Jaderná magnetická rezonance. NMR aplikací

Jaderná magnetická rezonance (NMR) je jaderná spektroskopie, která je široce používána ve všech fyzikálních vědách a průmyslu. используется большой магнит. Při NMR se používá velký magnet pro zkoumání vnitřních spinových vlastností atomových jader . ). Jako každá spektroskopie, k vytvoření přechodu mezi úrovněmi energie (rezonance), využívá elektromagnetické záření (rádiové vlny v pásmu VHF ). V chemii NMR pomáhá určit strukturu malých molekul. применение в магнитно-резонансной Jaderná magnetická rezonance v medicíně nalezla uplatnění v oblasti magnetické rezonance tomografie (MRI).

Discovery

Гарвардского университета Перселем , Фунтом и Торри , а также Блохом , Хансеном и Паккардом из Стэнфорда. NMR byl objeven v roce 1946 Purcell , Pound a Torrey vědci na Harvardské univerzitě, stejně jako Bloch , Hansen a Packard ze Stanford. Všimli si, že jádra ¹ H a ³¹ P (proton a fosfor-31) jsou schopny absorbovat vysokofrekvenční energii při vystavení magnetickému poli, jehož síla je specifická pro každý atom. Když se vstřebali, začali rezonovat, každý prvek na jeho frekvenci. Toto pozorování může provádět podrobnou analýzu struktury molekuly. применение в кинетических и структурных исследованиях твердых тел, жидкостей и газов, в результате чего было присуждено 6 Нобелевских премий. Od té doby se NMR našla uplatnění v kinetických a strukturálních studiích pevných látek, kapalin a plynů, takže bylo uděleno 6 Nobelových cen.

Spinové a magnetické vlastnosti

Jádro se skládá z elementárních částic nazývaných neutrony a protony. Mají svůj vlastní moment hybnosti nazvaný spin. Stejně jako elektrony může být spin jádra popsáno kvantovými čísly I a magnetickým polem m. числом протонов и нейтронов имеют нулевой спин, а все остальные – ненулевой. Atomová jádra s sudým počtem protonů a neutronů mají nulovou rotaci a všechny ostatní mají nenulový spin. Kromě toho mají molekuly s nenulovým odstupem magnetický moment μ = γ I , kde γ je gyromagnetický poměr, konstanta proporcionality mezi momentem magnetického dipólu a úhlovým, který je pro každý atom jiný.

Magnetický moment jádra způsobuje, že se chová jako malý magnet. Při absenci vnějšího magnetického pole je každý magnet náhodně orientován. Během NMR experimentu se vzorek umístí do vnějšího magnetického pole B ₀ , což způsobí, že magnetické tyče s nízkými energiemi se vyrovnají ve směru B ₀ a od vysokého magnetického pole v opačném směru. Když k tomu dojde, změny orientace magnetů se změní. Abychom porozuměli tomuto poměrně abstraktnímu pojetí, měli bychom zvážit energetické úrovně jádra během NMR experimentu.

Energetické úrovně

Pro otočné otočení je zapotřebí celočíselný počet kvant. Pro každý m je 2m + 1 energetických úrovní. Pro jádro se spinem 1/2 jsou pouze 2 z nich nízké, obsazené rotacemi vyrovnanými s B ₀ a vysokými, obsazenými otočnými směry namířenými proti B ₀ . = -mℏγВ ₀ , где m – магнитное квантовое число, в этом случае +/- 1/2. Každá úroveň energie je určena výrazem E = -mℏγB0, kde m je magnetické kvantové číslo, v tomto případě +/- 1/2. Energetické úrovně pro m> 1/2, známé jako čtyřjádrové jádra, jsou složitější.

Energetický rozdíl úrovní je: ΔE = ℏγВ ₀ , kde ℏ je Planckova konstanta.

отсутствии уровни вырождаются. Jak je vidět, síla magnetického pole má velký význam, protože v jeho nepřítomnosti hladiny degenerují.

Přechody výkonu

Aby došlo k nukleární magnetické rezonanci, měl by být mezi energetickými úrovněmi převrácen spin. Rozdíl v energii mezi dvěma státy odpovídá energii. elektromagnetického záření což způsobí, že jádro změní své energetické hladiny. В ₀ имеет порядок 1 Тесла ( Т ), а γ – 10 ⁷ . Pro většinu NMR spektrometrů je B ₀ řádově 1 Tesla ( T ) a γ je 107. V důsledku toho je požadované elektromagnetické záření řádově 10 ⁷ Hz. = hν. Fotonová energie je reprezentována vzorcem E = hν. Proto frekvence potřebná pro absorpci je: ν = γB ₀ / 2π.

Jaderné stínění

Fyzika NMR je založena na konceptu jaderného stínění, který umožňuje určit strukturu látky. вызывает небольшие изменения энергетических уровней. Každý atom je obklopen elektrony, které se otáčejí kolem jádra a působí na jeho magnetické pole, což způsobuje malé změny v energetických hladinách. Toto se nazývá stínění. Jádra, která zažívají různé magnetické pole spojená s lokálními elektronovými interakcemi, se nazývají nerovnoměrně. новый пик в спектре ЯМР. Změna úrovní energie pro otočné otočení vyžaduje jinou frekvenci, která vytváří nový vrchol v NMR spektru. анализа сигнала ЯМР с помощью преобразования Фурье. Stínění umožňuje strukturální stanovení molekul analyzováním NMR signálu pomocí Fourierovy transformace. Výsledkem je spektrum sestávající ze souboru vrcholů, z nichž každý odpovídá jinému chemickému prostředí. Plocha píku je přímo úměrná počtu jader. ЯМР-взаимодействий , по-разному изменяющих спектр. Podrobné informace o struktuře jsou extrahovány interakci NMR, která mění spektrum různými způsoby.

Relaxace

стабильные после возбуждения до более высоких энергетических уровней состояния. Relaxace se vztahuje k fenoménu návratu jader k jejich termodynamicky stabilnímu stavu po excitaci na vyšší energetické hladiny. при переходе с более низкого уровня к более высокому. To uvolňuje energii absorbovanou během přechodu z nižší úrovně na vyšší úroveň. Jedná se o poměrně složitý proces probíhající v různých časových intervalech. типами релаксации являются спин-решеточная и спин-спиновая. Dva nejčastější typy relaxace jsou spin-lattice a spin-spin.

Chcete-li pochopit relaxaci, je třeba zvážit celý vzorek. намагниченность вдоль оси Z. Их спины также когерентны и позволяют обнаружить сигнал. Jsou-li jádra umístěna do vnějšího magnetického pole, vytvoří se magnetizace v okolí osy Z. Jejich točení je také koherentní a může detekovat signál. намагниченность от оси Z в плоскость XY, где она и проявляется. NMR posune objemovou magnetizaci z osy Z do roviny XY, kde se objeví.

релаксация характеризуется временем T ₁ , необходимым для восстановления 37 % объемной намагниченности вдоль оси Z. Чем эффективнее процесс релаксации, тем меньше T ₁ . Relaxace spin-mřížky je charakterizována časem T1, který je nezbytný pro obnovení 37 % objemové magnetizace podél osy Z. Čím je relaxační proces účinnější, tím menší je T ₁ . телах, поскольку движение между молекулами ограничено, время релаксации велико. V pevné látce , protože pohyb mezi molekulami je omezen, relaxační čas je velký. Měření se obvykle provádí pulzními metodami.

Relaxace spin-spin je charakterizována dobou ztráty vzájemné koherence T2. Může být menší nebo roven T1.

Jaderná magnetická rezonance a její aplikace

это медицина и химия, однако каждый день разрабатываются новые сферы его применения. Dvě hlavní oblasti, ve kterých se ukázalo, že NMR je mimořádně důležitá, jsou medicína a chemie, ale nové oblasti její aplikace se vyvíjejí každý den.

, используемым для изучения функций и структуры человеческого тела. Zobrazování pomocí jaderné magnetické rezonance, lépe známé jako magnetická rezonance (MRI), je důležitým lékařským diagnostickým nástrojem pro studium funkcí a struktury lidského těla. Umožňuje získat podrobné obrazy jakéhokoli orgánu, zejména měkké tkáně, ve všech možných rovinách. Používá se v oblasti kardiovaskulární, neurologické, muskuloskeletální a onkologické vizualizace. Na rozdíl od alternativního počítače, magnetické rezonanční zobrazování nepoužívá ionizující záření, proto je zcela bezpečné.

MRI může v průběhu času detekovat drobné změny. 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. NMR in- troskopie může být použita k identifikaci strukturálních abnormalit, které se vyskytují v průběhu onemocnění, jak ovlivňují následný vývoj a jak jejich progrese koreluje s mentálními a emocionálními aspekty poruchy. содержимого. Vzhledem k tomu, že MRI špatně skenuje kosti, získávají se výborné snímky intrakraniálního a intravertebrálního obsahu.

Principy využití nukleární magnetické rezonance v diagnostice

Během vyšetření MRI se pacient nachází uvnitř masivního dutého válcového magnetu a je vystaven silnému a stabilnímu magnetickému poli. Různé atomy v naskenované části těla rezonují na různých frekvencích pole. MRI se používá především k detekci vibrací atomů vodíku, které obsahují rotující protonové jádro s malým magnetickým polem. MRI magnetické pole na pozadí vyrovnává všechny atomy vodíku v tkáni. Druhé magnetické pole, jehož orientace se liší od pozadí, se zapíná a vypíná několikrát za sekundu. частоте атомы резонируют и выстраиваются в линию со вторым полем. Na určité frekvenci atomy rezonují a line up s druhým polem. Když se vypne, vrátí se atomy a zarovná se s pozadím. Tím vzniká signál, který lze přijmout a přeměnit na obrázek.

яркое изображение, а с малым его содержанием или отсутствием (например, кости) выглядят темными . Tkaniny s velkým množstvím vodíku, který je přítomen v lidském těle ve složení vody, vytváří jasný obraz a s nízkým obsahem nebo nepřítomností (například kosti) vypadá tmavě . , который пациенты принимают перед процедурой. Jasnost MRI je zesílena kontrastním činidlem, jako je gadodiamid , který pacienti před zahájením léčby užívají. относительно ограниченной. Přestože tyto prostředky mohou zlepšit kvalitu obrazu, postup zůstává relativně omezený svou citlivostí. Jsou vyvíjeny metody pro zvýšení citlivosti MRI. формы водорода с уникальными свойствами молекулярного спина, который очень чувствителен к магнитным полям. Nejslibnější je použití parahydrogenu - formy vodíku s jedinečnými vlastnostmi molekulárního odstřeďování, které jsou velmi citlivé na magnetické pole.

Zlepšení vlastností magnetického pole používaných v MRI vedlo k vývoji vysoce citlivých zobrazovacích technik, jako je difúze a funkční MRI, které jsou navrženy tak, aby zobrazovaly velmi specifické vlastnosti tkáně. , называемая магнитно-резонансной ангиографией, используется для получения изображения движения крови. Kromě toho se pro zachycení obrazů pohybu krve používá jedinečná forma technologie MRI , nazývané magnetická rezonanční angiografie. Umožňuje vizualizaci arterií a žil bez potřeby jehel, katétrů nebo kontrastních látek. Stejně jako u MRI tyto metody pomohly revoluci biomedicínského výzkumu a diagnostiky.

голограммы, служащие для определения точной локализации повреждений. Pokročilé počítačové technologie umožnily radiologům z digitálních sekcí získaných pomocí MRI skenerů vytvořit trojrozměrné hologramy, které se používají k určení přesného místa poškození. Tomografie je zvláště cenná při vyšetření mozku a míchy, stejně jako panvových orgánů, jako je močový měchýř a houbovitá kost. лечение. Metoda vám umožňuje rychle a jasně určit rozsah poškození nádoru a zhodnotit potenciální poškození mozku, což lékařům umožní včas předepsat vhodnou léčbu. , 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 převážně přemístěnou artrografii , potřeba injektovat kontrastní látku do kloubu, aby se vizualizovala chrupavka nebo poškození vazů, stejně jako myelografie , injekce kontrastního činidla do páteřního kanálu pro vizualizaci poruch míchy nebo intervertebrálního disku.

Aplikace chemie

V mnoha dnešních laboratořích se jaderná magnetická rezonance používá k určení struktury důležitých chemických a biologických sloučenin. V NMR spektrech poskytují různé vrcholy informace o specifickém chemickém prostředí a vazbách mezi atomy. 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. Nejběžnější izotopy používané k detekci signálů magnetické rezonance jsou ¹ H a ¹³ C, ale mnoho dalších je vhodných, například ² H, ³ He , ¹⁵ N, ¹⁹ F atd.

Moderní NMR spektroskopie má široké uplatnění v biomolekulárních systémech a hraje důležitou roli ve strukturní biologii. . S vývojem metodiky a nástrojů se NMR stala jednou z nejsilnějších a univerzálnějších spektroskopických metod pro analýzu biomakromolekul, což nám umožňuje charakterizovat je a jejich komplexy až do velikosti 100 kDa . на атомном уровне. Spolu s rentgenovou krystalografií je to jedna z dvou předních technologií pro určení jejich struktury na atomové úrovni. Navíc NMR poskytuje jedinečné a důležité informace o proteinové funkce která hraje zásadní roli při vývoji léků. приведены ниже. Některé aplikace NMR spektroskopie jsou uvedeny níže.

• условиях или имитирующих мембрану средах. Toto je jediná metoda pro určení atomové struktury biomakromolekul ve vodných roztocích v podmínkách blízkých fyziologickým nebo membránovým imitacím.
• Molekulární dynamika. . Jedná se o nejsilnější metodu kvantitativního stanovení dynamických vlastností biomakromolekul .
• Složení veverky. является наиболее мощным инструментом для определения остаточных структур развернутых белков и посредников сворачивания. NMR spektroskopie je nejsilnějším nástrojem pro stanovení zbytkových struktur neskládaných proteinů a skládajících se mediátorů.
• Ionizační stav. . Metoda je účinná při stanovení chemických vlastností funkčních skupin v biomakromolekulách, jako jsou ionizační stavy ionizovatelných skupin aktivních míst enzymů .
• Jaderná magnetická rezonance umožňuje studovat slabé funkční interakce mezi makrobiomolekuly (například s disociačními konstantami v mikromolárních a milimolárních rozmezích), které nelze provést jinými způsoby.
• Hydratace bílkovin. взаимодействия с биомакромолекулами. NMR je nástroj pro detekci vnitrozemské vody a její interakce s biomakromolekuly.
• водородных связей . Jedná se o unikátní metodu přímého zjišťování interakce vodíkových vazeb .
• Screening a vývoj léků. Způsob nukleární magnetické rezonance je obzvláště užitečný při identifikaci léků a při určování konformací sloučenin spojených s enzymy, receptory a dalšími proteiny.
• Nativní membránový protein. в среде нативной мембраны, в том числе со связанными лигандами. Solidní NMR má potenciál stanovit atomové struktury domén membránových proteinů v prostředí nativní membrány, včetně těch, které mají navázané ligandy.
• Metabolická analýza.
• Chemická analýza. Chemická identifikace a konformační analýza syntetických a přírodních chemikálií.
• Věda o materiálech. Výkonný nástroj při studiu chemie a fyziky polymerů.

Jiné použití

медициной и химией. Nukleární magnetická rezonance a její použití nejsou omezeny na medicínu a chemii. Metoda se ukázala jako velmi užitečná i v dalších oblastech, jako je environmentální testování, ropný průmysl, řízení procesů, NMR zemského pole a magnetometry. Nedestruktivní testování vám umožňuje šetřit drahé biologické vzorky, které lze znovu použít, pokud je zapotřebí více testů. Jaderná magnetická rezonance v geologii se používá k měření pórovitosti hornin a propustnosti podzemních tekutin. Magnetometry se používají k měření různých magnetických polí.