Нуклеарна магнетна резонанца. НМР апликације

Нуклеарна магнетна резонанца (НМР) је нуклеарна спектроскопија, која се широко користи у свим физичким наукама и индустрији. используется большой магнит. У НМР, велики магнет се користи за испитивање унутрашњих спинских својстава атомских језгара . ). Као и свака спектроскопија, да би се створио прелаз између енергетских нивоа (резонанција) користи се електромагнетно зрачење (радиофреквентни таласи у ВХФ опсегу). У хемији, НМР помаже у одређивању структуре малих молекула. применение в магнитно-резонансной Нуклеарна магнетна резонанца у медицини нашла је примену у магнетној резонанци томографија (МРИ).

Дисцовери

Гарвардского университета Перселем , Фунтом и Торри , а также Блохом , Хансеном и Паккардом из Стэнфорда. НМР су открили 1946. године Пурцелл , Поунд и Торреи, научници са Харвардског универзитета, као и Блоцх , Хансен и Пацкард са Станфорда. Они су приметили да су језгра ¹ Х и ³¹ П (протон и фосфор-31) способни да апсорбују енергију радио-фреквенције када су изложени магнетном пољу, чија је јачина специфична за сваки атом. Када су апсорбовани, почели су резонирати, сваки елемент на својој фреквенцији. Ово запажање дозвољено је да се спроведе детаљна анализа структуре молекула. применение в кинетических и структурных исследованиях твердых тел, жидкостей и газов, в результате чего было присуждено 6 Нобелевских премий. Од тада, НМР је нашао примену у кинетичким и структурним студијама чврстих материја, течности и гасова, што је резултирало додељивањем 6 Нобелових награда.

Спин и магнетна својства

Језгро се састоји од елементарних честица које се називају неутрони и протони. Имају свој сопствени момент, назван спин. Као и електрони, спин нуклеуса се може описати квантним бројевима И иу магнетском пољу м. числом протонов и нейтронов имеют нулевой спин, а все остальные – ненулевой. Атомска језгра са парним бројем протона и неутрона имају нулти спин, а сви остали имају не-нултни спин. Поред тога, молекули са нултим спином имају магнетни моменат μ = γ И , где је γ гиромагнетски однос, константа пропорционалности између магнетног диполног момента и угаоног, који је различит за сваки атом.

Магнетни моменат језгра чини да се понаша као мали магнет. У одсуству спољашњег магнетног поља, сваки магнет је насумично оријентисан. Током НМР експеримента, узорак се поставља у спољашње магнетно поље Б0, што узрокује да се нискоенергетски бар магнети поравнају у правцу Б0, а од високог у супротном смеру. Када се то догоди, оријентација спина магнета се мења. Да бисмо разумели овај апстрактни концепт, треба узети у обзир нивое енергије језгра током НМР експеримента.

Енергетски нивои

За спин флип, потребан је цео број кванта. За сваки м има 2м + 1 енергетским нивоима. За нуклеус са спином од 1/2, само два од њих су ниска, заузета су спиновима поравнатим са Б ₀ , и високим, заузимају спинови усмерени против Б0. = -mℏγВ ₀ , где m – магнитное квантовое число, в этом случае +/- 1/2. Сваки ниво енергије одређен је изразом Е = -мℏγБ ₀ , где је м магнетни квантни број, у овом случају +/- 1/2. Енергетски нивои за м> 1/2, познати као квадруполна језгра, су сложенији.

Енергетска разлика нивоа је: ЕЕ = ВγВ ₀ , где је'с Планкова константа.

отсутствии уровни вырождаются. Као што се може видети, јачина магнетног поља је од велике важности, јер у њеном одсуству нивои дегенеришу.

Повер транситионс

Да би се појавила нуклеарна магнетна резонанца, спин би требало да се окреће између нивоа енергије. Разлика у енергији између два стања одговара енергији. електромагнетно зрачење што узрокује да нуклеус промени нивое енергије. В ₀ имеет порядок 1 Тесла ( Т ), а γ – 10 ⁷ . За већину НМР спектрометара, Б ₀ је реда величине 1 Тесла ( Т ), а γ је 10 ⁷ . Због тога је потребно електромагнетно зрачење реда величине 10 ⁷ Хз. = hν. Енергија фотона је представљена формулом Е = хν. Због тога је потребна фреквенција за апсорпцију: ν = γВ ₀ / 2π.

Нуклеарна заштита

Физички НМР се заснива на концепту нуклеарне заштите, што вам омогућава да одредите структуру супстанце. вызывает небольшие изменения энергетических уровней. Сваки атом је окружен електронима који се окрећу око нуклеуса и дјелују на његово магнетно поље, што заузврат узрокује мале промјене у нивоима енергије. То се зове заштита. Зрна која доживљавају различита магнетна поља повезана са локалним електронским интеракцијама називају се неједнаким. новый пик в спектре ЯМР. Промена нивоа енергије за спин флип захтева различиту фреквенцију, што ствара нови пик у НМР спектру. анализа сигнала ЯМР с помощью преобразования Фурье. Заштита омогућава структурно одређивање молекула анализом НМР сигнала коришћењем Фуријеове трансформације. Резултат је спектар који се састоји од скупа врхова, од којих сваки одговара различитом хемијском окружењу. Површина врха је директно пропорционална броју језгара. ЯМР-взаимодействий , по-разному изменяющих спектр. Детаљне информације о структури су екстраховане НМР интеракцијама које мењају спектар на различите начине.

Релакатион

стабильные после возбуждения до более высоких энергетических уровней состояния. Релаксација се односи на феномен враћања језгара у њихово термодинамички стабилно стање након ексцитације до виших енергетских нивоа. при переходе с более низкого уровня к более высокому. Ово ослобађа енергију апсорбовану током транзиције са нижег нивоа на виши ниво. Ово је прилично компликован процес који се одвија у различитим временским оквирима. типами релаксации являются спин-решеточная и спин-спиновая. Два најчешћа типа релаксације су спин-решетка и спин-спин.

Да бисмо разумели релаксацију, потребно је размотрити цео узорак. намагниченность вдоль оси Z. Их спины также когерентны и позволяют обнаружить сигнал. Ако су језгра смјештена у вањско магнетно поље, они ће створити масовну магнетизацију дуж оси З. Њихови спинови су такођер кохерентни и могу детектирати сигнал. намагниченность от оси Z в плоскость XY, где она и проявляется. НМР помера масовну магнетизацију од З осе до КСИ равни, где се појављује.

релаксация характеризуется временем T ₁ , необходимым для восстановления 37 % объемной намагниченности вдоль оси Z. Чем эффективнее процесс релаксации, тем меньше T ₁ . Спин-решеткасту релаксацију карактерише време Т1, које је неопходно за опоравак 37 % масене магнетизације дуж осе З. Што је процес релаксације ефикаснији, мање Т1. телах, поскольку движение между молекулами ограничено, время релаксации велико. У чврстим материјама , пошто је кретање између молекула ограничено, време релаксације је велико. Мјерења се обично изводе пулсним методама.

Спин-спин релаксација карактерише време губитка међусобне кохеренције Т2. Може бити мањи или једнак Т1.

Нуклеарна магнетна резонанца и њена примена

это медицина и химия, однако каждый день разрабатываются новые сферы его применения. Две главне области у којима се НМР показао као изузетно важна су медицина и хемија, али се свакодневно развијају нове области њене примене.

, используемым для изучения функций и структуры человеческого тела. Нуклеарно магнетна резонанца, позната као магнетна резонанција (МР), важан је медицински дијагностички алат који се користи за проучавање функција и структуре људског тела. То вам омогућава да добијете детаљне слике било ког органа, посебно меког ткива, у свим могућим равнима. Користи се у областима кардиоваскуларне, неуролошке, мускулоскелетне и онколошке визуелизације. За разлику од алтернативног компјутера, магнетна резонанција не користи јонизујуће зрачење, па је потпуно безбедна.

МРИ може открити мање промјене током времена. 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. Интроскопија НМР се може користити за идентификацију структуралних абнормалности које се јављају у току болести, како оне утичу на каснији развој и како њихова прогресија корелира са менталним и емоционалним аспектима поремећаја. содержимого. Пошто МРИ слабо скенира кост, добијају се одличне слике интракранијалног и интравертебралног садржаја.

Принципи коришћења нуклеарне магнетне резонанце у дијагностици

Током МРИ поступка, пацијент лежи унутар масивног шупљег цилиндричног магнета и изложен је снажном, стабилном магнетном пољу. Различити атоми у скенираном дијелу тијела резонирају на различитим фреквенцијама поља. МРИ се првенствено користи за детекцију вибрација атома водоника, који садрже ротирајуће протонско језгро са малим магнетним пољем. Са МРИ, позадинско магнетно поље поравнава све атоме водоника у ткиву. Друго магнетно поље, чија је оријентација различита од позадине, укључује се и искључује много пута у секунди. частоте атомы резонируют и выстраиваются в линию со вторым полем. На одређеној фреквенцији, атоми резонирају и слажу се у друго поље. Када се искључи, атоми се враћају, поравнавајући се са позадином. Ово производи сигнал који се може примити и претворити у слику.

яркое изображение, а с малым его содержанием или отсутствием (например, кости) выглядят темными . Тканине са великом количином водоника, које су присутне у људском телу у саставу воде, стварају светлу слику, а са ниским садржајем или одсуством (на пример, костима) изгледају тамно . , который пациенты принимают перед процедурой. Осветљеност МРИ се појачава контрастним средством, као што је гадодиамид , који пацијенти узимају пре процедуре. относительно ограниченной. Иако ови агенси могу да побољшају квалитет слике, процедура остаје релативно ограничена у својој осетљивости. Развијају се методе за повећање осјетљивости МРИ. формы водорода с уникальными свойствами молекулярного спина, который очень чувствителен к магнитным полям. Највише обећава употреба парахидрогена - облика водоника са јединственим својствима молекуларног спина, који је веома осетљив на магнетна поља.

Побољшање карактеристика магнетног поља које се користе у МР-у довело је до развоја високо осетљивих техника снимања, као што су дифузија и функционална МРИ, које су дизајниране да прикажу веома специфична својства ткива. , называемая магнитно-резонансной ангиографией, используется для получения изображения движения крови. Поред тога, јединствена форма МРИ технологије , названа магнетна резонантна ангиографија, користи се за снимање слика кретања крви. Омогућава вам да визуализујете артерије и вене без потребе за иглама, катетерима или контрастним средствима. Као и код МРИ, ове методе су помогле у револуцији у биомедицинским истраживањима и дијагностици.

голограммы, служащие для определения точной локализации повреждений. Напредне рачунарске технологије омогућиле су радиолозима из дигиталних секција добијених помоћу МРИ скенера да направе тродимензионалне холограме, који се користе за одређивање тачне локације оштећења. Томографија је посебно драгоцена приликом испитивања мозга и кичмене мождине, као и органа здјелице, као што су мокраћна бешика и спужваста кост. лечение. Метода вам омогућава да брзо и јасно одредите степен оштећења тумора и процените потенцијално оштећење од можданог удара, дозвољавајући лекарима да благовремено прописују одговарајуће лечење. , 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. МРИ је у великој мери изместила артрографију , потребу за убризгавањем контрастног средства у зглоб како би се визуализовао хрскавица или оштећење лигамената, као и миелографија , убризгавање контрастног средства у спинални канал за визуелизацију поремећаја кичмене мождине или интервертебралног диска.

Цхемистри Апплицатион

У многим лабораторијама данас се нуклеарна магнетна резонанца користи за одређивање структура важних хемијских и биолошких једињења. У НМР спектрима, различити врхови дају информације о специфичној хемијској средини и везама између атома. 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. Најчешћи изотопи који се користе за детекцију сигнала магнетне резонанце су ¹ Х и ¹³ Ц, али су многи други погодни, као што су ² Х, ³ Хе , ¹⁵ Н, ¹⁹ Ф, итд.

Савремена НМР спектроскопија нашла је широку примену у биомолекуларним системима и игра важну улогу у структуралној биологији. . Развојем методологије и алата, НМР је постао један од најмоћнијих и најсвеобухватнијих спектроскопских метода за анализу биомакромолекула, што нам омогућава да их карактеришемо и њихове комплексе до величине до 100 кДа . на атомном уровне. Заједно са рендгенском кристалографијом, ово је једна од две водеће технологије за одређивање њихове структуре на атомском нивоу. Поред тога, НМР пружа јединствене и важне информације о томе протеинске функције која игра кључну улогу у развоју лијекова. приведены ниже. Неке од примена НМР спектроскопије дате су у наставку.

• условиях или имитирующих мембрану средах. Ово је једини метод за одређивање атомске структуре биомакромолекула у воденим растворима у условима блиским физиолошким или мембранским имитацијама.
• Молецулар Динамицс. . Ово је најснажнија метода за квантитативно одређивање динамичких својстава биомакромолекула .
• Скуиррел фолдинг. является наиболее мощным инструментом для определения остаточных структур развернутых белков и посредников сворачивания. НМР спектроскопија је најснажније средство за одређивање резидуалне структуре растворених протеина и преклопних медијатора.
• Јонизацијско стање. . Метода је ефикасна у одређивању хемијских својстава функционалних група у биомакромолекулама, као што су стања јонизације јонизујућих група активних места ензима .
• Нуклеарна магнетна резонанца омогућава да се проучавају слабе функционалне интеракције између макробиомолекула (на пример, са константама дисоцијације у микромоларним и милимоларним опсезима), што се не може урадити другим методама.
• Хидратација протеина. взаимодействия с биомакромолекулами. НМР је алат за детекцију унутрашње воде и њену интеракцију са биомакромолекулима.
• водородных связей . Ово је јединствена метода директне детекције интеракције водикових веза .
• Скрининг и развој лекова. Конкретно, метода нуклеарне магнетне резонанце је посебно корисна у идентификацији лекова и одређивању конформација једињења повезаних са ензимима, рецепторима и другим протеинима.
• Нативе мембране протеин. в среде нативной мембраны, в том числе со связанными лигандами. НМР чврстог стања има потенцијал да одреди атомске структуре домена мембранских протеина у окружењу нативне мембране, укључујући оне са везаним лигандима.
• Метаболичка анализа.
• Хемијска анализа. Хемијска идентификација и конформациона анализа синтетичких и природних хемикалија.
• Наука о материјалима. Моћан алат у проучавању хемије и физике полимера.

Отхер усес

медициной и химией. Нуклеарна магнетна резонанца и њена употреба нису ограничени на медицину и хемију. Метода се показала веома корисном у другим областима, као што су тестирање животне средине, нафтна индустрија, контрола процеса, НМР Земљиног поља и магнетометри. Испитивање без разарања вам омогућава да уштедите на скупим биолошким узорцима који се могу поново користити ако је потребно више тестова. Нуклеарна магнетна резонанца у геологији користи се за мерење порозности стена и пропусности подземних флуида. Магнетометри се користе за мерење разних магнетних поља.