1. สาระสำคัญของปรากฏการณ์

   ประการแรก ควรสังเกตว่าถึงแม้ว่าจะมีคำว่า "นิวเคลียร์" อยู่ในชื่อของปรากฏการณ์นี้ แต่ NMR ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับฟิสิกส์นิวเคลียร์และไม่เกี่ยวข้องกับกัมมันตภาพรังสี หากเราพูดถึงคำอธิบายที่เคร่งครัด เราไม่สามารถทำได้โดยปราศจากกฎของกลศาสตร์ควอนตัม ตามกฎหมายเหล่านี้ พลังงานปฏิสัมพันธ์ของแกนแม่เหล็กที่มีสนามแม่เหล็กภายนอกสามารถรับค่าที่ไม่ต่อเนื่องได้เพียงไม่กี่ค่าเท่านั้น หากนิวเคลียสแม่เหล็กถูกฉายรังสีด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับ ความถี่ซึ่งสอดคล้องกับความแตกต่างระหว่างระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องเหล่านี้ ซึ่งแสดงเป็นหน่วยความถี่ นิวเคลียสแม่เหล็กจะเริ่มเคลื่อนที่จากระดับหนึ่งไปอีกระดับหนึ่งพร้อมทั้งดูดซับพลังงานของกระแสสลับ สนาม. นี่คือปรากฏการณ์ของคลื่นสนามแม่เหล็ก คำอธิบายนี้ถูกต้องอย่างเป็นทางการ แต่ไม่ชัดเจนนัก มีคำอธิบายอื่นโดยไม่มีกลศาสตร์ควอนตัม แกนแม่เหล็กถือได้ว่าเป็นลูกบอลที่มีประจุไฟฟ้าที่หมุนไปรอบแกนของมัน (แม้ว่าจะไม่ใช่กรณีนี้ก็ตาม) ตามกฎของอิเล็กโทรไดนามิกส์ การหมุนของประจุทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก กล่าวคือ โมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสซึ่งพุ่งไปตามแกนของการหมุน หากโมเมนต์แม่เหล็กนี้อยู่ในสนามภายนอกคงที่ เวกเตอร์ของโมเมนต์นี้จะเริ่มเคลื่อนที่ นั่นคือ หมุนรอบทิศทางของสนามภายนอก ในทำนองเดียวกัน แกนหมุนล้อหมุน (หมุน) รอบแนวตั้ง หากไม่ได้คลายเกลียวในแนวตั้งอย่างเคร่งครัด แต่ในมุมหนึ่ง ในกรณีนี้ แรงโน้มถ่วงจะเล่นบทบาทของสนามแม่เหล็ก

   ความถี่พรีเซสชั่นถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของนิวเคลียสและความแรงของสนามแม่เหล็ก: ยิ่งสนามแรงมากเท่าใดความถี่ก็จะยิ่งสูงขึ้น จากนั้น ถ้านอกเหนือไปจากสนามแม่เหล็กภายนอกคงที่ สนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับกระทำกับนิวเคลียส แสดงว่านิวเคลียสเริ่มมีปฏิสัมพันธ์กับสนามนี้ - อย่างที่เคยเป็นมา เหวี่ยงนิวเคลียสอย่างแรงขึ้น แอมพลิจูดของพรีเซสชั่นเพิ่มขึ้น และ นิวเคลียสดูดซับพลังงานของสนามไฟฟ้ากระแสสลับ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้จะเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขของการสั่นพ้องเท่านั้น นั่นคือ ความบังเอิญของความถี่พรีเซสชั่นและความถี่ของสนามสลับภายนอก ดูเหมือนตัวอย่างคลาสสิกจากฟิสิกส์ของโรงเรียนมัธยม - ทหารที่เดินข้ามสะพาน หากความถี่ของขั้นตอนเกิดขึ้นพร้อมกับความถี่ธรรมชาติของสะพาน สะพานก็จะแกว่งไปมามากขึ้นเรื่อยๆ จากการทดลอง ปรากฏการณ์นี้แสดงออกโดยอาศัยการดูดกลืนของสนามสลับกับความถี่ของมัน ในช่วงเวลาของการสั่นพ้อง การดูดซับจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และสเปกตรัมเรโซแนนซ์แม่เหล็กที่ง่ายที่สุดจะมีลักษณะดังนี้:

   

2. ฟูเรียร์สเปกโตรสโคปี

   สเปกโตรมิเตอร์ NMR เครื่องแรกทำงานตรงตามที่อธิบายไว้ข้างต้น - ตัวอย่างถูกวางในสนามแม่เหล็กคงที่ และรังสี RF ถูกนำไปใช้กับมันอย่างต่อเนื่อง จากนั้นความถี่ของสนามสลับหรือความเข้มของสนามแม่เหล็กคงที่ก็เปลี่ยนไปอย่างราบรื่น การดูดกลืนพลังงานของสนามสลับถูกบันทึกโดยสะพานความถี่วิทยุ ซึ่งเป็นสัญญาณที่ส่งออกไปยังเครื่องบันทึกหรือออสซิลโลสโคป แต่วิธีการลงทะเบียนสัญญาณนี้ไม่ได้ใช้มาเป็นเวลานาน ในสเปกโตรมิเตอร์ NMR สมัยใหม่ สเปกตรัมจะถูกบันทึกโดยใช้พัลส์ โมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสถูกกระตุ้นด้วยพัลส์อันทรงพลังสั้นๆ หลังจากนั้นจะมีการบันทึกสัญญาณ ซึ่งเหนี่ยวนำให้เกิดในขดลวด RF โดยการเติมโมเมนต์แม่เหล็กอย่างอิสระ สัญญาณนี้ค่อยๆ ลดลงจนเหลือศูนย์เมื่อโมเมนต์แม่เหล็กกลับสู่สมดุล (กระบวนการนี้เรียกว่าการคลายตัวของแม่เหล็ก) สเปกตรัม NMR ได้มาจากสัญญาณนี้โดยใช้การแปลงฟูริเยร์ นี่เป็นขั้นตอนทางคณิตศาสตร์มาตรฐานที่ช่วยให้คุณสามารถแยกสัญญาณใดๆ ให้เป็นฮาร์โมนิกของความถี่ และได้สเปกตรัมความถี่ของสัญญาณนี้ วิธีการบันทึกสเปกตรัมนี้ช่วยให้คุณลดระดับเสียงลงอย่างมากและดำเนินการทดลองได้เร็วขึ้นมาก

   

   หนึ่งชีพจรกระตุ้นเพื่อบันทึกสเปกตรัมคือการทดลอง NMR ที่ง่ายที่สุด อย่างไรก็ตาม ในการทดลองอาจมีพัลส์ดังกล่าว ในช่วงเวลาที่แตกต่างกัน แอมพลิจูด ความล่าช้าต่างกัน ฯลฯ ในการทดลอง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับว่าผู้วิจัยจำเป็นต้องดำเนินการกับระบบโมเมนต์แม่เหล็กนิวเคลียร์แบบใด อย่างไรก็ตาม ลำดับพัลส์เหล่านี้เกือบทั้งหมดสิ้นสุดในสิ่งเดียวกัน - บันทึกสัญญาณ precession อิสระตามด้วยการแปลงฟูริเยร์

3. ปฏิสัมพันธ์แม่เหล็กในเรื่อง

   ในตัวของมันเอง การสั่นพ้องของแม่เหล็กจะไม่เหลืออะไรมากไปกว่าปรากฏการณ์ทางกายภาพที่น่าสนใจ หากไม่ใช่เพราะปฏิกิริยาทางแม่เหล็กของนิวเคลียสซึ่งกันและกันและกับเปลือกอิเล็กตรอนของโมเลกุล ปฏิกิริยาเหล่านี้ส่งผลต่อพารามิเตอร์เรโซแนนซ์ และด้วยความช่วยเหลือ NMR สามารถใช้เพื่อรับข้อมูลที่หลากหลายเกี่ยวกับคุณสมบัติของโมเลกุล เช่น การวางแนว โครงสร้างเชิงพื้นที่ (โครงสร้าง) ปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุล การแลกเปลี่ยนทางเคมี การเปลี่ยนแปลงของการหมุนและการแปล ด้วยเหตุนี้ NMR จึงเป็นเครื่องมือที่ทรงพลังมากสำหรับการศึกษาสารในระดับโมเลกุล ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายไม่เพียงแต่ในวิชาฟิสิกส์ แต่ส่วนใหญ่ในด้านเคมีและอณูชีววิทยา ตัวอย่างหนึ่งของปฏิกิริยาเหล่านี้คือสิ่งที่เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงทางเคมี สาระสำคัญมีดังนี้เปลือกอิเล็กตรอนของโมเลกุลตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กภายนอกและพยายามป้องกัน - การป้องกันบางส่วนของสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นในสารไดแม่เหล็กทั้งหมด ซึ่งหมายความว่าสนามแม่เหล็กในโมเลกุลจะแตกต่างจากสนามแม่เหล็กภายนอกในปริมาณที่น้อยมากซึ่งเรียกว่าการเปลี่ยนแปลงทางเคมี อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติของเปลือกอิเล็กตรอนในส่วนต่าง ๆ ของโมเลกุลนั้นแตกต่างกัน และการเปลี่ยนแปลงทางเคมีก็ต่างกันด้วย ดังนั้น สภาวะเรโซแนนซ์ของนิวเคลียสในส่วนต่างๆ ของโมเลกุลก็จะแตกต่างกันด้วย ทำให้สามารถแยกแยะนิวเคลียสที่ไม่เท่ากันทางเคมีในสเปกตรัมได้ ตัวอย่างเช่น หากเราใช้สเปกตรัมของไฮโดรเจนนิวเคลียส (โปรตอน) ของน้ำบริสุทธิ์ ก็จะมีเพียงเส้นเดียวในนั้น เนื่องจากโปรตอนทั้งสองในโมเลกุล H 2 O เหมือนกันทุกประการ แต่สำหรับเมทิลแอลกอฮอล์ CH 3 OH จะมีสองเส้นในสเปกตรัมอยู่แล้ว (หากการโต้ตอบทางแม่เหล็กอื่น ๆ ถูกละเลย) เนื่องจากมีโปรตอนสองประเภท - โปรตอนของกลุ่มเมทิล CH 3 และโปรตอนที่เกี่ยวข้องกับอะตอมออกซิเจน เมื่อโมเลกุลมีความซับซ้อนมากขึ้น จำนวนเส้นจะเพิ่มขึ้น และถ้าเราใช้โมเลกุลที่ซับซ้อนและซับซ้อนเช่นโปรตีน ในกรณีนี้ สเปกตรัมจะมีลักษณะดังนี้:

   

4. แกนแม่เหล็ก

   สามารถสังเกต NMR ได้ในนิวเคลียสที่แตกต่างกัน แต่ต้องบอกว่าไม่ใช่ทุกนิวเคลียสที่มีโมเมนต์แม่เหล็ก มันมักจะเกิดขึ้นที่ไอโซโทปบางไอโซโทปมีโมเมนต์แม่เหล็ก ในขณะที่ไอโซโทปอื่นในนิวเคลียสเดียวกันไม่มี โดยรวมแล้ว มีองค์ประกอบทางเคมีต่างๆ มากกว่าร้อยไอโซโทปที่มีนิวเคลียสแม่เหล็ก แต่โดยปกติแล้วจะใช้นิวเคลียสแม่เหล็กไม่เกิน 1520 ตัวในการวิจัย อย่างอื่นก็แปลกใหม่ นิวเคลียสแต่ละอันมีอัตราส่วนลักษณะเฉพาะของสนามแม่เหล็กและความถี่พรีเซสชั่น เรียกว่าอัตราส่วนไจโรแมกเนติก สำหรับนิวเคลียสทั้งหมดจะทราบอัตราส่วนเหล่านี้ เมื่อใช้พวกมัน เราสามารถเลือกความถี่ที่จะสังเกตสัญญาณจากนิวเคลียสที่ผู้วิจัยสำหรับสนามแม่เหล็กที่กำหนด

   นิวเคลียสที่สำคัญที่สุดสำหรับ NMR คือโปรตอน มีมากในธรรมชาติและมีความไวสูงมาก สำหรับเคมีและชีววิทยา นิวเคลียสของคาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจนมีความสำคัญมาก แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่โชคดีนักกับพวกมัน: ไอโซโทปของคาร์บอนและออกซิเจนที่พบบ่อยที่สุด 12 C และ 16 O ไม่มีโมเมนต์แม่เหล็ก ธรรมชาติ ไอโซโทปไนโตรเจน 14 N มีชั่วขณะหนึ่ง แต่ด้วยเหตุผลหลายประการจึงไม่สะดวกในการทดลอง มีไอโซโทป 13 C, 15 N และ 17 O ที่เหมาะสำหรับการทดลอง NMR แต่ความอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติของไอโซโทปต่ำมาก และความไวต่ำมากเมื่อเทียบกับโปรตอน ดังนั้น ตัวอย่างพิเศษที่เสริมสมรรถนะทางไอโซโทปจึงมักถูกเตรียมสำหรับการศึกษา NMR ซึ่งไอโซโทปธรรมชาติของนิวเคลียสหนึ่งหรืออีกนิวเคลียสจะถูกแทนที่ด้วยไอโซโทปที่จำเป็นสำหรับการทดลอง ในกรณีส่วนใหญ่ ขั้นตอนนี้ยากและมีราคาแพงมาก แต่บางครั้งก็เป็นวิธีเดียวที่จะได้ข้อมูลที่จำเป็น

5. อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกและเรโซแนนซ์ควอดรูโพล

   เมื่อพูดถึง NMR เราไม่สามารถพูดถึงปรากฏการณ์ทางกายภาพที่เกี่ยวข้องอีก 2 อย่าง นั่นคืออิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (EPR) และการเรโซแนนซ์ของคลื่นนิวเคลียร์ควอดรูโพล (NQR) โดยพื้นฐานแล้ว EPR นั้นคล้ายกับ NMR ความแตกต่างอยู่ที่ความจริงที่ว่าเรโซแนนซ์ถูกสังเกตบนโมเมนต์แม่เหล็กไม่ใช่ของนิวเคลียสของอะตอม แต่ของเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม EPR สามารถสังเกตได้เฉพาะในโมเลกุลหรือกลุ่มเคมีเหล่านั้นซึ่งเปลือกอิเล็กตรอนประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่เรียกว่า unpaired เท่านั้น จากนั้นเปลือกจะมีโมเมนต์แม่เหล็กที่ไม่เป็นศูนย์ สารดังกล่าวเรียกว่าพาราแมกเนติก EPR เช่นเดียวกับ NMR ยังใช้เพื่อศึกษาคุณสมบัติทางโครงสร้างและไดนามิกต่างๆ ของสารในระดับโมเลกุล แต่ขอบเขตของสารนั้นแคบกว่ามาก สาเหตุหลักมาจากความจริงที่ว่าโมเลกุลส่วนใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในธรรมชาติของสิ่งมีชีวิต ไม่มีอิเลคตรอนที่ไม่มีคู่ ในบางกรณี เป็นไปได้ที่จะใช้สิ่งที่เรียกว่าโพรบพาราแมกเนติก นั่นคือกลุ่มเคมีที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่คู่กันซึ่งจับกับโมเลกุลที่กำลังศึกษาอยู่ แต่วิธีการนี้มีข้อเสียที่ชัดเจนซึ่งจำกัดความเป็นไปได้ของวิธีนี้ นอกจากนี้ ใน EPR ไม่มีความละเอียดของสเปกตรัมสูง (เช่น ความสามารถในการแยกแยะเส้นหนึ่งจากอีกเส้นในสเปกตรัม) เช่นเดียวกับใน NMR

   เป็นการยากที่จะอธิบายธรรมชาติของ NQR "ด้วยนิ้ว" นิวเคลียสบางตัวมีโมเมนต์ควอดรูโพลไฟฟ้าที่เรียกว่า ช่วงเวลานี้แสดงถึงความเบี่ยงเบนของการกระจายประจุไฟฟ้าของนิวเคลียสจากสมมาตรทรงกลม ปฏิสัมพันธ์ของช่วงเวลานี้กับการไล่ระดับของสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยโครงสร้างผลึกของสารนำไปสู่การแยกระดับพลังงานของนิวเคลียส ในกรณีนี้ สามารถสังเกตการสั่นพ้องที่ความถี่ที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงระหว่างระดับเหล่านี้ ต่างจาก NMR และ EPR ตรงที่ NQR ไม่ต้องการสนามแม่เหล็กภายนอก เนื่องจากการแบ่งระดับจะเกิดขึ้นหากไม่มีสนามแม่เหล็ก NQR ยังใช้ในการศึกษาสาร แต่ขอบเขตของสารยังแคบกว่า EPR

6. ข้อดีและข้อเสียของ NMR

   

   NMR เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพและให้ข้อมูลมากที่สุดสำหรับการศึกษาโมเลกุล พูดอย่างเคร่งครัด นี่ไม่ใช่วิธีเดียว แต่มีการทดลองหลายประเภท เช่น ลำดับพัลส์ แม้ว่าทั้งหมดจะขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ NMR แต่การทดลองแต่ละครั้งได้รับการออกแบบเพื่อให้ได้ข้อมูลเฉพาะบางอย่าง จำนวนของการทดลองเหล่านี้วัดได้หลายสิบครั้ง หากไม่ใช่หลายร้อยครั้ง ในทางทฤษฎี NMR สามารถทำได้ ถ้าไม่ใช่ทุกอย่าง เกือบทุกอย่างที่วิธีการทดลองอื่นๆ ทั้งหมดสำหรับการศึกษาโครงสร้างและพลวัตของโมเลกุลสามารถทำได้ แม้ว่าในทางปฏิบัติ แน่นอนว่ายังห่างไกลจากความเป็นไปได้เสมอ ข้อดีหลักประการหนึ่งของ NMR คือ ด้านหนึ่ง โพรบตามธรรมชาติ เช่น นิวเคลียสแม่เหล็ก ถูกกระจายไปทั่วโมเลกุล และในทางกลับกัน ทำให้สามารถแยกแยะนิวเคลียสเหล่านี้ออกจากกันและรับ ข้อมูลการคัดเลือกเชิงพื้นที่เกี่ยวกับคุณสมบัติของโมเลกุล วิธีอื่นๆ เกือบทั้งหมดให้ข้อมูลโดยเฉลี่ยทั่วทั้งโมเลกุลหรือเพียงส่วนใดส่วนหนึ่งของโมเลกุลเท่านั้น

   มีสองข้อเสียหลักของ NMR อย่างแรก นี่เป็นความไวต่ำเมื่อเทียบกับวิธีการทดลองอื่นๆ ส่วนใหญ่ (optical spectroscopy, fluorescence, EPR ฯลฯ) สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าสัญญาณรบกวนจะต้องสะสมเป็นเวลานาน ในบางกรณี การทดสอบ NMR สามารถทำได้เป็นเวลาหลายสัปดาห์ ประการที่สอง เป็นค่าใช้จ่ายที่สูง สเปกโตรมิเตอร์ NMR เป็นหนึ่งในเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่แพงที่สุด โดยมีราคาอย่างน้อยหลายแสนดอลลาร์ โดยสเปกโตรมิเตอร์ที่แพงที่สุดมีราคาหลายล้าน ไม่ใช่ว่าทุกห้องปฏิบัติการโดยเฉพาะในรัสเซียจะมีอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ดังกล่าวได้

7. แม่เหล็กสำหรับสเปกโตรมิเตอร์ NMR

   ส่วนประกอบที่สำคัญและมีราคาแพงที่สุดชิ้นหนึ่งของสเปกโตรมิเตอร์คือแม่เหล็ก ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กคงที่ ยิ่งสนามมีความแข็งแกร่ง ความไวและความละเอียดของสเปกตรัมก็จะยิ่งสูงขึ้น ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจึงพยายามอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ได้พื้นที่สูงสุดที่เป็นไปได้ สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยกระแสไฟฟ้าในโซลินอยด์ - ยิ่งกระแสแรงมากเท่าไหร่ สนามก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม เป็นไปไม่ได้ที่จะเพิ่มกระแสอย่างไม่มีกำหนด ที่กระแสสูงมาก ลวดโซลินอยด์ก็จะเริ่มละลาย ดังนั้น แม่เหล็กที่มีตัวนำยิ่งยวด เช่น แม่เหล็กที่ลวดโซลินอยด์อยู่ในสถานะตัวนำยิ่งยวด จึงถูกใช้เป็นเวลานานมากสำหรับสเปกโตรมิเตอร์ NMR สนามสูง ในกรณีนี้ ความต้านทานไฟฟ้าของเส้นลวดจะเป็นศูนย์ และจะไม่มีการปล่อยพลังงานที่ค่าปัจจุบันใดๆ สถานะตัวนำยิ่งยวดสามารถรับได้ที่อุณหภูมิต่ำมากเท่านั้น เพียงไม่กี่องศาเคลวิน - นี่คืออุณหภูมิของฮีเลียมเหลว (ความเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงยังคงเป็นเรื่องของการวิจัยพื้นฐานอย่างหมดจด) ด้วยการบำรุงรักษาอุณหภูมิต่ำเช่นนี้ ปัญหาทางเทคนิคทั้งหมดในการออกแบบและการผลิตแม่เหล็กเชื่อมต่อกัน ซึ่งทำให้ต้นทุนสูง แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดสร้างขึ้นจากหลักการของเทอร์โมส มาตรีออชกา โซลินอยด์อยู่ตรงกลาง ในห้องสุญญากาศ ล้อมรอบด้วยเปลือกที่มีฮีเลียมเหลว เปลือกนี้ล้อมรอบด้วยเปลือกไนโตรเจนเหลวผ่านชั้นสุญญากาศ อุณหภูมิของไนโตรเจนเหลวคือลบ 196 องศาเซลเซียส จำเป็นต้องใช้ไนโตรเจนเพื่อให้ฮีเลียมระเหยอย่างช้าที่สุด ในที่สุด เปลือกไนโตรเจนจะถูกแยกออกจากอุณหภูมิห้องโดยชั้นสุญญากาศภายนอก ระบบดังกล่าวสามารถรักษาอุณหภูมิที่ต้องการของแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดได้เป็นเวลานาน แม้ว่าจะต้องเติมไนโตรเจนเหลวและฮีเลียมลงในแม่เหล็กเป็นประจำก็ตาม ข้อดีของแม่เหล็กดังกล่าว นอกเหนือจากความสามารถในการรับสนามแม่เหล็กสูง ก็คือพวกมันไม่ใช้พลังงาน: หลังจากแม่เหล็กเริ่มทำงาน กระแสจะไหลผ่านลวดตัวนำยิ่งยวดโดยแทบไม่สูญเสียเลยเป็นเวลาหลายปี

8. เอกซเรย์

   ในสเปกโตรมิเตอร์ NMR ทั่วไป พวกเขาพยายามทำให้สนามแม่เหล็กมีความสม่ำเสมอมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ซึ่งจำเป็นในการปรับปรุงความละเอียดของสเปกตรัม แต่ถ้าสนามแม่เหล็กภายในตัวอย่างไม่เท่ากัน จะเป็นการเปิดโอกาสใหม่ขั้นพื้นฐานสำหรับการใช้ NMR ความไม่สม่ำเสมอของสนามถูกสร้างขึ้นโดยที่เรียกว่าคอยล์ไล่ระดับซึ่งถูกจับคู่กับแม่เหล็กหลัก ในกรณีนี้ ขนาดของสนามแม่เหล็กในส่วนต่างๆ ของตัวอย่างจะแตกต่างกัน ซึ่งหมายความว่าสัญญาณ NMR ไม่สามารถสังเกตได้จากตัวอย่างทั้งหมด เช่นเดียวกับในสเปกโตรมิเตอร์ทั่วไป แต่เฉพาะจากชั้นที่แคบเท่านั้น ตรงตามเงื่อนไขเรโซแนนซ์ กล่าวคือ อัตราส่วนที่ต้องการของสนามแม่เหล็กและความถี่ โดยการเปลี่ยนขนาดของสนามแม่เหล็ก (หรือซึ่งโดยพื้นฐานแล้วก็คือความถี่ของการสังเกตสัญญาณ) คุณสามารถเปลี่ยนชั้นที่จะให้สัญญาณได้ ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะ "สแกน" ตัวอย่างตลอดปริมาตรและ "ดู" โครงสร้างสามมิติภายในของมันโดยไม่ทำลายตัวอย่างด้วยวิธีการทางกลใดๆ จนถึงปัจจุบัน มีการพัฒนาเทคนิคจำนวนมากที่ทำให้สามารถวัดค่าพารามิเตอร์ NMR ต่างๆ ได้ (ลักษณะสเปกตรัม เวลาคลายแม่เหล็ก อัตราการแพร่กระจายในตัวเอง และอื่นๆ) ด้วยความละเอียดเชิงพื้นที่ภายในตัวอย่าง สิ่งที่น่าสนใจและสำคัญที่สุดจากมุมมองเชิงปฏิบัติพบว่าการใช้การตรวจเอกซเรย์ NMR นั้นพบได้ในยา ในกรณีนี้ "ตัวอย่าง" ที่กำลังตรวจสอบคือร่างกายมนุษย์ การถ่ายภาพด้วย NMR เป็นหนึ่งในเครื่องมือวินิจฉัยที่มีประสิทธิภาพและปลอดภัยที่สุด (แต่ยังมีราคาแพง) ในด้านการแพทย์ต่างๆ ตั้งแต่เนื้องอกวิทยาไปจนถึงสูติศาสตร์ เป็นเรื่องน่าแปลกที่แพทย์จะไม่ใช้คำว่า "นิวเคลียร์" ในนามของวิธีนี้ เนื่องจากผู้ป่วยบางรายเชื่อมโยงกับปฏิกิริยานิวเคลียร์และระเบิดปรมาณู

9. ประวัติการค้นพบ

   

   ปีที่ค้นพบ NMR ถือเป็นปี 1945 เมื่อชาวอเมริกันชื่อ Felix Bloch จาก Stanford และ Edward Parcell และ Robert Pound จาก Harvard สังเกตสัญญาณ NMR บนโปรตอนโดยอิสระ เมื่อถึงเวลานั้น หลายคนรู้เกี่ยวกับธรรมชาติของสนามแม่เหล็กนิวเคลียร์อยู่แล้ว เอฟเฟกต์ NMR นั้นได้รับการทำนายในทางทฤษฎี และพยายามหลายครั้งเพื่อสังเกตปรากฏการณ์นี้จากการทดลอง สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าหนึ่งปีก่อนหน้านั้นในสหภาพโซเวียต ในคาซาน ปรากฏการณ์ EPR ถูกค้นพบโดย Evgeny Zavoisky เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่า Zavoisky ยังสังเกตสัญญาณ NMR ซึ่งเป็นสัญญาณก่อนสงครามในปี 1941 อย่างไรก็ตาม เขามีแม่เหล็กคุณภาพต่ำและมีความสม่ำเสมอของสนามไม่ดีเท่าที่ควร ผลลัพธ์ที่ได้นั้นทำซ้ำได้ไม่ดีและดังนั้นจึงไม่ได้รับการตีพิมพ์ เพื่อความเป็นธรรม ควรสังเกตว่า Zavoisky ไม่ใช่คนเดียวที่สังเกต NMR ก่อนการค้นพบ "อย่างเป็นทางการ" โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Isidore Rabi (ผู้ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1944 จากการศึกษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กของนิวเคลียสในลำแสงอะตอมและโมเลกุล) ก็สังเกตเห็น NMR เช่นกันในปลายทศวรรษ 1930 แต่ถือว่าสิ่งนี้เป็นสิ่งประดิษฐ์ที่เป็นเครื่องมือ ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง แต่ประเทศของเรายังคงมีความสำคัญในการทดลองการตรวจจับคลื่นสนามแม่เหล็ก แม้ว่า Zavoisky เองหลังจากสงครามเริ่มจัดการกับปัญหาอื่น ๆ ได้ไม่นาน การค้นพบของเขาสำหรับการพัฒนาวิทยาศาสตร์ในคาซานก็มีบทบาทอย่างมาก คาซานยังคงเป็นหนึ่งในศูนย์วิจัยชั้นนำของโลกสำหรับ EPR spectroscopy

10. รางวัลโนเบล สาขา Magnetic Resonance

    ในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์ได้รับรางวัลโนเบลหลายรางวัลโดยที่นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถค้นพบ NMR ได้ ในหมู่พวกเขามี Peter Szeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli แต่มีรางวัลโนเบลสี่รางวัลที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับ NMR ในปี 1952 เฟลิกซ์ บลอคและเอ็ดเวิร์ด เพอร์เซลล์ได้รับรางวัลจากการค้นพบ NMR นี่เป็นรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ "NMR" เพียงรางวัลเดียว ในปี 1991 Swiss Richard Ernst ผู้ซึ่งทำงานที่ ETH Zurich ที่มีชื่อเสียง ได้รับรางวัล Chemistry Prize เขาได้รับรางวัลจากการพัฒนาวิธีการสเปกโตรสโกปี NMR แบบหลายมิติ ซึ่งทำให้สามารถเพิ่มเนื้อหาข้อมูลของการทดลอง NMR ได้อย่างมาก ในปี 2002 ผู้ได้รับรางวัลในสาขาเคมีเช่นกันคือ Kurt Wüthrich ซึ่งทำงานกับ Ernst ในอาคารใกล้เคียงที่โรงเรียนเทคนิคเดียวกัน เขาได้รับรางวัลสำหรับการพัฒนาวิธีการกำหนดโครงสร้างสามมิติของโปรตีนในสารละลาย ก่อนหน้านี้ วิธีเดียวที่อนุญาตให้กำหนดรูปแบบเชิงพื้นที่ของชีวโมเลกุลขนาดใหญ่คือการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์เท่านั้น ในที่สุดในปี 2546 Paul Lauterbur ชาวอเมริกันและ Peter Mansfield ชาวอังกฤษได้รับรางวัล Medical Prize สำหรับการประดิษฐ์การถ่ายภาพด้วย NMR อนิจจาผู้ค้นพบ EPR E.K. Zavoisky ของสหภาพโซเวียตไม่ได้รับรางวัลโนเบล

เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์

เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR) - การดูดกลืนหรือการปล่อยพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าโดยสสารที่มีนิวเคลียสที่มีการหมุนไม่เป็นศูนย์ในสนามแม่เหล็กภายนอกที่ความถี่ ν (เรียกว่าความถี่ NMR) เนื่องจากการปรับทิศทางของโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียส ปรากฏการณ์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านิวเคลียร์ถูกค้นพบในปี 1938 โดย Isaac Raby ในลำโมเลกุลซึ่งเขาได้รับรางวัลโนเบลปี 1944 ในปีพ.ศ. 2489 เฟลิกซ์ โบลชและเอ็ดเวิร์ด มิลส์ เพอร์เซลล์ได้รับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากนิวเคลียร์ในของเหลวและของแข็ง (รางวัลโนเบล 1952) .

นิวเคลียสของอะตอมเดียวกันในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันในโมเลกุลแสดงสัญญาณ NMR ที่ต่างกัน ความแตกต่างระหว่างสัญญาณ NMR ดังกล่าวกับสัญญาณของสารมาตรฐานทำให้สามารถระบุการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เรียกว่าได้ ซึ่งเกิดจากโครงสร้างทางเคมีของสารภายใต้การศึกษา ในเทคนิค NMR มีโอกาสมากมายที่จะกำหนดโครงสร้างทางเคมีของสาร โครงสร้างของโมเลกุล ผลกระทบของอิทธิพลซึ่งกันและกัน และการเปลี่ยนแปลงภายในโมเลกุล

คำอธิบายทางคณิตศาสตร์ โมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียส mu=y*lgdel- สปินของ yar; y - แถบความถี่คงที่ที่สังเกต NMR

โพลาไรเซชันทางเคมีของนิวเคลียส

เมื่อปฏิกิริยาเคมีบางอย่างเกิดขึ้นในสนามแม่เหล็ก สเปกตรัม NMR ของผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาจะแสดงการดูดกลืนที่สูงผิดปกติหรือการปล่อยคลื่นวิทยุ ข้อเท็จจริงนี้บ่งชี้ว่าจำนวนประชากรที่ไม่สมดุลของระดับนิวเคลียร์ซีมันในโมเลกุลของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา การมีประชากรมากเกินไปของระดับล่างนั้นมาพร้อมกับการดูดซึมผิดปกติ การผกผันของประชากร (ระดับบนมีประชากรมากกว่าชั้นล่าง) ส่งผลให้เกิดการปล่อยคลื่นวิทยุ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า โพลาไรเซชันทางเคมีของนิวเคลียส

ใน NMR มันถูกใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการดึงดูดด้วยนิวเคลียร์ ความถี่ลาร์มอร์ของนิวเคลียสอะตอมบางตัว

แกน	ความถี่ Larmor เป็น MHz ที่ 0.5 Tesla	ความถี่ลาร์มอร์ในหน่วย MHz ที่ 1 เทสลา	ความถี่ Larmor เป็น MHz ที่ 7.05 Tesla
1H( ไฮโดรเจน)
²D( ดิวเทอเรียม)
13 ซี ( คาร์บอน)
23 นา( โซเดียม)
39 เค ( โพแทสเซียม)

ความถี่ของโปรตอนเรโซแนนซ์อยู่ในช่วง คลื่นสั้น(ความยาวคลื่นประมาณ 7 เมตร) .

การประยุกต์ใช้ NMR

สเปกโตรสโคปี

NMR สเปกโตรสโคปี

อุปกรณ์

หัวใจของสเปกโตรมิเตอร์ NMR คือแม่เหล็กที่ทรงพลัง ในการทดลองที่ริเริ่มโดย Purcell ตัวอย่างที่วางไว้ในหลอดแก้วที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5 มม. จะถูกวางไว้ระหว่างขั้วของแม่เหล็กไฟฟ้าแบบแรง จากนั้น เพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอของสนามแม่เหล็ก แอมพูลเริ่มหมุน และสนามแม่เหล็กที่กระทำต่อสนามแม่เหล็กจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น เครื่องกำเนิด RF คุณภาพสูงใช้เป็นแหล่งรังสี ภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้น นิวเคลียสที่ปรับสเปกโตรมิเตอร์จะเริ่มสะท้อน ในกรณีนี้ นิวเคลียสที่มีการป้องกันจะสะท้อนที่ความถี่ต่ำกว่านิวเคลียสที่ไม่มีเปลือกอิเล็กตรอนเล็กน้อย การดูดซับพลังงานจะถูกบันทึกโดยสะพาน RF แล้วบันทึกโดยเครื่องบันทึกแผนภูมิ ความถี่จะเพิ่มขึ้นจนกว่าจะถึงขีดจำกัด ซึ่งเหนือกว่าเสียงสะท้อนที่เป็นไปไม่ได้

เนื่องจากกระแสน้ำที่ไหลจากสะพานมีขนาดเล็กมาก จึงไม่ จำกัด เฉพาะคลื่นความถี่เดียว แต่ให้ผ่านไปหลายโหล สัญญาณที่ได้รับทั้งหมดจะสรุปไว้ในกราฟสุดท้าย ซึ่งคุณภาพจะขึ้นอยู่กับอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของอุปกรณ์

ในวิธีนี้ ตัวอย่างจะสัมผัสกับรังสีความถี่วิทยุที่มีความถี่คงที่ในขณะที่ความแรงของสนามแม่เหล็กเปลี่ยนไป ด้วยเหตุนี้จึงเรียกว่าวิธีการฉายรังสีต่อเนื่อง (CW, คลื่นต่อเนื่อง)

วิธีการดั้งเดิมของ NMR spectroscopy มีข้อเสียหลายประการ ขั้นแรกต้องใช้เวลามากในการสร้างแต่ละสเปกตรัม ประการที่สอง มันเป็นเรื่องที่จู้จี้จุกจิกมากเกี่ยวกับการไม่มีสัญญาณรบกวนจากภายนอก และตามกฎแล้ว สเปกตรัมที่ได้จะมีสัญญาณรบกวนที่สำคัญ ประการที่สาม ไม่เหมาะสำหรับการสร้างสเปกโตรมิเตอร์ความถี่สูง (300, 400, 500 และ MHz มากกว่า) ดังนั้นในเครื่องมือ NMR สมัยใหม่จึงใช้วิธีที่เรียกว่าพัลซิ่งสเปกโตรสโคปี (PW) โดยอิงจากการแปลงฟูริเยร์ของสัญญาณที่ได้รับ ในปัจจุบัน สเปกโตรมิเตอร์ NMR ทั้งหมดถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดอันทรงพลังที่มีสนามแม่เหล็กคงที่

ตรงกันข้ามกับวิธี CW ในเวอร์ชันพัลซิ่ง การกระตุ้นของนิวเคลียสไม่ได้กระทำโดย "คลื่นคงที่" แต่ด้วยความช่วยเหลือของพัลส์สั้น ๆ ซึ่งมีความยาวหลายไมโครวินาที แอมพลิจูดของส่วนประกอบความถี่ของพัลส์ลดลงตามระยะทางที่เพิ่มขึ้นจาก ν 0 . แต่เนื่องจากเป็นที่พึงปรารถนาที่นิวเคลียสทั้งหมดได้รับการฉายรังสีอย่างเท่าเทียมกัน จึงจำเป็นต้องใช้ "ชีพจรแข็ง" นั่นคือพัลส์สั้นที่มีกำลังแรงสูง เลือกระยะเวลาพัลส์เพื่อให้แบนด์วิดท์ความถี่มากกว่าความกว้างของสเปกตรัมโดยหนึ่งหรือสองลำดับความสำคัญ กำลังไฟถึงหลายพันวัตต์

อันเป็นผลมาจากพัลซิ่งสเปกโทรสโกปีไม่ได้สเปกตรัมธรรมดาที่มีพีคเรโซแนนซ์ที่มองเห็นได้ แต่เป็นภาพของการสั่นเรโซแนนซ์เรโซแนนซ์ที่หน่วงซึ่งสัญญาณทั้งหมดจากนิวเคลียสที่สะท้อนทั้งหมดจะถูกผสม - ที่เรียกว่า "การสลายตัวแบบเหนี่ยวนำอิสระ" (FID, ฟรี การเหนี่ยวนำ ผุ). ในการแปลงสเปกตรัมนี้ ใช้วิธีการทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่า การแปลงฟูริเยร์ ซึ่งฟังก์ชันใดๆ สามารถแสดงเป็นผลรวมของชุดของการแกว่งของฮาร์มอนิก

สเปกตรัม NMR

สเปกตรัมของ 1 H 4-ethoxybenzaldehyde ในสนามที่อ่อนแอ (singlet ~ 9.25 ppm) สัญญาณของโปรตอนของกลุ่ม aldehyde ในสนามที่แรง (triplet ~ 1.85-2 ppm) - โปรตอนของกลุ่มเมทิลเอทอกซี

สำหรับการวิเคราะห์เชิงคุณภาพโดยใช้ NMR จะใช้การวิเคราะห์สเปกตรัมตามคุณสมบัติที่โดดเด่นของวิธีนี้:

สัญญาณของนิวเคลียสของอะตอมที่รวมอยู่ในกลุ่มการทำงานบางกลุ่มอยู่ในบริเวณที่กำหนดไว้อย่างเข้มงวดของสเปกตรัม

พื้นที่อินทิกรัลจำกัดโดยพีคเป็นสัดส่วนอย่างเคร่งครัดกับจำนวนของอะตอมที่สะท้อนกลับ

นิวเคลียสที่วางผ่านพันธะ 1-4 สามารถสร้างสัญญาณทวีคูณอันเป็นผลมาจากสิ่งที่เรียกว่า แยกจากกัน

ตำแหน่งของสัญญาณในสเปกตรัม NMR มีลักษณะเฉพาะโดยการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่สัมพันธ์กับสัญญาณอ้างอิง ในช่วงหลังใน 1 H และ 13 C NMR จะใช้เตตระเมทิลไซเลน Si(CH 3) 4 (TMS) หน่วยของการเปลี่ยนแปลงทางเคมีคือส่วนในล้านส่วน (ppm) ของความถี่เครื่องมือ ถ้าเราหาสัญญาณ TMS เป็น 0 และพิจารณาว่าการเปลี่ยนสัญญาณเป็นสนามที่อ่อนแอเป็นการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในเชิงบวก เราก็จะได้มาตราส่วนที่เรียกว่า δ ถ้าเรโซแนนซ์ของเตตระเมทิลไซเลนเท่ากับ 10 ppm และย้อนกลับสัญญาณจากนั้นมาตราส่วนผลลัพธ์จะเป็นมาตราส่วน τ ซึ่งปัจจุบันไม่ได้ใช้งานจริง หากสเปกตรัมของสสารซับซ้อนเกินไปที่จะตีความ เราสามารถใช้วิธีเคมีควอนตัมเพื่อคำนวณค่าคงที่การคัดกรองและเชื่อมโยงสัญญาณโดยอิงจากสิ่งเหล่านี้

บทนำ NMR

ปรากฏการณ์ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านิวเคลียร์สามารถใช้ได้ไม่เฉพาะในฟิสิกส์และเคมีเท่านั้น แต่ยังใช้ในทางการแพทย์ด้วย: ร่างกายมนุษย์เป็นส่วนผสมของโมเลกุลอินทรีย์และอนินทรีย์ที่เหมือนกันทั้งหมด

ในการสังเกตปรากฏการณ์นี้ วัตถุจะถูกวางในสนามแม่เหล็กคงที่และสัมผัสกับความถี่วิทยุและสนามแม่เหล็กแบบเกรเดียนท์ ในตัวเหนี่ยวนำที่อยู่รอบๆ วัตถุที่กำลังศึกษา จะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าสลับ (EMF) ขึ้น ซึ่งสเปกตรัมความถี่แอมพลิจูดและลักษณะการเปลี่ยนเวลาจะนำข้อมูลเกี่ยวกับความหนาแน่นเชิงพื้นที่ของนิวเคลียสของอะตอมที่สะท้อน เช่นเดียวกับพารามิเตอร์อื่นๆ ที่เฉพาะเจาะจงเท่านั้น สำหรับเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ การประมวลผลข้อมูลด้วยคอมพิวเตอร์จะสร้างภาพสามมิติที่แสดงลักษณะความหนาแน่นของนิวเคลียสที่เทียบเท่าทางเคมี เวลาผ่อนคลายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านิวเคลียร์ การกระจายของอัตราการไหลของของไหล การแพร่กระจายของโมเลกุล และกระบวนการทางชีวเคมีของเมแทบอลิซึมในเนื้อเยื่อที่มีชีวิต

สาระสำคัญของ NMR introscopy (หรือการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก) ประกอบด้วยการใช้การวิเคราะห์เชิงปริมาณแบบพิเศษของแอมพลิจูดของสัญญาณเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ ในสเปกโตรสโคปี NMR แบบทั่วไป เรามุ่งมั่นที่จะตระหนักถึงความละเอียดที่ดีที่สุดของเส้นสเปกตรัม ในการทำเช่นนี้ ระบบจะปรับระบบแม่เหล็กเพื่อสร้างความสม่ำเสมอของสนามที่ดีที่สุดภายในตัวอย่าง ในวิธีการของ NMR introscopy ตรงกันข้าม สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยเจตนาที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน แล้วมีเหตุผลที่จะคาดหวังว่าความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านิวเคลียร์ในแต่ละจุดของตัวอย่างมีค่าของตัวเองแตกต่างจากค่าในส่วนอื่น ๆ โดยการระบุรหัสใดๆ สำหรับการไล่ระดับแอมพลิจูดของสัญญาณ NMR (ความสว่างหรือสีบนหน้าจอมอนิเตอร์) เราสามารถรับภาพตามเงื่อนไข (โทโมแกรม) ของส่วนต่างๆ ของโครงสร้างภายในของวัตถุได้

NMR introscopy และ NMR tomography ถูกประดิษฐ์ขึ้นเป็นครั้งแรกในโลกในปี 1960 โดย V. A. Ivanov แอปพลิเคชันสำหรับการประดิษฐ์ (วิธีการและอุปกรณ์) ถูกปฏิเสธโดยผู้เชี่ยวชาญที่ไร้ความสามารถ "... เนื่องจากความไร้ประโยชน์ของวิธีแก้ปัญหาที่เสนอ" ดังนั้นจึงออกใบรับรองลิขสิทธิ์สำหรับสิ่งนี้หลังจากผ่านไปมากกว่า 10 ปี ดังนั้นจึงเป็นที่ยอมรับอย่างเป็นทางการว่าผู้เขียนภาพ NMR ไม่ใช่ทีมของผู้ได้รับรางวัลโนเบลตามรายการด้านล่าง แต่เป็นนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย แม้จะมีข้อเท็จจริงทางกฎหมายนี้ แต่รางวัลโนเบลก็ได้รับรางวัลสำหรับการตรวจเอกซเรย์ MRI โดยไม่ได้หมายความว่า V. A. Ivanov

นิวเคลียร์แม่เหล็กเรโซแนนซ์ (NMR) เป็นวิธีการวินิจฉัยที่ปลอดภัยที่สุด

ขอขอบคุณ

เว็บไซต์ให้ข้อมูลอ้างอิงเพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ข้อมูลเท่านั้น การวินิจฉัยและการรักษาโรคควรดำเนินการภายใต้การดูแลของผู้เชี่ยวชาญ ยาทั้งหมดมีข้อห้าม ต้องการคำแนะนำจากผู้เชี่ยวชาญ!

ข้อมูลทั่วไป

ปรากฏการณ์ เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR)ถูกค้นพบในปี 1938 โดยรับบีไอแซก ปรากฏการณ์นี้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของแม่เหล็กในนิวเคลียสของอะตอม เฉพาะในปี 2546 ที่มีการคิดค้นวิธีการเพื่อใช้ปรากฏการณ์นี้เพื่อวัตถุประสงค์ในการวินิจฉัยทางการแพทย์ สำหรับการประดิษฐ์นี้ ผู้เขียนได้รับรางวัลโนเบล ในสเปกโตรสโคปีร่างกายที่อยู่ระหว่างการศึกษา ( คือ ร่างกายของผู้ป่วย) อยู่ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและฉายรังสีด้วยคลื่นวิทยุ นี่เป็นวิธีการที่ปลอดภัยอย่างสมบูรณ์ ไม่เหมือนเช่นเอกซเรย์คอมพิวเตอร์) ซึ่งมีความละเอียดและความไวสูงมาก

การประยุกต์ใช้ทางเศรษฐศาสตร์และวิทยาศาสตร์

1. ในวิชาเคมีและฟิสิกส์ เพื่อระบุสารที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา เช่นเดียวกับผลลัพธ์สุดท้ายของปฏิกิริยา
2. ในทางเภสัชวิทยาเพื่อการผลิตยา
3. ทางการเกษตรเพื่อกำหนดองค์ประกอบทางเคมีของเมล็ดพืชและความพร้อมในการหว่าน ( มีประโยชน์มากในการเพาะพันธุ์สายพันธุ์ใหม่),
4. ในทางการแพทย์ - สำหรับการวินิจฉัย วิธีการที่ให้ข้อมูลมากในการวินิจฉัยโรคของกระดูกสันหลัง โดยเฉพาะหมอนรองกระดูกสันหลัง ทำให้สามารถตรวจจับการละเมิดความสมบูรณ์ของดิสก์ที่เล็กที่สุดได้ ตรวจพบเนื้องอกมะเร็งในระยะแรกของการก่อตัว

สาระสำคัญของวิธีการ

วิธีการเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์นั้นขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่าในขณะที่ร่างกายอยู่ในสนามแม่เหล็กที่แรงมากที่ได้รับการปรับแต่งเป็นพิเศษ ( แรงกว่าสนามแม่เหล็กโลก 10,000 เท่า) โมเลกุลของน้ำที่มีอยู่ในทุกเซลล์ของร่างกายสร้างสายโซ่ขนานกับทิศทางของสนามแม่เหล็ก

หากทิศทางของสนามเปลี่ยนไปอย่างกะทันหัน โมเลกุลของน้ำจะปล่อยอนุภาคไฟฟ้าออกมา เป็นค่าใช้จ่ายเหล่านี้ที่บันทึกโดยเซ็นเซอร์ของอุปกรณ์และวิเคราะห์โดยคอมพิวเตอร์ ตามความเข้มข้นของความเข้มข้นของน้ำในเซลล์ คอมพิวเตอร์จะสร้างแบบจำลองของอวัยวะหรือส่วนต่างๆ ของร่างกายที่กำลังศึกษาอยู่

ที่ทางออกแพทย์มีภาพขาวดำซึ่งคุณสามารถเห็นอวัยวะบาง ๆ ได้อย่างละเอียด ในแง่ของเนื้อหาข้อมูล วิธีนี้มีประสิทธิภาพมากกว่าการตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์อย่างมีนัยสำคัญ บางครั้งมีรายละเอียดเกี่ยวกับอวัยวะที่อยู่ระหว่างการศึกษามากกว่าที่จำเป็นสำหรับการวินิจฉัย

ประเภทของสเปกโตรสโคปีเรโซแนนซ์แม่เหล็ก

• ของเหลวชีวภาพ
• อวัยวะภายใน.

เทคนิคนี้ทำให้สามารถตรวจสอบรายละเอียดเนื้อเยื่อทั้งหมดของร่างกายมนุษย์รวมทั้งน้ำได้ ยิ่งมีของเหลวในเนื้อเยื่อมากเท่าไร ภาพก็จะยิ่งสว่างและสว่างขึ้นเท่านั้น กระดูกซึ่งมีน้ำน้อยจะแสดงเป็นความมืด ดังนั้นในการวินิจฉัยโรคกระดูก การตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์จึงมีข้อมูลมากขึ้น

เทคนิคการแพร่กระจายคลื่นสนามแม่เหล็กทำให้สามารถควบคุมการเคลื่อนไหวของเลือดผ่านเนื้อเยื่อของตับและสมองได้

วันนี้ชื่อนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในทางการแพทย์ MRI (การถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก ) เนื่องจากการกล่าวถึงปฏิกิริยานิวเคลียร์ในหัวข้อทำให้ผู้ป่วยหวาดกลัว

ตัวชี้วัด

1. โรคทางสมอง,
2. การศึกษาการทำงานของบริเวณสมอง
3. โรคข้อ,
4. โรคกระดูกสันหลัง
5. โรคของอวัยวะภายในของช่องท้อง
6. โรคของระบบทางเดินปัสสาวะและการสืบพันธุ์
7. โรคของเมดิแอสตินัมและหัวใจ
8. โรคหลอดเลือด.

ข้อห้าม

ข้อห้ามแน่นอน:
1. เครื่องกระตุ้นหัวใจ,
2. หูชั้นกลางเทียมแบบอิเล็กทรอนิกส์หรือแบบเฟอร์โรแมกเนติก
3. อุปกรณ์แม่เหล็ก Ilizarov,
4. ขาเทียมภายในโลหะขนาดใหญ่,
5. ที่หนีบห้ามเลือดของหลอดเลือดสมอง

ข้อห้ามสัมพัทธ์:
1. สารกระตุ้นระบบประสาท,
2. ปั๊มอินซูลิน,
3. หูเทียมชนิดอื่นๆ
4. ลิ้นหัวใจเทียม,
5. ที่หนีบห้ามเลือดในอวัยวะอื่น
6. การตั้งครรภ์ ( ต้องขอความเห็นสูตินรีแพทย์),
7. ภาวะหัวใจล้มเหลวในระยะ decompensation
8. โรคกลัวที่แคบ ( กลัวพื้นที่ปิด).

การเตรียมตัวเรียน

จำเป็นต้องมีการเตรียมการพิเศษเฉพาะสำหรับผู้ป่วยที่ไปตรวจอวัยวะภายใน ( ทางเดินปัสสาวะและทางเดินอาหาร): คุณไม่ควรกินอาหารห้าชั่วโมงก่อนทำหัตถการ
หากมีการตรวจศีรษะ ควรถอดเครื่องสำอางออก เนื่องจากสารที่รวมอยู่ในเครื่องสำอาง ( เช่น ในอายแชโดว์) อาจส่งผลต่อผลลัพธ์ เครื่องประดับโลหะทั้งหมดควรถอดออก
บางครั้งเจ้าหน้าที่ทางการแพทย์จะตรวจสอบผู้ป่วยด้วยเครื่องตรวจจับโลหะแบบพกพา

การวิจัยทำอย่างไร?

ก่อนเริ่มการศึกษา ผู้ป่วยแต่ละรายกรอกแบบสอบถามที่ช่วยในการระบุข้อห้าม

อุปกรณ์นี้เป็นท่อกว้างสำหรับวางผู้ป่วยในแนวนอน ผู้ป่วยจะต้องอยู่นิ่งสนิท ไม่เช่นนั้นภาพจะไม่ชัดเจนเพียงพอ ภายในท่อไม่มืดและมีการระบายอากาศแบบบังคับดังนั้นเงื่อนไขสำหรับขั้นตอนจึงค่อนข้างสะดวกสบาย การติดตั้งบางอย่างทำให้เกิดเสียงฮัมที่สังเกตเห็นได้ชัดเจน จากนั้นจึงสวมหูฟังที่ดูดซับเสียงกับบุคคลที่ทำการตรวจ

ระยะเวลาของการสอบอาจอยู่ที่ 15 นาทีถึง 60 นาที
ในศูนย์การแพทย์บางแห่งอนุญาตให้ห้องที่ทำการศึกษาพร้อมกับผู้ป่วยมีญาติหรือผู้ติดตาม ( หากไม่มีข้อห้าม).

ในศูนย์การแพทย์บางแห่ง วิสัญญีแพทย์จะจ่ายยาระงับประสาท ขั้นตอนในกรณีนี้ง่ายกว่ามากที่จะยอมรับได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับผู้ป่วยที่เป็นโรคกลัวที่แคบ เด็กเล็ก หรือผู้ป่วยที่ด้วยเหตุผลบางประการพบว่ามันยากที่จะเคลื่อนไหวได้ ผู้ป่วยจะเข้าสู่สภาวะการหลับเพื่อการรักษา และออกมาจากการนอนหลับพักผ่อนและตื่นตัว ยาที่ใช้จะถูกขับออกจากร่างกายอย่างรวดเร็วและปลอดภัยสำหรับผู้ป่วย

ผลการตรวจจะพร้อมภายใน 30 นาทีหลังจากสิ้นสุดขั้นตอน ผลลัพธ์จะออกในรูปแบบดีวีดี รายงานของแพทย์ และรูปภาพ

การใช้ contrast agent ใน MRI

ส่วนใหญ่แล้ว ขั้นตอนจะเกิดขึ้นโดยไม่ใช้คอนทราสต์ อย่างไรก็ตาม ในบางกรณีมีความจำเป็น เพื่อตรวจหลอดเลือด). ในกรณีนี้ contrast agent จะถูกฉีดเข้าเส้นเลือดดำโดยใช้ catheter ขั้นตอนคล้ายกับการฉีดเข้าเส้นเลือดดำ สำหรับการวิจัยประเภทนี้จะใช้สารพิเศษ - พาราแมกเนติก. สิ่งเหล่านี้คือสารแม่เหล็กอ่อนๆ ซึ่งอนุภาคที่อยู่ในสนามแม่เหล็กภายนอกนั้นถูกแม่เหล็กขนานกับเส้นสนาม

ข้อห้ามในการใช้คอนทราสต์เอเจนต์:

• การตั้งครรภ์
• การแพ้เฉพาะบุคคลต่อส่วนประกอบของคอนทราสต์เอเจนต์ที่ระบุก่อนหน้านี้

การตรวจหลอดเลือด (angiography ด้วยคลื่นสนามแม่เหล็ก)

ด้วยวิธีนี้ คุณสามารถควบคุมทั้งสถานะของระบบไหลเวียนโลหิตและการเคลื่อนไหวของเลือดผ่านหลอดเลือดได้
แม้ว่าวิธีการนี้จะทำให้ "มองเห็น" เส้นเลือดได้แม้จะไม่มีสารตัดกัน แต่ด้วยการใช้วิธีนี้ทำให้ภาพมีความชัดเจนมากขึ้น
การติดตั้งแบบพิเศษ 4 มิติทำให้สามารถติดตามการเคลื่อนไหวของเลือดได้แบบเรียลไทม์

บ่งชี้:

• ข้อบกพร่องหัวใจพิการ แต่กำเนิด,
• โป่งพองผ่ามัน
• หลอดเลือดตีบ,

การวิจัยสมอง

เป็นการศึกษาสมองที่ไม่ใช้รังสีกัมมันตภาพรังสี วิธีนี้ช่วยให้คุณเห็นกระดูกของกะโหลกศีรษะ แต่สามารถตรวจสอบเนื้อเยื่ออ่อนในรายละเอียดเพิ่มเติมได้ วิธีการวินิจฉัยที่ยอดเยี่ยมในด้านศัลยกรรมประสาทเช่นเดียวกับประสาทวิทยา ทำให้สามารถตรวจพบผลที่ตามมาของรอยฟกช้ำเรื้อรังและการถูกกระทบกระแทก จังหวะ และเนื้องอกได้
มันมักจะถูกกำหนดสำหรับเงื่อนไขเหมือนไมเกรนของสาเหตุที่ไม่รู้จัก, สติบกพร่อง, เนื้องอก, เลือด, การประสานงานบกพร่อง

ด้วย MRI ของสมองมีการตรวจสอบสิ่งต่อไปนี้:

• เรือหลักของคอ
• หลอดเลือดที่เลี้ยงสมอง
• เนื้อเยื่อสมอง,
• วงโคจรของดวงตา,
• ส่วนลึกของสมอง สมองน้อย ต่อมไพเนียล ต่อมใต้สมอง ดิวิชั่นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าและตรงกลาง).

ฟังก์ชั่น NMR

การวินิจฉัยนี้ขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าเมื่อส่วนใดของสมองที่รับผิดชอบการทำงานบางอย่างถูกกระตุ้น การไหลเวียนโลหิตในบริเวณนี้จะเพิ่มขึ้น
บุคคลที่ตรวจจะได้รับมอบหมายงานต่าง ๆ และในระหว่างการดำเนินการจะมีการบันทึกการไหลเวียนโลหิตในส่วนต่าง ๆ ของสมอง ข้อมูลที่ได้รับระหว่างการทดลองจะถูกเปรียบเทียบกับภาพโทโมแกรมที่ได้รับในช่วงเวลาที่เหลือ

ตรวจกระดูกสันหลัง

วิธีนี้เหมาะสำหรับการตรวจปลายประสาท กล้ามเนื้อ ไขกระดูก และเอ็น ตลอดจนหมอนรองกระดูกสันหลัง แต่ด้วยกระดูกสันหลังหักหรือต้องการศึกษาโครงสร้างกระดูกจึงค่อนข้างด้อยกว่าการตรวจเอกซเรย์คอมพิวเตอร์

คุณสามารถตรวจสอบกระดูกสันหลังทั้งหมดได้ หรือตรวจเฉพาะส่วนที่รบกวนได้เท่านั้น: ปากมดลูก ทรวงอก ช่องท้อง และส่วนก้นกบแยกจากกัน ดังนั้นเมื่อตรวจบริเวณปากมดลูกสามารถตรวจพบพยาธิสภาพของหลอดเลือดและกระดูกสันหลังที่ส่งผลต่อปริมาณเลือดไปยังสมอง
เมื่อตรวจดูบริเวณเอว จะตรวจพบไส้เลื่อนระหว่างกระดูกสันหลัง กระดูกและกระดูกอ่อนแหลม รวมถึงเส้นประสาทที่ถูกกดทับ

บ่งชี้:

• การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของหมอนรองกระดูกสันหลัง ได้แก่ หมอนรองกระดูกเคลื่อน
• อาการบาดเจ็บที่หลังและกระดูกสันหลัง
• Osteochondrosis, dystrophic และกระบวนการอักเสบในกระดูก,
• เนื้องอก

การตรวจไขสันหลัง

จะดำเนินการพร้อมกันกับการตรวจกระดูกสันหลัง

บ่งชี้:

• ความน่าจะเป็นของเนื้องอกของไขสันหลัง, แผลโฟกัส,
• เพื่อควบคุมการเติมโพรงน้ำไขสันหลังของไขสันหลัง
• ซีสต์กระดูกสันหลัง,
• เพื่อควบคุมการฟื้นตัวหลังการผ่าตัด
• ด้วยโอกาสเป็นโรคไขสันหลัง

เรียนร่วม

วิธีการวิจัยนี้มีประสิทธิภาพมากในการตรวจสภาพของเนื้อเยื่ออ่อนที่ประกอบเป็นข้อต่อ

ใช้ในการวินิจฉัย:

• โรคข้ออักเสบเรื้อรัง,
• การบาดเจ็บของเส้นเอ็น กล้ามเนื้อ และเอ็น ( โดยเฉพาะอย่างยิ่งใช้ในเวชศาสตร์การกีฬา),
• กระดูกหัก
• เนื้องอกของเนื้อเยื่ออ่อนและกระดูก
• ตรวจไม่พบความเสียหายโดยวิธีการวินิจฉัยอื่น

นำไปใช้กับ:

• การตรวจข้อสะโพกสำหรับโรคกระดูกพรุน, เนื้อร้ายที่ศีรษะของต้นขา, การแตกหักของความเครียด, โรคข้ออักเสบจากการติดเชื้อ,
• การตรวจข้อเข่าที่มีความเครียดแตกหักการละเมิดความสมบูรณ์ของส่วนประกอบภายในบางอย่าง ( กระดูกอ่อน),
• การตรวจข้อไหล่ กรณีข้อเคลื่อน เส้นประสาทถูกกดทับ การแตกของข้อต่อแคปซูล
• การตรวจสอบข้อต่อข้อมือในการละเมิดความมั่นคง, การแตกหักหลายครั้ง, การละเมิดเส้นประสาทค่ามัธยฐาน, ความเสียหายต่อเอ็น

การตรวจข้อต่อขมับ

มีการกำหนดสาเหตุของการละเมิดในการทำงานของข้อต่อ การศึกษานี้เผยให้เห็นสภาพของกระดูกอ่อนและกล้ามเนื้ออย่างเต็มที่ที่สุด ทำให้สามารถตรวจพบการเคลื่อนตัวได้ นอกจากนี้ยังใช้ก่อนการผ่าตัดจัดฟันหรือกระดูก

บ่งชี้:

• สูญเสียความคล่องตัวของกรามล่าง
• คลิกเวลาเปิด-ปิดปาก
• ปวดในวัดเวลาเปิด-ปิดปาก
• ปวดเมื่อตรวจกล้ามเนื้อเคี้ยว
• ปวดกล้ามเนื้อบริเวณคอและศีรษะ

การตรวจอวัยวะภายในช่องท้อง

การตรวจตับอ่อนและตับถูกกำหนดไว้สำหรับ:

• โรคดีซ่านที่ไม่ติดเชื้อ,
• ความน่าจะเป็นของเนื้องอกในตับ, การเสื่อมสภาพ, ฝี, ซีสต์, ด้วยโรคตับแข็ง,
• เพื่อเป็นการควบคุมการรักษา
• สำหรับการแตกหักบาดแผล
• นิ่วในถุงน้ำดีหรือท่อน้ำดี
• ตับอ่อนอักเสบในรูปแบบใด ๆ
• ความน่าจะเป็นของเนื้องอก
• ขาดเลือดของเนื้อเยื่อ

วิธีนี้ช่วยให้คุณตรวจหาซีสต์ตับอ่อน เพื่อตรวจสอบสภาพของท่อน้ำดี การก่อตัวใด ๆ ที่อุดตันท่อจะถูกเปิดเผย

การทดสอบไตมีไว้สำหรับ:

• ความสงสัยของเนื้องอก
• โรคของอวัยวะและเนื้อเยื่อที่อยู่ใกล้กับไต
• โอกาสของการละเมิดการก่อตัวของอวัยวะปัสสาวะ
• ในกรณีที่ไม่สามารถทำการตรวจระบบทางเดินปัสสาวะได้

ก่อนการตรวจอวัยวะภายในด้วยวิธีเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์จำเป็นต้องทำการตรวจอัลตราซาวนด์

การวิจัยโรคของระบบสืบพันธุ์

การตรวจอุ้งเชิงกรานถูกกำหนดไว้สำหรับ:

• ความน่าจะเป็นของเนื้องอกในมดลูก กระเพาะปัสสาวะ ต่อมลูกหมาก
• บาดเจ็บ,
• เนื้องอกของกระดูกเชิงกรานขนาดเล็กเพื่อตรวจหาการแพร่กระจาย
• ความเจ็บปวดในบริเวณ sacrum
• ถุงน้ำดีอักเสบ,
• เพื่อตรวจสอบสภาพของต่อมน้ำเหลือง

สำหรับมะเร็งต่อมลูกหมาก การตรวจนี้กำหนดให้ตรวจหาการแพร่กระจายของเนื้องอกไปยังอวัยวะใกล้เคียง

หนึ่งชั่วโมงก่อนการศึกษา ไม่ควรปัสสาวะ เนื่องจากภาพจะให้ข้อมูลมากขึ้นหากกระเพาะปัสสาวะเต็ม

การวิจัยระหว่างตั้งครรภ์

แม้ว่าวิธีการวิจัยนี้จะปลอดภัยกว่าการเอกซเรย์หรือเอกซเรย์คอมพิวเตอร์มาก แต่ก็ไม่ได้รับอนุญาตให้ใช้ในช่วงไตรมาสแรกของการตั้งครรภ์โดยเด็ดขาด
ในไตรมาสที่สองและสามของวิธีการเหล่านี้ วิธีการนี้กำหนดไว้ด้วยเหตุผลด้านสุขภาพเท่านั้น อันตรายของขั้นตอนสำหรับร่างกายของหญิงตั้งครรภ์อยู่ที่ความจริงที่ว่าในระหว่างขั้นตอนเนื้อเยื่อบางส่วนได้รับความร้อนซึ่งอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่ไม่พึงประสงค์ในการก่อตัวของทารกในครรภ์
แต่ห้ามใช้คอนทราสต์เอเจนต์ในระหว่างตั้งครรภ์โดยเด็ดขาดในทุกระยะของการตั้งครรภ์

ข้อควรระวัง

1. การติดตั้ง NMR บางอย่างถูกสร้างขึ้นในรูปแบบของท่อปิด ผู้ที่ทุกข์ทรมานจากความกลัวพื้นที่ปิดอาจถูกโจมตี ดังนั้นจึงเป็นการดีกว่าที่จะถามล่วงหน้าว่าจะดำเนินการอย่างไร มีการติดตั้งแบบเปิด เป็นห้องที่คล้ายกับห้องเอ็กซ์เรย์ แต่การติดตั้งดังกล่าวหายาก

2. ห้ามมิให้เข้าไปในห้องที่มีวัตถุที่เป็นโลหะและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ( เช่น นาฬิกา เครื่องประดับ กุญแจ) เนื่องจากในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าอันทรงพลัง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถพังทลายได้ และวัตถุโลหะขนาดเล็กจะกระจัดกระจาย ในขณะเดียวกัน ก็จะได้ข้อมูลการสำรวจที่ไม่ถูกต้องทั้งหมด

ก่อนใช้งานควรปรึกษาผู้เชี่ยวชาญ

เนื้อหาของบทความ

เรโซแนนซ์แม่เหล็กการดูดกลืนคลื่นความถี่วิทยุแบบเรโซแนนซ์ (เลือกได้) โดยอนุภาคอะตอมบางตัวที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กคงที่ อนุภาคมูลฐานส่วนใหญ่ เช่น ยอด หมุนรอบแกนของตัวเอง หากอนุภาคมีประจุไฟฟ้า เมื่ออนุภาคหมุน สนามแม่เหล็กก็จะเกิดขึ้น กล่าวคือ มันทำงานเหมือนแม่เหล็กขนาดเล็ก เมื่อแม่เหล็กนี้ทำปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กภายนอก จะเกิดปรากฏการณ์ที่ทำให้สามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับนิวเคลียส อะตอม หรือโมเลกุล ซึ่งรวมถึงอนุภาคมูลฐานนี้ด้วย วิธีการเรโซแนนซ์แม่เหล็กเป็นเครื่องมือวิจัยสากลที่ใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์ที่หลากหลาย เช่น ชีววิทยา เคมี ธรณีวิทยาและฟิสิกส์ เรโซแนนซ์แม่เหล็กมีสองประเภทหลัก: อิเลคตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์และเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์

อิเล็กตรอนพาราแมกเนติกเรโซแนนซ์ (EPR)

เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ (NMR)

NMR ถูกค้นพบในปี 1946 โดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน E. Purcell และ F. Bloch พวกเขาค้นพบวิธีการ "ปรับ" เรโซแนนซ์ที่เป็นอิสระจากกันและกันในสนามแม่เหล็กของการหมุนรอบนิวเคลียสของอะตอมบางชนิด เช่น ไฮโดรเจนและหนึ่งในไอโซโทปของคาร์บอน เมื่อวางตัวอย่างที่มีนิวเคลียสดังกล่าวในสนามแม่เหล็กแรงสูง โมเมนต์นิวเคลียร์ของพวกมันจะ "เรียงตัวกัน" เหมือนกับตะไบเหล็กใกล้กับแม่เหล็กถาวร การวางแนวทั่วไปนี้สามารถถูกรบกวนโดยสัญญาณ RF เมื่อปิดสัญญาณ โมเมนต์นิวเคลียร์จะกลับสู่สถานะเดิม และความเร็วของการฟื้นตัวนั้นขึ้นอยู่กับสถานะพลังงาน ประเภทของนิวเคลียสที่อยู่รอบๆ และปัจจัยอื่นๆ อีกจำนวนหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงนี้มาพร้อมกับการส่งสัญญาณความถี่วิทยุ สัญญาณจะถูกส่งไปยังคอมพิวเตอร์ที่ประมวลผล ด้วยวิธีนี้ (วิธีการคำนวณ NMR tomography) สามารถรับภาพได้ (เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกเปลี่ยนแปลงเป็นขั้นๆ น้อยๆ จะได้เอฟเฟกต์ของภาพสามมิติ) วิธี NMR ให้ความคมชัดสูงของเนื้อเยื่ออ่อนต่างๆ ในภาพ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการระบุเซลล์ที่เป็นโรคกับพื้นหลัง ของคนที่มีสุขภาพดี เอกซเรย์ NMR ถือว่าปลอดภัยกว่า X-ray เพราะไม่ก่อให้เกิดการทำลายหรือการระคายเคืองของเนื้อเยื่อ

สเปคตรัมเรโซแนนซ์เรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์

NMR เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพและให้ข้อมูลมากที่สุดสำหรับการศึกษาโมเลกุล พูดอย่างเคร่งครัด นี่ไม่ใช่วิธีเดียว แต่มีการทดลองหลายประเภท เช่น ลำดับพัลส์ แม้ว่าทั้งหมดจะขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ NMR แต่การทดลองแต่ละครั้งได้รับการออกแบบเพื่อให้ได้ข้อมูลเฉพาะบางอย่าง จำนวนของการทดลองเหล่านี้วัดได้หลายสิบครั้ง หากไม่ใช่หลายร้อยครั้ง ในทางทฤษฎี NMR สามารถทำได้ ถ้าไม่ใช่ทุกอย่าง เกือบทุกอย่างที่วิธีการทดลองอื่นๆ ทั้งหมดสำหรับการศึกษาโครงสร้างและพลวัตของโมเลกุลสามารถทำได้ แม้ว่าในทางปฏิบัติ แน่นอนว่ายังห่างไกลจากความเป็นไปได้เสมอ ข้อดีหลักประการหนึ่งของ NMR คือ ด้านหนึ่ง โพรบตามธรรมชาติ เช่น นิวเคลียสแม่เหล็ก ถูกกระจายไปทั่วโมเลกุล และในทางกลับกัน ทำให้สามารถแยกแยะนิวเคลียสเหล่านี้ออกจากกันและรับ ข้อมูลการคัดเลือกเชิงพื้นที่เกี่ยวกับคุณสมบัติของโมเลกุล วิธีอื่นๆ เกือบทั้งหมดให้ข้อมูลโดยเฉลี่ยทั่วทั้งโมเลกุลหรือเพียงส่วนใดส่วนหนึ่งของโมเลกุลเท่านั้น

มีสองข้อเสียหลักของ NMR อย่างแรก นี่เป็นความไวต่ำเมื่อเทียบกับวิธีการทดลองอื่นๆ ส่วนใหญ่ (optical spectroscopy, fluorescence, EPR ฯลฯ) สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าสัญญาณรบกวนจะต้องสะสมเป็นเวลานาน ในบางกรณี การทดสอบ NMR สามารถทำได้เป็นเวลาหลายสัปดาห์ ประการที่สอง เป็นค่าใช้จ่ายที่สูง สเปกโตรมิเตอร์ NMR เป็นหนึ่งในเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่แพงที่สุด โดยมีราคาอย่างน้อยหลายแสนดอลลาร์ และสเปกโตรมิเตอร์ที่แพงที่สุดมีราคาหลายล้าน ไม่ใช่ว่าทุกห้องปฏิบัติการโดยเฉพาะในรัสเซียจะมีอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ดังกล่าวได้

การประยุกต์ใช้ NMR

การประยุกต์ใช้ NMR สเปกโตรสโคปี NMR spectroscopy หมายถึงวิธีการวิเคราะห์แบบไม่ทำลาย สเปกโตรสโคปี NMR Fourier แบบพัลซิ่งสมัยใหม่ช่วยให้สามารถวิเคราะห์นิวเคลียสแม่เหล็กได้ 80 อัน NMR spectroscopy เป็นหนึ่งในวิธีการวิเคราะห์ทางเคมีกายภาพหลัก ข้อมูลนี้ใช้สำหรับการระบุผลิตภัณฑ์ขั้นกลางของปฏิกิริยาเคมีและเป้าหมายอย่างชัดเจน นอกเหนือจากการกำหนดโครงสร้างและการวิเคราะห์เชิงปริมาณแล้ว NMR spectroscopy ยังให้ข้อมูลเกี่ยวกับความสมดุลของโครงสร้าง การแพร่กระจายของอะตอมและโมเลกุลในของแข็ง การเคลื่อนที่ภายใน พันธะไฮโดรเจนและความสัมพันธ์ในของเหลว การหลอมละลายของโลหะและโปรโตโทรปี การสั่งซื้อและการกระจายตัวเชื่อมโยงในสายโซ่โพลีเมอร์ โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของผลึกไอออนิก ผลึกเหลว ฯลฯ NMR spectroscopy เป็นแหล่งข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของพอลิเมอร์ชีวภาพ ซึ่งรวมถึงโมเลกุลโปรตีนในสารละลาย เทียบได้กับความน่าเชื่อถือในข้อมูลการวิเคราะห์ด้วยเอ็กซ์เรย์ ในยุค 80 เริ่มแนะนำวิธีการตรวจสเปกโทรสโกปีและการตรวจเอกซเรย์ NMR อย่างรวดเร็วในการแพทย์เพื่อการวินิจฉัยโรคที่ซับซ้อนและในการตรวจสุขภาพป้องกันของประชากร จำนวนและตำแหน่งของเส้นในสเปกตรัม NMR แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงเศษส่วนทั้งหมดของน้ำมันดิบ ยางสังเคราะห์ พลาสติก หินชนวน ถ่านหิน ยา ยา สารเคมี และเภสัชภัณฑ์ ฯลฯ ความเข้มและความกว้างของเส้น NMR ของน้ำหรือน้ำมันทำให้ สามารถวัดความชื้นและปริมาณน้ำมันด้วยเมล็ดพืชที่มีความแม่นยำสูง การถนอมเมล็ดพืช เมื่อแยกจากสัญญาณน้ำ เป็นไปได้ที่จะบันทึกปริมาณกลูเตนในแต่ละเมล็ดพืช ซึ่งเหมือนกับการวิเคราะห์ปริมาณน้ำมัน ซึ่งช่วยให้สามารถเลือกพืชผลทางการเกษตรได้อย่างรวดเร็ว วัฒนธรรม การใช้สนามแม่เหล็กที่แรงกว่าที่เคย (สูงสุด 14 T ในอุปกรณ์อนุกรมและสูงถึง 19 T ในการตั้งค่าการทดลอง) ทำให้สามารถระบุโครงสร้างของโมเลกุลโปรตีนในสารละลายได้อย่างสมบูรณ์ วิเคราะห์ของเหลวทางชีววิทยาได้อย่างชัดเจน (ความเข้มข้นของสารเมแทบอไลต์ภายในเลือด , ปัสสาวะ, น้ำเหลือง, น้ำไขสันหลัง), การควบคุมคุณภาพของวัสดุโพลีเมอร์ชนิดใหม่ ในกรณีนี้ เทคนิคสเปกโตรสโกปีฟูเรียร์แบบหลายควอนตัมและฟูริเยร์หลายมิติถูกนำมาใช้หลายรูปแบบ