Heutzutage werden immer mehr Patienten nicht zum Röntgen oder Ultraschall, sondern zur Kernspintomographie überwiesen. Diese Forschungsmethode basiert auf Kernmagnetismus. Lassen Sie uns überlegen, was NMR-Tomographie ist, welche Vorteile sie hat und in welchen Fällen sie durchgeführt wird.

Was ist diese Studie?

Diese diagnostische Methode basiert auf der Kernspinresonanz. In einem äußeren Magnetfeld befindet sich der Kern eines Wasserstoffatoms oder Protons in zwei einander entgegengesetzten Zuständen. Sie können die Richtung des magnetischen Moments des Kerns ändern, indem Sie mit elektromagnetischen Strahlen einer bestimmten Frequenz darauf einwirken.

Das Platzieren eines Protons in einem externen Magnetfeld bewirkt eine Änderung seines magnetischen Moments mit einer Rückkehr in seine ursprüngliche Position. Dabei wird eine gewisse Energie freigesetzt. Die Magnetresonanztomographie erfasst die Änderung der Menge dieser Energie.

Der Tomograph verwendet sehr starke Magnetfelder. Elektromagnete sind normalerweise in der Lage, ein Magnetfeld mit einer Stärke von 3, manchmal bis zu 9 T aufzubauen. Für den Menschen ist es völlig ungefährlich. Mit dem Tomographiesystem können Sie die Richtung des Magnetfelds lokalisieren, um Bilder von höchster Qualität zu erhalten.

Kernmagnetischer Tomograph

Die diagnostische Methode basiert auf der Feststellung der elektromagnetischen Reaktion des Atomkerns (Proton), die aufgrund seiner Anregung durch elektromagnetische Wellen in einem Hochspannungsmagnetfeld auftritt. Die Magnetresonanztomographie wurde erstmals 1973 diskutiert. Dann schlug der amerikanische Wissenschaftler P. Laterbur vor, das Objekt in einem sich ändernden Magnetfeld zu untersuchen. Die Arbeiten dieses Wissenschaftlers waren der Beginn einer neuen Ära in der Medizin.

Mit Hilfe eines Magnetresonanztomographen wurde es möglich, die Gewebe und Hohlräume des menschlichen Körpers aufgrund des Sättigungsgrades des Gewebes mit Wasserstoff zu untersuchen. Häufig werden Kontrastmittel für die Magnetresonanztomographie verwendet. Meistens handelt es sich dabei um Gadoliniumpräparate, die die Reaktion von Protonen verändern können.
Der Begriff "Nukleare MRT" existierte bis 1986.

Im Zusammenhang mit Radiophobie in der Bevölkerung im Zusammenhang mit der Katastrophe im Kernkraftwerk Tschernobyl wurde beschlossen, das Wort „nuklear“ aus dem Namen der neuen Diagnosemethode zu streichen. Dies ermöglichte jedoch, dass die Magnetresonanztomographie schnell in die Praxis der Diagnose vieler Krankheiten eindrang. Heute ist diese Methode der Schlüssel zur Identifizierung vieler neuerer, schwer zu diagnostizierender Krankheiten.

Wie wird die Diagnostik durchgeführt?

Ein MRT verwendet ein sehr starkes Magnetfeld. Und obwohl es für den Menschen ungefährlich ist, müssen sich Arzt und Patient dennoch an bestimmte Regeln halten.

Zunächst füllt der Patient vor dem diagnostischen Verfahren einen speziellen Fragebogen aus. Darin gibt er den Gesundheitszustand sowie Aussagen über sich selbst an. Die Untersuchung wird in einem speziell hergerichteten Raum mit Umkleidekabine und persönlichen Gegenständen durchgeführt.

Um sich nicht zu verletzen und auch um die Richtigkeit der Ergebnisse sicherzustellen, sollte der Patient alle metallhaltigen Gegenstände ablegen, Mobiltelefone, Kreditkarten, Uhren usw. im Schließfach für persönliche Gegenstände lassen. Es ist wünschenswert, dass Frauen dekorative Kosmetik von der Haut abwaschen.
Als nächstes wird der Patient in die Tomographenröhre gelegt. Auf Anweisung des Arztes wird das Untersuchungsgebiet festgelegt. Jede Zone wird zehn bis zwanzig Minuten lang untersucht. Während dieser Zeit muss der Patient ruhig bleiben. Die Qualität der Bilder hängt davon ab. Der Arzt kann bei Bedarf die Position des Patienten fixieren.

Während des Betriebs des Geräts sind gleichmäßige Geräusche zu hören. Dies ist normal und weist darauf hin, dass die Studie korrekt verläuft. Um genauere Ergebnisse zu erhalten, kann dem Patienten ein Kontrastmittel intravenös verabreicht werden. In einigen Fällen ist bei der Einführung einer solchen Substanz ein Hitzestoß zu spüren. Das ist völlig normal.

Etwa eine halbe Stunde nach der Studie kann der Arzt das Studienprotokoll (Abschluss) erhalten. Eine Diskette mit den Ergebnissen wird ebenfalls ausgegeben.

Vorteile der Kern-MRT

Zu den Vorteilen einer solchen Umfrage gehören die folgenden.

1. Die Fähigkeit, hochwertige Bilder von Körpergeweben in drei Projektionen zu erhalten. Dies verbessert die Visualisierung von Geweben und Organen erheblich. In diesem Fall ist die MRT viel besser als Computertomographie, Radiographie und Ultraschalldiagnostik.
2. Hochwertige 3D-Bilder liefern eine genaue Diagnose, was die Behandlung verbessert und die Wahrscheinlichkeit einer Genesung erhöht.
3. Da im MRT ein qualitativ hochwertiges Bild gewonnen werden kann, eignet sich eine solche Untersuchung am besten zur Erkennung von Tumoren, Erkrankungen des zentralen Nervensystems und pathologischen Zuständen des Bewegungsapparates. Dadurch wird es möglich, Krankheiten zu diagnostizieren, die bis vor kurzem nur schwer oder gar nicht erkannt werden konnten.
4. Moderne Geräte für die Tomographie ermöglichen es Ihnen, qualitativ hochwertige Bilder zu erhalten, ohne die Position des Patienten zu verändern. Und zur Kodierung von Informationen werden die gleichen Methoden wie in der Computertomographie verwendet. Dies erleichtert die Diagnose, da der Arzt dreidimensionale Bilder ganzer Organe sieht. Außerdem kann der Arzt Bilder eines bestimmten Organs in Schichten erhalten.
5. Eine solche Untersuchung bestimmt die frühesten pathologischen Veränderungen in den Organen gut. Somit ist es möglich, die Krankheit in einem Stadium zu erkennen, in dem der Patient noch keine Symptome verspürt.
6. Während einer solchen Studie wird der Patient keiner ionisierenden Strahlung ausgesetzt. Dies erweitert den Anwendungsbereich der MRT erheblich.
7. Das MRT-Verfahren ist völlig schmerzfrei und verursacht keine Beschwerden für den Patienten.

Indikationen für MRT

Es gibt viele Indikationen für die Magnetresonanztomographie.

• Hirndurchblutungsstörungen.
• Verdacht auf eine Neubildung des Gehirns, Schädigung seiner Membranen.
• Beurteilung des Zustands der Organe nach der Operation.
• Diagnose entzündlicher Erscheinungen.
• Krämpfe, Epilepsie.
• Schädel-Hirn-Trauma.
• Beurteilung des Zustands der Schiffe.
• Beurteilung des Zustands von Knochen und Gelenken.
• Diagnose der Weichteile des Körpers.
• Erkrankungen der Wirbelsäule (einschließlich Osteochondrose, Spondyloarthrose).
• Wirbelsäulenverletzung.
• Beurteilung des Zustands des Rückenmarks, einschließlich Verdacht auf bösartige Prozesse.
• Osteoporose.
• Beurteilung des Zustands der Peritonealorgane sowie des Retroperitonealraums. MRT ist indiziert bei Gelbsucht, chronischer Hepatitis, Cholezystitis, Cholelithiasis, tumorähnlichen Leberschäden, Bauchspeicheldrüsenentzündung, Erkrankungen des Magens, Darms, der Milz, der Nieren.
• Diagnose von Zysten.
• Diagnose des Zustands der Nebennieren.
• Erkrankungen der Beckenorgane.
• Urologische Pathologien.
• Gynäkologische Erkrankungen.
• Erkrankungen der Organe der Brusthöhle.

Darüber hinaus ist bei Verdacht auf eine Neubildung eine Magnetresonanztomographie des ganzen Körpers indiziert. Die MRT kann zur Suche nach Metastasen verwendet werden, wenn ein Primärtumor diagnostiziert wird.

Dies ist keine vollständige Liste der Indikationen für die Magnetresonanztomographie. Man kann mit Sicherheit sagen, dass es keinen solchen Organismus und keine Krankheit gibt, die mit dieser Diagnosemethode nicht erkannt werden könnten. Da die Möglichkeiten der Medizin wachsen, haben Ärzte nahezu unbegrenzte Möglichkeiten, viele gefährliche Krankheiten zu diagnostizieren und zu behandeln.

Wann ist eine Magnetresonanztomographie kontraindiziert?

Es gibt eine Reihe von absoluten und relativen Kontraindikationen für die MRT. Zu den absoluten Kontraindikationen gehören:

1. Vorhandensein eines Herzschrittmachers. Denn Schwankungen des Magnetfeldes können sich dem Herzrhythmus anpassen und somit tödlich sein.
2. Das Vorhandensein von installierten ferromagnetischen oder elektronischen Implantaten im Mittelohr.
3. Große Metallimplantate.
4. Das Vorhandensein von ferromagnetischen Fragmenten im Körper.
5. Verfügbarkeit des Ilizarov-Apparats.

Zu den relativen Kontraindikationen (wenn die Forschung unter bestimmten Bedingungen möglich ist) gehören:

Kontraindikationen bei der MRT mit Kontrastmittel sind Anämie, chronisch dekompensiertes Nierenversagen, Schwangerschaft, individuelle Intoleranz.

Fazit

Die Bedeutung der Magnetresonanztomographie für die Diagnostik kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Es ist eine perfekte, nicht-invasive, schmerzlose und harmlose Art, viele Krankheiten zu erkennen. Mit der Einführung der Magnetresonanztomographie hat sich auch die Behandlung der Patienten verbessert, wie der Mediziner weiß genaue Diagnose und Merkmale aller Prozesse, die im Körper des Patienten ablaufen.

Keine Angst vor einem MRT. Der Patient verspürt während des Eingriffs keine Schmerzen. Es hat nichts mit Atom- oder Röntgenstrahlung zu tun. Es ist auch unmöglich, ein solches Verfahren abzulehnen.

Kernspinresonanz

VK. Raben

Staatliche Technische Universität Irkutsk

EINLEITUNG

Bis vor kurzem basierten unsere Vorstellungen über die Struktur von Atomen und Molekülen auf Untersuchungen mit Methoden der optischen Spektroskopie. Im Zusammenhang mit der Verbesserung spektraler Methoden, die das Gebiet der spektroskopischen Messungen in den Bereich ultrahoher (etwa 10^3 - 10^6 MHz; Mikroradiowellen) und hoher Frequenzen (etwa 10^(-2) - 10^ 2 MHz; Radiowellen), neue Informationsquellen über die Struktur der Materie. Bei der Absorption und Emission von Strahlung in diesem Frequenzbereich läuft der gleiche grundlegende Vorgang ab wie in anderen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums, nämlich beim Übergang von einem Energieniveau zum anderen nimmt das System ein Energiequantum auf oder gibt es ab.

Die Energiedifferenz zwischen den Niveaus und die Energie der an diesen Prozessen beteiligten Quanten betragen etwa 10^(-7) eV für den Radiofrequenzbereich und etwa 10^(-4) eV für Mikrowellenfrequenzen. Bei zwei Arten der Radiospektroskopie, nämlich Kernmagnetresonanz (NMR) und Kernquadrupolresonanz (NQR)-Spektroskopie, ist der Unterschied in den Energieniveaus jeweils mit unterschiedlichen Orientierungen der magnetischen Dipolmomente von Kernen in einem angelegten Magnetfeld verbunden und elektrische Quadrupolmomente von Kernen in molekularen elektrischen Feldern, wenn letztere nicht kugelsymmetrisch sind.

Die Existenz von Kernmomenten wurde erstmals entdeckt, als die Hyperfeinstruktur der elektronischen Spektren einiger Atome mit hochauflösenden optischen Spektrometern untersucht wurde.

Unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfelds werden die magnetischen Momente der Kerne auf eine bestimmte Weise ausgerichtet, und es wird möglich, Übergänge zwischen Kernenergieniveaus zu beobachten, die mit diesen unterschiedlichen Ausrichtungen verbunden sind: Übergänge, die unter Einwirkung einer bestimmten Strahlung auftreten Frequenz. Die Quantisierung der Energieniveaus des Kerns ist eine direkte Folge der Quantennatur des Drehimpulses des Kerns, der 2 empfängt ich+ 1 Werte. Die Spinquantenzahl (Spin) I kann jeden Wert annehmen, der ein Vielfaches von 1/2 ist; der höchste bekannte Wert ich(> 7) besitzt Lu. Der größte messbare Wert des Drehimpulses (der größte Wert der Projektion des Moments auf die gewählte Richtung) ist gleich ich ћ , wo ћ = h /2 π , a h ist die Plancksche Konstante.

Werte ich Es ist unmöglich, bestimmte Kerne vorherzusagen, aber es wurde beobachtet, dass Isotope, in denen sowohl Massenzahl als auch Ordnungszahl vorhanden sind, sogar haben ich= 0, und Isotope mit ungeraden Massenzahlen haben halbzahlige Spins. Eine solche Situation, wenn die Anzahl der Protonen und Neutronen im Kern gerade und gleich ist ( ich= 0) kann als Zustand mit „vollständiger Paarung“ betrachtet werden, ähnlich der vollständigen Paarung von Elektronen in einem diamagnetischen Molekül.

Ende 1945 gründeten zwei Gruppen amerikanischer Physiker unter der Leitung von F. Bloch (Stanford University) und E.M. Purcell (Harvard University) waren die ersten, die Kernspinresonanzsignale empfingen. Bloch beobachtete resonante Absorption durch Protonen in Wasser, und Purcell war erfolgreich bei der Entdeckung der Kernresonanz durch Protonen in Paraffin. Für diese Entdeckung wurden sie 1952 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Das Wesen des NMR-Phänomens und seine charakteristischen Merkmale werden unten umrissen.

HOCHAUFLÖSENDE NMR-SPEKTROSKOPIE

Die Essenz des NMR-Phänomens

Das Wesen des NMR-Phänomens kann wie folgt veranschaulicht werden. Wenn ein Kern mit einem magnetischen Moment in ein homogenes Feld gebracht wird H 0 , gerichtet entlang der z-Achse, dann ist seine Energie (in Bezug auf die Energie ohne Feld) gleich μ zH0, wo μ z, ist die Projektion des kernmagnetischen Moments auf die Feldrichtung.

Wie bereits erwähnt, kann der Kern in 2 liegen ich+ 1 Staaten. In Abwesenheit eines externen Feldes H 0 Alle diese Zustände haben die gleiche Energie. Bezeichnen wir den größten messbaren Wert der magnetischen Momentkomponente durch μ , dann alle messbaren Werte der magnetischen Momentkomponente (in diesem Fall μ z,) werden ausgedrückt als m, wo m ist die Quantenzahl, die bekanntlich die Werte annehmen kann

m= ich, ich- 1,ich- 2...-(ich- 1),-ICH.

Da der Abstand zwischen den Energieniveaus jeweils der 2 ich+ 1 Staaten, gleich m H 0 /ICH, dann der Kern mit Spin ich hat diskrete Energieniveaus

- μ H0,-(I-1)μ z H 0 /I,..., (I-1)μ z H 0 /Ich, u H0.

Die Aufspaltung von Energieniveaus in einem Magnetfeld kann als nukleare Zeeman-Aufspaltung bezeichnet werden, da sie der Aufspaltung elektronischer Niveaus in einem Magnetfeld (dem Zeeman-Effekt) ähnelt. Die Zeeman-Aufspaltung ist in Abb. 1 dargestellt. 1 für System mit ich= 1 (mit drei Energieniveaus).

Reis. 1. Zeeman-Aufspaltung von Kernenergieniveaus in einem Magnetfeld.

Das NMR-Phänomen besteht in der resonanten Absorption elektromagnetischer Energie aufgrund des Magnetismus der Kerne. Dies impliziert den offensichtlichen Namen des Phänomens: nuklear - wir sprechen von einem System von Kernen, magnetisch - wir meinen nur ihre magnetischen Eigenschaften, Resonanz - das Phänomen selbst ist von Natur aus resonant. Tatsächlich folgt aus den Bohrschen Frequenzregeln, dass die Frequenz ν des elektromagnetischen Feldes, das Übergänge zwischen benachbarten Niveaus verursacht, durch die Formel bestimmt wird

, (1)

Da die Vektoren von Impuls (Winkelimpuls) und magnetischem Impuls parallel sind, ist es oft bequem, die magnetischen Eigenschaften von Kernen durch den durch die Beziehung definierten Wert γ zu charakterisieren

, (2)

wo γ ist das gyromagnetische Verhältnis mit der Dimension Bogenmaß * ​​Oersted^(- 1) * Sekunde^(- 1) (rad * E^(- 1) * s*(- 1) ) oder Bogenmaß/(Oersted * Sekunde) (rad / (E * s)). In diesem Sinne finden wir

, (3)

Somit ist die Frequenz proportional zum angelegten Feld.

Wenn wir als typisches Beispiel den Wert von γ für ein Proton nehmen, gleich 2,6753 * 10: 4 rad / (E * s), und H 0 \u003d 10.000 Oe, dann die Resonanzfrequenz

Eine solche Frequenz kann durch herkömmliche Funktechniken erzeugt werden.

Die NMR-Spektroskopie zeichnet sich durch eine Reihe von Merkmalen aus, die sie von anderen Analysemethoden unterscheidet. Etwa die Hälfte (~150) der Kerne bekannter Isotope haben magnetische Momente, aber nur eine Minderheit von ihnen wird systematisch genutzt.

Vor dem Aufkommen gepulster Spektrometer wurden die meisten Studien unter Verwendung des NMR-Phänomens an Wasserstoffkernen (Protonen) durchgeführt. 1 H (Proton Magnetic Resonance - PMR) und Fluor 19 F. Diese Kerne haben ideale Eigenschaften für die NMR-Spektroskopie:

Die hohe natürliche Häufigkeit des „magnetischen“ Isotops ( 1H 99,98%, 19 F 100 %); Zum Vergleich kann erwähnt werden, dass das natürliche Vorkommen des „magnetischen“ Kohlenstoffisotops 13 C ist 1,1 %;

Großes magnetisches Moment;

Rotieren ich = 1/2.

Dies ist hauptsächlich für die hohe Empfindlichkeit des Verfahrens beim Nachweis von Signalen von den oben erwähnten Kernen verantwortlich. Außerdem gibt es eine theoretisch streng untermauerte Regel, nach der nur Kerne mit einem Spin gleich oder größer als Eins ein elektrisches Quadrupolmoment haben. Daher NMR-Experimente 1H und 19 F werden nicht durch die Wechselwirkung des Kernquadrupolmoments des Kerns mit der elektrischen Umgebung kompliziert. Eine große Anzahl von Arbeiten widmet sich der Resonanz bei anderen (nebenbei 1H und 19 F) Kerne wie z 13 C, 31 P, 11 B, 17 O in der flüssigen Phase (wie bei Kernen 1 1H und 19F).

Die Einführung gepulster NMR-Spektrometer in die tägliche Praxis hat die experimentellen Möglichkeiten dieser Art der Spektroskopie erheblich erweitert. Insbesondere die Aufnahme von NMR-Spektren 13 C-Lösungen – das wichtigste Isotop für die Chemie – ist mittlerweile eigentlich ein vertrautes Verfahren. Die Detektion von Signalen von Kernen, deren Intensität von NMR-Signalen um ein Vielfaches geringer ist als die Intensität von Signalen aus 1 H, auch in fester Phase.

Hochauflösende NMR-Spektren bestehen normalerweise aus schmalen, gut aufgelösten Linien (Signalen), die magnetischen Kernen in verschiedenen chemischen Umgebungen entsprechen. Die Intensitäten (Flächen) der Signale während der Aufnahme der Spektren sind proportional zur Anzahl der magnetischen Kerne in jeder Gruppe, was es ermöglicht, eine quantitative Analyse mit NMR-Spektren ohne vorherige Kalibrierung durchzuführen.

Ein weiteres Merkmal der NMR ist der Einfluss von Austauschprozessen, an denen Resonanzkerne teilnehmen, auf die Position und Breite von Resonanzsignalen. Daher können NMR-Spektren verwendet werden, um die Natur solcher Prozesse zu untersuchen. NMR-Linien in Flüssigspektren haben typischerweise eine Breite von 0,1 - 1 Hz (hochauflösende NMR), während die gleichen Kerne, die in der festen Phase untersucht werden, das Auftreten von Linien mit einer Breite in der Größenordnung von 1 * 10 ^ 4 Hz verursachen ( daher das Konzept der breiten NMR-Linien).

In der hochauflösenden NMR-Spektroskopie gibt es zwei Hauptquellen für Informationen über die Struktur und Dynamik von Molekülen:

Chemische Verschiebung;

Spin-Spin-Wechselwirkungskonstanten.

chemische Verschiebung

Resonanzkerne, deren NMR-Signale detektiert werden, sind unter realen Bedingungen Bestandteil von Atomen oder Molekülen. Wenn die Testsubstanzen in ein Magnetfeld gebracht werden ( H 0 ) gibt es ein diamagnetisches Moment von Atomen (Molekülen) aufgrund der Orbitalbewegung von Elektronen. Diese Bewegung von Elektronen bildet effektive Ströme und erzeugt daher ein sekundäres Magnetfeld, das gemäß dem Lenzschen Gesetz proportional zum Feld ist H 0 und Gegenrichtung. Dieses sekundäre Feld wirkt auf den Kern. Somit ist das lokale Feld an der Stelle, an der sich der Resonanzkern befindet,

, (4)

wo σ ist eine dimensionslose Konstante, die als Abschirmkonstante bezeichnet wird und unabhängig von ist H 0 , aber stark abhängig von der chemischen (elektronischen) Umgebung; es kennzeichnet die Abnahme Hlok im Vergleich zu H 0 .

Wert σ variiert von einem Wert in der Größenordnung von 10^(- 5) für ein Proton bis zu Werten in der Größenordnung von 10^(- 2) für schwere Kerne. Unter Berücksichtigung des Ausdrucks für Hlok wir haben

, (5)

Abschirmwirkung soll den Abstand zwischen den Niveaus der kernmagnetischen Energie verringern oder, mit anderen Worten, zur Konvergenz der Zeeman-Niveaus führen (Abb. 2). In diesem Fall werden die Energiequanten, die Übergänge zwischen Niveaus verursachen, kleiner und folglich tritt Resonanz bei niedrigeren Frequenzen auf (siehe Ausdruck (5)). Wenn wir ein Experiment durchführen, indem wir das Feld ändern H 0 bis Resonanz auftritt, muss die angelegte Feldstärke groß sein im Vergleich zu dem Fall, wenn der Kern nicht abgeschirmt ist.

Reis. Abb. 2. Wirkung der Elektronenabschirmung auf die Zeeman-Niveaus des Kerns: (a) ungeschirmt, (b) abgeschirmt.

In den allermeisten NMR-Spektrometern werden Spektren aufgenommen, wenn sich das Feld von links nach rechts ändert, daher sollten die Signale (Peaks) der am stärksten abgeschirmten Kerne im rechten Teil des Spektrums liegen.

Die Verschiebung des Signals in Abhängigkeit von der chemischen Umgebung aufgrund der unterschiedlichen Abschirmkonstanten wird als chemische Verschiebung bezeichnet.

Zum ersten Mal erschienen 1950-1951 in mehreren Veröffentlichungen Meldungen über die Entdeckung einer chemischen Verschiebung. Darunter ist die Arbeit von Arnold et al (1951) hervorzuheben, die das erste Spektrum mit getrennten Linien erhielten, die chemisch unterschiedlichen Positionen identischer Kerne entsprachen. 1 H in einem Molekül. Die Rede ist von Ethylalkohol CH 3 CH 2 OH, typisches NMR-Spektrum 1 H davon bei niedriger Auflösung ist in Abb. 1 gezeigt. 3.

Reis. 3. Niedrig aufgelöstes Protonenresonanzspektrum von flüssigem Ethylalkohol.

In diesem Molekül gibt es drei Arten von Protonen: drei Protonen der Methylgruppe CH 3 –, zwei Protonen der Methylengruppe –CH 2 – und einem Proton der Hydroxylgruppe –OH. Es ist ersichtlich, dass drei getrennte Signale drei Arten von Protonen entsprechen. Da die Intensität der Signale im Verhältnis 3:2:1 steht, ist die Dekodierung des Spektrums (Signalzuordnung) nicht schwierig.

Da chemische Verschiebungen nicht absolut gemessen werden können, d. h. relativ zu einem Kern ohne alle seine Elektronen, wird das Signal einer Referenzverbindung als bedingter Nullpunkt verwendet. Normalerweise werden die chemischen Verschiebungswerte für beliebige Kerne als dimensionsloser Parameter 8 angegeben, der wie folgt definiert ist:

, (6)

wo H- Hut ist die Differenz der chemischen Verschiebungen für die Testprobe und den Standard, Hut ist die absolute Position des Referenzsignals mit dem angelegten Feld H 0 .

Unter realen experimentellen Bedingungen ist es möglich, die Frequenz genauer zu messen als das Feld, daher wird δ normalerweise aus dem Ausdruck gefunden

, (7)

wo ν - ν Etage ist die Differenz zwischen den chemischen Verschiebungen für die Probe und den Standard, ausgedrückt in Frequenzeinheiten (Hz); NMR-Spektren werden üblicherweise in diesen Einheiten kalibriert.

Genau genommen sollte man verwenden ν 0 ist die Betriebsfrequenz des Spektrometers (sie ist normalerweise fest) und die Frequenz ν Etage, dh die absolute Frequenz, bei der das Resonanzsignal der Referenz beobachtet wird. Der durch einen solchen Ersatz eingeführte Fehler ist jedoch sehr gering, da ν 0 und ν Etage fast gleich (der Unterschied beträgt 10 ^ (-5), dh um den Betrag σ für ein Proton). Da unterschiedliche NMR-Spektrometer mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten ν 0 (und folglich für verschiedene Bereiche H 0 ), ist es offensichtlich, dass der Ausdruck δ in dimensionslosen Einheiten.

Die Einheit der chemischen Verschiebung ist ein Millionstel der Feldstärke oder Resonanzfrequenz (ppm). In der ausländischen Literatur entspricht diese Reduktion ppm (parts per million). Bei den meisten Kernen, aus denen diamagnetische Verbindungen bestehen, beträgt der Bereich der chemischen Verschiebungen ihrer Signale Hunderte und Tausende von ppm und erreicht 20.000 ppm. im Fall von NMR 59 Co (Kobalt). In Spektren 1 H-Protonensignale der allermeisten Verbindungen liegen im Bereich von 0 – 10 ppm.

Spin-Spin-Wechselwirkung

In den Jahren 1951-1953 wurde bei der Aufnahme der NMR-Spektren einer Reihe von Flüssigkeiten festgestellt, dass die Spektren einiger Substanzen mehr Linien enthalten, als sich aus einer einfachen Schätzung der Anzahl nichtäquivalenter Kerne ergibt. Eines der ersten Beispiele ist die Resonanz auf Fluor im POCl-Molekül 2 F. Spektrum 19 F besteht aus zwei Linien gleicher Intensität, obwohl im Molekül nur ein Fluoratom vorhanden ist (Abb. 4). Moleküle anderer Verbindungen ergaben symmetrische Multiplett-Signale (Tripletts, Quartetts usw.).

Ein weiterer wichtiger Faktor, der in solchen Spektren gefunden wurde, war, dass der Abstand zwischen den Linien, gemessen in der Frequenzskala, nicht vom angelegten Feld abhängt. H 0 , anstatt proportional zu ihr zu sein, wie es sein sollte, wenn die Multiplizität aus einem Unterschied in den Abschirmkonstanten entsteht.

Reis. 4. Dublette im Resonanzspektrum an Fluorkernen im POCl-Molekül 2F

Ramsey und Purcell waren 1952 die ersten, die diese Wechselwirkung erklärten, indem sie zeigten, dass sie auf einen indirekten Kopplungsmechanismus durch die elektronische Umgebung zurückzuführen ist. Der Kernspin neigt dazu, die Spins der Elektronen, die den gegebenen Kern umgeben, auszurichten. Diese wiederum orientieren die Spins anderer Elektronen und durch sie die Spins anderer Kerne. Die Spin-Spin-Wechselwirkungsenergie wird normalerweise in Hertz ausgedrückt (das heißt, die Planck-Konstante wird als Energieeinheit verwendet, basierend auf der Tatsache, dass E=h ν ). Es ist klar, dass es (anders als bei der chemischen Verschiebung) nicht notwendig ist, sie in relativen Einheiten auszudrücken, da die diskutierte Wechselwirkung, wie oben erwähnt, nicht von der Stärke des externen Feldes abhängt. Die Größe der Wechselwirkung kann bestimmt werden, indem der Abstand zwischen den Komponenten des entsprechenden Multipletts gemessen wird.

Das einfachste anzutreffende Beispiel für eine Aufspaltung aufgrund von Spin-Spin-Kopplung ist das Resonanzspektrum eines Moleküls, das zwei Arten magnetischer Kerne A und X enthält. Die Kerne A und X können entweder unterschiedliche Kerne oder Kerne desselben Isotops sein (z Beispiel, 1 H) wenn die chemischen Verschiebungen zwischen ihren Resonanzsignalen groß sind.

Reis. 5. Ansicht des NMR-Spektrums eines Systems bestehend aus magnetischen Kernen A und X mit Spin Ich = 1/2 wenn die Bedingung erfüllt ist δ AX > J AX .

Auf Abb. 5 zeigt, wie das NMR-Spektrum aussieht, wenn beide Kerne, d. h. A und X, Spin 1/2 haben. Der Abstand zwischen den Komponenten in jedem Dublett wird als Spin-Spin-Kopplungskonstante bezeichnet und üblicherweise als J (Hz) bezeichnet; in diesem Fall ist es die Konstante J AH.

Das Auftreten von Dubletts ist darauf zurückzuführen, dass jeder Kern die Resonanzlinien des benachbarten Kerns aufspaltet 2I+1 Komponente. Die Energieunterschiede zwischen verschiedenen Spinzuständen sind so gering, dass im thermischen Gleichgewicht die Wahrscheinlichkeiten dieser Zustände gemäß der Boltzmann-Verteilung nahezu gleich ausfallen. Folglich sind die Intensitäten aller Linien des Multipletts, die aus der Wechselwirkung mit einem Kern resultieren, gleich. In dem Fall, wo es gibt nÄquivalente Kerne (d. h. gleich abgeschirmt, sodass ihre Signale die gleiche chemische Verschiebung haben), wird das Resonanzsignal des benachbarten Kerns aufgespalten 2nI + 1 Linien.

FAZIT

Bald nach der Entdeckung des NMR-Phänomens in kondensierter Materie wurde klar, dass NMR die Grundlage einer leistungsfähigen Methode zur Untersuchung der Struktur von Materie und ihrer Eigenschaften sein würde. Tatsächlich verwenden wir bei der Untersuchung von NMR-Spektren ein resonantes System von Kernen, die extrem empfindlich auf die magnetische Umgebung reagieren. Lokale Magnetfelder in der Nähe des Resonanzkerns hängen von intra- und intermolekularen Effekten ab, was den Wert dieser Art von Spektroskopie für die Untersuchung der Struktur und des Verhaltens von Vielelektronen-(molekularen)-Systemen bestimmt.

Gegenwärtig ist es schwierig, ein Gebiet der Naturwissenschaften zu nennen, in dem NMR nicht in gewissem Umfang verwendet wird. NMR-Spektroskopiemethoden werden in der Chemie, Molekularphysik, Biologie, Agronomie, Medizin, bei der Untersuchung natürlicher Formationen (Glimmer, Bernstein, Halbedelsteine, brennbare Mineralien und andere mineralische Rohstoffe), dh in solchen wissenschaftlichen Bereichen, häufig eingesetzt in dem die Struktur der Materie untersucht wird, ihre molekulare Struktur, die Natur chemischer Bindungen, intermolekulare Wechselwirkungen und verschiedene Formen der inneren Bewegung.

NMR-Methoden werden zunehmend eingesetzt, um technologische Prozesse in Fabriklabors zu untersuchen, sowie den Ablauf dieser Prozesse in verschiedenen technologischen Kommunikationen direkt in der Produktion zu steuern und zu regeln. Untersuchungen der letzten fünfzig Jahre haben gezeigt, dass Magnetresonanzverfahren Störungen des Ablaufs biologischer Prozesse frühzeitig erkennen können. Anlagen zur Untersuchung des gesamten menschlichen Körpers durch Magnetresonanzverfahren (NMR-Tomographieverfahren) wurden entwickelt und werden produziert.

In den GUS-Staaten, allen voran Russland, haben Magnetresonanzverfahren (insbesondere NMR) inzwischen einen festen Platz in den Forschungslabors dieser Staaten eingenommen. In verschiedenen Städten (Moskau, Nowosibirsk, Kasan, Tallinn, St. Petersburg, Irkutsk, Rostow am Don usw.) entstanden durch die Anwendung dieser Methoden wissenschaftliche Schulen mit ihren eigenen originellen Problemen und Lösungsansätzen.

1. Popl J., Schneider W., Bernstein G. Hochauflösende kernmagnetische Resonanzspektren. M.: IL, 1962. 292 S.

2. Kerrington A., McLechlan E. Magnetresonanz und ihre Anwendung in der Chemie. M.: Mir, 1970. 447 S.

3. Bovi F.A. Hochauflösende NMR von Makromolekülen Moskau: Chemie, 1977. 455 p.

4. Heberlen W., Mehring M. Hochauflösende NMR in Festkörpern. M.: Mir, 1980. 504 S.

5. Slikter Ch. Grundlagen der Theorie der Magnetresonanz. M.: Mir, 1981. 448 S.

6. Ionin B.I., Ershov B.A., Koltsov A.I. NMR-Spektroskopie in der organischen Chemie. L.: Chemie, 1983. 269 p.

7. Woronow V. K. Methoden paramagnetischer Additive in der NMR-Spektroskopie. Nowosibirsk: Nauka, 1989. 168 p.

8. Ernst R., Bodenhausen J., Vokaun A. NMR in one and two dimensions. M.: Mir, 1990. 709 S.

9. Deroum E. Moderne NMR-Methoden für die chemische Forschung. M.: Mir, 1992. 401 S.

10. Voronov V.K., Sagdeev R.Z. Grundlagen der Magnetresonanz. Irkutsk: Wost.-Sib. Buchen. Verlag, 1995.352 S.

Dieselben Kerne von Atomen in unterschiedlichen Umgebungen in einem Molekül zeigen unterschiedliche NMR-Signale. Aus der Differenz eines solchen NMR-Signals zum Signal einer Standardsubstanz lässt sich die sogenannte chemische Verschiebung bestimmen, die auf die chemische Struktur der untersuchten Substanz zurückzuführen ist. In NMR-Techniken gibt es viele Möglichkeiten, die chemische Struktur von Substanzen, die Konformation von Molekülen, die Auswirkungen gegenseitiger Beeinflussung und intramolekulare Umwandlungen zu bestimmen.

Physik NMR

Die Aufspaltung der Energieniveaus des Kerns mit Ich = 1/2 in einem Magnetfeld

Das Phänomen der Kernspinresonanz beruht auf den magnetischen Eigenschaften von Atomkernen bestehend aus Nukleonen mit halbzahligem Spin 1/2, 3/2, 5/2 .... Kerne mit gerader Masse und Ladungszahl (gerade-gerade Kerne ) haben kein magnetisches Moment , während für alle anderen Kerne das magnetische Moment ungleich Null ist.

Somit haben die Kerne einen Drehimpuls, der durch die Beziehung mit dem magnetischen Moment in Beziehung steht

,

wo ist die Plancksche Konstante, ist die Spinquantenzahl, ist das gyromagnetische Verhältnis.

Drehimpuls und magnetisches Moment des Kerns werden quantisiert und die Eigenwerte der Projektion sowie die Dreh- und magnetischen Momente auf der z-Achse eines willkürlich gewählten Koordinatensystems werden durch die Relation bestimmt

und ,

wo ist die magnetische Quantenzahl des Eigenzustands des Kerns, ihre Werte werden durch die Spinquantenzahl des Kerns bestimmt

Das heißt, der Kernel kann sich in Zuständen befinden.

Für ein Proton (oder einen anderen Kern mit Ich = 1/2- 13 C, 19 F, 31 P usw.) können nur zwei Zustände annehmen

,

ein solcher Kern kann als magnetischer Dipol dargestellt werden, dessen z-Komponente parallel oder antiparallel zur positiven Richtung der z-Achse eines beliebigen Koordinatensystems orientiert sein kann.

Es ist zu beachten, dass in Abwesenheit eines äußeren Magnetfelds alle Zustände mit unterschiedlichen Zuständen die gleiche Energie haben, dh sie sind entartet. Die Entartung wird in einem äußeren Magnetfeld aufgehoben, während die Aufspaltung bezüglich des entarteten Zustands proportional zum äußeren Magnetfeld und dem magnetischen Moment des Zustands und für einen Kern mit einer Spinquantenzahl ist ich in einem äußeren Magnetfeld ein System von 2I+1 Energieniveaus, d. h. Kernspinresonanz hat die gleiche Natur wie der Zeeman-Effekt der Aufspaltung elektronischer Niveaus in einem Magnetfeld.

Im einfachsten Fall für einen Kern mit Spin c Ich = 1/2- zum Beispiel für ein Proton die Aufspaltung

und Energiedifferenz von Spinzuständen

Larmorfrequenzen einiger Atomkerne

Die Frequenz für Protonenresonanz liegt im kurzwelligen Bereich (Wellenlänge ca. 7 m).

Anwendung von NMR

Spektroskopie

Hauptartikel: NMR-Spektroskopie

Geräte

Das Herzstück des NMR-Spektrometers ist ein starker Magnet. In einem von Purcell erstmals durchgeführten Experiment wird eine Probe in einer Glasampulle mit einem Durchmesser von etwa 5 mm zwischen die Pole eines starken Elektromagneten gebracht. Dann beginnt sich die Ampulle zu drehen und das auf sie wirkende Magnetfeld wird allmählich erhöht. Als Strahlungsquelle wird ein hochwertiger HF-Generator verwendet. Unter der Wirkung eines zunehmenden Magnetfeldes beginnen die Kerne, auf die das Spektrometer abgestimmt ist, zu schwingen. In diesem Fall schwingen die abgeschirmten Adern bei einer Frequenz etwas niedriger als die nominelle Resonanzfrequenz (und das Gerät).

Die Energieabsorption wird von einer HF-Brücke aufgezeichnet und dann von einem Diagrammschreiber aufgezeichnet. Die Frequenz wird erhöht, bis sie eine bestimmte Grenze erreicht, über der eine Resonanz unmöglich ist.

Da die von der Brücke kommenden Ströme sehr klein sind, beschränken sie sich nicht auf die Aufnahme eines Spektrums, sondern machen mehrere Dutzend Durchgänge. Alle empfangenen Signale werden in der abschließenden Grafik zusammengefasst, deren Qualität vom Signal-Rausch-Verhältnis des Instruments abhängt.

Bei diesem Verfahren wird die Probe einer Radiofrequenzstrahlung mit konstanter Frequenz ausgesetzt, während sich die Stärke des Magnetfelds ändert, daher wird es auch als Constant-Field-Methode (CW) bezeichnet.

Die traditionelle Methode der NMR-Spektroskopie hat viele Nachteile. Erstens braucht es viel Zeit, um jedes Spektrum aufzubauen. Zweitens ist es sehr wählerisch in Bezug auf das Fehlen externer Störungen, und die resultierenden Spektren weisen in der Regel ein erhebliches Rauschen auf. Drittens ist es für die Erstellung von Hochfrequenz-Spektrometern (300, 400, 500 und mehr MHz) ungeeignet. Daher wird in modernen NMR-Geräten das Verfahren der sogenannten gepulsten Spektroskopie (PW) verwendet, basierend auf der Fourier-Transformation des empfangenen Signals. Derzeit sind alle NMR-Spektrometer auf der Basis von starken supraleitenden Magneten mit konstantem Magnetfeld aufgebaut.

Im Gegensatz zum CW-Verfahren erfolgt bei der gepulsten Variante die Anregung der Kerne nicht mit einer „Konstantwelle“, sondern mit Hilfe eines kurzen, mehrere Mikrosekunden langen Pulses. Die Amplituden der Frequenzkomponenten des Impulses nehmen mit zunehmendem Abstand von v 0 ab. Da es aber erwünscht ist, dass alle Kerne gleichmäßig bestrahlt werden, ist es notwendig, "harte Pulse" zu verwenden, also kurze Pulse hoher Leistung. Die Pulsdauer wird so gewählt, dass die Frequenzbandbreite um eine oder zwei Größenordnungen größer ist als die Spektrumsbreite. Die Leistung erreicht mehrere Watt.

Als Ergebnis der gepulsten Spektroskopie erhält man kein gewöhnliches Spektrum mit sichtbaren Resonanzpeaks, sondern ein Bild gedämpfter Resonanzschwingungen, in denen alle Signale aller resonierenden Kerne gemischt sind – der sogenannte „Free Induction Decay“ (FID, freier Induktionszerfall). Um dieses Spektrum zu transformieren, werden mathematische Methoden verwendet, die sogenannte Fourier-Transformation, nach der jede Funktion als Summe einer Menge harmonischer Schwingungen dargestellt werden kann.

NMR-Spektren

Spektrum von 1 H 4-Ethoxybenzaldehyd. Im schwachen Feld (Singulett ~9,25 ppm) das Signal des Protons der Aldehydgruppe, im starken Feld (Triplett ~1,85-2 ppm) - das Proton der Methylethoxygruppe.

Für die qualitative Analyse mit NMR wird die Spektralanalyse verwendet, basierend auf diesen bemerkenswerten Eigenschaften dieser Methode:

• die Signale der Kerne von Atomen, die in bestimmten funktionellen Gruppen enthalten sind, liegen in streng definierten Bereichen des Spektrums;
• die durch die Spitze begrenzte integrale Fläche ist streng proportional zur Anzahl der in Resonanz stehenden Atome;
• Kerne, die durch 1-4-Bindungen liegen, sind in der Lage, Multiplett-Signale als Ergebnis der sogenannten zu erzeugen. spaltet sich aufeinander auf.

Die Position des Signals in den NMR-Spektren wird durch ihre chemische Verschiebung relativ zum Referenzsignal charakterisiert. Als letzteres im 1 H- und 13 C-NMR wird Tetramethylsilan Si(CH 3 ) 4 verwendet. Die Einheit der chemischen Verschiebung sind die Teile pro Million (ppm) der Instrumentenfrequenz. Wenn wir das TMS-Signal als 0 nehmen und die Signalverschiebung zu einem schwachen Feld als positive chemische Verschiebung betrachten, dann erhalten wir die sogenannte δ-Skala. Wenn die Resonanz von Tetramethylsilan 10 ppm entspricht und die Vorzeichen umkehren, dann wird die resultierende Skala die τ-Skala sein, die derzeit praktisch nicht verwendet wird. Wenn das Spektrum einer Substanz zu kompliziert zu interpretieren ist, kann man mit quantenchemischen Methoden Abschirmkonstanten berechnen und die Signale darauf basierend korrelieren.

NMR-Introskopie

Das Phänomen der Kernspinresonanz lässt sich nicht nur in Physik und Chemie nutzen, sondern auch in der Medizin: Der menschliche Körper ist eine Kombination aus immer gleichen organischen und anorganischen Molekülen.

Um dieses Phänomen zu beobachten, wird ein Objekt in ein konstantes Magnetfeld gebracht und Hochfrequenz- und Gradientenmagnetfeldern ausgesetzt. In dem das Untersuchungsobjekt umgebenden Induktor entsteht eine elektromotorische Wechselkraft (EMK), deren Amplituden-Frequenz-Spektrum und die zeitlichen Übergangseigenschaften Informationen über die räumliche Dichte von resonierenden Atomkernen sowie über andere nur spezifische Parameter enthalten für Kernspinresonanz. Die Computerverarbeitung dieser Informationen erzeugt ein dreidimensionales Bild, das die Dichte chemisch äquivalenter Kerne, die Relaxationszeiten der Kernspinresonanz, die Verteilung von Fluidflussraten, die Diffusion von Molekülen und die biochemischen Prozesse des Stoffwechsels in lebenden Geweben charakterisiert.

Das Wesen der NMR-Introskopie (oder Magnetresonanztomographie) besteht nämlich in der Durchführung einer speziellen Art der quantitativen Analyse der Amplitude des Kernspinresonanzsignals. Bei der konventionellen NMR-Spektroskopie ist das Ziel, eine möglichst gute Auflösung der Spektrallinien zu realisieren. Dazu werden die Magnetsysteme so justiert, dass eine bestmögliche Feldgleichmäßigkeit innerhalb der Probe entsteht. Bei den Methoden der NMR-Introskopie hingegen wird das Magnetfeld offensichtlich inhomogen aufgebaut. Dann gibt es Grund zu der Annahme, dass die Frequenz der kernmagnetischen Resonanz an jedem Punkt der Probe einen eigenen Wert hat, der sich von den Werten in anderen Teilen unterscheidet. Durch Einstellen eines Codes für Amplitudenabstufungen des NMR-Signals (Helligkeit oder Farbe auf dem Monitorbildschirm) können Sie ein bedingtes Bild erhalten (

GESUNDHEITSMINISTERIUM DER RUSSISCHEN FÖDERATION

ALLGEMEINE PHARMAKOPÄISCHE ZULASSUNG

Spektroskopie von nuklearem GPM.1.2.1.1.0007.15
Magnetresonanz statt GFXII, Teil 1,
OFS 42-0046-07

Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) ist eine Methode, die auf der Absorption hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung durch die Kerne einer Probe mit einem magnetischen Moment ungleich Null basiert, die in einem konstanten Magnetfeld ( B 0). Magnetische Momente ungleich Null haben Isotope von Kernen von Elementen mit einer ungeraden Atommasse (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P usw.).

Allgemeine Grundsätze

Ein Kern, der sich um seine Achse dreht, hat seinen eigenen Impuls (Winkelimpuls oder Spin) P. Das magnetische Moment des Kerns μ ist direkt proportional zum Spin: μ = γ ∙P(γ ist der Proportionalitätsfaktor oder das gyromagnetische Verhältnis). Die Dreh- und Magnetmomente sind quantisiert, d.h. kann in einem von 2 sein ich+ 1 Spin-Zustände ( ich – Spinquantenzahl). Unterschiedliche Zustände der magnetischen Momente von Kernen haben die gleiche Energie, wenn sie nicht durch ein äußeres Magnetfeld beeinflusst werden. Wenn Kerne in ein externes Magnetfeld gebracht werden B 0 wird die Energieentartung der Kerne aufgehoben und es entsteht die Möglichkeit eines Energieübergangs von einem Niveau zum anderen. Der Prozess der Verteilung von Kernen zwischen verschiedenen Energieniveaus verläuft gemäß dem Boltzmann-Verteilungsgesetz und führt zum Auftreten einer makroskopischen Gleichgewichts-Längsmagnetisierung M z. Die Zeit, die zum Erstellen benötigt wird M z nach Einschalten des externen Magnetfeldes BEIM 0 , heißt Zeit längs oder rotieren—Gitter Entspannung (T ein). Eine Verletzung der Gleichgewichtsverteilung von Kernen tritt unter Einwirkung eines hochfrequenten Magnetfelds auf ( B 1), senkrecht B 0 , was zusätzliche Übergänge zwischen Energieniveaus verursacht, begleitet von Energieabsorption (das Phänomen Kernspinresonanz). Frequenz ν 0 , bei der die Energieaufnahme durch die Kerne erfolgt ( Larmorova oder resonante Absorptionsfrequenz), variiert je nach Wert des konstanten Felds B 0: ν 0 = γ B 0 /2π. Im Moment der Resonanz findet eine Wechselwirkung zwischen den einzelnen kernmagnetischen Momenten und dem Feld statt BEIM 1 , die einen Vektor ausgibt M z aus seiner Gleichgewichtsposition entlang der Achse z. Als Ergebnis erscheint Quermagnetisierung M xy. Seine mit dem Austausch innerhalb des Spinsystems verbundene Veränderung ist durch die Zeit gekennzeichnet quer oder Spin-Spin Entspannung (T 2).

Abhängigkeit der Intensität der Energieaufnahme durch gleichartige Kerne von der Frequenz des hochfrequenten Magnetfeldes bei einem festen Wert BEIM 0 wird aufgerufen eindimensionales SpektrumKernspinresonanz Kerne dieser Art. Das NMR-Spektrum kann auf zwei Arten gewonnen werden: durch kontinuierliche Bestrahlung der Probe mit einem HF-Feld unterschiedlicher Frequenz, wodurch das NMR-Spektrum direkt aufgenommen wird (Continuous Exposure Spectroscopy), oder durch Bestrahlung der Probe mit einem kurzen HF-Puls ( gepulste Spektroskopie). In der gepulsten NMR-Spektroskopie wird zeitlich abgeklungene kohärente Strahlung, die von Kernen bei der Rückkehr in den anfänglichen Spinzustand emittiert wird ( freies Induktionszerfallssignal) gefolgt von der Transformation der Zeitskala in Frequenz ( Fourier-Transformation).

In Molekülen reduzieren die Elektronen von Atomen die Größe des wirkenden äußeren Magnetfelds B 0 am Ort des Kernels, d.h. erscheint diamagnetische Abschirmung:

B loc = B 0 ∙ (1 – σ),

B lok ist die Intensität des resultierenden Feldes;

σ ist die Abschirmkonstante.

Der Unterschied in den Resonanzfrequenzen der Signale der Kerne, gleich dem Unterschied in ihren Abschirmkonstanten, wird genannt chemische Verschiebung Signale, gekennzeichnet durch das Symbol δ , gemessen in Teilen pro Million (ppm). Wechselwirkung magnetischer Momente von Kernen durch chemische Bindungselektronen ( Spin-Spin-Wechselwirkung) bewirkt eine Aufspaltung des NMR-Signals ( Vielheit, m). Die Anzahl der Komponenten in Multipletts wird durch den Kernspin und die Anzahl der wechselwirkenden Kerne bestimmt. Das Maß für die Spin-Spin-Wechselwirkung ist Spin-Spin-Kopplungskonstante (J, gemessen in Hertz, Hz). Werte δ, m und J hängen nicht von der Größe des konstanten Magnetfelds ab.

Die Intensität des Kern-NMR-Signals im Spektrum wird durch die Population seiner Energieniveaus bestimmt. Von den Kernen mit einem natürlichen Isotopenreichtum werden die intensivsten Signale von Wasserstoffkernen erzeugt. Die Intensität von NMR-Signalen wird auch durch die Zeit der Längs-Quer-Relaxation beeinflusst (groß T 1 führen zu einer Abnahme der Signalintensität).

Die Breite von NMR-Signalen (Unterschied zwischen Frequenzen beim halben Maximum des Signals) hängt von ab T 1 und T 2. kleine Zeiten T 1 und T 2 verursachen Signale mit breitem und schlecht interpretiertem Spektrum.

Die Empfindlichkeit des NMR-Verfahrens (maximal nachweisbare Konzentration einer Substanz) hängt von der Intensität des Kernsignals ab. Für 1 H-Kerne beträgt die Empfindlichkeit 10 -9 ÷ 10 -11 mol.

Korrelationen verschiedener spektraler Parameter (z. B. chemische Verschiebungen verschiedener Kerne innerhalb desselben molekularen Systems) können durch homo- und heteronukleare Methoden im 2D- oder 3D-Format erhalten werden.

Gerät

Hochauflösendes NMR-Impulsspektrometer (NMR-Spektrometer) besteht aus:

• Magnet, um ein konstantes Magnetfeld zu erzeugen B 0 ;
• einen temperaturgesteuerten Sensor mit einem Probenhalter zum Anlegen eines HF-Pulses und Erfassen der von der Probe emittierten Strahlung;
• ein elektronisches Gerät zum Erzeugen eines Hochfrequenzimpulses, zum Aufzeichnen, Verstärken und Umwandeln des freien Induktionsabklingsignals in digitale Form;
• Geräte zum Abstimmen und Einstellen elektronischer Schaltkreise;
• Datenerfassungs- und -verarbeitungsgeräte (Computer);

und kann auch beinhalten:

eine Durchflusszelle für NMR-Flüssigkeitschromatographie oder Fließinjektionsanalyse;

• System zum Erzeugen eines gepulsten Magnetfeldgradienten.

In einem mit flüssigem Helium gefüllten Dewar-Gefäß wird durch eine Supraleitungsspule ein starkes Magnetfeld erzeugt.

Die ordnungsgemäße Funktion des NMR-Spektrometers sollte überprüft werden. Zur Verifizierung werden entsprechende Tests durchgeführt, darunter in der Regel die Messung der spektralen Linienbreite auf halber Höhe bestimmter Peaks unter bestimmten Bedingungen ( Erlaubnis), Reproduzierbarkeit der Signalposition und Signal-Rausch-Verhältnis (das Verhältnis zwischen der Intensität eines bestimmten Signals im NMR-Spektrum und zufälligen Schwankungen im Bereich des Spektrums, der keine Signale des Analyten enthält, S/N) für Standardmischungen. Die Spektrometersoftware enthält Algorithmen zur Bestimmung S/N. Alle Gerätehersteller stellen Spezifikationen und Messprotokolle für diese Parameter zur Verfügung.

NMR-Spektroskopie von Proben in Lösungen

Methodik

Die Testprobe wird in einem Lösungsmittel gelöst, dem ein geeigneter Kalibrierstandard für die chemische Verschiebung hinzugefügt werden kann, wie in den behördlichen Vorschriften angegeben. Der Wert der relativen chemischen Verschiebung des Kerns einer Substanz (δ in-in) wird durch den folgenden Ausdruck bestimmt:

δ in-in \u003d (ν in-in - ν Standard) / ν des Geräts,

ν in-in - die Resonanzfrequenz des Kerns der Substanz, Hz;

ν Etalon ist die Resonanzfrequenz des Etalonkerns, Hz;

ν des Gerätes ist die Betriebsfrequenz des NMR-Spektrometers (die Frequenz, bei der die Resonanzbedingungen für Wasserstoffkerne gegeben sind B 0 MHz).

Für Lösungen in organischen Lösungsmitteln wird die chemische Verschiebung in den 1H- und 13C-Spektren relativ zum Tetramethylsilansignal gemessen, dessen Position als 0 ppm angenommen wird. Die chemischen Verschiebungen werden in Richtung eines schwachen Feldes (nach links) vom Tetramethylsilansignal aus gezählt (Delta ist die Skala der chemischen Verschiebungen). Für wässrige Lösungen wird Natrium-2,2-dimethyl-2-silanpentan-5-sulfonat als Referenz in 1 H-NMR-Spektren verwendet, dessen chemische Verschiebung der Protonen der Methylgruppe 0,015 ppm beträgt. Für die Spektren von wässrigen 13 C-Lösungen wird Dioxan als Referenz verwendet, dessen chemische Verschiebung 67,4 ppm beträgt.

Bei der Kalibrierung der 19 F-Spektren wird Trifluoressigsäure oder Trichlorfluormethan als Primärstandard ohne chemische Verschiebung verwendet; Spektren 31 P - 85%ige Lösung von Phosphorsäure oder Trimethylphosphat; Spektren 15 N - Nitromethan oder gesättigte Ammoniaklösung. Bei der 1 H- und 13 C-NMR wird in der Regel ein interner Standard verwendet, der direkt der Messprobe zugesetzt wird. 15 N-, 19 F- und 31 P-NMR verwenden häufig einen externen Standard, der separat in einem koaxialen zylindrischen Rohr oder einer Kapillare gehalten wird.

Bei der Beschreibung von NMR-Spektren ist die Angabe des Lösungsmittels, in dem der Stoff gelöst ist, und seiner Konzentration erforderlich. Als Lösungsmittel werden leicht bewegliche Flüssigkeiten verwendet, in denen Wasserstoffatome durch Deuteriumatome ersetzt werden, um die Intensität von Lösungsmittelsignalen zu verringern. Das deuterierte Lösungsmittel wird basierend auf den folgenden Kriterien ausgewählt:

• 1) die Löslichkeit der Testverbindung darin;
• 2) keine Überlappung zwischen den Signalen von Restprotonen des deuterierten Lösungsmittels und den Signalen der Testverbindung;
• 3) keine Wechselwirkung zwischen dem Lösungsmittel und der Testverbindung, sofern nicht anders angegeben.

Lösungsmittelatome geben Signale, die durch ihre chemische Verschiebung leicht identifiziert werden können und zur Kalibrierung der chemischen Verschiebungsachse (Sekundärstandard) verwendet werden können. Die chemischen Verschiebungen der Restprotonensignale deuterierter Lösungsmittel haben folgende Werte (ppm): Chloroform, 7,26; Benzol 7,16; Wasser - 4,7; Methanol –3,35 und 4,78; Dimethylsulfoxid - 2,50; Aceton - 2,05; Die Position des Signals von Wasser und der Protonen der Hydroxylgruppen von Alkoholen hängt vom pH-Wert des Mediums und der Temperatur ab.

Für die quantitative Analyse müssen Lösungen frei von ungelösten Partikeln sein. Bei einigen Assays kann es erforderlich sein, einen internen Standard hinzuzufügen, um Test- und Referenzintensitäten zu vergleichen. Geeignete Standardproben und ihre Konzentrationen sollten in der normativen Dokumentation angegeben werden. Nach Einbringen der Probe in ein Reagenzglas und Verschließen wird die Probe in den Magneten des NMR-Spektrometers eingebracht, die Testparameter werden eingestellt (Einstellparameter, Registrierung, Digitalisierung des freien Induktionszerfallssignals). Die in den Zulassungsunterlagen angegebenen Hauptprüfparameter werden in einem Computer aufgezeichnet oder gespeichert.

Um eine Drift des Spektrums im Laufe der Zeit zu verhindern, wird ein Stabilisierungsverfahren (Deuterium Lock) unter Verwendung des durch deuterierte Lösungsmittel induzierten Deuteriumsignals durchgeführt, sofern nicht anders angegeben. Das Instrument wird so eingestellt, dass die optimalsten Resonanzbedingungen und das maximale Verhältnis erreicht werden S/N(Schimmern).

Während des Tests ist es möglich, mehrere Sequenzen von Zyklen "Impuls - Datenerfassung - Pause" mit anschließender Summierung einzelner Signale des Abfalls der freien Induktion und Mittelung des Rauschpegels durchzuführen. Die Verzögerungszeit zwischen Pulsfolgen, während der das System der Kernspins seine Magnetisierung wieder herstellt ( D 1), für quantitative Messungen muss die Längsrelaxationszeit überschritten werden T 1: D 1 ≥ 5 T ein . Die Spektrometersoftware enthält Algorithmen zur Bestimmung T ein . Wenn der Wert T 1 ist unbekannt, es wird empfohlen, den Wert zu verwenden D 1 = 25 Sek.

Nach Durchführung der Fourier-Transformation werden die Signale in der Frequenzdarstellung auf den gewählten Standard kalibriert und ihre relative Intensität durch Integration gemessen - Messung des Verhältnisses der Flächen der resonanten Signale. In den 13 C-Spektren werden nur gleichartige Signale integriert. Die Genauigkeit der Signalintegration hängt vom Verhältnis ab Signal – Lärm (Seriennummer):

wo u(ich) ist die Standardunsicherheit der Integration.

Die Anzahl der Akkumulationen des freien Induktionsabfalls, die erforderlich ist, um ein zufriedenstellendes Verhältnis zu erreichen S/ N, sollte in der regulatorischen Dokumentation angegeben werden.

Neben eindimensionalen für Analysezwecke werden homo- und heteronukleare zweidimensionale Korrelationsspektren verwendet, die auf einer bestimmten Impulsfolge basieren (COSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC, HETCOR, CIGAR, INADEQUATE usw.). In zweidimensionalen Spektren manifestiert sich die Wechselwirkung zwischen Kernen in Form von Signalen, die Kreuzpeaks genannt werden. Die Position der Kreuzpeaks wird durch die Werte der chemischen Verschiebungen der beiden wechselwirkenden Kerne bestimmt. Zweidimensionale Spektren werden bevorzugt zur Bestimmung der Zusammensetzung komplexer Mischungen und Extrakte verwendet, weil die Wahrscheinlichkeit einer Signalüberlagerung (Kreuzpeaks) in zweidimensionalen Spektren ist deutlich geringer als die Wahrscheinlichkeit einer Signalüberlagerung in eindimensionalen Spektren.

Um die Spektren von Heterokernen ( 13 C, 15 N usw.) schnell zu erhalten, werden Methoden (HSQC, HMBC) verwendet, die es ermöglichen, Spektren von anderen Kernen auf 1 H-Kernen unter Verwendung der Mechanismen der heteronuklearen Wechselwirkung zu erhalten.

Die DOSY-Technik, die auf der Aufzeichnung des Phasenkohärenzverlusts von Kernspins aufgrund von Translationsverschiebungen von Molekülen unter Einwirkung eines Magnetfeldgradienten basiert, ermöglicht es, Spektren einzelner Verbindungen (spektrale Trennung) in einem Gemisch ohne ihre physikalische Trennung zu erhalten und um die Größen, Aggregationsgrade und Molekulargewichte molekularer Objekte (Moleküle, Makromoleküle, Molekülkomplexe, supramolekulare Systeme) zu bestimmen.

Einsatzbereiche

Die Vielfalt der in Kernspinresonanzspektren enthaltenen strukturellen und analytischen Informationen ermöglicht es, das Kernspinresonanzverfahren zur qualitativen und quantitativen Analyse einzusetzen. Der Einsatz der Kernspinresonanzspektroskopie in der quantitativen Analytik beruht auf der direkten Proportionalität der molaren Konzentration magnetisch aktiver Kerne zur integralen Intensität des entsprechenden Absorptionssignals im Spektrum.

1. Identifizierung des Wirkstoffs. Die Identifizierung des Wirkstoffs erfolgt durch Vergleich des Spektrums der Testprobe mit dem Spektrum einer Standardprobe oder mit einem veröffentlichten Referenzspektrum. Die Spektren von Standard- und Testproben sollten unter Verwendung der gleichen Methoden und Bedingungen erhalten werden. Die Peaks in den verglichenen Spektren sollten lagegleich sein (Abweichungen der Werte δ Test- und Standardproben innerhalb von ± 0,1 ppm. für Kernspinresonanz 1 N und ± 0,5 ppm. für kernmagnetische Resonanz 13 C), integrierte Intensität und Multiplizität, deren Werte bei der Beschreibung der Spektren angegeben werden sollten. In Ermangelung einer Standardprobe kann eine Arzneibuch-Standardprobe verwendet werden, deren Identität durch unabhängige strukturelle Interpretation der Spektraldaten und alternative Methoden bestätigt wird.

Bei der Bestätigung der Authentizität von Proben nichtstöchiometrischer Zusammensetzung (z. B. natürliche Polymere variabler Zusammensetzung) dürfen sich die Peaks der Test- und Standardproben in Position und integraler Intensität der Signale unterscheiden. Die zu vergleichenden Spektren müssen ähnlich sein, d.h. enthalten die gleichen charakteristischen Regionen der Signale, was die Übereinstimmung der Fragmentzusammensetzung der Test- und Standardproben bestätigt.

Um die Authentizität eines Stoffgemisches (Extrakte) festzustellen, können eindimensionale NMR-Spektren als Ganzes als „Fingerabdrücke“ eines Objekts verwendet werden, ohne die Werte von δ und die Vielzahl von Einzelsignalen anzugeben. Bei der Verwendung von zweidimensionaler NMR-Spektroskopie bei der Beschreibung von Spektren (Spektrenfragmenten), für die Echtheit beansprucht wird, sollten die Werte von Kreuzpeaks angegeben werden.

1. Identifizierung von Fremdkörpern/organischen Restlösemitteln. Die Identifizierung von Verunreinigungen/organischen Lösungsmittelrückständen erfolgt ähnlich wie die Identifizierung des Wirkstoffs, wodurch die Anforderungen an Empfindlichkeit und digitale Auflösung verschärft werden.
2. Bestimmung des Gehaltes an Fremdstoffen / organischen Restlösemitteln bezogen auf den Wirkstoff. Die NMR-Methode ist eine direkte absolute Methode zur Bestimmung des molaren Verhältnisses des Wirkstoffs und der Verunreinigungsverbindung ( n/n Verunreinigung):

wo S‘ und S‘ Verunreinigung - normalisierte Werte der integralen Intensitäten der Signale des Wirkstoffs und der Verunreinigung.

Die Normierung erfolgt nach der Anzahl der Kerne im Strukturfragment, die das gemessene Signal bestimmen.

Massenanteil der Verunreinigung / des organischen Restlösemittels bezogen auf den Wirkstoff ( X pr) wird durch die Formel bestimmt:

M pr das Molekulargewicht der Verunreinigung ist;

M das Molekulargewicht des Wirkstoffs ist;

S‘ pr ist der normalisierte Wert der integralen Intensität des Verunreinigungssignals;

S'– normalisierter Wert der integralen Intensität des Wirkstoffsignals.

1. Quantitative Bestimmung des Wirkstoffgehaltes (Wirkstoff, Verunreinigung / Restlösemittel) im Arzneistoff. Absoluter Inhalt der Materie bei einem Arzneistoff wird nach der Methode des internen Standards bestimmt, welcher Stoff als Stoff ausgewählt wird, dessen Signale nahe an den Signalen des Analyten liegen, ohne sich mit diesen zu überlappen. Die Signalintensitäten von Analyt und Standard sollten sich nicht signifikant unterscheiden.

Der Prozentsatz des Analyten in der Testprobe in Bezug auf Trockensubstanz ( x,% Masse) wird nach folgender Formel berechnet:

x,% Masse = 100 ∙ ( S‘ /S‘ 0) ∙ (M ∙ a 0 /M 0 ∙ a) ∙ ,

S' der normalisierte Wert der integralen Intensität des Signals des Analyten ist;

S‘ 0 ist der normalisierte Wert der integrierten Signalintensität des Standards;

M das Molekulargewicht des Analyten ist;

M 0 – Molekulargewicht;

a- Wiegen des Prüfmusters;

eine 0– Gewicht der Standardsubstanz;

W- Feuchtigkeitsgehalt, %.

Als Standards können folgende Verbindungen verwendet werden: Maleinsäure (2H; 6,60 ppm, M= 116,07), Benzylbenzoat (2H; 5,30 ppm, M= 212,25), Malonsäure (2H; 3,30 ppm, M= 104,03), Succinimid (4H; 2,77 ppm, M= 99,09), Acetanilid (3H; 2,12 ppm, M = 135,16), tert-Butanol (9H; 1,30 ppm, M = 74,12).

Relativer Stoffgehalt B. der Anteil einer Komponente in einem Gemisch von Komponenten eines Arzneistoffs nach der Methode der internen Normalisierung bestimmt wird. Backenzahn ( X mol) und Masse ( X Masse) Komponentenanteil ich in einer Mischung n Substanzen wird durch die Formeln bestimmt:

1. Bestimmung des Molekulargewichts von Proteinen und Polymeren. Die Molekulargewichte von Proteinen und Polymeren werden bestimmt, indem ihre Mobilität mit der von Referenzverbindungen mit bekanntem Molekulargewicht unter Verwendung von DOSY-Techniken verglichen wird. Selbstdiffusionskoeffizienten werden gemessen ( D) der Test- und Standardproben die Abhängigkeit der Logarithmen der Molekulargewichte der Standardverbindungen von den Logarithmen auftragen D. Aus dem so erhaltenen Diagramm werden die unbekannten Molekulargewichte der Testproben durch lineare Regression bestimmt. Eine vollständige Beschreibung des DOSY-Experiments sollte in der regulatorischen Dokumentation enthalten sein.

NMR-Spektroskopie von Festkörpern

Proben im Festkörper werden mit speziell ausgestatteten NMR-Spektrometern analysiert. Bestimmte technische Operationen (Rotation einer pulverförmigen Probe in einem Rotor, der in einem magischen Winkel (54,7°) zur Magnetfeldachse geneigt ist BEIM 0 , Kraftdepairing, Polarisationstransfer von hocherregbaren Kernen zu weniger polarisierbaren Kernen - Kreuzpolarisation) ermöglichen die Gewinnung von hochauflösenden Spektren organischer und anorganischer Verbindungen. Eine vollständige Beschreibung des Verfahrens sollte in der regulatorischen Dokumentation enthalten sein. Das Hauptanwendungsgebiet dieser Art der NMR-Spektroskopie ist die Untersuchung der Polymorphie fester Arzneimittel.

Kernspinresonanz
Kernspinresonanz

Kernmagnetische Resonanz (NMR) - resonante Absorption elektromagnetischer Wellen durch Atomkerne, die auftritt, wenn sich die Ausrichtung der Vektoren ihrer eigenen Impulsmomente (Spins) ändert. Die NMR findet an Proben statt, die in ein starkes konstantes Magnetfeld gebracht werden, während sie gleichzeitig einem schwachen elektromagnetischen Wechselfeld im Hochfrequenzbereich ausgesetzt werden (die Kraftlinien des Wechselfelds müssen senkrecht zu den Kraftlinien des konstanten Felds sein). Für Wasserstoffkerne (Protonen) in einem konstanten Magnetfeld mit einer Stärke von 10 4 Oersted tritt eine Resonanz bei einer Hochfrequenz von 42,58 MHz auf. Für andere Kerne in Magnetfeldern von 103–104 Oersted wird NMR im Frequenzbereich von 1–10 MHz beobachtet. NMR wird in der Physik, Chemie und Biochemie häufig verwendet, um die Struktur von Festkörpern und komplexen Molekülen zu untersuchen. In der Medizin wird mit NMR mit einer Auflösung von 0,5–1 mm ein räumliches Bild der inneren Organe einer Person erhalten.

Betrachten wir das Phänomen der NMR am Beispiel des einfachsten Kerns - Wasserstoff. Der Wasserstoffkern ist ein Proton, das einen bestimmten Wert seines eigenen mechanischen Moments (Spin) hat. Gemäß der Quantenmechanik kann der Spinvektor des Protons nur zwei einander entgegengesetzte Richtungen im Raum haben, die herkömmlicherweise mit den Worten "oben" und "unten" bezeichnet werden. Das Proton hat auch ein magnetisches Moment, dessen Vektorrichtung fest an die Richtung des Spinvektors gebunden ist. Daher kann der Vektor des magnetischen Moments des Protons entweder „nach oben“ oder „nach unten“ gerichtet sein. Somit kann das Proton als mikroskopischer Magnet mit zwei möglichen Orientierungen im Raum dargestellt werden. Wenn Sie ein Proton in ein externes konstantes Magnetfeld bringen, hängt die Energie des Protons in diesem Feld davon ab, wohin sein magnetisches Moment gerichtet ist. Die Energie eines Protons ist größer, wenn sein magnetisches Moment (und sein Spin) in die dem Feld entgegengesetzte Richtung gerichtet sind. Lassen Sie uns diese Energie als E ↓ bezeichnen. Wenn das magnetische Moment (Spin) des Protons in die gleiche Richtung wie das Feld gerichtet ist, dann ist die Energie des Protons, die mit E bezeichnet wird, geringer (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.
Gehen wir von einem einzelnen Proton zu einer makroskopischen Wasserstoffprobe, die eine große Anzahl von Protonen enthält. Die Situation wird so aussehen. In der Probe erscheinen aufgrund der Mittelung zufälliger Ausrichtungen von Spins ungefähr gleiche Anzahlen von Protonen, wenn ein konstantes externes Magnetfeld angelegt wird, relativ zu diesem Feld, wobei die Spins „nach oben“ und „nach unten“ gerichtet sind. Die Bestrahlung einer Probe mit elektromagnetischen Wellen der Frequenz ω = (E ↓ − E )/ћ bewirkt einen „massiven“ Spin-Flip (magnetische Momente) von Protonen, wodurch sich alle Protonen der Probe in einem Zustand befinden mit gegen das Feld gerichteten Spins. Eine solch massive Änderung der Orientierung von Protonen wird von einer scharfen (resonanten) Absorption von Quanten (und Energie) des einstrahlenden elektromagnetischen Feldes begleitet. Das ist NMR. NMR kann nur in Proben mit einer großen Anzahl von Kernen (10 16 ) unter Verwendung spezieller Techniken und hochempfindlicher Instrumente beobachtet werden.