A ressonância magnética nuclear (NMR) é uma espectroscopia nuclear amplamente utilizada em todas as ciências físicas e na indústria. Em RMN para sondando as propriedades intrínsecas de spin dos núcleos atômicos um grande ímã é usado. Como qualquer espectroscopia, utiliza radiação eletromagnética (ondas de radiofrequência na faixa VHF) para criar uma transição entre níveis de energia (ressonância). Na química, a RMN ajuda a determinar a estrutura de pequenas moléculas. A ressonância magnética nuclear na medicina encontrou aplicação na ressonância magnética (MRI).

Abertura

A RMN foi descoberta em 1946 pelos cientistas Purcell, Pound e Torrey da Universidade de Harvard, e Bloch, Hansen e Packard em Stanford. Eles notaram que os núcleos 1 H e 31 P (próton e fósforo-31) são capazes de absorver energia de radiofrequência quando expostos a um campo magnético, cuja intensidade é específica de cada átomo. Quando absorvidos, começaram a ressoar, cada elemento em sua própria frequência. Esta observação permitiu uma análise detalhada da estrutura da molécula. Desde então, a RMN encontrou aplicação em estudos cinéticos e estruturais de sólidos, líquidos e gases, resultando na atribuição de 6 Prémios Nobel.

Spin e propriedades magnéticas

O núcleo consiste em partículas elementares chamadas nêutrons e prótons. Eles têm seu próprio momento angular, chamado spin. Assim como os elétrons, o spin de um núcleo pode ser descrito pelos números quânticos I e em um campo magnético m. Núcleos atômicos com número par de prótons e nêutrons têm spin zero e todos os outros têm spin diferente de zero. Além disso, moléculas com spin diferente de zero têm um momento magnético μ = γ EU, onde γ é a razão giromagnética, constante de proporcionalidade entre o momento dipolar magnético e o angular, que é diferente para cada átomo.

O momento magnético do núcleo faz com que ele se comporte como um minúsculo ímã. Na ausência de um campo magnético externo, cada ímã é orientado aleatoriamente. Durante um experimento de RMN, a amostra é colocada em um campo magnético externo B0, o que faz com que as barras magnéticas de baixa energia se alinhem na direção B0 e as barras magnéticas de alta energia na direção oposta. Neste caso, ocorre uma mudança na orientação do spin dos ímãs. Para compreender este conceito bastante abstrato, deve-se considerar os níveis de energia de um núcleo durante um experimento de RMN.

Níveis de energia

Para inverter o giro, é necessário um número inteiro de quanta. Para qualquer m existem 2m + 1 níveis de energia. Para um núcleo de spin 1/2 existem apenas 2 - um baixo, ocupado por spins alinhados com B0, e um alto, ocupado por spins alinhados contra B0. Cada nível de energia é definido pela expressão E = -mℏγB 0, onde m é o número quântico magnético, neste caso +/- 1/2. Os níveis de energia para m > 1/2, conhecidos como núcleos quadrupolos, são mais complexos.

A diferença de energia entre os níveis é igual a: ΔE = ℏγB 0, onde ℏ é a constante de Planck.

Como pode ser visto, a força do campo magnético é de grande importância, pois na sua ausência os níveis degeneram.

Transições energéticas

Para que a ressonância magnética nuclear ocorra, deve ocorrer uma mudança de rotação entre os níveis de energia. A diferença de energia entre os dois estados corresponde à energia da radiação eletromagnética, que faz com que os núcleos alterem seus níveis de energia. Para a maioria Espectrômetros de RMN B 0 é da ordem 1 Tesla (T) e γ é da ordem 10 7. Portanto, a radiação eletromagnética necessária é da ordem de 10 7 Hz. A energia de um fóton é representada pela fórmula E = hν. Portanto, a frequência necessária para absorção é: ν= γB 0 /2π.

Blindagem nuclear

A física da RMN é baseada no conceito de blindagem nuclear, que permite determinar a estrutura da matéria. Cada átomo é cercado por elétrons que orbitam o núcleo e atuam em seu campo magnético, o que por sua vez provoca pequenas alterações nos níveis de energia. Isso é chamado de blindagem. Núcleos que experimentam diferentes campos magnéticos associados a interações eletrônicas locais são chamados de não equivalentes. Alterar os níveis de energia para spin flip requer uma frequência diferente, o que cria um novo pico no espectro de RMN. A triagem permite a determinação estrutural de moléculas analisando o sinal de RMN usando a transformada de Fourier. O resultado é um espectro que consiste em um conjunto de picos, cada um correspondendo a um ambiente químico diferente. A área do pico é diretamente proporcional ao número de núcleos. Informações detalhadas da estrutura são extraídas por Interações de RMN, mudando o espectro de diferentes maneiras.

Relaxamento

O relaxamento refere-se ao fenômeno dos núcleos retornando ao seu termodinamicamente estados que são estáveis ​​após excitação para níveis de energia mais elevados. Isso libera a energia absorvida durante a transição de um nível inferior para um superior. Este é um processo bastante complexo que ocorre em diferentes intervalos de tempo. Os dois mais comum tipos de relaxamento são spin-lattice e spin-spin.

Para compreender o relaxamento, é necessário considerar todo o padrão. Se os núcleos forem colocados em um campo magnético externo, eles criarão magnetização de volume ao longo do eixo Z. Seus spins também são coerentes e permitem que o sinal seja detectado. A RMN muda a magnetização em massa do eixo Z para o plano XY, onde ela aparece.

O relaxamento spin-rede é caracterizado pelo tempo T 1 necessário para restaurar 37% da magnetização do volume ao longo do eixo Z. Quanto mais eficiente for o processo de relaxamento, menor será o T 1 . Nos sólidos, como o movimento entre as moléculas é limitado, o tempo de relaxamento é longo. As medições geralmente são realizadas usando métodos pulsados.

O relaxamento spin-spin é caracterizado pela perda do tempo de coerência mútua T 2 . Pode ser menor ou igual a T1.

Ressonância magnética nuclear e suas aplicações

As duas principais áreas nas quais a RMN tem se mostrado extremamente importante são a medicina e a química, mas novas aplicações estão sendo desenvolvidas a cada dia.

A ressonância magnética nuclear, mais comumente conhecida como ressonância magnética (MRI), é importante ferramenta de diagnóstico médico, usado para estudar as funções e estrutura do corpo humano. Permite obter imagens detalhadas de qualquer órgão, principalmente tecidos moles, em todos os planos possíveis. Usado nas áreas de imagens cardiovasculares, neurológicas, musculoesqueléticas e oncológicas. Ao contrário da imagem alternativa por computador, a ressonância magnética não utiliza radiação ionizante e, portanto, é totalmente segura.

A ressonância magnética pode detectar mudanças sutis que ocorrem ao longo do tempo. A imagem por RMN pode ser usada para identificar anormalidades estruturais que ocorrem durante o curso da doença, como elas influenciam o desenvolvimento subsequente e como sua progressão se correlaciona com os aspectos mentais e emocionais do distúrbio. Como a ressonância magnética não visualiza bem o osso, ela produz excelentes imagens do tecido intracraniano e intravertebral contente.

Princípios de uso de ressonância magnética nuclear em diagnósticos

Durante um procedimento de ressonância magnética, o paciente fica dentro de um enorme ímã cilíndrico oco e é exposto a um campo magnético poderoso e sustentado. Diferentes átomos na parte escaneada do corpo ressoam em diferentes frequências de campo. A ressonância magnética é usada principalmente para detectar vibrações de átomos de hidrogênio, que contêm um núcleo de prótons giratório que possui um pequeno campo magnético. Na ressonância magnética, um campo magnético de fundo alinha todos os átomos de hidrogênio no tecido. Um segundo campo magnético, orientado de forma diferente do campo de fundo, liga e desliga muitas vezes por segundo. A uma certa frequência, os átomos ressoam e se alinham com o segundo campo. Quando desligado, os átomos saltam para trás, alinhando-se com o fundo. Isso cria um sinal que pode ser recebido e convertido em uma imagem.

Tecidos com grande quantidade de hidrogênio, que está presente no corpo humano como parte da água, criam uma imagem brilhante, e com pouco ou nenhum teor de hidrogênio (por exemplo, ossos) parecem escuros. O brilho da ressonância magnética é aumentado por um agente de contraste como a gadodiamida, que os pacientes tomam antes do procedimento. Embora estes agentes possam melhorar a qualidade da imagem, a sensibilidade do procedimento permanece relativamente limitada. Métodos estão sendo desenvolvidos para aumentar a sensibilidade da ressonância magnética. O mais promissor é o uso do parahidrogênio, uma forma de hidrogênio com propriedades únicas de spin molecular e muito sensível a campos magnéticos.

Melhorias nas características dos campos magnéticos utilizados na ressonância magnética levaram ao desenvolvimento de técnicas de imagem altamente sensíveis, como difusão e ressonância magnética funcional, que são projetadas para obter imagens de propriedades muito específicas dos tecidos. Além disso, uma forma única de tecnologia de ressonância magnética chamada angiografia por ressonância magnética é usada para obter imagens do movimento do sangue. Permite visualizar artérias e veias sem a necessidade de agulhas, cateteres ou agentes de contraste. Tal como acontece com a ressonância magnética, estas técnicas ajudaram a revolucionar a investigação e o diagnóstico biomédico.

A avançada tecnologia informática permitiu aos radiologistas criar hologramas tridimensionais a partir de cortes digitais obtidos por scanners de ressonância magnética, que são usados ​​para determinar a localização exata do dano. A tomografia é especialmente valiosa no exame do cérebro e da medula espinhal, bem como de órgãos pélvicos, como a bexiga e o osso esponjoso. O método pode determinar com rapidez e precisão a extensão do dano tumoral e avaliar o dano potencial de um acidente vascular cerebral, permitindo que os médicos prescrevam o tratamento adequado em tempo hábil. A ressonância magnética substituiu amplamente a artrografia, a necessidade de injetar material de contraste em uma articulação para visualizar danos na cartilagem ou nos ligamentos, e a mielografia, a injeção de material de contraste no canal espinhal para visualizar anormalidades na medula espinhal ou no disco intervertebral.

Aplicação em química

Muitos laboratórios hoje usam ressonância magnética nuclear para determinar as estruturas de importantes compostos químicos e biológicos. Nos espectros de RMN, diferentes picos fornecem informações sobre o ambiente químico específico e as ligações entre os átomos. Maioria comum Os isótopos usados ​​para detectar sinais de ressonância magnética são 1 H e 13 C, mas muitos outros são adequados, como 2 H, 3 He, 15 N, 19 F, etc.

A espectroscopia moderna de RMN encontrou ampla aplicação em sistemas biomoleculares e desempenha um papel importante na biologia estrutural. Com o desenvolvimento de metodologia e ferramentas, a RMN tornou-se um dos métodos espectroscópicos mais poderosos e versáteis para análise de biomacromoléculas, o que permite a caracterização delas e de seus complexos com tamanho de até 100 kDa. Juntamente com a cristalografia de raios X, esta é uma das duas principais tecnologias para determinar sua estrutura no nível atômico. Além disso, a RMN fornece informações únicas e importantes sobre a função proteica, que desempenha um papel crítico no desenvolvimento de medicamentos. Alguns dos usos Espectroscopia de RMN são fornecidos abaixo.

• Este é o único método para determinar a estrutura atômica de biomacromoléculas em soluções aquosas próximas de fisiológico condições ou ambientes que imitam membranas.
• Dinâmica molecular. Este é o mais poderoso método para determinação quantitativa de propriedades dinâmicas de biomacromoléculas.
• Dobramento de proteínas. Espectroscopia de RMNé a ferramenta mais poderosa para determinar as estruturas residuais de proteínas desdobradas e mediadores de dobramento.
• Estado de ionização. O método é eficaz na determinação das propriedades químicas de grupos funcionais em biomacromoléculas, como ionização estados de grupos ionizáveis ​​de sítios ativos de enzimas.
• A ressonância magnética nuclear permite o estudo de interações funcionais fracas entre macrobiomoléculas (por exemplo, com constantes de dissociação nas faixas micromolar e milimolar), o que não pode ser feito por outros métodos.
• Hidratação proteica. A RMN é uma ferramenta para detectar água interna e suas interações com biomacromoléculas.
• Isso é único método de detecção de interação direta ligações de hidrogênio.
• Triagem e desenvolvimento de medicamentos. Em particular, a ressonância magnética nuclear é particularmente útil na identificação de fármacos e na determinação das conformações de compostos associados a enzimas, receptores e outras proteínas.
• Proteína de membrana nativa. A RMN de estado sólido tem o potencial determinação de estruturas atômicas de domínios de proteínas de membrana no ambiente da membrana nativa, inclusive com ligantes ligados.
• Análise metabólica.
• Análises químicas. Identificação química e análise conformacional de produtos químicos sintéticos e naturais.
• Ciência de materiais. Uma ferramenta poderosa no estudo da química e física dos polímeros.

Outras aplicações

A ressonância magnética nuclear e suas aplicações não se limitam à medicina e à química. O método provou ser muito útil em outros campos, como testes climáticos, indústria petrolífera, controle de processos, RMN de campo terrestre e magnetômetros. Os testes não destrutivos economizam amostras biológicas caras, que podem ser reutilizadas se mais testes forem necessários. A ressonância magnética nuclear em geologia é usada para medir a porosidade das rochas e a permeabilidade dos fluidos subterrâneos. Magnetômetros são usados ​​para medir vários campos magnéticos.

A ressonância magnética nuclear (RMN) é o método diagnóstico mais seguro

Obrigado

O site fornece informações de referência apenas para fins informativos. O diagnóstico e tratamento das doenças devem ser realizados sob supervisão de um especialista. Todos os medicamentos têm contra-indicações. É necessária consulta com um especialista!

informações gerais

Fenômeno ressonância magnética nuclear (RMN) foi descoberto em 1938 pelo Rabino Isaac. O fenômeno é baseado na presença de propriedades magnéticas nos núcleos dos átomos. Somente em 2003 foi inventado um método para utilizar esse fenômeno para fins diagnósticos na medicina. Pela invenção, seus autores receberam o Prêmio Nobel. Na espectroscopia, o corpo em estudo ( isto é, o corpo do paciente) é colocado em um campo eletromagnético e irradiado com ondas de rádio. Este é um método totalmente seguro ( ao contrário, por exemplo, da tomografia computadorizada), que possui um alto grau de resolução e sensibilidade.

Aplicação em economia e ciência

1. Em química e física para identificar as substâncias que participam da reação, bem como os resultados finais das reações,
2. Na farmacologia para a produção de medicamentos,
3. Na agricultura, para determinar a composição química do grão e a prontidão para a semeadura ( muito útil na criação de novas espécies),
4. Na medicina - para diagnóstico. Um método muito informativo para diagnosticar doenças da coluna vertebral, principalmente dos discos intervertebrais. Torna possível detectar até as menores violações da integridade do disco. Detecta tumores cancerígenos nos estágios iniciais de formação.

A essência do método

O método de ressonância magnética nuclear baseia-se no fato de que no momento em que o corpo está em um campo magnético muito forte especialmente sintonizado ( 10.000 vezes mais forte que o campo magnético do nosso planeta), as moléculas de água presentes em todas as células do corpo formam cadeias localizadas paralelamente à direção do campo magnético.

Se você mudar repentinamente a direção do campo, a molécula de água libera uma partícula de eletricidade. São essas cargas que são detectadas pelos sensores do aparelho e analisadas por um computador. Com base na intensidade da concentração de água nas células, o computador cria um modelo do órgão ou parte do corpo que está sendo estudado.

Na saída, o médico tem uma imagem monocromática na qual é possível ver com grande detalhe finas seções do órgão. Em termos de conteúdo informativo, este método supera significativamente a tomografia computadorizada. Às vezes, são fornecidos ainda mais detalhes sobre o órgão que está sendo examinado do que o necessário para o diagnóstico.

Tipos de espectroscopia de ressonância magnética

• Fluidos biológicos,
• Órgãos internos.

A técnica permite examinar detalhadamente todos os tecidos do corpo humano, inclusive a água. Quanto mais fluidos os tecidos, mais claros e brilhantes eles ficam na imagem. Ossos, nos quais há pouca água, são representados em tons escuros. Portanto, a tomografia computadorizada é mais informativa no diagnóstico de doenças ósseas.

A técnica de perfusão por ressonância magnética permite monitorar o movimento do sangue nos tecidos do fígado e do cérebro.

Hoje na medicina o nome é mais utilizado ressonância magnética (Imagem de ressonância magnética ), já que a menção de reação nuclear no título assusta os pacientes.

Indicações

1. Doenças cerebrais
2. Estudos das funções de partes do cérebro,
3. Doenças articulares,
4. Doenças da medula espinhal,
5. Doenças dos órgãos internos da cavidade abdominal,
6. Doenças do sistema urinário e reprodutivo,
7. Doenças do mediastino e do coração,
8. Doenças vasculares.

Contra-indicações

Contra-indicações absolutas:
1. Marcapasso,
2. Próteses de orelha média eletrônicas ou ferromagnéticas,
3. Aparelhos ferromagnéticos Ilizarov,
4. Grandes próteses internas metálicas,
5. Pinças hemostáticas de vasos cerebrais.

Contra-indicações relativas:
1. Estimulantes do sistema nervoso,
2. Bombas de insulina,
3. Outros tipos de próteses auditivas internas,
4. Válvulas cardíacas protéticas,
5. Pinças hemostáticas em outros órgãos,
6. Gravidez ( é necessário obter a opinião de um ginecologista),
7. Insuficiência cardíaca em fase de descompensação,
8. Claustrofobia ( medo de espaços confinados).

Preparando-se para o estudo

A preparação especial é necessária apenas para os pacientes que estão sendo submetidos a exames de órgãos internos ( trato geniturinário e digestivo): Você não deve comer alimentos cinco horas antes do procedimento.
Se a cabeça estiver sendo examinada, o belo sexo é orientado a retirar a maquiagem, pois as substâncias contidas nos cosméticos ( por exemplo, na sombra dos olhos), pode afetar os resultados. Todas as joias de metal devem ser removidas.
Às vezes, a equipe médica examina um paciente usando um detector de metais portátil.

Como a pesquisa é conduzida?

Antes de iniciar o estudo, cada paciente preenche um questionário para ajudar a identificar contra-indicações.

O dispositivo é um tubo largo no qual o paciente é colocado na posição horizontal. O paciente deve permanecer completamente imóvel, caso contrário a imagem não será suficientemente nítida. O interior do tubo não é escuro e há ventilação fresca, portanto as condições para o procedimento são bastante confortáveis. Algumas instalações produzem um zumbido perceptível e, em seguida, a pessoa examinada usa fones de ouvido com absorção de ruído.

A duração do exame pode variar de 15 minutos a 60 minutos.
Alguns centros médicos permitem que um familiar ou acompanhante esteja com o paciente na sala onde o estudo está sendo realizado ( se não tiver contra-indicações).

Em alguns centros médicos, um anestesista administra sedativos. Neste caso, o procedimento é muito mais fácil de tolerar, principalmente para pacientes que sofrem de claustrofobia, crianças pequenas ou pacientes que, por algum motivo, têm dificuldade em permanecer parados. O paciente entra em estado de sono terapêutico e sai descansado e revigorado. Os medicamentos utilizados são rapidamente eliminados do organismo e são seguros para o paciente.

O resultado do exame fica pronto em até 30 minutos após o término do procedimento. O resultado é divulgado em forma de DVD, laudo médico e fotografias.

Uso de agente de contraste em RMN

Na maioria das vezes, o procedimento ocorre sem o uso de contraste. No entanto, em alguns casos é necessário ( para pesquisa vascular). Nesse caso, o agente de contraste é infundido por via intravenosa por meio de um cateter. O procedimento é semelhante a qualquer injeção intravenosa. Para este tipo de pesquisa são utilizadas substâncias especiais - paramagnetos. São substâncias magnéticas fracas, cujas partículas, estando em um campo magnético externo, são magnetizadas paralelamente às linhas do campo.

Contra-indicações ao uso de meios de contraste:

• Gravidez,
• Intolerância individual aos componentes do agente de contraste, previamente identificada.

Exame vascular (angiografia por ressonância magnética)

Usando este método, você pode monitorar o estado da rede circulatória e o movimento do sangue através dos vasos.
Apesar de o método permitir “ver” os vasos sem agente de contraste, com o seu uso a imagem fica mais nítida.
Instalações especiais 4-D permitem monitorar a movimentação do sangue quase em tempo real.

Indicações:

• Defeitos cardíacos congênitos,
• Aneurisma, dissecção,
• Estenose vascular,

Pesquisa cerebral

Este é um teste cerebral que não utiliza feixes radioativos. O método permite ver os ossos do crânio, mas você pode examinar os tecidos moles com mais detalhes. Um excelente método diagnóstico em neurocirurgia, bem como em neurologia. Permite detectar as consequências de hematomas e concussões antigas, derrames e também de neoplasias.
Geralmente é prescrito para condições semelhantes à enxaqueca de etiologia desconhecida, comprometimento da consciência, neoplasias, hematomas e falta de coordenação.

A ressonância magnética cerebral examina:

• principais vasos do pescoço,
• vasos sanguíneos que irrigam o cérebro
• tecido cerebral,
• órbitas das órbitas oculares,
• partes mais profundas do cérebro ( cerebelo, glândula pineal, glândula pituitária, oblonga e seções intermediárias).

RMN funcional

Este diagnóstico baseia-se no fato de que quando qualquer parte do cérebro responsável por uma determinada função é ativada, a circulação sanguínea nessa área aumenta.
A pessoa examinada recebe diversas tarefas e, durante sua execução, é registrada a circulação sanguínea em diferentes partes do cérebro. Os dados obtidos durante os experimentos são comparados com o tomograma obtido durante o período de descanso.

Exame da coluna

Este método é excelente para estudar terminações nervosas, músculos, medula óssea e ligamentos, bem como discos intervertebrais. Mas no caso de fraturas da coluna vertebral ou necessidade de estudo de estruturas ósseas, é um pouco inferior à tomografia computadorizada.

Você pode examinar toda a coluna ou apenas a área de preocupação: cervical, torácica, lombossacral e também separadamente o cóccix. Assim, ao examinar a coluna cervical, podem ser detectadas patologias de vasos sanguíneos e vértebras que afetam o suprimento de sangue ao cérebro.
Ao examinar a região lombar, podem ser detectadas hérnias intervertebrais, pontas ósseas e cartilaginosas, bem como nervos comprimidos.

Indicações:

• Alterações na forma dos discos intervertebrais, incluindo hérnias,
• Lesões nas costas e coluna
• Osteocondrose, processos distróficos e inflamatórios nos ossos,
• Neoplasias.

Exame da medula espinhal

É realizado simultaneamente com um exame da coluna vertebral.

Indicações:

• A probabilidade de neoplasias da medula espinhal, lesões focais,
• Para controlar o enchimento das cavidades da medula espinhal com líquido cefalorraquidiano,
• Cistos da medula espinhal,
• Para monitorar a recuperação após a cirurgia,
• Se houver risco de doença da medula espinhal.

Exame conjunto

Este método de pesquisa é muito eficaz para estudar o estado dos tecidos moles que constituem a articulação.

Usado para diagnóstico:

• Artrite crônica,
• Lesões de tendões, músculos e ligamentos ( especialmente frequentemente usado em medicina esportiva),
• Perelomov,
• Neoplasias de tecidos moles e ossos,
• Danos não detectados por outros métodos de diagnóstico.

Aplicável para:

• Exame das articulações do quadril para osteomielite, necrose da cabeça femoral, fratura por estresse, artrite séptica,
• Exame das articulações do joelho para fraturas por estresse, violação da integridade de alguns componentes internos ( menisco, cartilagem),
• Exame da articulação do ombro em busca de luxações, nervos comprimidos, ruptura da cápsula articular,
• Exame da articulação do punho em casos de instabilidade, fraturas múltiplas, aprisionamento do nervo mediano e lesão ligamentar.

Exame da articulação temporomandibular

Prescrito para determinar as causas da disfunção na articulação. Este estudo revela de forma mais completa o estado da cartilagem e dos músculos e permite detectar luxações. Também é utilizado antes de cirurgias ortodônticas ou ortopédicas.

Indicações:

• Mobilidade prejudicada da mandíbula inferior,
• Sons de clique ao abrir e fechar a boca,
• Dor na têmpora ao abrir e fechar a boca,
• Dor ao palpar os músculos mastigatórios,
• Dor nos músculos do pescoço e da cabeça.

Exame dos órgãos internos da cavidade abdominal

Um exame do pâncreas e do fígado é prescrito para:

• Icterícia não infecciosa,
• Probabilidade de neoplasia hepática, degeneração, abscesso, cistos, com cirrose,
• Para monitorar o progresso do tratamento,
• Para rupturas traumáticas,
• Pedras na vesícula biliar ou nos ductos biliares,
• Pancreatite de qualquer forma,
• Probabilidade de neoplasias,
• Isquemia de órgãos parenquimatosos.

O método permite detectar cistos pancreáticos e examinar a condição dos ductos biliares. Quaisquer formações bloqueando os dutos são identificadas.

Um exame renal é prescrito quando:

• Suspeita de neoplasia,
• Doenças de órgãos e tecidos localizados próximos aos rins,
• A probabilidade de interrupção da formação dos órgãos urinários,
• Se for impossível realizar urografia excretora.

Antes de examinar órgãos internos por meio de ressonância magnética nuclear, é necessário realizar um exame de ultrassom.

Pesquisa para doenças do sistema reprodutivo

Os exames pélvicos são prescritos para:

• A probabilidade de uma neoplasia do útero, bexiga, próstata,
• Lesões,
• Neoplasias pélvicas para identificar metástases,
• Dor na área sacral,
• Vesiculite,
• Para examinar a condição dos gânglios linfáticos.

Para o câncer de próstata, este exame é prescrito para detectar a propagação do tumor para órgãos próximos.

Não é aconselhável urinar uma hora antes do exame, pois a imagem será mais informativa se a bexiga estiver um pouco cheia.

Estudar durante a gravidez

Apesar de esse método de pesquisa ser muito mais seguro que a radiografia ou a tomografia computadorizada, seu uso no primeiro trimestre de gravidez é estritamente proibido.
No segundo e terceiro trimestres, o método é prescrito apenas por motivos de saúde. O perigo do procedimento para o corpo da gestante é que durante o procedimento alguns tecidos são aquecidos, o que pode causar alterações indesejáveis ​​​​na formação do feto.
Mas o uso de agente de contraste durante a gravidez é estritamente proibido em qualquer fase da gestação.

Medidas de precaução

1. Algumas instalações de RMN são projetadas como um tubo fechado. Pessoas que sofrem de medo de espaços fechados podem sofrer um ataque. Portanto, é melhor perguntar com antecedência como será o procedimento. Existem instalações de tipo aberto. São uma sala semelhante a uma sala de raios X, mas tais instalações são raras.

2. É proibido entrar na sala onde o dispositivo está localizado com objetos metálicos e dispositivos eletrônicos ( por exemplo, relógios, jóias, chaves), pois em um campo eletromagnético poderoso, os dispositivos eletrônicos podem quebrar e pequenos objetos de metal podem se despedaçar. Ao mesmo tempo, não serão obtidos dados de pesquisa totalmente corretos.

Antes de usar, você deve consultar um especialista.

1. A essência do fenômeno

   Em primeiro lugar, deve-se notar que embora o nome deste fenômeno contenha a palavra “nuclear”, a RMN nada tem a ver com a física nuclear e não está de forma alguma ligada à radioatividade. Se falamos de uma descrição estrita, não há como prescindir das leis da mecânica quântica. De acordo com essas leis, a energia de interação do núcleo magnético com um campo magnético externo pode assumir apenas alguns valores discretos. Se os núcleos magnéticos são irradiados com um campo magnético alternado, cuja frequência corresponde à diferença entre esses níveis discretos de energia, expressos em unidades de frequência, então os núcleos magnéticos começam a se mover de um nível para outro, enquanto absorvem a energia do alternado campo. Este é o fenômeno da ressonância magnética. Esta explicação é formalmente correta, mas não muito clara. Há outra explicação, sem mecânica quântica. O núcleo magnético pode ser imaginado como uma bola eletricamente carregada girando em torno de seu eixo (embora, estritamente falando, isso não seja verdade). De acordo com as leis da eletrodinâmica, a rotação de uma carga leva ao aparecimento de um campo magnético, ou seja, o momento magnético do núcleo, que é direcionado ao longo do eixo de rotação. Se este momento magnético for colocado em um campo externo constante, então o vetor deste momento começa a precessar, ou seja, girar em torno da direção do campo externo. Da mesma forma, o eixo do topo precessa (gira) em torno da vertical se não for torcido estritamente verticalmente, mas em um determinado ângulo. Neste caso, o papel do campo magnético é desempenhado pela força da gravidade.

   A frequência de precessão é determinada tanto pelas propriedades do núcleo quanto pela força do campo magnético: quanto mais forte o campo, maior a frequência. Então, se, além de um campo magnético externo constante, o núcleo for afetado por um campo magnético alternado, então o núcleo começa a interagir com esse campo - parece balançar o núcleo com mais força, a amplitude de precessão aumenta e o núcleo absorve a energia do campo alternado. Porém, isso só acontecerá sob a condição de ressonância, ou seja, a coincidência da frequência de precessão e a frequência do campo alternado externo. Isto é semelhante ao exemplo clássico da física escolar: soldados marchando através de uma ponte. Se a frequência do passo coincidir com a frequência natural da ponte, então a ponte oscila cada vez mais. Experimentalmente, esse fenômeno se manifesta na dependência da absorção de um campo alternado de sua frequência. No momento da ressonância, a absorção aumenta acentuadamente, e o espectro de ressonância magnética mais simples se parece com isto:

   

2. Espectroscopia com transformada de Fourier

   Os primeiros espectrômetros de RMN funcionaram exatamente como descrito acima - a amostra foi colocada em um campo magnético constante e a radiação de radiofrequência foi aplicada continuamente a ela. Então, a frequência do campo alternado ou a intensidade do campo magnético constante variaram suavemente. A absorção da energia do campo alternado foi registrada por uma ponte de radiofrequência, cujo sinal foi enviado para um gravador ou osciloscópio. Mas este método de gravação de sinal não é usado há muito tempo. Nos espectrômetros de RMN modernos, o espectro é registrado por meio de pulsos. Os momentos magnéticos dos núcleos são excitados por um pulso curto e poderoso, após o qual o sinal induzido na bobina de RF pelos momentos magnéticos em precessão livre é registrado. Este sinal diminui gradualmente até zero à medida que os momentos magnéticos retornam ao equilíbrio (este processo é chamado de relaxamento magnético). O espectro de RMN é obtido a partir deste sinal usando a transformada de Fourier. Este é um procedimento matemático padrão que permite decompor qualquer sinal em harmônicos de frequência e assim obter o espectro de frequência deste sinal. Este método de gravação do espectro permite reduzir significativamente o nível de ruído e realizar experimentos com muito mais rapidez.

   

   Um pulso emocionante para registrar um espectro é o experimento de RMN mais simples. Porém, pode haver muitos desses pulsos de diferentes durações, amplitudes, com diferentes atrasos entre eles, etc., em um experimento, dependendo do tipo de manipulação que o pesquisador precisa realizar com o sistema de momentos magnéticos nucleares. No entanto, quase todas essas sequências de pulso terminam na mesma coisa - registrando um sinal de precessão livre seguido por uma transformada de Fourier.

3. Interações magnéticas na matéria

   A própria ressonância magnética não passaria de um fenômeno físico interessante se não fosse pelas interações magnéticas dos núcleos entre si e com a camada eletrônica da molécula. Essas interações afetam os parâmetros de ressonância e, com sua ajuda, o método de RMN pode fornecer uma variedade de informações sobre as propriedades das moléculas - sua orientação, estrutura espacial (conformação), interações intermoleculares, troca química, dinâmica rotacional e translacional. Graças a isso, a RMN tornou-se uma ferramenta muito poderosa para o estudo de substâncias em nível molecular, amplamente utilizada não apenas na física, mas principalmente na química e na biologia molecular. Um exemplo de tal interação é o chamado deslocamento químico. Sua essência é a seguinte: a camada eletrônica de uma molécula responde a um campo magnético externo e tenta protegê-lo - a blindagem parcial do campo magnético ocorre em todas as substâncias diamagnéticas. Isso significa que o campo magnético na molécula será diferente do campo magnético externo em uma quantidade muito pequena, o que é chamado de deslocamento químico. No entanto, as propriedades da camada eletrônica em diferentes partes da molécula são diferentes, e o deslocamento químico também é diferente. Consequentemente, as condições de ressonância para núcleos em diferentes partes da molécula também serão diferentes. Isso torna possível distinguir núcleos quimicamente não equivalentes no espectro. Por exemplo, se tomarmos o espectro dos núcleos de hidrogênio (prótons) da água pura, haverá apenas uma linha, uma vez que ambos os prótons na molécula de H 2 O são exatamente iguais. Mas para o álcool metílico CH 3 OH já haverá duas linhas no espectro (se negligenciarmos outras interações magnéticas), uma vez que existem dois tipos de prótons - os prótons do grupo metil CH 3 e o próton associado ao átomo de oxigênio. À medida que as moléculas se tornam mais complexas, o número de linhas aumentará, e se considerarmos uma molécula tão grande e complexa como uma proteína, então, neste caso, o espectro será mais ou menos assim:

   

4. Núcleos magnéticos

   A RMN pode ser observada em diferentes núcleos, mas deve-se dizer que nem todos os núcleos possuem um momento magnético. Muitas vezes acontece que alguns isótopos têm momento magnético, mas outros isótopos do mesmo núcleo não. No total, existem mais de cem isótopos de vários elementos químicos que possuem núcleos magnéticos, mas na pesquisa geralmente não são usados ​​​​mais de 1.520 núcleos magnéticos, todo o resto é exótico. Cada núcleo tem sua própria relação característica entre campo magnético e frequência de precessão, chamada razão giromagnética. Para todos os núcleos estas relações são conhecidas. Com eles, é possível selecionar a frequência na qual, sob um determinado campo magnético, será observado um sinal dos núcleos que o pesquisador necessita.

   Os núcleos mais importantes para RMN são os prótons. São os mais abundantes na natureza e possuem uma sensibilidade muito elevada. Os núcleos de carbono, nitrogênio e oxigênio são muito importantes para a química e a biologia, mas os cientistas não tiveram muita sorte com eles: os isótopos mais comuns de carbono e oxigênio, 12 C e 16 O, não têm momento magnético, o natural O isótopo de nitrogênio 14 N tem um momento, mas por uma série de razões é muito inconveniente para experimentos. Existem isótopos 13 C, 15 N e 17 O que são adequados para experimentos de RMN, mas sua abundância natural é muito baixa e sua sensibilidade é muito baixa em comparação aos prótons. Portanto, amostras especiais enriquecidas com isótopos são frequentemente preparadas para estudos de RMN, nos quais o isótopo natural de um determinado núcleo é substituído pelo necessário para os experimentos. Na maioria dos casos, este procedimento é muito difícil e caro, mas às vezes é a única oportunidade de obter as informações necessárias.

5. Ressonância eletrônica paramagnética e quadrupolo

   Falando em RMN, não se pode deixar de mencionar dois outros fenômenos físicos relacionados - ressonância paramagnética eletrônica (EPR) e ressonância quadrupolo nuclear (NQR). O EPR é essencialmente semelhante ao NMR, a diferença é que a ressonância é observada nos momentos magnéticos não dos núcleos atômicos, mas da camada eletrônica do átomo. O EPR só pode ser observado naquelas moléculas ou grupos químicos cuja camada eletrônica contém um chamado elétron desemparelhado, então a camada tem um momento magnético diferente de zero. Essas substâncias são chamadas de paramagnetos. O EPR, assim como o NMR, também é usado para estudar várias propriedades estruturais e dinâmicas de substâncias em nível molecular, mas seu escopo de uso é significativamente mais restrito. Isto se deve principalmente ao fato de que a maioria das moléculas, especialmente na natureza viva, não contém elétrons desemparelhados. Em alguns casos, pode-se utilizar a chamada sonda paramagnética, ou seja, um grupo químico com um elétron desemparelhado que se liga à molécula em estudo. Mas esta abordagem tem desvantagens óbvias que limitam as capacidades deste método. Além disso, o EPR não possui uma resolução espectral tão alta (ou seja, a capacidade de distinguir uma linha da outra no espectro) como na RMN.

   É muito difícil explicar a natureza do NQR “nos dedos”. Alguns núcleos têm o que é chamado de momento elétrico de quadrupolo. Este momento caracteriza o desvio da distribuição da carga elétrica do núcleo da simetria esférica. A interação deste momento com o gradiente do campo elétrico criado pela estrutura cristalina da substância leva à divisão dos níveis de energia do núcleo. Neste caso, pode-se observar uma ressonância numa frequência correspondente às transições entre estes níveis. Ao contrário do NMR e do EPR, o NQR não requer um campo magnético externo, uma vez que a divisão de nível ocorre sem ele. O NQR também é utilizado para estudar substâncias, mas o seu âmbito de aplicação é ainda mais restrito do que o do EPR.

6. Vantagens e desvantagens da RMN

   

   A RMN é o método mais poderoso e informativo para estudar moléculas. A rigor, este não é um método, é um grande número de diferentes tipos de experimentos, ou seja, sequências de pulso. Embora todos sejam baseados no fenômeno da RMN, cada um desses experimentos é projetado para obter algumas informações específicas. O número desses experimentos é medido em muitas dezenas, senão em centenas. Teoricamente, a RMN pode, senão tudo, então quase tudo que todos os outros métodos experimentais para estudar a estrutura e dinâmica das moléculas podem, embora na prática isso seja viável, é claro, nem sempre. Uma das principais vantagens da RMN é que, por um lado, as suas sondas naturais, ou seja, núcleos magnéticos, estão distribuídas por toda a molécula e, por outro lado, permite distinguir esses núcleos entre si e obter dados espacialmente seletivos. nas propriedades da molécula. Quase todos os outros métodos fornecem informações calculadas sobre a molécula inteira ou apenas sobre uma parte dela.

   A RMN tem duas desvantagens principais. Em primeiro lugar, é de baixa sensibilidade em comparação com a maioria dos outros métodos experimentais (espectroscopia óptica, fluorescência, ESR, etc.). Isso leva ao fato de que, para calcular a média do ruído, o sinal deve ser acumulado por um longo tempo. Em alguns casos, um experimento de RMN pode ser realizado por várias semanas. Em segundo lugar, é caro. Os espectrômetros de RMN estão entre os instrumentos científicos mais caros, custando pelo menos centenas de milhares de dólares, e os espectrômetros mais caros custam vários milhões. Nem todos os laboratórios, especialmente na Rússia, podem ter recursos para ter esse equipamento científico.

7. Ímãs para espectrômetros NMR

   Uma das partes mais importantes e caras do espectrômetro é o ímã, que cria um campo magnético constante. Quanto mais forte for o campo, maior será a sensibilidade e a resolução espectral, por isso os cientistas e engenheiros estão constantemente a tentar obter campos tão altos quanto possível. O campo magnético é criado pela corrente elétrica no solenóide – quanto mais forte a corrente, maior será o campo. No entanto, é impossível aumentar a corrente indefinidamente: com uma corrente muito alta, o fio do solenóide simplesmente começará a derreter. Portanto, por muito tempo, os espectrômetros de RMN de alto campo usaram ímãs supercondutores, ou seja, ímãs nos quais o fio solenóide está em um estado supercondutor. Neste caso, a resistência elétrica do fio é zero e nenhuma energia é liberada em qualquer valor de corrente. O estado supercondutor só pode ser alcançado em temperaturas muito baixas, apenas alguns graus Kelvin, a temperatura do hélio líquido. (A supercondutividade de alta temperatura ainda é domínio de pesquisa puramente fundamental.) É à manutenção de uma temperatura tão baixa que estão associadas todas as dificuldades técnicas no projeto e produção de ímãs, que os tornam caros. Um ímã supercondutor é construído com base no princípio de uma garrafa térmica matryoshka. O solenóide está localizado no centro, na câmara de vácuo. Está rodeado por uma concha contendo hélio líquido. Esta concha é cercada por uma camada de nitrogênio líquido através de uma camada de vácuo. A temperatura do nitrogênio líquido é de 196 graus Celsius negativos; o nitrogênio é necessário para garantir que o hélio evapore o mais lentamente possível. Finalmente, o invólucro de nitrogênio é isolado da temperatura ambiente por uma camada externa de vácuo. Tal sistema é capaz de manter a temperatura desejada de um ímã supercondutor por um tempo muito longo, embora isso exija a adição regular de nitrogênio líquido e hélio ao ímã. A vantagem desses ímãs, além da capacidade de obter campos magnéticos elevados, é também que eles não consomem energia: após a partida do ímã, a corrente percorre fios supercondutores praticamente sem perdas por muitos anos.

8. Tomografia

   Nos espectrômetros convencionais de RMN, eles tentam tornar o campo magnético o mais uniforme possível, o que é necessário para melhorar a resolução espectral. Mas se o campo magnético dentro da amostra, pelo contrário, for muito heterogêneo, isso abre possibilidades fundamentalmente novas para o uso de RMN. A falta de homogeneidade do campo é criada pelas chamadas bobinas gradientes, que funcionam em conjunto com o ímã principal. Neste caso, a magnitude do campo magnético em diferentes partes da amostra será diferente, o que significa que o sinal de RMN pode ser observado não de toda a amostra, como em um espectrômetro convencional, mas apenas de sua camada estreita, para a qual as condições de ressonância são atendidas, isto é, a relação desejada entre campo magnético e frequência. Ao alterar a magnitude do campo magnético (ou, o que é essencialmente a mesma coisa, a frequência de observação do sinal), você pode alterar a camada que produzirá o sinal. Desta forma, é possível “escanear” a amostra em todo o seu volume e “ver” a sua estrutura tridimensional interna sem destruir a amostra de qualquer forma mecânica. Até o momento, um grande número de técnicas foram desenvolvidas que permitem medir diversos parâmetros de RMN (características espectrais, tempos de relaxação magnética, taxa de autodifusão e alguns outros) com resolução espacial dentro da amostra. A aplicação mais interessante e importante, do ponto de vista prático, da tomografia RMN foi encontrada na medicina. Neste caso, o “espécime” em estudo é o corpo humano. A imagem por RMN é uma das ferramentas de diagnóstico mais eficazes e seguras (mas também caras) em vários campos da medicina, da oncologia à obstetrícia. É interessante notar que os médicos não usam a palavra “nuclear” no nome deste método, porque alguns pacientes o associam a reações nucleares e à bomba atômica.

9. História da descoberta

   

   O ano da descoberta da RMN é considerado 1945, quando os americanos Felix Bloch de Stanford e, independentemente dele, Edward Purcell e Robert Pound de Harvard observaram pela primeira vez o sinal de RMN em prótons. Naquela época, já se sabia muito sobre a natureza do magnetismo nuclear, o próprio efeito de RMN havia sido previsto teoricamente e várias tentativas foram feitas para observá-lo experimentalmente. É importante notar que um ano antes, na União Soviética, em Kazan, o fenómeno EPR foi descoberto por Evgeniy Zavoisky. É agora bem sabido que Zavoisky também observou o sinal NMR, isto foi antes da guerra, em 1941. No entanto, ele tinha à sua disposição um ímã de baixa qualidade e com baixa uniformidade de campo; os resultados eram pouco reprodutíveis e, portanto, permaneceram inéditos. Para ser justo, deve-se notar que Zavoisky não foi o único que observou a RMN antes da sua descoberta “oficial”. Em particular, o físico americano Isidor Rabi (vencedor do Prémio Nobel em 1944 pelo seu estudo das propriedades magnéticas dos núcleos em feixes atómicos e moleculares) também observou a RMN no final dos anos 30, mas considerou-a um artefacto instrumental. De uma forma ou de outra, nosso país mantém a prioridade na detecção experimental de ressonância magnética. Embora o próprio Zavoisky tenha começado a lidar com outros problemas logo após a guerra, sua descoberta desempenhou um papel importante no desenvolvimento da ciência em Kazan. Kazan ainda continua sendo um dos principais centros científicos do mundo em espectroscopia EPR.

10. Prêmios Nobel de Ressonância Magnética

    Na primeira metade do século XX, vários Prémios Nobel foram atribuídos a cientistas sem cujo trabalho a descoberta da RMN não poderia ter ocorrido. Entre eles estão Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Mas houve quatro Prémios Nobel diretamente relacionados com a RMN. Em 1952, o prêmio foi concedido a Felix Bloch e Edward Purcell pela descoberta da ressonância magnética nuclear. Este é o único Prêmio Nobel “NMR” de física. Em 1991, o suíço Richard Ernst, que trabalhou na famosa ETH de Zurique, recebeu o prêmio de química. Ele foi premiado pelo desenvolvimento de métodos de espectroscopia de RMN multidimensional, que permitiram aumentar radicalmente o conteúdo de informação dos experimentos de RMN. Em 2002, o vencedor do prêmio, também em química, foi Kurt Wüthrich, que trabalhou com Ernst em prédios vizinhos da mesma Escola Técnica. Ele recebeu o prêmio pelo desenvolvimento de métodos para determinação da estrutura tridimensional de proteínas em solução. Anteriormente, o único método para determinar a conformação espacial de grandes biomacromoléculas era a análise de difração de raios X. Finalmente, em 2003, o americano Paul Lauterbur e o inglês Peter Mansfield receberam o prêmio médico pela invenção da tomografia NMR. O descobridor soviético do EPR, E. K. Zavoisky, infelizmente, não recebeu o Prêmio Nobel.

RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR(NMR), o fenômeno de absorção ressonante de ondas eletromagnéticas de radiofrequência. energia in-vom com mag diferente de zero. momentos dos núcleos localizados no externo mágico permanente. campo. Ímã nuclear diferente de zero. os núcleos 1 H, 2 H, 13 C, 14 N, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P, etc. têm um momento.A RMN é geralmente observada em um campo magnético uniforme e constante. campo B 0 , um campo fraco de radiofrequência B 1 perpendicular ao campo B 0 é sobreposto a ele. Para substâncias em que o spin nuclear é I = 1/2 (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P, etc.), duas orientações magnéticas são possíveis no campo B 0. momento dipolar do núcleo “ao longo do campo” e “contra o campo”. Os dois níveis de energia emergentes E devido à interação. revista. momento do núcleo com campo B 0 separados por intervalo
Desde que ou onde h é a constante de Planck, v 0 é a frequência do campo de radiofrequência B 1, é a frequência circular, a chamada. giromagn. proporção do núcleo, a absorção ressonante da energia do campo B 1 é observada , chamado RMN. Para os nuclídeos 1 H, 13 C, 31 P, as frequências de RMN no campo B 0 = 11,7 T são iguais, respectivamente. (em MHz): 500, 160,42 e 202,4; valores (em MHz/T): 42,58, 10,68 e 17,24. De acordo com o modelo quântico, surgem níveis de energia 2I+1 no campo B 0, cujas transições são permitidas onde m é mag. número quântico.

Técnica experimental. Parâmetros dos espectros de RMN. A espectroscopia de RMN é baseada no fenômeno da RMN. Os espectros de RMN são registrados usando radioespectrômetros (Fig.). Uma amostra da substância em estudo é colocada como núcleo na bobina de um circuito gerador (campo B 1), localizado na lacuna de um ímã que cria um campo B 0 para que Quando ocorre a absorção ressonante, o que causa uma queda de tensão no circuito, em cujo circuito existe uma bobina com amostra. A queda de tensão é detectada, amplificada e enviada para uma varredura do osciloscópio ou dispositivo de gravação. Em moderno Os espectrômetros de rádio NMR geralmente usam um campo mágico com intensidade de 1-12 Tesla. A região do espectro na qual existe um sinal detectável com um ou mais. máximo, chamado Linha de absorção de RMN. Largura da linha observada medida na metade máx. intensidade e expressa em Hz, chamada. Largura da linha de RMN. Resolução do espectro de RMN - min. a largura da linha de RMN que este espectrômetro permite observar. A velocidade de passagem é a velocidade (em Hz/s) com a qual a intensidade magnética muda. campo ou frequência da radiação de radiofrequência que afeta a amostra na obtenção de um espectro de RMN.

Diagrama de um espectrômetro de RMN: 1 - bobina com amostra; 2 - pólos magnéticos; 3 - gerador de campo de radiofrequência; 4 - amplificador e detector; 5 - gerador de tensão modulante; 6 - bobinas de modulação de campo B 0; 7 - osciloscópio.

O sistema redistribui a energia absorvida dentro de si (o chamado spin-spin, ou relaxamento transversal; tempo característico T 2) e a libera no ambiente (relaxamento spin-rede, tempo de relaxamento T 1). Os tempos T 1 e T 2 carregam informações sobre distâncias internucleares e tempos de correlação. eles dizem movimentos. Medições da dependência de T 1 e T 2 da temperatura e frequência v 0 fornecem informações sobre a natureza do movimento térmico, químico. equilíbrio, transições de fase, etc. Em sólidos com rede rígida T 2 = 10 μs, e T 1 > 10 3 s, uma vez que não existe um mecanismo regular de relaxamento spin-rede e o relaxamento é devido ao paramagnético. impurezas. Devido ao tamanho pequeno de T2, a largura natural da linha de RMN é muito grande (dezenas de kHz), e seu registro ocorre na região de RMN de linhas largas. Em líquidos de baixa viscosidade T 1 T 2 e é medido em segundos. resp. As linhas de RMN têm uma largura da ordem de 10 -1 Hz (RMN de alta resolução). Para reproduzir o formato da linha sem distorções, é necessário passar por uma linha de 0,1 Hz de largura por 100 s. Isto impõe limitações significativas à sensibilidade dos espectrômetros de RMN.
O principal parâmetro do espectro de RMN é químico. deslocamento - a razão da diferença entre as frequências do sinal de RMN observado e um determinado sinal de referência convencionalmente selecionado, obtido com o sinal apropriado. padrão à frequência do sinal de referência (expresso em partes por milhão, ppm). Química. Os desvios de RMN são medidos em quantidades adimensionais medidas a partir do pico do sinal de referência. Se o padrão fornecer um sinal na frequência v 0, então Dependendo da natureza dos núcleos em estudo, é feita uma distinção entre RMN de prótons, ou PMR, e RMN de 13 C (tabelas de valores de deslocamento químico são fornecidas nas extremidades do volume). RMN 19 F (ver Compostos organofluorados), RMN 31 P (ver Compostos organofosforados), etc. As quantidades possuem propriedades características significativas e permitem determinar a partir dos espectros de RMN a presença de certos mol. fragmentos. Dados químicos relevantes. muda de diferença. os núcleos são publicados em livros de referência e livros didáticos, e também são inseridos em bancos de dados, que fornecem bancos de dados modernos. Espectrômetros de RMN. Na série de compostos químicos com estruturas semelhantes. a mudança é diretamente proporcional à densidade eletrônica nos núcleos correspondentes.
O padrão geralmente aceito para PMR e 13C RMN é tetrametilsilano (TMS). Padrão m.b. dissolvido na solução teste (padrão interno) ou colocado, por exemplo, em um capilar selado localizado dentro da ampola amostra (padrão externo). Somente aqueles cuja absorção própria não se sobrepõe à região de interesse da pesquisa podem ser utilizados como p-resíduos. Para PMR, os melhores reagentes são aqueles que não contêm prótons (CC1 4, CDC1 3, CS 2, D 2 O, etc.).
Em moléculas poliatômicas, os núcleos de átomos idênticos que ocupam posições quimicamente não equivalentes têm químicas diferentes. mudanças devido a diferenças no magnético blindagem dos núcleos por elétrons de valência (tais núcleos são chamados de anisócronos). Para o i-ésimo núcleo onde está o diamagn constante. triagem, medida em ppm. Para prótons, o intervalo típico de alterações é de até 20 ppm; para núcleos mais pesados, esses intervalos são 2 a 3 ordens de magnitude maiores.
Um parâmetro importante dos espectros de RMN é a constante de interação spin-spin. (TCO constante) - uma medida do TCO indireto entre diferenças. revista. núcleos de uma molécula (ver interação Spin-spin); expresso em Hz.
Interação spins nucleares com spins de elétrons contidos na molécula entre os núcleos i e j levam à orientação mútua desses núcleos no campo B 0 (SSV). Com resolução suficiente SSV leva a adicional. multiplicidade de linhas correspondentes a determinados valores químicos. turnos: onde J ij - constantes SSV; F ij - quantidades cujos valores são determinados pelos spins dos núcleos i e j, a simetria do mol correspondente. fragmento, ângulos diédricos entre produtos químicos. conexões e o número dessas conexões entre os núcleos participantes do SSV.
Se química. os deslocamentos são suficientemente grandes, ou seja, min max (J ij), então os SSWs aparecem na forma de multipletos simples com uma distribuição de intensidade binomial (espectros de primeira ordem). Assim, no grupo etil, o sinal dos prótons metila aparece como um tripleto com proporção de intensidade de 1:2:1, e o sinal dos prótons metileno aparece como um quádruplo com proporção de intensidade de 1:3:3:1. Nos espectros de RMN de 13C, os grupos metino são dupletos (1:1) e grupos metileno e metila, respectivamente. trigêmeos e quádruplos, mas com valores de constantes SSV mais elevados do que nos espectros de prótons. Química. os deslocamentos nos espectros de primeira ordem são iguais aos intervalos entre os centros dos multipletos, e J ij são as distâncias entre os picos adjacentes do multipleto. Se a condição de primeira ordem não for satisfeita, então os espectros tornam-se complexos: neles, nem um único intervalo, em geral, é igual a J ij. Os valores exatos dos parâmetros espectrais são obtidos na mecânica quântica. cálculos. Os programas correspondentes estão incluídos no tapete. fornecendo moderno Espectrômetros de RMN. Conteúdo informativo de química. mudanças e constantes SSV transformaram a espectroscopia de RMN de alta resolução em um dos métodos de qualidade mais importantes. e quantidades. análise de misturas, sistemas, fármacos e composições complexas, bem como estudos de estrutura e reação. habilidades das moléculas. Ao estudar conformações, degeneração e outras dinâmicas. sistemas, geom. estrutura de moléculas de proteínas em solução, com produtos químicos locais não destrutivos. análise de organismos vivos, etc. as capacidades dos métodos de RMN são únicas.

Magnetização nuclear na ilha. De acordo com a distribuição de Boltzmann em um sistema de spin de dois níveis de N spins, a razão entre o número de spins N + no nível inferior e o número de spins N - no nível superior é igual a onde k é a constante de Boltzmann; T-t-ra. Em B 0 = 1 T e T = 300 K para prótons, a razão N + /N - .= 1,00005. Esta relação determina a magnitude da magnetização nuclear de uma substância colocada no campo B 0 . Magn. momento eu cada núcleo sofre movimento de precessão em relação ao eixo z, ao longo do qual o campo B 0 é direcionado; a frequência deste movimento é igual à frequência de RMN. A soma das projeções dos momentos nucleares de precessão no eixo z forma um macroscópico magnetização em M z = 10 18 No plano xy perpendicular ao eixo z, as projeções dos vetores devido à aleatoriedade das fases de precessão são iguais a zero: M xy = 0. A absorção de energia durante a RMN significa que por unidade de tempo mais spins passam do nível inferior para o superior do que na direção oposta, ou seja, a diferença populacional N + - N - diminui (aquecimento do sistema de spin, saturação por RMN). Quando saturado em modo estacionário, a magnetização do sistema pode aumentar bastante. Este é o chamado Efeito Overhauser, para núcleos designados NOE (efeito Nuclear Overhauser), que é amplamente utilizado para aumentar a sensibilidade, bem como para estimar distâncias internucleares no estudo de pilares. geometria usando métodos de espectroscopia NMR.

Modelo vetorial de RMN. Ao registrar a RMN, um campo de radiofrequência atuando no plano xy é aplicado à amostra. Neste plano, o campo B 1 pode ser considerado como dois vetores com amplitudes B 1m/ 2, girando com frequência em direções opostas. É introduzido um sistema de coordenadas rotativas x"y"z, o eixo x coincide com o vetor B 1m/ 2, girando na mesma direção dos vetores. Sua influência provoca uma mudança no ângulo no vértice do cone de precessão de momentos magnéticos nucleares; magnetização nuclear M z começa a depender do tempo, e no plano x"y" aparece uma projeção diferente de zero de magnetização nuclear. Em um sistema de coordenadas fixas, essa projeção gira com frequência, ou seja, uma tensão de radiofrequência é induzida no indutor, que, após a detecção, fornece um sinal de RMN - a função de magnetização nuclear da frequência é diferenciada entre uma mudança lenta (modo de varredura) e RMN pulsada. O movimento complexo real do vetor de magnetização nuclear cria dois sinais independentes no Plano x"y": M x, (em fase com a tensão de radiofrequência B 1) e M y" (deslocado em relação a B 1 em fase em 90°C). O registro simultâneo de M x" e M y" (detecção de quadratura) dobra a sensibilidade do espectrômetro NMR. Com uma amplitude suficientemente grande B 1m da projeção M z = M x " = M y " = 0 (saturação de RMN). Portanto, sob a ação contínua do campo B 1, sua amplitude deve ser muito pequena para manter inalteradas as condições originais de observação.
Na RMN pulsada, o valor B 1, ao contrário, é escolhido tão grande que durante o tempo t e T 2 o vetor M z no sistema de coordenadas rotativas é desviado do eixo z em um ângulo. Em = 90° o pulso é denominado 90° (/2-pulso); sob sua influência, o vetor de magnetização nuclear aparece no plano x"y", ou seja, após o término do pulso, o vetor M y" começa a diminuir em amplitude com o tempo T 2 devido à divergência de fase de seus vetores elementares constituintes ( relaxamento spin-spin).A restauração do equilíbrio da magnetização nuclear M z ocorre com o tempo de relaxamento spin-rede T 1. Em = 180° (pulso), o vetor M z se ajusta ao longo da direção negativa do eixo z, relaxando após o final de o pulso para sua posição de equilíbrio. Combinações de pulsos são amplamente utilizadas nas versões modernas de espectroscopia de RMN multi-pulso.
Uma característica importante de um sistema de coordenadas rotativas é a diferença nas frequências de ressonância nele e em um sistema de coordenadas estacionário: se B 1 V lok (campo local estático), então o vetor M precessa no sistema de coordenadas rotativas em relação ao campo. finamente sintonizada para ressonância, a frequência de RMN no sistema de coordenadas rotativas. Isso permite expandir significativamente as capacidades da RMN no estudo de processos lentos na matéria.

Química. espectros de troca e NMR(RMN dinâmica). Os parâmetros da troca de duas posições AB são os tempos de residência e as probabilidades de residência e A baixas temperaturas, o espectro de RMN consiste em duas linhas estreitas separadas por Hz; então, à medida que diminuem, as linhas começam a se alargar, permanecendo em seus lugares. Quando a frequência de troca começa a ultrapassar a distância inicial entre as linhas, as linhas começam a se aproximar e, quando ultrapassada 10 vezes, uma linha larga se forma no centro do intervalo (v A, v B), se com mais crescimento da temperatura esta linha combinada torna-se estreita. Comparação de experimentos. espectro com o calculado permite indicar a frequência exata do produto químico para cada tentativa. troca, a partir desses dados a termodinâmica é calculada. características do processo. Com troca de múltiplas posições em um espectro de RMN complexo, teórico. o espectro é obtido da mecânica quântica. Cálculo. Dinâmico A RMN é um dos principais métodos para estudar estereoquímica não rigidez, equilíbrio conformacional, etc.

Gire em um ângulo mágico. Expressão para o potencial de interação dipolo-dipolo. contém multiplicadores onde é o ângulo entre B 0 e o vetor internuclear r ij. Em = arccos 3 -1/2 = 54°44" (ângulo "mágico"), esses fatores desaparecem, ou seja, as contribuições correspondentes para a largura da linha desaparecem. Se você girar uma amostra sólida a uma velocidade muito alta em torno de um eixo inclinado sob o ângulo mágico para B 0, então em um sólido é possível obter espectros de alta resolução com linhas quase tão estreitas quanto em um líquido.

Linhas largas em sólidos. Em cristais com rede rígida, a forma da linha de RMN é determinada estaticamente. distribuição de magnético local Campos. Todos os núcleos da rede, com exceção do cluster, no volume invariante à tradução V 0 em torno do núcleo em consideração, fornecem uma distribuição gaussiana g(v) = exp(-v 2 /2a 2), onde v é a distância de o centro da linha; A largura do gaussiano a é inversamente proporcional à geom média. volumes V 0 e V 1, e V 1 caracteriza a concentração magnética média em todo o cristal. núcleos. Dentro de V 0 a concentração magnética. os núcleos são maiores que a média e os núcleos próximos devido à interação dipolo-dipolo. e química. os deslocamentos criam um espectro limitado ao intervalo (-b, b), onde b é aproximadamente duas vezes maior que a. Numa primeira aproximação, o espectro

A espectroscopia de ressonância magnética nuclear é um dos métodos mais comuns e muito sensíveis para determinar a estrutura de compostos orgânicos, permitindo obter informações não apenas sobre a composição qualitativa e quantitativa, mas também sobre a localização dos átomos entre si. Várias técnicas de RMN têm muitas possibilidades para determinar a estrutura química de substâncias, estados de confirmação de moléculas, efeitos de influência mútua e transformações intramoleculares.

O método de ressonância magnética nuclear tem uma série de características distintivas: em contraste com os espectros moleculares ópticos, a absorção da radiação eletromagnética por uma substância ocorre em um campo magnético externo forte e uniforme. Além disso, para conduzir um estudo de RMN, o experimento deve atender a uma série de condições que reflitam os princípios gerais da espectroscopia de RMN:

1) o registro dos espectros de RMN só é possível para núcleos atômicos com momento magnético próprio ou os chamados núcleos magnéticos, nos quais o número de prótons e nêutrons é tal que o número de massa dos núcleos isotópicos é ímpar. Todos os núcleos com número de massa ímpar têm spin I, cujo valor é 1/2. Portanto, para os núcleos 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R o valor do spin é igual a 1/2, para os núcleos 7 Li, 23 Na, 39 K e 4 l R o spin é igual a 3/2 . Núcleos com número de massa par não têm spin se a carga nuclear for par ou têm valores de spin inteiros se a carga for ímpar. Somente aqueles núcleos cujo spin é I 0 podem produzir um espectro de RMN.

A presença de spin está associada à circulação de carga atômica ao redor do núcleo, portanto surge um momento magnético μ . Uma carga rotativa (por exemplo, um próton) com momento angular J cria um momento magnético μ=γ*J . O momento nuclear angular J e o momento magnético μ que surge durante a rotação podem ser representados como vetores. Sua razão constante é chamada de razão giromagnética γ. É esta constante que determina a frequência de ressonância do núcleo (Fig. 1.1).

Figura 1.1 - Uma carga rotativa com momento angular J cria um momento magnético μ=γ*J.

2) o método NMR examina a absorção ou emissão de energia sob condições incomuns de formação de espectro: em contraste com outros métodos espectrais. O espectro de RMN é registrado a partir de uma substância localizada em um campo magnético forte e uniforme. Tais núcleos em um campo externo têm diferentes valores de energia potencial dependendo de vários ângulos de orientação possíveis (quantizados) do vetor μ em relação ao vetor de intensidade do campo magnético externo H 0 . Na ausência de um campo magnético externo, os momentos magnéticos ou spins dos núcleos não possuem uma orientação específica. Se núcleos magnéticos com spin 1/2 forem colocados em um campo magnético, então alguns dos spins nucleares estarão localizados paralelos às linhas do campo magnético, a outra parte antiparalela. Estas duas orientações não são mais equivalentes energeticamente e diz-se que os spins estão distribuídos em dois níveis de energia.

Spins com momento magnético orientado ao longo do campo +1/2 são designados pelo símbolo | α >, com orientação antiparalela ao campo externo -1/2 - símbolo | β > (Fig. 1.2) .

Figura 1.2 - Formação dos níveis de energia quando é aplicado um campo externo H 0.

1.2.1 Espectroscopia de RMN em núcleos de 1 H. Parâmetros dos espectros de PMR.

Para decifrar os dados dos espectros de RMN de 1H e atribuir sinais, são utilizadas as principais características dos espectros: deslocamento químico, constante de interação spin-spin, intensidade do sinal integrado, largura do sinal [57].

A) Deslocamento químico (C.C). Escala HS O deslocamento químico é a distância entre este sinal e o sinal da substância de referência, expressa em partes por milhão da intensidade do campo externo.

Tetrametilsilano [TMS, Si(CH 3) 4], contendo 12 prótons estruturalmente equivalentes e altamente protegidos, é mais frequentemente usado como padrão para medir os deslocamentos químicos dos prótons.

B) Constante de interação spin-spin. Em espectros de RMN de alta resolução, é observada divisão de sinal. Esta divisão ou estrutura fina em espectros de alta resolução resulta de interações spin-spin entre núcleos magnéticos. Este fenômeno, juntamente com a mudança química, serve como a fonte mais importante de informação sobre a estrutura de moléculas orgânicas complexas e a distribuição da nuvem de elétrons nelas. Não depende de H0, mas depende da estrutura eletrônica da molécula. O sinal de um núcleo magnético interagindo com outro núcleo magnético é dividido em várias linhas dependendo do número de estados de spin, ou seja, depende dos spins dos núcleos I.

A distância entre essas linhas caracteriza a energia de acoplamento spin-spin entre os núcleos e é chamada de constante de acoplamento spin-spin n J, onde n-o número de ligações que separam os núcleos em interação.

Existem constantes diretas J HH, constantes geminais 2 J HH , constantes vicinais 3 J HH e algumas constantes de longo alcance 4 J HH , 5 J HH .

- constantes geminais 2 J HH podem ser positivas e negativas e ocupar a faixa de -30 Hz a +40 Hz.

As constantes vicinais 3 J HH ocupam a faixa de 0 20 Hz; eles são quase sempre positivos. Foi estabelecido que a interação vicinal em sistemas saturados depende muito fortemente do ângulo entre as ligações carbono-hidrogênio, ou seja, do ângulo diédrico - (Fig. 1.3).

Figura 1.3 - Ângulo diédrico φ entre ligações carbono-hidrogênio.

Interação spin-spin de longo alcance (4 J HH , 5J HH ) - interação de dois núcleos separados por quatro ou mais ligações; as constantes dessa interação são geralmente de 0 a +3 Hz.

Tabela 1.1 – Constantes de interação spin-spin

B) Intensidade de sinal integrada. A área dos sinais é proporcional ao número de núcleos magnéticos que ressoam em uma determinada intensidade de campo, de modo que a razão das áreas dos sinais fornece o número relativo de prótons de cada variedade estrutural e é chamada de intensidade do sinal integrado. Os espectrômetros modernos utilizam integradores especiais, cujas leituras são registradas na forma de uma curva, cuja altura dos degraus é proporcional à área dos sinais correspondentes.

D) Largura das linhas. Para caracterizar a largura das linhas, costuma-se medir a largura a uma distância de metade da altura da linha zero do espectro. A largura da linha observada experimentalmente consiste na largura natural da linha, que depende da estrutura e mobilidade, e do alargamento por razões instrumentais

A largura normal da linha no PMR é de 0,1-0,3 Hz, mas pode aumentar devido à sobreposição de transições adjacentes, que não coincidem exatamente, mas não são resolvidas como linhas separadas. O alargamento é possível na presença de núcleos com spin superior a 1/2 e troca química.

1.2.2 Aplicação de dados de 1H RMN para determinar a estrutura de moléculas orgânicas.

Ao resolver uma série de problemas de análise estrutural, além de tabelas de valores empíricos, Kh.S. Pode ser útil quantificar os efeitos dos substituintes vizinhos no Ch.S. de acordo com a regra de aditividade das contribuições efetivas de triagem. Nesse caso, geralmente são levados em consideração substituintes que não estão mais do que 2-3 ligações distantes de um determinado próton, e o cálculo é feito pela fórmula:

δ=δ 0 +ε eu *δ eu (3)

onde δ 0 é o deslocamento químico dos prótons do grupo padrão;

δi é a contribuição da triagem pelo substituinte.

1.3 Espectroscopia de RMN 13 C. Obtenção e modos de registro de espectros.

Os primeiros relatos de observação de RMN de 13 C apareceram em 1957, mas a transformação da espectroscopia de RMN de 13 C em um método de pesquisa analítica praticamente utilizado começou muito mais tarde.

A ressonância magnética 13 C e 1 H têm muito em comum, mas também existem diferenças significativas. O isótopo de carbono mais comum 12 C tem I=0. O isótopo 13 C tem I=1/2, mas seu conteúdo natural é de 1,1%. Isto ocorre junto com o fato de que a razão giromagnética dos núcleos de 13 C é 1/4 da razão giromagnética dos prótons. O que reduz a sensibilidade do método em experimentos de observação de RMN de 13 C em 6.000 vezes em comparação com núcleos de 1 H.

a) sem suprimir a interação spin-spin com prótons. Os espectros de RMN de 13 C obtidos na ausência de supressão completa da ressonância spin-spin com prótons foram chamados de espectros de alta resolução. Esses espectros contêm informações completas sobre as constantes 13 C - 1 H. Em moléculas relativamente simples, ambos os tipos de constantes - direta e de longo alcance - são encontrados de forma bastante simples. Portanto, 1 J (CH) é 125 - 250 Hz, no entanto, a interação spin-spin também pode ocorrer com prótons mais distantes com constantes inferiores a 20 Hz.

b) supressão completa da interação spin-spin com prótons. O primeiro grande progresso no campo da espectroscopia de RMN de 13 C está associado ao uso da supressão completa da interação spin-spin com prótons. O uso da supressão completa da interação spin-spin com prótons leva à fusão de multipletos com a formação de linhas singletas se não houver outros núcleos magnéticos na molécula, como 19 F e 31 P.

c) supressão incompleta da interação spin-spin com prótons. No entanto, usar o modo de desacoplamento completo dos prótons tem suas desvantagens. Como todos os sinais de carbono estão agora na forma de singletos, todas as informações sobre as constantes de interação spin-spin 13 C- 1 H são perdidas.É proposto um método que permite restaurar parcialmente as informações sobre as constantes de interação spin-spin direta 13 C-1 H e, ao mesmo tempo, reter uma parte maior dos benefícios da dissociação da banda larga. Neste caso, fissuras aparecerão nos espectros devido às constantes diretas da interação spin-spin 13 C - 1 H. Este procedimento permite detectar sinais de átomos de carbono não protonados, uma vez que estes últimos não possuem prótons diretamente associados a 13 C e aparecem nos espectros com desacoplamento incompleto dos prótons como singletos.

d) modulação da constante de interação CH, espectro JMODCH. Um problema tradicional na espectroscopia de RMN de 13C é determinar o número de prótons associados a cada átomo de carbono, ou seja, o grau de protonação do átomo de carbono. A supressão parcial por prótons torna possível resolver o sinal de carbono da multiplicidade causada pelas constantes de interação spin-spin de longo alcance e obter a divisão do sinal devido às constantes de acoplamento direto 13 C-1 H. No entanto, no caso de sistemas de spin fortemente acoplados AB e a sobreposição de multipletos no modo OFFR dificulta a resolução inequívoca dos sinais.