Ядерный магнитный резонанс
Nuclear magnetic resonance
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) – резонансное поглощение электромагнитных волн атомными ядрами, происходящее при изменении ориентации векторов их собственных моментов количества движения (спинов). ЯМР возникает в образцах, помещённых в сильное постоянное магнитное поле, при одновременном воздействии на них слабого переменного электромагнитного поля радиочастотного диапазона (силовые линии переменного поля должны быть перпендикулярны силовым линиям постоянного поля). Для ядер водорода (протонов) в постоянном магнитном поле напряжённостью 10 4 эрстед резонанс наступает при частоте радиоволн 42.58 МГц. Для других ядер в магнитных полях 10 3 –10 4 эрстед ЯМР наблюдается в диапазоне частот 1–10 МГц. ЯМР широко используется в физике, химии и биохимии для исследования структуры твёрдых тел и сложных молекул. В медицине с помощью ЯМР с разрешением 0.5–1 мм получают пространственное изображение внутренних органов человека.
Рассмотрим явление ЯМР на примере простейшего ядра
– водорода. Ядро водорода это протон, имеющий определённое значение собственного
механического момента количества движения (спина). В соответствии с квантовой
механикой вектор спина протона может иметь только два взаимно противоположных
направления в пространстве, условно обозначаемых словами “вверх” и “вниз”.
Протон имеет также и магнитный момент, направление вектора которого жёстко
привязано к направлению вектора спина. Поэтому и вектор магнитного момента
протона может быть направлен либо “вверх”, либо “вниз”. Таким образом, протон
можно представить как микроскопический магнитик с двоякой возможной ориентацией
в пространстве. Если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле,
то энергия протона в этом поле будет зависеть от того, куда направлен его
магнитный момент. Энергия протона будет больше в том случае, если его магнитный
момент (и спин) направлен в сторону, противоположную полю. Эту энергию обозначим
E ↓ .
Если магнитный момент (спин) протона направлен в ту же сторону, что и поле,
то энергия протона, обозначаемая
E ,
будет меньше (E <
E ↓).
Пусть протон оказался именно в этом последнем состоянии. Если теперь протону
добавить энергию Δ Е =
E ↓ − E ,
то он сможет скачком перейти в состояние с большей энергией, в котором его
спин будет направлен против поля. Добавить энергию протону можно, “облучая”
его квантами электромагнитных волн с частотой ω, определяемой соотношением
ΔЕ = ћω.
Перейдём от отдельного протона к макроскопическому образцу водорода,
содержащему большое число протонов. Ситуация будет выглядеть так. В образце
из-за усреднения случайных ориентаций спинов примерно равные количества
протонов при наложении постоянного внешнего магнитного поля окажутся относительно
этого поля со спинами, направленными “вверх” и “вниз”. Облучение образца
электромагнитными волнами с частотой ω = (E ↓ −
E )/ћ,
вызовет “массовый” переворот спинов (магнитных моментов) протонов, в результате
которого все протоны образца окажутся в состоянии со спинами, направленными
против поля. Такой массовое изменение ориентации протонов будет сопровождаться
резким (резонансным) поглощением квантов (и энергии) облучающего электромагнитного
поля. Это и есть ЯМР. ЯМР можно наблюдать лишь в образцах с большим числом
ядер (10 16), используя специальные методики и высокочувствительные
приборы.
Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения.
Физика ЯМР
Расщепление энергетических уровней ядра с I = 1/2 в магнитном поле
В основе явления ядерного магнитного резонанса лежат магнитные свойства атомных ядер, состоящих из нуклонов с полуцелым спином 1/2, 3/2, 5/2.... Ядра с чётными массовым и зарядовым числами (чётно-чётные ядра) не обладают магнитным моментом, в то время как для всех прочих ядер магнитный момент отличен от нуля.
Таким образом, ядра обладают угловым моментом , связанным с магнитным моментом соотношением
,где - постоянная Планка , - спиновое квантовое число, - гиромагнитное отношение .
Угловой момент и магнитный момент ядра квантованы и собственные значения проекции и углового и магнитного моментов на ось z произвольно выбранной системы координат определяются соотношением
и ,где - магнитное квантовое число собственного состояния ядра, его значения определяются спиновым квантовым числом ядра
то есть ядро может находиться в состояниях.
Так, у протона (или другого ядра с I = 1/2 - 13 C, 19 F, 31 P и т. п.) может находиться только в двух состояниях
,такое ядро можно представить как магнитный диполь , z-компонента которого может быть ориентирована параллельно либо антипараллельно положительному направлению оси z произвольной системы координат.
Следует отметить, что в отсутствие внешнего магнитного поля все состояния с различными имеют одинаковую энергию, то есть являются вырожденными. Вырождение снимается во внешнем магнитном поле, при этом расщепление относительно вырожденного состояния пропорционально величине внешнего магнитного поля и магнитного момента состояния и для ядра со спиновым квантовым числом I во внешнем магнитном поле появляется система из 2I+1 энергетических уровней , то есть ядерный магнитный резонанс имеет ту же природу, что и эффект Зеемана расщепления электронных уровней в магнитном поле.
В простейшем случае для ядра со спином с I = 1/2 - например, для протона, расщепление
и разность энергии спиновых состояний
Ларморовские частоты некоторых атомных ядер
Частота для резонанса протонов находится в диапазоне коротких волн (длина волн около 7 м) .
Применение ЯМР
Спектроскопия
Основная статья : ЯМР-спектроскопия
Приборы
Сердцем спектрометра ЯМР является мощный магнит . В эксперименте, впервые осуществленном на практике Пёрселлом , образец, помещенный в стеклянную ампулу диаметром около 5 мм, заключается между полюсами сильного электромагнита. Затем ампула начинает вращаться, а магнитное поле , действующее на нее, постепенно усиливают. В качестве источника излучения используется радиочастотный генератор высокой добротности . Под действием усиливающегося магнитного поля начинают резонировать ядра, на которые настроен спектрометр. При этом экранированные ядра резонируют на частоте чуть меньшей, чем номинальная частота резонанса (и прибора).
Поглощение энергии фиксируется радиочастотным мостом и затем записывается самописцем. Частоту увеличивают до тех пор, пока она не достигнет некого предела, выше которого резонанс невозможен.
Так как идущие от моста токи весьма малы, снятием одного спектра не ограничиваются, а делают несколько десятков проходов. Все полученные сигналы суммируются на итоговом графике, качество которого зависит от отношения сигнал/шум прибора.
В данном методе образец подвергается радиочастотному облучению неизменной частоты, в то время как сила магнитного поля изменяется, поэтому его еще называют методом постоянного поля (CW).
Традиционный метод ЯМР-спектроскопии имеет множество недостатков. Во-первых, он требует большого количества времени для построения каждого спектра. Во-вторых, он очень требователен к отсутствию внешних помех, и как правило, получаемые спектры имеют значительные шумы. В-третьих, он непригоден для создания спектрометров высоких частот (300, 400, 500 и более МГц). Поэтому в современных приборах ЯМР используется метод так называемой импульсной спектроскопии (PW), основанной на фурье-преобразованиях полученного сигнала. В настоящее время все ЯМР-спектрометры строятся на основе мощных сверхпроводящих магнитов с постоянной величиной магнитного поля.
В отличие от CW-метода, в импульсном варианте возбуждение ядер осуществляют не «постоянной волной», а с помощью короткого импульса, продолжительностью несколько микросекунд. Амплитуды частотных компонент импульса уменьшаются с увеличением расстояния от ν 0 . Но так как желательно, чтобы все ядра облучались одинаково, необходимо использовать «жесткие импульсы», то есть короткие импульсы большой мощности. Продолжительность импульса выбирают так, чтобы ширина частотной полосы была больше ширины спектра на один-два порядка. Мощность достигает нескольких ватт .
В результате импульсной спектроскопии получают не обычный спектр с видимыми пиками резонанса, а изображение затухающих резонансных колебаний, в котором смешаны все сигналы от всех резонирующих ядер - так называемый «спад свободной индукции» (FID, free induction decay ). Для преобразования данного спектра используют математические методы, так называемое фурье-преобразование , по которому любая функция может быть представлена в виде суммы множества гармонических колебаний .
Спектры ЯМР
Спектр 1 H 4-этоксибензальдегида. В слабом поле (синглет ~9,25 м.д) сигнал протона альдегидной группы, в сильном (триплет ~1,85-2 м.д.) - протонов метила этоксильной группы.
Для качественного анализа c помощью ЯМР используют анализ спектров, основанный на таких замечательных свойствах данного метода:
- сигналы ядер атомов, входящих в определенные функциональные группы, лежат в строго определенных участках спектра;
- интегральная площадь, ограниченная пиком, строго пропорциональна количеству резонирующих атомов;
- ядра, лежащие через 1-4 связи, способны давать мультиплетные сигналы в результате т. н. расщепления друг на друге.
Положение сигнала в спектрах ЯМР характеризуют химическим сдвигом их относительно эталонного сигнала. В качестве последнего в ЯМР 1 Н и 13 С применяют тетраметилсилан Si(CH 3) 4 . Единицей химического сдвига является миллионная доля (м.д.) частоты прибора. Если принять сигнал ТМС за 0, а смещение сигнала в слабое поле считать положительным химическим сдвигом, то мы получим так называемую шкалу δ. Если резонанс тетраметилсилана приравнять 10 м.д. и обратить знаки на противоположные, то результирующая шкала будет шкалой τ, практически не используемой в настоящее время. Если спектр вещества слишком сложен для интерпретирования, можно воспользоваться квантовохимическими методами расчета констант экранирования и на их основании соотнести сигналы.
ЯМР-интроскопия
Явление ядерного магнитного резонанса можно применять не только в физике и химии , но и в медицине : организм человека - это совокупность все тех же органических и неорганических молекул.
Чтобы наблюдать это явление, объект помещают в постоянное магнитное поле и подвергают действию радиочастотных и градиентных магнитных полей. В катушке индуктивности, окружающей исследуемый объект, возникает переменная электродвижущая сила (ЭДС), амплитудно-частотный спектр которой и переходные во времени характеристики несут информацию о пространственной плотности резонирующих атомных ядер, а также о других параметрах, специфических только для ядерного магнитного резонанса. Компьютерная обработка этой информации формирует объёмное изображение, которое характеризует плотность химически эквивалентных ядер, времена релаксации ядерного магнитного резонанса, распределение скоростей потока жидкости, диффузию молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.
Сущность ЯМР-интроскопии (или магнитно-резонансной томографии) состоит, по сути дела, в реализации особого рода количественного анализа по амплитуде сигнала ядерного магнитного резонанса. В обычной ЯМР-спектроскопии стремятся реализовать, по возможности, наилучшее разрешение спектральных линий. Для этого магнитные системы регулируются таким образом, чтобы в пределах образца создать как можно лучшую однородность поля. В методах ЯМР-интроскопии, напротив, магнитное поле создается заведомо неоднородным. Тогда есть основание ожидать, что частота ядерного магнитного резонанса в каждой точке образца имеет свое собственное значение, отличающееся от значений в других частях. Задав какой-либо код для градаций амплитуды ЯМР-сигналов (яркость или цвет на экране монитора), можно получить условное изображение (
Все элементарные частицы, то есть все, из чего мы состоим, являются маленькими магнитиками - это и протон, и нейтрон, и электрон. Таким образом, ядра, сложенные из протонов и нейтронов, также могут иметь магнитный момент.
1. Характеристика магнитного момента ядра
Природа магнитного момента квантовая. Но если попытаться проиллюстрировать ее в более понятном классическом выражении, поведение ядра похоже на поведение маленького вращающегося магнитика. Таким образом, если у нас нет внешнего магнитного поля, то такой магнит может быть ориентирован в любом направлении. Как только мы прикладываем внешнее магнитное поле, то ядро, обладающее магнитным моментом, как любой магнит, начинает чувствовать это магнитное поле, и если его спиновое число равно ½, то появляются два направления его преимущественной ориентации: по направлению и против направления магнитного поля. Эти два состояния различаются по энергии, и ядро, например протон, может переходить из одного состояния в другое. Такое изменение его ориентации относительно внешнего магнитного поля сопровождается поглощением или выделением кванта энергии.
Энергия эта очень мала. Квант энергии лежит в области радиочастотных излучений. И именно эта малость энергии - одно из неприятных свойств метода ядерного магнитного резонанса, поскольку она определяет близость заселенностей нижнего и верхнего уровней. Но тем не менее, если мы посмотрим на ансамбль таких ядер, то есть на вещество, которое мы поместили в магнитное поле, появляется достаточно большое количество магнитных моментов, направленных вниз и вверх, и между ними возникают переходы. Таким образом, мы можем регистрировать эти переходы и измерять свойства, связанные с ними.
2. Свойства магнитного момента ядра
Поскольку квант энергии при переходе с одного уровня на другой зависит только от магнитных свойств исследуемого ядра и от величины внешнего магнитного поля, то так называемая частота магнитной прецессии, или ларморова частота, является фактором этих двух составляющих.
Однако на самом деле магнитное поле, которое окружает то или иное ядро, неравно тому магнитному полю, которое мы приложили к нему, поместив изучаемый объект в магнит нашего спектрометра. Кроме внешнего магнитного поля нужно учесть и локальные магнитные поля, которые наводятся, например, движением электронов вокруг ядер, действием соседних ядер, таких же магнитов, способных индуцировать локальные магнитные поля, и тому подобное. Таким образом, каждое ядро, находящееся в разной части молекулы, имеет совершенно разное эффективное магнитное поле, которое окружает это ядро. В результате мы можем регистрировать не одиночный резонанс, а их набор, то есть спектр ядерного магнитного резонанса.
Относительная резонансная частота выражается, как правило, в миллионных долях по отношению к величине внешнего магнитного поля. Этот параметр является стабильной величиной, не зависящей от значения внешнего магнитного поля, но определяемой электронными свойствами изучаемой молекулы.
Итак, если мы рассматриваем какое-то химическое соединение: в разных положениях находящиеся, например, протоны чувствуют совершенно разное магнитное поле, то таким образом можно идентифицировать, скажем, сигнал протона ароматического остатка, сигнал протона какой-нибудь группы –CH3 и так далее. И сама по себе эта информация чрезвычайно важна со структурной точки зрения.
3. Взаимодействие ядер, обладающих магнитным моментом
Из-за того, что магнитные моменты взаимодействуют друг с другом, появляется еще один пласт информации, которую мы можем извлекать. Это информация, которая связана с взаимодействием двух различных ядер друг с другом. Если, например, одно ядро взаимодействует с другим посредством системы электронов, участвующих в образовании химических связей, то это называется непрямым, или спин-спиновым, взаимодействием. Величины спин-спинового взаимодействия ядер чрезвычайно чувствительны к геометрии молекулы, к ее электронным свойствам, например к электронной плотности, окружающей те или иные ядра. Таким образом, мы можем получить ряд очень важных структурных параметров уже из величины взаимодействия.
Кроме того, два ядра, обладающих магнитным моментом, могут взаимодействовать друг с другом просто через пространство. Это называется «прямое диполь-дипольное взаимодействие», и, опять же, такого сорта взаимодействия чрезвычайно структурно информативны. Например, вектор взаимодействия двух ядер может дать нам информацию о пространственной близости ядер, об ориентации пары взаимодействующих ядер по отношению к внешнему магнитному полю.
Таким образом, если мы измеряем спектр ядерного магнитного резонанса некоего соединения, мы можем получить очень подробную информацию о его строении. Если мы, например, способны измерить межъядерное расстояние - а это можно сделать, определив свойства, связанные с диполь-дипольным взаимодействием ядер, ведь его величина определяется этим межъядерным расстоянием, - то ЯМР фактически становится структурным методом.
4. История открытия метода ЯМР
Спектроскопия ЯМР как метод изучения свойств молекул появилась в середине 40-х годов XX века и за очень короткое время - уже к середине 1950-х годов - стала одним из ключевых методов изучения органических соединений.
Но реальными первооткрывателями метода ЯМР в жидкостях являются Блох и Парселл - американские ученые, получившие Нобелевскую премию в 1950-е годы за открытие, которое они сделали в 1945–1946 годах. Следует при этом отметить, что наш соотечественник Евгений Константинович Завойский в 1944 году опубликовал работу по детектированию магнитного резонанса электрона. Электрон, как было сказано выше, тоже обладает магнитным моментом, причем величина этого магнитного момента еще больше магнитного момента ядер. Физические принципы метода ядерного магнитного резонанса и метода электронного парамагнитного резонанса очень схожи.
Но, к сожалению, по тем или иным причинам - причинам скорее политического толка - работа Евгения Константиновича Завойского не была отмечена Нобелевской премией, хотя, безусловно, он должен был войти в число тех людей, кто получил премию за открытие явления магнитного резонанса.
Чуть раньше Исаак Раби получил Нобелевскую премию за работы, проведенные им в 1930-х годах XX века, за открытие магнитных свойств ядер в газовых пучках. И фактически эти работы послужили импульсом для создания методов ЯМР в жидкости и твердом теле.
Нобелевские премии часто давали за открытия, связанные с методом ЯМР. Нельзя, например, не отметить премию, присужденную Ричарду Эрнсту, который создал базовую методологию спектроскопии ЯМР, например, импульсную фурье-спектроскопию ЯМР, методы двумерной спектроскопии ЯМР; а также такого ученого, как Курт Вютрих, швейцарского коллегу Ричарда Эрнста, который создал методологию изучения строения белковых молекул с помощью ядерного магнитного резонанса.
5. Практическое применение метода ЯМР
Метод ЯМР после его создания начал активно использоваться для изучения органических соединений. Но магнитные моменты присущи не только тем ядрам, которые входят в состав , то есть протону, углероду или его изотопу C-13 и азоту или его изотопу N-15. Фактически вся периодическая система в той или иной степени охвачена теми или иными стабильными изотопами ядер, имеющих магнитные моменты. Этот метод совершенно не связан ни с какими радиоактивными свойствами ядер - только с их магнитными свойствами. Почти каждый элемент периодической системы имеет те или иные изотопы, обладающие удобными для ядерного магнитного резонанса свойствами.
И вскоре после освоения методик ЯМР для простых органических соединений он начал активно применяться для изучения различных неорганических соединений. В настоящее время метод ядерного магнитного резонанса является, по большинству оценок, наиболее мощным физическим методом изучения соединений самой разной природы.
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) представляет собой ядерную спектроскопию, которая находит широкое применение во всех физических науках и промышленности. В ЯМР для зондирования собственных спиновых свойств атомных ядер используется большой магнит. Подобно любой спектроскопии, для создания перехода между энергетическими уровнями (резонанса) в ней применяется электромагнитное излучение (радиочастотные волны в диапазоне УКВ ). В химии ЯМР помогает определить структуру малых молекул. Ядерно-магнитный резонанс в медицине нашел применение в магнитно-резонансной томографии (МРТ).
Открытие
ЯМР был обнаружен в 1946 году учеными Гарвардского университета Перселем , Фунтом и Торри , а также Блохом , Хансеном и Паккардом из Стэнфорда. Они заметили, что ядра 1 H и 31 P (протон и фосфор-31) способны поглощать радиочастотную энергию при воздействии на них магнитного поля, сила которого специфична для каждого атома. При поглощении они начинали резонировать, каждый элемент на своей частоте. Это наблюдение позволило провести детальный анализ строения молекулы. С тех пор ЯМР нашел применение в кинетических и структурных исследованиях твердых тел, жидкостей и газов, в результате чего было присуждено 6 Нобелевских премий.
Спин и магнитные свойства
Ядро состоит из элементарных частиц, называемых нейтронами и протонами. Они обладают собственным моментом импульса, называемым спином. Подобно электронам, спин ядра можно описать квантовыми числами I и в магнитном поле m. Атомные ядра с четным числом протонов и нейтронов имеют нулевой спин, а все остальные - ненулевой. Кроме того, молекулы с ненулевым спином обладают магнитным моментом μ = γ I , где γ - гиромагнитное отношение, константа пропорциональности между магнитным дипольным моментом и угловым, разным у каждого атома.
Магнитный момент ядра заставляет его вести себя как крошечный магнит. В отсутствие внешнего магнитного поля каждый магнит ориентирован случайным образом. Во время проведения эксперимента ЯМР образец помещается во внешнее магнитное поле В 0 , что заставляет стержневые магниты с низкой энергией выравниваться в направлении B 0 , а с высокой - в противоположном. При этом происходит изменение ориентации спина магнитов. Чтобы понять эту довольно абстрактную концепцию, следует рассмотреть энергетические уровни ядра во время эксперимента ЯМР.
Энергетические уровни
Для переворота спина необходимо целое число квантов. Для любого m существует 2m + 1 энергетических уровней. Для ядра со спином 1/2 их только 2 - низкий, занимаемый спинами, выровненными с B 0 , и высокий, занятый спинами, направленными против В 0 . Каждый энергетический уровень определяется выражением Е = -mℏγВ 0 , где m - магнитное квантовое число, в этом случае +/- 1/2. Энергетические уровни для m > 1/2, известные как квадрупольные ядра, более сложны.
Разность энергий уровней равна: ΔE = ℏγВ 0 , где ℏ - постоянная Планка.
Как видно, сила магнитного поля имеет большое значение, поскольку при ее отсутствии уровни вырождаются.
Энергопереходы
Для возникновения ядерного магнитного резонанса должен произойти переворот спина между уровнями энергии. Разность энергий двух состояний соответствует энергии электромагнитного излучения, которая заставляет ядра изменять свои энергетические уровни. Для большинства ЯМР-спектрометров В 0 имеет порядок 1 Тесла (Т ), а γ - 10 7 . Следовательно, требуемое электромагнитное излучение имеет порядок 10 7 Гц. Энергия фотона представлена формулой Е = hν. Поэтому частота, необходимая для поглощения, равна: ν= γВ 0 /2π.
Ядерное экранирование
Физика ЯМР основана на концепции ядерного экранирования, которое позволяет определять структуру вещества. Каждый атом окружен электронами, вращающимися вокруг ядра и действующими на его магнитное поле, что в свою очередь вызывает небольшие изменения энергетических уровней. Это и называется экранированием. Ядра, которые испытывают различные магнитные поля, связанные с локальными электронными взаимодействиями, называют неэквивалентными. Изменение энергетических уровней для переворота спина требует другой частоты, что создает новый пик в спектре ЯМР. Экранирование позволяет осуществлять структурное определение молекул путем анализа сигнала ЯМР с помощью преобразования Фурье. Результатом является спектр, состоящий из набора пиков, каждый из которых соответствует отдельной химической среде. Площадь пика прямо пропорциональна числу ядер. Подробная информация о структуре извлекается путем ЯМР-взаимодействий , по-разному изменяющих спектр.
Релаксация
Релаксация относится к явлению возврата ядер в их термодинамически стабильные после возбуждения до более высоких энергетических уровней состояния. При этом высвобождается энергия, поглощенная при переходе с более низкого уровня к более высокому. Это довольно сложный процесс, проходящий в разных временных рамках. Двумя наиболее распространенными типами релаксации являются спин-решеточная и спин-спиновая.
Чтобы понять релаксацию, необходимо рассмотреть весь образец. Если ядра поместить во внешнее магнитное поле, они создадут объемную намагниченность вдоль оси Z. Их спины также когерентны и позволяют обнаружить сигнал. ЯМР сдвигает объемную намагниченность от оси Z в плоскость XY, где она и проявляется.
Спин-решеточная релаксация характеризуется временем T 1 , необходимым для восстановления 37 % объемной намагниченности вдоль оси Z. Чем эффективнее процесс релаксации, тем меньше T 1 . В твердых телах, поскольку движение между молекулами ограничено, время релаксации велико. Измерения обычно проводятся импульсными методами.
Спин-спиновая релаксация характеризуется временем потери взаимной когерентности T 2 . Оно может быть меньшим или равным T 1 .
Ядерный магнитный резонанс и его применение
Две основные области, в которых ЯМР оказался чрезвычайно важным, - это медицина и химия, однако каждый день разрабатываются новые сферы его применения.
Ядерная магнитно-резонансная томография, более известная как магнитно-резонансная (МРТ), является важным медицинским диагностическим инструментом , используемым для изучения функций и структуры человеческого тела. Она позволяет получить подробные изображения любого органа, особенно мягких тканей, во всех возможных плоскостях. Используется в областях сердечно-сосудистой, неврологической, костно-мышечной и онкологической визуализации. В отличие от альтернативной компьютерной, магнитно-резонансная томография не использует ионизирующее излучение, следовательно совершенно безопасна.
МРТ позволяет выявить незначительные изменения, происходящие со временем. ЯМР-интроскопию можно использовать для выявления структурных аномалий, возникающих в ходе болезни, а также того, как они влияют на последующее развитие и как их прогрессирование коррелирует с психическими и эмоциональными аспектами расстройства. Поскольку МРТ плохо визуализирует кость, получаются превосходные изображения внутричерепного и внутрипозвоночного содержимого.
Принципы использования ядерно-магнитного резонанса в диагностике
Во время процедуры МРТ пациент лежит внутри массивного полого цилиндрического магнита и подвергается воздействию мощного устойчивого магнитного поля. Разные атомы в сканируемой части тела резонируют на разных частотах поля. МРТ используется прежде всего для обнаружения колебаний атомов водорода, которые содержат вращающееся протонное ядро, обладающее небольшим магнитным полем. При МРТ фоновое магнитное поле выстраивает в линию все атомы водорода в ткани. Второе магнитное поле, ориентация которого отличается от фонового, включается и выключается много раз в секунду. На определенной частоте атомы резонируют и выстраиваются в линию со вторым полем. Когда оно выключается, атомы возвращаются обратно, выравниваясь с фоном. При этом возникает сигнал, который можно принять и преобразовать в изображение.
Ткани с большим количеством водорода, который присутствует в организме человека в составе воды, создает яркое изображение, а с малым его содержанием или отсутствием (например, кости) выглядят темными . Яркость МРТ усиливается благодаря контрастному веществу, такому как гадодиамид , который пациенты принимают перед процедурой. Хотя эти агенты могут улучшить качество изображений, по своей чувствительности процедура остается относительно ограниченной. Разрабатываются методы повышения чувствительности МРТ. Наиболее перспективным является использование параводорода - формы водорода с уникальными свойствами молекулярного спина, который очень чувствителен к магнитным полям.
Улучшение характеристик магнитных полей, используемых в МРТ, привело к разработке высокочувствительных методов визуализации, таких как диффузионная и функциональная МРТ, которые предназначены для отображения очень специфических свойств тканей. Кроме того, уникальная форма МРТ-технологии , называемая магнитно-резонансной ангиографией, используется для получения изображения движения крови. Она позволяет визуализировать артерии и вены без необходимости в иглах, катетерах или контрастных агентах. Как и в случае с МРТ, эти методы помогли революционизировать биомедицинские исследования и диагностику.
Передовые компьютерные технологии позволили радиологам из цифровых сечений, полученных сканерами МРТ, создавать трехмерные голограммы, служащие для определения точной локализации повреждений. Томография особенно ценна при обследовании головного и спинного мозга, а также органов таза, таких как мочевой пузырь, и губчатой кости. Метод позволяет быстро и ясно точно определить степень поражения опухолью и оценить потенциальный ущерб от инсульта, позволяя врачам своевременно назначать надлежащее лечение. МРТ в значительной степени вытеснила артрографию , необходимость вводить контрастное вещество в сустав для визуализации хряща или повреждение связок, а также миелографию , инъекцию контрастного вещества в позвоночный канал для визуализации нарушений спинного мозга или межпозвонкового диска.
Применение в химии
Во многих лабораториях сегодня ядерный магнитный резонанс используется для определения структур важных химических и биологических соединений. В спектрах ЯМР различные пики дают информацию о конкретном химическом окружении и связях между атомами. Наиболее распространенными изотопами, используемыми для обнаружения сигналов магнитного резонанса, являются 1 H и 13 C, но подходит и множество других, таких как 2 H, 3 He , 15 N, 19 F и т. д.
Современная ЯМР-спектроскопия нашла широкое применение в биомолекулярных системах и играет важную роль в структурной биологии. С развитием методологии и инструментов ЯМР стал одним из самых мощных и универсальных спектроскопических методов анализа биомакромолекул, который позволяет характеризовать их и их комплексы размерами до 100 кДа . Совместно с рентгеновской кристаллографией это одна из двух ведущих технологий определения их структуры на атомном уровне. Кроме того, ЯМР предоставляет уникальную и важную информацию о функциях белка, которая играет решающую роль в разработке лекарственных препаратов. Некоторые из применений ЯМР-спектроскопии приведены ниже.
- Это единственный метод определения атомной структуры биомакромолекул в водных растворах в близких к физиологическим условиях или имитирующих мембрану средах.
- Молекулярная динамика. Это наиболее мощный метод количественного определения динамических свойств биомакромолекул .
- Сворачивание белка. ЯМР-спектроскопия является наиболее мощным инструментом для определения остаточных структур развернутых белков и посредников сворачивания.
- Состояние ионизации. Метод эффективен при определении химических свойств функциональных групп в биомакромолекулах, таких как ионизационные состояния ионизируемых групп активных участков ферментов .
- Ядерный магнитный резонанс позволяет изучить слабые функциональные взаимодействия между макробиомолекулами (например, с константами диссоциации в микромолярном и миллимолярном диапазонах), что невозможно сделать с помощью других методов.
- Гидратация белков. ЯМР является инструментом для обнаружения внутренней воды и ее взаимодействия с биомакромолекулами.
- Это уникальный метод прямого обнаружения взаимодействия водородных связей .
- Скрининг и разработка лекарств. В частности, метод ядерного магнитного резонанса особенно полезен при идентификации препаратов и определении конформаций соединений, связанных с ферментами, рецепторами и другими белками.
- Нативный мембранный белок. Твердотельный ЯМР обладает потенциалом определения атомных структур доменов мембранных белков в среде нативной мембраны, в том числе со связанными лигандами.
- Метаболический анализ.
- Химический анализ. Химическая идентификация и конформационный анализ синтетических и природных химических веществ.
- Материаловедение. Мощный инструмент в исследовании химии и физики полимеров.
Другие применения
Ядерный магнитный резонанс и его применение не ограничены медициной и химией. Метод оказался очень полезным и в других областях, таких как климатические испытания, нефтяная промышленность, управление процессами, ЯМР поля Земли и магнитометры. Неразрушающий контроль позволяет сэкономить на дорогих биологических образцах, которые могут быть использованы повторно, если необходимо провести больше испытаний. Ядерно-магнитный резонанс в геологии используется для измерения пористости пород и проницаемости подземных жидкостей. Магнитометры применяются для измерения различных магнитных полей.
ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
(ЯМР),
явление резонансного поглощения радиочастотной электромагн. энергии в-вом
с ненулевыми магн. моментами ядер, находящимся во внеш. постоянном мага.
поле. Ненулевым ядерным магн. моментом обладают ядра 1 Н,
2 Н,
13 С,
14 N, 15 N, 19 F,
29 Si,
31 P
и др. ЯМР обычно наблюдается в однородном постоянном магн. поле В 0 ,
на к-рое накладывается слабое радиочастотное поле В 1
перпендикулярное полю В 0 .
Для в-в, у к-рых ядерный
спин I= 1 / 2 (1 H,
13 C,
15 N,
19 F, 29 Si, 31 P и др.), в поле В 0
возможны две ориентации магн. дипольного момента ядра
"по полю" и "против поля". Возникающие два уровня энергии Е за счет
взаимод. магн. момента ядра с полем В 0
разделены
интервалом
При условии, что
илигде h
- постоянная Планка , v 0 - частота радиочастотного
поля В 1 ,
- круговая частота,-
т. наз. гиромагн. отношение ядра, наблюдается резонансное поглощение энергии
поля B 1 ,
названное ЯМР. Для нуклидов 1 H,
13 C,
31 Р
частоты ЯМР в поле В 0 = 11,7 Тл равны соотв. (в МГц):
500, 160,42 и 202,4; значения
(в МГц/Тл): 42,58, 10,68 и 17,24. Согласно квантовой модели в поле В 0 возникает
2I+1 уровней энергии, переходы между к-рыми разрешены при
где т - магн. квантовое число.
Техника эксперимента. Параметры спектров ЯМР. На явлении ЯМР основана спектроскопия ЯМР . Спектры ЯМР регистрируют с помощью радиоспектрометров (рис.). Образец исследуемого в-ва помещают как сердечник в катушку генерирующего контура (поле B 1), расположенного в зазоре магнита, создающего поле В 0 так, что При наступает резонансное поглощение, что вызывает падение напряжения на контуре, в схему к-рого включена катушка с образцом. Падение напряжения детектируется, усиливается и подается на развертку осциллографа или записывающее устройство. В совр. радиоспектрометрах ЯМР обычно используют мага, поля напряженностью 1-12 Тл. Область спектра, в к-рой имеется детектируемый сигнал с одним или неск. максимумами, наз. линией поглощения ЯМР. Ширина наблюдаемой линии, измеренная на половине макс. интенсивности и выраженная в Гц, наз. шириной линии ЯМР. Разрешение спектра ЯМР - миним. ширина линии ЯМР, к-рую позволяет наблюдать данный спектрометр. Скорость прохождения - скорость (в Гц/с), с к-рой изменяется напряженность магн. поля или частота воздействующего на образец радиочастотного излучения при получении спектра ЯМР.
Схема спектрометра ЯМР: 1 - катушка с образцом; 2 - полюса магнита; 3 -генератор радиочастотного поля; 4 -усилитель и детектор; 5 - генератор модулирующего напряжения; 6 - катушки модуляции поля В 0 ; 7 - осциллограф.
Поглощенную энергию система перераспределяет
внутри себя (т. наз. спин-спиновая, или поперечная релаксация ; характеристич.
время Т 2) и отдает в окружающую среду (спин-решеточная
релаксация , время релаксации Т 1). Времена Т 1 и
Т 2 несут информацию о межъядерных расстояниях
и временах корреляции разл. мол. движений. Измерения зависимости Т 1 и
Т 2 от т-ры и частоты v 0 дают информацию
о характере теплового движения, хим. равновесиях , фазовых переходах и др.
В твердых телах с жесткой решеткой Т 2 = 10 мкс,
а Т 1 > 10 3 с, т. к. регулярный механизм спин-решеточной
релаксации отсутствует и релаксация обусловлена парамагн. примесями. Из-за
малости
Т 2 естественная ширина линии ЯМР весьма
велика (десятки кГц), их регистрация -область ЯМР широких линий. В жидкостях
малой вязкости Т 1 T 2 и
измеряется секундами. Соотв. линии ЯМР имеют ширину порядка 10 -1
Гц (ЯМР высокого разрешения). Для неискаженного воспроизведения формы линии
надо проходить через линию шириной 0,1 Гц в течение 100 с. Это накладывает
существенные ограничения на чувствительность спектрометров ЯМР.
Основной параметр спектра ЯМР - хим. сдвиг-
взятое с соответствующим знаком отношение разности частот наблюдаемого
сигнала ЯМР и нек-рого условно выбранного эталонного сигнала к.-л. стандарта
к частоте эталонного сигнала (выражается в миллионных долях, м. д.). Хим.
сдвиги ЯМР измеряют в безразмерных величинах
отсчитанных от пика эталонного сигнала. Если стандарт дает сигнал на частоте
v 0 ,
то
В
зависимости от природы исследуемых ядер различают протонный ЯМР, или ПМР,
и ЯМР 13 С (таблицы величин хим. сдвигов приведены на форзацах
тома),. ЯМР 19 F (см. Фторорганические соединения), ЯМР 31 Р
(см. Фосфорорганические соединения)и т. д. Величины
обладают существенной характеристичностью и позволяют определять по спектрам
ЯМР наличие определенных мол. фрагментов. Соответствующие данные о хим.
сдвигах разл. ядер публикуются в справочных и учебных пособиях, а также
заносятся в базы данных, к-рыми снабжаются совр. спектрометры ЯМР. В рядах
близких по строению соединений хим. сдвиг прямо пропорционален электронной
плотности на соответствующих ядрах.
Общепринятый стандарт для ПМР и ЯМР 13 С
- тетраметилсилан (ТМС). Стандарт м. б. растворен в исследуемом р-ре (внутр.
эталон) или помещен, напр., в запаянный капилляр, находящийся внутри ампулы
с образцом (внеш. эталон). В качестве р-рителей могут использоваться лишь
такие, чье собственное поглощение не перекрывается с областью, представляющей
интерес для исследования. Для ПМР лучшие р-рители - те, что не содержат
протонов (СС1 4 , CDC1 3 , CS 2 ,
D 2 O
и др.).
В многоатомных молекулах ядра одинаковых
атомов , занимающих химически неэквивалентные положения, имеют различающиеся
хим. сдвиги, обусловленные различием магн. экранирования ядер валентными
электронами (такие ядра наз. анизохронными). Для i-го ядра
где-
постоянная диамагн. экранирования, измеряемая в м. д. Для протонов типичный
интервал изменений-
до 20 м. д., для более тяжелых ядер эти интервалы на 2-3 порядка больше.
Важный параметр спектров ЯМР - константа
спин-спинового взаимод. (константа ССВ) - мера непрямого ССВ между разл.
магн. ядрами одной молекулы (см. Спин-спиновое взаимодействие);
выражается
в Гц.
Взаимод. ядерных спинов со спинами электронов ,
содержащимися в молекуле между ядрами i и j, приводят к взаимной
ориентации этих ядер в поле В 0 (ССВ). При достаточном
разрешении
ССВ приводит к дополнит. мультиплетности линий, отвечающих определенным
значениям хим. сдвигов:
где J ij - константы ССВ; F ij - величины,
значения к-рых определяются спинами ядер i и j, симметрией
соответствующего мол. фрагмента, диэдральными углами между хим. связями
и числом этих связей между ядрами, участвующими в ССВ.
Если хим. сдвиги достаточно велики, т.
е. min max
(J ij), то ССВ проявляются в виде простых мультиплетов
с биномиальным распределением интенсивностей (спектры первого порядка).
Так в этильной группе сигнал метильных протонов проявляется в виде триплета
с соотношением интенсивностей 1:2:1, а сигнал метиленовых протонов - в
виде квадруплета с соотношением интенсивностей 1:3:3:1. В спектрах ЯМР 13 С
метиновые группы - дублеты (1:1), а метиленовые и метильные - соотв. триплеты
и квадруплеты, но с большими, чем в протонных спектpax, значениями констант
ССВ. Хим. сдвиги в спектрах первого порядка равны интервалам между центрами
мультиплетов, а J ij - расстояниям между соседними пиками
мультиплета. Если условие первого порядка не выполняется, то спектры становятся
сложными: в них ни один интервал, вообще говоря, не равен ни
ни J ij . Точные значения параметров спектров получают
из квантовомех. расчетов. Соответствующие программы входят в мат. обеспечение
совр. спектрометров ЯМР. Информативность хим. сдвигов и констант ССВ превратила
спектроскопию ЯМР высокого разрешения в один из важнейших методов качеств.
и количеств. анализа сложных смесей, систем, препаратов и композиций, а
также исследования строения и реакц. способности молекул . При изучении
конформаций , вырожденных и др. динамич. систем, геом. структуры белковых
молекул в р-ре, при неразрушающем локальном хим. анализе живых организмов
и т. п. возможности методов ЯМР уникальны.
Ядерная намагниченность в-ва.
В
соответствии с распределением Больцмана в двухуровневой спин-системе из
N
спинов отношение числа спинов N + на нижнем уровне
к числу спинов N - на верхнем уровне равно
где k - постоянная Больцмана ; Т - т-ра. При В 0
= 1 Тл и Т=300 К для протонов отношение N + /N - .=
1,00005.
Это отношение и определяет величину ядерной намагниченности в-ва, помещенного
в поле B 0 . Магн. момент
m
каждого ядра совершает прецессионное движение относительно оси z, вдоль
к-рой направлено поле B 0 ; частота этого движения равна
частоте ЯМР. Сумма проекций прецессирующих ядерных моментов на ось z
образует
макроскопич. намагниченность в-ва
M z = 10 18
В плоскости ху, перпендикулярной оси z, проекции векторов из-за
случайности фаз прецессии равны нулю: М xy = 0. Поглощение
энергии при ЯМР означает, что в единицу времени с нижнего уровня на верхний
переходит больше спинов , чем в обратном направлении, т. е. разность населенностей
N + -
N - убывает (нагрев спин-системы, насыщение ЯМР). При
насыщении в стационарном режиме намагниченность системы может сильно возрасти.
Это - т. наз. эффект Оверхаузера, для ядер обозначаемый NOE (Nuclear Overhauser
effect), к-рый широко применяется для повышения чувствительности, а также
для оценки межъядерных расстояний при изучении мол. геометрии методами
спектроскопии ЯМР .
Векторная модель ЯМР.
При регистрации
ЯМР на образец накладывают радиочастотное поле
, действующее в плоскости ху. В этой плоскости поле В 1 можно
рассматривать как два вектора с амплитудами В 1т/ 2,
вращающихся
с частотой
в противоположных направлениях. Вводят вращающуюся систему координат x"y"z,
ось
х"
к-рой совпадает с вектором В 1т/ 2,
вращающимся
в том же направлении, что и векторы
Его воздействие вызывает изменение угла при вершине конуса прецессии ядерных
магн. моментов; ядерная намагниченность М z начинает зависеть
от времени, а в плоскости х"у" появляется отличная от нуля проекция
ядерной намагниченности. В неподвижной системе координат эта проекция вращается
с частотой
т. е. в катушке индуктивности наводится радиочастотное напряжение, к-рое
после детектирования и дает сигнал ЯМР - ф-цию ядерной намагниченности
от частоты
различают медленное изменение (свип-режим) и импульсный ЯМР. Реальное сложное
движение вектора ядерной намагниченности создает в плоскости х"у" два
независимых сигнала: М х, (синфазный с радиочастотным
напряжением В 1)и М у" (сдвинутый
относительно B 1 по фазе на 90 °С). Одновременная регистрация
М х" и
M y" (квадратурное детектирование) вдвое повышает чувствительность
спектрометра ЯМР. При достаточно большой амплитуде В 1т проекции
М z = М х" =М у" =0(насыщение ЯМР).
Поэтому при непрерывном действии поля В 1 его амплитуда
должна быть весьма малой, чтобы сохранить неизменными исходные условия
наблюдения.
В импульсном ЯМР величина
В 1 ,наоборот,
выбирается настолько большой, чтобы за время t и Т 2 отклонить
во вращающейся системе координат вектор M z от оси z на
угол .
При= 90° импульс
называют 90°-ным (/2-импульс);
под его воздействием вектор ядерной намагниченности оказывается в плоскости
х"у",
т.
е. После
окончания импульса вектор M y" начинает убывать по амплитуде
со временем Т 2 благодаря расхождению по фазе составляющих
его элементарных векторов
(спин-спиновая релаксация). Восстановление равновесной ядерной намагниченности
М z
происходит со временем спин-решеточной релаксации
T 1 .
При= 180°
(импульс) вектор
M z
укладывается вдоль отрицат. направления оси z, релаксируя после окончания
импульса к своему равновесному положению. Комбинации
иимпульсов
широко используются в совр. многоимпульсных вариантах спектроскопии ЯМР .
Важной особенностью вращающейся системы
координат является различие резонансных частот в ней и в неподвижной системе
координат: если B 1 В лок (статич.
локальное поле), то вектор М прецессирует во вращающейся системе
координат относительно поля
При точной настройке в резонанс частота ЯМР во вращающейся системе координат
Это позволяет существенно расширить возможности ЯМР при исследовании медленных
процессов в в-ве.
Хим. обмен и спектры ЯМР
(динамич.
ЯМР). Параметрами двухпозиционного обмена А
В служат времена пребывания
и а также
вероятности пребывания
иПри
низкой т-ре спектр ЯМР состоит из двух узких линий, отстоящих на
Гц; затем при уменьшении
и линии
начинают уширяться, оставаясь на своих местах. Когда частота обмена
начинает превышать исходное расстояние между линиями, линии начинают сближаться,
а при 10-кратном превышении образуется одна широкая линия в центре интервала
(v A , v B), если
При дальнейшем росте т-ры эта объединенная линия становится узкой. Сопоставление
эксперим. спектра с расчетным позволяет для каждой т-ры указать точную
частоту хим. обмена, по этим данным вычисляют термодинамич. характеристики
процесса. При многопозиционном обмене в сложном спектре ЯМР теоретич. спектр
получают из квантовомех. расчета. Динамич. ЯМР - один из осн. методов изучения
стереохим. нежесткости, конформационных равновесий и т. п.
Вращение под магическим углом.
Выражение
для потенциала диполь-дипольного взаимод. содержит множители
где - угол
между В 0 и межъядерным вектором r ij .
При=arccos
3 -1/2 = 54°44" ("магический" угол) эти множители обращаются
в нуль, т. е. исчезают соответствующие вклады в ширину линии. Если закрутить
твердый образец с очень большой скоростью вокруг оси, наклоненной под магич.
углом к В 0 , то в твердом теле можно получить спектры
высокого разрешения с почти столь же узкими линиями, как в жидкости .
Широкие линии в твердых телах . В кристаллах с жесткой решеткой форма линии ЯМР обусловлена статич. распределением локальных магн. полей. Все ядра решетки, за исключением кластера , в трансляционно-инвариантном объеме V 0 вокруг рассматриваемого ядра, дают гауссово распределение g(v) = exp(-v 2 /2a 2), где v - расстояние от центра линии; ширина гауссианы а обратно пропорциональна среднему геом. объемов V 0 и V 1 ,причем V 1 характеризует среднюю по всему кристаллу концентрацию магн. ядер. Внутри V 0 концентрация магн. ядер больше средней, и ближние ядра благодаря диполь-дипольному взаимод. и хим. сдвигам создают спектр, ограниченный на интервале (-b, b), где b примерно вдвое больше а. В первом приближении спектр
