1. Суть явища

   Насамперед, слід зазначити, що хоча у назві цього явища є слово «ядерний», до ядерної фізики ЯМР жодного відношення не має і з радіоактивністю ніяк не пов'язаний. Якщо говорити про суворий опис, то без законів квантової механіки не обійтися. Відповідно до цих законів, енергія взаємодії магнітного ядра із зовнішнім магнітним полем може набувати лише кілька дискретних значень. Якщо опромінювати магнітні ядра змінним магнітним полем, частота якого відповідає різниці між цими дискретними енергетичними рівнями, вираженої в частотних одиницях, магнітні ядра починають переходити з одного рівня на інший, при цьому поглинаючи енергію змінного поля. У цьому полягає явище магнітного резонансу. Це пояснення формально правильне, але дуже наочне. Є інше пояснення без квантової механіки. Магнітне ядро ​​можна уявити як електрично заряджену кульку, що обертається навколо своєї осі (хоча, строго кажучи, це не так). Відповідно до законів електродинаміки, обертання заряду призводить до появи магнітного поля, тобто магнітного моменту ядра, спрямованого вздовж осі обертання. Якщо цей магнітний момент помістити в постійне зовнішнє поле, вектор цього моменту починає прецесувати, тобто обертатися навколо напрямку зовнішнього поля. Так само прецесує (обертається) навколо вертикалі вісь юли, якщо її розкрутити не строго вертикально, а під деяким кутом. І тут роль магнітного поля грає сила гравітації.

   Частота прецесії визначається як властивостями ядра, і силою магнітного поля: що сильніше поле, то вище частота. Потім, якщо крім постійного зовнішнього магнітного поля на ядро ​​впливатиме змінне магнітне поле, то ядро ​​починає взаємодіяти з цим полем - воно ніби сильніше розгойдує ядро, амплітуда прецесії збільшується, і ядро ​​поглинає енергію змінного поля. Однак це буде відбуватися лише за умови резонансу, тобто збігу частоти прецесії та частоти зовнішнього змінного поля. Це схоже на класичний приклад зі шкільної фізики - солдати, що марширують мостом. Якщо частота кроку збігається з частотою своїх коливань моста, то міст розгойдується все сильніше і сильніше. Експериментально це явище проявляється залежно від поглинання змінного поля від його частоти. У момент резонансу поглинання різко зростає, а найпростіший спектр магнітного резонансу виглядає так:

   

2. Фур'є-спектроскопія

   Перші ЯМР-спектрометри працювали саме так, як описано вище - зразок поміщався у постійне магнітне поле, і на нього безперервно подавалося радіочастотне випромінювання. Потім плавно змінювалася частота змінного поля, або напруженість постійного магнітного поля. Поглинання енергії змінного поля реєструвалося радіочастотним мостом, сигнал якого виводився на самописець чи осцилограф. Але цей спосіб реєстрації сигналу вже давно не застосовується. У сучасних ЯМР спектрометрах спектр записується за допомогою імпульсів. Магнітні моменти ядер збуджуються коротким потужним імпульсом, після якого реєструється сигнал, що наводиться в РЧ-котуні магнітними моментами, що вільно прецесують. Цей сигнал поступово спадає нанівець у міру повернення магнітних моментів у стан рівноваги (цей процес називається магнітною релаксацією). Спектр ЯМР виходить із цього сигналу за допомогою Фур'є-перетворення. Це стандартна математична процедура, що дозволяє розкладати будь-який сигнал на частотні гармоніки і таким чином одержувати частотний спектр цього сигналу. Цей спосіб запису спектра дозволяє значно знизити рівень шумів та проводити експерименти набагато швидше.

   

   Один збудливий імпульс для запису спектра – це найпростіший ЯМР-експеримент. Однак таких імпульсів, різної тривалості, амплітуди, з різними затримками між ними тощо, в експерименті може бути багато, залежно від того, які саме маніпуляції слід провести з системою ядерних магнітних моментів. Тим не менш, практично всі ці імпульсні послідовності закінчуються одним і тим самим - записом сигналу вільної прецесії з подальшим Фур'є-перетворенням.

3. Магнітні взаємодії у речовині

   Сам собою магнітний резонанс залишився б не більше ніж цікавим фізичним явищем, якби не магнітні взаємодії ядер один з одним і з електронною оболонкою молекули. Ці взаємодії впливають на параметри резонансу, і за їх допомогою методом ЯМР можна отримувати різноманітну інформацію про властивості молекул - їх орієнтацію, просторову структуру (конформацію), міжмолекулярні взаємодії, хімічний обмін, обертальну і трансляційну динаміку. Завдяки цьому ЯМР перетворився на дуже потужний інструмент дослідження речовин на молекулярному рівні, який широко застосовується не тільки у фізиці, але головним чином у хімії та молекулярній біології. Як приклад однієї з таких взаємодій можна навести так званий хімічний зсув. Суть його в наступному: електронна оболонка молекули відгукується на зовнішнє магнітне поле та намагається його екранувати – часткове екранування магнітного поля відбувається у всіх діамагнітних речовинах. Це означає, що магнітне поле в молекулі відрізнятиметься від зовнішнього магнітного поля на дуже невелику величину, яка називається хімічним зрушенням. Проте властивості електронної оболонки у різних частинах молекули різні, і хімічний зсув теж різний. Відповідно, умови резонансу для ядер у різних частинах молекули теж відрізнятимуться. Це дозволяє розрізняти у спектрі хімічно нееквівалентні ядра. Наприклад, якщо ми візьмемо спектр ядер водню (протонів) чистої води, то в ньому буде лише одна лінія, оскільки обидва протони в молекулі H2O абсолютно однакові. Але для метилового спирту СН 3 ВІН у діапазоні буде вже дві лінії (якщо нехтувати іншими магнітними взаємодіями), оскільки тут є два типи протонів - протони метильної групи СН 3 і протон, пов'язаний з атомом кисню. У міру ускладнення молекул число ліній буде збільшуватися, і якщо ми візьмемо таку велику та складну молекулу, як білок, то в цьому випадку спектр виглядатиме приблизно так:

   

4. Магнітні ядра

   ЯМР можна спостерігати на різних ядрах, але слід сказати, що далеко не всі ядра мають магнітний момент. Часто буває так, що деякі ізотопи мають магнітний момент, а інші ізотопи того самого ядра - ні. Усього існує понад сотня ізотопів різних хімічних елементів, що мають магнітні ядра, проте в дослідженнях зазвичай використовується не більше 1520 магнітних ядер, решта - екзотика. Для кожного ядра є своє характерне співвідношення магнітного поля та частоти прецесії, що називається гіромагнітним ставленням. Для всіх ядер ці відносини відомі. По них можна підібрати частоту, де при даному магнітному полі спостерігатиметься сигнал від необхідних досліднику ядер.

   Найважливіші для ЯМР ядра – це протони. Їх найбільше у природі, і вони мають дуже високу чутливість. Для хімії та біології дуже важливі ядра вуглецю, азоту та кисню, але з ними вченим не дуже пощастило: найбільш поширені ізотопи вуглецю та кисню, 12 С та 16 О, магнітного моменту не мають, у природного ізотопу азоту 14 N момент є, але він з низки причин для експериментів дуже незручний. Існують ізотопи 13 С, 15 N і 17 О, які підходять для ЯМР-експериментів, але їх природний вміст дуже низький, а чутливість дуже маленька в порівнянні з протонами. Тому часто для ЯМР-досліджень готують спеціальні ізотопно-збагачені зразки, у яких природний ізотоп того чи іншого ядра заміщений на той, який потрібний для експериментів. У більшості випадків ця процедура дуже непроста і недешева, але іноді це єдина можливість отримати необхідну інформацію.

5. Електронний парамагнітний та квадрупольний резонанс

   Говорячи про ЯМР, не можна не згадати про два інші споріднені фізичні явища - електронний парамагнітний резонанс (ЕПР) і ядерний квадрупольний резонанс (ЯКР). ЕПР за своєю сутністю подібний до ЯМР, різниця полягає в тому, що резонанс спостерігається на магнітних моментах не атомних ядер, а електронної оболонки атома. ЕПР може спостерігатися тільки в тих молекулах чи хімічних групах, електронна оболонка яких містить так званий неспарений електрон, тоді оболонка має ненульовий магнітний момент. Такі речовини називаються парамагнетиками. ЕПР, як і ЯМР, також застосовується для досліджень різних структурно-динамічних властивостей речовин на молекулярному рівні, але його сфера використання істотно вже. Це пов'язано в основному з тим, що більшість молекул, особливо живої природи, не містить неспарених електронів. У деяких випадках можна використовувати так званий парамагнітний зонд, тобто хімічну групу з неспареним електроном, яка зв'язується з молекулою, що досліджується. Але такий підхід має очевидні недоліки, які обмежують можливості цього. Крім того, в ЕПР немає такого високого спектрального дозволу (тобто можливості відрізнити в спектрі одну лінію від іншої), як ЯМР.

   Пояснити «на пальцях» природу ЯКР найважче. Деякі ядра мають так званий електричний квадрупольний момент. Цей момент характеризує відхилення розподілу електричного заряду ядра від сферичної симетрії. Взаємодія з градієнтом електричного поля, створюваного кристалічною структурою речовини, призводить до розщеплення енергетичних рівнів ядра. В цьому випадку можна спостерігати резонанс на частоті, що відповідає переходам між цими рівнями. На відміну від ЯМР та ЕПР, для ЯКР не потрібне зовнішнього магнітного поля, оскільки розщеплення рівнів відбувається без нього. ЯКР також використовується для дослідження речовин, але сфера його застосування ще вже, ніж у ЕПР.

6. Переваги та недоліки ЯМР

   

   ЯМР - найпотужніший та інформативний метод дослідження молекул. Строго кажучи, це не один метод, це велика кількість різноманітних типів експериментів, тобто імпульсних послідовностей. Хоча всі вони засновані на явищі ЯМР, але кожен із цих експериментів призначений для отримання якоїсь конкретної специфічної інформації. Число цих експериментів вимірюється багатьма десятками, а то й сотнями. Теоретично ЯМР може якщо не все, то майже все, що можуть решта експериментальних методів дослідження структури і динаміки молекул, хоча практично це здійснимо, звичайно, далеко не завжди. Одна з основних переваг ЯМР у тому, що, з одного боку, його природні зонди, тобто магнітні ядра, розподілені по всій молекулі, а з іншого боку, він дозволяє відрізнити ці ядра один від одного і отримувати просторово-селективні дані про властивості молекули. Майже решта методів дають інформацію або усереднену по всій молекулі, або тільки про якусь одну її частину.

   Основних недоліків у ЯМР є два. По-перше, це низька чутливість у порівнянні з більшістю інших експериментальних методів (оптична спектроскопія, флюоресценція, ЕПР тощо). Це призводить до того, що для усереднення шумів сигнал потрібно накопичувати тривалий час. У деяких випадках ЯМР-експеримент може проводитися навіть протягом декількох тижнів. По-друге, це його дорожнеча. ЯМР-спектрометри - одні з найдорожчих наукових приладів, їхня вартість вимірюється як мінімум сотнями тисяч доларів, а найдорожчі спектрометри коштують кілька мільйонів. Не всі лабораторії, особливо у Росії, можуть дозволити собі мати таке наукове устаткування.

7. Магніти для ЯМР-спектрометрів

   Одна з найважливіших і найдорожчих елементів спектрометра - магніт, що створює постійне магнітне поле. Чим сильніше поле, тим вище чутливість і спектральний дозвіл, тому вчені та інженери постійно намагаються отримати якомога вищі поля. Магнітне поле створюється електричним струмом в соленоїді - що сильніший струм, то більше вписувалося поле. Однак нескінченно збільшувати силу струму не можна, при дуже великому струмі дріт соленоїда просто почне плавитися. Тому вже дуже давно для високопідлогових ЯМР-спектрометрів використовуються надпровідні магніти, тобто магніти, в яких провід соленоїда знаходиться у надпровідному стані. У цьому випадку електричний опір дроту дорівнює нулю, і виділення енергії не відбувається за будь-якої величини струму. Надпровідний стан можна отримати лише за дуже низьких температур, лише кілька градусів Кельвіна, - це температура рідкого гелію. (Високотемпературна надпровідність - досі доля лише суто фундаментальних досліджень.) Саме з підтримкою такої низької температури пов'язані всі технічні складності конструювання та виробництва магнітів, які зумовлюють їхню дорожнечу. Надпровідний магніт побудований за принципом термоса-матрешки. Соленоїд знаходиться у центрі, у вакуумній камері. Його оточує оболонка, де знаходиться рідкий гелій. Ця оболонка через вакуумний прошарок оточена оболонкою з рідкого азоту. Температура рідкого азоту - мінус 196 градусів за Цельсієм, азот потрібен для того, щоб гелій випаровувався якнайповільніше. Нарешті, азотна оболонка ізолюється від кімнатної температури зовнішнім вакуумним прошарком. Така система здатна зберігати потрібну температуру надпровідного магніту дуже довго, хоча для цього потрібно регулярно підливати в магніт рідкі азот та гелій. Перевага таких магнітів крім можливості отримувати високі магнітні поля також і в тому, що вони не споживають енергії: після запуску магніту струм бігає надпровідними проводами практично без будь-яких втрат протягом багатьох років.

8. Томографія

   У звичайних ЯМР-спектрометрах магнітне поле намагаються зробити якомога одноріднішим, це потрібно для поліпшення спектрального дозволу. Але якщо магнітне поле всередині зразка, навпаки, зробити дуже неоднорідним, це відкриває нові можливості для використання ЯМР. Неоднорідність поля створюється про градієнтними котушками, які працюють у парі з основним магнітом. У цьому випадку величина магнітного поля в різних частинах зразка буде різною, а це означає, що сигнал ЯМР можна спостерігати не від усього зразка, як у звичайному спектрометрі, а лише від його вузького шару, для якого дотримуються резонансні умови, тобто потрібне співвідношення магнітного поля та частоти. Змінюючи величину магнітного поля (або, що по суті те саме, частоту спостереження сигналу), можна змінювати шар, який даватиме сигнал. Таким чином можна просканувати зразок по всьому об'єму і побачити його внутрішню тривимірну структуру, не руйнуючи зразок будь-яким механічним способом. До теперішнього часу розроблено велику кількість методик, що дозволяють вимірювати різні параметри ЯМР (спектральні характеристики, часи магнітної релаксації, швидкість самодифузії та деякі інші) з просторовим дозволом усередині зразка. Найцікавіше і найважливіше, з практичної точки зору, застосування ЯМР-томографії знайшлося в медицині. І тут досліджуваним «зразком» є людське тіло. ЯМР-томографія є одним з найефективніших і найбезпечніших (але також і дорогих) діагностичних засобів у різних галузях медицини, від онкології до акушерства. Цікаво зазначити, що у назві цього методу медики не вживають слово «ядерний», тому що деякі пацієнти пов'язують його з ядерними реакціями та атомною бомбою.

9. Історія відкриття

   

   Роком відкриття ЯМР вважається 1945-й, коли американці Фелікс Блох із Стенфорда і незалежно від нього Едвард Парселл та Роберт Паунд із Гарварду вперше спостерігали сигнал ЯМР на протонах. На той час вже було багато відомо про природу ядерного магнетизму, сам ефект ЯМР був теоретично передбачений і було зроблено кілька спроб його експериментального спостереження. Важливо відзначити, що роком раніше у Радянському Союзі, у Казані, Євгеном Завойським було відкрито явище ЕПР. Нині вже добре відомо, що Завойський також спостерігав і сигнал ЯМР, що було перед війною в 1941 році. Однак у його розпорядженні був магніт низької якості з поганою однорідністю поля, результати були погано відтворювані і тому залишилися неопублікованими. Заради справедливості слід зазначити, що Завойський був не єдиним, хто спостерігав ЯМР до ​​його «офіційного» відкриття. Зокрема, американський фізик Ісідор Рабі (лауреат Нобелівської премії 1944 року за дослідження магнітних властивостей ядер в атомних та молекулярних пучках) наприкінці 30-х років також спостерігав ЯМР, але вважав це апаратурним артефактом. Так чи інакше, за нашою країною залишається пріоритет в експериментальному виявленні магнітного резонансу. Хоча сам Завойський невдовзі після війни став займатися іншими проблемами, його відкриття у розвиток науки у Казані зіграло величезну роль. Казань досі залишається одним із провідних світових наукових центрів з ЕПР-спектроскопії.

10. Нобелівські премії у галузі магнітного резонансу

    У першій половині XX століття було присуджено кілька Нобелівських премій вченим, без яких відкриття ЯМР не могло б відбутися. Серед них можна назвати Петера Зеємана, Отто Штерна, Ісідора Рабі, Вольфганга Паулі. Але безпосередньо пов'язаних із ЯМР Нобелівських премій було чотири. У 1952 році премію отримали Фелікс Блох та Едвард Парселл за відкриття ЯМР. Це єдина ЯМР-на Нобелівська премія з фізики. 1991 року премію з хімії отримав швейцарець Річард Ернст, який працював у знаменитій Швейцарській вищій технічній школі в Цюріху. Він був удостоєний її за розвиток методів багатовимірної ЯМР-спектроскопії, що дозволило кардинально збільшити інформативність ЯМР-експериментів. У 2002 році лауреатом премії, також з хімії, став Курт Вютріх, який працював з Ернстом у сусідніх будинках у тій же Технічній школі. Він отримав премію за розробку методів визначення тривимірної структури білків у розчині. До цього єдиним методом, що дозволяє визначати просторову конформацію великих біокромолекул, був лише рентгеноструктурний аналіз. Нарешті, 2003 року премію з медицини за винахід ЯМР-томографії отримали американець Поль Лаутербур та англієць Петер Мансфілд. Радянський першовідкривач ЕПР Е. К. Завойський Нобелівської премії, на жаль, не отримав.

Ядерний магнітний резонанс

Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) - резонансне поглинання або випромінювання електромагнітної енергії речовиною, що містить ядра з ненульовим спином у зовнішньому магнітному полі, на частоті ν (званої частотою ЯМР), зумовлене переорієнтацією магнітних моментів ядер. Явище ядерного магнітного резонансу було відкрито 1938 року Ісааком Рабі у молекулярних пучках, внаслідок чого він був удостоєний нобелівської премії 1944 року . В 1946 Фелікс Блох і Едвард Міллз Парселл отримали ядерний магнітний резонанс в рідинах і твердих тілах (нобелівська премія 1952 року). .

Одні й самі ядра атомів у різних оточеннях молекулі показують різні сигнали ЯМР. Відмінність такого сигналу ЯМР від сигналу стандартної речовини дозволяє визначити так званий хімічний зсув, який обумовлений хімічною будовою речовини, що вивчається. У методиках ЯМР є багато можливостей визначати хімічну будову речовин, конформацію молекул, ефекти взаємного впливу, внутрішньомолекулярні перетворення.

Мат.опис Магнітний момент ядра мю = у * lгдеl - спин яру; у- постійна планка Частота, на якій спостерігається ЯМР

Хімічна поляризація ядер

При протіканні деяких хімічних реакцій у магнітному полі спектрах ЯМР продуктів реакції виявляється або аномально велике поглинання, або радіовипромінювання. Цей факт свідчить про нерівноважне заселення ядерних зееманівських рівнів у молекулах продуктів реакції. Надмірна заселеність нижнього рівня супроводжується аномальним поглинанням. Інверсна заселеність (верхній рівень заселений більше за нижній) призводить до радіовипромінювання. Дане явище називається хімічною поляризацією ядер

В ЯМР використовується для посилення ядерної намагніченості Ларморівські частоти деяких атомних ядер

ядро	Ларморівська частота в МГц при 0,5	Ларморівська частота в МГц при 1 Тесла	Ларморівська частота в МГц при 7,05
1 H ( Водень)
²D ( Дейтерій)
13 C ( Вуглець)
23 Na ( Натрій)
39 K ( Калій)

Частота резонансу протонів знаходиться в діапазоні коротких хвиль(довжина хвиль близько 7 м) .

Застосування ЯМР

Спектроскопія

ЯМР-спектроскопія

Прилади

Серцем спектрометра ЯМР є сильний магніт. В експерименті, вперше здійсненому на практиці Пёрселлом, зразок, вміщений у скляну ампулу діаметром близько 5 мм, полягає між полюсами сильного електромагніту. Потім, поліпшення однорідності магнітного поля, ампула починає обертатися, а магнітне полі, що діє неї, поступово посилюють. Як джерело випромінювання використовується радіочастотний генератор високої добротності. Під дією магнітного поля, що посилюється, починають резонувати ядра, на які налаштований спектрометр. При цьому екрановані ядра резонують на трохи меншій частоті, ніж ядра, позбавлені електронних оболонок. Поглинання енергії фіксується радіочастотним мостом і записується самописцем. Частоту збільшують до тих пір, поки вона не досягне певної межі, вище якої резонанс неможливий.

Оскільки струми, що йдуть від мосту, дуже малі, зняттям одного спектра не обмежуються, а роблять кілька десятків проходів. Усі отримані сигнали підсумовуються на підсумковому графіку, якість якого залежить від відношення сигнал/шум приладу.

У цьому методі зразок піддається радіочастотному опроміненню незмінної частоти, тоді як сила магнітного поля змінюється, тому його називають методом безперервного опромінення (CW, continous wave).

Традиційний метод ЯМР-спектроскопії має безліч недоліків. По-перше, він вимагає багато часу для побудови кожного спектра. По-друге, він дуже вимогливий до відсутності зовнішніх перешкод, і, як правило, спектри, що отримують, мають значні шуми. По-третє, він непридатний до створення спектрометрів високих частот (300, 400, 500 і більше МГц). Тому в сучасних приладах ЯМР використовується метод так званої імпульсної спектроскопії (PW), заснованої на фур'є-перетворення отриманого сигналу. В даний час усі ЯМР-спектрометри будуються на основі потужних надпровідних магнітів з постійною величиною магнітного поля.

На відміну від CW-методу, в імпульсному варіанті збудження ядер здійснюють не "постійною хвилею", а за допомогою короткого імпульсу, тривалістю кілька мікросекунд. Амплітуди частотних компонент імпульсу зменшуються зі збільшенням відстані від 0. Але оскільки бажано, щоб усі ядра опромінювалися однаково, необхідно використовувати «жорсткі імпульси», тобто короткі імпульси великої потужності. Тривалість імпульсу вибирають так, щоб ширина частотної смуги була більшою за ширину спектра на один-два порядку. Потужність сягає кількох тисяч ватів.

В результаті імпульсної спектроскопії отримують не звичайний спектр з видимими піками резонансу, а зображення резонансних коливань, що загасають, в якому змішані всі сигнали від усіх резонуючих ядер - так званий «спад вільної індукції» (FID, free induction decay). Для перетворення даного спектра використовують математичні методи, так зване фур'є-перетворення, яким будь-яка функція може бути представлена ​​у вигляді суми безлічі гармонійних коливань.

Спектри ЯМР

Спектр 1 H 4-етоксибензальдегіду. У слабкому полі (синглет ~9,25 м.д) сигнал протона альдегідної групи, у сильному (триплет ~1,85-2 м.д.) - протонів метилу етоксильної групи.

Для якісного аналізу за допомогою ЯМР використовують аналіз спектрів, що ґрунтується на таких чудових властивостях даного методу:

сигнали ядер атомів, що входять до певних функціональних груп, лежать у строго визначених ділянках спектра;

інтегральна площа, обмежена піком, суворо пропорційна кількості резонуючих атомів;

ядра, що лежать через 1-4 зв'язку, здатні давати мультиплетні сигнали внаслідок т.з. розщеплення один на одному.

Положення сигналу в спектрах ЯМР характеризують їх хімічним зрушенням щодо еталонного сигналу. В якості останнього в ЯМР 1 Н і 13 застосовують тетраметилсилан Si(CH 3) 4 (ТМС). Одиницею хімічного зсуву є мільйонна частка частоти приладу. Якщо прийняти сигнал ТМС за 0, а зміщення сигналу слабке полі вважати позитивним хімічним зрушенням, ми отримаємо так звану шкалу δ. Якщо резонанс тетраметилсилану прирівняти 10 м.д. і звернути знаки на протилежні, то результуюча шкала буде шкалою τ, що практично не використовується в даний час. Якщо спектр речовини занадто складний для інтерпретування, можна скористатися квантовохімічними методами розрахунку констант екранування і підставі співвіднести сигнали.

ЯМР-інтроскопія

Явище ядерного магнітного резонансу можна використовувати у фізиці і хімії, а й у медицині: організм людини - це сукупність тих самих органічних і неорганічних молекул.

Щоб спостерігати це явище, об'єкт поміщають у постійне магнітне поле та піддають дії радіочастотних та градієнтних магнітних полів. У котушці індуктивності, що оточує досліджуваний об'єкт, виникає змінна електрорушійна сила (ЕРС), амплітудно-частотний спектр якої і перехідні в часі характеристики несуть інформацію про просторову щільність атомних ядер, що резонують, а також про інші параметри, специфічні тільки для ядерного магнітного резонансу. Комп'ютерна обробка цієї інформації формує об'ємне зображення, яке характеризує щільність хімічно еквівалентних ядер, часи релаксації ядерного магнітного резонансу, розподіл швидкостей потоку рідини, дифузію молекул та біохімічні процеси обміну речовин у живих тканинах.

Сутність ЯМР-інтроскопії (або магнітно-резонансної томографії) полягає, по суті, у реалізації особливого кількісного аналізу з амплітуди сигналу ядерного магнітного резонансу. У звичайній ЯМР-спектроскопії прагнуть реалізувати, наскільки можна, найкраще дозвіл спектральних ліній. Для цього магнітні системи регулюються таким чином, щоб у межах зразка створити якнайкращу однорідність поля. У способах ЯМР-інтроскопії, навпаки, магнітне поле створюється явно неоднорідним. Тоді є підстави очікувати, що частота ядерного магнітного резонансу в кожній точці зразка має своє значення, що відрізняється від значень в інших частинах. Задавши будь-який код для градацій амплітуди ЯМР-сигналів (яскравість або колір на екрані монітора) можна отримати умовне зображення (томограму) зрізів внутрішньої структури об'єкта.

ЯМР-інтроскопія, ЯМР-томографія вперше у світі винайдені у 1960 р. В. А. Івановим. Заявку на винахід (спосіб і пристрій) некомпетентний експерт відхилив «... зважаючи на явну марність запропонованого рішення», тому авторське свідоцтво на це було видано лише через 10 років. Таким чином офіційно визнано, що автором ЯМР-томографії є ​​не колектив нижчевказаних нобелівських лауреатів, а російський учений. Незважаючи на цей юридичний факт, Нобелівську премію присудили за ЯМР-томографію зовсім не В. А. Іванову.

Ядерно-магнітний резонанс (ЯМР) – найбезпечніший діагностичний метод

спасибі

Сайт надає довідкову інформацію виключно для ознайомлення. Діагностику та лікування захворювань потрібно проходити під наглядом спеціаліста. Усі препарати мають протипоказання. Консультація спеціаліста обов'язкова!

Загальні відомості

Явище ядерно-магнітного резонансу (ЯМР)було виявлено у 1938 р. Рабі Ісааком. В основі явища лежить наявність ядер атомів магнітних властивостей. І лише у 2003 році був винайдений спосіб використання цього явища у діагностичних цілях у медицині. За винахід його автори здобули Нобелівську премію. При спектроскопії тіло, що вивчається ( тобто тіло пацієнта) поміщається в електромагнітне поле та опромінюється радіохвилями. Це абсолютно безпечний метод. на відміну, наприклад, від комп'ютерної томографії), який володіє дуже високим ступенем роздільної здатності та чутливістю.

Застосування економіки та науці

1. У хімії та фізиці для ідентифікації речовин, що беруть участь у реакції, а також кінцевих результатів реакцій,
2. У фармакології для виробництва ліків,
3. У сільському господарстві для визначення хімічного складу зерна та готовності до висіву ( дуже корисно при селекції нових видів),
4. У медицині - для діагностики. Дуже інформативний метод для діагностики захворювань хребта, особливо міжхребцевих дисків. Дає можливість виявити навіть найменші порушення цілісності диска. Виявляє ракові пухлини ранніх стадіях освіти.

Суть методу

Метод ядерно-магнітного резонансу заснований на тому, що в момент, коли тіло знаходиться в особливо налаштованому дуже сильному магнітному полі ( у 10000 разів сильніше, ніж магнітне поле нашої планети), молекули води, присутні у всіх клітинах організму, формують ланцюжки, розташовані паралельно до напрямку магнітного поля.

Якщо ж раптово змінити напрямок поля, молекула води виділяє частинку електрики. Саме ці заряди фіксуються датчиками приладу та аналізуються комп'ютером. За інтенсивністю концентрації води в клітинах комп'ютер створює модель того органу або частини тіла, яка вивчається.

На виході лікар має монохромне зображення, на якому можна побачити тонкі зрізи органу у найдрібніших подробицях. За ступенем інформативності цей метод значно перевищує комп'ютерну томографію. Іноді деталей про досліджуваному органі видається навіть більше, ніж необхідно для діагностики.

Види магнітно-резонансної спектроскопії

• Біологічні рідини,
• Внутрішні органи.

Методика дає можливість у подробицях обстежити всі тканини організму людини, що включають воду. Чим більше рідини в тканинах, тим світлішими і яскравішими вони на картинці. Кістки, у яких води мало, зображуються темними. Тому у діагностиці захворювань кістки більш інформативним є комп'ютерна томографія.

Методика магнітно-резонансної перфузії дає можливість проконтролювати рух крові через тканини печінки та головного мозку.

На сьогоднішній день у медицині ширше використовується назва МРТ (Магнітно-резонансна томографія ), оскільки згадка ядерної реакції у назві лякає пацієнтів.

Показання

1. Захворювання головного мозку,
2. Дослідження функцій відділів головного мозку,
3. Захворювання суглобів,
4. Захворювання спинного мозку,
5. Захворювання внутрішніх органів черевної порожнини,
6. Захворювання системи сечовиведення та відтворення,
7. Захворювання середостіння та серця.
8. Захворювання судин.

Протипоказання

Абсолютні протипоказання:
1. Кардіостимулятор
2. Електронні або феромагнітні протези середнього вуха,
3. Феромагнітні апарати Ілізарова,
4. Великі металеві внутрішні протези,
5. Кровоспинні затискачі судин головного мозку.

Відносні протипоказання:
1. Стимулятори нервової системи
2. Інсулінові насоси
3. Інші види внутрішніх вушних протезів,
4. Протези серцевих клапанів
5. Кровозупинні затискачі на інших органах,
6. Вагітність ( необхідно отримати висновок гінеколога),
7. Серцева недостатність у стадії декомпенсації,
8. Клаустрофобія ( страх замкненого простору).

Підготовка до дослідження

Спеціальна підготовка потрібна лише тим пацієнтам, які йдуть на обстеження внутрішніх органів. сечостатевих та травного тракту): не слід їсти за п'ять годин до процедури.
Якщо обстеженню піддається голова, представницям прекрасної статі рекомендується зняти макіяж, оскільки речовини, що входять до косметики ( наприклад, у тіні для повік), можуть вплинути на результат. Усі металеві прикраси слід з себе зняти.
Іноді медичний персонал перевіряє пацієнта за допомогою портативного металошукача.

Як проводиться дослідження?

Перед початком дослідження кожен пацієнт заповнює анкету, яка допомагає виявити протипоказання.

Прилад є широкою трубою, в яку поміщають пацієнта в горизонтальному положенні. Пацієнт повинен зберігати повну нерухомість, інакше зображення не вийде досить чітким. Усередині труби не темно і є вентиляція припливу, так що умови для проходження процедури досить комфортні. Деякі установки справляє відчутний гул, тоді досліджуваної особи надягають шумопоглинаючі навушники.

Тривалість обстеження може становити від 15 до 60 хвилин.
У деяких медичних центрах дозволяється, щоб у приміщенні, де проводиться дослідження, разом з пацієнтом знаходився його родич або супроводжуючий ( якщо у нього немає протипоказань).

У деяких медичних центрах анестезіолог проводить запровадження заспокійливих препаратів. Процедура в такому випадку переноситься набагато легше, особливо це стосується хворих, які страждають на клаустрофобію, маленьких дітей або пацієнтів, яким з якихось причин важко перебувати в нерухомому стані. Пацієнт впадає у стан лікувального сну і виходить із нього відпочившим і бадьорим. Препарати, що використовуються, швидко виводяться з організму і безпечні для пацієнта.

Результат обстеження готовий вже за 30 хвилин після закінчення процедури. Результат видається у вигляді DVD-диску, висновків лікаря та знімків.

Використання контрастної речовини при ЯМР

Найчастіше процедура відбувається без використання контрасту. Однак у деяких випадках це необхідно ( для дослідження судин). У разі контрастне речовина вливається внутрішньовенно з допомогою катетера. Процедура аналогічна до будь-якої внутрішньовенної ін'єкції. Для цього виду дослідження застосовуються спеціальні речовини – парамагнетики. Це слабкі магнітні речовини, частинки яких, перебуваючи у зовнішньому магнітному полі, намагнічуються паралельно до ліній поля.

Протипоказання для використання контрастної речовини:

• Вагітність,
• Індивідуальна непереносимість компонентів контрастної речовини виявлена ​​раніше.

Дослідження судин (магнітно-резонансна ангіографія)

З допомогою цього можна проконтролювати як стан кровоносної мережі, і рух крові по судинах.
Незважаючи на те, що метод дає можливість "побачити" судини і без контрастної речовини, з його використанням зображення виходить наочнішим.
Спеціальні 4-D установки дозволяють практично в реальному часі простежити за рухом крові.

Показання:

• Вроджені вади серця
• Аневризм , розшарування її,
• Стеноз судин,

Дослідження головного мозку

Це дослідження мозку, що не використовує радіоактивні промені. Метод дозволяє побачити кістки черепа, але детальніше можна розглянути м'які тканини. Відмінний діагностичний метод у нейрохірургії, а також неврології. Дає можливість виявити наслідки застарілих ударів та струсів, інсультів, а також новоутворення.
Призначається зазвичай при мігренеподібних станах незрозумілої етіології, порушенні свідомості, новоутворення, гематомах, порушенні координації.

При ЯМР головного мозку досліджуються:

• основні судини шиї,
• кровоносні судини, що живлять головний мозок,
• тканини головного мозку,
• орбіти очниць,
• більш глибоко перебувають частини головного мозку ( мозочок, епіфіз, гіпофіз, довгастий та проміжний відділи).

Функціональна ЯМР

Дана діагностика заснована на тому, що при активізації будь-якого відділу головного мозку, що відповідає за певну функцію, посилюється кровообіг у цій галузі.
Обстежуваній людині даються різні завдання, і під час їхнього виконання фіксується кровообіг у різних частинах головного мозку. Отримані під час експериментів дані порівнюються з томограмою, отриманою період спокою.

Дослідження хребта

Цей метод чудово підходить для дослідження нервових закінчень, м'язів, кісткового мозку та зв'язок, а також міжхребцевих дисків. Але при переломах хребта або необхідності дослідження кісткових структур він дещо поступається комп'ютерною томографією.

Можна обстежити весь хребет, а можна тільки відділ, що турбує: шийний, грудний, попереково-крижовий, а також окремо куприк. Так, при обстеженні шийного відділу можна виявити патології судин та хребців, що впливають на кровопостачання головного мозку.
При обстеженні поперекового відділу можна виявити міжхребцеві грижі, кісткові та хрящові шипи, а також утиски нервів.

Показання:

• Зміна форми міжхребцевих дисків, у тому числі грижі,
• Травми спини та хребта,
• Остеохондроз, дистрофічні та запальні процеси в кістках,
• Новоутворення.

Дослідження спинного мозку

Проводиться одночасно з обстеженням хребта.

Показання:

• Ймовірність новоутворень спинного мозку, осередкове ураження,
• Для контролю над заповненням спинномозкової рідиною порожнин спинного мозку,
• Кісти спинного мозку,
• Для контролю за відновленням після операцій,
• За ймовірності захворювань спинного мозку.

Дослідження суглобів

Даний метод дослідження є дуже ефективним для дослідження стану м'яких тканин, що входять до складу суглоба.

Використовується для діагностики:

• Хронічних артритів
• Травм сухожилля, м'язів і зв'язок ( особливо часто використовується у спортивній медицині),
• Переломів,
• Новоутворень м'яких тканин та кісток,
• Пошкоджень, які не виявляються іншими методами діагностики.

Застосовується при:

• Обстеження тазостегнових суглобів при остеомієліті, некрозі головки стегнової кістки, стресовому переломі, артриті септичного характеру,
• Обстеження колінних суглобів при стресових переломах, порушення цілісності деяких внутрішніх складових ( менісків, хрящів),
• Обстеження суглоба плеча при вивихах, утиску нервів, розриві капсули суглоба,
• Обстеження променево-зап'ясткового суглоба при порушенні стабільності, множинних переломах, утиску серединного нерва, пошкодженні зв'язок.

Дослідження скронево-нижньощелепного суглоба

Призначається визначення причин порушення функції суглоба. Дане дослідження найбільш повно розкриває стан хрящів та м'язів, дає можливість виявити вивихи. Застосовується і перед ортодонтичними або ортопедичними операціями.

Показання:

• Порушення рухливості нижньої щелепи,
• Клацання при відкриванні – закриванні рота,
• Болі у скроні при відкриванні – закриванні рота,
• Біль при промацуванні жувальної мускулатури,
• Біль у м'язах шиї та голови.

Дослідження внутрішніх органів черевної порожнини

Обстеження підшлункової залози та печінки призначається при:

• Неінфекційної жовтяниці
• Можливості новоутворення печінки, переродження, абсцесу, кіст, при цирозі,
• Як контроль над перебігом лікування,
• При травматичних розривах,
• Камені в жовчному міхурі або жовчних протоках,
• Панкреатите будь-якої форми,
• Можливості новоутворень,
• Ішемії органів паренхіми.

Метод дозволяє виявити кісти підшлункової залози, досліджувати стан жовчних проток. Виявляються будь-які формування, що закупорюють протоки.

Обстеження нирок призначається при:

• Підозрі на новоутворення,
• Захворювання органів та тканин, що знаходяться біля нирок,
• Ймовірності порушення формування органів сечовиведення,
• У разі неможливості проведення екскреторної урографії.

Перед обстеженням внутрішніх органів методом ядерно-магнітного резонансу необхідно провести ультразвукове обстеження.

Дослідження при захворюваннях системи відтворення

Обстеження малого тазу призначаються при:

• Можливості новоутворення матки, сечового міхура, простати,
• травм,
• Новоутворення малого тазу для виявлення метастазів,
• Болях в області крижів,
• Везикуліті,
• Для дослідження стану лімфатичних вузлів.

При раку простати дане обстеження призначається виявлення поширення новоутворення на органи, що є поруч.

За годину до дослідження небажано мочитися, оскільки зображення буде більш інформативним, якщо сечовий міхур дещо заповнений.

Дослідження у період вагітності

Незважаючи на те, що цей метод дослідження набагато безпечніший за рентген або комп'ютерну томографію, категорично не дозволяється використовувати його в першому триместрі вагітності.
У другому та третьому триместрах даних метод призначають лише за життєвими показаннями. Небезпека для організму вагітної жінки полягає в тому, що під час процедури деякі тканини нагріваються, що може викликати небажані зміни у формуванні плода.
А ось використання контрастної речовини під час вагітності категорично заборонено на будь-якій стадії виношування.

Запобіжні заходи

1. Деякі установки ЯМР створені за типом закритої труби. У людей, які страждають на страх замкненого простору, може початися напад. Тому краще заздалегідь поцікавитись тим, як проходитиме процедура. Існують установки відкритого типу. Вони є приміщенням, схожим на рентгенівський кабінет, але такі установки зустрічаються нечасто.

2. У приміщення, де знаходиться прилад, заборонено входити з металевими предметами та електронними приладами ( наприклад, годинником, прикрасами, ключами), оскільки в потужному електромагнітному полі електронні прилади можуть зламатися, а дрібні металеві предмети розлітатимуться. Одночасно з цим буде отримано не зовсім коректні дані обстеження.

Перед застосуванням слід проконсультуватися з фахівцем.

Зміст статті

МАГНІТНИЙ РЕЗОНАНС,резонансне (виборче) поглинання радіочастотного випромінювання деякими атомними частинками, вміщеними у постійне магнітне поле. Більшість елементарних частинок, подібно до дзиг, обертаються навколо власної осі. Якщо частка володіє електричним зарядом, то її обертанні виникає магнітне полі, тобто. вона веде себе подібно до крихітного магніту. При взаємодії цього магнітика із зовнішнім магнітним полем відбуваються явища, що дозволяють отримати інформацію про ядра, атоми або молекули, до складу яких входить ця елементарна частка. Метод магнітного резонансу є універсальним інструментом досліджень, що застосовується в таких різних галузях науки, як біологія, хімія, геологія і фізика. Розрізняють магнітні резонанси двох основних видів: електронний парамагнітний резонанс та ядерний магнітний резонанс.

Електронний парамагнітний резонанс (ЕПР).

Ядерний магнітний резонанс (ЯМР).

ЯМР було відкрито в 1946 американськими фізиками Е. Перселлом та Ф. Блохом. Працюючи незалежно один від одного, вони знайшли спосіб резонансного «налаштування» в магнітних полях власних обертань ядер деяких атомів, наприклад, водню та одного з ізотопів вуглецю. Коли зразок, що містить такі ядра, поміщають у сильне магнітне поле, їх ядерні моменти «вибудовуються» подібно до залізної тирси поблизу постійного магніту. Цю загальну орієнтацію можна порушити радіочастотним сигналом. Після виключення сигналу ядерні моменти повертаються у вихідний стан, причому швидкість такого відновлення залежить від їхнього енергетичного стану, типу навколишніх ядер та інших факторів. Перехід супроводжується випромінюванням радіочастотного сигналу. Сигнал подається на комп'ютер, який його обробляє. Таким чином (метод комп'ютерної ЯМР-томографії) можна отримати зображення. (При зміні зовнішнього магнітного поля малими ступенями досягається ефект тривимірного зображення.) Метод ЯМР забезпечує високу контрастність різних м'яких тканин на зображенні, що дуже важливо виявлення хворих клітин на тлі здорових. ЯМР-томографія вважається безпечнішою, ніж рентгенівська, оскільки не викликає ні руйнування, ні роздратування тканин

ядерний магнітний резонанс спектрометрія

ЯМР - найпотужніший та інформативний метод дослідження молекул. Строго кажучи, це не один метод, це велика кількість різноманітних типів експериментів, тобто імпульсних послідовностей. Хоча всі вони засновані на явищі ЯМР, але кожен із цих експериментів призначений для отримання якоїсь конкретної специфічної інформації. Число цих експериментів вимірюється багатьма десятками, а то й сотнями. Теоретично ЯМР може якщо не все, то майже все, що можуть решта експериментальних методів дослідження структури і динаміки молекул, хоча практично це здійснимо, звичайно, далеко не завжди. Одна з основних переваг ЯМР у тому, що, з одного боку, його природні зонди, тобто магнітні ядра, розподілені по всій молекулі, а з іншого боку, він дозволяє відрізнити ці ядра один від одного і отримувати просторово-селективні дані про властивості молекули. Майже решта методів дають інформацію або усереднену по всій молекулі, або тільки про якусь одну її частину.

Основних недоліків у ЯМР є два. По-перше, це низька чутливість у порівнянні з більшістю інших експериментальних методів (оптична спектроскопія, флюоресценція, ЕПР тощо). Це призводить до того, що для усереднення шумів сигнал потрібно накопичувати тривалий час. У деяких випадках ЯМР-експеримент може проводитися навіть протягом декількох тижнів. По-друге, це його дорожнеча. ЯМР-спектрометри – одні з найдорожчих наукових приладів, їхня вартість вимірюється як мінімум сотнями тисяч доларів, а найдорожчі спектрометри коштують кілька мільйонів. Не всі лабораторії, особливо у Росії, можуть дозволити собі мати таке наукове устаткування.

Застосування ЯМР

Застосування спектроскопії ЯМР. Спектроскопія ЯМР відноситься до неруйнівних методів аналізу. Сучасна імпульсна ЯМР фур'є-спектроскопія дозволяє проводити аналіз по 80 магнітних ядрах. ЯМР спектроскопія - один із основних фізико-хімічних методів аналізу, її дані використовують для однозначної ідентифікації як проміжних продуктів хімічних реакцій, так і цільових. Крім структурних віднесень та кількісного аналізу, спектроскопія ЯМР приносить інформацію про конформаційні рівноваги, дифузії атомів і молекул у твердих тілах, внутрішніх рухах, водневих зв'язках та асоціації в рідинах, таутомерії, металах і прототропії, упорядкованості та розподілі ланок у полімерних структурах. кристалів, рідких кристалів та ін. Спектроскопія ЯМР – джерело інформації про структуру біополімерів, у т. ч. білкових молекул у розчинах, порівнянної за достовірністю з даними рентгеноструктурного аналізу. У 80-ті роки. почалося бурхливе впровадження методів спектроскопії та томографії ЯМР у медицину для діагностики складних захворювань та при диспансеризації населення. Число та положення ліній у спектрах ЯМР однозначно характеризують усі фракції сирої нафти, синтетичних каучуків, пластмас, сланців, вугілля, ліків, препаратів, продукції хімії та фармацевтичними та ін. Інтенсивність та ширина лінії ЯМР води чи олії дозволяють з високою точністю вимірювати вологість насіння, збереження зерна. При відбудові від сигналів води можна реєструвати вміст клейковини у кожному зерні, що як і, як і аналіз олійності, дозволяє вести прискорену селекцію с.-х. культур. Застосування дедалі сильніших магнітних полів (до 14 Тл у серійних приладах та до 19 Тл в експериментальних установках) забезпечує можливість повного визначення структури білкових молекул у розчинах, експрес-аналізу біологічних рідин (концентрації ендогенних метаболітів у крові, сечі, лімфі, спинномозковій рідині). , контролю якості нових полімерних матеріалів При цьому застосовують численні варіанти багатоквантових та багатовимірних фур'є-спектроскопічних методик.