Saat ini, semakin banyak pasien yang dirujuk bukan untuk radiografi atau ultrasound, tetapi untuk pencitraan resonansi magnetik nuklir. Metode penelitian ini didasarkan pada inti magnet. Mari kita pertimbangkan apa itu tomografi NMR, apa kelebihannya dan dalam kasus apa itu dilakukan.

Apa studi ini?

Metode diagnostik ini didasarkan pada resonansi magnetik nuklir. Dalam medan magnet luar, inti atom hidrogen, atau proton, berada dalam dua keadaan yang saling berlawanan. Anda dapat mengubah arah momen magnet inti dengan bekerja padanya dengan sinar elektromagnetik dengan frekuensi tertentu.

Menempatkan proton dalam medan magnet luar menyebabkan perubahan momen magnet dengan kembali ke posisi semula. Ini melepaskan sejumlah energi. Magnetic resonance tomography menangkap perubahan jumlah energi tersebut.

Tomografi menggunakan medan magnet yang sangat kuat. Elektromagnet biasanya mampu mengembangkan medan magnet dengan kekuatan 3, terkadang hingga 9 T. Ini sama sekali tidak berbahaya bagi manusia. Sistem tomografi memungkinkan Anda untuk melokalisasi arah medan magnet untuk mendapatkan gambar dengan kualitas terbaik.

Tomografi magnetik nuklir

Metode diagnostik didasarkan pada perbaikan respons elektromagnetik dari inti atom (proton), yang terjadi karena eksitasinya oleh gelombang elektromagnetik dalam medan magnet tegangan tinggi. Pencitraan resonansi magnetik pertama kali dibahas pada tahun 1973. Kemudian ilmuwan Amerika P. Laterbur mengusulkan untuk mempelajari objek dalam medan magnet yang berubah. Karya-karya ilmuwan ini menjadi awal era baru dalam kedokteran.

Dengan bantuan tomografi resonansi magnetik, menjadi mungkin untuk mempelajari jaringan dan rongga tubuh manusia karena tingkat kejenuhan jaringan dengan hidrogen. Agen kontras pencitraan resonansi magnetik sering digunakan. Paling sering, ini adalah persiapan gadolinium, yang mampu mengubah respons proton.
Istilah "MRI nuklir" ada hingga 1986.

Sehubungan dengan radiofobia di antara penduduk sehubungan dengan bencana di pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl, diputuskan untuk menghapus kata "nuklir" dari nama metode diagnostik baru. Namun, ini memungkinkan pencitraan resonansi magnetik dengan cepat memasuki praktik mendiagnosis banyak penyakit. Saat ini, metode ini adalah kunci untuk mengidentifikasi banyak penyakit yang baru-baru ini sulit didiagnosis.

Bagaimana diagnosis dilakukan?

MRI menggunakan medan magnet yang sangat kuat. Dan meskipun tidak berbahaya bagi manusia, bagaimanapun, dokter dan pasien harus mematuhi aturan tertentu.

Pertama-tama, sebelum prosedur diagnostik, pasien mengisi kuesioner khusus. Di dalamnya, ia menunjukkan keadaan kesehatan, serta pernyataan tentang dirinya sendiri. Pemeriksaan dilakukan di ruangan yang disiapkan khusus dengan kabin untuk berganti pakaian dan barang-barang pribadi.

Agar tidak membahayakan dirinya sendiri, dan juga untuk memastikan kebenaran hasil, pasien harus melepas semua barang yang mengandung logam, meninggalkan ponsel, kartu kredit, jam tangan, dll di loker untuk barang-barang pribadi. Sangat diinginkan bagi wanita untuk mencuci kosmetik dekoratif dari kulit.
Selanjutnya, pasien ditempatkan di dalam tabung tomografi. Atas arahan dokter, area pemeriksaan ditentukan. Setiap zona diperiksa selama sepuluh sampai dua puluh menit. Selama waktu ini, pasien harus tetap diam. Kualitas gambar akan tergantung pada ini. Dokter dapat memperbaiki posisi pasien, jika perlu.

Selama pengoperasian perangkat, suara seragam terdengar. Ini normal dan menunjukkan bahwa penelitian berjalan dengan benar. Untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat, agen kontras dapat diberikan secara intravena kepada pasien. Dalam beberapa kasus, dengan pengenalan zat semacam itu, gelombang panas terasa. Ini benar-benar normal.

Kurang lebih setengah jam setelah penelitian, dokter dapat menerima protokol penelitian (kesimpulan). Sebuah disk dengan hasil juga dikeluarkan.

Manfaat MRI Nuklir

Manfaat dari survei semacam itu antara lain sebagai berikut.

1. Kemampuan untuk mendapatkan gambar jaringan tubuh berkualitas tinggi dalam tiga proyeksi. Ini sangat meningkatkan visualisasi jaringan dan organ. Dalam hal ini, MRI jauh lebih baik daripada diagnosa computed tomography, radiografi dan ultrasound.
2. Gambar 3D berkualitas tinggi memberikan diagnosis yang akurat, yang meningkatkan perawatan dan meningkatkan kemungkinan pemulihan.
3. Karena dimungkinkan untuk mendapatkan gambar berkualitas tinggi pada MRI, penelitian semacam itu adalah yang terbaik untuk mendeteksi tumor, gangguan sistem saraf pusat, dan kondisi patologis sistem muskuloskeletal. Dengan demikian, menjadi mungkin untuk mendiagnosis penyakit-penyakit yang sampai saat ini sulit atau tidak mungkin untuk dideteksi.
4. Perangkat modern untuk tomografi memungkinkan Anda mendapatkan gambar berkualitas tinggi tanpa mengubah posisi pasien. Dan untuk pengkodean informasi, metode yang sama digunakan seperti pada computed tomography. Ini memudahkan diagnosis, karena dokter melihat gambar tiga dimensi dari seluruh organ. Juga, dokter bisa mendapatkan gambar organ tertentu berlapis-lapis.
5. Pemeriksaan semacam itu dengan baik menentukan perubahan patologis paling awal pada organ. Dengan demikian, dimungkinkan untuk mendeteksi penyakit pada tahap ketika pasien belum merasakan gejala.
6. Selama penelitian tersebut, pasien tidak terkena radiasi pengion. Ini secara signifikan memperluas cakupan MRI.
7. Prosedur MRI sama sekali tidak menimbulkan rasa sakit dan tidak menimbulkan ketidaknyamanan bagi pasien.

Indikasi untuk MRI

Ada banyak indikasi untuk pencitraan resonansi magnetik.

• Gangguan sirkulasi serebral.
• Kecurigaan neoplasma otak, kerusakan selaputnya.
• Penilaian keadaan organ setelah operasi.
• Diagnosis fenomena inflamasi.
• Kejang, epilepsi.
• Cedera otak traumatis.
• Penilaian kondisi kapal.
• Penilaian kondisi tulang dan sendi.
• Diagnosis jaringan lunak tubuh.
• Penyakit tulang belakang (termasuk osteochondrosis, spondyloarthrosis).
• Cedera tulang belakang.
• Penilaian keadaan sumsum tulang belakang, termasuk kecurigaan proses ganas.
• Osteoporosis.
• Penilaian keadaan organ peritoneum, serta ruang retroperitoneal. MRI diindikasikan untuk penyakit kuning, hepatitis kronis, kolesistitis, kolelitiasis, kerusakan hati seperti tumor, pankreatitis, penyakit lambung, usus, limpa, ginjal.
• Diagnosis kista.
• Diagnosis keadaan kelenjar adrenal.
• Penyakit pada organ panggul.
• Patologi urologi.
• Penyakit ginekologi.
• Penyakit pada organ rongga dada.

Selain itu, pencitraan resonansi magnetik seluruh tubuh diindikasikan jika dicurigai adanya neoplasma. MRI dapat digunakan untuk mencari metastasis jika tumor primer didiagnosis.

Ini bukan daftar lengkap indikasi untuk pencitraan resonansi magnetik. Aman untuk mengatakan bahwa tidak ada organisme dan penyakit yang tidak dapat dideteksi menggunakan metode diagnostik ini. Karena kemungkinan pengobatan berkembang, dokter memiliki kemungkinan yang hampir tidak terbatas untuk mendiagnosis dan mengobati banyak penyakit berbahaya.

Kapan pencitraan resonansi magnetik dikontraindikasikan?

Ada sejumlah kontraindikasi absolut dan relatif untuk MRI. Kontraindikasi absolut meliputi:

1. Kehadiran alat pacu jantung. Hal ini disebabkan fakta bahwa fluktuasi medan magnet mampu beradaptasi dengan irama jantung dan dengan demikian bisa berakibat fatal.
2. Adanya implan feromagnetik atau elektronik yang terpasang di telinga tengah.
3. Implan logam besar.
4. Kehadiran fragmen feromagnetik di dalam tubuh.
5. Ketersediaan peralatan Ilizarov.

Kontraindikasi relatif (bila penelitian dimungkinkan dalam kondisi tertentu) meliputi:

Saat melakukan MRI dengan kontras, kontraindikasi adalah anemia, gagal ginjal kronis dekompensasi, kehamilan, intoleransi individu.

Kesimpulan

Pentingnya pencitraan resonansi magnetik untuk diagnosis tidak dapat ditaksir terlalu tinggi. Ini adalah cara yang sempurna, non-invasif, tidak menyakitkan dan tidak berbahaya untuk mendeteksi banyak penyakit. Dengan diperkenalkannya pencitraan resonansi magnetik, perawatan pasien juga meningkat, seperti yang diketahui oleh dokter diagnosis yang akurat dan ciri-ciri dari semua proses yang terjadi dalam tubuh pasien.

Tidak perlu takut dengan MRI. Pasien tidak merasakan sakit apapun selama prosedur. Ini tidak ada hubungannya dengan radiasi nuklir atau sinar-x. Juga tidak mungkin untuk menolak prosedur seperti itu.

Resonansi magnetik nuklir

VK. burung gagak

Universitas Teknik Negeri Irkutsk

PENGANTAR

Sampai saat ini, gagasan kami tentang struktur atom dan molekul didasarkan pada studi menggunakan metode spektroskopi optik. Sehubungan dengan peningkatan metode spektral, yang telah memajukan bidang pengukuran spektroskopi ke kisaran ultra-tinggi (sekitar 10^ 3 - 10^ 6 MHz; gelombang mikroradio) dan frekuensi tinggi (sekitar 10^ (-2) - 10^2 MHz; gelombang radio), sumber informasi baru tentang struktur materi. Selama penyerapan dan emisi radiasi dalam rentang frekuensi ini, proses dasar yang sama terjadi seperti pada rentang spektrum elektromagnetik lainnya, yaitu, ketika berpindah dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya, sistem menyerap atau memancarkan energi kuantum.

Perbedaan energi antara tingkat dan energi kuanta yang berpartisipasi dalam proses ini adalah sekitar 10^(-7) eV untuk wilayah frekuensi radio dan sekitar 10^(-4) eV untuk frekuensi gelombang mikro. Dalam dua jenis spektroskopi radio, yaitu, spektroskopi resonansi magnetik nuklir (NMR) dan spektroskopi resonansi quadrupole nuklir (NQR), perbedaan tingkat energi dikaitkan dengan orientasi yang berbeda, masing-masing, dari momen dipol magnet inti dalam medan magnet yang diterapkan. dan momen quadrupole listrik inti dalam medan listrik molekul, jika yang terakhir tidak simetris bola.

Keberadaan momen nuklir pertama kali ditemukan ketika mempelajari struktur hyperfine dari spektrum elektronik beberapa atom menggunakan spektrometer optik resolusi tinggi.

Di bawah pengaruh medan magnet eksternal, momen magnetik inti diorientasikan dengan cara tertentu, dan menjadi mungkin untuk mengamati transisi antara tingkat energi nuklir yang terkait dengan orientasi yang berbeda ini: transisi yang terjadi di bawah aksi radiasi tertentu frekuensi. Kuantisasi tingkat energi inti adalah konsekuensi langsung dari sifat kuantum momentum sudut inti menerima 2 Saya+ 1 nilai. Bilangan kuantum spin (spin) I dapat mengambil nilai apa pun yang merupakan kelipatan 1/2; nilai tertinggi yang diketahui Saya(> 7) memiliki Lu. Nilai terukur terbesar dari momentum sudut (nilai terbesar dari proyeksi momen pada arah yang dipilih) sama dengan saya ћ , di mana ћ = jam /2 π , sebuah h adalah konstanta Planck.

Nilai Saya tidak mungkin untuk memprediksi inti spesifik, tetapi telah diamati bahwa isotop di mana nomor massa dan nomor atom genap memiliki Saya= 0, dan isotop dengan nomor massa ganjil memiliki putaran setengah bilangan bulat. Situasi seperti itu, ketika jumlah proton dan neutron dalam inti genap dan sama ( Saya= 0) dapat dianggap sebagai keadaan dengan "pasangan lengkap", mirip dengan pasangan elektron lengkap dalam molekul diamagnetik.

Pada akhir tahun 1945, dua kelompok fisikawan Amerika dipimpin oleh F. Bloch (Universitas Stanford) dan E.M. Purcell (Universitas Harvard) adalah yang pertama menerima sinyal resonansi magnetik nuklir. Bloch mengamati penyerapan resonansi oleh proton dalam air, dan Purcell berhasil menemukan resonansi nuklir oleh proton dalam parafin. Untuk penemuan ini, mereka dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1952.

Inti dari fenomena NMR dan ciri khasnya diuraikan di bawah ini.

Spektroskopi NMR RESOLUSI TINGGI

Inti dari fenomena NMR

Intisari dari fenomena NMR dapat digambarkan sebagai berikut. Jika sebuah inti dengan momen magnet ditempatkan dalam medan yang seragam H 0 , diarahkan sepanjang sumbu z, maka energinya (sehubungan dengan energi tanpa adanya medan) sama dengan μ z H 0, di mana μ z, adalah proyeksi momen magnet inti pada arah medan.

Seperti yang telah dicatat, nukleus dapat ditemukan di 2 Saya+ 1 negara bagian. Dengan tidak adanya medan eksternal H 0 semua keadaan ini memiliki energi yang sama. Jika kita menyatakan nilai terukur terbesar dari komponen momen magnetik melalui μ , maka semua nilai terukur dari komponen momen magnetik (dalam hal ini μ z,) dinyatakan sebagai m, di mana m adalah bilangan kuantum, yang, seperti diketahui, dapat mengambil nilai

m= Saya, Saya- 1,Saya- 2...-(Saya- 1),-SAYA.

Karena jarak antara tingkat energi yang sesuai dengan masing-masing 2 Saya+ 1 status, sama dengan m H 0 /SAYA, maka inti dengan spin Saya memiliki tingkat energi diskrit

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

Pemisahan tingkat energi dalam medan magnet dapat disebut pembelahan Zeeman nuklir, karena mirip dengan pemisahan tingkat elektronik dalam medan magnet (efek Zeeman). Pemisahan Zeeman diilustrasikan pada gambar. 1 untuk sistem dengan Saya= 1 (dengan tiga tingkat energi).

Beras. 1. Zeeman membelah tingkat energi nuklir dalam medan magnet.

Fenomena NMR terdiri dari penyerapan resonansi energi elektromagnetik karena magnet inti. Ini menyiratkan nama yang jelas dari fenomena tersebut: nuklir - kita berbicara tentang sistem inti, magnetik - yang kami maksud hanya sifat magnetiknya, resonansi - fenomena itu sendiri bersifat resonan. Memang, mengikuti aturan frekuensi Bohr bahwa frekuensi medan elektromagnetik yang menyebabkan transisi antara tingkat yang berdekatan ditentukan oleh rumus

, (1)

Karena vektor momentum (momentum sudut) dan momentum magnetik adalah paralel, seringkali lebih mudah untuk mengkarakterisasi sifat magnetik inti dengan nilai yang didefinisikan oleh hubungan

, (2)

di mana adalah rasio giromagnetik yang berdimensi radian * oersted^(- 1) * second^(- 1) (rad * E^(- 1) * s*(- 1) ) atau radian/(oersted * second) (rad / (E * s)). Dengan mengingat hal ini, kami menemukan

, (3)

Dengan demikian, frekuensi sebanding dengan medan yang diterapkan.

Jika, sebagai contoh tipikal, kita mengambil nilai untuk sebuah proton, sama dengan 2,6753 * 10: 4 rad / (E * s), dan H 0 \u003d 10.000 Oe, maka frekuensi resonansi

Frekuensi seperti itu dapat dihasilkan dengan teknik radio konvensional.

Spektroskopi NMR dicirikan oleh sejumlah fitur yang membedakannya dari metode analisis lainnya. Sekitar setengah (~150) inti isotop yang diketahui memiliki momen magnetik, tetapi hanya sebagian kecil yang digunakan secara sistematis.

Sebelum munculnya spektrometer berdenyut, sebagian besar penelitian dilakukan menggunakan fenomena NMR pada inti hidrogen (proton) 1 H (resonansi magnetik proton - PMR) dan fluor 19 F. Inti ini memiliki sifat yang ideal untuk spektroskopi NMR:

Kelimpahan alami yang tinggi dari isotop "magnetik" ( 1H 99,98%, 19 F 100%); sebagai perbandingan, dapat disebutkan bahwa kelimpahan alami dari isotop "magnetik" karbon 13 C adalah 1,1%;

Momen magnet besar;

Putaran Saya = 1/2.

Ini terutama bertanggung jawab atas sensitivitas tinggi metode dalam mendeteksi sinyal dari inti yang disebutkan di atas. Selain itu, ada aturan yang didukung secara teoretis yang menyatakan bahwa hanya inti dengan spin yang sama atau lebih besar dari satu yang memiliki momen kuadrupol listrik. Oleh karena itu, eksperimen NMR 1H dan 19 F tidak diperumit oleh interaksi momen kuadrupol inti inti dengan lingkungan listrik. Sejumlah besar karya telah dikhususkan untuk resonansi di lain (selain 1H dan 19 F) kernel seperti 13 C, 31 P, 11 B, 17 O dalam fase cair (sama seperti pada inti 1 1H dan 19F).

Pengenalan spektrometer NMR berdenyut ke dalam praktik sehari-hari telah secara signifikan memperluas kemungkinan eksperimental jenis spektroskopi ini. Secara khusus, perekaman spektrum NMR 13 Larutan C - isotop yang paling penting untuk kimia - sekarang sebenarnya merupakan prosedur yang sudah dikenal. Deteksi sinyal dari inti, intensitas sinyal NMR yang berkali-kali lebih kecil dari intensitas sinyal dari 1 H, termasuk dalam fase padat.

Spektrum NMR resolusi tinggi biasanya terdiri dari garis-garis (sinyal) yang sempit dan terselesaikan dengan baik yang sesuai dengan inti magnetik di berbagai lingkungan kimia. Intensitas (area) sinyal selama perekaman spektrum sebanding dengan jumlah inti magnetik di setiap kelompok, yang memungkinkan untuk melakukan analisis kuantitatif menggunakan spektrum NMR tanpa kalibrasi awal.

Fitur lain dari NMR adalah pengaruh proses pertukaran, di mana inti beresonansi berpartisipasi, pada posisi dan lebar sinyal resonansi. Dengan demikian, spektrum NMR dapat digunakan untuk mempelajari sifat proses tersebut. Garis NMR dalam spektrum cair biasanya memiliki lebar 0,1 - 1 Hz (NMR resolusi tinggi), sedangkan inti yang sama diperiksa dalam fase padat akan menyebabkan munculnya garis dengan lebar orde 1 * 10^ 4 Hz ( maka konsep garis lebar NMR).

Dalam spektroskopi NMR resolusi tinggi, ada dua sumber informasi utama tentang struktur dan dinamika molekul:

Pergeseran kimia;

Konstanta interaksi spin-spin.

pergeseran kimia

Dalam kondisi nyata, inti resonansi yang sinyal NMR-nya terdeteksi adalah penyusun atom atau molekul. Ketika zat uji ditempatkan dalam medan magnet ( H 0 ) ada momen diamagnetik atom (molekul), karena gerakan orbital elektron. Pergerakan elektron ini membentuk arus efektif dan, oleh karena itu, menciptakan medan magnet sekunder yang sebanding, sesuai dengan hukum Lenz, dengan medan H 0 dan berlawanan arah. Medan sekunder ini bekerja pada nukleus. Jadi, medan lokal di tempat inti yang beresonansi berada,

, (4)

di mana adalah konstanta tak berdimensi, disebut konstanta penyaringan dan tidak bergantung pada H 0 , tetapi sangat bergantung pada lingkungan kimia (elektronik); itu mencirikan penurunan halo dibandingkan dengan H 0 .

Nilai bervariasi dari nilai orde 10^(- 5) untuk proton hingga nilai orde 10^(- 2) untuk inti berat. Mempertimbangkan ekspresi untuk halo kita punya

, (5)

Efek penyaringan adalah untuk mengurangi jarak antara tingkat energi magnet nuklir atau, dengan kata lain, mengarah ke konvergensi tingkat Zeeman (Gbr. 2). Dalam hal ini, kuanta energi yang menyebabkan transisi antar level menjadi lebih kecil dan, akibatnya, resonansi terjadi pada frekuensi yang lebih rendah (lihat ekspresi (5)). Jika kita melakukan percobaan dengan mengubah medan H 0 sampai resonansi terjadi, kekuatan medan yang diterapkan harus besar dibandingkan dengan kasus ketika inti tidak terlindung.

Beras. Gambar 2. Pengaruh penyaringan elektron pada tingkat Zeeman inti: (a) tidak disaring, (b) disaring.

Di sebagian besar spektrometer NMR, spektrum direkam ketika medan berubah dari kiri ke kanan, sehingga sinyal (puncak) dari inti yang paling terlindung harus berada di bagian kanan spektrum.

Pergeseran sinyal tergantung pada lingkungan kimia, karena perbedaan konstanta penyaringan, disebut pergeseran kimia.

Untuk pertama kalinya, pesan tentang penemuan pergeseran kimia muncul di beberapa publikasi pada 1950-1951. Di antara mereka, perlu untuk memilih karya Arnold et al (1951), yang memperoleh spektrum pertama dengan garis-garis terpisah yang sesuai dengan posisi kimia yang berbeda dari inti identik. 1 H dalam satu molekul. Kita berbicara tentang etil alkohol CH 3 CH 2 OH, spektrum NMR khas 1 H yang pada resolusi rendah ditunjukkan pada gambar. 3.

Beras. 3. Spektrum resonansi proton resolusi rendah dari etil alkohol cair.

Ada tiga jenis proton dalam molekul ini: tiga proton dari gugus metil CH 3 –, dua proton dari gugus metilen –CH 2 – dan satu proton dari gugus hidroksil –OH. Dapat dilihat bahwa tiga sinyal terpisah sesuai dengan tiga jenis proton. Karena intensitas sinyal dalam rasio 3: 2: 1, decoding spektrum (penugasan sinyal) tidak sulit.

Karena pergeseran kimia tidak dapat diukur pada skala absolut, yaitu relatif terhadap inti yang tidak memiliki semua elektronnya, sinyal senyawa referensi digunakan sebagai nol bersyarat. Biasanya, nilai pergeseran kimia untuk setiap inti diberikan sebagai parameter tak berdimensi 8 yang didefinisikan sebagai berikut:

, (6)

di mana H- Topi adalah perbedaan pergeseran kimia untuk sampel uji dan standar, Topi adalah posisi absolut dari sinyal referensi dengan medan yang diterapkan H 0 .

Di bawah kondisi eksperimental nyata, frekuensi dapat diukur lebih akurat daripada medan, jadi biasanya ditemukan dari ekspresi

, (7)

di mana ν - lantai adalah perbedaan antara pergeseran kimia untuk sampel dan standar, yang dinyatakan dalam satuan frekuensi (Hz); Spektrum NMR biasanya dikalibrasi dalam satuan ini.

Sebenarnya, seseorang harus menggunakan ν 0 adalah frekuensi operasi spektrometer (biasanya tetap), dan frekuensi lantai, yaitu, frekuensi absolut di mana sinyal resonansi referensi diamati. Namun, kesalahan yang ditimbulkan oleh penggantian semacam itu sangat kecil, karena ν 0 dan lantai hampir sama (perbedaannya adalah 10 ^ (-5), yaitu dengan jumlah σ untuk proton). Karena spektrometer NMR yang berbeda beroperasi pada frekuensi yang berbeda ν 0 (dan, akibatnya, untuk bidang yang berbeda H 0 ), jelas bahwa ekspresi δ dalam satuan tak berdimensi.

Satuan pergeseran kimia adalah sepersejuta kekuatan medan atau frekuensi resonansi (ppm). Dalam literatur asing, pengurangan ini sesuai dengan ppm (bagian per juta). Untuk sebagian besar inti yang membentuk senyawa diamagnetik, kisaran pergeseran kimia sinyal mereka adalah ratusan dan ribuan ppm, mencapai 20.000 ppm. dalam kasus NMR 59 Co (kobalt). dalam spektrum 1 Sinyal proton H dari sebagian besar senyawa terletak pada kisaran 0 – 10 ppm.

Interaksi spin-spin

Pada tahun 1951-1953, ketika merekam spektrum NMR sejumlah cairan, ditemukan bahwa ada lebih banyak garis dalam spektrum beberapa zat daripada perkiraan sederhana jumlah inti yang tidak setara. Salah satu contoh pertama adalah resonansi pada fluor dalam molekul POCl 2 F. Spektrum 19 F terdiri dari dua garis dengan intensitas yang sama, meskipun hanya ada satu atom fluor dalam molekul (Gbr. 4). Molekul senyawa lain memberikan sinyal multiplet simetris (kembar tiga, kuartet, dll).

Faktor penting lainnya yang ditemukan dalam spektrum tersebut adalah bahwa jarak antar garis, diukur dalam skala frekuensi, tidak bergantung pada medan yang diterapkan. H 0 , alih-alih proporsional dengannya, sebagaimana seharusnya jika multiplisitas muncul dari perbedaan konstanta penyaringan.

Beras. 4. Gandakan dalam spektrum resonansi pada inti fluor dalam molekul POCl 2F

Ramsey dan Purcell pada tahun 1952 adalah orang pertama yang menjelaskan interaksi ini dengan menunjukkan bahwa itu disebabkan oleh mekanisme kopling tidak langsung melalui lingkungan elektronik. Putaran inti cenderung mengarahkan putaran elektron yang mengelilingi inti yang diberikan. Mereka, pada gilirannya, mengarahkan putaran elektron lain dan melalui mereka - putaran inti lainnya. Energi interaksi spin-spin biasanya dinyatakan dalam hertz (yaitu, konstanta Planck diambil sebagai satuan energi, berdasarkan fakta bahwa E=h ν ). Jelas bahwa tidak perlu (tidak seperti pergeseran kimia) untuk menyatakannya dalam satuan relatif, karena interaksi yang dibahas, seperti disebutkan di atas, tidak bergantung pada kekuatan medan eksternal. Besarnya interaksi dapat ditentukan dengan mengukur jarak antara komponen kelipatan yang bersesuaian.

Contoh paling sederhana dari pemisahan akibat kopling spin-spin yang dapat ditemui adalah spektrum resonansi molekul yang mengandung dua jenis inti magnet A dan X. Inti A dan X dapat berupa inti yang berbeda atau inti dari isotop yang sama (untuk contoh, 1 H) ketika pergeseran kimia antara sinyal resonansi mereka besar.

Beras. 5. Tampilan spektrum NMR dari suatu sistem yang terdiri dari inti magnet A dan X dengan spin saya = 1/2 ketika kondisi terpenuhi δ AX > J AX .

pada gambar. Gambar 5 menunjukkan seperti apa spektrum NMR jika kedua inti, yaitu A dan X, memiliki spin 1/2. Jarak antara komponen di setiap doublet disebut konstanta kopling spin-spin dan biasanya dilambangkan sebagai J (Hz); dalam hal ini adalah konstanta J AH.

Terjadinya doublet disebabkan oleh fakta bahwa setiap inti membagi garis resonansi dari inti tetangga menjadi 2I+1 komponen. Perbedaan energi antara keadaan spin yang berbeda sangat kecil sehingga, pada kesetimbangan termal, probabilitas keadaan ini, sesuai dengan distribusi Boltzmann, menjadi hampir sama. Akibatnya, intensitas semua garis kelipatan yang dihasilkan dari interaksi dengan satu inti akan sama. Dalam kasus di mana ada n inti setara (yaitu, sama-sama terlindung, sehingga sinyal mereka memiliki pergeseran kimia yang sama), sinyal resonansi dari inti tetangga dipecah menjadi 2nI + 1 garis.

KESIMPULAN

Segera setelah penemuan fenomena NMR dalam materi terkondensasi, menjadi jelas bahwa NMR akan menjadi dasar metode yang kuat untuk mempelajari struktur materi dan sifat-sifatnya. Memang, ketika mempelajari spektrum NMR, kami menggunakan sistem inti resonansi yang sangat sensitif terhadap lingkungan magnetik. Medan magnet lokal di dekat inti yang beresonansi bergantung pada efek intra dan antarmolekul, yang menentukan nilai jenis spektroskopi ini untuk mempelajari struktur dan perilaku sistem banyak elektron (molekul).

Saat ini, sulit untuk menunjuk ke bidang ilmu alam di mana NMR tidak digunakan sampai batas tertentu. Metode spektroskopi NMR banyak digunakan dalam kimia, fisika molekuler, biologi, agronomi, kedokteran, dalam studi tentang formasi alam (mika, amber, batu semi mulia, mineral yang mudah terbakar dan bahan baku mineral lainnya), yaitu, di bidang ilmiah tersebut. di mana struktur materi dipelajari, struktur molekulnya, sifat ikatan kimia, interaksi antarmolekul dan berbagai bentuk gerakan internal.

Metode NMR semakin banyak digunakan untuk mempelajari proses teknologi di laboratorium pabrik, serta untuk mengontrol dan mengatur jalannya proses ini dalam berbagai komunikasi teknologi secara langsung dalam produksi. Studi selama lima puluh tahun terakhir telah menunjukkan bahwa metode resonansi magnetik dapat mendeteksi pelanggaran jalannya proses biologis pada tahap paling awal. Instalasi untuk mempelajari seluruh tubuh manusia dengan metode resonansi magnetik (metode tomografi NMR) telah dikembangkan dan sedang diproduksi.

Adapun negara-negara CIS, dan terutama Rusia, metode resonansi magnetik (terutama NMR) sekarang telah mengambil tempat yang kuat di laboratorium penelitian negara-negara ini. Di berbagai kota (Moskow, Novosibirsk, Kazan, Tallinn, St. Petersburg, Irkutsk, Rostov-on-Don, dll.), sekolah ilmiah muncul tentang penggunaan metode ini dengan masalah asli mereka sendiri dan pendekatan untuk solusi mereka.

1. Popl J., Schneider W., Bernstein G. Spektrum resonansi magnetik nuklir resolusi tinggi. M.: IL, 1962. 292 hal.

2. Kerrington A., McLechlan E. Resonansi magnetik dan penerapannya dalam kimia. M.: Mir, 1970. 447 hal.

3. Bovi F.A. Resolusi tinggi NMR makromolekul Moskow: Kimia, 1977. 455 hal.

4. Heberlen W., Mehring M. Resolusi tinggi NMR dalam padatan. M.: Mir, 1980. 504 hal.

5. Slikter Bab Dasar-dasar teori resonansi magnetik. M.: Mir, 1981. 448 hal.

6. Ionin B.I., Ershov B.A., Koltsov A.I. Spektroskopi NMR dalam kimia organik. L.: Kimia, 1983. 269 hal.

7. Voronov V.K. Metode aditif paramagnetik dalam spektroskopi NMR. Novosibirsk: Nauka, 1989. 168 hal.

8. Ernst R., Bodenhausen J., Vokaun A. NMR dalam satu dan dua dimensi. M.: Mir, 1990. 709 hal.

9. Deroum E. Metode NMR modern untuk penelitian kimia. M.: Mir, 1992. 401 hal.

10. Voronov V.K., Sagdeev R.Z. Dasar-dasar resonansi magnetik. Irkutsk: Vost.-Sib. buku. penerbit, 1995.352 hal.

Inti atom yang sama di lingkungan yang berbeda dalam sebuah molekul menunjukkan sinyal NMR yang berbeda. Perbedaan antara sinyal NMR semacam itu dan sinyal zat standar memungkinkan untuk menentukan apa yang disebut pergeseran kimia, yang disebabkan oleh struktur kimia zat yang diteliti. Dalam teknik NMR, ada banyak peluang untuk menentukan struktur kimia zat, konformasi molekul, efek saling pengaruh, dan transformasi intramolekul.

Fisika NMR

Pemisahan tingkat energi inti dengan saya = 1/2 dalam medan magnet

Fenomena resonansi magnetik nuklir didasarkan pada sifat kemagnetan inti atom yang terdiri dari nukleon dengan spin setengah bilangan bulat 1/2, 3/2, 5/2 .... Inti dengan massa genap dan nomor muatan (inti genap genap ) tidak memiliki momen magnetik , sedangkan untuk semua inti lainnya momen magnetiknya tidak nol.

Dengan demikian, inti memiliki momentum sudut yang terkait dengan momen magnet oleh hubungan

,

di mana adalah konstanta Planck, adalah bilangan kuantum spin, adalah rasio gyromagnetic.

Momentum sudut dan momen magnetik inti dikuantisasi dan nilai eigen proyeksi dan momen sudut dan magnetik pada sumbu z dari sistem koordinat yang dipilih secara sewenang-wenang ditentukan oleh hubungan

dan ,

di mana adalah bilangan kuantum magnetik keadaan eigen inti, nilainya ditentukan oleh bilangan kuantum spin inti

yaitu, kernel bisa dalam status.

Jadi, untuk proton (atau inti lain dengan saya = 1/2- 13 C, 19 F, 31 P, dll.) hanya dapat berada di dua status

,

inti seperti itu dapat direpresentasikan sebagai dipol magnet, komponen z yang dapat berorientasi paralel atau antiparalel ke arah positif sumbu z dari sistem koordinat sewenang-wenang.

Perlu dicatat bahwa dengan tidak adanya medan magnet eksternal, semua keadaan dengan keadaan berbeda memiliki energi yang sama, yaitu, mereka merosot. Degenerasi dihilangkan dalam medan magnet eksternal, sedangkan pemisahan sehubungan dengan keadaan degenerasi sebanding dengan medan magnet eksternal dan momen magnet keadaan dan untuk nukleus dengan bilangan kuantum spin Saya dalam medan magnet luar, sistem 2I+1 tingkat energi, yaitu, resonansi magnetik nuklir memiliki sifat yang sama dengan efek Zeeman dari pemisahan tingkat elektronik dalam medan magnet.

Dalam kasus yang paling sederhana, untuk inti dengan spin c saya = 1/2- misalnya, untuk proton, membelah

dan perbedaan energi keadaan spin

Frekuensi Larmor dari beberapa inti atom

Frekuensi resonansi proton berada dalam rentang gelombang pendek (panjang gelombang sekitar 7 m).

Penerapan NMR

Spektroskopi

artikel utama: Spektroskopi NMR

Perangkat

Inti dari spektrometer NMR adalah magnet yang kuat. Dalam percobaan pertama yang dilakukan oleh Purcell, sampel ditempatkan dalam ampul kaca berdiameter sekitar 5 mm ditempatkan di antara kutub elektromagnet yang kuat. Kemudian ampul mulai berputar, dan medan magnet yang bekerja padanya secara bertahap meningkat. Generator RF berkualitas tinggi digunakan sebagai sumber radiasi. Di bawah aksi medan magnet yang meningkat, inti yang disetel spektrometer mulai beresonansi. Dalam hal ini, inti terlindung beresonansi pada frekuensi yang sedikit lebih rendah dari frekuensi resonansi nominal (dan perangkat).

Penyerapan energi dicatat oleh jembatan RF dan kemudian direkam oleh perekam grafik. Frekuensi ditingkatkan hingga mencapai batas tertentu, di mana resonansi tidak mungkin terjadi.

Karena arus yang datang dari jembatan sangat kecil, arus tidak terbatas pada satu spektrum, tetapi melewati beberapa lusin. Semua sinyal yang diterima dirangkum pada grafik akhir, yang kualitasnya tergantung pada rasio signal-to-noise perangkat.

Dalam metode ini, sampel terkena radiasi frekuensi radio pada frekuensi konstan sementara kekuatan medan magnet berubah, oleh karena itu disebut juga metode medan konstan (CW).

Metode tradisional spektroskopi NMR memiliki banyak kelemahan. Pertama, dibutuhkan banyak waktu untuk membangun setiap spektrum. Kedua, sangat pilih-pilih tentang tidak adanya gangguan eksternal, dan sebagai aturan, spektrum yang dihasilkan memiliki kebisingan yang signifikan. Ketiga, tidak cocok untuk membuat spektrometer frekuensi tinggi (300, 400, 500 dan lebih banyak MHz). Oleh karena itu, dalam instrumen NMR modern, yang disebut metode spektroskopi berdenyut (PW) digunakan, berdasarkan transformasi Fourier dari sinyal yang diterima. Saat ini, semua spektrometer NMR dibangun berdasarkan magnet superkonduktor yang kuat dengan medan magnet konstan.

Berbeda dengan metode CW, dalam versi berdenyut, eksitasi inti dilakukan bukan dengan "gelombang konstan", tetapi dengan bantuan pulsa pendek, panjangnya beberapa mikrodetik. Amplitudo komponen frekuensi pulsa berkurang dengan bertambahnya jarak dari 0 . Tetapi karena diinginkan agar semua inti diiradiasi secara merata, maka perlu menggunakan "pulsa keras", yaitu pulsa pendek dengan daya tinggi. Durasi pulsa dipilih sehingga bandwidth frekuensi lebih besar dari lebar spektrum dengan satu atau dua kali lipat. Daya mencapai beberapa watt.

Sebagai hasil dari spektroskopi berdenyut, bukan spektrum biasa dengan puncak resonansi yang terlihat diperoleh, tetapi gambar osilasi resonansi teredam, di mana semua sinyal dari semua inti yang beresonansi dicampur - yang disebut "peluruhan induksi bebas" (FID, peluruhan induksi gratis). Untuk mengubah spektrum ini, metode matematika digunakan, yang disebut transformasi Fourier, yang menurutnya setiap fungsi dapat direpresentasikan sebagai jumlah dari satu set osilasi harmonik.

spektrum NMR

Spektrum 1 H 4-etoksibenzaldehida. Di medan lemah (tunggal ~9,25 ppm) sinyal proton dari gugus aldehida, di medan kuat (triplet ~1,85-2 ppm) - proton dari gugus metil etoksi.

Untuk analisis kualitatif menggunakan NMR, analisis spektral digunakan, berdasarkan sifat luar biasa dari metode ini:

• sinyal inti atom yang termasuk dalam kelompok fungsional tertentu terletak pada daerah spektrum yang ditentukan secara ketat;
• luas integral yang dibatasi oleh puncak berbanding lurus dengan jumlah atom resonansi;
• inti yang terletak melalui ikatan 1-4 mampu menghasilkan sinyal multiplet sebagai hasil dari apa yang disebut. membelah satu sama lain.

Posisi sinyal dalam spektrum NMR dicirikan oleh pergeseran kimianya relatif terhadap sinyal referensi. Sebagai yang terakhir dalam 1 H dan 13 C NMR, tetramethylsilane Si(CH 3) 4 digunakan. Satuan pergeseran kimia adalah bagian per juta (ppm) dari frekuensi instrumen. Jika kita mengambil sinyal TMS sebagai 0, dan menganggap pergeseran sinyal ke medan lemah sebagai pergeseran kimia positif, maka kita akan memperoleh apa yang disebut skala . Jika resonansi tetrametilsilane disamakan dengan 10 ppm dan membalikkan tanda, maka skala yang dihasilkan akan menjadi skala , yang praktis tidak digunakan saat ini. Jika spektrum suatu zat terlalu rumit untuk ditafsirkan, seseorang dapat menggunakan metode kimia kuantum untuk menghitung konstanta penyaringan dan menghubungkan sinyal berdasarkan mereka.

introskopi NMR

Fenomena resonansi magnetik nuklir dapat digunakan tidak hanya dalam fisika dan kimia, tetapi juga dalam pengobatan: tubuh manusia adalah kombinasi dari semua molekul organik dan anorganik yang sama.

Untuk mengamati fenomena ini, sebuah benda ditempatkan dalam medan magnet konstan dan terkena frekuensi radio dan medan magnet gradien. Dalam induktor yang mengelilingi objek yang diteliti, gaya gerak listrik bolak-balik (EMF) muncul, spektrum frekuensi amplitudo yang dan karakteristik transisi waktu membawa informasi tentang kepadatan spasial inti atom yang beresonansi, serta tentang parameter lain yang hanya spesifik. untuk resonansi magnetik nuklir. Pemrosesan komputer dari informasi ini menghasilkan gambar tiga dimensi yang mencirikan kepadatan inti kimia yang setara, waktu relaksasi resonansi magnetik nuklir, distribusi laju aliran fluida, difusi molekul, dan proses biokimia metabolisme dalam jaringan hidup.

Inti dari introskopi NMR (atau pencitraan resonansi magnetik) sebenarnya terdiri dari penerapan jenis khusus analisis kuantitatif amplitudo sinyal resonansi magnetik nuklir. Dalam spektroskopi NMR konvensional, tujuannya adalah untuk mewujudkan resolusi terbaik dari garis spektral. Untuk melakukan ini, sistem magnetik disesuaikan sedemikian rupa untuk menciptakan keseragaman medan terbaik dalam sampel. Dalam metode introskopi NMR, sebaliknya, medan magnet yang dibuat jelas tidak homogen. Kemudian ada alasan untuk mengharapkan bahwa frekuensi resonansi magnetik nuklir di setiap titik sampel memiliki nilainya sendiri, yang berbeda dari nilai di bagian lain. Dengan mengatur beberapa kode untuk gradasi amplitudo sinyal NMR (kecerahan atau warna pada layar monitor), Anda bisa mendapatkan gambar bersyarat (

KEMENTERIAN KESEHATAN FEDERASI RUSIA

OTORISASI FARMASI UMUM

Spektroskopi nuklir GPM.1.2.1.1.0007.15
resonansi magnetik bukan GFXII, Bagian 1,
OFS 42-0046-07

Spektroskopi resonansi magnetik nuklir (NMR) adalah metode yang didasarkan pada penyerapan radiasi elektromagnetik frekuensi radio oleh inti sampel dengan momen magnet tidak nol yang ditempatkan dalam medan magnet konstan ( B 0). Momen magnetik bukan nol memiliki isotop inti unsur dengan massa atom ganjil (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P, dll.).

Prinsip-prinsip umum

Sebuah inti yang berputar di sekitar porosnya memiliki momen momentumnya sendiri (momentum sudut, atau putaran) P. Momen magnet inti berbanding lurus dengan putaran: = P(γ adalah faktor proporsionalitas atau rasio gyromagnetic). Momen sudut dan magnetik dikuantisasi, yaitu. bisa di salah satu dari 2 Saya+ 1 status putaran ( Saya – spin bilangan kuantum). Keadaan momen magnet inti yang berbeda memiliki energi yang sama jika tidak dipengaruhi oleh medan magnet luar. Ketika inti ditempatkan dalam medan magnet eksternal B 0, degenerasi energi inti dihilangkan dan kemungkinan transisi energi dari satu tingkat ke tingkat lain muncul. Proses distribusi inti antara tingkat energi yang berbeda berlangsung sesuai dengan hukum distribusi Boltzmann dan mengarah pada munculnya magnetisasi longitudinal ekuilibrium makroskopik. M z. Waktu yang dibutuhkan untuk membuat M z setelah menyalakan medan magnet luar PADA 0, disebut waktu membujur atau putaran—kisi relaksasi (T satu). Pelanggaran distribusi keseimbangan inti terjadi di bawah aksi medan magnet frekuensi radio ( B 1), tegak lurus B 0 , yang menyebabkan transisi tambahan antara tingkat energi, disertai dengan penyerapan energi (fenomena resonansi magnetik nuklir). Frekuensi ν 0, di mana penyerapan energi oleh inti terjadi ( Larmorova atau frekuensi penyerapan resonansi), bervariasi tergantung pada nilai medan konstan B 0: ν 0 = γ B 0/2π. Pada saat resonansi, ada interaksi antara momen magnet inti individu dan medan PADA 1 , yang menghasilkan vektor M z dari posisi setimbangnya sepanjang sumbu z. Akibatnya, muncul magnetisasi melintang M xy. Perubahannya terkait dengan pertukaran di dalam sistem putaran dicirikan oleh waktu melintang atau berputar-putar relaksasi (T 2).

Ketergantungan intensitas penyerapan energi oleh inti dari jenis yang sama pada frekuensi medan magnet frekuensi radio pada nilai tetap PADA 0 disebut spektrum satu dimensiresonansi magnetik nuklir kernel jenis ini. Spektrum NMR dapat diperoleh dengan dua cara: dengan menyinari sampel secara terus-menerus dengan medan RF dengan frekuensi yang bervariasi, sebagai akibatnya spektrum NMR direkam secara langsung (spektroskopi paparan kontinu), atau dengan memaparkan sampel ke pulsa RF pendek ( spektroskopi berdenyut). Dalam spektroskopi NMR berdenyut, radiasi koheren peluruhan waktu yang dipancarkan oleh inti setelah kembali ke keadaan putaran awal ( sinyal peluruhan induksi gratis) diikuti dengan transformasi skala waktu menjadi frekuensi ( Transformasi Fourier).

Dalam molekul, elektron atom mengurangi besarnya medan magnet eksternal yang bekerja B 0 di lokasi kernel, mis. muncul perisai diamagnetik:

B lokasi = B 0 (1 – ),

B lok adalah intensitas medan yang dihasilkan;

adalah konstanta penyaringan.

Perbedaan frekuensi resonansi sinyal inti, sama dengan perbedaan konstanta penyaringannya, disebut pergeseran kimia sinyal, ditunjukkan oleh simbol δ , diukur dalam bagian per juta (ppm). Interaksi momen magnetik inti melalui elektron ikatan kimia ( interaksi spin-spin) menyebabkan pemisahan sinyal NMR ( multiplisitas, m). Jumlah komponen dalam kelipatan ditentukan oleh putaran inti dan jumlah inti yang berinteraksi. Ukuran interaksi spin-spin adalah konstanta kopling spin-spin (J, diukur dalam hertz, Hz). Nilai , m dan J tidak bergantung pada besarnya medan magnet konstan.

Intensitas sinyal NMR nuklir dalam spektrum ditentukan oleh populasi tingkat energinya. Dari inti dengan kelimpahan alami isotop, sinyal yang paling intens dihasilkan oleh inti hidrogen. Intensitas sinyal NMR juga dipengaruhi oleh waktu relaksasi longitudinal-transversal (besar T 1 menyebabkan penurunan intensitas sinyal).

Lebar sinyal NMR (perbedaan antara frekuensi pada setengah maksimum sinyal) tergantung pada T 1 dan T 2. waktu kecil T 1 dan T 2 menyebabkan sinyal spektrum yang lebar dan tidak ditafsirkan dengan baik.

Sensitivitas metode NMR (konsentrasi maksimum zat yang dapat dideteksi) tergantung pada intensitas sinyal nuklir. Untuk inti 1 H, sensitivitasnya adalah 10 -9 10 -11 mol.

Korelasi berbagai parameter spektral (misalnya, pergeseran kimia inti yang berbeda dalam sistem molekul yang sama) dapat diperoleh dengan metode homo- dan heteronuklear dalam format 2D atau 3D.

perangkat

Spektrometer pulsa NMR resolusi tinggi (NMR spectrometer) terdiri dari:

• magnet untuk menciptakan medan magnet konstan B 0 ;
• sensor suhu terkontrol dengan pemegang sampel untuk menerapkan pulsa RF dan mendeteksi radiasi yang dipancarkan oleh sampel;
• perangkat elektronik untuk membuat pulsa frekuensi radio, merekam, memperkuat dan mengubah sinyal peluruhan induksi bebas ke dalam bentuk digital;
• perangkat untuk menyetel dan menyesuaikan sirkuit elektronik;
• perangkat pengumpulan dan pemrosesan data (komputer);

dan mungkin juga termasuk:

sel aliran untuk kromatografi cair NMR atau analisis injeksi aliran;

• sistem untuk membuat gradien medan magnet berdenyut.

Medan magnet yang kuat dihasilkan oleh koil superkonduktivitas dalam bejana Dewar yang diisi dengan helium cair.

Fungsi yang tepat dari spektrometer NMR harus diperiksa. Untuk verifikasi, pengujian yang sesuai dilakukan, termasuk, sebagai aturan, pengukuran lebar garis spektral pada ketinggian setengah dari puncak tertentu dalam kondisi tertentu ( izin), reproduktifitas posisi sinyal dan rasio signal-to-noise (rasio antara intensitas sinyal tertentu dalam spektrum NMR dan fluktuasi acak di wilayah spektrum yang tidak mengandung sinyal dari analit, S/N) untuk campuran standar. Perangkat lunak spektrometer berisi algoritme untuk menentukan S/T. Semua produsen instrumen memberikan spesifikasi dan protokol pengukuran untuk parameter ini.

Spektroskopi NMR Sampel dalam Larutan

Metodologi

Sampel uji dilarutkan dalam pelarut yang dapat ditambahkan standar kalibrasi pergeseran kimia yang sesuai sebagaimana ditentukan dalam dokumen peraturan. Nilai pergeseran kimia relatif dari inti suatu zat (δ in-in) ditentukan oleh ekspresi berikut:

in-in \u003d (ν in-in - standar) / perangkat,

in-in - frekuensi resonansi inti zat, Hz;

etalon adalah frekuensi resonansi inti etalon, Hz;

perangkat adalah frekuensi operasi spektrometer NMR (frekuensi di mana kondisi resonansi untuk inti hidrogen terpenuhi untuk suatu B 0,MHz).

Untuk larutan dalam pelarut organik, pergeseran kimia dalam spektrum 1H dan 13C diukur relatif terhadap sinyal tetrametilsilane, yang posisinya diambil sebagai 0 ppm. Pergeseran kimia dihitung ke arah medan lemah (ke kiri) dari sinyal tetrametilsilane (delta adalah skala pergeseran kimia). Untuk larutan berair, natrium 2,2-dimetil-2-silanepentana-5-sulfonat digunakan sebagai referensi dalam spektrum 1 H NMR, pergeseran kimia proton dari gugus metil di antaranya adalah 0,015 ppm. Untuk spektrum larutan berair 13 C, dioksan digunakan sebagai referensi, pergeseran kimianya adalah 67,4 ppm.

Saat mengkalibrasi spektrum 19 F, asam trifluoroasetat atau triklorofluorometana digunakan sebagai standar utama dengan pergeseran kimia nol; spektrum 31 P - 85% larutan asam fosfat atau trimetil fosfat; spektrum 15 N - nitrometana atau larutan amonia jenuh. Dalam 1 H dan 13 C NMR, sebagai aturan, standar internal digunakan, yang langsung ditambahkan ke sampel uji. 15 N, 19 F, dan 31 P NMR sering menggunakan standar eksternal, yang diadakan secara terpisah dalam tabung silinder koaksial atau kapiler.

Ketika menggambarkan spektrum NMR, perlu untuk menunjukkan pelarut di mana zat dilarutkan dan konsentrasinya. Cairan mudah bergerak digunakan sebagai pelarut, di mana atom hidrogen digantikan oleh atom deuterium untuk mengurangi intensitas sinyal pelarut. Pelarut terdeuterasi dipilih berdasarkan kriteria berikut:

• 1) kelarutan senyawa uji di dalamnya;
• 2) tidak ada tumpang tindih antara sinyal proton residu dari pelarut terdeuterasi dan sinyal senyawa uji;
• 3) tidak ada interaksi antara pelarut dan senyawa uji, kecuali dinyatakan lain.

Atom pelarut memberikan sinyal yang mudah diidentifikasi oleh pergeseran kimianya dan dapat digunakan untuk mengkalibrasi sumbu pergeseran kimia (standar sekunder). Pergeseran kimia dari sinyal proton residu dari pelarut terdeuterasi memiliki nilai berikut (ppm): kloroform, 7,26; benzena, 7.16; air - 4,7; metanol -3,35 dan 4,78; dimetil sulfoksida - 2,50; aseton - 2,05; posisi sinyal air dan proton dari gugus hidroksil alkohol tergantung pada pH medium dan suhu.

Untuk analisis kuantitatif, larutan harus bebas dari partikel yang tidak larut. Untuk beberapa pengujian, mungkin perlu menambahkan standar internal untuk membandingkan intensitas pengujian dan referensi. Sampel standar yang sesuai dan konsentrasinya harus ditentukan dalam dokumentasi normatif. Setelah menempatkan sampel dalam tabung reaksi dan ditutup, sampel dimasukkan ke dalam magnet spektrometer NMR, parameter uji ditetapkan (parameter pengaturan, registrasi, digitalisasi sinyal peluruhan induksi bebas). Parameter uji utama yang diberikan dalam dokumentasi peraturan dicatat atau disimpan di komputer.

Untuk mencegah penyimpangan spektrum dari waktu ke waktu, prosedur stabilisasi (penguncian deuterium) dilakukan dengan menggunakan sinyal deuterium yang diinduksi oleh pelarut terdeuterasi, kecuali dinyatakan lain. Instrumen disesuaikan untuk mendapatkan kondisi resonansi paling optimal dan rasio maksimum S/T(berkilauan).

Selama pengujian, dimungkinkan untuk melakukan beberapa urutan siklus "impuls - akuisisi data - jeda" dengan penjumlahan berikutnya dari sinyal individu dari peluruhan induksi bebas dan rata-rata tingkat kebisingan. Waktu tunda antara urutan pulsa selama sistem putaran nuklir mengembalikan magnetisasinya ( D 1), untuk pengukuran kuantitatif harus melebihi waktu relaksasi longitudinal T 1: D 1 ≥ 5 T satu . Perangkat lunak spektrometer berisi algoritme untuk menentukan T satu . Jika nilai T 1 tidak diketahui, disarankan untuk menggunakan nilai D 1 = 25 detik.

Setelah melakukan transformasi Fourier, sinyal dalam representasi frekuensi dikalibrasi dengan standar yang dipilih dan intensitas relatifnya diukur dengan integrasi - mengukur rasio area sinyal resonansi. Dalam spektrum 13 C, hanya sinyal dari jenis yang sama yang terintegrasi. Akurasi integrasi sinyal tergantung pada rasio sinyal – kebisingan (S/T):

di mana kamu(Saya) adalah ketidakpastian standar integrasi.

Jumlah akumulasi peluruhan induksi bebas yang diperlukan untuk mencapai rasio yang memuaskan S/ N, harus diberikan dalam dokumentasi peraturan.

Bersamaan dengan satu dimensi untuk tujuan analisis, spektrum korelasi dua dimensi homo dan heteronuklir digunakan, berdasarkan urutan pulsa tertentu (COSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC, HETCOR, CIGAR, INADEQUATE, dll.). Dalam spektrum dua dimensi, interaksi antara inti memanifestasikan dirinya dalam bentuk sinyal yang disebut puncak silang. Posisi puncak silang ditentukan oleh nilai pergeseran kimia dari dua inti yang berinteraksi. Spektrum dua dimensi lebih disukai digunakan untuk menentukan komposisi campuran kompleks dan ekstrak, karena: probabilitas superposisi sinyal (puncak silang) dalam spektrum dua dimensi secara signifikan lebih rendah daripada kemungkinan superposisi sinyal dalam spektrum satu dimensi.

Untuk memperoleh spektrum heteronuklei dengan cepat (13 C, 15 N, dll.), digunakan metode (HSQC, HMBC) yang memungkinkan seseorang memperoleh spektrum inti lain pada inti 1 H menggunakan mekanisme interaksi heteronuklear.

Teknik DOSY, berdasarkan pencatatan hilangnya koherensi fase spin nuklir karena perpindahan translasi molekul di bawah aksi gradien medan magnet, memungkinkan untuk memperoleh spektrum senyawa individu (pemisahan spektral) dalam campuran tanpa pemisahan fisiknya. dan untuk menentukan ukuran, derajat agregasi, dan berat molekul objek molekul (molekul , makromolekul, kompleks molekul, sistem supramolekul).

Area penggunaan

Berbagai informasi struktural dan analitis yang terkandung dalam spektrum resonansi magnetik nuklir memungkinkan untuk menggunakan metode resonansi magnetik nuklir untuk analisis kualitatif dan kuantitatif. Penggunaan spektroskopi resonansi magnetik nuklir dalam analisis kuantitatif didasarkan pada proporsionalitas langsung dari konsentrasi molar inti magnetis aktif dengan intensitas integral dari sinyal penyerapan yang sesuai dalam spektrum.

1. Identifikasi zat aktif. Identifikasi zat aktif dilakukan dengan membandingkan spektrum sampel uji dengan spektrum sampel standar atau dengan spektrum referensi yang dipublikasikan. Spektrum sampel standar dan uji harus diperoleh dengan menggunakan metode dan kondisi yang sama. Puncak dalam spektrum yang dibandingkan harus bertepatan pada posisinya (penyimpangan nilai δ uji dan sampel standar dalam ± 0,1 ppm. untuk resonansi magnetik nuklir 1 N dan ± 0,5 ppm. untuk resonansi magnetik nuklir 13 C), intensitas dan multiplisitas terintegrasi, yang nilainya harus diberikan saat menggambarkan spektrum. Dengan tidak adanya sampel standar, sampel standar farmakope dapat digunakan, identitas yang dikonfirmasi oleh interpretasi struktural independen dari data spektral dan metode alternatif.

Saat mengkonfirmasi keaslian sampel komposisi non-stoikiometrik (misalnya, polimer alami dengan komposisi variabel), puncak uji dan sampel standar diperbolehkan untuk berbeda dalam posisi dan intensitas integral dari sinyal. Spektrum yang akan dibandingkan harus serupa, yaitu mengandung daerah karakteristik yang sama dari sinyal, mengkonfirmasi kebetulan komposisi fragmen dari sampel uji dan standar.

Untuk menetapkan keaslian campuran zat (ekstrak), spektrum NMR satu dimensi dapat digunakan secara keseluruhan, sebagai "sidik jari" suatu objek, tanpa merinci nilai dan multiplisitas sinyal individu. Dalam kasus penggunaan spektroskopi NMR dua dimensi dalam deskripsi spektrum (fragmen spektrum) yang diklaim keasliannya, nilai puncak silang harus diberikan.

1. Identifikasi bahan asing/pelarut organik sisa. Identifikasi pengotor/pelarut organik sisa dilakukan serupa dengan identifikasi zat aktif, memperketat persyaratan sensitivitas dan resolusi digital.
2. Penentuan kandungan pengotor asing / residu pelarut organik dalam kaitannya dengan zat aktif. Metode NMR adalah metode absolut langsung untuk menentukan rasio molar zat aktif dan senyawa pengotor ( n/n ketidakmurnian):

di mana S‘ dan S‘ pengotor - nilai yang dinormalisasi dari intensitas integral dari sinyal zat aktif dan pengotor.

Normalisasi dilakukan sesuai dengan jumlah inti dalam fragmen struktural, yang menentukan sinyal yang diukur.

Fraksi massa pengotor / residu pelarut organik relatif terhadap zat aktif ( X pr) ditentukan oleh rumus:

M pr adalah berat molekul pengotor;

M adalah berat molekul zat aktif;

S‘ pr adalah nilai yang dinormalisasi dari intensitas integral dari sinyal pengotor;

S'– nilai yang dinormalisasi dari intensitas integral dari sinyal zat aktif.

1. Penentuan kuantitatif kandungan zat (zat aktif, pengotor / pelarut sisa) dalam zat farmasi. Kandungan mutlak materi dalam zat farmasi, ditentukan oleh metode standar internal, yang dipilih sebagai zat yang sinyalnya dekat dengan sinyal analit, tanpa tumpang tindih dengannya. Intensitas sinyal analit dan standar tidak boleh berbeda secara signifikan.

Persentase analit dalam sampel uji dalam hal bahan kering ( x,% massa) dihitung dengan rumus:

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

S' adalah nilai normal dari intensitas integral dari sinyal analit;

S' 0 adalah nilai normal dari intensitas sinyal terintegrasi standar;

M adalah berat molekul analit;

M 0 – berat molekul;

sebuah- penimbangan contoh uji;

sebuah 0- berat bahan standar;

W- kadar air, %.

Senyawa berikut dapat digunakan sebagai standar: asam maleat (2H; 6,60 ppm, M= 116,07), benzil benzoat (2H; 5,30 ppm, M= 212.25), asam malonat (2H; 3,30 ppm, M= 104,03), suksinimida (4H; 2,77 ppm, M= 99,09), asetanilida (3H; 2,12 ppm, M = 135,16), tert-butanol (9H; 1,30 ppm, M = 74,12).

Kandungan zat relatif sebagai proporsi komponen dalam campuran komponen zat farmasi ditentukan dengan metode normalisasi internal. geraham ( X mol) dan massa ( X massa) fraksi komponen saya dalam campuran n zat ditentukan oleh rumus:

1. Penentuan berat molekul protein dan polimer. Berat molekul protein dan polimer ditentukan dengan membandingkan mobilitasnya dengan senyawa referensi yang berat molekulnya diketahui menggunakan teknik DOSY. Koefisien difusi diri diukur ( D) dari sampel uji dan standar, buat grafik ketergantungan logaritma dari berat molekul senyawa standar pada logaritma D. Dari grafik yang diperoleh, berat molekul yang tidak diketahui dari sampel uji ditentukan dengan regresi linier. Penjelasan lengkap tentang eksperimen DOSY harus diberikan dalam dokumentasi peraturan.

Spektroskopi NMR padatan

Sampel dalam keadaan padat dianalisis menggunakan spektrometer NMR yang dilengkapi secara khusus. Operasi teknis tertentu (rotasi sampel bubuk dalam rotor yang miring pada sudut ajaib (54,7°) terhadap sumbu medan magnet PADA 0 , penurunan gaya, transfer polarisasi dari inti yang sangat mudah tereksitasi ke inti yang kurang terpolarisasi - polarisasi silang) memungkinkan untuk memperoleh spektrum resolusi tinggi dari senyawa organik dan anorganik. Penjelasan lengkap tentang prosedur harus diberikan dalam dokumentasi peraturan. Area utama penerapan spektroskopi NMR jenis ini adalah studi polimorfisme obat padat.

Resonansi magnetik nuklir
resonansi magnetik nuklir

Resonansi magnetik nuklir (NMR) - penyerapan resonansi gelombang elektromagnetik oleh inti atom, yang terjadi ketika orientasi vektor momen momentum (berputar) mereka sendiri berubah. NMR terjadi pada sampel yang ditempatkan dalam medan magnet konstan yang kuat, sementara secara bersamaan memaparkannya ke medan elektromagnetik bolak-balik yang lemah dari rentang frekuensi radio (garis gaya medan bolak-balik harus tegak lurus terhadap garis gaya medan konstan). Untuk inti hidrogen (proton) dalam medan magnet konstan dengan kekuatan 10 4 oersted, resonansi terjadi pada frekuensi gelombang radio 42,58 MHz. Untuk inti lain dalam medan magnet 103-104 oersted NMR diamati pada rentang frekuensi 1-10 MHz. NMR banyak digunakan dalam fisika, kimia dan biokimia untuk mempelajari struktur padatan dan molekul kompleks. Dalam kedokteran, menggunakan NMR dengan resolusi 0,5-1 mm, gambar spasial organ dalam seseorang diperoleh.

Mari kita perhatikan fenomena NMR pada contoh nukleus paling sederhana - hidrogen. Inti hidrogen adalah proton, yang memiliki nilai tertentu dari momen momentum mekanisnya sendiri (putaran). Sesuai dengan mekanika kuantum, vektor spin proton hanya dapat memiliki dua arah yang saling berlawanan di ruang angkasa, yang secara konvensional dilambangkan dengan kata "naik" dan "turun". Proton juga memiliki momen magnet, yang arah vektornya terikat secara kaku dengan arah vektor putaran. Oleh karena itu, vektor momen magnet proton dapat diarahkan baik "naik" atau "bawah". Dengan demikian, proton dapat direpresentasikan sebagai magnet mikroskopis dengan dua kemungkinan orientasi di ruang angkasa. Jika Anda menempatkan proton dalam medan magnet konstan eksternal, maka energi proton di medan ini akan bergantung pada arah momen magnetnya. Energi sebuah proton akan lebih besar jika momen magnetnya (dan putaran) diarahkan ke arah yang berlawanan dengan medan. Mari kita nyatakan energi ini sebagai E . Jika momen magnet (putaran) proton diarahkan ke arah yang sama dengan medan, maka energi proton, dilambangkan E, akan lebih kecil (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.
Mari kita beralih dari satu proton ke sampel makroskopik hidrogen yang mengandung sejumlah besar proton. Situasinya akan terlihat seperti ini. Dalam sampel, karena rata-rata orientasi putaran acak, jumlah proton yang kira-kira sama, ketika medan magnet eksternal konstan diterapkan, akan muncul relatif terhadap medan ini dengan putaran diarahkan "atas" dan "bawah". Penyinaran suatu sampel dengan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi = (E E )/ћ akan menimbulkan spin flip (momen magnetik) proton yang “massive”, akibatnya semua proton sampel akan berada dalam keadaan dengan putaran yang diarahkan pada bidang. Perubahan besar dalam orientasi proton akan disertai dengan penyerapan (resonansi) kuanta (dan energi) yang tajam dari medan elektromagnetik penyinaran. Ini adalah NMR. NMR hanya dapat diamati pada sampel dengan sejumlah besar inti (10 16) menggunakan teknik khusus dan instrumen yang sangat sensitif.