Resonansi magnetik nuklir (NMR) adalah spektroskopi nuklir yang banyak digunakan dalam semua ilmu fisika dan industri. Dalam NMR untuk menyelidiki sifat putaran intrinsik inti atom magnet besar digunakan. Seperti spektroskopi lainnya, ia menggunakan radiasi elektromagnetik (gelombang frekuensi radio dalam rentang VHF) untuk menciptakan transisi antar tingkat energi (resonansi). Dalam kimia, NMR membantu menentukan struktur molekul kecil. Resonansi magnetik nuklir dalam kedokteran telah diterapkan dalam pencitraan resonansi magnetik (MRI).

Pembukaan

NMR ditemukan pada tahun 1946 oleh ilmuwan Universitas Harvard Purcell, Pound, dan Torrey, serta Bloch, Hansen, dan Packard di Stanford. Mereka memperhatikan bahwa inti 1 H dan 31 P (proton dan fosfor-31) mampu menyerap energi frekuensi radio ketika terkena medan magnet, yang kekuatannya spesifik untuk setiap atom. Ketika diserap, mereka mulai beresonansi, setiap elemen memiliki frekuensinya sendiri. Pengamatan ini memungkinkan dilakukannya analisis rinci tentang struktur molekul. Sejak itu, NMR telah diterapkan dalam studi kinetik dan struktur padatan, cairan, dan gas, sehingga menghasilkan penghargaan 6 Hadiah Nobel.

Sifat putaran dan kemagnetan

Inti atom terdiri dari partikel-partikel elementer yang disebut neutron dan proton. Mereka memiliki momentum sudutnya sendiri, yang disebut putaran. Seperti elektron, putaran inti dapat dijelaskan dengan bilangan kuantum I dan medan magnet m. Inti atom dengan jumlah proton dan neutron genap memiliki putaran nol, dan inti atom lainnya memiliki putaran bukan nol. Selain itu, molekul dengan putaran bukan nol memiliki momen magnet μ = γ SAYA, dimana γ adalah rasio gyromagnetik, konstanta proporsionalitas antara momen dipol magnet dan momen sudut, yang berbeda untuk setiap atom.

Momen magnetis inti menyebabkannya berperilaku seperti magnet kecil. Dengan tidak adanya medan magnet luar, setiap magnet berorientasi secara acak. Selama percobaan NMR, sampel ditempatkan dalam medan magnet luar B0, yang menyebabkan magnet batang berenergi rendah sejajar ke arah B0 dan magnet batang berenergi tinggi berlawanan arah. Dalam hal ini terjadi perubahan orientasi putaran magnet. Untuk memahami konsep yang agak abstrak ini, kita harus mempertimbangkan tingkat energi inti selama percobaan NMR.

Tingkat energi

Untuk membalik putaran, diperlukan bilangan bulat kuanta. Untuk setiap m terdapat tingkat energi 2m + 1. Untuk putaran 1/2 inti hanya ada 2 - yang rendah, ditempati oleh putaran yang sejajar dengan B0, dan yang tinggi, ditempati oleh putaran yang sejajar dengan B0. Setiap tingkat energi ditentukan oleh ekspresi E = -mℏγB 0, dengan m adalah bilangan kuantum magnetik, dalam hal ini +/- 1/2. Tingkat energi untuk m > 1/2, yang dikenal sebagai inti kuadrupol, lebih kompleks.

Perbedaan energi antar level sama dengan: ΔE = ℏγB 0, dimana ℏ adalah konstanta Planck.

Seperti dapat dilihat, kekuatan medan magnet sangat penting, karena jika tidak ada, tingkatnya akan merosot.

Transisi energi

Agar resonansi magnetik nuklir dapat terjadi, putaran balik antar tingkat energi harus terjadi. Perbedaan energi antara kedua keadaan tersebut berhubungan dengan energi radiasi elektromagnetik, yang menyebabkan inti atom mengubah tingkat energinya. Untuk kebanyakan Spektrometer NMR B 0 berorde 1 Tesla (T), dan berorde 10 7. Oleh karena itu, radiasi elektromagnetik yang dibutuhkan adalah sekitar 10 7 Hz. Energi foton dinyatakan dengan rumus E = hν. Oleh karena itu, frekuensi yang diperlukan untuk penyerapan adalah: ν= γB 0 /2π.

Perisai nuklir

Fisika NMR didasarkan pada konsep pelindung nuklir, yang memungkinkan penentuan struktur materi. Setiap atom dikelilingi oleh elektron yang mengorbit inti dan bekerja berdasarkan medan magnetnya, yang pada gilirannya menyebabkan perubahan kecil pada tingkat energi. Ini disebut perisai. Inti yang mengalami medan magnet berbeda yang terkait dengan interaksi elektronik lokal disebut tidak setara. Mengubah tingkat energi menjadi spin flip memerlukan frekuensi berbeda, yang menciptakan puncak baru dalam spektrum NMR. Penyaringan memungkinkan penentuan struktur molekul dengan menganalisis sinyal NMR menggunakan transformasi Fourier. Hasilnya adalah spektrum yang terdiri dari sekumpulan puncak, masing-masing berhubungan dengan lingkungan kimia yang berbeda. Luas puncak berbanding lurus dengan jumlah inti. Informasi struktur terperinci diekstraksi oleh interaksi NMR, mengubah spektrum dengan cara yang berbeda.

Relaksasi

Relaksasi mengacu pada fenomena inti kembali ke tempatnya semula secara termodinamika keadaan yang stabil setelah eksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi. Ini melepaskan energi yang diserap selama transisi dari tingkat yang lebih rendah ke tingkat yang lebih tinggi. Ini adalah proses yang agak rumit yang terjadi dalam jangka waktu yang berbeda. Dua yang paling banyak umum jenis relaksasi adalah spin-lattice dan spin-spin.

Untuk memahami relaksasi, perlu mempertimbangkan keseluruhan polanya. Jika inti ditempatkan dalam medan magnet luar, maka akan tercipta magnetisasi volume sepanjang sumbu Z. Putarannya juga koheren dan memungkinkan sinyal terdeteksi. NMR menggeser magnetisasi massal dari sumbu Z ke bidang XY, tempat magnetisasi tersebut muncul.

Relaksasi spin-lattice ditandai dengan waktu yang dibutuhkan T 1 untuk mengembalikan 37% magnetisasi volume sepanjang sumbu Z. Semakin efisien proses relaksasi, semakin rendah T 1 . Dalam zat padat, karena pergerakan antar molekul terbatas, waktu relaksasinya lama. Pengukuran biasanya dilakukan dengan menggunakan metode berdenyut.

Relaksasi putaran-putaran ditandai dengan hilangnya waktu koherensi timbal balik T 2 . Ini mungkin kurang dari atau sama dengan T1.

Resonansi magnetik nuklir dan penerapannya

Dua bidang utama dimana NMR terbukti sangat penting adalah kedokteran dan kimia, namun penerapan baru terus dikembangkan setiap hari.

Pencitraan resonansi magnetik nuklir, lebih dikenal sebagai pencitraan resonansi magnetik (MRI), adalah alat diagnostik medis yang penting, digunakan untuk mempelajari fungsi dan struktur tubuh manusia. Ini memungkinkan Anda memperoleh gambar detail organ apa pun, terutama jaringan lunak, di semua bidang yang memungkinkan. Digunakan di bidang pencitraan kardiovaskular, neurologis, muskuloskeletal, dan onkologi. Tidak seperti pencitraan komputer alternatif, pencitraan resonansi magnetik tidak menggunakan radiasi pengion dan oleh karena itu sepenuhnya aman.

MRI dapat mendeteksi perubahan halus yang terjadi seiring waktu. Pencitraan NMR dapat digunakan untuk mengidentifikasi kelainan struktural yang terjadi selama perjalanan penyakit, bagaimana kelainan tersebut mempengaruhi perkembangan selanjutnya, dan bagaimana perkembangan kelainan tersebut berkorelasi dengan aspek mental dan emosional dari kelainan tersebut. Karena MRI tidak memvisualisasikan tulang dengan baik, MRI menghasilkan gambar intrakranial dan tulang yang sangat bagus intravertebral isi.

Prinsip penggunaan resonansi magnetik nuklir dalam diagnostik

Selama prosedur MRI, pasien dibaringkan di dalam magnet silinder berongga besar dan terkena medan magnet yang kuat dan berkelanjutan. Atom-atom berbeda di bagian tubuh yang dipindai beresonansi pada frekuensi medan berbeda. MRI digunakan terutama untuk mendeteksi getaran atom hidrogen, yang mengandung inti proton berputar yang memiliki medan magnet kecil. Dalam MRI, medan magnet latar belakang menyejajarkan semua atom hidrogen dalam jaringan. Medan magnet kedua, yang arahnya berbeda dari medan latar belakang, menyala dan mati berkali-kali per detik. Pada frekuensi tertentu, atom beresonansi dan sejajar dengan medan kedua. Saat dimatikan, atom memantul kembali, sejajar dengan latar belakang. Ini menciptakan sinyal yang dapat diterima dan diubah menjadi gambar.

Jaringan dengan sejumlah besar hidrogen, yang terdapat dalam tubuh manusia sebagai bagian dari air, menghasilkan gambar yang cerah, dan dengan sedikit atau tanpa kandungan hidrogen (misalnya tulang) terlihat gelap. Kecerahan MRI ditingkatkan dengan zat kontras seperti gadodiamide, yang dikonsumsi pasien sebelum prosedur. Meskipun agen ini dapat meningkatkan kualitas gambar, sensitivitas prosedurnya masih relatif terbatas. Metode sedang dikembangkan untuk meningkatkan sensitivitas MRI. Yang paling menjanjikan adalah penggunaan parahidrogen, suatu bentuk hidrogen dengan sifat putaran molekul unik yang sangat sensitif terhadap medan magnet.

Perbaikan karakteristik medan magnet yang digunakan dalam MRI telah mengarah pada pengembangan teknik pencitraan yang sangat sensitif seperti difusi dan MRI fungsional, yang dirancang untuk menggambarkan sifat jaringan yang sangat spesifik. Selain itu, bentuk unik dari teknologi MRI yang disebut angiografi resonansi magnetik digunakan untuk menggambarkan pergerakan darah. Hal ini memungkinkan Anda untuk memvisualisasikan arteri dan vena tanpa memerlukan jarum, kateter, atau zat kontras. Seperti halnya MRI, teknik ini telah membantu merevolusi penelitian dan diagnostik biomedis.

Teknologi komputer canggih telah memungkinkan ahli radiologi membuat hologram tiga dimensi dari bagian digital yang diperoleh pemindai MRI, yang digunakan untuk menentukan lokasi kerusakan secara tepat. Tomografi sangat berguna untuk memeriksa otak dan sumsum tulang belakang, serta organ panggul seperti kandung kemih dan tulang kanselus. Metode ini dapat dengan cepat dan akurat menentukan tingkat kerusakan tumor dan menilai potensi kerusakan akibat stroke, sehingga dokter dapat meresepkan pengobatan yang tepat pada waktu yang tepat. MRI sebagian besar telah menggantikan artrografi, kebutuhan untuk menyuntikkan bahan kontras ke dalam sendi untuk memvisualisasikan kerusakan tulang rawan atau ligamen, dan mielografi, penyuntikan bahan kontras ke dalam kanal tulang belakang untuk memvisualisasikan kelainan sumsum tulang belakang atau diskus intervertebralis.

Aplikasi dalam kimia

Banyak laboratorium saat ini menggunakan resonansi magnetik nuklir untuk menentukan struktur senyawa kimia dan biologi yang penting. Dalam spektrum NMR, puncak yang berbeda memberikan informasi tentang lingkungan kimia spesifik dan ikatan antar atom. Paling umum Isotop yang digunakan untuk mendeteksi sinyal resonansi magnetik adalah 1 H dan 13 C, tetapi banyak isotop lain yang cocok, seperti 2 H, 3 He, 15 N, 19 F, dll.

Spektroskopi NMR modern telah diterapkan secara luas dalam sistem biomolekuler dan memainkan peran penting dalam biologi struktural. Dengan berkembangnya metodologi dan alat, NMR telah menjadi salah satu metode spektroskopi yang paling kuat dan serbaguna untuk analisis biomakromolekul, yang memungkinkan karakterisasi biomakromolekul dan kompleksnya hingga berukuran 100 kDa. Bersama dengan kristalografi sinar-X, hal ini menjadi satu dari dua teknologi terkemuka untuk menentukan strukturnya pada tingkat atom. Selain itu, NMR memberikan informasi unik dan penting tentang fungsi protein, yang memainkan peran penting dalam pengembangan obat. Beberapa kegunaannya Spektroskopi NMR diberikan di bawah ini.

• Ini adalah satu-satunya metode untuk menentukan struktur atom biomakromolekul dalam larutan air pada jarak dekat fisiologis kondisi atau lingkungan yang meniru membran.
• Dinamika molekul. Ini yang paling ampuh metode penentuan kuantitatif sifat dinamis biomakromolekul.
• Lipatan protein. Spektroskopi NMR adalah alat paling ampuh untuk menentukan struktur sisa protein yang tidak terlipat dan mediator pelipatan.
• keadaan ionisasi. Metode tersebut efektif dalam menentukan sifat kimia gugus fungsi dalam biomakromolekul, seperti ionisasi keadaan kelompok situs aktif enzim yang dapat terionisasi.
• Resonansi magnetik nuklir memungkinkan studi tentang interaksi fungsional yang lemah antara makrobimolekul (misalnya, dengan konstanta disosiasi dalam rentang mikromolar dan milimolar), yang tidak dapat dilakukan dengan menggunakan metode lain.
• Hidrasi protein. NMR adalah alat untuk mendeteksi air internal dan interaksinya dengan biomakromolekul.
• Ini unik metode deteksi interaksi langsung ikatan hidrogen.
• Skrining dan pengembangan obat. Secara khusus, resonansi magnetik nuklir sangat berguna dalam mengidentifikasi obat dan menentukan konformasi senyawa yang terkait dengan enzim, reseptor, dan protein lainnya.
• Protein membran asli. NMR solid-state mempunyai potensi penentuan struktur atom domain protein membran di lingkungan membran asli, termasuk dengan ligan terikat.
• Analisis metabolik.
• Analisis kimia. Identifikasi kimia dan analisis konformasi bahan kimia sintetis dan alami.
• Ilmu Material. Alat yang ampuh dalam studi kimia polimer dan fisika.

Aplikasi lain

Resonansi magnetik nuklir dan penerapannya tidak terbatas pada kedokteran dan kimia. Metode ini telah terbukti sangat berguna dalam bidang lain seperti pengujian iklim, industri perminyakan, pengendalian proses, NMR bidang bumi, dan magnetometer. Pengujian non-destruktif menghemat sampel biologis yang mahal, yang dapat digunakan kembali jika diperlukan pengujian lebih lanjut. Resonansi magnetik nuklir dalam geologi digunakan untuk mengukur porositas batuan dan permeabilitas cairan bawah tanah. Magnetometer digunakan untuk mengukur berbagai medan magnet.

Resonansi magnetik nuklir (NMR) adalah metode diagnostik yang paling aman

Terima kasih

Situs ini menyediakan informasi referensi untuk tujuan informasi saja. Diagnosis dan pengobatan penyakit harus dilakukan di bawah pengawasan dokter spesialis. Semua obat memiliki kontraindikasi. Konsultasi dengan spesialis diperlukan!

Informasi Umum

Fenomena resonansi magnetik nuklir (NMR) ditemukan pada tahun 1938 oleh Rabbi Isaac. Fenomena tersebut didasari oleh adanya sifat kemagnetan pada inti atom. Baru pada tahun 2003 sebuah metode ditemukan untuk menggunakan fenomena ini untuk tujuan diagnostik dalam pengobatan. Untuk penemuan ini, penulisnya menerima Hadiah Nobel. Dalam spektroskopi, tubuh yang sedang dipelajari ( yaitu tubuh pasien) ditempatkan dalam medan elektromagnetik dan disinari dengan gelombang radio. Ini adalah metode yang sepenuhnya aman ( tidak seperti, misalnya, tomografi komputer), yang memiliki tingkat resolusi dan sensitivitas yang sangat tinggi.

Penerapan di bidang ekonomi dan sains

1. Dalam kimia dan fisika untuk mengidentifikasi zat yang ikut serta dalam reaksi, serta hasil akhir reaksi,
2. Dalam farmakologi untuk produksi obat,
3. Di bidang pertanian, untuk menentukan komposisi kimia gabah dan kesiapan untuk disemai ( sangat berguna dalam pemuliaan spesies baru),
4. Dalam kedokteran - untuk diagnosis. Metode yang sangat informatif untuk mendiagnosis penyakit tulang belakang, khususnya cakram intervertebralis. Memungkinkan untuk mendeteksi pelanggaran terkecil sekalipun terhadap integritas disk. Mendeteksi tumor kanker pada tahap awal pembentukannya.

Inti dari metode ini

Metode resonansi magnetik nuklir didasarkan pada fakta bahwa pada saat benda berada dalam medan magnet yang sangat kuat yang disetel secara khusus ( 10.000 kali lebih kuat dari medan magnet planet kita), molekul air yang terdapat di seluruh sel tubuh membentuk rantai yang letaknya sejajar dengan arah medan magnet.

Jika Anda tiba-tiba mengubah arah medan, molekul air melepaskan partikel listrik. Muatan inilah yang dideteksi oleh sensor perangkat dan dianalisis oleh komputer. Berdasarkan intensitas konsentrasi air di dalam sel, komputer membuat model organ atau bagian tubuh yang sedang dipelajari.

Di pintu keluar, dokter memiliki gambar monokrom di mana Anda dapat melihat bagian tipis organ dengan sangat detail. Dalam hal kandungan informasi, metode ini secara signifikan melebihi tomografi komputer. Kadang-kadang diberikan lebih banyak rincian tentang organ yang diperiksa daripada yang diperlukan untuk diagnosis.

Jenis spektroskopi resonansi magnetik

• Cairan biologis,
• Organ dalam.

Teknik ini memungkinkan untuk memeriksa secara detail seluruh jaringan tubuh manusia, termasuk air. Semakin banyak cairan dalam jaringan, semakin terang dan cerah gambarnya. Tulang yang hanya mengandung sedikit air digambarkan berwarna gelap. Oleh karena itu, computer tomography lebih informatif dalam mendiagnosis penyakit tulang.

Teknik perfusi resonansi magnetik memungkinkan untuk memantau pergerakan darah melalui jaringan hati dan otak.

Saat ini dalam dunia kedokteran nama tersebut lebih banyak digunakan MRI (Pencitraan resonansi magnetik ), karena penyebutan reaksi nuklir dalam judulnya membuat pasien takut.

Indikasi

1. Penyakit otak
2. Studi tentang fungsi bagian otak,
3. Penyakit sendi,
4. Penyakit sumsum tulang belakang,
5. Penyakit pada organ dalam rongga perut,
6. Penyakit pada sistem kemih dan reproduksi,
7. Penyakit mediastinum dan jantung,
8. Penyakit pembuluh darah.

Kontraindikasi

Kontraindikasi absolut:
1. Alat pacu jantung,
2. Prostesis telinga tengah elektronik atau feromagnetik,
3. Peralatan Ilizarov feromagnetik,
4. Prostesis internal logam besar,
5. Klem hemostatik pembuluh darah otak.

Kontraindikasi relatif:
1. Stimulan sistem saraf,
2. Pompa insulin,
3. Jenis prostesis telinga bagian dalam lainnya,
4. Katup jantung prostetik,
5. Klem hemostatik pada organ lain,
6. Kehamilan ( perlu untuk mendapatkan pendapat dokter kandungan),
7. Gagal jantung pada tahap dekompensasi,
8. Klaustrofobia ( takut akan ruang terbatas).

Mempersiapkan studi

Persiapan khusus hanya diperlukan bagi pasien yang sedang menjalani pemeriksaan organ dalam ( saluran genitourinari dan pencernaan): Anda tidak boleh makan makanan lima jam sebelum prosedur.
Jika kepala sedang diperiksa, kaum hawa disarankan untuk menghapus riasan, karena zat yang terkandung dalam kosmetik ( misalnya pada eye shadow), dapat mempengaruhi hasil. Semua perhiasan logam harus dilepas.
Terkadang staf medis akan memeriksa pasien menggunakan detektor logam portabel.

Bagaimana penelitian dilakukan?

Sebelum memulai penelitian, setiap pasien mengisi kuesioner untuk membantu mengidentifikasi kontraindikasi.

Alat tersebut berupa tabung lebar dimana pasien ditempatkan dalam posisi horizontal. Pasien harus tetap diam, jika tidak, gambarnya tidak akan cukup jelas. Bagian dalam pipa tidak gelap dan terdapat ventilasi segar sehingga kondisi prosedur cukup nyaman. Beberapa instalasi menghasilkan dengungan yang nyata, kemudian orang yang diperiksa memakai headphone penyerap kebisingan.

Durasi pemeriksaan dapat berkisar antara 15 menit hingga 60 menit.
Beberapa pusat kesehatan mengizinkan kerabat atau orang yang mendampingi untuk mendampingi pasien di ruangan tempat penelitian dilakukan ( jika tidak memiliki kontraindikasi).

Di beberapa pusat kesehatan, ahli anestesi memberikan obat penenang. Dalam kasus ini, prosedur ini lebih mudah untuk ditoleransi, terutama bagi pasien yang menderita klaustrofobia, anak kecil, atau pasien yang karena alasan tertentu merasa sulit untuk tetap diam. Pasien jatuh ke dalam kondisi tidur terapeutik dan keluar dari keadaan istirahat dan segar kembali. Obat-obatan yang digunakan cepat dikeluarkan dari tubuh dan aman bagi pasien.

Hasil pemeriksaan akan siap dalam waktu 30 menit setelah prosedur berakhir. Hasilnya dikeluarkan dalam bentuk DVD, laporan dokter dan foto.

Penggunaan agen kontras di NMR

Paling sering, prosedur dilakukan tanpa menggunakan kontras. Namun, dalam beberapa kasus hal ini diperlukan ( untuk penelitian vaskular). Dalam hal ini, zat kontras dimasukkan secara intravena menggunakan kateter. Prosedurnya mirip dengan suntikan intravena lainnya. Untuk jenis penelitian ini, zat khusus digunakan - paramagnet. Ini adalah zat magnetis lemah, yang partikelnya, ketika berada dalam medan magnet luar, dimagnetisasi sejajar dengan garis medan.

Kontraindikasi penggunaan media kontras:

• kehamilan,
• Intoleransi individu terhadap komponen zat kontras, yang diidentifikasi sebelumnya.

Pemeriksaan pembuluh darah (angiografi resonansi magnetik)

Dengan menggunakan metode ini, Anda dapat memantau keadaan jaringan peredaran darah dan pergerakan darah melalui pembuluh.
Terlepas dari kenyataan bahwa metode ini memungkinkan untuk "melihat" pembuluh darah tanpa zat kontras, dengan penggunaannya gambarnya menjadi lebih jelas.
Instalasi 4-D khusus memungkinkan pemantauan pergerakan darah hampir secara real time.

Indikasi:

• Kelainan jantung bawaan,
• Aneurisma, diseksi,
• Stenosis pembuluh darah,

Penelitian otak

Ini adalah tes otak yang tidak menggunakan sinar radioaktif. Metode ini memungkinkan Anda melihat tulang tengkorak, namun Anda bisa memeriksa jaringan lunaknya lebih detail. Metode diagnostik yang sangat baik dalam bedah saraf, serta neurologi. Memungkinkan untuk mendeteksi konsekuensi dari memar dan gegar otak lama, stroke, serta neoplasma.
Biasanya diresepkan untuk kondisi seperti migrain yang etiologinya tidak diketahui, gangguan kesadaran, neoplasma, hematoma, dan kurangnya koordinasi.

MRI otak memeriksa:

• pembuluh darah utama leher,
• pembuluh darah yang menyuplai otak
• jaringan otak,
• orbit rongga mata,
• bagian otak yang lebih dalam ( otak kecil, kelenjar pineal, kelenjar pituitari, oblongata dan bagian perantara).

NMR fungsional

Diagnosis ini didasarkan pada fakta bahwa ketika bagian otak mana pun yang bertanggung jawab atas fungsi tertentu diaktifkan, sirkulasi darah di area tersebut meningkat.
Orang yang diperiksa diberi berbagai tugas, dan selama pelaksanaannya, peredaran darah di berbagai bagian otak dicatat. Data yang diperoleh selama percobaan dibandingkan dengan tomogram yang diperoleh selama waktu istirahat.

Pemeriksaan tulang belakang

Metode ini sangat baik untuk mempelajari ujung saraf, otot, sumsum tulang dan ligamen, serta cakram intervertebralis. Tetapi dalam kasus patah tulang belakang atau kebutuhan untuk mempelajari struktur tulang, ini lebih rendah daripada tomografi komputer.

Anda dapat memeriksa seluruh tulang belakang, atau Anda hanya dapat memeriksa area yang menjadi perhatian: serviks, toraks, lumbosakral, dan juga tulang ekor secara terpisah. Jadi, saat memeriksa tulang belakang leher, patologi pembuluh darah dan tulang belakang yang mempengaruhi suplai darah ke otak dapat dideteksi.
Pemeriksaan daerah pinggang dapat mengungkapkan hernia intervertebralis, perlengketan tulang dan tulang rawan, serta saraf terjepit.

Indikasi:

• Perubahan bentuk diskus intervertebralis, termasuk hernia,
• Cedera punggung dan tulang belakang
• Osteochondrosis, proses distrofi dan inflamasi pada tulang,
• Neoplasma.

Pemeriksaan sumsum tulang belakang

Dilakukan bersamaan dengan pemeriksaan tulang belakang.

Indikasi:

• Kemungkinan neoplasma sumsum tulang belakang, lesi fokal,
• Untuk mengontrol pengisian rongga sumsum tulang belakang dengan cairan serebrospinal,
• Kista sumsum tulang belakang,
• Untuk memantau pemulihan setelah operasi,
• Jika ada risiko penyakit sumsum tulang belakang.

Pemeriksaan bersama

Metode penelitian ini sangat efektif untuk mempelajari kondisi jaringan lunak penyusun sendi.

Digunakan untuk diagnostik:

• Artritis kronis,
• Cedera tendon, otot dan ligamen ( terutama sering digunakan dalam kedokteran olahraga),
• Perelomov,
• Neoplasma jaringan lunak dan tulang,
• Kerusakan tidak terdeteksi oleh metode diagnostik lain.

Cocok untuk:

• Pemeriksaan sendi panggul untuk osteomielitis, nekrosis kepala femoralis, fraktur stres, artritis septik,
• Pemeriksaan sendi lutut untuk fraktur stres, pelanggaran integritas beberapa komponen internal ( meniskus, tulang rawan),
• Pemeriksaan sendi bahu untuk mengetahui adanya dislokasi, saraf terjepit, pecahnya kapsul sendi,
• Pemeriksaan sendi pergelangan tangan jika terjadi ketidakstabilan, patah tulang multipel, terjepitnya saraf median, dan kerusakan ligamen.

Pemeriksaan sendi temporomandibular

Diresepkan untuk mengetahui penyebab disfungsi sendi. Studi ini mengungkapkan secara lengkap kondisi tulang rawan dan otot serta memungkinkan untuk mendeteksi dislokasi. Ini juga digunakan sebelum operasi ortodontik atau ortopedi.

Indikasi:

• Gangguan mobilitas rahang bawah,
• Bunyi klik saat membuka dan menutup mulut,
• Nyeri pada pelipis saat membuka dan menutup mulut,
• Nyeri saat meraba otot pengunyahan,
• Nyeri pada otot leher dan kepala.

Pemeriksaan organ dalam rongga perut

Pemeriksaan pankreas dan hati diresepkan untuk:

• penyakit kuning yang tidak menular,
• Kemungkinan neoplasma hati, degenerasi, abses, kista, dengan sirosis,
• Untuk memantau kemajuan pengobatan,
• Untuk ruptur traumatis,
• Batu di kandung empedu atau saluran empedu,
• Pankreatitis dalam bentuk apapun,
• Kemungkinan neoplasma,
• Iskemia organ parenkim.

Metode ini memungkinkan Anda mendeteksi kista pankreas dan memeriksa kondisi saluran empedu. Setiap formasi yang menghalangi saluran diidentifikasi.

Pemeriksaan ginjal ditentukan ketika:

• Kecurigaan adanya neoplasma,
• Penyakit pada organ dan jaringan yang terletak di dekat ginjal,
• Kemungkinan terganggunya pembentukan organ saluran kemih,
• Jika tidak mungkin melakukan urografi ekskretoris.

Sebelum pemeriksaan organ dalam menggunakan resonansi magnetik nuklir, perlu dilakukan pemeriksaan USG.

Penelitian penyakit pada sistem reproduksi

Pemeriksaan panggul ditentukan untuk:

• Kemungkinan neoplasma rahim, kandung kemih, prostat,
• Cedera,
• Neoplasma panggul untuk mengidentifikasi metastasis,
• Nyeri di daerah sakral,
• Vesikulitis,
• Untuk memeriksa kondisi kelenjar getah bening.

Untuk kanker prostat, pemeriksaan ini dilakukan untuk mendeteksi penyebaran tumor ke organ terdekat.

Tidak disarankan untuk buang air kecil satu jam sebelum tes, karena gambar akan lebih informatif jika kandung kemih agak penuh.

Belajar selama kehamilan

Meskipun metode penelitian ini jauh lebih aman daripada rontgen atau tomografi komputer, metode ini tidak diperbolehkan untuk digunakan pada trimester pertama kehamilan.
Pada trimester kedua dan ketiga, metode ini hanya ditentukan untuk alasan kesehatan. Bahaya prosedur ini bagi tubuh wanita hamil adalah selama prosedur, beberapa jaringan menjadi panas, yang dapat menyebabkan perubahan yang tidak diinginkan pada pembentukan janin.
Namun penggunaan zat kontras selama kehamilan dilarang keras pada setiap tahap kehamilan.

Tindakan pencegahan

1. Beberapa instalasi NMR dirancang sebagai tabung tertutup. Orang yang takut terhadap ruang tertutup mungkin mengalami serangan. Oleh karena itu, lebih baik menanyakan terlebih dahulu bagaimana prosedurnya. Ada instalasi tipe terbuka. Itu adalah ruangan yang mirip dengan ruang rontgen, tetapi instalasi seperti itu jarang terjadi.

2. Dilarang memasuki ruangan tempat perangkat berada dengan benda logam dan perangkat elektronik ( misalnya jam tangan, perhiasan, kunci), karena dalam medan elektromagnetik yang kuat, perangkat elektronik dapat pecah, dan benda logam kecil akan beterbangan. Pada saat yang sama, data survei yang diperoleh tidak sepenuhnya benar.

Sebelum digunakan, sebaiknya konsultasikan dengan dokter spesialis.

1. Inti dari fenomena tersebut

   Pertama-tama, perlu dicatat bahwa meskipun nama fenomena ini mengandung kata “nuklir”, NMR tidak ada hubungannya dengan fisika nuklir dan sama sekali tidak ada hubungannya dengan radioaktivitas. Jika kita berbicara tentang deskripsi yang ketat, maka hukum mekanika kuantum tidak dapat dilakukan. Menurut hukum-hukum ini, energi interaksi inti magnet dengan medan magnet luar hanya dapat mempunyai beberapa nilai diskrit. Jika inti magnet disinari dengan medan magnet bolak-balik, yang frekuensinya sesuai dengan perbedaan antara tingkat energi diskrit ini, yang dinyatakan dalam satuan frekuensi, maka inti magnet mulai berpindah dari satu tingkat ke tingkat lainnya, sambil menyerap energi bolak-balik. bidang. Ini adalah fenomena resonansi magnetik. Penjelasan ini secara formal benar, tetapi tidak terlalu jelas. Ada penjelasan lain, tanpa mekanika kuantum. Inti magnet dapat direpresentasikan sebagai bola bermuatan listrik yang berputar pada porosnya (walaupun sebenarnya tidak demikian). Menurut hukum elektrodinamika, rotasi suatu muatan menyebabkan munculnya medan magnet, yaitu momen magnet inti, yang diarahkan sepanjang sumbu rotasi. Jika momen magnet ini ditempatkan pada medan luar yang konstan, maka vektor momen tersebut mulai mengalami presesi, yaitu berputar searah dengan arah medan luar. Dengan cara yang sama, sumbu presesi atas (berputar) mengelilingi vertikal jika tidak diputar secara vertikal, tetapi pada sudut tertentu. Dalam hal ini, peran medan magnet dimainkan oleh gaya gravitasi.

   Frekuensi presesi ditentukan oleh sifat inti dan kekuatan medan magnet: semakin kuat medan, semakin tinggi frekuensinya. Kemudian, jika, selain medan magnet luar yang konstan, inti dipengaruhi oleh medan magnet bolak-balik, maka inti mulai berinteraksi dengan medan ini - tampaknya inti berayun lebih kuat, amplitudo presesi meningkat, dan inti menyerap energi medan bolak-balik. Namun, hal ini hanya akan terjadi dalam kondisi resonansi, yaitu kebetulan frekuensi presesi dan frekuensi medan bolak-balik eksternal. Ini mirip dengan contoh klasik dari fisika sekolah – tentara berbaris melintasi jembatan. Jika frekuensi langkahnya bertepatan dengan frekuensi alami jembatan, maka ayunan jembatan semakin besar. Secara eksperimental, fenomena ini memanifestasikan dirinya dalam ketergantungan penyerapan medan bolak-balik pada frekuensinya. Pada saat resonansi, penyerapan meningkat tajam, dan spektrum resonansi magnetik paling sederhana terlihat seperti ini:

   

2. Spektroskopi transformasi Fourier

   Spektrometer NMR pertama bekerja persis seperti yang dijelaskan di atas - sampel ditempatkan dalam medan magnet konstan, dan radiasi frekuensi radio terus menerus diterapkan padanya. Kemudian frekuensi medan bolak-balik atau intensitas medan magnet konstan bervariasi dengan lancar. Penyerapan energi medan bolak-balik direkam oleh jembatan frekuensi radio, yang sinyalnya dikeluarkan ke perekam atau osiloskop. Namun metode perekaman sinyal ini sudah lama tidak digunakan. Dalam spektrometer NMR modern, spektrum direkam menggunakan pulsa. Momen magnetis inti tereksitasi oleh pulsa pendek yang kuat, setelah itu sinyal yang diinduksi dalam kumparan RF oleh momen magnet yang bergerak bebas dicatat. Sinyal ini secara bertahap berkurang menjadi nol ketika momen magnet kembali ke keseimbangan (proses ini disebut relaksasi magnet). Spektrum NMR diperoleh dari sinyal ini menggunakan transformasi Fourier. Ini adalah prosedur matematika standar yang memungkinkan Anda menguraikan sinyal apa pun menjadi harmonik frekuensi dan dengan demikian memperoleh spektrum frekuensi sinyal tersebut. Metode perekaman spektrum ini memungkinkan Anda mengurangi tingkat kebisingan secara signifikan dan melakukan eksperimen lebih cepat.

   

   Salah satu pulsa menarik untuk merekam spektrum adalah eksperimen NMR yang paling sederhana. Namun, dalam sebuah eksperimen, mungkin terdapat banyak pulsa dengan durasi, amplitudo, penundaan yang berbeda, dll., tergantung pada jenis manipulasi yang perlu dilakukan peneliti dengan sistem momen magnet nuklir. Namun, hampir semua rangkaian pulsa ini berakhir pada hal yang sama - merekam sinyal presesi bebas yang diikuti dengan transformasi Fourier.

3. Interaksi magnetik dalam materi

   Resonansi magnetik itu sendiri akan tetap menjadi fenomena fisik yang menarik jika bukan karena interaksi magnetik inti satu sama lain dan dengan kulit elektron suatu molekul. Interaksi ini mempengaruhi parameter resonansi, dan dengan bantuannya, metode NMR dapat memberikan berbagai informasi tentang sifat molekul - orientasinya, struktur spasial (konformasi), interaksi antarmolekul, pertukaran kimia, dinamika rotasi dan translasi. Berkat ini, NMR telah menjadi alat yang sangat ampuh untuk mempelajari zat pada tingkat molekuler, yang banyak digunakan tidak hanya dalam fisika, tetapi terutama dalam bidang kimia dan biologi molekuler. Contoh dari salah satu interaksi tersebut adalah apa yang disebut pergeseran kimia. Esensinya adalah sebagai berikut: kulit elektron suatu molekul merespons medan magnet eksternal dan mencoba menyaringnya - penyaringan sebagian medan magnet terjadi di semua zat diamagnetik. Artinya medan magnet dalam molekul akan berbeda dengan medan magnet luar dalam jumlah yang sangat kecil, yang disebut pergeseran kimia. Namun, sifat kulit elektron di berbagai bagian molekul berbeda, dan pergeseran kimianya juga berbeda. Oleh karena itu, kondisi resonansi inti di berbagai bagian molekul juga akan berbeda. Hal ini memungkinkan untuk membedakan inti kimia yang tidak setara dalam spektrum. Misalnya, jika kita mengambil spektrum inti hidrogen (proton) air murni, maka hanya akan ada satu garis, karena kedua proton dalam molekul H 2 O sama persis. Tetapi untuk metil alkohol CH 3 OH sudah ada dua garis dalam spektrumnya (jika kita mengabaikan interaksi magnetik lainnya), karena ada dua jenis proton - proton dari gugus metil CH 3 dan proton yang terikat pada atom oksigen. Ketika molekul menjadi lebih kompleks, jumlah garis akan bertambah, dan jika kita mengambil molekul besar dan kompleks seperti protein, maka spektrumnya akan terlihat seperti ini:

   

4. Inti magnetik

   NMR dapat diamati pada inti yang berbeda, namun harus dikatakan bahwa tidak semua inti mempunyai momen magnet. Sering terjadi bahwa beberapa isotop memiliki momen magnet, namun isotop lain dari inti yang sama tidak. Secara total, terdapat lebih dari seratus isotop berbagai unsur kimia yang memiliki inti magnet, tetapi dalam penelitian biasanya tidak lebih dari 1520 inti magnet yang digunakan, yang lainnya eksotik. Setiap inti mempunyai rasio karakteristik medan magnet dan frekuensi presesinya sendiri, yang disebut rasio gyromagnetik. Untuk semua inti, hubungan ini diketahui. Dengan menggunakannya, Anda dapat memilih frekuensi di mana, di bawah medan magnet tertentu, sinyal dari inti yang dibutuhkan peneliti akan diamati.

   Inti terpenting untuk NMR adalah proton. Mereka paling banyak jumlahnya di alam, dan mempunyai kepekaan yang sangat tinggi. Inti karbon, nitrogen, dan oksigen sangat penting bagi kimia dan biologi, namun para ilmuwan kurang beruntung dengan hal tersebut: isotop karbon dan oksigen yang paling umum, 12 C dan 16 O, tidak memiliki momen magnetis, sedangkan inti karbon, nitrogen, dan oksigen sangat penting dalam bidang kimia dan biologi. Isotop nitrogen 14 N memiliki momen, tetapi karena sejumlah alasan sangat merepotkan untuk eksperimen. Terdapat isotop 13 C, 15 N dan 17 O yang cocok untuk percobaan NMR, namun kelimpahan alaminya sangat rendah dan sensitivitasnya sangat rendah dibandingkan dengan proton. Oleh karena itu, sampel khusus yang diperkaya isotop sering kali disiapkan untuk studi NMR, di mana isotop alami dari inti tertentu diganti dengan isotop yang diperlukan untuk percobaan. Dalam kebanyakan kasus, prosedur ini sangat sulit dan mahal, namun terkadang ini adalah satu-satunya cara untuk mendapatkan informasi yang diperlukan.

5. Resonansi paramagnetik elektron dan kuadrupol

   Berbicara tentang NMR, tidak ada salahnya untuk menyebutkan dua fenomena fisik terkait lainnya - resonansi paramagnetik elektron (EPR) dan resonansi kuadrupol nuklir (NQR). EPR pada dasarnya mirip dengan NMR, perbedaannya adalah resonansi diamati pada momen magnet bukan pada inti atom, tetapi pada kulit elektron atom. EPR hanya dapat diamati pada molekul atau gugus kimia yang kulit elektronnya mengandung elektron tidak berpasangan, maka kulit tersebut mempunyai momen magnet yang tidak nol. Zat semacam ini disebut paramagnet. EPR, seperti NMR, juga digunakan untuk mempelajari berbagai sifat struktural dan dinamis zat pada tingkat molekuler, namun cakupan penggunaannya jauh lebih sempit. Hal ini terutama disebabkan oleh fakta bahwa sebagian besar molekul, terutama di alam hidup, tidak mengandung elektron yang tidak berpasangan. Dalam beberapa kasus, Anda dapat menggunakan apa yang disebut probe paramagnetik, yaitu gugus kimia dengan elektron tidak berpasangan yang berikatan dengan molekul yang diteliti. Namun pendekatan ini jelas memiliki kelemahan yang membatasi kemampuan metode ini. Selain itu, EPR tidak memiliki resolusi spektral yang tinggi (yaitu kemampuan untuk membedakan satu garis dari garis lain dalam spektrum) seperti pada NMR.

   Yang paling sulit adalah menjelaskan sifat NQR “dengan jari”. Beberapa inti mempunyai apa yang disebut momen kuadrupol listrik. Momen ini mencirikan penyimpangan distribusi muatan listrik inti dari simetri bola. Interaksi momen ini dengan gradien medan listrik yang diciptakan oleh struktur kristal suatu zat menyebabkan pemisahan tingkat energi inti. Dalam hal ini, seseorang dapat mengamati resonansi pada frekuensi yang sesuai dengan transisi antara level-level ini. Tidak seperti NMR dan EPR, NQR tidak memerlukan medan magnet eksternal, karena pemisahan level terjadi tanpa medan magnet eksternal. NQR juga digunakan untuk mempelajari zat, namun cakupan penerapannya bahkan lebih sempit dibandingkan EPR.

6. Kelebihan dan kekurangan NMR

   

   NMR adalah metode paling ampuh dan informatif untuk mempelajari molekul. Sebenarnya, ini bukan satu metode, ini adalah sejumlah besar jenis eksperimen yang berbeda, yaitu rangkaian pulsa. Meskipun semuanya didasarkan pada fenomena NMR, masing-masing eksperimen ini dirancang untuk memperoleh beberapa informasi spesifik yang spesifik. Jumlah eksperimen ini diukur dalam puluhan, bahkan ratusan. Secara teoritis, NMR dapat, jika tidak semuanya, maka hampir semua hal yang dapat dilakukan oleh semua metode eksperimental lainnya untuk mempelajari struktur dan dinamika molekul, meskipun dalam praktiknya hal ini tentu saja dapat dilakukan, tidak selalu. Salah satu keuntungan utama NMR adalah, di satu sisi, probe alaminya, yaitu inti magnet, didistribusikan ke seluruh molekul, dan di sisi lain, memungkinkan seseorang untuk membedakan inti ini satu sama lain dan memperoleh data selektif spasial. pada sifat-sifat molekul. Hampir semua metode lain memberikan informasi rata-rata untuk seluruh molekul atau hanya sekitar satu bagian saja.

   NMR memiliki dua kelemahan utama. Pertama, sensitivitasnya rendah dibandingkan dengan sebagian besar metode eksperimental lainnya (spektroskopi optik, fluoresensi, EPR, dll.). Hal ini mengarah pada fakta bahwa untuk meratakan kebisingan, sinyal harus terakumulasi dalam waktu yang lama. Dalam beberapa kasus, percobaan NMR dapat dilakukan bahkan selama beberapa minggu. Kedua, biayanya mahal. Spektrometer NMR termasuk instrumen ilmiah termahal, berharga setidaknya ratusan ribu dolar, dan spektrometer termahal berharga beberapa juta. Tidak semua laboratorium, terutama di Rusia, mampu memiliki peralatan ilmiah seperti itu.

7. Magnet untuk spektrometer NMR

   Salah satu bagian spektrometer yang paling penting dan mahal adalah magnet, yang menciptakan medan magnet konstan. Semakin kuat medannya, semakin tinggi sensitivitas dan resolusi spektralnya, sehingga para ilmuwan dan insinyur terus berusaha mendapatkan medan setinggi mungkin. Medan magnet diciptakan oleh arus listrik di solenoid - semakin kuat arusnya, semakin besar medannya. Namun, tidak mungkin untuk meningkatkan arus tanpa batas; pada arus yang sangat tinggi, kawat solenoida akan mulai meleleh. Oleh karena itu, sejak lama, spektrometer NMR medan tinggi telah menggunakan magnet superkonduktor, yaitu magnet yang kawat solenoidnya berada dalam keadaan superkonduktor. Dalam hal ini, hambatan listrik kawat adalah nol, dan tidak ada energi yang dilepaskan pada nilai arus berapa pun. Keadaan superkonduktor hanya dapat dicapai pada suhu yang sangat rendah, hanya beberapa derajat Kelvin, yaitu suhu helium cair. (Superkonduktivitas suhu tinggi masih menjadi bidang penelitian yang murni mendasar.) Dengan mempertahankan suhu rendah itulah semua kesulitan teknis dalam desain dan produksi magnet dikaitkan, yang membuatnya mahal. Magnet superkonduktor dibuat berdasarkan prinsip termos-matryoshka. Solenoid terletak di tengah, di ruang vakum. Dikelilingi oleh cangkang yang mengandung helium cair. Cangkang ini dikelilingi oleh cangkang nitrogen cair melalui lapisan vakum. Suhu nitrogen cair minus 196 derajat Celcius; nitrogen diperlukan untuk memastikan helium menguap sepelan mungkin. Terakhir, cangkang nitrogen diisolasi dari suhu kamar dengan lapisan vakum eksternal. Sistem seperti ini mampu mempertahankan suhu magnet superkonduktor yang diinginkan untuk waktu yang sangat lama, meskipun hal ini memerlukan penambahan nitrogen cair dan helium secara teratur ke magnet. Keuntungan magnet tersebut, selain kemampuannya memperoleh medan magnet yang tinggi, juga tidak mengkonsumsi energi: setelah magnet dihidupkan, arus mengalir melalui kabel superkonduktor tanpa rugi-rugi selama bertahun-tahun.

8. Tomografi

   Dalam spektrometer NMR konvensional, mereka mencoba membuat medan magnet seseragam mungkin, hal ini diperlukan untuk meningkatkan resolusi spektral. Tetapi jika medan magnet di dalam sampel, sebaliknya, dibuat sangat tidak homogen, hal ini membuka kemungkinan baru yang mendasar untuk penggunaan NMR. Ketidakhomogenan medan diciptakan oleh apa yang disebut kumparan gradien, yang bekerja bersama-sama dengan magnet utama. Dalam hal ini besarnya medan magnet pada berbagai bagian sampel akan berbeda-beda, yang berarti sinyal NMR tidak dapat diamati dari seluruh sampel, seperti pada spektrometer konvensional, tetapi hanya dari lapisan sempitnya, yang mana kondisi resonansi terpenuhi, yaitu hubungan yang diinginkan antara medan magnet dan frekuensi. Dengan mengubah besarnya medan magnet (atau, yang pada dasarnya sama, frekuensi pengamatan sinyal), Anda dapat mengubah lapisan yang akan menghasilkan sinyal. Dengan cara ini, dimungkinkan untuk “memindai” sampel di seluruh volumenya dan “melihat” struktur tiga dimensi internalnya tanpa merusak sampel dengan cara mekanis apa pun. Sampai saat ini, sejumlah besar teknik telah dikembangkan yang memungkinkan pengukuran berbagai parameter NMR (karakteristik spektral, waktu relaksasi magnetik, laju difusi diri dan lain-lain) dengan resolusi spasial di dalam sampel. Yang paling menarik dan penting, dari sudut pandang praktis, penerapan tomografi NMR ditemukan dalam pengobatan. Dalam hal ini, “spesimen” yang diteliti adalah tubuh manusia. Pencitraan NMR adalah salah satu alat diagnostik yang paling efektif dan aman (tetapi juga mahal) di berbagai bidang kedokteran, mulai dari onkologi hingga kebidanan. Menarik untuk dicatat bahwa dokter tidak menggunakan kata “nuklir” dalam nama metode ini, karena beberapa pasien mengasosiasikannya dengan reaksi nuklir dan bom atom.

9. Sejarah penemuan

   

   Tahun penemuan NMR dianggap tahun 1945, ketika orang Amerika Felix Bloch dari Stanford dan, terlepas dari dia, Edward Purcell dan Robert Pound dari Harvard pertama kali mengamati sinyal NMR pada proton. Pada saat itu, banyak yang telah diketahui tentang sifat magnetisme nuklir, efek NMR sendiri telah diprediksi secara teoritis, dan beberapa upaya telah dilakukan untuk mengamatinya secara eksperimental. Penting untuk dicatat bahwa setahun sebelumnya di Uni Soviet, di Kazan, fenomena EPR ditemukan oleh Evgeniy Zavoisky. Sekarang diketahui bahwa Zavoisky juga mengamati sinyal NMR, ini terjadi sebelum perang, pada tahun 1941. Namun, ia mempunyai magnet berkualitas rendah dengan keseragaman medan yang buruk; hasilnya tidak dapat direproduksi dengan baik dan oleh karena itu tetap tidak dipublikasikan. Agar adil, perlu dicatat bahwa Zavoisky bukan satu-satunya yang mengamati NMR sebelum penemuan “resminya”. Secara khusus, fisikawan Amerika Isidor Rabi (pemenang Hadiah Nobel pada tahun 1944 untuk studinya tentang sifat magnetik inti atom dan berkas molekul) juga mengamati NMR pada akhir tahun 30an, tetapi menganggapnya sebagai artefak instrumental. Dengan satu atau lain cara, negara kita tetap memprioritaskan deteksi eksperimental resonansi magnetik. Meskipun Zavoisky sendiri mulai menangani masalah lain segera setelah perang, penemuannya memainkan peran besar dalam perkembangan ilmu pengetahuan di Kazan. Kazan masih menjadi salah satu pusat ilmiah spektroskopi EPR terkemuka di dunia.

10. Hadiah Nobel dalam Resonansi Magnetik

    Pada paruh pertama abad ke-20, beberapa Hadiah Nobel dianugerahkan kepada para ilmuwan yang tanpa karyanya, penemuan NMR tidak akan mungkin terjadi. Diantaranya adalah Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Namun ada empat Hadiah Nobel yang berhubungan langsung dengan NMR. Pada tahun 1952, hadiah tersebut dianugerahkan kepada Felix Bloch dan Edward Purcell atas penemuan resonansi magnetik nuklir. Ini adalah satu-satunya Hadiah Nobel “NMR” dalam bidang fisika. Pada tahun 1991, Richard Ernst dari Swiss, yang bekerja di ETH terkenal di Zurich, menerima hadiah di bidang kimia. Dia dianugerahi penghargaan tersebut atas pengembangan metode spektroskopi NMR multidimensi, yang secara radikal meningkatkan kandungan informasi eksperimen NMR. Pada tahun 2002, pemenang hadiah, juga di bidang kimia, adalah Kurt Wüthrich, yang bekerja dengan Ernst di gedung tetangga di Sekolah Teknik yang sama. Ia menerima penghargaan karena mengembangkan metode untuk menentukan struktur tiga dimensi protein dalam larutan. Sebelumnya, satu-satunya metode untuk menentukan konformasi spasial biomakromolekul besar adalah analisis difraksi sinar-X. Akhirnya, pada tahun 2003, Paul Lauterbur dari Amerika dan Peter Mansfield dari Inggris menerima hadiah medis untuk penemuan tomografi NMR. Penemu EPR Soviet, E.K. Zavoisky, sayangnya, tidak menerima Hadiah Nobel.

RESONANSI MAGNETIK NUKLIR(NMR), fenomena serapan resonansi gelombang elektromagnetik frekuensi radio. energi in-vom dengan mag bukan nol. momen inti yang terletak di bagian luar pesulap permanen. bidang. Magnet nuklir bukan nol. inti 1 H, 2 H, 13 C, 14 N, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P, dan seterusnya mempunyai momen. NMR biasanya diamati dalam medan magnet konstan yang seragam. bidang B 0 , medan frekuensi radio lemah B 1 yang tegak lurus terhadap medan B 0 ditumpangkan padanya. Untuk zat yang spin nuklirnya I = 1/2 (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P, dst.), dua orientasi magnet dimungkinkan di medan B 0. momen dipol inti “sepanjang medan” dan “melawan medan”. Munculnya dua tingkat energi E karena interaksi. mag. momen inti dengan medan B 0 dipisahkan oleh interval
Asalkan atau dimana h adalah konstanta Planck, v 0 adalah frekuensi medan frekuensi radio B 1, adalah frekuensi melingkar, yang disebut. gyromagn. rasio inti, penyerapan resonansi energi medan B 1 diamati , disebut NMR. Untuk nuklida 1 H, 13 C, 31 P, frekuensi NMR pada medan B 0 = 11,7 T masing-masing adalah sama. (dalam MHz): 500, 160,42 dan 202,4; nilai (dalam MHz/T): 42.58, 10.68 dan 17.24. Menurut model kuantum, tingkat energi 2I+1 muncul di medan B 0, transisi di antaranya diperbolehkan pada saat m adalah mag. bilangan kuantum.

Teknik eksperimental. Parameter spektrum NMR. Spektroskopi NMR didasarkan pada fenomena NMR. Spektrum NMR direkam menggunakan spektrometer radio (Gbr.). Contoh zat yang diteliti ditempatkan sebagai inti pada kumparan rangkaian pembangkit (medan B 1), terletak pada celah magnet yang menimbulkan medan B 0 sehingga terjadi serapan resonansi yang menyebabkan jatuh tegangan. pada rangkaian, pada rangkaian tersebut terdapat kumparan dengan sampel. Penurunan tegangan dideteksi, diperkuat, dan diumpankan ke alat penyapu atau perekam osiloskop. Secara modern Spektrometer radio NMR biasanya menggunakan medan ajaib dengan kekuatan 1-12 Tesla. Wilayah spektrum di mana terdapat sinyal yang dapat dideteksi dengan satu atau lebih. maksimal, disebut Garis serapan NMR. Lebar garis yang diamati diukur pada setengah maks. intensitas dan dinyatakan dalam Hz, disebut. Lebar garis NMR. Resolusi spektrum NMR - min. lebar garis NMR yang dapat diamati oleh spektrometer ini. Kecepatan lintasan adalah kecepatan (dalam Hz/s) perubahan intensitas magnet. bidang atau frekuensi radiasi frekuensi radio yang mempengaruhi sampel ketika memperoleh spektrum NMR.

Diagram spektrometer NMR: 1 - kumparan dengan sampel; 2 - kutub magnet; 3 - generator medan frekuensi radio; 4 - penguat dan detektor; 5 - generator tegangan modulasi; 6 - kumparan modulasi medan B 0; 7 - osiloskop.

Sistem mendistribusikan kembali energi yang diserap di dalam dirinya sendiri (yang disebut spin-spin, atau relaksasi transversal; waktu karakteristik T 2) dan melepaskannya ke lingkungan (relaksasi spin-kisi, waktu relaksasi T 1). Kali T 1 dan T 2 membawa informasi tentang jarak antar inti dan waktu korelasi. mereka bilang gerakan. Pengukuran ketergantungan T 1 dan T 2 pada suhu dan frekuensi v 0 memberikan informasi tentang sifat pergerakan termal, kimia. kesetimbangan, transisi fasa, dll. Dalam padatan dengan kisi kaku T 2 = 10 s, dan T 1 > 10 3 s, karena tidak ada mekanisme reguler relaksasi spin-kisi dan relaksasi disebabkan oleh paramagnetik. kotoran. Karena kecilnya T2, lebar alami garis NMR sangat besar (puluhan kHz), dan registrasinya berada di wilayah garis lebar NMR. Dalam cairan dengan viskositas rendah T 1 T 2 dan diukur dalam hitungan detik. jawab. Garis NMR memiliki lebar orde 10 -1 Hz (NMR resolusi tinggi). Untuk mereproduksi bentuk garis yang tidak terdistorsi, perlu melewati garis dengan lebar 0,1 Hz selama 100 detik. Hal ini memberikan batasan yang signifikan pada sensitivitas spektrometer NMR.
Parameter utama spektrum NMR adalah kimia. pergeseran - rasio perbedaan antara frekuensi sinyal NMR yang diamati dan sinyal referensi tertentu yang dipilih secara konvensional, diambil dengan tanda yang sesuai. standar dengan frekuensi sinyal referensi (dinyatakan dalam bagian per juta, ppm). kimia. Pergeseran NMR diukur dalam besaran tak berdimensi yang diukur dari puncak sinyal referensi. Jika standar memberikan sinyal pada frekuensi v 0, maka Tergantung pada sifat inti yang dipelajari, proton NMR, atau PMR, dan 13 C NMR dibedakan (tabel nilai pergeseran kimia diberikan di kertas akhir volume). NMR 19 F (lihat senyawa Organofluorin), NMR 31 P (lihat senyawa Organofosfor), dll. Besaran tersebut mempunyai sifat karakteristik yang signifikan dan memungkinkan untuk menentukan dari spektrum NMR keberadaan mol tertentu. pecahan. Data kimia yang relevan. perbedaan pergeseran. inti diterbitkan dalam buku referensi dan buku teks, dan juga dimasukkan ke dalam database, yang menyediakan database modern. Spektrometer NMR. Pada rangkaian senyawa kimia yang mempunyai struktur serupa. pergeseran tersebut berbanding lurus dengan kerapatan elektron pada inti-inti yang bersesuaian.
Standar yang diterima secara umum untuk PMR dan 13 C NMR adalah tetramethylsilane (TMS). Standar m.b. dilarutkan dalam larutan uji (standar internal) atau ditempatkan, misalnya, dalam kapiler tertutup yang terletak di dalam ampul sampel (standar eksternal). Hanya yang penyerapannya tidak tumpang tindih dengan wilayah penelitian yang dapat dijadikan p-residu. Untuk PMR, reagen terbaik adalah yang tidak mengandung proton (CC1 4, CDC1 3, CS 2, D 2 O, dll).
Dalam molekul poliatomik, inti atom identik yang menempati posisi kimia yang tidak setara memiliki sifat kimia yang berbeda. pergeseran akibat perbedaan kemagnetan pelindung inti oleh elektron valensi (inti seperti itu disebut anisokron). Untuk inti ke-i di mana adalah diagram konstan. penyaringan, diukur dalam ppm. Untuk proton, rentang perubahan umumnya mencapai 20 ppm; untuk inti yang lebih berat, rentang ini 2-3 kali lipat lebih besar.
Parameter penting dari spektrum NMR adalah konstanta interaksi spin-spin. (Konstanta TCO) - ukuran TCO tidak langsung antara perbedaan. mag. inti satu molekul (lihat interaksi spin-spin); dinyatakan dalam Hz.
Interaksi putaran inti dengan putaran elektron yang terdapat dalam molekul antara inti i dan j menyebabkan saling orientasi inti tersebut pada medan B 0 (SSV). Dengan resolusi yang cukup SSV mengarah ke tambahan. banyaknya garis yang sesuai dengan nilai kimia tertentu. pergeseran: dimana J ij - konstanta SSV; F ij - besaran, yang nilainya ditentukan oleh putaran inti i dan j, simetri mol yang sesuai. fragmen, sudut dihedral antar bahan kimia. koneksi dan jumlah koneksi antara inti yang berpartisipasi dalam SSV.
Jika kimia. pergeserannya cukup besar yaitu min max (J ij), maka SSW muncul dalam bentuk kelipatan sederhana dengan distribusi intensitas binomial (spektra orde satu). Jadi, pada gugus etil, sinyal proton metil muncul sebagai triplet dengan rasio intensitas 1:2:1, dan sinyal proton metilen muncul sebagai quadruplet dengan rasio intensitas 1:3:3:1. Dalam spektrum 13 C NMR, gugus metin adalah rangkap dua (1:1), serta gugus metilen dan metil, masing-masing. kembar tiga dan kembar empat, tetapi dengan nilai konstanta SSV yang lebih tinggi dibandingkan pada spektrum proton. kimia. pergeseran spektrum orde pertama sama dengan interval antara pusat kelipatan, dan J ij - jarak antara puncak kelipatan yang berdekatan. Jika kondisi orde pertama tidak terpenuhi, maka spektrum menjadi kompleks: di dalamnya, tidak ada satu interval pun, secara umum, yang sama dengan J ij. Nilai pasti dari parameter spektral diperoleh dari mekanika kuantum. perhitungan. Program terkait disertakan dalam matras. menyediakan modern Spektrometer NMR. Kandungan informasi kimia. pergeseran dan konstanta SSV telah mengubah spektroskopi NMR resolusi tinggi menjadi salah satu metode kualitas yang paling penting. dan kuantitas. analisis campuran kompleks, sistem, obat dan komposisi, serta studi struktur dan reaksi. kemampuan molekul. Saat mempelajari konformasi, degenerasi dan dinamika lainnya. sistem, geom. struktur molekul protein dalam larutan, dengan bahan kimia lokal yang tidak merusak. analisis organisme hidup, dll. Kemampuan metode NMR adalah unik.

Magnetisasi nuklir di pulau itu. Sesuai dengan distribusi Boltzmann dalam sistem putaran dua tingkat N putaran, rasio jumlah putaran N + di tingkat bawah dengan jumlah putaran N - di tingkat atas sama dengan di mana k adalah konstanta Boltzmann; T-t-ra. Pada B 0 = 1 T dan T = 300 K untuk proton, perbandingan N + /N - .= 1,00005. Rasio ini menentukan besarnya magnetisasi inti suatu zat yang ditempatkan pada medan B 0 . Mag. momen M setiap inti mengalami gerak presesi relatif terhadap sumbu z, sepanjang medan B 0 diarahkan; frekuensi gerakan ini sama dengan frekuensi NMR. Jumlah proyeksi momen nuklir presesi pada sumbu z membentuk makroskopis magnetisasi di M z = 10 18 Pada bidang xy yang tegak lurus sumbu z, proyeksi vektor-vektor akibat keacakan fase presesi sama dengan nol: M xy = 0. Penyerapan energi selama NMR berarti per satuan waktu lebih banyak putaran yang lewat dari tingkat bawah ke atas daripada ke arah yang berlawanan, yaitu perbedaan populasi N + - N - berkurang (pemanasan sistem putaran, saturasi NMR). Ketika jenuh dalam mode stasioner, magnetisasi sistem dapat meningkat pesat. Inilah yang disebut Efek overhauser, untuk inti disebut NOE (Nuclear Overhauser effect), yang banyak digunakan untuk meningkatkan sensitivitas, serta untuk memperkirakan jarak antar inti saat mempelajari dermaga. geometri menggunakan metode spektroskopi NMR.

Model vektor NMR. Saat merekam NMR, medan frekuensi radio yang bekerja pada bidang xy diterapkan pada sampel. Pada bidang ini, medan B 1 dapat dianggap sebagai dua vektor dengan amplitudo B 1m/ 2, berputar dengan frekuensi berlawanan arah. Diperkenalkan sistem koordinat berputar x"y"z, sumbu x berimpit dengan vektor B 1m/ 2, berputar searah dengan vektor. Pengaruhnya menyebabkan perubahan sudut pada puncak kerucut presesi momen magnet nuklir; magnetisasi nuklir M z mulai bergantung pada waktu, dan pada bidang x"y" muncul proyeksi magnetisasi nuklir yang bukan nol. Dalam sistem koordinat tetap, proyeksi ini berputar dengan frekuensi, yaitu, tegangan frekuensi radio diinduksi dalam induktor, yang, setelah terdeteksi, memberikan sinyal NMR - fungsi magnetisasi nuklir dari frekuensi dibedakan antara perubahan lambat (mode sapuan) dan NMR berdenyut. Pergerakan kompleks nyata dari vektor magnetisasi nuklir menciptakan dua sinyal independen di bidang x"y": M x, (sefasa dengan tegangan frekuensi radio B 1) dan M y" (bergeser relatif terhadap B 1 dalam fasa sebesar 90 °C). Registrasi M x" dan M y" secara bersamaan (deteksi kuadratur) menggandakan sensitivitas spektrometer NMR. Dengan amplitudo yang cukup besar B 1m proyeksi M z = M x " = M y " = 0 (NMR saturasi). Oleh karena itu, di bawah aksi terus menerus dari medan B 1, amplitudonya harus sangat kecil agar kondisi pengamatan awal tidak berubah.
Sebaliknya, pada NMR berdenyut, nilai B 1 dipilih sedemikian besar sehingga selama waktu t dan T 2 vektor M z dalam sistem koordinat berputar dibelokkan dari sumbu z sebesar sudut. Pada = 90° denyut nadi disebut 90° (/2-pulsa); di bawah pengaruhnya, vektor magnetisasi nuklir muncul pada bidang x"y", mis. Setelah pulsa berakhir, vektor M y" mulai mengecil amplitudonya terhadap waktu T 2 karena perbedaan fasa dari vektor-vektor elementer penyusunnya ( relaksasi spin-spin). Pemulihan magnetisasi inti kesetimbangan M z terjadi dengan waktu relaksasi spin-kisi T 1. Pada = 180° (pulsa), vektor M z sesuai dengan arah negatif sumbu z, berelaksasi setelah akhir pulsa ke posisi setimbangnya.Kombinasi pulsa banyak digunakan dalam spektroskopi NMR versi multi-pulsa modern.
Ciri penting dari sistem koordinat berputar adalah perbedaan frekuensi resonansi di dalamnya dan dalam sistem koordinat stasioner: jika B 1 V lok (bidang lokal statis), maka vektor M berpresesi dalam sistem koordinat berputar relatif terhadap lapangan. disesuaikan dengan resonansi, frekuensi NMR dalam sistem koordinat berputar Hal ini memungkinkan seseorang untuk secara signifikan memperluas kemampuan NMR dalam mempelajari proses lambat dalam materi.

kimia. pertukaran dan spektrum NMR(NMR dinamis). Parameter dari pertukaran dua posisi A B adalah waktu tinggal dan probabilitas tinggal dan Pada suhu rendah, spektrum NMR terdiri dari dua garis sempit yang dipisahkan oleh Hz; kemudian, seiring mengecilnya, garis-garis tersebut mulai melebar, tetap pada tempatnya. Ketika frekuensi pertukaran mulai melebihi jarak awal antar garis, garis-garis mulai bergerak mendekat, dan ketika terlampaui 10 kali, satu garis lebar terbentuk di tengah interval (v A, v B), jika dengan lebih jauh pertumbuhan suhu garis gabungan ini menjadi sempit. Perbandingan eksperimen. spektrum dengan yang dihitung memungkinkan Anda untuk menunjukkan frekuensi bahan kimia yang tepat untuk setiap percobaan. pertukaran, dari data ini termodinamika dihitung. karakteristik proses. Dengan pertukaran multi-posisi dalam spektrum NMR yang kompleks, bersifat teoritis. spektrumnya diperoleh dari quantummech. perhitungan. Dinamis NMR adalah salah satu yang utama metode untuk mempelajari stereokimia non-kekakuan, kesetimbangan konformasi, dll.

Putar pada sudut ajaib. Ekspresi potensial interaksi dipol-dipol. berisi pengganda dimana adalah sudut antara B 0 dan vektor antar inti r ij. Pada = arccos 3 -1/2 = 54°44" (sudut "ajaib"), faktor-faktor ini hilang, yaitu kontribusi yang sesuai terhadap lebar garis menghilang. Jika Anda memutar sampel padat dengan kecepatan sangat tinggi di sekitar sumbu miring di bawah sudut ajaib ke B 0, maka dalam padatan dimungkinkan untuk memperoleh spektrum resolusi tinggi dengan garis-garis yang hampir sama sempitnya dengan dalam cairan.

Garis lebar pada benda padat. Pada kristal dengan kisi kaku, bentuk garis NMR ditentukan secara statis. distribusi magnet lokal bidang. Semua inti kisi, kecuali cluster, dalam volume translasi-invarian V 0 di sekitar inti yang ditinjau, memberikan distribusi Gaussian g(v) = exp(-v 2 /2a 2), di mana v adalah jarak dari bagian tengah garis; Lebar Gaussian a berbanding terbalik dengan rata-rata geom. volume V 0 dan V 1, dan V 1 mencirikan konsentrasi magnetik rata-rata di seluruh kristal. inti. Di dalam V 0 konsentrasi magnet. inti lebih besar dari rata-rata, dan inti berdekatan karena interaksi dipol-dipol. dan kimia. pergeseran menciptakan spektrum terbatas pada interval (-b, b), dimana b kira-kira dua kali lebih besar dari a. Sebagai perkiraan pertama, spektrum

Spektroskopi resonansi magnetik nuklir adalah salah satu metode yang paling umum dan sangat sensitif untuk menentukan struktur senyawa organik, memungkinkan seseorang memperoleh informasi tidak hanya tentang komposisi kualitatif dan kuantitatif, tetapi juga lokasi atom relatif satu sama lain. Berbagai teknik NMR memiliki banyak kemungkinan untuk menentukan struktur kimia suatu zat, konfirmasi keadaan molekul, efek saling pengaruh, dan transformasi intramolekul.

Metode resonansi magnetik nuklir memiliki sejumlah ciri khas: berbeda dengan spektrum molekul optik, penyerapan radiasi elektromagnetik oleh suatu zat terjadi dalam medan magnet luar seragam yang kuat. Selain itu, untuk melakukan studi NMR, eksperimen tersebut harus memenuhi sejumlah kondisi yang mencerminkan prinsip umum spektroskopi NMR:

1) perekaman spektrum NMR hanya dapat dilakukan untuk inti atom yang mempunyai momen magnetnya sendiri atau disebut inti magnet, yang jumlah proton dan neutronnya sedemikian rupa sehingga jumlah massa inti isotopnya ganjil. Semua inti atom yang nomor massanya ganjil mempunyai spin I yang nilainya 1/2. Jadi untuk inti 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R nilai spinnya sama dengan 1/2, untuk inti 7 Li, 23 Na, 39 K dan 4 l R spinnya sama dengan 3/2 . Inti dengan nomor massa genap tidak mempunyai putaran sama sekali jika muatan inti genap, atau mempunyai nilai putaran bilangan bulat jika muatannya ganjil. Hanya inti yang spinnya I 0 yang dapat menghasilkan spektrum NMR.

Adanya putaran dikaitkan dengan peredaran muatan atom di sekitar inti, sehingga timbul momen magnet μ . Muatan yang berputar (misalnya proton) dengan momentum sudut J menciptakan momen magnet μ=γ*J . Momentum nuklir sudut J dan momen magnet μ yang timbul selama rotasi dapat direpresentasikan sebagai vektor. Rasio konstannya disebut rasio gyromagnetic γ. Konstanta inilah yang menentukan frekuensi resonansi inti (Gbr. 1.1).

Gambar 1.1 - Muatan berputar dengan momen sudut J menghasilkan momen magnet μ=γ*J.

2) metode NMR mengkaji penyerapan atau emisi energi dalam kondisi pembentukan spektrum yang tidak biasa: berbeda dengan metode spektral lainnya. Spektrum NMR direkam dari suatu zat yang terletak di medan magnet seragam yang kuat. Inti tersebut dalam medan luar memiliki nilai energi potensial yang berbeda tergantung pada beberapa kemungkinan sudut orientasi vektor μ relatif terhadap vektor kekuatan medan magnet luar H 0 . Dengan tidak adanya medan magnet luar, momen magnet atau putaran inti tidak memiliki orientasi tertentu. Jika inti magnet yang spinnya 1/2 ditempatkan dalam suatu medan magnet, maka sebagian spin inti akan sejajar dengan garis-garis medan magnet, dan sebagian lagi antiparalel. Kedua orientasi ini tidak lagi setara secara energi dan putarannya dikatakan terdistribusi pada dua tingkat energi.

Putaran dengan momen magnet yang berorientasi sepanjang medan +1/2 dilambangkan dengan simbol | α >, dengan orientasi antiparalel dengan bidang luar -1/2 - simbol | β > (Gbr. 1.2) .

Gambar 1.2 - Pembentukan tingkat energi ketika medan eksternal H 0 diterapkan.

1.2.1 Spektroskopi NMR pada inti 1 H. Parameter spektrum PMR.

Untuk menguraikan data spektrum 1H NMR dan menetapkan sinyal, karakteristik utama spektrum digunakan: pergeseran kimia, konstanta interaksi spin-spin, intensitas sinyal terintegrasi, lebar sinyal [57].

A) Pergeseran kimia (C.C). skala H.S Pergeseran kimia adalah jarak antara sinyal ini dan sinyal zat referensi, yang dinyatakan dalam bagian per juta kekuatan medan eksternal.

Tetramethylsilane [TMS, Si(CH 3) 4], mengandung 12 proton yang memiliki perlindungan tinggi dan setara secara struktural, paling sering digunakan sebagai standar untuk mengukur pergeseran kimia proton.

B) Konstanta interaksi putaran-putaran. Dalam spektrum NMR resolusi tinggi, pemisahan sinyal diamati. Pemisahan atau struktur halus dalam spektrum resolusi tinggi ini dihasilkan dari interaksi putaran-putaran antara inti magnet. Fenomena ini, bersama dengan pergeseran kimia, berfungsi sebagai sumber informasi terpenting tentang struktur molekul organik kompleks dan distribusi awan elektron di dalamnya. Itu tidak bergantung pada H0, tetapi bergantung pada struktur elektronik molekulnya. Sinyal inti magnet yang berinteraksi dengan inti magnet lain dipecah menjadi beberapa garis tergantung pada jumlah keadaan putaran, yaitu. bergantung pada putaran inti I.

Jarak antara garis-garis ini mencirikan energi kopling spin-spin antar inti dan disebut konstanta kopling spin-spin n J, di mana N-jumlah ikatan yang memisahkan inti yang berinteraksi.

Ada konstanta langsung J HH, konstanta geminal 2 J HH , konstanta vicinal 3 J HH dan beberapa konstanta jangka panjang 4 J HH , 5JHH.

- konstanta geminal 2 J HH bisa positif dan negatif dan menempati kisaran dari -30 Hz hingga +40 Hz.

Konstanta vicinal 3 J HH menempati kisaran 0 20 Hz; mereka hampir selalu positif. Telah ditetapkan bahwa interaksi vicinal dalam sistem jenuh sangat bergantung pada sudut antara ikatan karbon-hidrogen, yaitu pada sudut dihedral - (Gbr. 1.3).

Gambar 1.3 - Sudut dihedral φ antara ikatan karbon-hidrogen.

Interaksi spin-spin jarak jauh (4 J HH , 5J HH ) - interaksi dua inti yang dipisahkan oleh empat ikatan atau lebih; konstanta interaksi tersebut biasanya dari 0 hingga +3 Hz.

Tabel 1.1 – Konstanta interaksi putaran-putar

B) Intensitas sinyal terintegrasi. Luas sinyal sebanding dengan jumlah inti magnet yang beresonansi pada kekuatan medan tertentu, sehingga rasio luas sinyal memberikan jumlah relatif proton dari setiap variasi struktur dan disebut intensitas sinyal terintegrasi. Spektrometer modern menggunakan integrator khusus, yang pembacaannya dicatat dalam bentuk kurva, yang tinggi langkahnya sebanding dengan luas sinyal yang sesuai.

D) Lebar garis. Untuk mengkarakterisasi lebar garis, biasanya mengukur lebar pada jarak setengah tinggi dari garis nol spektrum. Lebar garis yang diamati secara eksperimental terdiri dari lebar garis alami, yang bergantung pada struktur dan mobilitas, dan pelebaran karena alasan instrumental

Lebar garis yang biasa di PMR adalah 0,1-0,3 Hz, tetapi dapat meningkat karena tumpang tindih transisi yang berdekatan, yang tidak persis sama, tetapi tidak diselesaikan sebagai garis yang terpisah. Perluasan dimungkinkan dengan adanya inti dengan putaran lebih besar dari 1/2 dan pertukaran kimia.

1.2.2 Penerapan data 1 H NMR untuk menentukan struktur molekul organik.

Ketika memecahkan sejumlah masalah analisis struktural, selain tabel nilai empiris, Kh.S. Mungkin berguna untuk mengukur pengaruh substituen tetangga pada Ch.S. sesuai dengan aturan aditif dari kontribusi penyaringan yang efektif. Dalam hal ini, substituen yang jaraknya tidak lebih dari 2-3 ikatan dari proton tertentu biasanya diperhitungkan, dan perhitungannya dilakukan menggunakan rumus:

δ=δ 0 +ε saya *δ saya (3)

dimana δ 0 adalah pergeseran kimia proton dari gugus standar;

δi adalah kontribusi penyaringan oleh substituen.

1.3 Spektroskopi NMR 13 C. Memperoleh dan cara merekam spektrum.

Laporan pertama tentang pengamatan 13 C NMR muncul pada tahun 1957, tetapi transformasi spektroskopi 13 C NMR menjadi metode penelitian analitik yang digunakan secara praktis dimulai jauh kemudian.

Resonansi magnetik 13 C dan 1 H memiliki banyak kesamaan, namun terdapat juga perbedaan yang signifikan. Isotop karbon 12 C yang paling umum memiliki I=0. Isotop 13 C memiliki I=1/2, tetapi kandungan alaminya adalah 1,1%. Hal ini sejalan dengan fakta bahwa rasio gyromagnetik inti 13 C adalah 1/4 rasio gyromagnetik proton. Yang mengurangi sensitivitas metode dalam percobaan pengamatan 13 C NMR sebanyak 6000 kali dibandingkan dengan inti 1 H.

a) tanpa menekan interaksi spin-spin dengan proton. Spektrum 13 C NMR yang diperoleh tanpa adanya penekanan lengkap resonansi spin-spin oleh proton disebut spektrum resolusi tinggi. Spektrum ini berisi informasi lengkap tentang 13 konstanta C - 1 H. Dalam molekul yang relatif sederhana, kedua jenis konstanta - langsung dan jarak jauh - ditemukan dengan cukup sederhana. Jadi 1 J (C-H) adalah 125 - 250 Hz, namun interaksi spin-spin juga dapat terjadi dengan proton yang lebih jauh dengan konstanta kurang dari 20 Hz.

b) penekanan total interaksi spin-spin dengan proton. Kemajuan besar pertama dalam bidang spektroskopi 13 C NMR dikaitkan dengan penggunaan penekanan lengkap interaksi spin-spin dengan proton. Penggunaan penekanan lengkap interaksi spin-spin dengan proton menyebabkan penggabungan multiplet dengan pembentukan garis singlet jika tidak ada inti magnetik lain dalam molekul, seperti 19 F dan 31 P.

c) penekanan interaksi spin-spin yang tidak lengkap dengan proton. Namun, menggunakan mode pemisahan lengkap dari proton memiliki kelemahan. Karena semua sinyal karbon sekarang berbentuk singlet, semua informasi tentang konstanta interaksi spin-spin 13 C- 1 H hilang. Sebuah metode diusulkan yang memungkinkan untuk memulihkan sebagian informasi tentang konstanta interaksi spin-spin langsung 13 C- 1 H dan pada saat yang sama mempertahankan lebih banyak manfaat dari decoupling broadband. Dalam hal ini, pemisahan akan muncul dalam spektrum karena konstanta langsung interaksi spin-spin 13 C - 1 H. Prosedur ini memungkinkan untuk mendeteksi sinyal dari atom karbon tak terprotonasi, karena atom karbon tidak memiliki proton yang terkait langsung dengan 13 C dan muncul dalam spektrum dengan pelepasan tidak lengkap dari proton sebagai singlet.

d) modulasi konstanta interaksi CH, spektrum JMODCH. Masalah tradisional dalam spektroskopi 13C NMR adalah menentukan jumlah proton yang terikat pada setiap atom karbon, yaitu derajat protonasi atom karbon. Penekanan sebagian oleh proton memungkinkan untuk memisahkan sinyal karbon dari multiplisitas yang disebabkan oleh konstanta interaksi spin-spin jarak jauh dan memperoleh pemisahan sinyal karena konstanta kopling langsung 13 C-1 H. Namun, dalam kasus sistem spin berpasangan kuat AB dan tumpang tindih multiplet dalam mode OFFR membuat resolusi sinyal menjadi sulit.