Nuklearna magnetska rezonancija. NMR aplikacije

Nuklearna magnetska rezonancija (NMR) je nuklearna spektroskopija, koja se široko koristi u svim fizičkim znanostima i industriji. используется большой магнит. U NMR se koristi veliki magnet za ispitivanje intrinzičnih spinskih svojstava atomskih jezgri . ). Kao i svaka spektroskopija, za stvaranje prijelaza između energetskih razina (rezonancija) koristi se elektromagnetsko zračenje (radiofrekvencijski valovi u VHF pojasu). U kemiji NMR pomaže u određivanju strukture malih molekula. применение в магнитно-резонансной Nuklearna magnetska rezonanca u medicini našla je primjenu u magnetskoj rezonanciji tomografija (MRI).

otkriće

Гарвардского университета Перселем , Фунтом и Торри , а также Блохом , Хансеном и Паккардом из Стэнфорда. NMR su 1946. otkrili Purcell , Pound i Torrey znanstvenici sa Sveučilišta Harvard, kao i Bloch , Hansen i Packard sa Stanforda. Primijetili su da jezgra ¹ H i ³¹ P (proton i fosfor-31) mogu apsorbirati radiofrekvencijsku energiju kada su izloženi magnetskom polju, čija je jačina specifična za svaki atom. Kada su apsorbirani, počeli su rezonirati, svaki element na svojoj frekvenciji. Ovo zapažanje dopušteno je provesti detaljnu analizu strukture molekule. применение в кинетических и структурных исследованиях твердых тел, жидкостей и газов, в результате чего было присуждено 6 Нобелевских премий. Od tada, NMR je našao primjenu u kinetičkim i strukturnim istraživanjima krutina, tekućina i plinova, što je rezultiralo dodjelom 6 Nobelovih nagrada.

Spin i magnetska svojstva

Jezgra se sastoji od elementarnih čestica nazvanih neutroni i protoni. Imaju vlastiti kutni moment, nazvan spin. Kao i elektroni, spin jezgre može se opisati kvantnim brojevima I i magnetskim poljem m. числом протонов и нейтронов имеют нулевой спин, а все остальные – ненулевой. Atomske jezgre s parnim brojem protona i neutrona imaju nulti spin, a svi ostali imaju ne-nultni spin. Osim toga, molekule s nultim spinom imaju magnetski moment μ = γ I , gdje je γ gyromagnetski omjer, konstanta proporcionalnosti između magnetskog dipolnog momenta i kutnog, koji je različit za svaki atom.

Magnetski trenutak jezgre čini da se ponaša kao mali magnet. U odsutnosti vanjskog magnetskog polja, svaki magnet je nasumce orijentiran. Tijekom NMR eksperimenta, uzorak se stavlja u vanjsko magnetsko polje B0, što uzrokuje da se niskoenergetski magneti poravnaju u smjeru B0, a od visokog u suprotnom smjeru. Kada se to dogodi, orijentacija spina magneta se mijenja. Da bismo razumjeli ovaj apstraktni koncept, treba uzeti u obzir razine energije jezgre tijekom NMR eksperimenta.

Razine energije

Za spin flip, potreban je cijeli broj kvanta. Za svaki m ima 2m + 1 razine energije. Za nukleus sa spinom od 1/2, samo su dvije niske, zauzete su spinovima poravnanim s B0, a visoki, zauzeti spinovima usmjerenima protiv B0. = -mℏγВ ₀ , где m – магнитное квантовое число, в этом случае +/- 1/2. Svaka razina energije određena je izrazom E = -mℏγB ₀ , gdje je m magnetski kvantni broj, u ovom slučaju +/- 1/2. Razine energije za m> 1/2, poznate kao kvadrupolne jezgre, složenije su.

Energetska razlika razina je: =E = ℏγV ₀ , gdje je ck Planckova konstanta.

отсутствии уровни вырождаются. Kao što se može vidjeti, jakost magnetskog polja je od velike važnosti, jer u njezinom nedostatku razine degeneriraju.

Energetski prijelazi

Da bi se pojavila nuklearna magnetska rezonanca, spin bi trebao biti okrenut između razina energije. Razlika u energiji između dva stanja odgovara energiji. elektromagnetsko zračenje što uzrokuje da jezgra promijeni svoje energetske razine. В ₀ имеет порядок 1 Тесла ( Т ), а γ – 10 ⁷ . Za većinu NMR spektrometara, B0 je reda veličine 1 Tesla ( T ), a γ je 10 ⁷ . Zbog toga je potrebno elektromagnetsko zračenje reda veličine 10 ⁷ Hz. = hν. Energija fotona predstavljena je formulom E = hν. Stoga je potrebna frekvencija apsorpcije: ν = γV ₀ / 2π.

Nuklearna zaštita

Fizika NMR temelji se na konceptu nuklearne zaštite, koja vam omogućuje da odredite strukturu tvari. вызывает небольшие изменения энергетических уровней. Svaki atom je okružen elektronima koji se okreću oko jezgre i djeluju na njegovo magnetsko polje, što pak uzrokuje male promjene u razinama energije. To se zove zaštita. Zrna koja doživljavaju različita magnetska polja povezana s lokalnim interakcijama elektrona nazivaju se nejednakim. новый пик в спектре ЯМР. Promjena energetskih razina za spin flip zahtijeva različitu frekvenciju, što stvara novi pik u NMR spektru. анализа сигнала ЯМР с помощью преобразования Фурье. Zaštita omogućuje strukturno određivanje molekula analizom NMR signala uporabom Fourierove transformacije. Rezultat je spektar koji se sastoji od skupa vrhova, od kojih svaki odgovara različitom kemijskom okruženju. Površina vrha je izravno proporcionalna broju jezgri. ЯМР-взаимодействий , по-разному изменяющих спектр. Detaljne informacije o strukturi su ekstrahirane NMR interakcijama koje mijenjaju spektar na različite načine.

opuštanje

стабильные после возбуждения до более высоких энергетических уровней состояния. Opuštanje se odnosi na fenomen vraćanja jezgara u njihovo termodinamički stabilno stanje nakon pobude do viših energetskih razina. при переходе с более низкого уровня к более высокому. To oslobađa energiju apsorbiranu tijekom prijelaza s niže razine na višu razinu. To je prilično složen proces koji se odvija u različitim vremenskim okvirima. типами релаксации являются спин-решеточная и спин-спиновая. Dvije najčešće vrste opuštanja su spin-rešetka i spin-spin.

Da bi se razumjelo opuštanje, potrebno je uzeti u obzir cijeli uzorak. намагниченность вдоль оси Z. Их спины также когерентны и позволяют обнаружить сигнал. Ako su jezgre smještene u vanjsko magnetsko polje, one će stvoriti masovnu magnetizaciju duž osi Z. Njihovi su spinovi također koherentni i mogu detektirati signal. намагниченность от оси Z в плоскость XY, где она и проявляется. NMR pomiče masovnu magnetizaciju od Z osi na XY ravninu, gdje se pojavljuje.

релаксация характеризуется временем T ₁ , необходимым для восстановления 37 % объемной намагниченности вдоль оси Z. Чем эффективнее процесс релаксации, тем меньше T ₁ . Spin-rešetkastu relaksaciju karakterizira vrijeme T1, koje je potrebno za oporavak 37 % raspršene magnetizacije duž osi Z. Što je proces relaksacije djelotvorniji, to je manje T1. телах, поскольку движение между молекулами ограничено, время релаксации велико. U krutim tvarima , budući da je kretanje između molekula ograničeno, vrijeme opuštanja je veliko. Mjerenja se obično provode pulsnim metodama.

Spin-spinska relaksacija karakterizira vrijeme gubitka međusobne koherencije T2. Može biti manji ili jednak T1.

Nuklearna magnetska rezonancija i njezina primjena

это медицина и химия, однако каждый день разрабатываются новые сферы его применения. Dva glavna područja u kojima se NMR pokazala kao izuzetno važna su medicina i kemija, ali se svakodnevno razvijaju nova područja njezine primjene.

, используемым для изучения функций и структуры человеческого тела. Nuklearno magnetska rezonancija, poznata kao magnetska rezonancija (MRI), važan je medicinski dijagnostički alat koji se koristi za proučavanje funkcija i strukture ljudskog tijela. To vam omogućuje da dobijete detaljne slike svih organa, osobito mekih tkiva, u svim mogućim ravninama. Koristi se u područjima kardiovaskularne, neurološke, muskuloskeletne i onkološke vizualizacije. Za razliku od alternativnog računala, magnetska rezonancija ne koristi ionizirajuće zračenje, stoga je potpuno sigurna.

MRI može otkriti manje promjene tijekom vremena. 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 introskopija može se koristiti za identifikaciju strukturnih abnormalnosti koje se javljaju tijekom tijeka bolesti, kako one utječu na kasniji razvoj i kako njihova progresija korelira s mentalnim i emocionalnim aspektima poremećaja. содержимого. Budući da MRI slabo skenira kost, dobivaju se izvrsne slike intrakranijalnog i intravertebralnog sadržaja.

Principi korištenja nuklearne magnetske rezonance u dijagnostici

Tijekom postupka MRI pacijent leži unutar masivnog šupljeg cilindričnog magneta i izložen je snažnom, stabilnom magnetskom polju. Različiti atomi u skeniranom dijelu tijela rezoniraju na različitim frekvencijama polja. MRI se primarno koristi za otkrivanje vibracija vodikovih atoma, koji sadrže rotirajuće protonsko jezgre s malim magnetskim poljem. Uz MRI, magnetsko polje pozadine poravnava sve atome vodika u tkivu. Drugo magnetsko polje, čija se orijentacija razlikuje od pozadine, uključuje se i isključuje mnogo puta u sekundi. частоте атомы резонируют и выстраиваются в линию со вторым полем. Na određenoj frekvenciji, atomi rezoniraju i poravnavaju se s drugim poljem. Kada se isključi, atomi se vraćaju, poravnavajući se s pozadinom. Time se dobiva signal koji se može primiti i pretvoriti u sliku.

яркое изображение, а с малым его содержанием или отсутствием (например, кости) выглядят темными . Tkanine s velikom količinom vodika, koje je prisutno u ljudskom tijelu u sastavu vode, stvaraju svijetlu sliku, a uz nizak sadržaj ili odsutnost (na primjer, kosti) izgledaju tamno . , который пациенты принимают перед процедурой. Svjetlost MR se pojačava kontrastnim sredstvom, kao što je gadodiamid , koji pacijenti uzimaju prije postupka. относительно ограниченной. Iako ovi agensi mogu poboljšati kvalitetu slike, postupak ostaje relativno ograničen u svojoj osjetljivosti. Razvijaju se metode za povećanje osjetljivosti MRI. формы водорода с уникальными свойствами молекулярного спина, который очень чувствителен к магнитным полям. Najviše obećava primjena parahidrogena - oblika vodika s jedinstvenim svojstvima molekularnog spina, koji je vrlo osjetljiv na magnetska polja.

Poboljšanje karakteristika magnetskog polja koje se koriste u MR-u dovelo je do razvoja visoko osjetljivih tehnika snimanja, kao što su difuzija i funkcionalni MRI, koje su dizajnirane da prikažu vrlo specifična svojstva tkiva. , называемая магнитно-резонансной ангиографией, используется для получения изображения движения крови. Osim toga, jedinstveni oblik MRI tehnologije , nazvan magnetska rezonantna angiografija, koristi se za snimanje slika kretanja krvi. Omogućuje vam vizualizaciju arterija i vena bez potrebe za iglama, kateterima ili kontrastnim sredstvima. Kao i kod MRI, te su metode pomogle u revoluciji u biomedicinskim istraživanjima i dijagnostici.

голограммы, служащие для определения точной локализации повреждений. Napredne računalne tehnologije omogućile su radiolozima iz digitalnih dijelova dobivenih pomoću MRI skenera stvaranje trodimenzionalnih holograma, koji se koriste za određivanje točne lokacije oštećenja. Tomografija je posebno vrijedna kod pregleda mozga i kralježnične moždine, kao i zdjeličnih organa, kao što su mjehur, i spužvasta kost. лечение. Metoda omogućuje brzo i jasno određivanje opsega oštećenja tumora i procjenu mogućeg oštećenja od moždanog udara, što liječnicima omogućuje pravodobno propisivanje odgovarajućeg liječenja. , 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 je uvelike zamijenila artrografiju , potrebu za ubrizgavanjem kontrastnog sredstva u zglob kako bi se vizualizirao hrskavica ili oštećenje ligamenata, kao i mijelografija , ubrizgavanje kontrastnog sredstva u spinalni kanal za vizualizaciju poremećaja kičmene moždine ili intervertebralnog diska.

Primjena kemije

Danas se u mnogim laboratorijima nuklearna magnetska rezonancija koristi za određivanje struktura važnih kemijskih i bioloških spojeva. U NMR spektrima, različiti vrhovi daju informacije o specifičnoj kemijskoj okolini i vezama između atoma. 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. Najčešći izotopi koji se koriste za detekciju signala magnetske rezonancije su ¹ H i ¹³ C, ali mnogi drugi su prikladni, kao što su 2H, ³ He , ¹⁵ N, ¹⁹ F, itd.

Moderna NMR spektroskopija našla je široku primjenu u biomolekularnim sustavima i igra važnu ulogu u strukturalnoj biologiji. . Razvojem metodologije i alata, NMR je postao jedan od najmoćnijih i najsveobuhvatnijih spektroskopskih metoda za analizu biomakromolekula, što nam omogućuje da ih karakteriziramo i njihove komplekse veličine do 100 kDa . на атомном уровне. Zajedno s kristalografijom X-zraka, ovo je jedna od dvije vodeće tehnologije za određivanje njihove strukture na atomskoj razini. Osim toga, NMR daje jedinstvene i važne informacije o proteinske funkcije koja igra ključnu ulogu u razvoju lijekova. приведены ниже. Neke od primjena NMR spektroskopije dane su u nastavku.

• условиях или имитирующих мембрану средах. To je jedina metoda za određivanje atomske strukture biomakromolekula u vodenim otopinama u uvjetima bliskim fiziološkim ili membranskim imitacijama.
• Molekularna dinamika. . To je najsnažnija metoda za kvantitativno određivanje dinamičkih svojstava biomakromolekula .
• Vjeverno preklapanje. является наиболее мощным инструментом для определения остаточных структур развернутых белков и посредников сворачивания. NMR spektroskopija je najsnažnije sredstvo za određivanje zaostalih struktura neotvorenih proteina i preklopnih posrednika.
• Ionizacijsko stanje. . Metoda je učinkovita u određivanju kemijskih svojstava funkcionalnih skupina u biomakromolekulama, kao što je stanje ionizacije ionizabilnih skupina aktivnih mjesta enzima .
• Nuklearna magnetska rezonancija omogućuje proučavanje slabih funkcionalnih interakcija između makrobiomolekula (na primjer, s konstantama disocijacije u mikromolarnim i milimolarnim rasponima), što se ne može učiniti drugim metodama.
• Hidratacija proteina. взаимодействия с биомакромолекулами. NMR je alat za detekciju unutarnje vode i njenu interakciju s biomakromolekulama.
• водородных связей . To je jedinstvena metoda izravne detekcije interakcije vodikovih veza .
• Probir i razvoj lijekova. Posebno, metoda nuklearne magnetske rezonancije je posebno korisna u identificiranju lijekova i određivanju konformacija spojeva povezanih s enzimima, receptorima i drugim proteinima.
• Nativni membranski protein. в среде нативной мембраны, в том числе со связанными лигандами. NMR u čvrstom stanju ima potencijal određivanja atomskih struktura domena membranskih proteina u okolini nativne membrane, uključujući one s vezanim ligandima.
• Metabolička analiza.
• Kemijska analiza. Kemijska identifikacija i konformacijska analiza sintetičkih i prirodnih kemikalija.
• Znanost o materijalima. Moćan alat u proučavanju kemije i fizike polimera.

Druge namjene

медициной и химией. Nuklearna magnetska rezonanca i njezina uporaba nisu ograničeni na medicinu i kemiju. Metoda se pokazala vrlo korisnom u drugim područjima, kao što su ispitivanja okoliša, naftna industrija, kontrola procesa, NMR Zemljinog polja i magnetometri. Ispitivanje bez razaranja omogućuje uštedu na skupim biološkim uzorcima koji se mogu ponovno upotrijebiti ako je potrebno više ispitivanja. Nuklearna magnetska rezonanca u geologiji koristi se za mjerenje poroznosti stijena i propusnosti podzemnih tekućina. Magnetometri se koriste za mjerenje raznih magnetskih polja.