Jądrowy rezonans magnetyczny. Zastosowania NMR

Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR) to spektroskopia jądrowa, która jest szeroko stosowana we wszystkich naukach fizycznych i przemyśle. используется большой магнит. W NMR stosuje się duży magnes do badania wewnętrznych właściwości spinowych jąder atomowych . ). Jak każda spektroskopia, aby stworzyć przejście między poziomami energii (rezonans), wykorzystuje promieniowanie elektromagnetyczne (fale radiowe w paśmie VHF ). W chemii NMR pomaga określić strukturę małych cząsteczek. применение в магнитно-резонансной Nuklearny rezonans magnetyczny w medycynie znalazł zastosowanie w rezonansie magnetycznym tomografia (MRI).

Odkrycie

Гарвардского университета Перселем , Фунтом и Торри , а также Блохом , Хансеном и Паккардом из Стэнфорда. NMR odkryli w 1946 roku naukowcy Purcell , Pound i Torrey z Harvard University, a także Bloch , Hansen i Packard ze Stanford. Zauważyli, że jądra 1H i 31P (proton i fosfor -31) są w stanie absorbować energię o częstotliwościach radiowych, gdy są wystawione na działanie pola magnetycznego, którego siła jest specyficzna dla każdego atomu. Po wchłonięciu zaczęły rezonować, każdy element na swojej częstotliwości. Ta obserwacja pozwoliło przeprowadzić szczegółową analizę struktury cząsteczki. применение в кинетических и структурных исследованиях твердых тел, жидкостей и газов, в результате чего было присуждено 6 Нобелевских премий. Od tego czasu NMR znalazł zastosowanie w badaniach kinetycznych i strukturalnych ciał stałych, cieczy i gazów, w wyniku czego przyznano 6 nagród Nobla.

Wirowanie i właściwości magnetyczne

Jądro składa się z cząstek elementarnych zwanych neutronami i protonami. Mają swój własny moment pędu, zwany spinem. Podobnie jak elektrony, spin jądra może być opisany liczbami kwantowymi I oraz w polu magnetycznym m. числом протонов и нейтронов имеют нулевой спин, а все остальные – ненулевой. Jądra atomowe o parzystej liczbie protonów i neutronów mają zerowy spin, a wszystkie inne mają niezerowy spin. Ponadto, cząsteczki o niezerowym spinie mają moment magnetyczny μ = γ I , gdzie γ to stosunek żyroskopowy, stała proporcjonalności między momentem magnetycznym dipola a kątem kątowym, która jest różna dla każdego atomu.

Moment magnetyczny jądra sprawia, że ​​zachowuje się jak mały magnes. W przypadku braku zewnętrznego pola magnetycznego każdy magnes jest losowo zorientowany. Podczas eksperymentu NMR, próbka jest umieszczana w zewnętrznym polu magnetycznym B0, co powoduje, że magnesy prętowe o niskiej energii wyrównują się w kierunku B ₀ , a od wysokiego w przeciwnym kierunku. Kiedy tak się dzieje, zmienia się orientacja spinów magnesów. Aby zrozumieć tę raczej abstrakcyjną koncepcję, należy wziąć pod uwagę poziomy energetyczne jądra podczas eksperymentu NMR.

Poziomy energii

Do spin flip potrzebna jest liczba całkowita kwantów. Dla każdego m jest 2m + 1 poziomy energii. Dla jądra ze spinem 1/2, tylko 2 z nich są niskie, zajmowane przez spiny wyrównane z B ₀ , a wysokie, zajmowane przez spiny skierowane przeciwko B ₀ . = -mℏγВ ₀ , где m – магнитное квантовое число, в этом случае +/- 1/2. Każdy poziom energii jest określony przez wyrażenie E = -mℏγB ₀ , gdzie m jest liczbą kwantową magnetycznego, w tym przypadku +/- 1/2. Poziomy energii dla m> 1/2, znane jako jądra kwadrupolowe, są bardziej złożone.

Różnica energetyczna poziomów wynosi: ΔE = ℏγВ ₀ , gdzie ℏ jest stałą Plancka.

отсутствии уровни вырождаются. Jak widać, siła pola magnetycznego ma ogromne znaczenie, ponieważ w jego braku poziomy ulegają degeneracji.

Przejścia mocy

Aby magnetyczny rezonans jądrowy miał miejsce, spin powinien zostać odwrócony pomiędzy poziomami energii. Różnica w energii między dwoma stanami odpowiada energii. promieniowanie elektromagnetyczne co powoduje, że jądro zmienia swoje poziomy energii. В ₀ имеет порядок 1 Тесла ( Т ), а γ – 10 ⁷ . W przypadku większości spektrometrów NMR B ₀ jest rzędu 1 Tesli ( T ), a γ wynosi 10 ⁷ . W związku z tym wymagane promieniowanie elektromagnetyczne jest rzędu 10 ⁷ Hz. = hν. Energię fotonów reprezentuje wzór E = hν. Dlatego częstotliwość wymagana do absorpcji wynosi: ν = γВ ₀ / 2π.

Ekranowanie jądrowe

Fizyka NMR opiera się na koncepcji ekranowania jądrowego, która pozwala na określenie struktury substancji. вызывает небольшие изменения энергетических уровней. Każdy atom jest otoczony przez elektrony obracające się wokół jądra i działające na jego pole magnetyczne, co z kolei powoduje niewielkie zmiany poziomów energii. Nazywa się to ekranowaniem. Jądra, które doświadczają różnych pól magnetycznych związanych z lokalnymi oddziaływaniami elektronów, są nazywane równoważnymi. новый пик в спектре ЯМР. Zmieniające się poziomy energii dla spin flip wymagają innej częstotliwości, co tworzy nowy pik w widmie NMR. анализа сигнала ЯМР с помощью преобразования Фурье. Ekranowanie umożliwia strukturalne oznaczanie cząsteczek poprzez analizę sygnału NMR za pomocą transformaty Fouriera. Rezultatem jest widmo składające się z zestawu pików, z których każdy odpowiada różnemu środowisku chemicznemu. Powierzchnia piku jest wprost proporcjonalna do liczby rdzeni. ЯМР-взаимодействий , по-разному изменяющих спектр. Szczegółowe informacje na temat struktury są wyodrębniane za pomocą interakcji NMR, które zmieniają widmo na różne sposoby.

Relaksacja

стабильные после возбуждения до более высоких энергетических уровней состояния. Relaksacja odnosi się do zjawiska powrotu jąder do ich termodynamicznie stabilnego stanu po wzbudzeniu do wyższych poziomów energii. при переходе с более низкого уровня к более высокому. To uwalnia energię pochłoniętą podczas przejścia z niższego poziomu na wyższy poziom. Jest to dość skomplikowany proces odbywający się w różnych ramach czasowych. типами релаксации являются спин-решеточная и спин-спиновая. Dwa najpowszechniejsze rodzaje relaksacji to spin-krata i spin-spin.

Aby zrozumieć relaksację, należy wziąć pod uwagę całą próbkę. намагниченность вдоль оси Z. Их спины также когерентны и позволяют обнаружить сигнал. Jeśli jądra zostaną umieszczone w zewnętrznym polu magnetycznym, stworzą magnetyzację masową wzdłuż osi Z. Ich spiny są również spójne i mogą wykryć sygnał. намагниченность от оси Z в плоскость XY, где она и проявляется. NMR przesuwa masową magnetyzację z osi Z na płaszczyznę XY, gdzie się pojawia.

релаксация характеризуется временем T ₁ , необходимым для восстановления 37 % объемной намагниченности вдоль оси Z. Чем эффективнее процесс релаксации, тем меньше T ₁ . Relacja spinowo-kratowa charakteryzuje czas T1, który jest niezbędny do odzyskania 37 % magnetyzacji w masie wzdłuż osi Z. Im skuteczniejszy proces relaksacji, tym mniej T1. телах, поскольку движение между молекулами ограничено, время релаксации велико. W ciałach stałych , ponieważ ruch między cząsteczkami jest ograniczony, czas relaksacji jest duży. Pomiary są zwykle przeprowadzane za pomocą metod impulsowych.

Relaksacja spin-spin charakteryzuje się czasem utraty wzajemnej spójności T2. Może być mniejszy lub równy T ₁ .

Jądrowy rezonans magnetyczny i jego zastosowanie

это медицина и химия, однако каждый день разрабатываются новые сферы его применения. Dwa główne obszary, w których NMR okazało się niezwykle ważne, to medycyna i chemia, ale nowe obszary jej stosowania są opracowywane każdego dnia.

, используемым для изучения функций и структуры человеческого тела. Magnetyczny rezonans jądrowy, lepiej znany jako obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI), jest ważnym medycznym narzędziem diagnostycznym wykorzystywanym do badania funkcji i struktury ludzkiego ciała. Pozwala uzyskać szczegółowe obrazy każdego organu, w szczególności tkanki miękkiej, we wszystkich możliwych płaszczyznach. Stosowany w obszarach wizualizacji układu sercowo-naczyniowego, neurologicznego, mięśniowo-szkieletowego i onkologicznego. W przeciwieństwie do alternatywnego komputera, rezonans magnetyczny nie wykorzystuje promieniowania jonizującego, dlatego jest całkowicie bezpieczny.

MRI może wykrywać drobne zmiany w czasie. 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. Do obrazowania nieprawidłowości strukturalnych, które występują podczas przebiegu choroby, można posłużyć się metodą introspekcji NMR , w jaki sposób wpływają one na dalszy rozwój i jak ich przebieg koreluje z psychicznymi i emocjonalnymi aspektami zaburzenia. содержимого. Ponieważ MRI słabo skanuje kości, uzyskuje się doskonałe obrazy treści wewnątrzczaszkowej i treści międzykręgowej .

Zasady wykorzystania jądrowego rezonansu magnetycznego w diagnostyce

Podczas procedury MRI pacjent leży wewnątrz masywnego wydrążonego cylindrycznego magnesu i jest wystawiony na działanie silnego, stabilnego pola magnetycznego. Różne atomy w skanowanej części ciała rezonują na różnych częstotliwościach pola. MRI służy przede wszystkim do wykrywania drgań atomów wodoru, które zawierają wirujące jądro protonowe z małym polem magnetycznym. Dzięki MRI pole magnetyczne tła wyrównuje wszystkie atomy wodoru w tkance. Drugie pole magnetyczne, którego orientacja jest różna od tła, włącza się i wyłącza wiele razy na sekundę. частоте атомы резонируют и выстраиваются в линию со вторым полем. Na pewnej częstotliwości atomy rezonują i ustawiają się w linii z drugim polem. Kiedy się wyłącza, atomy wracają, dopasowując się do tła. W ten sposób powstaje sygnał, który można odbierać i konwertować na obraz.

яркое изображение, а с малым его содержанием или отсутствием (например, кости) выглядят темными . Tkaniny o dużej zawartości wodoru, obecne w ludzkim ciele w kompozycji wody, tworzą jasny obraz, a przy niskiej zawartości lub braku (na przykład kości) wyglądają ciemno . , который пациенты принимают перед процедурой. Jasność MRI jest wzmocniona przez środek kontrastowy, taki jak gadodiamid , który pacjenci biorą przed zabiegiem. относительно ограниченной. Chociaż te środki mogą poprawić jakość obrazu, procedura pozostaje względnie ograniczona pod względem czułości. Opracowywane są metody zwiększania czułości MRI. формы водорода с уникальными свойствами молекулярного спина, который очень чувствителен к магнитным полям. Najbardziej obiecujące jest zastosowanie parawodoru - formy wodoru o unikalnych właściwościach spinów molekularnych, która jest bardzo wrażliwa na pola magnetyczne.

Poprawienie charakterystyki pola magnetycznego stosowanej w MRI doprowadziło do opracowania bardzo czułych technik obrazowania, takich jak dyfuzja i funkcjonalny MRI, które są zaprojektowane do wyświetlania bardzo specyficznych właściwości tkankowych. , называемая магнитно-резонансной ангиографией, используется для получения изображения движения крови. Ponadto, unikalna forma technologii MRI , zwana angiografią rezonansu magnetycznego, służy do rejestrowania obrazów ruchu krwi. Umożliwia wizualizację tętnic i żył bez użycia igieł, cewników czy środków kontrastowych. Podobnie jak w przypadku MRI, metody te pomogły zrewolucjonizować badania biomedyczne i diagnostykę.

голограммы, служащие для определения точной локализации повреждений. Zaawansowane technologie komputerowe pozwoliły radiologom z sekcji cyfrowych uzyskanych przez skanery MRI stworzyć trójwymiarowe hologramy, które służą do określenia dokładnej lokalizacji uszkodzeń. Tomografia jest szczególnie cenna przy badaniu mózgu i rdzenia kręgowego, a także narządów miednicy, takich jak pęcherz i gąbczasta kość. лечение. Metoda pozwala szybko i jednoznacznie określić stopień uszkodzenia guza i ocenić potencjalne uszkodzenia spowodowane udarem, umożliwiając lekarzom przepisanie odpowiedniego leczenia w odpowiednim czasie. , 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. MRI w dużej mierze przesuwa artrografię , konieczność wstrzyknięcia środka kontrastowego do stawu, aby wizualizować chrząstkę lub uszkodzenie więzadeł, a także mielografię , wstrzyknięcie środka kontrastowego do kanału kręgowego w celu uwidocznienia zaburzeń rdzenia kręgowego lub krążka międzykręgowego.

Aplikacja chemii

Obecnie w wielu laboratoriach stosuje się magnetyczny rezonans jądrowy do określania struktury ważnych związków chemicznych i biologicznych. W widmach NMR różne piki dostarczają informacji o specyficznym środowisku chemicznym i wiązaniach między atomami. 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. Najbardziej powszechnymi izotopami używanymi do wykrywania sygnałów rezonansu magnetycznego są 1H i 13C, ale wiele innych jest odpowiednich, takich jak ² H, ³ He , ¹⁵ N, ¹⁹ F itd.

Nowoczesna spektroskopia NMR znalazła szerokie zastosowanie w systemach biomolekularnych i odgrywa ważną rolę w biologii strukturalnej. . Wraz z rozwojem metodologii i narzędzi NMR stał się jedną z najpotężniejszych i najbardziej uniwersalnych metod analizy biomakromolekuł, która pozwala nam scharakteryzować je i ich kompleksy do wielkości 100 kDa . на атомном уровне. Wraz z krystalografią rentgenowską jest to jedna z dwóch wiodących technologii określania ich struktury na poziomie atomowym. Ponadto NMR dostarcza unikalnych i ważnych informacji na temat funkcje białkowe który odgrywa kluczową rolę w opracowywaniu leków. приведены ниже. Niektóre z zastosowań spektroskopii NMR podano poniżej.

• условиях или имитирующих мембрану средах. Jest to jedyna metoda określania struktury atomowej biomakromolekuł w roztworach wodnych w warunkach zbliżonych do imitacji fizjologicznych lub membranowych.
• Dynamika molekularna. . Jest to najsilniejsza metoda ilościowego określania właściwości dynamicznych biomakromolekuł .
• Składanie wiewiórki. является наиболее мощным инструментом для определения остаточных структур развернутых белков и посредников сворачивания. Spektroskopia NMR jest najpotężniejszym narzędziem do wyznaczania resztkowych struktur niesfałdowanych białek i mediatorów fałdowania.
• Stan jonizacji. . Metoda jest skuteczna w określaniu chemicznych właściwości grup funkcyjnych w biomakromolekułach, takich jak stany jonizacji podatnych na jonizację grup miejsc aktywnych enzymów .
• Jądrowy rezonans magnetyczny umożliwia badanie słabych funkcjonalnych interakcji między makrocząsteczkami (na przykład ze stałymi dysocjacji w zakresach mikromolarnym i milimolarnym), czego nie można wykonać innymi metodami.
• Hydratacja białka. взаимодействия с биомакромолекулами. NMR jest narzędziem do wykrywania wody śródlądowej i jej interakcji z biomakromolekułami.
• водородных связей . Jest to unikalna metoda bezpośredniego wykrywania interakcji wiązań wodorowych .
• Badania przesiewowe i rozwój leków. W szczególności, metoda magnetycznego rezonansu jądrowego jest szczególnie użyteczna w identyfikowaniu leków i określaniu konformacji związków związanych z enzymami, receptorami i innymi białkami.
• Natywne białko błonowe. в среде нативной мембраны, в том числе со связанными лигандами. NMR w fazie stałej może potencjalnie określać struktury atomowe domen białek błonowych w środowisku natywnej błony, w tym także tych ze związanymi ligandami.
• Analiza metaboliczna.
• Analiza chemiczna. Identyfikacja chemiczna i analiza konformacyjna syntetycznych i naturalnych chemikaliów.
• Nauka o materiałach. Potężne narzędzie w badaniach chemii i fizyki polimerów.

Inne zastosowania

медициной и химией. Magnetyczny rezonans jądrowy i jego zastosowanie nie są ograniczone do medycyny i chemii. Metoda okazała się bardzo przydatna w innych obszarach, takich jak testy środowiskowe, przemysł naftowy, kontrola procesu, NMR pola Ziemi i magnetometry. Badania nieniszczące pozwalają zaoszczędzić na drogich próbkach biologicznych, które można wykorzystać ponownie, jeśli potrzeba więcej badań. Magnetyczny rezonans jądrowy w geologii służy do pomiaru porowatości skał i przepuszczalności podziemnych płynów. Magnetometry służą do pomiaru różnych pól magnetycznych.