Nykyään yhä useammat potilaat ohjataan radiografiaan tai ultraäänitutkimukseen, vaan ydinmagneettikuvaukseen. Tämä tutkimusmenetelmä perustuu ydinmagnetismiin. Mietitään, mikä NMR-tomografia on, mitkä ovat sen edut ja missä tapauksissa se suoritetaan.

Mikä tämä tutkimus on?

Tämä diagnostinen menetelmä perustuu ydinmagneettiseen resonanssiin. Ulkoisessa magneettikentässä vetyatomin eli protonin ydin on kahdessa keskenään vastakkaisessa tilassa. Voit muuttaa ytimen magneettisen momentin suuntaa vaikuttamalla siihen sähkömagneettisilla säteillä tietyllä taajuudella.

Protonin sijoittaminen ulkoiseen magneettikenttään aiheuttaa muutoksen sen magneettisessa momentissa ja palaa alkuperäiseen asentoonsa. Tämä vapauttaa tietyn määrän energiaa. Magneettiresonanssitomografia tallentaa tällaisen energian määrän muutoksen.

Tomografi käyttää erittäin voimakkaita magneettikenttiä. Sähkömagneetit pystyvät yleensä kehittämään magneettikentän, jonka voimakkuus on 3, joskus jopa 9 T. Se on täysin vaaraton ihmisille. Tomografiajärjestelmän avulla voit paikallistaa magneettikentän suunnan saadaksesi mahdollisimman korkealaatuisia kuvia.

Ydinmagneettinen tomografi

Diagnostinen menetelmä perustuu atomin ytimen (protonin) sähkömagneettisen vasteen kiinnittämiseen, joka johtuu sen virityksestä sähkömagneettisilla aalloilla korkeajännitteisessä magneettikentässä. Magneettiresonanssikuvauksesta keskusteltiin ensimmäisen kerran vuonna 1973. Sitten amerikkalainen tiedemies P. Laterbur ehdotti kohteen tutkimista muuttuvassa magneettikentässä. Tämän tiedemiehen työt olivat lääketieteen uuden aikakauden alku.

Magneettiresonanssitomografin avulla tuli mahdolliseksi tutkia ihmiskehon kudoksia ja onteloita kudosten kyllästymisasteen vuoksi vedyllä. Magneettiresonanssikuvauksen kontrastiaineita käytetään usein. Useimmiten nämä ovat gadoliniumvalmisteita, jotka pystyvät muuttamaan protonien vastetta.
Termi "ydin-MRI" oli olemassa vuoteen 1986 asti.

Tšernobylin ydinvoimalaitoksen katastrofin yhteydessä esiintyneen väestön radiofobian yhteydessä päätettiin poistaa sana "ydin" uuden diagnostisen menetelmän nimestä. Tämä mahdollisti kuitenkin magneettikuvauksen nopean siirtymisen monien sairauksien diagnosointiin. Nykyään tämä menetelmä on avain monien viime aikoina vaikeasti diagnosoitavien sairauksien tunnistamiseen.

Miten diagnoosi suoritetaan?

MRI käyttää erittäin voimakasta magneettikenttää. Ja vaikka se ei ole vaarallista ihmisille, lääkärin ja potilaan on kuitenkin noudatettava tiettyjä sääntöjä.

Ensinnäkin ennen diagnostista toimenpidettä potilas täyttää erityisen kyselylomakkeen. Siinä hän ilmoittaa terveydentilan sekä lausuntoja itsestään. Tutkimus tehdään erityisesti valmistetussa huoneessa, jossa on hytti vaatteiden ja henkilökohtaisten tavaroiden vaihtoa varten.

Jotta potilas ei vahingoittaisi itseään ja myös tulosten oikeellisuus, potilaan tulee ottaa pois kaikki metallia sisältävät tavarat, jättää matkapuhelimet, luottokortit, kellot jne. kaappiin henkilökohtaisia ​​tavaroita varten. Naisten on toivottavaa pestä koristekosmetiikka pois iholta.
Seuraavaksi potilas asetetaan tomografiputken sisään. Lääkärin määräyksestä määritetään tutkimusalue. Jokaista vyöhykettä tutkitaan 10-20 minuuttia. Tänä aikana potilaan on pysyttävä paikallaan. Kuvien laatu riippuu tästä. Lääkäri voi tarvittaessa korjata potilaan asennon.

Laitteen käytön aikana kuuluu tasaisia ​​ääniä. Tämä on normaalia ja osoittaa, että tutkimus etenee oikein. Tarkempien tulosten saamiseksi potilaalle voidaan antaa suonensisäisesti varjoainetta. Joissakin tapauksissa tällaisen aineen käyttöönoton yhteydessä tunnetaan lämmön nousu. Tämä on täysin normaalia.

Noin puolen tunnin kuluttua tutkimuksesta lääkäri voi saada tutkimuspöytäkirjan (päätelmän). Levy myös tuloksista julkaistaan.

Ydinmagneettikuvauksen edut

Tällaisen kyselyn etuja ovat seuraavat.

1. Mahdollisuus saada korkealaatuisia kuvia kehon kudoksista kolmessa projektiossa. Tämä parantaa huomattavasti kudosten ja elinten visualisointia. Tässä tapauksessa MRI on paljon parempi kuin tietokonetomografia, radiografia ja ultraäänidiagnostiikka.
2. Laadukkaat 3D-kuvat tarjoavat tarkan diagnoosin, mikä parantaa hoitoa ja lisää toipumisen todennäköisyyttä.
3. Koska magneettikuvauksella on mahdollista saada korkealaatuinen kuva, tällainen tutkimus on paras havaitsemaan kasvaimia, keskushermoston häiriöitä ja tuki- ja liikuntaelimistön patologisia tiloja. Siten on mahdollista diagnosoida ne sairaudet, joita oli viime aikoihin asti vaikea tai mahdoton havaita.
4. Nykyaikaisten tomografialaitteiden avulla voit saada korkealaatuisia kuvia muuttamatta potilaan asentoa. Ja tiedon koodaamiseen käytetään samoja menetelmiä kuin tietokonetomografiassa. Tämä helpottaa diagnoosia, koska lääkäri näkee kolmiulotteisia kuvia kokonaisista elimistä. Lisäksi lääkäri voi saada kuvia tietystä elimestä kerroksittain.
5. Tällainen tutkimus määrittää hyvin varhaisimmat patologiset muutokset elimissä. Näin sairaus voidaan havaita siinä vaiheessa, kun potilas ei vielä tunne oireita.
6. Tällaisen tutkimuksen aikana potilas ei altistu ionisoivalle säteilylle. Tämä laajentaa merkittävästi MRI:n laajuutta.
7. Magneettikuvaus on täysin kivuton eikä aiheuta potilaalle epämukavuutta.

Indikaatioita magneettikuvaukseen

Magneettikuvaukseen on monia indikaatioita.

• Aivojen verenkiertohäiriöt.
• Epäilyt aivojen kasvaimista, vaurioita sen kalvoissa.
• Elinten tilan arviointi leikkauksen jälkeen.
• Tulehdusilmiöiden diagnoosi.
• Kouristukset, epilepsia.
• Traumaattinen aivovamma.
• Alusten kunnon arviointi.
• Luiden ja nivelten kunnon arviointi.
• Kehon pehmytkudosten diagnoosi.
• Selkärangan sairaudet (mukaan lukien osteokondroosi, spondyloartroosi).
• Selkärangan vamma.
• Selkäytimen tilan arviointi, mukaan lukien epäilyt pahanlaatuisista prosesseista.
• Osteoporoosi.
• Peritoneaalisten elinten tilan sekä retroperitoneaalisen tilan arviointi. MRI on tarkoitettu keltatautiin, krooniseen hepatiittiin, kolekystiittiin, sappikivitautiin, kasvainmaiseen maksavaurioon, haimatulehdukseen, mahalaukun, suoliston, pernan ja munuaisten sairauksiin.
• Kystien diagnoosi.
• Lisämunuaisten tilan diagnoosi.
• Lantion elinten sairaudet.
• Urologiset patologiat.
• Gynekologiset sairaudet.
• Rintaontelon elinten sairaudet.

Lisäksi koko kehon magneettikuvaus on indikoitu, jos epäillään kasvainta. MRI:tä voidaan käyttää etäpesäkkeiden etsimiseen, jos primaarinen kasvain on diagnosoitu.

Tämä ei ole täydellinen luettelo magneettikuvauksen indikaatioista. On turvallista sanoa, ettei ole olemassa sellaista organismia ja sairautta, jota ei voitaisi havaita tällä diagnostisella menetelmällä. Koska lääketieteen mahdollisuudet lisääntyvät, lääkäreillä on käytännössä rajattomat mahdollisuudet diagnosoida ja hoitaa monia vaarallisia sairauksia.

Milloin magneettikuvaus on vasta-aiheinen?

MRI:lle on olemassa useita absoluuttisia ja suhteellisia vasta-aiheita. Absoluuttisia vasta-aiheita ovat:

1. Tahdistimen läsnäolo. Tämä johtuu siitä, että magneettikentän vaihtelut pystyvät mukautumaan sydämen rytmiin ja voivat siten olla kohtalokkaita.
2. Asennettujen ferromagneettisten tai elektronisten implanttien esiintyminen välikorvassa.
3. Isot metalliset implantit.
4. Ferromagneettisten fragmenttien esiintyminen kehossa.
5. Ilizarov-laitteen saatavuus.

Suhteellisia vasta-aiheita (kun tutkimus on mahdollista tietyissä olosuhteissa) ovat:

Kun tehdään MRI kontrastilla, vasta-aiheita ovat anemia, krooninen dekompensoitu munuaisten vajaatoiminta, raskaus, yksilöllinen intoleranssi.

Johtopäätös

Magneettikuvauksen merkitystä diagnoosille ei voi yliarvioida. Se on täydellinen, ei-invasiivinen, kivuton ja vaaraton tapa havaita monia sairauksia. Magneettikuvauksen käyttöönoton myötä myös potilaiden hoito on lääkärin tiedossa parantunut kaikkien potilaan kehossa tapahtuvien prosessien tarkka diagnoosi ja ominaisuudet.

MRI:tä ei tarvitse pelätä. Potilas ei tunne kipua toimenpiteen aikana. Sillä ei ole mitään tekemistä ydin- tai röntgensäteilyn kanssa. On myös mahdotonta kieltäytyä tällaisesta menettelystä.

Ydinmagneettinen resonanssi

VK. Korpit

Irkutskin valtion teknillinen yliopisto

JOHDANTO

Viime aikoihin asti käsityksemme atomien ja molekyylien rakenteesta perustuivat tutkimuksiin optisen spektroskopian menetelmillä. Spektrimenetelmien parantamisen yhteydessä, jotka ovat edenneet spektroskopisten mittausten alaa ultrakorkeiden (noin 10^ 3 - 10^ 6 MHz; mikroradioaaltojen) ja korkeiden taajuuksien (noin 10^ (-2) - 10^ 2 MHz; radioaallot), uusia tietolähteitä aineen rakenteesta. Säteilyn absorption ja emission aikana tällä taajuusalueella tapahtuu sama perusprosessi kuin muillakin sähkömagneettisen spektrin alueilla, eli siirtyessään energiatasolta toiselle järjestelmä absorboi tai emittoi energiakvantin.

Näihin prosesseihin osallistuvien kvanttien tasojen ja energian välinen energiaero on noin 10^(-7) eV radiotaajuusalueella ja noin 10^(-4) eV mikroaaltotaajuuksilla. Kahden tyyppisessä radiospektroskopiassa, nimittäin ydinmagneettisessa resonanssissa (NMR) ja ydinkvadrupoliresonanssissa (NQR) -spektroskopiassa, energiatasojen ero liittyy vastaavasti ytimien magneettisten dipolimomenttien erilaisiin orientaatioihin käytetyssä magneettikentässä. ja ytimien sähköiset kvadrupolimomentit molekyylisähkökentissä, jos viimeksi mainitut eivät ole pallosymmetrisiä.

Ydinmomenttien olemassaolo havaittiin ensimmäisen kerran tutkittaessa joidenkin atomien elektronisten spektrien hyperhienoa rakennetta korkearesoluutioisilla optisilla spektrometreillä.

Ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta ytimien magneettiset momentit suuntautuvat tietyllä tavalla, ja on mahdollista havaita näihin erilaisiin orientaatioihin liittyviä siirtymiä ydinenergiatasojen välillä: siirtymiä, jotka tapahtuvat tietyn säteilyn vaikutuksesta. taajuus. Ytimen energiatasojen kvantisointi on suora seuraus 2 vastaanottavan ytimen kulmamomentin kvanttiluonteesta minä+ 1 arvot. Spin-kvanttiluku (spin) Voin ottaa minkä tahansa arvon, joka on 1/2:n kerrannainen; suurin tunnettu arvo minä(> 7) omistaa Lu. Kulmamomentin suurin mitattava arvo (momentin projektion suurin arvo valittuun suuntaan) on yhtä suuri kuin i ћ , missä ћ = h /2 π , a h on Planckin vakio.

Arvot minä on mahdotonta ennustaa tiettyjä ytimiä, mutta on havaittu, että isotoopeilla, joissa sekä massa- että atomiluku ovat parillisia minä= 0, ja isotoopeilla, joilla on parittomat massaluvut, on puolikokonaisluvun spinit. Tällainen tilanne, kun protonien ja neutronien määrä ytimessä on parillinen ja yhtä suuri ( minä= 0) voidaan pitää tilana, jossa on "täydellinen pariliitos", joka on samanlainen kuin elektronien täydellinen pariutuminen diamagneettisessa molekyylissä.

Vuoden 1945 lopussa kaksi amerikkalaisten fyysikkojen ryhmää, joita johtivat F. Bloch (Stanfordin yliopisto) ja E.M. Purcell (Harvard University) oli ensimmäinen, joka vastaanotti ydinmagneettisen resonanssin signaaleja. Bloch havaitsi protonien resonanssiabsorptiota vedessä, ja Purcell onnistui löytämään parafiinin protonien ydinresonanssin. Tästä löydöstä heille myönnettiin Nobel-palkinto vuonna 1952.

NMR-ilmiön olemus ja sen erityispiirteet on kuvattu alla.

KORKEA RESOLUUTIO NMR-SPEKTROSKOPIA

NMR-ilmiön ydin

NMR-ilmiön olemus voidaan havainnollistaa seuraavasti. Jos ydin, jolla on magneettinen momentti, asetetaan tasaiseen kenttään H 0 , suunnattu z-akselia pitkin, niin sen energia (suhteessa energiaan kentän puuttuessa) on yhtä suuri kuin μ z H 0, missä μ z, on ydinmagneettisen momentin projektio kentän suuntaan.

Kuten jo todettiin, ydin voi sijaita kohdassa 2 minä+ 1 osavaltiota. Ulkoisen kentän H puuttuessa 0 kaikilla näillä tiloilla on sama energia. Jos merkitsemme magneettisen momentin komponentin suurinta mitattavaa arvoa läpi μ , sitten kaikki magneettisen momentin komponentin mitattavissa olevat arvot (tässä tapauksessa μ z,) ilmaistaan ​​muodossa m, missä m on kvanttiluku, joka, kuten hyvin tiedetään, voi ottaa arvot

m= minä, minä- 1,minä- 2...-(minä- 1),-minä

Koska energiatasojen välinen etäisyys vastaa kutakin 2 minä+ 1 on yhtä kuin m H 0 /I, sitten ydin spinillä minä on erilliset energiatasot

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

Magneettikentän energiatasojen jakamista voidaan kutsua ydin-Zeeman-halkaisuksi, koska se on samanlaista kuin elektronisten tasojen jakaminen magneettikentässä (Zeeman-ilmiö). Zeeman-halkaisu on esitetty kuvassa. 1 järjestelmälle minä= 1 (kolmella energiatasolla).

Riisi. 1. Zeeman-jako ydinenergiatasot magneettikentässä.

NMR-ilmiö koostuu sähkömagneettisen energian resonanssiabsorptiosta, joka johtuu ytimien magnetismista. Tämä viittaa ilmiön ilmeiseen nimeen: ydin - puhumme ydinjärjestelmästä, magneettinen - tarkoitamme vain niiden magneettisia ominaisuuksia, resonanssi - ilmiö itsessään on luonteeltaan resonoiva. Bohrin taajuussäännöistä todellakin seuraa, että vierekkäisten tasojen välisiä siirtymiä aiheuttavan sähkömagneettisen kentän taajuus ν määritetään kaavalla

, (1)

Koska liikemäärän (kulmamomentin) ja magneettisen liikemäärän vektorit ovat rinnakkaiset, on usein kätevää karakterisoida ytimien magneettiset ominaisuudet suhteella määritellyllä arvolla γ.

, (2)

missä γ on gyromagneettinen suhde, jonka mitat ovat radiaani * oersted^(- 1) * sekunti^(- 1) (rad * E^(- 1) * s*(- 1) ) tai radiaani/(oersted * sekunti) (rad / (E * s)). Tämä mielessämme löydämme

, (3)

Siten taajuus on verrannollinen käytettyyn kenttään.

Jos tyypillisenä esimerkkinä otamme protonin γ:n arvon, joka on yhtä suuri kuin 2,6753 * 10: 4 rad / (E * s) ja H 0 \u003d 10 000 Oe, sitten resonanssitaajuus

Tällainen taajuus voidaan muodostaa tavanomaisilla radiotekniikoilla.

NMR-spektroskopialle on tunnusomaista useat ominaisuudet, jotka erottavat sen muista analyyttisista menetelmistä. Noin puolella (~150) tunnettujen isotooppien ytimistä on magneettimomentteja, mutta vain pientä osaa niistä käytetään systemaattisesti.

Ennen pulssispektrometrien tuloa useimmat tutkimukset suoritettiin käyttämällä NMR-ilmiötä vetyytimille (protoneille) 1 H (protonimagneettinen resonanssi - PMR) ja fluori 19 F. Näillä ytimillä on ihanteelliset ominaisuudet NMR-spektroskopiaan:

"magneettisen" isotoopin suuri luonnollinen runsaus ( 1H 99,98 %, 19 F 100 %; Vertailun vuoksi voidaan mainita, että hiilen "magneettisen" isotoopin luonnollinen runsaus 13C on 1,1 %;

Suuri magneettinen momentti;

Pyöritä minä = 1/2.

Tämä on ensisijaisesti vastuussa menetelmän korkeasta herkkyydestä havaita signaalit edellä mainituista ytimistä. Lisäksi on olemassa teoreettisesti tiukasti perusteltu sääntö, jonka mukaan vain ytimillä, joiden spin on yhtä suuri tai suurempi kuin yksikkö, on sähköinen kvadrupolimomentti. Siksi NMR-kokeet 1H ja 19 F ei ole monimutkaista ytimen kvadrupolimomentin vuorovaikutuksen vuoksi sähköisen ympäristön kanssa. Suuri määrä teoksia on omistettu resonanssiin muualla (paitsi 1H ja 19 F) ytimet, kuten 13 C, 31 P, 11 B, 17 O nestefaasissa (sama kuin ytimissä 1 1H ja 19F).

Pulssi-NMR-spektrometrien käyttöönotto jokapäiväisessä käytännössä on laajentanut merkittävästi tämän tyyppisen spektroskopian kokeellisia mahdollisuuksia. Erityisesti NMR-spektrien tallennus 13 C-liuokset - kemian tärkein isotooppi - on nyt itse asiassa tuttu menetelmä. Signaalien havaitseminen ytimistä, joiden NMR-signaalien intensiteetti on monta kertaa pienempi kuin signaalien intensiteetti 1 H, mukaan lukien kiinteässä faasissa.

Korkearesoluutioiset NMR-spektrit koostuvat yleensä kapeista, hyvin erottuvista viivoista (signaaleista), jotka vastaavat magneettisia ytimiä erilaisissa kemiallisissa ympäristöissä. Signaalien intensiteetit (pinta-alat) spektrien tallennuksen aikana ovat verrannollisia kunkin ryhmän magneettisten ytimien lukumäärään, mikä mahdollistaa kvantitatiivisen analyysin suorittamisen NMR-spektreillä ilman alustavaa kalibrointia.

Toinen NMR:n piirre on vaihtoprosessien, joissa resonoivat ytimet osallistuvat, vaikutus resonoivien signaalien sijaintiin ja leveyteen. Siten NMR-spektrejä voidaan käyttää tällaisten prosessien luonteen tutkimiseen. Nestespektreissä olevien NMR-viivojen leveys on tyypillisesti 0,1 - 1 Hz (korkean resoluution NMR), kun taas samat kiinteässä faasissa tutkitut ytimet aiheuttavat viivojen ilmaantumista, joiden leveys on luokkaa 1 * 10^ 4 Hz ( tästä syystä käsite NMR-leveät viivat).

Korkearesoluutioisessa NMR-spektroskopiassa on kaksi pääasiallista tietolähdettä molekyylien rakenteesta ja dynamiikasta:

Kemiallinen muutos;

Spin-spin vuorovaikutusvakiot.

kemiallinen muutos

Todellisissa olosuhteissa resonoivat ytimet, joiden NMR-signaalit havaitaan, ovat atomien tai molekyylien ainesosia. Kun testiaineet asetetaan magneettikenttään ( H 0 ) atomien (molekyylien) diamagneettinen momentti johtuu elektronien kiertoradalla. Tämä elektronien liike muodostaa tehollisia virtoja ja muodostaa siten toissijaisen magneettikentän, joka on Lenzin lain mukaisesti verrannollinen kenttään H 0 ja vastakkaiseen suuntaan. Tämä toissijainen kenttä vaikuttaa ytimeen. Siten paikallinen kenttä paikassa, jossa resonoiva ydin sijaitsee,

, (4)

missä σ on dimensioton vakio, jota kutsutaan seulontavakioksi ja joka on riippumaton H 0 , mutta voimakkaasti riippuvainen kemiallisesta (elektronisesta) ympäristöstä; se luonnehtii laskua Hlok verrattuna H 0 .

Arvo σ vaihtelee luokkaa 10^(-5) protonille luokkaa 10^(-2) raskaille ytimille. Ottaen huomioon lausekkeen for Hlok meillä on

, (5)

Seulontavaikutus on vähentää ydinmagneettisen energian tasojen välistä etäisyyttä tai toisin sanoen johtaa Zeeman-tasojen konvergenssiin (kuva 2). Tässä tapauksessa tasojen välisiä siirtymiä aiheuttavat energiakvantit pienenevät ja tämän seurauksena resonanssia esiintyy alemmilla taajuuksilla (katso lauseke (5)). Jos teemme kokeen vaihtamalla kenttää H 0 kunnes resonanssi esiintyy, käytetyn kentänvoimakkuuden on oltava suuri verrattuna tilanteeseen, jossa ydintä ei ole suojattu.

Riisi. Kuva 2. Elektroniseulonnan vaikutus ytimen Zeeman-tasoihin: (a) seulomaton, (b) seulottu.

Suurimmassa osassa NMR-spektrometrejä spektrit tallennetaan, kun kenttä muuttuu vasemmalta oikealle, joten suojatuimpien ytimien signaalien (huippujen) tulisi olla spektrin oikeassa osassa.

Seulontavakioiden erosta johtuvaa signaalin siirtymää kemiallisesta ympäristöstä kutsutaan kemialliseksi siirtymäksi.

Ensimmäistä kertaa viestejä kemiallisen siirtymän löytämisestä ilmestyi useissa julkaisuissa vuosina 1950-1951. Niistä on tarpeen erottaa Arnold et al.:n (1951) työ, joka sai ensimmäisen spektrin erillisillä viivoilla, jotka vastaavat identtisten ytimien kemiallisesti erilaisia ​​paikkoja. 1 H yhdessä molekyylissä. Puhumme etyylialkoholista CH 3 CH 2 OH, tyypillinen NMR-spektri 1 H, josta alhaisella resoluutiolla on esitetty kuvassa. 3.

Riisi. 3. Nestemäisen etyylialkoholin matalaresoluutioinen protoniresonanssispektri.

Tässä molekyylissä on kolmen tyyppisiä protoneja: kolme metyyliryhmän CH protonia 3 –, kaksi protonia metyleeniryhmästä –CH 2 – ja yksi protoni hydroksyyliryhmästä –OH. Voidaan nähdä, että kolme erillistä signaalia vastaavat kolmea protonityyppiä. Koska signaalien intensiteetti on suhteessa 3:2:1, spektrin dekoodaus (signaalien osoittaminen) ei ole vaikeaa.

Koska kemiallisia siirtymiä ei voida mitata absoluuttisella asteikolla, eli suhteessa ytimeen, jossa ei ole kaikkia elektronejaan, vertailuyhdisteen signaalia käytetään ehdollisena nollana. Yleensä minkä tahansa ytimien kemialliset siirtymäarvot annetaan dimensioton parametrina 8, joka määritellään seuraavasti:

, (6)

missä H- Hattu on ero testinäytteen ja standardin kemiallisissa siirtymissä, Hattu on referenssisignaalin absoluuttinen sijainti käytetyn kentän kanssa H 0 .

Todellisissa koeolosuhteissa on mahdollista mitata taajuutta tarkemmin kuin kenttää, joten δ saadaan yleensä lausekkeesta

, (7)

missä ν - ν kerros on ero näytteen ja standardin kemiallisten siirtymien välillä ilmaistuna taajuusyksiköinä (Hz); NMR-spektrit kalibroidaan yleensä näissä yksiköissä.

Tarkkaan ottaen pitäisi käyttää ν 0 on spektrometrin toimintataajuus (se on yleensä kiinteä) ja taajuus ν kerros, eli absoluuttinen taajuus, jolla referenssin resonanssisignaali havaitaan. Tällaisen korvaamisen aiheuttama virhe on kuitenkin hyvin pieni, koska ν 0 ja ν kerros melkein yhtä suuri (ero on 10 ^ (-5), eli määrällä σ protonille). Koska eri NMR-spektrometrit toimivat eri taajuuksilla ν 0 (ja siten eri aloille H 0 ), on selvää, että ilmaus δ dimensiottomissa yksiköissä.

Kemiallisen siirtymän yksikkö on miljoonasosa kentänvoimakkuudesta tai resonanssitaajuudesta (ppm). Ulkomaisessa kirjallisuudessa tämä vähennys vastaa ppm (miljoonasosia). Useimmissa ytimissä, jotka muodostavat diamagneettisia yhdisteitä, niiden signaalien kemialliset siirtymät ovat satoja ja tuhansia ppm ja saavuttavat 20 000 ppm. NMR:n tapauksessa 59 Co (koboltti). Spekreissä 1 Suurimman osan yhdisteistä H-protonisignaalit ovat välillä 0–10 ppm.

Spin-spin vuorovaikutus

Vuosina 1951-1953 useiden nesteiden NMR-spektrejä tallennettaessa havaittiin, että joidenkin aineiden spektrissä on enemmän viivoja kuin mitä seuraa yksinkertaisesta ei-ekvivalenttien ytimien lukumäärästä. Yksi ensimmäisistä esimerkeistä on fluorin resonanssi POCl-molekyylissä 2 F. Spektri 19 F koostuu kahdesta yhtä voimakkaasta juovasta, vaikka molekyylissä on vain yksi fluoriatomi (kuva 4). Muiden yhdisteiden molekyylit antoivat symmetrisiä multiplettisignaaleja (tripletit, kvartetit jne.).

Toinen tärkeä tällaisissa spektreissä havaittu tekijä oli, että viivojen välinen etäisyys taajuusasteikolla mitattuna ei riipu käytetystä kentästä. H 0 , sen sijaan, että se olisi verrannollinen siihen, kuten sen pitäisi olla, jos monikertaisuus johtuu seulontavakioiden erosta.

Riisi. 4. Doubletti resonanssispektrissä POCl-molekyylin fluoriytimissä 2F

Ramsey ja Purcell vuonna 1952 selittivät ensimmäisenä tämän vuorovaikutuksen osoittamalla, että se johtuu epäsuorasta kytkentämekanismista elektronisen ympäristön kautta. Ydinspin pyrkii suuntaamaan tiettyä ydintä ympäröivien elektronien spinit. Ne puolestaan ​​suuntaavat muiden elektronien spinejä ja niiden kautta - muiden ytimien spinejä. Spin-spin-vuorovaikutusenergia ilmaistaan ​​yleensä hertseinä (eli Planckin vakio otetaan energian yksikkönä, koska se perustuu siihen, että E=h ν ). On selvää, ettei sitä tarvitse (toisin kuin kemiallista siirtymää) ilmaista suhteellisissa yksiköissä, koska käsitelty vuorovaikutus, kuten edellä todettiin, ei riipu ulkoisen kentän voimakkuudesta. Vuorovaikutuksen suuruus voidaan määrittää mittaamalla vastaavan multipletin komponenttien välinen etäisyys.

Yksinkertaisin esimerkki spin-spin-kytkennän aiheuttamasta halkeamisesta, joka voidaan kohdata, on kahdenlaisia ​​magneettisia ytimiä A ja X sisältävän molekyylin resonanssispektri. Ytimet A ja X voivat olla joko eri ytimiä tai saman isotoopin ytimiä (esim. esimerkki, 1 H) kun kemialliset siirtymät niiden resonanssisignaalien välillä ovat suuria.

Riisi. 5. NMR-spektri systeemistä, joka koostuu magneettisista ytimistä A ja X spinillä I = 1/2 kun ehto täyttyy δ AX > J AX .

Kuvassa Kuva 5 näyttää miltä NMR-spektri näyttää, jos molemmilla ytimillä, eli A:lla ja X:llä, on spin 1/2. Kunkin dupletin komponenttien välistä etäisyyttä kutsutaan spin-spin-kytkentävakioksi ja sitä merkitään yleensä J (Hz); tässä tapauksessa se on vakio J AH.

Duplettien esiintyminen johtuu siitä, että jokainen ydin jakaa viereisen ytimen resonanssiviivat 2I+1 komponentti. Eri spin-tilojen energiaerot ovat niin pieniä, että termisessä tasapainossa näiden tilojen todennäköisyydet Boltzmannin jakauman mukaisesti osoittautuvat lähes yhtäläisiksi. Näin ollen yhden ytimen kanssa tapahtuvasta vuorovaikutuksesta aiheutuvan multipletin kaikkien juovien intensiteetit ovat yhtä suuret. Siinä tapauksessa, että on n vastaavat ytimet (eli yhtä suojattuja, joten niiden signaaleilla on sama kemiallinen siirtymä), viereisen ytimen resonanssisignaali jaetaan 2nI + 1 rivit.

PÄÄTELMÄ

Pian sen jälkeen, kun NMR-ilmiö tiivistyneestä aineesta löydettiin, kävi selväksi, että NMR olisi perusta tehokkaalle menetelmälle aineen rakenteen ja sen ominaisuuksien tutkimiseksi. Todellakin, kun tutkimme NMR-spektrejä, käytämme resonanssijärjestelmänä ytimiä, jotka ovat erittäin herkkiä magneettiselle ympäristölle. Paikalliset magneettikentät lähellä resonoivaa ydintä riippuvat molekyylien sisäisistä ja molekyylien välisistä vaikutuksista, mikä määrittää tämäntyyppisen spektroskopian arvon monielektroniisten (molekyylisten) järjestelmien rakenteen ja käyttäytymisen tutkimisessa.

Tällä hetkellä on vaikea osoittaa luonnontieteiden alaa, jolla NMR:ää ei käytetä jossain määrin. NMR-spektroskopiamenetelmiä käytetään laajalti kemiassa, molekyylifysiikassa, biologiassa, agronomiassa, lääketieteessä, luonnonmuodostelmien (kiille, meripihka, puolijalokivet, palavat mineraalit ja muut mineraaliraaka-aineet) tutkimuksessa, eli sellaisilla tieteenaloilla. jossa tutkitaan aineen rakennetta, sen molekyylirakennetta, kemiallisten sidosten luonnetta, molekyylien välisiä vuorovaikutuksia ja erilaisia ​​sisäisen liikkeen muotoja.

NMR-menetelmiä käytetään yhä enemmän teknisten prosessien tutkimiseen tehdaslaboratorioissa sekä näiden prosessien kulkua ohjaamaan ja säätelemään erilaisissa teknologisissa viestinnöissä suoraan tuotannossa. Viidenkymmenen viime vuoden tutkimus on osoittanut, että magneettiresonanssimenetelmillä voidaan havaita biologisten prosessien häiriöt varhaisessa vaiheessa. Asennuksia koko ihmiskehon tutkimukseen magneettiresonanssimenetelmillä (NMR-tomografiamenetelmillä) on kehitetty ja valmistetaan.

Mitä tulee IVY-maihin ja ennen kaikkea Venäjään, magneettiresonanssimenetelmät (erityisesti NMR) ovat nyt ottaneet vahvan paikan näiden valtioiden tutkimuslaboratorioissa. Eri kaupungeissa (Moskova, Novosibirsk, Kazan, Tallinna, Pietari, Irkutsk, Donin Rostov jne.) syntyi tieteellisiä koulukuntia näiden menetelmien käytöstä omilla alkuperäisillä ongelmillaan ja lähestymistapoineen niiden ratkaisemiseen.

1. Popl J., Schneider W., Bernstein G. Korkean resoluution ydinmagneettiset resonanssispektrit. M.: IL, 1962. 292 s.

2. Kerrington A., McLechlan E. Magneettinen resonanssi ja sen soveltaminen kemiassa. M.: Mir, 1970. 447 s.

3. Bovi F.A. Makromolekyylien korkearesoluutioinen NMR Moskova: Chemistry, 1977. 455 s.

4. Heberlen W., Mehring M. Korkean erotuskyvyn NMR kiintoaineissa. M.: Mir, 1980. 504 s.

5. Slikter Ch. Magneettiresonanssin teorian perusteet. M.: Mir, 1981. 448 s.

6. Ionin B.I., Ershov B.A., Koltsov A.I. NMR-spektroskopia orgaanisessa kemiassa. L.: Chemistry, 1983. 269 s.

7. Voronov V.K. Paramagneettisten lisäaineiden menetelmät NMR-spektroskopiassa. Novosibirsk: Nauka, 1989. 168 s.

8. Ernst R., Bodenhausen J., Vokaun A. NMR yhdessä ja kahdessa ulottuvuudessa. M.: Mir, 1990. 709 s.

9. Deroum E. Nykyaikaiset NMR-menetelmät kemialliseen tutkimukseen. M.: Mir, 1992. 401 s.

10. Voronov V.K., Sagdeev R.Z. Magneettiresonanssin perusteet. Irkutsk: Vost.-Sib. kirja. kustantamo, 1995.352 s.

Samat atomiytimet eri ympäristöissä molekyylissä osoittavat erilaisia ​​NMR-signaaleja. Tällaisen NMR-signaalin ja standardiaineen signaalin välinen ero mahdollistaa niin sanotun kemiallisen siirtymän määrittämisen, joka johtuu tutkittavan aineen kemiallisesta rakenteesta. NMR-tekniikoissa on monia mahdollisuuksia määrittää aineiden kemiallinen rakenne, molekyylien konformaatiot, keskinäisen vaikutuksen vaikutukset ja molekyylinsisäiset muutokset.

Fysiikka NMR

Ytimen energiatasojen jakaminen I = 1/2 magneettikentässä

Ydinmagneettiresonanssin ilmiö perustuu atomiytimien magneettisiin ominaisuuksiin, jotka koostuvat nukleoneista, joiden spin 1/2, 3/2, 5/2 .... Ytimet, joilla on parillinen massa- ja varausluku (parilliset ytimet ) niillä ei ole magneettista momenttia, kun taas kaikkien muiden ytimien magneettinen momentti on nollasta poikkeava.

Siten ytimillä on kulmamomentti suhteessa magneettiseen momenttiin suhteessa

,

missä on Planckin vakio, on spin-kvanttiluku, on gyromagneettinen suhde.

Ytimen kulmamomentti ja magneettimomentti kvantisoidaan ja projektion ominaisarvot sekä mielivaltaisesti valitun koordinaatiston z-akselin kulma- ja magneettimomentit määräytyvät suhteella

ja ,

missä on ytimen ominaistilan magneettinen kvanttiluku, sen arvot määrää ytimen spin-kvanttiluku

eli ydin voi olla tiloissa.

Joten protonille (tai toiselle ytimelle, jossa on I = 1/2- 13 C, 19 F, 31 P jne.) voi olla vain kahdessa tilassa

,

tällainen ydin voidaan esittää magneettisena dipolina, jonka z-komponentti voidaan suunnata yhdensuuntaisesti tai vastasuuntaisesti mielivaltaisen koordinaattijärjestelmän z-akselin positiivisen suunnan kanssa.

On huomattava, että ulkoisen magneettikentän puuttuessa kaikilla eri tiloilla on sama energia, eli ne ovat rappeutuneet. Degeneraatio poistetaan ulkoisessa magneettikentässä, kun taas hajoaminen degeneroituneen tilan suhteen on verrannollinen ulkoiseen magneettikenttään ja tilan magneettiseen momenttiin ja ytimelle, jolla on spin-kvanttiluku minä ulkoisessa magneettikentässä, järjestelmä 2I+1 energiatasot eli ydinmagneettinen resonanssi on luonteeltaan samanlainen kuin Zeeman-ilmiö, jossa elektroniset tasot jakautuvat magneettikentässä.

Yksinkertaisimmassa tapauksessa ytimelle, jossa on spin c I = 1/2- esimerkiksi protonille, halkeaminen

ja spin-tilojen energiaero

Joidenkin atomiytimien Larmor-taajuudet

Protoniresonanssin taajuus on lyhytaaltoalueella (aallonpituus noin 7 m).

NMR:n soveltaminen

Spektroskopia

Pääartikkeli: NMR-spektroskopia

Laitteet

NMR-spektrometrin sydän on voimakas magneetti. Purcellin ensimmäisenä käytännössä toteuttamassa kokeessa näyte, joka on asetettu halkaisijaltaan noin 5 mm lasiampulliin, asetetaan vahvan sähkömagneetin napojen väliin. Sitten ampulli alkaa pyöriä ja siihen vaikuttava magneettikenttä kasvaa vähitellen. Säteilylähteenä käytetään korkealaatuista RF-generaattoria. Kasvavan magneettikentän vaikutuksesta ytimet, joihin spektrometri on viritetty, alkavat resonoida. Tässä tapauksessa suojatut ytimet resonoivat taajuudella, joka on hieman pienempi kuin nimellinen resonanssitaajuus (ja laite).

Energian absorptio tallennetaan RF-sillalla ja sitten karttatallentimella. Taajuutta nostetaan, kunnes se saavuttaa tietyn rajan, jonka yläpuolella resonanssi on mahdotonta.

Koska sillalta tulevat virrat ovat hyvin pieniä, ne eivät rajoitu ottamaan yhtä spektriä, vaan kulkevat useita kymmeniä. Kaikki vastaanotetut signaalit on koottu lopulliseen kuvaajaan, jonka laatu riippuu instrumentin signaali-kohinasuhteesta.

Tässä menetelmässä näyte altistetaan radiotaajuiselle säteilylle vakiotaajuudella magneettikentän voimakkuuden muuttuessa, joten sitä kutsutaan myös vakiokenttämenetelmäksi (CW).

Perinteisellä NMR-spektroskopiamenetelmällä on monia haittoja. Ensinnäkin jokaisen spektrin rakentaminen vie paljon aikaa. Toiseksi se on erittäin nirso ulkoisten häiriöiden puuttumisen suhteen, ja pääsääntöisesti tuloksena olevissa spektreissä on merkittävää kohinaa. Kolmanneksi se ei sovellu suurtaajuisten spektrometrien (300, 400, 500 ja enemmän) luomiseen. Siksi nykyaikaisissa NMR-laitteissa käytetään niin kutsuttua pulssispektroskopia (PW) -menetelmää, joka perustuu vastaanotetun signaalin Fourier-muunnokseen. Tällä hetkellä kaikki NMR-spektrometrit on rakennettu tehokkaiden suprajohtavien magneettien pohjalta, joilla on vakiomagneettikenttä.

Toisin kuin CW-menetelmässä, pulssiversiossa ytimien viritys ei tapahdu "vakioaallon" avulla, vaan lyhyen, useita mikrosekunteja pitkän pulssin avulla. Pulssin taajuuskomponenttien amplitudit pienenevät etäisyyden kasvaessa arvosta ν 0. Mutta koska on toivottavaa, että kaikki ytimet säteilytetään tasaisesti, on tarpeen käyttää "kovia pulsseja", eli lyhyitä suuren tehon pulsseja. Pulssin kesto valitaan siten, että taajuuskaistan leveys on yhtä tai kahta suuruusluokkaa suurempi kuin spektrin leveys. Teho saavuttaa useita watteja.

Pulssispektroskopian tuloksena ei saada tavallista spektriä, jossa on näkyviä resonanssihuippuja, vaan kuva vaimennetuista resonanssivärähtelyistä, jossa kaikki signaalit kaikista resonoivista ytimistä sekoittuvat - ns. "vapaa induktiohajoaminen" (FID, vapaa induktiohajoaminen). Tämän spektrin muuntamiseen käytetään matemaattisia menetelmiä, ns. Fourier-muunnosta, jonka mukaan mikä tahansa funktio voidaan esittää harmonisten värähtelyjen joukon summana.

NMR-spektrit

1 H 4-etoksibentsaldehydin spektri. Heikossa kentässä (singletti ~9,25 ppm) aldehydiryhmän protonin signaali, vahvassa kentässä (tripletti ~1,85-2 ppm) - metyylietoksiryhmän protoni.

Kvalitatiiviseen analyysiin NMR:llä käytetään spektrianalyysiä, joka perustuu tämän menetelmän merkittäviin ominaisuuksiin:

• tiettyihin funktionaalisiin ryhmiin sisältyvien atomien ytimien signaalit sijaitsevat tiukasti määritellyillä spektrin alueilla;
• piikin rajoittama integraalialue on tiukasti verrannollinen resonoivien atomien lukumäärään;
• 1-4 sidoksen kautta sijaitsevat ytimet pystyvät tuottamaan multiplettisignaaleja ns. hajoaa toisiinsa.

Signaalin paikalle NMR-spektreissä on tunnusomaista niiden kemiallinen siirtymä suhteessa vertailusignaaliin. Jälkimmäisenä1H- ja13C NMR:ssä käytetään tetrametyylisilaani Si(CH3)4:a. Kemiallisen siirtymän yksikkö on instrumentin taajuuden miljoonasosat (ppm). Jos otamme TMS-signaalin 0:ksi ja katsomme signaalin siirtymisen heikolle kenttään positiivisena kemiallisena siirtymänä, niin saadaan ns. δ-asteikko. Jos tetrametyylisilaanin resonanssi on 10 ppm ja käännä etumerkit, niin tuloksena oleva asteikko on τ-asteikko, jota ei käytännössä käytetä tällä hetkellä. Jos aineen spektri on liian monimutkainen tulkittavaksi, voidaan seulontavakioiden laskemiseen käyttää kvanttikemiallisia menetelmiä ja korreloida signaaleja niiden perusteella.

NMR-introskopia

Ydinmagneettiresonanssin ilmiötä voidaan käyttää fysiikan ja kemian lisäksi myös lääketieteessä: ihmiskeho on yhdistelmä kaikkia samoja orgaanisia ja epäorgaanisia molekyylejä.

Tämän ilmiön havaitsemiseksi esine asetetaan jatkuvaan magneettikenttään ja altistetaan radiotaajuisille ja gradienttimagneettisille kentille. Tutkittavaa kohdetta ympäröivään induktoriin syntyy alternating electromotore force (EMF), jonka amplitudi-taajuusspektri ja aikasiirtymäominaisuudet kuljettavat tietoa resonoivien atomiytimien tilatiheydestä sekä muista vain spesifisiä parametreja. ydinmagneettista resonanssia varten. Tämän tiedon tietokonekäsittely tuottaa kolmiulotteisen kuvan, joka kuvaa kemiallisesti ekvivalenttien ytimien tiheyttä, ydinmagneettisen resonanssin rentoutumisaikoja, nesteen virtausnopeuksien jakautumista, molekyylien diffuusiota ja aineenvaihdunnan biokemiallisia prosesseja elävissä kudoksissa.

NMR-introskopian (tai magneettikuvauksen) ydin on itse asiassa ydinmagneettisen resonanssisignaalin amplitudin erityislaatuisen kvantitatiivisen analyysin toteuttaminen. Perinteisessä NMR-spektroskopiassa tavoitteena on toteuttaa spektriviivojen paras mahdollinen resoluutio. Tätä varten magneettijärjestelmät säädetään siten, että näytteen sisällä syntyy paras mahdollinen kentän tasaisuus. NMR-introskopian menetelmissä päinvastoin magneettikenttä luodaan tarkoituksella epähomogeeniseksi. Sitten on syytä olettaa, että ydinmagneettisen resonanssin taajuudella näytteen jokaisessa pisteessä on oma arvonsa, joka eroaa muiden osien arvoista. Asettamalla jonkin koodin NMR-signaalin amplitudigradaatioille (monitorin näytön kirkkaus tai väri), saat ehdollisen kuvan (

VENÄJÄN FEDERAATIOIN TERVEYSMINISTERIÖ

FARMAKOOPIEN YLEINEN LUPA

Ydin-GPM:n spektroskopia.1.2.1.1.0007.15
magneettiresonanssi GF:n sijaanXII, osa 1,
OFS 42-0046-07

Ydin(NMR) on menetelmä, joka perustuu radiotaajuisen sähkömagneettisen säteilyn absorptioon vakiomagneettikentässä olevan näytteen ytimiin, joiden magneettinen momentti ei ole nolla. B 0). Nollasta poikkeavilla magneettimomenteilla on alkuaineiden ytimien isotooppeja, joiden atomimassa on pariton (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P jne.).

Yleiset periaatteet

Akselinsa ympäri pyörivällä ytimellä on oma liikemäärä (kulmamomentti tai spin) P. Ytimen magneettinen momentti μ on suoraan verrannollinen spiniin: μ = γ ∙ P(γ on suhteellisuustekijä tai gyromagneettinen suhde). Kulma- ja magneettimomentit kvantisoidaan, ts. voi olla yksi kahdesta minä+ 1 spin tilat ( minä – spin-kvanttiluku). Ytimen magneettisten momenttien eri tiloilla on sama energia, jos ulkoinen magneettikenttä ei vaikuta niihin. Kun ytimet asetetaan ulkoiseen magneettikenttään B 0, ytimien energiadegeneraatio poistuu ja syntyy mahdollisuus energian siirtymiseen tasolta toiselle. Ytimen jakautumisprosessi eri energiatasojen välillä etenee Boltzmannin jakautumislain mukaisesti ja johtaa makroskooppisen tasapainon pituussuuntaisen magnetisoitumisen ilmaantuvuuteen. M z . Luomiseen kuluva aika M z ulkoisen magneettikentän kytkemisen jälkeen AT 0 on aika pituussuuntainen tai pyöritä—ristikko rentoutumista (T yksi). Ydinten tasapainojakauman rikkominen tapahtuu radiotaajuisen magneettikentän vaikutuksesta ( B 1), kohtisuorassa B 0, mikä aiheuttaa ylimääräisiä siirtymiä energiatasojen välillä, johon liittyy energian absorptio (ilmiö Ydinmagneettinen resonanssi). Taajuus ν 0 , jossa ytimien energian absorptio tapahtuu ( Larmorova tai resonanssiabsorptiotaajuus), vaihtelee vakiokentän arvon mukaan B 0: ν 0 = γ B 0 /2π. Resonanssihetkellä yksittäisten ydinmagneettisten momenttien ja kentän välillä on vuorovaikutusta AT 1 , joka tulostaa vektorin M z sen tasapainoasennosta akselia pitkin z. Tämän seurauksena siellä näkyy poikittaismagnetointi M xy. Sen muutokselle, joka liittyy vaihtoon spin-järjestelmän sisällä, on ominaista aika poikittainen tai spin-spin rentoutumista (T 2).

Samantyyppisten ytimien energian absorption intensiteetin riippuvuus radiotaajuisen magneettikentän taajuudesta kiinteässä arvossa AT 0 kutsutaan yksiulotteinen spektriYdinmagneettinen resonanssi tämän tyyppiset ytimet. NMR-spektri voidaan saada kahdella tavalla: säteilyttämällä näytettä jatkuvasti vaihtelevan taajuuden omaavalla RF-kentällä, minkä seurauksena NMR-spektri tallennetaan suoraan (jatkuvasti altistuminen spektroskopia), tai altistamalla näyte lyhyelle RF-pulssille. ( pulssispektroskopia). Pulssi-NMR-spektroskopiassa ytimien lähettämä ajan myötä vaimentunut koherentti säteily palattuaan alkuperäiseen spin-tilaan ( vapaa induktiovaimennussignaali) jota seuraa aika-asteikon muunnos taajuudelle ( Fourier-muunnos).

Molekyyleissä atomien elektronit vähentävät vaikuttavan ulkoisen magneettikentän suuruutta B 0 ytimen sijainnissa, ts. tulee näkyviin diamagneettinen suojaus:

B loc = B 0 ∙ (1 – σ),

B lok on tuloksena olevan kentän intensiteetti;

σ on seulontavakio.

Ero ytimien signaalien resonanssitaajuuksissa, joka on yhtä suuri kuin niiden seulontavakioiden ero, on ns. kemiallinen muutos signaaleja, jotka on merkitty symbolilla δ , mitattuna miljoonasosina (ppm). Ytimen magneettisten momenttien vuorovaikutus kemiallisten sidoselektronien kautta ( spin-spin vuorovaikutusta) aiheuttaa NMR-signaalin halkeamisen ( moninkertaisuus, m). Multiplettien komponenttien lukumäärä määräytyy ydinspin ja vuorovaikutuksessa olevien ytimien lukumäärän mukaan. Spin-spin-vuorovaikutuksen mitta on spin-spin kytkentävakio (J, mitattuna hertseinä, Hz). Arvot δ, m ja J eivät riipu jatkuvan magneettikentän suuruudesta.

Ydin-NMR-signaalin intensiteetti spektrissä määräytyy sen energiatasojen populaation mukaan. Niistä ytimistä, joissa on luonnostaan ​​runsaasti isotooppeja, voimakkaimmat signaalit tuottavat vetyytimet. NMR-signaalien intensiteettiin vaikuttaa myös pitkittäis-poikittaisrelaksaation aika (suuri T 1 johtaa signaalin intensiteetin laskuun).

NMR-signaalien leveys (taajuuksien välinen ero signaalin puolella maksimiarvolla) riippuu T 1 ja T 2. pieniä aikoja T 1 ja T 2 aiheuttaa laajan ja huonosti tulkitun spektrin signaaleja.

NMR-menetelmän herkkyys (aineen suurin havaittavissa oleva pitoisuus) riippuu ydinsignaalin intensiteetistä. 1H-ytimille herkkyys on 10 -9 ÷ 10 -11 mol.

Erilaisten spektriparametrien korrelaatioita (esimerkiksi eri ytimien kemiallisia siirtymiä saman molekyylijärjestelmän sisällä) voidaan saada homo- ja heteronukleaarisilla menetelmillä 2D- tai 3D-muodossa.

laite

Korkean resoluution NMR-pulssispektrometri (NMR-spektrometri) koostuu:

• magneetti luodakseen jatkuvan magneettikentän B 0 ;
• lämpötilaohjatun anturin, jossa on näytepidike RF-pulssin syöttämiseksi ja näytteen lähettämän säteilyn havaitsemiseksi;
• elektroninen laite radiotaajuisen pulssin luomiseksi, vapaan induktiovaimennussignaalin tallentamiseksi, vahvistamiseksi ja muuntamiseksi digitaaliseen muotoon;
• laitteet elektronisten piirien virittämiseen ja säätämiseen;
• tiedonkeruu- ja -käsittelylaitteet (tietokoneet);

ja voi sisältää myös:

virtauskenno NMR-nestekromatografiaa tai virtausinjektioanalyysiä varten;

• järjestelmä pulssimagneettikentän gradientin luomiseksi.

Nestemäisellä heliumilla täytetyssä Dewar-astiassa oleva suprajohtavuuskela tuottaa voimakkaan magneettikentän.

NMR-spektrometrin asianmukainen toiminta on tarkistettava. Todentamista varten suoritetaan asianmukaiset testit, mukaan lukien pääsääntöisesti spektrin viivanleveyden mittaus tiettyjen huippujen puolikorkeudelta tietyissä olosuhteissa ( lupa), signaalin paikan toistettavuus ja signaali-kohinasuhde (NMR-spektrin tietyn signaalin intensiteetin ja satunnaisten vaihteluiden välinen suhde spektrin alueella, joka ei sisällä signaaleja analyytistä, S/N) standardiseoksille. Spektrometriohjelmisto sisältää määrittämisalgoritmeja S/N. Kaikki laitevalmistajat toimittavat spesifikaatiot ja mittausprotokollat ​​näille parametreille.

Liuoksissa olevien näytteiden NMR-spektroskopia

Metodologia

Testinäyte liuotetaan liuottimeen, johon voidaan lisätä asianmukainen kemiallisen siirtymän kalibrointistandardi säädösasiakirjan mukaisesti. Aineen ytimen suhteellisen kemiallisen siirtymän arvo (δ in-in) määritetään seuraavalla lausekkeella:

δ in-in \u003d (ν in-in - ν standardi) / ν laitteen,

ν in-in - aineen ytimen resonanssitaajuus, Hz;

ν etalon on etalonytimen resonanssitaajuus, Hz;

laitteen ν on NMR-spektrometrin toimintataajuus (taajuus, jolla vetyytimien resonanssiolosuhteet täyttyvät tietyllä B 0 MHz).

Orgaanisissa liuottimissa oleville liuoksille mitataan kemiallinen siirtymä 1H- ja 13C-spektreissä suhteessa tetrametyylisilaanisignaaliin, jonka asemaksi otetaan 0 ppm. Kemialliset siirtymät lasketaan heikon kentän suuntaan (vasemmalle) tetrametyylisilaanisignaalista (delta on kemiallisten siirtymien asteikko). Vesiliuoksissa natrium-2,2-dimetyyli-2-silaanipentaani-5-sulfonaattia käytetään referenssinä1H NMR-spektreissä, jonka metyyliryhmän protonien kemiallinen siirtymä on 0,015 ppm. 13 C vesiliuosten spektreissä käytetään referenssinä dioksaania, jonka kemiallinen siirtymä on 67,4 ppm.

Kalibroitaessa19F-spektrejä trifluorietikkahappoa tai trikloorifluorimetaania käytetään ensisijaisena standardina ilman kemiallista siirtymää; spektrit 31 P - 85 % fosforihapon tai trimetyylifosfaatin liuos; spektrit 15 N - nitrometaani tai kyllästetty ammoniakkiliuos. 1H- ja13C NMR:ssä käytetään pääsääntöisesti sisäistä standardia, joka lisätään suoraan testinäytteeseen. 15 N, 19 F ja 31 P NMR:ssä käytetään usein ulkoista standardia, joka on erikseen koaksiaalisessa sylinterimäisessä koeputkessa tai kapillaarissa.

NMR-spektrejä kuvattaessa on ilmoitettava liuotin, johon aine on liuennut, ja sen pitoisuus. Liuottimina käytetään helposti liikkuvia nesteitä, joissa vetyatomit korvataan deuteriumatomeilla liuotinsignaalien intensiteetin vähentämiseksi. Deuteroitu liuotin valitaan seuraavien kriteerien perusteella:

• 1) testiyhdisteen liukoisuus siihen;
• 2) ei päällekkäisyyttä deuteroidun liuottimen jäännösprotonien signaalien ja testiyhdisteen signaalien välillä;
• 3) ei vuorovaikutusta liuottimen ja testiyhdisteen välillä, ellei toisin mainita.

Liuotinatomit antavat signaaleja, jotka on helppo tunnistaa niiden kemiallisen siirtymän perusteella ja joita voidaan käyttää kemiallisen siirtymän akselin kalibroimiseen (toissijainen standardi). Deuteroitujen liuottimien jäännösprotonisignaalien kemiallisilla siirtymillä on seuraavat arvot (ppm): kloroformi, 7,26; bentseeni, 7,16; vesi - 4,7; metanoli -3,35 ja 4,78; dimetyylisulfoksidi - 2,50; asetoni - 2,05; veden signaalin ja alkoholien hydroksyyliryhmien protonien sijainti riippuu väliaineen pH:sta ja lämpötilasta.

Kvantitatiivista analyysiä varten liuoksissa ei saa olla liukenemattomia hiukkasia. Joissakin määrityksissä saattaa olla tarpeen lisätä sisäinen standardi testi- ja vertailunäytteiden intensiteettien vertaamiseksi. Asianmukaiset standardinäytteet ja niiden pitoisuudet on ilmoitettava normatiivisissa asiakirjoissa. Kun näyte on asetettu koeputkeen ja suljettava, näyte viedään NMR-spektrometrin magneettiin, testiparametrit asetetaan (asetukset, rekisteröinti, vapaan induktion vaimenemissignaalin digitointi). Sääntelydokumentaatiossa annetut tärkeimmät testiparametrit tallennetaan tai tallennetaan tietokoneelle.

Spektrin ajautumisen estämiseksi suoritetaan stabilointimenettely (deuteriumlukitus) käyttämällä deuteroitujen liuottimien indusoimaa deuteriumsignaalia, ellei toisin mainita. Laite on säädetty optimaalisten resonanssiolosuhteiden ja maksimisuhteen saavuttamiseksi S/N(kiiltoa).

Testin aikana on mahdollista suorittaa useita jaksoja "impulssi - tiedonkeruu - tauko", jonka jälkeen summataan yksittäiset signaalit vapaan induktion vaimenemisesta ja lasketaan kohinatason keskiarvo. Pulssijaksojen välinen viive, jonka aikana ydinspinnijärjestelmä palauttaa magnetisoitumisen ( D 1), kvantitatiivisia mittauksia varten on ylitettävä pitkittäinen relaksaatioaika T 1: D 1 ≥ 5 T yksi . Spektrometriohjelmisto sisältää määrittämisalgoritmeja T yksi . Jos arvo T 1 on tuntematon, on suositeltavaa käyttää arvoa D 1 = 25 sekuntia.

Fourier-muunnoksen suorittamisen jälkeen taajuusesityksen signaalit kalibroidaan valitulle standardille ja niiden suhteellinen intensiteetti mitataan integroimalla - mittaamalla resonanssisignaalien pinta-alojen suhdetta. 13 C-spektreissä vain samantyyppiset signaalit integroidaan. Signaalin integroinnin tarkkuus riippuu suhteesta signaali – melua (S/N):

missä u(minä) on integraation standardiepävarmuus.

Vapaan induktion vaimenemiskertymien määrä, joka vaaditaan tyydyttävän suhteen saavuttamiseksi S/ N, tulee ilmoittaa säädösasiakirjoissa.

Analyyttisiin tarkoituksiin käytettävän yksiulotteisen rinnalla käytetään homo- ja heteronukleaarisia kaksiulotteisia korrelaatiospektrejä, jotka perustuvat tiettyyn pulssisarjaan (COSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC, HETCOR, CIGAR, INADEQUATE jne.). Kaksiulotteisessa spektrissä ytimien välinen vuorovaikutus ilmenee signaalien muodossa, joita kutsutaan ristipiikkeiksi. Ristihuippujen sijainti määräytyy kahden vuorovaikutuksessa olevan ytimen kemiallisten siirtymien arvojen perusteella. Monimutkaisten seosten ja uutteiden koostumuksen määrittämiseen käytetään edullisesti kaksiulotteisia spektrejä, koska signaalin superpositiota (ristipiikit) todennäköisyys kaksiulotteisissa spektreissä on huomattavasti pienempi kuin signaalin superpositiota yksiulotteisissa spektreissä.

Heteroytimien spektrien (13 C, 15 N jne.) saamiseksi nopeasti käyttöön käytetään menetelmiä (HSQC, HMBC), jotka mahdollistavat muiden ytimien spektrien saamisen 1H-ytimissä heteronukleaarisen vuorovaikutuksen mekanismeja käyttämällä.

DOSY-tekniikka, joka perustuu ydinspinien faasikoherenssin menetyksen kirjaamiseen, joka johtuu molekyylien translaatiosiirtymistä magneettikenttägradientin vaikutuksesta, mahdollistaa yksittäisten yhdisteiden spektrien saamisen (spektrierotus) seoksessa ilman niiden fysikaalista erottamista. ja määrittää molekyyliesineiden (molekyylit, makromolekyylit, molekyylikompleksit, supramolekyyliset järjestelmät) koot, aggregaatioasteet ja molekyylipainot.

Käyttöalueet

Ydinmagneettiresonanssispektrien sisältämän rakenteellisen ja analyyttisen tiedon moninaisuus mahdollistaa ydinmagneettisen resonanssin menetelmän käytön kvalitatiivisessa ja kvantitatiivisessa analyysissä. Ydinmagneettisen resonanssispektroskopian käyttö kvantitatiivisessa analyysissä perustuu magneettisesti aktiivisten ytimien molaarisen konsentraation suoraan verrannollisuuteen spektrin vastaavan absorptiosignaalin integraaliin intensiteettiin.

1. Vaikuttavan aineen tunnistus. Vaikuttavan aineen tunnistus suoritetaan vertaamalla testinäytteen spektriä standardinäytteen spektriin tai julkaistuun vertailuspektriin. Standardinäytteiden ja testinäytteiden spektrit tulee saada samoilla menetelmillä ja olosuhteilla. Vertailuspektrien huippujen tulee olla samat paikaltaan (arvojen poikkeamat δ testi- ja standardinäytteet ± 0,1 ppm:n sisällä. ydinmagneettiselle resonanssille 1 N ja ± 0,5 ppm. ydinmagneettiselle resonanssille 13 C), integroitu intensiteetti ja monikertaisuus, joiden arvot tulee antaa spektrien kuvauksessa. Standardinäytteen puuttuessa voidaan käyttää farmakopean standardinäytettä, jonka identiteetti vahvistetaan spektritietojen riippumattomalla rakenteellisella tulkinnalla ja vaihtoehtoisilla menetelmillä.

Kun varmistetaan ei-stoikiometrisen koostumuksen näytteiden (esimerkiksi vaihtelevan koostumuksen omaavat luonnolliset polymeerit) aitous, testi- ja standardinäytteiden piikit saavat poiketa signaalien sijainnista ja integraalista intensiteetistä. Vertailtavien spektrien tulee olla samanlaisia, ts. sisältävät samat signaalien tunnusomaiset alueet, mikä vahvistaa testi- ja standardinäytteiden fragmenttikoostumuksen yhteensopivuuden.

Aineseoksen (uutteiden) aitouden määrittämiseksi yksiulotteisia NMR-spektrejä voidaan käyttää kokonaisuutena, kohteen "sormenjälkinä" ilman, että δ:n arvoja ja yksittäisten signaalien moninaisuutta kerrotaan yksityiskohtaisesti. Jos käytetään kaksiulotteista NMR-spektroskopiaa aitoudeksi vaadittujen spektrien (spektrifragmenttien) kuvauksessa, ristipiippujen arvot on ilmoitettava.

1. Vieraiden aineiden/orgaanisten liuottimien jäännösten tunnistaminen. Epäpuhtauksien/orgaanisten liuottimien jäännösten tunnistaminen tapahtuu samalla tavalla kuin vaikuttavan aineen tunnistaminen kiristäen herkkyyden ja digitaalisen resoluution vaatimuksia.
2. Vieraiden epäpuhtauksien/orgaanisten liuottimien jäännöspitoisuuden määrittäminen suhteessa vaikuttavaan aineeseen. NMR-menetelmä on suora absoluuttinen menetelmä vaikuttavan aineen ja epäpuhtausyhdisteen moolisuhteen määrittämiseksi ( n/n epäpuhtaus):

missä S‘ ja S‘ epäpuhtaus - aktiivisen aineen ja epäpuhtauden signaalien integroitujen intensiteettien normalisoidut arvot.

Normalisointi suoritetaan rakenteellisessa fragmentissa olevien ytimien lukumäärän mukaan, jotka määrittävät mitatun signaalin.

Epäpuhtauksien / jäännösorgaanisen liuottimen massaosuus suhteessa vaikuttavaan aineeseen ( X pr) määritetään kaavalla:

M pr on epäpuhtauden molekyylipaino;

M on aktiivisen aineen molekyylipaino;

S‘ pr on epäpuhtaussignaalin integraaliintensiteetin normalisoitu arvo;

S'– vaikuttavan aineen signaalin integraalivoimakkuuden normalisoitu arvo.

1. Ainepitoisuuden (vaikuttava aine, epäpuhtaus / jäännösliuotin) määrittäminen lääkeaineessa. Aineen ehdoton sisältö lääkeaineessa se määritetään sisäisellä standardimenetelmällä, joka valitaan aineeksi, jonka signaalit ovat lähellä analyytin signaaleja ilman, että ne menevät päällekkäin. Analyytin ja standardin signaalin intensiteetit eivät saa erota merkittävästi.

Analyytin prosenttiosuus testinäytteessä kuiva-aineena ( x,% massa) lasketaan kaavalla:

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

S' on analyytin signaalin integraaliintensiteetin normalisoitu arvo;

S‘ 0 on standardin integroidun signaalin intensiteetin normalisoitu arvo;

M on analyytin molekyylipaino;

M 0 – molekyylipaino;

a- testinäytteen punnitus;

a 0– standardiaineen paino;

W- kosteuspitoisuus, %.

Seuraavia yhdisteitä voidaan käyttää standardeina: maleiinihappo (2H; 6,60 ppm, M= 116,07), bentsyylibentsoaatti (2H; 5,30 ppm, M= 212,25), malonihappo (2H; 3,30 ppm, M= 104,03), sukkinimidi (4H; 2,77 ppm, M= 99,09), asetanilidi (3H; 2,12 ppm, M = 135,16), tert-butanoli (9H; 1,30 ppm, M = 74,12).

Suhteellinen ainepitoisuus koska komponentin osuus farmaseuttisen aineen komponenttien seoksessa määräytyy sisäisen normalisoinnin menetelmällä. molaarinen ( X mol) ja massa ( X massa) komponenttiosuus i seoksessa n aineet määritetään kaavoilla:

1. Proteiinien ja polymeerien molekyylipainon määritys. Proteiinien ja polymeerien molekyylipainot määritetään vertaamalla niiden liikkuvuutta tunnetun molekyylipainon omaavien vertailuyhdisteiden liikkuvuuteen DOSY-tekniikoilla. Itsediffuusiokertoimet mitataan ( D) testi- ja standardinäytteistä, piirrä standardiyhdisteiden molekyylipainojen logaritmien riippuvuus logaritmeista D. Näin saadusta kaaviosta testinäytteiden tuntemattomat molekyylipainot määritetään lineaarisella regressiolla. Täydellinen kuvaus DOSY-kokeesta on annettava säädösasiakirjoissa.

Kiinteiden aineiden NMR-spektroskopia

Kiinteässä tilassa olevat näytteet analysoidaan käyttämällä erityisesti varustettuja NMR-spektrometrejä. Tietyt tekniset toiminnot (jauhetun näytteen pyörittäminen roottorissa taikakulmassa (54,7°) magneettikentän akseliin nähden AT 0 , voimanpoisto, polarisaation siirto erittäin virittyvistä ytimistä vähemmän polarisoituviin ytimiin - ristipolarisaatio) mahdollistavat orgaanisten ja epäorgaanisten yhdisteiden korkearesoluutioisten spektrien saamisen. Menettelyn täydellinen kuvaus olisi esitettävä sääntelyasiakirjoissa. Tämän tyyppisen NMR-spektroskopian pääsovellusalue on kiinteiden lääkkeiden polymorfismin tutkimus.

Ydinmagneettinen resonanssi
Ydinmagneettinen resonanssi

Ydinmagneettinen resonanssi (NMR) - atomiytimien sähkömagneettisten aaltojen resonanssiabsorptio, joka tapahtuu, kun niiden omien liikemäärämomenttien (spinien) vektorien suunta muuttuu. NMR esiintyy näytteissä, jotka on sijoitettu vahvaan jatkuvaan magneettikenttään, samalla kun ne altistetaan radiotaajuusalueen heikolle vaihtuvalle sähkömagneettiselle kentälle (vaihtokentän voimalinjojen on oltava kohtisuorassa vakiokentän voimalinjoihin nähden). Vetyytimille (protoneille) jatkuvassa magneettikentässä, jonka voimakkuus on 10 4, tapahtuu resonanssia radiotaajuudella 42,58 MHz. Muille ytimille magneettikentissä 103–104 oersted NMR havaitaan taajuusalueella 1–10 MHz. NMR:ää käytetään laajalti fysiikassa, kemiassa ja biokemiassa kiinteiden aineiden ja monimutkaisten molekyylien rakenteen tutkimiseen. Lääketieteessä NMR:llä, jonka resoluutio on 0,5–1 mm, saadaan avaruudellinen kuva ihmisen sisäelimistä.

Tarkastellaan NMR-ilmiötä yksinkertaisimman ytimen - vedyn - esimerkissä. Vetyydin on protoni, jolla on tietty arvo omalle mekaaniselle liikemäärälle (spin). Kvanttimekaniikan mukaan protonin spinvektorilla voi olla vain kaksi keskenään vastakkaista suuntaa avaruudessa, joita tavanomaisesti merkitään sanoilla "ylös" ja "alas". Protonilla on myös magneettinen momentti, jonka vektorin suunta on sidottu tiukasti spinvektorin suuntaan. Siksi protonin magneettisen momentin vektori voidaan suunnata joko "ylös" tai "alas". Siten protoni voidaan esittää mikroskooppisena magneetina, jolla on kaksi mahdollista suuntausta avaruudessa. Jos asetat protonin ulkoiseen vakiomagneettikenttään, protonin energia tässä kentässä riippuu siitä, mihin sen magneettinen momentti on suunnattu. Protonin energia on suurempi, jos sen magneettinen momentti (ja spin) on suunnattu kentän vastakkaiseen suuntaan. Merkitään tämä energia muotoon E ↓ . Jos protonin magneettinen momentti (spin) on suunnattu samaan suuntaan kuin kenttä, niin protonin energia, joka on merkitty E, on pienempi (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.
Siirrytään yhdestä protonista makroskooppiseen vetynäytteeseen, joka sisältää suuren määrän protoneja. Tilanne tulee näyttämään tältä. Näytteessä satunnaisten spin-orientaatioiden keskiarvon laskemisesta johtuen noin yhtä suuri määrä protoneja, kun käytetään jatkuvaa ulkoista magneettikenttää, ilmestyy suhteessa tähän kenttiin spinien ollessa suunnattu "ylös" ja "alas". Näytteen säteilytys sähkömagneettisilla aalloilla taajuudella ω = (E ↓ − E )/ћ aiheuttaa protonien "massiivisen" spin-flipin (magneettiset momentit), jonka seurauksena kaikki näytteen protonit ovat tilassa. kierroksilla, jotka on suunnattu kenttää vastaan. Tällaiseen massiiviseen protonien suunnanmuutokseen liittyy säteilyttävän sähkömagneettisen kentän kvanttien (ja energian) terävä (resonanssi) absorptio. Tämä on NMR. NMR voidaan havaita vain näytteissä, joissa on suuri määrä ytimiä (10 16), käyttämällä erikoistekniikoita ja erittäin herkkiä instrumentteja.