και Robert Pound από το Harvard παρατήρησαν για πρώτη φορά το σήμα NMR στα πρωτόνια. Μέχρι εκείνη την εποχή, πολλά ήταν ήδη γνωστά για τη φύση του πυρηνικού μαγνητισμού, το ίδιο το φαινόμενο NMR είχε προβλεφθεί θεωρητικά και έγιναν αρκετές προσπάθειες να το παρατηρήσουν πειραματικά. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ένα χρόνο νωρίτερα στη Σοβιετική Ένωση, στο Καζάν, το φαινόμενο EPR ανακαλύφθηκε από τον Evgeny Zavoisky. Είναι πλέον γνωστό ότι ο Zavoisky παρατήρησε επίσης το σήμα NMR, αυτό ήταν πριν τον πόλεμο, το 1941. Ωστόσο, είχε στη διάθεσή του έναν κακής ποιότητας μαγνήτη με κακή ομοιομορφία πεδίου, τα αποτελέσματα ήταν ελάχιστα αναπαραγόμενα και ως εκ τούτου παρέμεναν αδημοσίευτα. Για να είμαστε δίκαιοι, πρέπει να σημειωθεί ότι ο Zavoisky δεν ήταν ο μόνος που παρατήρησε το NMR πριν από την «επίσημη» ανακάλυψή του. Συγκεκριμένα, ο Αμερικανός φυσικός Isidore Rabi (νικητής του βραβείου Νόμπελ το 1944 για τη μελέτη των μαγνητικών ιδιοτήτων των πυρήνων σε ατομικές και μοριακές δέσμες) παρατήρησε επίσης NMR στα τέλη της δεκαετίας του 1930, αλλά θεώρησε ότι αυτό ήταν ένα οργανικό τεχνούργημα. Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, αλλά η χώρα μας παραμένει προτεραιότητα στην πειραματική ανίχνευση του μαγνητικού συντονισμού. Αν και ο ίδιος ο Ζαβοΐσκι αμέσως μετά τον πόλεμο άρχισε να αντιμετωπίζει άλλα προβλήματα, η ανακάλυψή του για την ανάπτυξη της επιστήμης στο Καζάν έπαιξε τεράστιο ρόλο. Το Καζάν εξακολουθεί να είναι ένα από τα κορυφαία ερευνητικά κέντρα στον κόσμο για τη φασματοσκοπία EPR.

  10. Βραβεία Νόμπελ Μαγνητικού Συντονισμού

    Στο πρώτο μισό του 20ου αιώνα, πολλά βραβεία Νόμπελ απονεμήθηκαν σε επιστήμονες χωρίς τη δουλειά των οποίων η ανακάλυψη του NMR δεν θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί. Ανάμεσά τους οι Peter Szeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Αλλά υπήρχαν τέσσερα βραβεία Νόμπελ που σχετίζονται άμεσα με το NMR. Το 1952, ο Felix Bloch και ο Edward Purcell έλαβαν το βραβείο για την ανακάλυψη του NMR. Αυτό είναι το μοναδικό Νόμπελ Φυσικής "NMR". Το 1991, ο Ελβετός Ρίτσαρντ Ερνστ, που εργαζόταν στο περίφημο ETH της Ζυρίχης, κέρδισε το Βραβείο Χημείας. Του απονεμήθηκε για την ανάπτυξη πολυδιάστατων μεθόδων φασματοσκοπίας NMR, οι οποίες κατέστησαν δυνατή τη ριζική αύξηση του περιεχομένου πληροφοριών των πειραμάτων NMR. Το 2002, ο νικητής του βραβείου, επίσης στη χημεία, ήταν ο Kurt Wüthrich, ο οποίος συνεργάστηκε με τον Ernst σε γειτονικά κτίρια της ίδιας Τεχνικής Σχολής. Έλαβε το βραβείο για την ανάπτυξη μεθόδων για τον προσδιορισμό της τρισδιάστατης δομής των πρωτεϊνών σε διάλυμα. Πριν από αυτό, η μόνη μέθοδος που επέτρεπε τον προσδιορισμό της χωρικής διαμόρφωσης μεγάλων βιομακρομορίων ήταν μόνο η ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ. Τέλος, το 2003, ο Αμερικανός Paul Lauterbur και ο Άγγλος Peter Mansfield έλαβαν το Ιατρικό Βραβείο για την εφεύρεση της απεικόνισης NMR. Ο Σοβιετικός ανακάλυψες του EPR E.K. Zavoisky, δυστυχώς, δεν έλαβε το βραβείο Νόμπελ.

Πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός

Πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός (NMR) - συντονιστική απορρόφηση ή εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας από μια ουσία που περιέχει πυρήνες με μη μηδενικό σπιν σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, σε συχνότητα ν (που ονομάζεται συχνότητα NMR), λόγω του επαναπροσανατολισμού των μαγνητικών ροπών των πυρήνων. Το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού ανακαλύφθηκε το 1938 από τον Isaac Raby σε μοριακές δέσμες, για το οποίο τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ το 1944. Το 1946, ο Felix Bloch και ο Edward Mills Purcell απέκτησαν πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό σε υγρά και στερεά (βραβείο Νόμπελ 1952). .

Οι ίδιοι πυρήνες ατόμων σε διαφορετικά περιβάλλοντα σε ένα μόριο δείχνουν διαφορετικά σήματα NMR. Η διαφορά μεταξύ ενός τέτοιου σήματος NMR και του σήματος μιας τυπικής ουσίας καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της λεγόμενης χημικής μετατόπισης, η οποία οφείλεται στη χημική δομή της υπό μελέτη ουσίας. Στις τεχνικές NMR, υπάρχουν πολλές ευκαιρίες για τον προσδιορισμό της χημικής δομής των ουσιών, των διαμορφώσεων των μορίων, των επιδράσεων της αμοιβαίας επιρροής και των ενδομοριακών μετασχηματισμών.

Μαθηματική περιγραφή Μαγνητική ροπή του πυρήνα mu=y*lgdel- σπιν του yar; y - σταθερή ράβδος Συχνότητα στην οποία παρατηρείται NMR

Χημική πόλωση πυρήνων

Όταν ορισμένες χημικές αντιδράσεις προχωρούν σε μαγνητικό πεδίο, τα φάσματα NMR των προϊόντων της αντίδρασης εμφανίζουν είτε ασυνήθιστα υψηλή απορρόφηση είτε ραδιοεκπομπή. Αυτό το γεγονός υποδεικνύει έναν πληθυσμό μη ισορροπίας των πυρηνικών επιπέδων Zeeman στα μόρια των προϊόντων αντίδρασης. Ο υπερπληθυσμός του κατώτερου επιπέδου συνοδεύεται από ανώμαλη απορρόφηση. Η αντιστροφή πληθυσμού (το ανώτερο επίπεδο είναι πιο πυκνοκατοικημένο από το χαμηλότερο) έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή ραδιοφώνου. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται χημική πόλωση των πυρήνων

Στο NMR χρησιμοποιείται για την ενίσχυση της πυρηνικής μαγνήτισης Συχνότητες Larmor ορισμένων ατομικών πυρήνων

πυρήνας

Συχνότητα Larmor σε MHz στα 0,5 Tesla

Συχνότητα Larmor σε MHz στο 1 Tesla

Συχνότητα Larmor σε MHz στα 7,05 Tesla

1 Ω ( Υδρογόνο)

²D( Δευτέριο)

13 C ( Ανθρακας)

23 Na( Νάτριο)

39 K ( Κάλιο)

Η συχνότητα για συντονισμό πρωτονίων είναι στην περιοχή μικρά κύματα(μήκος κύματος περίπου 7 m) .

Εφαρμογή NMR

Φασματοσκοπία

Φασματοσκοπία NMR

συσκευές

Η καρδιά του φασματόμετρου NMR είναι ένας ισχυρός μαγνήτης. Σε ένα πείραμα που πρωτοστάτησε ο Purcell, ένα δείγμα τοποθετημένο σε γυάλινη αμπούλα διαμέτρου περίπου 5 mm τοποθετείται ανάμεσα στους πόλους ενός ισχυρού ηλεκτρομαγνήτη. Στη συνέχεια, για να βελτιωθεί η ομοιομορφία του μαγνητικού πεδίου, η αμπούλα αρχίζει να περιστρέφεται και το μαγνητικό πεδίο που ενεργεί πάνω της αυξάνεται σταδιακά. Ως πηγή ακτινοβολίας χρησιμοποιείται μια γεννήτρια ραδιοσυχνοτήτων υψηλής ποιότητας. Κάτω από τη δράση ενός αυξανόμενου μαγνητικού πεδίου, οι πυρήνες στους οποίους συντονίζεται το φασματόμετρο αρχίζουν να συντονίζονται. Σε αυτή την περίπτωση, οι θωρακισμένοι πυρήνες αντηχούν σε συχνότητα ελαφρώς χαμηλότερη από τους πυρήνες χωρίς κελύφη ηλεκτρονίων. Η απορρόφηση ενέργειας καταγράφεται από μια γέφυρα ραδιοσυχνοτήτων και στη συνέχεια καταγράφεται από έναν καταγραφέα χάρτη. Η συχνότητα αυξάνεται μέχρι να φτάσει σε ένα ορισμένο όριο, πάνω από το οποίο ο συντονισμός είναι αδύνατον.

Δεδομένου ότι τα ρεύματα που προέρχονται από τη γέφυρα είναι πολύ μικρά, δεν περιορίζονται στη λήψη ενός φάσματος, αλλά κάνουν αρκετές δεκάδες περάσματα. Όλα τα λαμβανόμενα σήματα συνοψίζονται στο τελικό γράφημα, η ποιότητα του οποίου εξαρτάται από την αναλογία σήματος προς θόρυβο του οργάνου.

Στη μέθοδο αυτή, το δείγμα εκτίθεται σε ακτινοβολία ραδιοσυχνοτήτων σταθερής συχνότητας ενώ η ισχύς του μαγνητικού πεδίου αλλάζει, γι' αυτό ονομάζεται και μέθοδος συνεχούς ακτινοβολίας (CW, συνεχές κύμα).

Η παραδοσιακή μέθοδος φασματοσκοπίας NMR έχει πολλά μειονεκτήματα. Πρώτον, χρειάζεται πολύς χρόνος για τη δημιουργία κάθε φάσματος. Δεύτερον, είναι πολύ επιλεκτικό για την απουσία εξωτερικών παρεμβολών και κατά κανόνα, τα φάσματα που προκύπτουν έχουν σημαντικό θόρυβο. Τρίτον, είναι ακατάλληλο για τη δημιουργία φασματόμετρων υψηλής συχνότητας (300, 400, 500 και περισσότερα MHz). Επομένως, στα σύγχρονα όργανα NMR χρησιμοποιείται η λεγόμενη μέθοδος φασματοσκοπίας παλμών (PW), που βασίζεται στον μετασχηματισμό Fourier του λαμβανόμενου σήματος. Προς το παρόν, όλα τα φασματόμετρα NMR είναι κατασκευασμένα με βάση ισχυρούς υπεραγώγιμους μαγνήτες με σταθερό μαγνητικό πεδίο.

Σε αντίθεση με τη μέθοδο CW, στην παλμική έκδοση, η διέγερση των πυρήνων δεν πραγματοποιείται με ένα "σταθερό κύμα", αλλά με τη βοήθεια ενός σύντομου παλμού, μήκους αρκετών μικροδευτερόλεπτων. Τα πλάτη των συνιστωσών συχνότητας του παλμού μειώνονται με την αύξηση της απόστασης από το ν 0 . Επειδή όμως είναι επιθυμητό όλοι οι πυρήνες να ακτινοβολούνται εξίσου, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν «σκληροί παλμοί», δηλαδή σύντομοι παλμοί υψηλής ισχύος. Η διάρκεια του παλμού επιλέγεται έτσι ώστε το εύρος ζώνης συχνότητας να είναι μεγαλύτερο από το πλάτος του φάσματος κατά μία ή δύο τάξεις μεγέθους. Η ισχύς φτάνει πολλές χιλιάδες watt.

Ως αποτέλεσμα της παλμικής φασματοσκοπίας, δεν λαμβάνεται ένα συνηθισμένο φάσμα με ορατές κορυφές συντονισμού, αλλά μια εικόνα αποσβεσμένων συντονιστικών ταλαντώσεων, στην οποία αναμειγνύονται όλα τα σήματα από όλους τους συντονιστικούς πυρήνες - η λεγόμενη «ελεύθερη επαγωγή διάσπαση» (FID, Ελεύθερος επαγωγή φθορά). Για τον μετασχηματισμό αυτού του φάσματος χρησιμοποιούνται μαθηματικές μέθοδοι, ο λεγόμενος μετασχηματισμός Fourier, σύμφωνα με τον οποίο οποιαδήποτε συνάρτηση μπορεί να αναπαρασταθεί ως το άθροισμα ενός συνόλου αρμονικών ταλαντώσεων.

Φάσματα NMR

Φάσμα 1Η 4-αιθοξυβενζαλδεΰδης. Στο ασθενές πεδίο (μονό ~ 9,25 ppm) το σήμα του πρωτονίου της ομάδας αλδεΰδης, στο ισχυρό πεδίο (τριπλό ~1,85-2 ppm) - το πρωτόνιο της μεθυλαιθοξυ ομάδας.

Για ποιοτική ανάλυση με χρήση NMR, χρησιμοποιείται φασματική ανάλυση, με βάση τέτοιες αξιοσημείωτες ιδιότητες αυτής της μεθόδου:

    τα σήματα των πυρήνων των ατόμων που περιλαμβάνονται σε ορισμένες λειτουργικές ομάδες βρίσκονται σε αυστηρά καθορισμένες περιοχές του φάσματος.

    η ολοκληρωμένη περιοχή που περιορίζεται από την κορυφή είναι αυστηρά ανάλογη με τον αριθμό των ατόμων που συντονίζονται.

    πυρήνες που βρίσκονται μέσω δεσμών 1-4 είναι ικανοί να παράγουν πολλαπλά σήματα ως αποτέλεσμα των λεγόμενων. χωρίζει το ένα πάνω στο άλλο.

Η θέση του σήματος στα φάσματα NMR χαρακτηρίζεται από τη χημική τους μετατόπιση σε σχέση με το σήμα αναφοράς. Ως το τελευταίο σε 1Η και 13C NMR, χρησιμοποιείται τετραμεθυλσιλάνιο Si(CH3)4 (TMS). Η μονάδα χημικής μετατόπισης είναι τα μέρη ανά εκατομμύριο (ppm) της συχνότητας του οργάνου. Εάν πάρουμε το σήμα TMS ως 0 και θεωρήσουμε τη μετατόπιση σήματος σε ένα ασθενές πεδίο ως θετική χημική μετατόπιση, τότε θα λάβουμε τη λεγόμενη κλίμακα δ. Εάν ο συντονισμός του τετραμεθυλοσιλανίου ισοδυναμεί με 10 ppm και αντιστρέψτε τα σημάδια, τότε η κλίμακα που προκύπτει θα είναι η κλίμακα τ, η οποία πρακτικά δεν χρησιμοποιείται επί του παρόντος. Εάν το φάσμα μιας ουσίας είναι πολύ περίπλοκο για να ερμηνευτεί, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει κβαντικές χημικές μεθόδους για τον υπολογισμό των σταθερών διαλογής και να συσχετίσει τα σήματα που βασίζονται σε αυτές.

NMR ενδοσκόπηση

Το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο στη φυσική και τη χημεία, αλλά και στην ιατρική: το ανθρώπινο σώμα είναι ένας συνδυασμός όλων των ίδιων οργανικών και ανόργανων μορίων.

Για να παρατηρηθεί αυτό το φαινόμενο, ένα αντικείμενο τοποθετείται σε σταθερό μαγνητικό πεδίο και εκτίθεται σε μαγνητικά πεδία ραδιοσυχνοτήτων και βαθμίδωσης. Μια εναλλασσόμενη ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF) προκύπτει στον επαγωγέα που περιβάλλει το υπό μελέτη αντικείμενο, το φάσμα πλάτους-συχνότητας του οποίου και τα χαρακτηριστικά μετάβασης χρόνου φέρουν πληροφορίες για τη χωρική πυκνότητα των συντονισμένων ατομικών πυρήνων, καθώς και για άλλες παραμέτρους ειδικές μόνο για πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό. Η επεξεργασία αυτών των πληροφοριών από υπολογιστή σχηματίζει μια τρισδιάστατη εικόνα που χαρακτηρίζει την πυκνότητα των χημικά ισοδύναμων πυρήνων, τους χρόνους χαλάρωσης του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, την κατανομή των ρυθμών ροής του υγρού, τη διάχυση των μορίων και τις βιοχημικές διεργασίες του μεταβολισμού στους ζωντανούς ιστούς.

Η ουσία της ενδοσκοπίας NMR (ή απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού) συνίσταται, στην πραγματικότητα, στην υλοποίηση ενός ειδικού είδους ποσοτικής ανάλυσης του πλάτους του σήματος πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού. Στη συμβατική φασματοσκοπία NMR, ο στόχος είναι να επιτευχθεί η καλύτερη δυνατή ανάλυση των φασματικών γραμμών. Για να γίνει αυτό, τα μαγνητικά συστήματα ρυθμίζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργούν την καλύτερη δυνατή ομοιομορφία πεδίου εντός του δείγματος. Στις μεθόδους της ενδοσκοπίας NMR, αντίθετα, το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται εμφανώς ανομοιογενές. Τότε υπάρχει λόγος να περιμένουμε ότι η συχνότητα του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού σε κάθε σημείο του δείγματος έχει τη δική της τιμή, διαφορετική από τις τιμές σε άλλα μέρη. Καθορίζοντας κάποιο κωδικό για τις διαβαθμίσεις του πλάτους του σήματος NMR (φωτεινότητα ή χρώμα στην οθόνη της οθόνης), μπορεί κανείς να αποκτήσει μια υπό όρους εικόνα (τομογράφημα) τμημάτων της εσωτερικής δομής του αντικειμένου.

Η ενδοσκόπηση NMR, η τομογραφία NMR εφευρέθηκαν για πρώτη φορά στον κόσμο το 1960 από τον V. A. Ivanov. Η αίτηση για μια εφεύρεση (μέθοδος και συσκευή) απορρίφθηκε από έναν ανίκανο εμπειρογνώμονα "... λόγω της φαινομενικής ματαιότητας της προτεινόμενης λύσης", επομένως, πιστοποιητικό πνευματικών δικαιωμάτων για αυτό εκδόθηκε μόνο μετά από περισσότερα από 10 χρόνια. Έτσι, αναγνωρίζεται επίσημα ότι ο συγγραφέας της απεικόνισης NMR δεν είναι η ομάδα των βραβευθέντων με Νόμπελ που αναφέρονται παρακάτω, αλλά ένας Ρώσος επιστήμονας. Παρά αυτό το νομικό γεγονός, το βραβείο Νόμπελ απονεμήθηκε σε καμία περίπτωση για την τομογραφία MRI στον V. A. Ivanov.

Ο πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός (NMR) είναι η ασφαλέστερη διαγνωστική μέθοδος

Ευχαριστώ

Ο ιστότοπος παρέχει πληροφορίες αναφοράς μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς. Η διάγνωση και η θεραπεία των ασθενειών θα πρέπει να πραγματοποιείται υπό την επίβλεψη ειδικού. Όλα τα φάρμακα έχουν αντενδείξεις. Απαιτούνται συμβουλές ειδικών!

Γενικές πληροφορίες

Φαινόμενο πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός (NMR)ανακαλύφθηκε το 1938 από τον Ραβίνο Ισαάκ. Το φαινόμενο βασίζεται στην παρουσία μαγνητικών ιδιοτήτων στους πυρήνες των ατόμων. Μόλις το 2003 εφευρέθηκε μια μέθοδος για τη χρήση αυτού του φαινομένου για διαγνωστικούς σκοπούς στην ιατρική. Για την εφεύρεση, οι συγγραφείς της έλαβαν το βραβείο Νόμπελ. Στη φασματοσκοπία, το υπό μελέτη σώμα ( δηλαδή το σώμα του ασθενούς) τοποθετείται σε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και ακτινοβολείται με ραδιοκύματα. Αυτή είναι μια απολύτως ασφαλής μέθοδος σε αντίθεση, για παράδειγμα, με την αξονική τομογραφία), το οποίο έχει πολύ υψηλό βαθμό ανάλυσης και ευαισθησίας.

Εφαρμογή στην οικονομία και την επιστήμη

1. Στη χημεία και τη φυσική, για τον προσδιορισμό των ουσιών που συμμετέχουν στην αντίδραση, καθώς και των τελικών αποτελεσμάτων των αντιδράσεων,
2. Στη φαρμακολογία για την παραγωγή φαρμάκων,
3. Στη γεωργία, για τον προσδιορισμό της χημικής σύνθεσης των σιτηρών και της ετοιμότητας για σπορά ( πολύ χρήσιμο για την αναπαραγωγή νέων ειδών),
4. Στην ιατρική - για διαγνωστικά. Μια πολύ κατατοπιστική μέθοδος για τη διάγνωση παθήσεων της σπονδυλικής στήλης, ιδιαίτερα των μεσοσπονδύλιων δίσκων. Καθιστά δυνατό τον εντοπισμό ακόμη και των μικρότερων παραβιάσεων της ακεραιότητας του δίσκου. Ανιχνεύει καρκινικούς όγκους στα αρχικά στάδια σχηματισμού.

Η ουσία της μεθόδου

Η μέθοδος του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού βασίζεται στο γεγονός ότι τη στιγμή που το σώμα βρίσκεται σε ένα ειδικά συντονισμένο πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο ( 10.000 φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη μας), τα μόρια νερού που υπάρχουν σε όλα τα κύτταρα του σώματος σχηματίζουν αλυσίδες παράλληλες προς την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου.

Εάν η κατεύθυνση του πεδίου αλλάξει ξαφνικά, το μόριο του νερού απελευθερώνει ένα σωματίδιο ηλεκτρισμού. Είναι αυτές οι χρεώσεις που καταγράφονται από τους αισθητήρες της συσκευής και αναλύονται από υπολογιστή. Σύμφωνα με την ένταση της συγκέντρωσης του νερού στα κύτταρα, ο υπολογιστής δημιουργεί ένα μοντέλο του οργάνου ή μέρους του σώματος που μελετάται.

Στην έξοδο, ο γιατρός έχει μια μονόχρωμη εικόνα, στην οποία μπορείτε να δείτε λεπτά τμήματα του οργάνου με μεγάλη λεπτομέρεια. Όσον αφορά το περιεχόμενο πληροφοριών, η μέθοδος αυτή υπερβαίνει σημαντικά την αξονική τομογραφία. Μερικές φορές υπάρχουν ακόμη περισσότερες λεπτομέρειες για το υπό μελέτη όργανο από όσες είναι απαραίτητες για τη διάγνωση.

Τύποι φασματοσκοπίας μαγνητικού συντονισμού

  • βιολογικά υγρά,
  • Εσωτερικά όργανα.
Η τεχνική καθιστά δυνατή τη λεπτομερή εξέταση όλων των ιστών του ανθρώπινου σώματος, συμπεριλαμβανομένου του νερού. Όσο πιο υγρό στους ιστούς, τόσο πιο ανοιχτόχρωμοι και φωτεινοί είναι στην εικόνα. Τα οστά, στα οποία υπάρχει λίγο νερό, απεικονίζονται ως σκοτεινά. Ως εκ τούτου, στη διάγνωση παθήσεων των οστών, η αξονική τομογραφία είναι πιο κατατοπιστική.

Η τεχνική αιμάτωσης με μαγνητικό συντονισμό καθιστά δυνατό τον έλεγχο της κίνησης του αίματος μέσω των ιστών του ήπατος και του εγκεφάλου.

Σήμερα, το όνομα χρησιμοποιείται ευρύτερα στην ιατρική. MRI (Απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού ), αφού η αναφορά πυρηνικής αντίδρασης στον τίτλο τρομάζει τους ασθενείς.

Ενδείξεις

1. εγκεφαλικές παθήσεις,
2. Μελέτες των λειτουργιών των περιοχών του εγκεφάλου,
3. αρθρώσεις,
4. παθήσεις της σπονδυλικής στήλης,
5. Ασθένειες των εσωτερικών οργάνων της κοιλιακής κοιλότητας,
6. Παθήσεις του ουροποιητικού συστήματος και της αναπαραγωγής,
7. Παθήσεις του μεσοθωρακίου και της καρδιάς,
8. Αγγειακές παθήσεις.

Αντενδείξεις

Απόλυτες αντενδείξεις:
1. βηματοδότης,
2. Ηλεκτρονικές ή σιδηρομαγνητικές προθέσεις μέσου ωτός,
3. Σιδηρομαγνητικές συσκευές Ilizarov,
4. Μεγάλες μεταλλικές εσωτερικές προθέσεις,
5. Αιμοστατικοί σφιγκτήρες εγκεφαλικών αγγείων.

Σχετικές αντενδείξεις:
1. διεγερτικά του νευρικού συστήματος,
2. αντλίες ινσουλίνης,
3. Άλλοι τύποι προθέσεων εσωτερικού αυτιού,
4. προσθετικές βαλβίδες καρδιάς,
5. Αιμοστατικοί σφιγκτήρες σε άλλα όργανα,
6. Εγκυμοσύνη ( πρέπει να πάρετε τη γνώμη ενός γυναικολόγου),
7. Καρδιακή ανεπάρκεια στο στάδιο της απορρόφησης,
8. κλειστοφοβία ( φόβος για κλειστό χώρο).

Προετοιμασία μελέτης

Ειδική προετοιμασία απαιτείται μόνο για εκείνους τους ασθενείς που πηγαίνουν για εξέταση των εσωτερικών οργάνων ( του ουροποιητικού και του πεπτικού συστήματος): Δεν πρέπει να τρώτε φαγητό πέντε ώρες πριν από τη διαδικασία.
Εάν το κεφάλι εξετάζεται, συνιστάται στο ωραίο φύλο να αφαιρέσει το μακιγιάζ, καθώς οι ουσίες που περιλαμβάνονται στα καλλυντικά ( πχ σε σκιά ματιών) μπορεί να επηρεάσει το αποτέλεσμα. Όλα τα μεταλλικά κοσμήματα πρέπει να αφαιρεθούν.
Μερικές φορές το ιατρικό προσωπικό ελέγχει τον ασθενή με φορητό ανιχνευτή μετάλλων.

Πώς γίνεται η έρευνα;

Πριν από την έναρξη της μελέτης, κάθε ασθενής συμπληρώνει ένα ερωτηματολόγιο που βοηθά στον εντοπισμό αντενδείξεων.

Η συσκευή είναι ένας φαρδύς σωλήνας μέσα στον οποίο ο ασθενής τοποθετείται σε οριζόντια θέση. Ο ασθενής πρέπει να παραμείνει εντελώς ακίνητος, διαφορετικά η εικόνα δεν θα είναι αρκετά καθαρή. Δεν είναι σκοτεινό μέσα στον σωλήνα και υπάρχει εξαναγκασμένος αερισμός, επομένως οι συνθήκες για τη διαδικασία είναι αρκετά άνετες. Ορισμένες εγκαταστάσεις παράγουν ένα αξιοσημείωτο βουητό και στη συνέχεια τοποθετούνται ακουστικά απορρόφησης θορύβου στο εξεταζόμενο άτομο.

Η διάρκεια της εξέτασης μπορεί να είναι από 15 λεπτά έως 60 λεπτά.
Σε ορισμένα ιατρικά κέντρα επιτρέπεται η αίθουσα όπου γίνεται η εξέταση μαζί με τον ασθενή να είναι συγγενής ή συνοδός του ( εάν δεν έχει αντενδείξεις).

Σε ορισμένα ιατρικά κέντρα, ένας αναισθησιολόγος χορηγεί ηρεμιστικά. Η διαδικασία σε αυτή την περίπτωση είναι πολύ πιο ανεκτή, ειδικά για ασθενείς που πάσχουν από κλειστοφοβία, μικρά παιδιά ή ασθενείς που για κάποιο λόγο δυσκολεύονται να είναι ακίνητοι. Ο ασθενής πέφτει σε κατάσταση θεραπευτικού ύπνου και βγαίνει από αυτόν ξεκούραστος και σε εγρήγορση. Τα φάρμακα που χρησιμοποιούνται αποβάλλονται γρήγορα από τον οργανισμό και είναι ασφαλή για τον ασθενή.


Το αποτέλεσμα της εξέτασης είναι έτοιμο εντός 30 λεπτών μετά το τέλος της διαδικασίας. Το αποτέλεσμα εκδίδεται με τη μορφή DVD, έκθεσης γιατρού και εικόνων.

Χρήση σκιαγραφικού παράγοντα στη μαγνητική τομογραφία

Τις περισσότερες φορές, η διαδικασία πραγματοποιείται χωρίς τη χρήση σκιαγραφικού. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις είναι απαραίτητο για αγγειακή εξέταση). Σε αυτή την περίπτωση, το σκιαγραφικό εγχέεται ενδοφλεβίως χρησιμοποιώντας καθετήρα. Η διαδικασία είναι παρόμοια με οποιαδήποτε ενδοφλέβια ένεση. Για αυτόν τον τύπο έρευνας, χρησιμοποιούνται ειδικές ουσίες - παραμαγνήτες. Πρόκειται για ασθενείς μαγνητικές ουσίες, τα σωματίδια των οποίων, όντας σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, μαγνητίζονται παράλληλα με τις γραμμές πεδίου.

Αντενδείξεις για τη χρήση σκιαγραφικού παράγοντα:

  • Εγκυμοσύνη,
  • Ατομική δυσανεξία στα συστατικά του σκιαγραφικού παράγοντα, που είχε εντοπιστεί προηγουμένως.

Εξέταση αγγείων (μαγνητική αγγειογραφία)

Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, μπορείτε να ελέγξετε τόσο την κατάσταση του κυκλοφορικού δικτύου όσο και την κίνηση του αίματος μέσω των αγγείων.
Παρά το γεγονός ότι η μέθοδος καθιστά δυνατή την "δείτε" τα αγγεία χωρίς παράγοντα αντίθεσης, με τη χρήση της η εικόνα είναι πιο οπτική.
Ειδικές 4-D εγκαταστάσεις καθιστούν δυνατή την παρακολούθηση της κίνησης του αίματος σχεδόν σε πραγματικό χρόνο.

Ενδείξεις:

  • συγγενείς καρδιακές ανωμαλίες,
  • Ανεύρυσμα, ανατομή του,
  • αγγειακή στένωση,

έρευνα του εγκεφάλου

Αυτή είναι μια μελέτη εγκεφάλου που δεν χρησιμοποιεί ραδιενεργές ακτίνες. Η μέθοδος σας επιτρέπει να δείτε τα οστά του κρανίου, αλλά οι μαλακοί ιστοί μπορούν να εξεταστούν με περισσότερες λεπτομέρειες. Εξαιρετική διαγνωστική μέθοδος στη νευροχειρουργική, καθώς και στη νευρολογία. Καθιστά δυνατή την ανίχνευση των συνεπειών των χρόνιων μώλωπες και διάσεισης, εγκεφαλικών επεισοδίων, καθώς και νεοπλασμάτων.
Συνήθως συνταγογραφείται για καταστάσεις που μοιάζουν με ημικρανία άγνωστης αιτιολογίας, διαταραχή της συνείδησης, νεοπλάσματα, αιματώματα, διαταραχή συντονισμού.

Με τη μαγνητική τομογραφία εγκεφάλου εξετάζονται τα ακόλουθα:
  • κύρια αγγεία του λαιμού,
  • αιμοφόρα αγγεία που τροφοδοτούν τον εγκέφαλο
  • εγκεφαλικός ιστός,
  • τροχιές ματιών,
  • βαθύτερα μέρη του εγκεφάλου παρεγκεφαλίδα, επίφυση, υπόφυση, επιμήκη και ενδιάμεσα τμήματα).

Λειτουργικό NMR

Αυτή η διάγνωση βασίζεται στο γεγονός ότι όταν ενεργοποιείται οποιοδήποτε μέρος του εγκεφάλου που είναι υπεύθυνο για μια συγκεκριμένη λειτουργία, η κυκλοφορία του αίματος σε αυτήν την περιοχή αυξάνεται.
Στο εξεταζόμενο άτομο ανατίθενται διάφορες εργασίες και κατά την εκτέλεσή τους καταγράφεται η κυκλοφορία του αίματος σε διάφορα σημεία του εγκεφάλου. Τα δεδομένα που ελήφθησαν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων συγκρίνονται με το τομογράφημα που ελήφθη κατά την περίοδο ανάπαυσης.

Εξέταση σπονδυλικής στήλης

Αυτή η μέθοδος είναι εξαιρετική για την εξέταση των νευρικών απολήξεων, των μυών, του μυελού των οστών και των συνδέσμων, καθώς και των μεσοσπονδύλιων δίσκων. Αλλά με κατάγματα της σπονδυλικής στήλης ή την ανάγκη μελέτης των οστικών δομών, είναι κάπως κατώτερη από την αξονική τομογραφία.

Μπορείτε να εξετάσετε ολόκληρη τη σπονδυλική στήλη ή μπορείτε να εξετάσετε μόνο το ενοχλητικό τμήμα: τον αυχενικό, τον θωρακικό, τον οσφυοϊερό και επίσης τον κόκκυγα ξεχωριστά. Έτσι, κατά την εξέταση της αυχενικής περιοχής, μπορούν να εντοπιστούν παθολογίες των αιμοφόρων αγγείων και των σπονδύλων που επηρεάζουν την παροχή αίματος στον εγκέφαλο.
Κατά την εξέταση της οσφυϊκής περιοχής, είναι δυνατό να εντοπιστούν μεσοσπονδύλιοι κήλες, αιχμές οστών και χόνδρων, καθώς και τσιμπημένα νεύρα.

Ενδείξεις:

  • Αλλαγές στο σχήμα των μεσοσπονδύλιων δίσκων, συμπεριλαμβανομένης της κήλης,
  • Τραυματισμοί πλάτης και σπονδυλικής στήλης
  • Οστεοχόνδρωση, δυστροφικές και φλεγμονώδεις διεργασίες στα οστά,
  • Νεοπλάσματα.

Εξέταση νωτιαίου μυελού

Πραγματοποιείται ταυτόχρονα με την εξέταση της σπονδυλικής στήλης.

Ενδείξεις:

  • Η πιθανότητα νεοπλασμάτων του νωτιαίου μυελού, εστιακή βλάβη,
  • Για τον έλεγχο της πλήρωσης των κοιλοτήτων του εγκεφαλονωτιαίου υγρού του νωτιαίου μυελού,
  • κύστεις σπονδυλικής στήλης,
  • Για τον έλεγχο της ανάρρωσης μετά την επέμβαση,
  • Με την πιθανότητα ασθενειών του νωτιαίου μυελού.

Κοινή μελέτη

Αυτή η ερευνητική μέθοδος είναι πολύ αποτελεσματική για την εξέταση της κατάστασης των μαλακών ιστών που αποτελούν την άρθρωση.

Χρησιμοποιείται για τη διάγνωση:

  • χρόνια αρθρίτιδα,
  • Τραυματισμοί τενόντων, μυών και συνδέσμων ( χρησιμοποιείται ιδιαίτερα στην αθλητική ιατρική),
  • κατάγματα,
  • Νεοπλάσματα μαλακών ιστών και οστών,
  • Η βλάβη δεν ανιχνεύεται με άλλες διαγνωστικές μεθόδους.
Εφαρμόζεται σε:
  • Εξέταση των αρθρώσεων του ισχίου για οστεομυελίτιδα, νέκρωση μηριαίας κεφαλής, κάταγμα από στρες, σηπτική αρθρίτιδα,
  • Εξέταση αρθρώσεων γόνατος με κατάγματα λόγω πίεσης, παραβίαση της ακεραιότητας ορισμένων εσωτερικών στοιχείων ( μηνίσκος, χόνδρος),
  • Εξέταση της άρθρωσης του ώμου σε περίπτωση εξαρθρώσεων, τσιμπήματος νεύρων, ρήξης της αρθρικής κάψουλας,
  • Εξέταση της άρθρωσης του καρπού κατά παραβίαση σταθερότητας, πολλαπλά κατάγματα, προσβολή του μέσου νεύρου, βλάβη των συνδέσμων.

Εξέταση της κροταφογναθικής άρθρωσης

Συνταγογραφείται για τον προσδιορισμό των αιτιών παραβίασης της λειτουργίας της άρθρωσης. Αυτή η μελέτη αποκαλύπτει πλήρως την κατάσταση του χόνδρου και των μυών, καθιστά δυνατή την ανίχνευση εξαρθρώσεων. Χρησιμοποιείται επίσης πριν από ορθοδοντικές ή ορθοπεδικές επεμβάσεις.

Ενδείξεις:

  • Απώλεια κινητικότητας της κάτω γνάθου
  • Κλικ κατά το άνοιγμα - κλείσιμο του στόματος,
  • Πόνος στον κρόταφο κατά το άνοιγμα - κλείσιμο του στόματος,
  • Πόνος κατά την ανίχνευση των μασών μυών,
  • Πόνος στους μύες του λαιμού και του κεφαλιού.

Εξέταση των εσωτερικών οργάνων της κοιλιακής κοιλότητας

Η εξέταση του παγκρέατος και του ήπατος συνταγογραφείται για:
  • μη μολυσματικός ίκτερος,
  • Πιθανότητες ηπατικής νεοπλασίας, εκφύλισης, αποστήματος, κύστεων, με κίρρωση,
  • Ως έλεγχος της πορείας της θεραπείας,
  • Για τραυματικά κατάγματα
  • Πέτρες στη χοληδόχο κύστη ή στους χοληφόρους πόρους
  • Παγκρεατίτιδα οποιασδήποτε μορφής,
  • Η πιθανότητα εμφάνισης νεοπλασμάτων
  • Ισχαιμία του παρεγχύματος.
Η μέθοδος σας επιτρέπει να ανιχνεύσετε παγκρεατικές κύστεις, να εξετάσετε την κατάσταση των χοληφόρων αγωγών. Αποκαλύπτονται τυχόν σχηματισμοί που φράζουν τους αγωγούς.

Η εξέταση νεφρών ενδείκνυται για:

  • Υποψία νεοπλασίας
  • Ασθένειες οργάνων και ιστών που βρίσκονται κοντά στα νεφρά,
  • Η πιθανότητα παραβιάσεων του σχηματισμού ουροποιητικών οργάνων,
  • Σε περίπτωση αδυναμίας διενέργειας απεκκριτικής ουρογραφίας.
Πριν από την εξέταση των εσωτερικών οργάνων με τη μέθοδο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, είναι απαραίτητο να διεξαχθεί μια υπερηχογραφική εξέταση.

Έρευνα σε παθήσεις του αναπαραγωγικού συστήματος

Οι εξετάσεις της πυέλου συνταγογραφούνται για:
  • Πιθανότητες νεοπλασίας της μήτρας, της ουροδόχου κύστης, του προστάτη,
  • βλάβη,
  • Νεοπλάσματα της μικρής λεκάνης για την ανίχνευση μεταστάσεων,
  • Πόνος στην περιοχή του ιερού οστού,
  • κυστιδίτιδα,
  • Να εξετάσει την κατάσταση των λεμφαδένων.
Με τον καρκίνο του προστάτη, αυτή η εξέταση συνταγογραφείται για την ανίχνευση της εξάπλωσης του νεοπλάσματος στα κοντινά όργανα.

Μια ώρα πριν από τη μελέτη, δεν είναι επιθυμητό να ουρήσετε, καθώς η εικόνα θα είναι πιο ενημερωτική εάν η κύστη είναι κάπως γεμάτη.

Έρευνα κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης

Παρά το γεγονός ότι αυτή η μέθοδος έρευνας είναι πολύ πιο ασφαλής από την ακτινογραφία ή την αξονική τομογραφία, δεν επιτρέπεται αυστηρά η χρήση της στο πρώτο τρίμηνο της εγκυμοσύνης.
Στο δεύτερο και τρίτο τρίμηνο αυτών των μεθόδων, η μέθοδος συνταγογραφείται μόνο για λόγους υγείας. Ο κίνδυνος της διαδικασίας για το σώμα μιας εγκύου έγκειται στο γεγονός ότι κατά τη διάρκεια της διαδικασίας θερμαίνονται ορισμένοι ιστοί, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει ανεπιθύμητες αλλαγές στο σχηματισμό του εμβρύου.
Αλλά η χρήση σκιαγραφικού κατά τη διάρκεια της εγκυμοσύνης απαγορεύεται αυστηρά σε οποιοδήποτε στάδιο της κύησης.

Προληπτικά μέτρα

1. Ορισμένες εγκαταστάσεις NMR είναι κατασκευασμένες με τη μορφή κλειστού σωλήνα. Τα άτομα που υποφέρουν από φόβο για κλειστούς χώρους μπορεί να έχουν μια επίθεση. Επομένως, είναι καλύτερο να ρωτήσετε εκ των προτέρων πώς θα πάει η διαδικασία. Υπάρχουν ανοιχτές εγκαταστάσεις. Είναι ένα δωμάτιο παρόμοιο με ένα δωμάτιο ακτίνων Χ, αλλά τέτοιες εγκαταστάσεις είναι σπάνιες.

2. Απαγορεύεται η είσοδος στο δωμάτιο όπου βρίσκεται η συσκευή με μεταλλικά αντικείμενα και ηλεκτρονικές συσκευές ( πχ ρολόγια, κοσμήματα, κλειδιά), καθώς σε ένα ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, οι ηλεκτρονικές συσκευές μπορούν να σπάσουν και μικρά μεταλλικά αντικείμενα θα διασκορπιστούν. Ταυτόχρονα, δεν θα ληφθούν πλήρως σωστά δεδομένα έρευνας.

Πριν από τη χρήση, θα πρέπει να συμβουλευτείτε έναν ειδικό.

Το περιεχόμενο του άρθρου

ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΤΟΜΟΓΡΑΦΙΑ,συντονισμένη (επιλεκτική) απορρόφηση ακτινοβολίας ραδιοσυχνοτήτων από ορισμένα ατομικά σωματίδια τοποθετημένα σε σταθερό μαγνητικό πεδίο. Τα περισσότερα στοιχειώδη σωματίδια, όπως οι κορυφές, περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους. Εάν ένα σωματίδιο έχει ηλεκτρικό φορτίο, τότε όταν περιστρέφεται, δημιουργείται μαγνητικό πεδίο, δηλ. συμπεριφέρεται σαν ένας μικροσκοπικός μαγνήτης. Όταν αυτός ο μαγνήτης αλληλεπιδρά με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, συμβαίνουν φαινόμενα που καθιστούν δυνατή τη λήψη πληροφοριών για πυρήνες, άτομα ή μόρια, τα οποία περιλαμβάνουν αυτό το στοιχειώδες σωματίδιο. Η μέθοδος του μαγνητικού συντονισμού είναι ένα παγκόσμιο εργαλείο έρευνας που χρησιμοποιείται σε διαφορετικούς τομείς της επιστήμης όπως η βιολογία, η χημεία, η γεωλογία και η φυσική. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι μαγνητικού συντονισμού: ο παραμαγνητικός συντονισμός ηλεκτρονίων και ο πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός.

Παραμαγνητικός συντονισμός ηλεκτρονίων (EPR).

Πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός (NMR).

Το NMR ανακαλύφθηκε το 1946 από τους Αμερικανούς φυσικούς E. Purcell και F. Bloch. Δουλεύοντας ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο, βρήκαν έναν τρόπο να «συντονίσουν» συντονισμένα τις φυσικές περιστροφές των πυρήνων ορισμένων ατόμων, όπως το υδρογόνο και ένα από τα ισότοπα του άνθρακα, σε μαγνητικά πεδία. Όταν ένα δείγμα που περιέχει τέτοιους πυρήνες τοποθετείται σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, οι πυρηνικές ροπές τους «παρατάσσονται» σαν ρινίσματα σιδήρου κοντά σε μόνιμο μαγνήτη. Αυτός ο γενικός προσανατολισμός μπορεί να διαταραχθεί από ένα σήμα RF. Όταν το σήμα είναι απενεργοποιημένο, οι πυρηνικές ροπές επιστρέφουν στην αρχική τους κατάσταση και η ταχύτητα μιας τέτοιας ανάκτησης εξαρτάται από την ενεργειακή τους κατάσταση, τον τύπο των γύρω πυρήνων και έναν αριθμό άλλων παραγόντων. Η μετάβαση συνοδεύεται από την εκπομπή σήματος ραδιοσυχνότητας. Το σήμα αποστέλλεται σε έναν υπολογιστή που το επεξεργάζεται. Με αυτόν τον τρόπο (η μέθοδος της υπολογιστικής τομογραφίας NMR), μπορούν να ληφθούν εικόνες. (Όταν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο αλλάζει σε μικρά βήματα, επιτυγχάνεται το αποτέλεσμα μιας τρισδιάστατης εικόνας.) Η μέθοδος NMR παρέχει υψηλή αντίθεση διαφορετικών μαλακών ιστών στην εικόνα, η οποία είναι εξαιρετικά σημαντική για την αναγνώριση των ασθενών κυττάρων στο φόντο των υγιών. Η τομογραφία NMR θεωρείται ασφαλέστερη από την ακτινογραφία, γιατί δεν προκαλεί καμία καταστροφή ή ερεθισμό των ιστών.

φασματομετρία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού

Το NMR είναι η πιο ισχυρή και κατατοπιστική μέθοδος για τη μελέτη των μορίων. Αυστηρά μιλώντας, αυτή δεν είναι μία μέθοδος, αλλά ένας μεγάλος αριθμός διαφορετικών τύπων πειραμάτων, δηλαδή, ακολουθίες παλμών. Αν και όλα βασίζονται στο φαινόμενο NMR, αλλά καθένα από αυτά τα πειράματα έχει σχεδιαστεί για να λαμβάνει ορισμένες συγκεκριμένες συγκεκριμένες πληροφορίες. Ο αριθμός αυτών των πειραμάτων μετριέται με πολλές δεκάδες, αν όχι εκατοντάδες. Θεωρητικά, το NMR μπορεί, αν όχι τα πάντα, τότε σχεδόν ό,τι μπορούν όλες οι άλλες πειραματικές μέθοδοι για τη μελέτη της δομής και της δυναμικής των μορίων, αν και στην πράξη αυτό δεν είναι, φυσικά, πάντα εφικτό. Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα του NMR είναι ότι, αφενός, οι φυσικοί ανιχνευτές του, δηλαδή οι μαγνητικοί πυρήνες, κατανέμονται σε ολόκληρο το μόριο και, από την άλλη, καθιστά δυνατή τη διάκριση αυτών των πυρήνων μεταξύ τους και λάβετε χωρικά επιλεκτικά δεδομένα για τις ιδιότητες του μορίου. Σχεδόν όλες οι άλλες μέθοδοι παρέχουν πληροφορίες είτε με μέσο όρο για ολόκληρο το μόριο είτε μόνο για ένα από τα μέρη του.

Υπάρχουν δύο βασικά μειονεκτήματα του NMR. Πρώτον, πρόκειται για χαμηλή ευαισθησία σε σύγκριση με τις περισσότερες άλλες πειραματικές μεθόδους (οπτική φασματοσκοπία, φθορισμός, EPR, κ.λπ.). Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι για να υπολογιστεί ο μέσος όρος του θορύβου, το σήμα πρέπει να συσσωρευτεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το πείραμα NMR μπορεί να πραγματοποιηθεί ακόμη και για αρκετές εβδομάδες. Δεύτερον, είναι το υψηλό κόστος του. Τα φασματόμετρα NMR είναι από τα πιο ακριβά επιστημονικά όργανα, κοστίζουν τουλάχιστον εκατοντάδες χιλιάδες δολάρια και τα πιο ακριβά φασματόμετρα κοστίζουν αρκετά εκατομμύρια. Δεν μπορούν όλα τα εργαστήρια, ειδικά στη Ρωσία, να αντέξουν οικονομικά να διαθέτουν τέτοιο επιστημονικό εξοπλισμό.

Εφαρμογή NMR

Εφαρμογή φασματοσκοπίας NMR. Η φασματοσκοπία NMR αναφέρεται σε μη καταστροφικές μεθόδους ανάλυσης. Η σύγχρονη φασματοσκοπία παλμικού NMR Fourier επιτρέπει την ανάλυση 80 μαγνητικών πυρήνων. Η φασματοσκοπία NMR είναι μία από τις κύριες φυσικοχημικές μεθόδους ανάλυσης· τα δεδομένα της χρησιμοποιούνται για τη σαφή ταυτοποίηση τόσο των ενδιάμεσων προϊόντων των χημικών αντιδράσεων όσο και των στόχων. Εκτός από τις δομικές εκχωρήσεις και την ποσοτική ανάλυση, η φασματοσκοπία NMR παρέχει πληροφορίες για διαμορφωτικές ισορροπίες, διάχυση ατόμων και μορίων σε στερεά, εσωτερικές κινήσεις, δεσμούς υδρογόνου και συσχέτιση σε υγρά, ταυτομερισμό, μέταλλα και πρωτοτροπία, ταξινόμηση και κατανομή συνδέσμων σε πολυμερείς αλυσίδες. ηλεκτρονική δομή ιοντικών κρυστάλλων, υγρών κρυστάλλων κ.λπ. Η φασματοσκοπία NMR είναι μια πηγή πληροφοριών για τη δομή των βιοπολυμερών, συμπεριλαμβανομένων των πρωτεϊνικών μορίων σε διαλύματα, συγκρίσιμη σε αξιοπιστία με δεδομένα ανάλυσης ακτίνων Χ. Στη δεκαετία του '80. ξεκίνησε μια ταχεία εισαγωγή μεθόδων φασματοσκοπίας και τομογραφίας NMR στην ιατρική για τη διάγνωση σύνθετων ασθενειών και την προφυλακτική ιατρική εξέταση του πληθυσμού. Ο αριθμός και η θέση των γραμμών στα φάσματα NMR χαρακτηρίζουν ξεκάθαρα όλα τα κλάσματα αργού πετρελαίου, συνθετικών καουτσούκ, πλαστικών, σχιστόλιθων, άνθρακα, φαρμάκων, φαρμάκων, χημικών και φαρμακευτικών προϊόντων κ.λπ. Η ένταση και το πλάτος της γραμμής NMR νερού ή λαδιού κάνουν είναι δυνατή η μέτρηση της περιεκτικότητας σε υγρασία και λάδι με σπόρους υψηλής ακρίβειας, συντήρηση κόκκων. Κατά τον αποσυντονισμό από σήματα νερού, είναι δυνατή η καταγραφή της περιεκτικότητας σε γλουτένη σε κάθε κόκκο, η οποία, όπως και η ανάλυση περιεκτικότητας σε λάδι, επιτρέπει την ταχεία επιλογή των γεωργικών προϊόντων. πολιτισμούς. Η χρήση ολοένα ισχυρότερων μαγνητικών πεδίων (έως 14 Τ σε σειριακές συσκευές και έως 19 Τ σε πειραματικές ρυθμίσεις) καθιστά δυνατό τον πλήρη προσδιορισμό της δομής των μορίων πρωτεΐνης στα διαλύματα, τη ρητή ανάλυση βιολογικών υγρών (συγκεντρώσεις ενδογενών μεταβολιτών στο αίμα , ούρα, λέμφος, εγκεφαλονωτιαίο υγρό) , ποιοτικός έλεγχος νέων πολυμερών υλικών. Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποιούνται πολυάριθμες παραλλαγές πολυκβαντικών και πολυδιάστατων φασματοσκοπικών τεχνικών Fourier.

Διαβάστε επίσης