1. Суштината на феноменот

   Пред сè, треба да се забележи дека иако зборот „нуклеарна“ е присутен во името на овој феномен, NMR нема никаква врска со нуклеарната физика и нема никаква врска со радиоактивноста. Ако зборуваме за строг опис, тогаш не може да се направи без законите на квантната механика. Според овие закони, енергијата на интеракцијата на магнетното јадро со надворешното магнетно поле може да земе само неколку дискретни вредности. Ако магнетните јадра се озрачени со наизменично магнетно поле, чија фреквенција одговара на разликата помеѓу овие дискретни нивоа на енергија, изразени во фреквентни единици, тогаш магнетните јадра почнуваат да се движат од едно ниво до друго, додека ја апсорбираат енергијата на наизменичната Поле. Ова е феноменот на магнетна резонанца. Ова објаснување е формално точно, но не многу јасно. Има и друго објаснување, без квантна механика. Магнетното јадро може да се замисли како електрично наполнета топка која ротира околу својата оска (иако, строго кажано, тоа не е така). Според законите на електродинамиката, ротацијата на полнењето доведува до појава на магнетно поле, односно магнетниот момент на јадрото, кој е насочен долж оската на ротација. Ако овој магнетен момент е ставен во постојано надворешно поле, тогаш векторот на овој момент почнува да пречекорува, т.е., ротира околу насоката на надворешното поле. На ист начин, оската на тркалото за вртење прецесира (ротира) околу вертикалата, ако се одмотува не строго вертикално, туку под одреден агол. Во овој случај, улогата на магнетното поле ја игра гравитационата сила.

   Фреквенцијата на прецесија се одредува и од својствата на јадрото и од јачината на магнетното поле: колку е посилно полето, толку е поголема фреквенцијата. Потоа, ако, покрај постојаното надворешно магнетно поле, на јадрото делува наизменично магнетно поле, тогаш јадрото почнува да комуницира со ова поле - тоа, како што беше, посилно го заниша јадрото, амплитудата на прецесија се зголемува и јадрото ја апсорбира енергијата на наизменичното поле. Сепак, ова ќе се случи само под услов на резонанца, т.е. совпаѓање на фреквенцијата на прецесија и фреквенцијата на надворешното наизменично поле. Изгледа како класичен пример од средношколската физика - војници кои маршираат преку мост. Ако фреквенцијата на чекорот се совпаѓа со природната фреквенција на мостот, тогаш мостот се ниша се повеќе и повеќе. Експериментално, овој феномен се манифестира во зависноста на апсорпцијата на наизменично поле од неговата фреквенција. Во моментот на резонанца, апсорпцијата нагло се зголемува, а наједноставниот спектар на магнетна резонанца изгледа вака:

   

2. Фуриеова спектроскопија

   Првите NMR спектрометри работеа точно како што е опишано погоре - примерокот беше ставен во постојано магнетно поле, а на него постојано се применуваше RF зрачење. Тогаш или фреквенцијата на наизменичното поле или интензитетот на постојаното магнетно поле се менуваа непречено. Апсорпцијата на енергија на наизменичното поле беше снимена со мост на радиофреквенција, сигналот од кој излегуваше на рекордер или осцилоскоп. Но, овој метод на регистрација на сигналот не се користи долго време. Во современите NMR спектрометри, спектарот се снима со помош на импулси. Магнетните моменти на јадрата се возбудуваат со краток моќен пулс, по што се снима сигнал, кој се индуцира во RF серпентина со слободно прецесирање на магнетни моменти. Овој сигнал постепено се намалува на нула додека магнетните моменти се враќаат во рамнотежа (овој процес се нарекува магнетна релаксација). Спектарот NMR се добива од овој сигнал со помош на Фуриеова трансформација. Ова е стандардна математичка процедура која ви овозможува да разложите кој било сигнал во фреквентни хармоници и на тој начин да го добиете фреквенцискиот спектар на овој сигнал. Овој метод на снимање на спектарот ви овозможува значително да го намалите нивото на бучава и да спроведете експерименти многу побрзо.

   

   Еден пулс на возбуда за снимање на спектарот е наједноставниот експеримент NMR. Меѓутоа, во експериментот може да има многу такви импулси, со различно времетраење, амплитуди, со различни доцнења меѓу нив итн., во зависност од тоа какви манипулации треба да изврши истражувачот со системот на нуклеарни магнетни моменти. Сепак, речиси сите овие секвенци на импулси завршуваат на истото - снимање на сигнал за слободна прецесија проследена со Фуриеова трансформација.

3. Магнетни интеракции во материјата

   Самата по себе, магнетната резонанца би останала ништо повеќе од интересен физички феномен, доколку не беа магнетните интеракции на јадрата едни со други и со електронската обвивка на молекулата. Овие интеракции влијаат на параметрите на резонанца, а со нивна помош, NMR може да се користи за да се добијат различни информации за својствата на молекулите - нивната ориентација, просторна структура (конформација), интермолекуларни интеракции, хемиска размена, ротациона и транслациона динамика. Благодарение на ова, NMR стана многу моќна алатка за проучување на супстанции на молекуларно ниво, што е широко користено не само во физиката, туку главно во хемијата и молекуларната биологија. Пример за една од овие интеракции е таканареченото хемиско поместување. Нејзината суштина е како што следува: електронската обвивка на молекулата реагира на надворешно магнетно поле и се обидува да го заштити - делумното заштитување на магнетното поле се јавува кај сите дијамагнетни супстанции. Ова значи дека магнетното поле во молекулата ќе се разликува од надворешното магнетно поле за многу мала количина, што се нарекува хемиско поместување. Сепак, својствата на електронската обвивка во различни делови на молекулата се различни, а хемиското поместување е исто така различно. Според тоа, условите за резонанца за јадра во различни делови на молекулата исто така ќе се разликуваат. Ова овозможува да се разликуваат хемиски нееквивалентни јадра во спектарот. На пример, ако го земеме спектарот на водородни јадра (протони) на чиста вода, тогаш во него ќе има само една линија, бидејќи и двата протони во молекулата H 2 O се сосема исти. Но, за метил алкохол CH 3 OH веќе ќе има две линии во спектарот (ако се занемарат другите магнетни интеракции), бидејќи постојат два вида протони - протони од метил групата CH 3 и протон поврзан со атом на кислород. Како што молекулите стануваат посложени, бројот на линии ќе се зголемува, и ако земеме толку голема и сложена молекула како протеин, тогаш во овој случај спектарот ќе изгледа вака:

   

4. Магнетни јадра

   NMR може да се набљудува на различни јадра, но мора да се каже дека не сите јадра имаат магнетен момент. Често се случува некои изотопи да имаат магнетен момент, додека други изотопи од истото јадро немаат. Севкупно, има повеќе од сто изотопи на различни хемиски елементи кои имаат магнетни јадра, но во истражувањето обично се користат не повеќе од 1520 магнетни јадра, сè друго е егзотично. Секое јадро има свој карактеристичен однос на магнетното поле и фреквенцијата на прецесија, наречен жиромагнетен однос. За сите јадра овие соодноси се познати. Користејќи ги, може да се избере фреквенцијата на која, за дадено магнетно поле, ќе се набљудува сигнал од јадрата што му се потребни на истражувачот.

   Најважните јадра за NMR се протоните. Тие се најзастапени во природата и имаат многу висока чувствителност. За хемијата и биологијата, јадрата на јаглерод, азот и кислород се многу важни, но научниците немаа многу среќа со нив: најчестите изотопи на јаглерод и кислород, 12 C и 16 O, немаат магнетен момент, природниот азотниот изотоп 14 N има момент, но поради голем број причини е многу незгоден за експерименти. Постојат 13 C, 15 N и 17 O изотопи кои се погодни за NMR експерименти, но нивното природно изобилство е многу мало и чувствителноста е многу мала во споредба со протоните. Затоа, често се подготвуваат специјални изотопски збогатени примероци за NMR студии, во кои природниот изотоп на едно или друго јадро се заменува со оној што е потребен за експерименти. Во повеќето случаи, оваа постапка е многу тешка и скапа, но понекогаш тоа е единствениот начин да се добијат потребните информации.

5. Електронска парамагнетна и четириполна резонанца

   Зборувајќи за NMR, не може да не се спомне два други поврзани физички феномени - електронска парамагнетна резонанца (EPR) и нуклеарна квадрополна резонанца (NQR). EPR е суштински сличен на NMR, разликата лежи во фактот што резонанцијата е забележана на магнетните моменти не на атомските јадра, туку на електронската обвивка на атомот. EPR може да се набљудува само кај оние молекули или хемиски групи чија електронска обвивка го содржи таканаречениот неспарен електрон, тогаш обвивката има магнетен момент кој не е нула. Таквите супстанции се нарекуваат парамагнети. EPR, како NMR, исто така се користи за проучување на различни структурни и динамички својства на супстанции на молекуларно ниво, но неговиот опсег е многу потесен. Ова главно се должи на фактот дека повеќето молекули, особено во живата природа, не содржат неспарени електрони. Во некои случаи, можно е да се користи таканаречена парамагнетна сонда, т.е. хемиска група со неспарен електрон што се врзува за молекулата што се проучува. Но, овој пристап има очигледни недостатоци кои ги ограничуваат можностите на овој метод. Покрај тоа, во EPR нема толку висока спектрална резолуција (т.е. способност да се разликува една линија од друга во спектарот) како во NMR.

   Најтешко е да се објасни природата на NQR „на прсти“. Некои јадра имаат таканаречен електричен четириполен момент. Овој момент го карактеризира отстапувањето на распределбата на електричниот полнеж на јадрото од сферичната симетрија. Интеракцијата на овој момент со градиентот на електричното поле создаден од кристалната структура на супстанцијата доведува до расцепување на енергетските нивоа на јадрото. Во овој случај, резонанца може да се забележи на фреквенција што одговара на транзициите помеѓу овие нивоа. За разлика од NMR и EPR, NQR не бара надворешно магнетно поле, бидејќи разделувањето на нивото се случува без него. NQR се користи и за проучување на супстанции, но неговиот опсег е уште потесен од оној на EPR.

6. Предности и недостатоци на NMR

   

   NMR е најмоќниот и најинформативниот метод за проучување на молекулите. Строго кажано, ова не е еден метод, туку голем број на различни видови експерименти, т.е. пулсни секвенци. Иако сите тие се засноваат на феноменот NMR, но секој од овие експерименти е дизајниран да добие одредени специфични информации. Бројот на овие експерименти се мери со многу десетици, ако не и стотици. Теоретски, NMR може, ако не сè, тогаш речиси сè што можат сите други експериментални методи за проучување на структурата и динамиката на молекулите, иако во пракса ова, се разбира, е далеку од секогаш изводливо. Една од главните предности на NMR е тоа што, од една страна, нејзините природни сонди, т.е. магнетните јадра, се распоредени низ молекулата, а од друга страна, овозможува да се разликуваат овие јадра едни од други и да се добие просторно селективни податоци за својствата на молекулата. Речиси сите други методи обезбедуваат информации или просечни за целата молекула или само за еден од нејзините делови.

   Постојат два главни недостатоци на NMR. Прво, ова е ниска чувствителност во споредба со повеќето други експериментални методи (оптичка спектроскопија, флуоресценција, EPR, итн.). Ова води до фактот дека за да се просече бучавата, сигналот мора да се акумулира долго време. Во некои случаи, експериментот NMR може да се спроведе дури и неколку недели. Второ, тоа е неговата висока цена. Спектрометрите NMR се меѓу најскапите научни инструменти, чинат најмалку стотици илјади долари, а најскапите спектрометри чинат неколку милиони. Не сите лаборатории, особено во Русија, можат да си дозволат да имаат таква научна опрема.

7. Магнети за NMR спектрометри

   Еден од најважните и најскапите делови на спектрометарот е магнетот, кој создава постојано магнетно поле. Колку е посилно полето, толку е поголема чувствителноста и спектралната резолуција, така што научниците и инженерите постојано се обидуваат да ги добијат највисоките можни полиња. Магнетното поле се создава со електрична струја во соленоидот - колку е посилна струјата, толку е поголемо полето. Сепак, невозможно е да се зголеми струјата на неодредено време, при многу висока струја, електромагнетната жица едноставно ќе почне да се топи. Затоа, суперспроводливите магнети, т.е. магнети во кои електромагнетната жица е во суперспроводлива состојба, се користат многу долго за NMR спектрометри со високо поле. Во овој случај, електричниот отпор на жицата е нула и не се ослободува енергија при која било сегашна вредност. Состојбата на суперспроводливост може да се добие само на многу ниски температури, само неколку степени Келвин - ова е температурата на течниот хелиум. (Високотемпературната суперспроводливост сè уште е само прашање на чисто фундаментално истражување.) Со одржувањето на толку ниска температура се поврзуваат сите технички потешкотии во дизајнот и производството на магнети, што предизвикува нивната висока цена. Суперспроводливиот магнет е изграден на принципот на термос матриошка. Соленоидот е во центарот, во вакуумската комора. Опкружен е со школка која содржи течен хелиум. Оваа обвивка е опкружена со обвивка од течен азот преку вакуумски слој. Температурата на течниот азот е минус 196 Целзиусови степени, потребен е азот за хелиумот да испарува што е можно побавно. Конечно, азотната обвивка е изолирана од собна температура со надворешен вакуумски слој. Таквиот систем е во состојба да ја одржува саканата температура на суперспроводливиот магнет многу долго, иако за ова е неопходно редовно да се истураат течен азот и хелиум во магнетот. Предноста на таквите магнети, покрај можноста за добивање на високи магнетни полиња, е и тоа што тие не трошат енергија: по почетокот на магнетот, струјата поминува низ суперспроводливите жици практично без загуба многу години.

8. Томографија

   Во конвенционалните NMR спектрометри, тие се обидуваат да го направат магнетното поле што е можно подеднакво, ова е неопходно за да се подобри спектралната резолуција. Но, ако магнетното поле во примерокот, напротив, е многу нехомогено, ова отвора фундаментално нови можности за користење на NMR. Нехомогеноста на полето ја создаваат таканаречените градиентни намотки, кои се спарени со главниот магнет. Во овој случај, големината на магнетното поле во различни делови од примерокот ќе биде различна, што значи дека NMR сигналот може да се набљудува не од целиот примерок, како во конвенционалниот спектрометар, туку само од неговиот тесен слој, за кој се исполнети условите за резонанца, односно саканиот однос на магнетното поле и фреквенцијата. Со менување на големината на магнетното поле (или, што во суштина е иста работа, фреквенцијата на набљудување на сигналот), можете да го промените слојот што ќе го даде сигналот. Така, можно е да се „скенира“ примерокот низ неговиот волумен и да се „види“ неговата внатрешна тридимензионална структура без да се уништи примерокот на каков било механички начин. До денес, развиени се голем број техники кои овозможуваат мерење на различни NMR параметри (спектрални карактеристики, времиња на магнетна релаксација, стапка на самодифузија и некои други) со просторна резолуција во примерокот. Најинтересно и најважно, од практична гледна точка, употребата на НМР томографија беше пронајдена во медицината. Во овој случај, „примерокот“ што се испитува е човечкото тело. Снимањето NMR е едно од најефикасните и најбезбедните (но и скапи) дијагностички алатки во различни области на медицината, од онкологија до акушерство. Интересно е да се забележи дека лекарите не го користат зборот „нуклеарна“ во името на овој метод, бидејќи некои пациенти го поврзуваат со нуклеарни реакции и атомска бомба.

9. Историја на откривање

   

   Годината на откривањето на NMR се смета за 1945 година, кога Американците Феликс Блох од Стенфорд и независно Едвард Парсел и Роберт Паунд од Харвард првпат го набљудувале сигналот NMR на протоните. Дотогаш, веќе беше познато многу за природата на нуклеарниот магнетизам, самиот ефект NMR беше теоретски предвиден и беа направени неколку обиди експериментално да се набљудува. Важно е да се напомене дека една година порано во Советскиот Сојуз, во Казан, феноменот ИПР беше откриен од Евгениј Завоиски. Сега е добро познато дека Завоиски исто така го набљудувал сигналот NMR, ова беше пред војната, во 1941 година. Сепак, тој имаше на располагање магнет со слаб квалитет со слаба униформност на полето, резултатите беа слабо репродуктивни и затоа останаа необјавени. За да бидеме фер, треба да се забележи дека Завоиски не бил единствениот кој го набљудувал NMR пред неговото „официјално“ откритие. Конкретно, американскиот физичар Исидор Раби (добитник на Нобеловата награда во 1944 година за проучување на магнетните својства на јадрата во атомските и молекуларните зраци) исто така го набљудувал NMR во доцните 1930-ти, но сметал дека ова е инструментален артефакт. Вака или онака, но нашата земја останува приоритет во експерименталното детектирање на магнетна резонанца. Иако самиот Завоиски веднаш по војната почна да се занимава со други проблеми, неговото откритие за развојот на науката во Казан одигра огромна улога. Казан сè уште е еден од водечките светски истражувачки центри за EPR спектроскопија.

10. Нобелови награди за магнетна резонанца

    Во првата половина на 20 век, неколку Нобелови награди беа доделени на научници без чија работа откритието на НМР не можеше да се случи. Меѓу нив се Питер Симан, Ото Стерн, Исидор Раби, Волфганг Паули. Но, имаше четири Нобелови награди директно поврзани со НМР. Во 1952 година, Феликс Блох и Едвард Персел ја добија наградата за откривање на НМР. Ова е единствената „НМР“ Нобелова награда за физика. Во 1991 година, наградата за хемија му беше доделена на Швајцарецот Ричард Ернст, кој работеше во познатиот ЕТХ Цирих. Нему му беше доделена за развој на мултидимензионални методи на спектроскопија NMR, што овозможи радикално да се зголеми информациската содржина на експериментите NMR. Во 2002 година, добитник на наградата, исто така по хемија, беше Курт Витрих, кој работеше со Ернст во соседните згради во истото Техничко училиште. Тој ја доби наградата за развој на методи за определување на тродимензионалната структура на протеините во раствор. Пред ова, единствениот метод што дозволуваше да се одреди просторната конформација на големите биомакромолекули беше само рендгенската дифракциона анализа. Конечно, во 2003 година, Американецот Пол Лаутербур и Англичанецот Питер Менсфилд ја добија медицинската награда за пронајдокот на снимката со NMR. Советскиот откривач на ИПР Е.К.Завоиски, за жал, не ја доби Нобеловата награда.

Нуклеарна магнетна резонанца

Нуклеарна магнетна резонанца (NMR) - резонантна апсорпција или емисија на електромагнетна енергија од супстанца која содржи јадра со вртење без нула во надворешно магнетно поле, со фреквенција ν (наречена фреквенција NMR), поради преориентирање на магнетните моменти на јадрата. Феноменот на нуклеарна магнетна резонанца беше откриен во 1938 година од страна на Исак Раби во молекуларни зраци, за што беше награден со Нобеловата награда во 1944 година. Во 1946 година, Феликс Блох и Едвард Милс Персел добија нуклеарна магнетна резонанца во течности и цврсти материи (Нобелова награда 1952 година). .

Истите јадра на атоми во различни средини во молекулата покажуваат различни NMR сигнали. Разликата помеѓу таков NMR сигнал и сигналот на стандардна супстанција овозможува да се одреди таканареченото хемиско поместување, што се должи на хемиската структура на супстанцијата што се проучува. Во техниките на NMR, постојат многу можности за одредување на хемиската структура на супстанциите, конформациите на молекулите, ефектите од меѓусебното влијание и интрамолекуларните трансформации.

Математички опис Магнетен момент на јадрото mu=y*lgdel- спин на јарот; y - константна лента Фреквенција на која се забележува NMR

Хемиска поларизација на јадрата

Кога одредени хемиски реакции продолжуваат во магнетно поле, NMR спектрите на реакционите производи покажуваат или аномално висока апсорпција или радио емисија. Овој факт укажува на нерамнотежа популација на нуклеарните Земанови нивоа во молекулите на реакционите производи. Пренаселеноста на пониското ниво е придружена со аномална апсорпција. Инверзијата на населението (горното ниво е понаселено од долното) резултира со радио емисија. Овој феномен се нарекува хемиска поларизација на јадрата

Во NMR се користи за подобрување на нуклеарната магнетизација Ларморни фреквенции на некои атомски јадра

јадро	Фреквенција на Лармор во MHz на 0,5 Тесла	Лармор фреквенција во MHz на 1 Тесла	Лармор фреквенција во MHz на 7,05 Тесла
1 ч ( Водород)
²D( Деутериум)
13 C ( Јаглерод)
23 Na( Натриум)
39 K ( Калиум)

Фреквенцијата за протонска резонанца е во опсегот кратки бранови(бранова должина околу 7 m) .

Примена на NMR

Спектроскопија

NMR спектроскопија

Уреди

Срцето на спектрометарот NMR е моќен магнет. Во експериментот што го иницираше Purcell, примерокот сместен во стаклена ампула со дијаметар од околу 5 mm е поставен помеѓу половите на силен електромагнет. Потоа, за да се подобри униформноста на магнетното поле, ампулата почнува да ротира, а магнетното поле што дејствува на неа постепено се зголемува. Како извор на зрачење се користи висококвалитетен RF генератор. Под дејство на зголемено магнетно поле, јадрата на кои е дотеран спектрометарот почнуваат да резонираат. Во овој случај, заштитените јадра резонираат со фреквенција малку пониска од јадрата без електронски обвивки. Апсорпцијата на енергија се снима со RF мост, а потоа се снима со рекордер на графикони. Фреквенцијата се зголемува додека не достигне одредена граница, над која резонанца е невозможна.

Бидејќи струите што доаѓаат од мостот се многу мали, тие не се ограничени на преземање на еден спектар, туку прават неколку десетици премини. Сите примени сигнали се сумирани на конечниот графикон, чиј квалитет зависи од односот сигнал-шум на уредот.

При овој метод примерокот е изложен на радиофреквентно зрачење со константна фреквенција додека јачината на магнетното поле се менува, поради што се нарекува и метод на континуирано зрачење (CW, континуиран бран).

Традиционалниот метод на NMR спектроскопија има многу недостатоци. Прво, потребно е многу време за да се изгради секој спектар. Второ, многу е пребирливо за отсуството на надворешни пречки, и по правило, добиените спектри имаат значителен шум. Трето, не е соодветен за создавање високофреквентни спектрометри (300, 400, 500 и повеќе MHz). Затоа, во современите NMR инструменти се користи таканаречениот метод на импулсна спектроскопија (PW), базиран на Фуриеовата трансформација на примениот сигнал. Во моментов, сите NMR спектрометри се изградени врз основа на моќни суперспроводливи магнети со постојано магнетно поле.

За разлика од методот CW, во пулсираната верзија, побудувањето на јадрата се врши не со „константен бран“, туку со помош на краток пулс долг неколку микросекунди. Амплитудите на фреквентните компоненти на пулсот се намалуваат со зголемување на растојанието од ν 0 . Но, бидејќи е пожелно сите јадра да се озрачуваат подеднакво, неопходно е да се користат „тврди импулси“, односно кратки импулси со голема моќност. Времетраењето на пулсот е избрано така што фреквентниот опсег е поголем од ширината на спектарот за еден или два реда на големина. Моќта достигнува неколку илјади вати.

Како резултат на импулсна спектроскопија, не се добива обичен спектар со видливи врвови на резонанца, туку слика на пригушени резонантни осцилации, во кои се мешаат сите сигнали од сите резонантни јадра - таканареченото „слободно индукционо распаѓање“ (FID, бесплатно индукција распаѓање). За трансформација на овој спектар се користат математички методи, таканаречената Фуриеова трансформација, според која секоја функција може да се претстави како збир од множество хармониски осцилации.

NMR спектри

Спектар од 1H4-етоксибензалдехид. Во слабото поле (единечно ~ 9,25 ppm) сигналот на протонот на алдехидната група, во силното поле (тројно ~ 1,85-2 ppm) - протонот на метил етокси групата.

За квалитативна анализа со помош на NMR, се користи спектрална анализа, врз основа на таквите извонредни својства на овој метод:

сигналите на јадрата на атомите вклучени во одредени функционални групи лежат во строго дефинирани региони на спектарот;

интегралната област ограничена со врвот е строго пропорционална со бројот на атоми што резонираат;

јадрата што лежат низ 1-4 врски се способни да произведуваат повеќекратни сигнали како резултат на т.н. се дели еден на друг.

Положбата на сигналот во спектрите NMR се карактеризира со нивното хемиско поместување во однос на референтниот сигнал. Како последново во 1H и 13C NMR, се користи тетраметилсилан Si(CH3)4 (TMS). Единицата за хемиско поместување е делови на милион (ppm) од фреквенцијата на инструментот. Ако го земеме сигналот TMS како 0, а поместувањето на сигналот на слабо поле го земеме како позитивно хемиско поместување, тогаш ќе ја добиеме таканаречената δ скала. Ако резонанцијата на тетраметилсилан е изедначена со 10 ppm и обратете ги знаците, тогаш добиената скала ќе биде скалата τ, која практично не се користи во моментов. Ако спектарот на супстанцијата е премногу комплициран за да се толкува, може да се користат квантни хемиски методи за пресметување на скрининг константите и да се корелираат сигналите врз основа на нив.

НМР интроскопија

Феноменот на нуклеарна магнетна резонанца може да се користи не само во физиката и хемијата, туку и во медицината: човечкото тело е комбинација од сите исти органски и неоргански молекули.

За да се набљудува овој феномен, објектот се става во постојано магнетно поле и е изложен на радиофреквенција и градиентни магнетни полиња. Во индукторот што го опкружува предметот што се проучува, се јавува наизменична електромоторна сила (ЕМП), чиј амплитудно-фреквентен спектар и карактеристиките на временската транзиција носат информации за просторната густина на резонирачките атомски јадра, како и за други параметри специфични само за нуклеарна магнетна резонанца. Компјутерската обработка на оваа информација формира тродимензионална слика која ја карактеризира густината на хемиски еквивалентни јадра, времето на релаксација на нуклеарната магнетна резонанца, распределбата на стапките на проток на течности, дифузијата на молекулите и биохемиските процеси на метаболизмот во живите ткива.

Суштината на НМР интроскопијата (или магнетната резонанца) се состои, всушност, во спроведувањето на посебен вид квантитативна анализа на амплитудата на сигналот на нуклеарната магнетна резонанца. Во конвенционалната NMR спектроскопија, целта е да се реализира најдобрата можна резолуција на спектралните линии. За да го направите ова, магнетните системи се приспособуваат на таков начин што ќе создадат најдобра можна униформност на полето во примерокот. Во методите на NMR интроскопија, напротив, магнетното поле е создадено очигледно нехомогено. Потоа, постои причина да се очекува дека фреквенцијата на нуклеарна магнетна резонанца во секоја точка од примерокот има своја вредност, различна од вредностите во другите делови. Со одредување на одреден код за градации на амплитудата на сигналот NMR (осветленост или боја на екранот на мониторот), може да се добие условна слика (томограм) на делови од внатрешната структура на објектот.

НМР интроскопијата, НМР томографијата беа измислени за прв пат во светот во 1960 година од В.А.Иванов. Пријавата за пронајдок (метод и уред) е одбиена од неспособен стручњак „... поради очигледната залудност на предложеното решение“, па затоа авторски сертификат за ова е издаден дури после повеќе од 10 години. Така, официјално е признаено дека авторот на снимањето NMR не е тимот на нобеловците наведени подолу, туку руски научник. И покрај овој правен факт, Нобеловата награда за МРИ томографија во никој случај не му беше доделена на В.А.Иванов.

Нуклеарната магнетна резонанца (НМР) е најбезбедниот дијагностички метод

Благодарам

Веб-страницата обезбедува референтни информации само за информативни цели. Дијагнозата и третманот на болестите треба да се спроведуваат под надзор на специјалист. Сите лекови имаат контраиндикации. Потребен е стручен совет!

Генерални информации

Феномен нуклеарна магнетна резонанца (НМР)бил откриен во 1938 година од рабинот Исак. Феноменот се заснова на присуството на магнетни својства во јадрата на атомите. Дури во 2003 година беше измислен метод за користење на овој феномен за дијагностички цели во медицината. За пронајдокот, неговите автори ја добија Нобеловата награда. Во спектроскопијата, телото што се проучува ( односно телото на пациентот) се става во електромагнетно поле и се озрачува со радио бранови. Ова е сосема безбеден метод за разлика од, на пример, компјутерската томографија), кој има многу висок степен на резолуција и чувствителност.

Примена во економијата и науката

1. Во хемијата и физиката, да се идентификуваат супстанциите што учествуваат во реакцијата, како и конечните резултати од реакциите,
2. Во фармакологијата за производство на лекови,
3. Во земјоделството, да се утврди хемискиот состав на житото и подготвеноста за сеидба ( многу корисно за размножување на нови видови),
4. Во медицината - за дијагностика. Многу информативен метод за дијагностицирање на болести на 'рбетот, особено на интервертебралните дискови. Овозможува откривање и на најмалите прекршувања на интегритетот на дискот. Открива канцерогени тумори во раните фази на формирање.

Суштината на методот

Методот на нуклеарна магнетна резонанца се заснова на фактот дека во моментот кога телото е во специјално наместено многу силно магнетно поле ( 10.000 пати посилно од магнетното поле на нашата планета), молекулите на водата присутни во сите клетки на телото формираат синџири паралелни со насоката на магнетното поле.

Ако насоката на полето наеднаш се промени, молекулата на водата ослободува честичка електрична енергија. Токму овие полнежи ги снимаат сензорите на уредот и ги анализираат компјутер. Според интензитетот на концентрацијата на вода во клетките, компјутерот создава модел на органот или дел од телото што се проучува.

На излезот, лекарот има монохроматска слика, на која можете да видите тенки делови од органот со големи детали. Во однос на содржината на информации, овој метод значително ја надминува компјутерската томографија. Понекогаш има дури и повеќе детали за органот што се проучува отколку што се потребни за дијагноза.

Видови спектроскопија со магнетна резонанца

• биолошки течности,
• Внатрешни органи.

Техниката овозможува детално да се испитаат сите ткива на човечкото тело, вклучително и водата. Колку повеќе течности во ткивата, толку тие се полесни и посветли на сликата. Коските, во кои има малку вода, се прикажани како темни. Затоа, во дијагнозата на коскените заболувања, компјутерската томографија е поинформативна.

Техниката на перфузија со магнетна резонанца овозможува да се контролира движењето на крвта низ ткивата на црниот дроб и мозокот.

Денес, името се повеќе се користи во медицината. МНР (Магнетна резонанца ), бидејќи спомнувањето на нуклеарна реакција во насловот ги плаши пациентите.

Индикации

1. болести на мозокот,
2. Студии за функциите на мозочните региони,
3. болести на зглобовите,
4. болести на 'рбетот,
5. Болести на внатрешните органи на абдоминалната празнина,
6. Болести на уринарниот систем и репродукција,
7. Болести на медијастинумот и срцето,
8. Васкуларни заболувања.

Контраиндикации

Апсолутни контраиндикации:
1. пејсмејкер,
2. Електронски или феромагнетни протези за средно уво,
3. Илизаров феромагнетни уреди,
4. Големи метални внатрешни протези,
5. Хемостатски стеги на церебралните садови.

Релативни контраиндикации:
1. стимуланси на нервниот систем,
2. инсулински пумпи,
3. Други видови на протези за внатрешно уво,
4. протетски срцеви залистоци,
5. Хемостатски стеги на други органи,
6. Бременост ( треба да добиете мислење од гинеколог),
7. Срцева слабост во фаза на декомпензација,
8. клаустрофобија ( страв од затворен простор).

Подготовка на студијата

Посебна подготовка е потребна само за оние пациенти кои одат на преглед на внатрешните органи ( уринарниот и дигестивниот тракт): Не треба да јадете храна пет часа пред постапката.
Ако главата се испитува, на фер сексот им се советува да ја отстрани шминката, бидејќи супстанциите вклучени во козметиката ( на пример во сенка за очи) може да влијае на резултатот. Целиот метален накит треба да се отстрани.
Понекогаш медицинскиот персонал ќе го проверува пациентот со пренослив детектор за метал.

Како се прави истражувањето?

Пред почетокот на студијата, секој пациент пополнува прашалник кој помага да се идентификуваат контраиндикации.

Уредот е широка цевка во која пациентот се става во хоризонтална положба. Пациентот мора да остане целосно мирен, инаку сликата нема да биде доволно јасна. Внатре во цевката не е темно и има принудна вентилација, така што условите за постапката се прилично удобни. Некои инсталации произведуваат забележливо брмчење, а потоа на испитаното лице се ставаат слушалки што апсорбираат бучава.

Времетраењето на прегледот може да биде од 15 минути до 60 минути.
Во некои медицински центри, дозволено е просторијата каде што се спроведува студијата, заедно со пациентот, да има и негов роднина или придружник ( ако нема контраиндикации).

Во некои медицински центри, анестезиолог дава седативи. Постапката во овој случај е многу полесна за толерирање, особено за пациенти кои страдаат од клаустрофобија, мали деца или пациенти на кои поради некоја причина им е тешко да бидат неподвижни. Пациентот паѓа во состојба на терапевтски сон и од него излегува одморен и буден. Употребените лекови брзо се излачуваат од телото и се безбедни за пациентот.

Резултатот од прегледот е готов во рок од 30 минути по завршувањето на постапката. Резултатот се издава во форма на ДВД, лекарски извештај и слики.

Употреба на контрастно средство во МНР

Најчесто, постапката се одвива без употреба на контраст. Меѓутоа, во некои случаи тоа е неопходно за васкуларен преглед). Во овој случај, контрастното средство се внесува интравенски со помош на катетер. Постапката е слична на која било интравенска инјекција. За овој тип на истражување се користат специјални супстанции - парамагнети. Ова се слаби магнетни супстанции, чии честички, кои се во надворешно магнетно поле, се магнетизираат паралелно со линиите на полето.

Контраиндикации за употреба на контрастно средство:

• Бременост,
• Индивидуална нетолеранција кон компонентите на контрастното средство, претходно идентификувана.

Испитување на садови (магнетна резонантна ангиографија)

Користејќи го овој метод, можете да ја контролирате и состојбата на циркулаторната мрежа и движењето на крвта низ садовите.
И покрај фактот дека методот овозможува да се „видат“ садовите дури и без контрастно средство, со неговата употреба сликата е повизуелна.
Специјалните 4-Д инсталации овозможуваат следење на движењето на крвта речиси во реално време.

Индикации:

• вродени срцеви мани,
• Аневризма, нејзино расчленување,
• васкуларна стеноза,

истражување на мозокот

Ова е мозочна студија која не користи радиоактивни зраци. Методот ви овозможува да ги видите коските на черепот, но меките ткива може да се испитаат подетално. Одлична дијагностичка метода во неврохирургијата, како и неврологијата. Овозможува откривање на последиците од хронични модринки и потреси, мозочни удари, како и неоплазми.
Обично се препишува за состојби слични на мигрена со непозната етиологија, нарушена свест, неоплазми, хематоми, нарушена координација.

Со МРИ на мозокот, се испитуваат следново:

• главните садови на вратот,
• крвните садови кои го хранат мозокот
• мозочно ткиво,
• орбити на очите,
• подлабоките делови на мозокот малиот мозок, епифизата, хипофизата, долгнавестите и средните поделби).

Функционален NMR

Оваа дијагноза се заснова на фактот дека кога ќе се активира кој било дел од мозокот одговорен за одредена функција, циркулацијата на крвта во оваа област се зголемува.
На прегледаниот му се даваат различни задачи, а при нивното извршување се снима циркулацијата на крвта во различни делови од мозокот. Податоците добиени за време на експериментите се споредуваат со томограмот добиен во периодот на одмор.

Испитување на 'рбетот

Овој метод е одличен за испитување на нервните завршетоци, мускулите, коскената срцевина и лигаментите, како и интервертебралните дискови. Но, со фрактури на 'рбетот или потреба од проучување на коскените структури, тој е донекаде инфериорен во однос на компјутерската томографија.

Можете да го испитате целиот 'рбет или можете да го испитате само вознемирувачкиот дел: цервикалниот, торакалниот, лумбосакралниот, а исто така и кокцигеумот одделно. Значи, при испитување на цервикалниот регион, може да се откријат патологии на крвните садови и пршлените кои влијаат на снабдувањето со крв во мозокот.
При испитување на лумбалниот предел, можно е да се откријат интервертебрални хернии, шила на коските и 'рскавицата, како и стегнати нерви.

Индикации:

• Промени во обликот на интервертебралните дискови, вклучително и хернијација,
• Повреди на грбот и 'рбетот
• Остеохондроза, дистрофични и воспалителни процеси во коските,
• Неоплазми.

Испитување на 'рбетниот мозок

Се спроведува истовремено со преглед на 'рбетот.

Индикации:

• Веројатноста за појава на неоплазми на 'рбетниот мозок, фокална лезија,
• За контрола на полнењето на шуплините на цереброспиналната течност на 'рбетниот мозок,
• цисти на 'рбетниот столб,
• За да се контролира закрепнувањето по операцијата,
• Со веројатност за болести на 'рбетниот мозок.

Заедничка студија

Овој метод на истражување е многу ефикасен за испитување на состојбата на меките ткива кои го сочинуваат зглобот.

Се користи за дијагностицирање:

• хроничен артритис,
• Повреди на тетивите, мускулите и лигаментите ( особено се користи во спортската медицина),
• фрактури,
• Неоплазми на меките ткива и коските,
• Оштетувањето не е откриено со други дијагностички методи.

Се однесува на:

• Испитување на зглобовите на колкот за остеомиелитис, некроза на феморалната глава, стрес фрактура, септичен артритис,
• Испитување на колена зглобовите со стресни фрактури, повреда на интегритетот на некои внатрешни компоненти ( менискус, 'рскавица),
• Испитување на рамениот зглоб при дислокации, приклештени нерви, кинење на зглобната капсула,
• Испитување на зглобот со повреда на стабилноста, повеќекратни фрактури, повреда на медијалниот нерв, оштетување на лигаментите.

Испитување на темпоромандибуларниот зглоб

Пропишано е да се утврдат причините за нарушување на функцијата на зглобот. Оваа студија најцелосно ја открива состојбата на 'рскавицата и мускулите, овозможува откривање на дислокации. Се користи и пред ортодонтски или ортопедски операции.

Индикации:

• Губење на мобилноста на долната вилица
• Кликнете при отворање - затворање на устата,
• Болка во слепоочницата при отворање - затворање на устата,
• Болка при испитување на мускулите за џвакање,
• Болка во мускулите на вратот и главата.

Испитување на внатрешните органи на абдоминалната празнина

Испитување на панкреасот и црниот дроб е пропишано за:

• неинфективна жолтица,
• Веројатност за неоплазма на црниот дроб, дегенерација, апсцес, цисти, со цироза,
• Како контрола на текот на лекувањето,
• За трауматски фрактури
• Камења во жолчното кесе или жолчните канали
• Панкреатитис од која било форма,
• Веројатноста за појава на неоплазми
• Исхемија на паренхимот.

Методот ви овозможува да откриете цисти на панкреасот, да ја испитате состојбата на жолчните канали. Се откриваат сите формации кои ги затнуваат каналите.

Бубрежниот тест е индициран за:

• Сомнение за неоплазма
• Болести на органи и ткива лоцирани во близина на бубрезите,
• Веројатноста за прекршување на формирањето на уринарните органи,
• Во случај на неможност за спроведување на екскреторна урографија.

Пред испитување на внатрешните органи со методот на нуклеарна магнетна резонанца, неопходно е да се спроведе ултразвучен преглед.

Истражување за болести на репродуктивниот систем

Карличните прегледи се пропишани за:

• Веројатност за неоплазма на матката, мочниот меур, простатата,
• повреда,
• Неоплазми на малата карлица за откривање на метастази,
• Болка во пределот на сакрумот,
• везикулитис,
• Да се ​​испита состојбата на лимфните јазли.

Со рак на простата, овој преглед е пропишан за да се открие ширењето на неоплазмата до блиските органи.

Еден час пред студијата, не е пожелно да се уринира, бидејќи сликата ќе биде поинформативна ако мочниот меур е донекаде полн.

Истражување за време на бременоста

И покрај фактот дека овој метод на истражување е многу побезбеден од рентген или компјутеризирана томографија, строго не е дозволено да се користи во првиот триместар од бременоста.
Во вториот и третиот триместар од овие методи, методот се пропишува само од здравствени причини. Опасноста од постапката за телото на бремената жена лежи во фактот што во текот на постапката се загреваат некои ткива, што може да предизвика несакани промени во формирањето на фетусот.
Но, употребата на контрастно средство за време на бременоста е строго забранета во која било фаза од бременоста.

Мерки на претпазливост

1. Некои NMR инсталации се изградени во форма на затворена цевка. Луѓето кои страдаат од страв од затворени простори може да имаат напад. Затоа, подобро е однапред да прашате како ќе оди постапката. Има отворени инсталации. Тие се просторија слична на просторија за рендген, но таквите инсталации се ретки.

2. Забрането е влегување во просторијата каде што се наоѓа уредот со метални предмети и електронски уреди ( на пример, часовници, накит, клучеви), бидејќи во моќно електромагнетно поле, електронските уреди може да се расипат, а малите метални предмети ќе се распрснат. Во исто време, нема да се добијат целосно точни податоци од анкетата.

Пред употреба, треба да се консултирате со специјалист.

Содржината на статијата

МАГНЕТНА РЕЗОНАНЦА,резонантна (селективна) апсорпција на радиофреквентно зрачење од одредени атомски честички сместени во постојано магнетно поле. Повеќето елементарни честички, како врвовите, ротираат околу сопствената оска. Ако некоја честичка има електричен полнеж, тогаш кога се ротира, настанува магнетно поле, т.е. се однесува како мал магнет. Кога овој магнет е во интеракција со надворешно магнетно поле, се случуваат феномени кои овозможуваат да се добијат информации за јадра, атоми или молекули, кои ја вклучуваат оваа елементарна честичка. Методот на магнетна резонанца е универзална алатка за истражување што се користи во различни области на науката како што се биологијата, хемијата, геологијата и физиката. Постојат два главни типа на магнетна резонанца: електронска парамагнетна резонанца и нуклеарна магнетна резонанца.

Електронска парамагнетна резонанца (EPR).

Нуклеарна магнетна резонанца (НМР).

NMR беше откриен во 1946 година од американските физичари Е. Персел и Ф. Блох. Работејќи независно еден од друг, тие најдоа начин за резонантно „подесување“ во магнетните полиња на сопствените ротации на јадрата на некои атоми, како што се водородот и еден од изотопите на јаглеродот. Кога примерокот што содржи такви јадра се става во силно магнетно поле, нивните нуклеарни моменти се „поредуваат“ како железни гребени во близина на постојан магнет. Оваа општа ориентација може да биде нарушена од RF сигнал. Кога сигналот е исклучен, нуклеарните моменти се враќаат во првобитната состојба, а брзината на таквото обновување зависи од нивната енергетска состојба, видот на околните јадра и низа други фактори. Транзицијата е придружена со емисија на радиофреквентен сигнал. Сигналот се испраќа до компјутер кој го обработува. На овој начин (метод на компјутеризирана NMR томографија) може да се добијат слики. (Кога надворешното магнетно поле се менува во мали чекори, се постигнува ефект на тридимензионална слика.) Методот NMR обезбедува висок контраст на различни меки ткива на сликата, што е исклучително важно за идентификување на заболените клетки наспроти позадината на здравите. NMR томографијата се смета за побезбедна од рендген, бидејќи не предизвикува никакво уништување или иритација на ткивото.

нуклеарна магнетна резонантна спектрометрија

NMR е најмоќниот и најинформативниот метод за проучување на молекулите. Строго кажано, ова не е еден метод, туку голем број на различни видови експерименти, т.е. пулсни секвенци. Иако сите тие се засноваат на феноменот NMR, но секој од овие експерименти е дизајниран да добие одредени специфични информации. Бројот на овие експерименти се мери со многу десетици, ако не и стотици. Теоретски, NMR може, ако не сè, тогаш речиси сè што можат сите други експериментални методи за проучување на структурата и динамиката на молекулите, иако во пракса ова, се разбира, е далеку од секогаш изводливо. Една од главните предности на NMR е тоа што, од една страна, нејзините природни сонди, т.е. магнетните јадра, се распоредени низ молекулата, а од друга страна, овозможува да се разликуваат овие јадра едни од други и да се добие просторно селективни податоци за својствата на молекулата. Речиси сите други методи обезбедуваат информации или просечни за целата молекула или само за еден од нејзините делови.

Постојат два главни недостатоци на NMR. Прво, ова е ниска чувствителност во споредба со повеќето други експериментални методи (оптичка спектроскопија, флуоресценција, EPR, итн.). Ова води до фактот дека за да се просече бучавата, сигналот мора да се акумулира долго време. Во некои случаи, експериментот NMR може да се спроведе дури и неколку недели. Второ, тоа е неговата висока цена. Спектрометрите NMR се меѓу најскапите научни инструменти, чинат најмалку стотици илјади долари, а најскапите спектрометри чинат неколку милиони. Не сите лаборатории, особено во Русија, можат да си дозволат да имаат таква научна опрема.

Примена на NMR

Примена на NMR спектроскопија. NMR спектроскопијата се однесува на недеструктивни методи на анализа. Модерната импулсна NMR Фуриеова спектроскопија овозможува анализа на 80 магнетни јадра. NMR спектроскопијата е еден од главните физичко-хемиски методи на анализа; нејзините податоци се користат за недвосмислена идентификација и на меѓупроизводите на хемиските реакции и на целните. Покрај структурните задачи и квантитативната анализа, NMR спектроскопијата обезбедува информации за конформациска рамнотежа, дифузија на атоми и молекули во цврсти материи, внатрешни движења, водородни врски и асоцијација во течности, тавтомеризам, метали и прототропија, подредување и дистрибуција на врските во полимерните синџири, електронска структура на јонски кристали, течни кристали, итн. NMR спектроскопијата е извор на информации за структурата на биополимерите, вклучително и протеинските молекули во растворите, споредливи во веродостојноста со податоците за анализа на Х-зраци. Во 80-тите. започна брзото воведување на методи на спектроскопија и NMR томографија во медицината за дијагноза на сложени болести и во профилактички медицински преглед на населението. Бројот и положбата на линиите во спектрите NMR недвосмислено ги карактеризираат сите фракции на сурова нафта, синтетичка гума, пластика, шкрилци, јаглен, лекови, лекови, хемикалии и фармацевтски производи, итн. можно е да се измери содржината на влага и масло со семиња со висока точност, зачувување на жито. При детонирање од сигнали за вода, можно е да се забележи содржината на глутен во секое зрно, што, како и анализата на содржината на маслото, овозможува забрзан избор на земјоделски култури. култури. Употребата на уште посилни магнетни полиња (до 14 Т во сериски уреди и до 19 Т во експериментални поставки) овозможува целосно да се одреди структурата на протеинските молекули во растворите, експресна анализа на биолошки течности (концентрации на ендогени метаболити во крвта , урина, лимфа, цереброспинална течност) , контрола на квалитетот на нови полимерни материјали. Во овој случај, се користат бројни варијанти на мултиквантни и мултидимензионални Фуриеови спектроскопски техники.