Astăzi, din ce în ce mai mulți pacienți sunt îndrumați nu pentru radiografie sau ecografie, ci pentru imagistica prin rezonanță magnetică nucleară. Această metodă de cercetare se bazează pe magnetismul de bază. Să luăm în considerare ce este tomografia RMN, care sunt avantajele acesteia și în ce cazuri se efectuează.

Ce este acest studiu?

Această metodă de diagnosticare se bazează pe rezonanța magnetică nucleară. Într-un câmp magnetic extern, nucleul unui atom de hidrogen, sau proton, se află în două stări reciproc opuse. Puteți schimba direcția momentului magnetic al nucleului acționând asupra acestuia cu raze electromagnetice cu o anumită frecvență.

Plasarea unui proton într-un câmp magnetic extern provoacă o schimbare a momentului său magnetic cu revenirea la poziția inițială. Aceasta eliberează o anumită cantitate de energie. Tomografia prin rezonanță magnetică surprinde modificarea cantității de astfel de energie.

Tomograful folosește câmpuri magnetice foarte puternice. Electromagneții sunt de obicei capabili să dezvolte un câmp magnetic cu o putere de 3, uneori până la 9 T. Este complet inofensiv pentru oameni. Sistemul de tomografie vă permite să localizați direcția câmpului magnetic pentru a obține imagini de cea mai înaltă calitate.

Tomograf magnetic nuclear

Metoda de diagnosticare se bazează pe fixarea răspunsului electromagnetic al nucleului unui atom (proton), care are loc datorită excitării acestuia de către undele electromagnetice într-un câmp magnetic de înaltă tensiune. Imagistica prin rezonanță magnetică a fost discutată pentru prima dată în 1973. Apoi, omul de știință american P. Laterbur și-a propus să studieze obiectul într-un câmp magnetic în schimbare. Lucrările acestui om de știință au servit drept începutul unei noi ere în medicină.

Cu ajutorul unui tomograf cu rezonanță magnetică, a devenit posibil să se studieze țesuturile și cavitățile corpului uman datorită gradului de saturație a țesuturilor cu hidrogen. Agenții de contrast pentru imagistica prin rezonanță magnetică sunt adesea utilizați. Cel mai adesea, acestea sunt preparate de gadoliniu, care sunt capabile să modifice răspunsul protonilor.
Termenul „RMN nuclear” a existat până în 1986.

În legătură cu radiofobia în rândul populației în legătură cu dezastrul de la centrala nucleară de la Cernobîl, s-a decis eliminarea cuvântului „nuclear” din denumirea noii metode de diagnosticare. Cu toate acestea, acest lucru a permis imagistica prin rezonanță magnetică să intre rapid în practica diagnosticării multor boli. Astăzi, această metodă este cheia pentru identificarea multor boli mai recent greu de diagnosticat.

Cum se realizează diagnosticul?

Un RMN folosește un câmp magnetic foarte puternic. Și, deși nu este periculos pentru oameni, totuși, medicul și pacientul trebuie să respecte anumite reguli.

În primul rând, înainte de procedura de diagnosticare, pacientul completează un chestionar special. În ea, el indică starea de sănătate, precum și declarații despre sine. Examenul se face într-o cameră special pregătită, cu o cabină pentru schimbarea hainelor și a bunurilor personale.

Pentru a nu se face rău și, de asemenea, pentru a asigura corectitudinea rezultatelor, pacientul ar trebui să scoată toate lucrurile care conțin metal, să lase telefoane mobile, carduri de credit, ceasuri etc. în dulapul pentru lucrurile personale. Este de dorit ca femeile să spele cosmeticele decorative de pe piele.
Apoi, pacientul este plasat în interiorul tubului tomograf. La indicația medicului, se stabilește zona de examinare. Fiecare zonă este examinată timp de zece până la douăzeci de minute. În acest timp, pacientul trebuie să rămână nemișcat. Calitatea imaginilor va depinde de asta. Medicul poate fixa poziția pacientului, dacă este necesar.

În timpul funcționării dispozitivului, se aud sunete uniforme. Acest lucru este normal și indică faptul că studiul se desfășoară corect. Pentru a obține rezultate mai precise, un agent de contrast poate fi administrat intravenos pacientului. În unele cazuri, odată cu introducerea unei astfel de substanțe, se simte un val de căldură. Acest lucru este complet normal.

La aproximativ o jumătate de oră după studiu, medicul poate primi protocolul de studiu (concluzie). Se emite și un disc cu rezultatele.

Beneficiile RMN nuclear

Beneficiile unui astfel de sondaj includ următoarele.

1. Capacitatea de a obține imagini de înaltă calitate ale țesuturilor corpului în trei proiecții. Acest lucru îmbunătățește foarte mult vizualizarea țesuturilor și a organelor. În acest caz, RMN-ul este mult mai bun decât tomografia computerizată, radiografia și diagnosticul cu ultrasunete.
2. Imaginile 3D de înaltă calitate oferă un diagnostic precis, care îmbunătățește tratamentul și crește probabilitatea de recuperare.
3. Deoarece este posibil să se obțină o imagine de înaltă calitate pe un RMN, un astfel de studiu este cel mai bun pentru detectarea tumorilor, tulburărilor sistemului nervos central și stărilor patologice ale sistemului musculo-scheletic. Astfel, devine posibilă diagnosticarea acelor boli care până de curând erau greu sau imposibil de depistat.
4. Dispozitivele moderne pentru tomografie vă permit să obțineți imagini de înaltă calitate fără a schimba poziția pacientului. Și pentru codificarea informațiilor se folosesc aceleași metode ca și în tomografia computerizată. Acest lucru facilitează diagnosticul, deoarece medicul vede imagini tridimensionale ale organelor întregi. De asemenea, medicul poate obține imagini ale unui anumit organ în straturi.
5. O astfel de examinare determină bine cele mai timpurii modificări patologice ale organelor. Astfel, este posibil să se detecteze boala într-un stadiu în care pacientul nu simte încă simptome.
6. În timpul unui astfel de studiu, pacientul nu este expus la radiații ionizante. Acest lucru extinde semnificativ domeniul de aplicare al RMN.
7. Procedura RMN este complet nedureroasă și nu provoacă niciun disconfort pacientului.

Indicații pentru RMN

Există multe indicații pentru imagistica prin rezonanță magnetică.

• Tulburări ale circulației cerebrale.
• Suspiciuni ale unui neoplasm al creierului, deteriorarea membranelor sale.
• Evaluarea stării organelor după intervenție chirurgicală.
• Diagnosticul fenomenelor inflamatorii.
• Convulsii, epilepsie.
• Leziuni cerebrale.
• Evaluarea stării vaselor.
• Evaluarea stării oaselor și articulațiilor.
• Diagnosticul țesuturilor moi ale corpului.
• Boli ale coloanei vertebrale (inclusiv osteocondroză, spondiloartroză).
• Rana la coloana.
• Evaluarea stării măduvei spinării, inclusiv suspiciunea de procese maligne.
• Osteoporoza.
• Evaluarea stării organelor peritoneale, precum și a spațiului retroperitoneal. RMN-ul este indicat pentru icter, hepatită cronică, colecistită, colelitiază, leziuni hepatice asemănătoare tumorii, pancreatită, boli ale stomacului, intestinelor, splinei, rinichilor.
• Diagnosticul chisturilor.
• Diagnosticul stării glandelor suprarenale.
• Boli ale organelor pelvine.
• Patologii urologice.
• Boli ginecologice.
• Boli ale organelor din cavitatea toracică.

În plus, imagistica prin rezonanță magnetică a întregului corp este indicată dacă se suspectează un neoplasm. RMN-ul poate fi folosit pentru a căuta metastaze dacă este diagnosticată o tumoare primară.

Aceasta nu este o listă completă de indicații pentru imagistica prin rezonanță magnetică. Este sigur să spunem că nu există un astfel de organism și boală care să nu poată fi detectate folosind această metodă de diagnosticare. Deoarece posibilitățile medicinei sunt în creștere, medicii au posibilități practic nelimitate pentru diagnosticarea și tratarea multor boli periculoase.

Când este contraindicată imagistica prin rezonanță magnetică?

Există o serie de contraindicații absolute și relative pentru RMN. Contraindicațiile absolute includ:

1. Prezența unui stimulator cardiac. Acest lucru se datorează faptului că fluctuațiile câmpului magnetic sunt capabile să se adapteze la ritmul inimii și astfel pot fi fatale.
2. Prezența implanturilor feromagnetice sau electronice instalate în urechea medie.
3. Implanturi metalice mari.
4. Prezența fragmentelor feromagnetice în organism.
5. Disponibilitatea aparatului Ilizarov.

Contraindicațiile relative (atunci când cercetarea este posibilă în anumite condiții) includ:

La efectuarea RMN cu contrast, contraindicațiile sunt anemia, insuficiența renală cronică decompensată, sarcina, intoleranța individuală.

Concluzie

Importanța imagisticii prin rezonanță magnetică pentru diagnostic nu poate fi supraestimată. Este un mod perfect, non-invaziv, nedureros și inofensiv de a detecta multe boli. Odată cu introducerea imagisticii prin rezonanță magnetică, tratamentul pacienților s-a îmbunătățit și el, așa cum știe medicul diagnosticul precis și caracteristicile tuturor proceselor care au loc în corpul pacientului.

Nu trebuie să vă fie frică de un RMN. Pacientul nu simte nicio durere în timpul procedurii. Nu are nimic de-a face cu radiația nucleară sau cu raze X. De asemenea, este imposibil să refuzi o astfel de procedură.

Rezonanță magnetică nucleară

VK. Corbii

Universitatea Tehnică de Stat din Irkutsk

INTRODUCERE

Până de curând, ideile noastre despre structura atomilor și moleculelor s-au bazat pe studii folosind metode de spectroscopie optică. În legătură cu îmbunătățirea metodelor spectrale, care au avansat domeniul măsurătorilor spectroscopice în intervalul ultrahigh (aproximativ 10^ 3 - 10^ 6 MHz; microunde radio) și frecvențe înalte (aproximativ 10^ (-2) - 10^ 2 MHz; unde radio), noi surse de informații despre structura materiei. În timpul absorbției și emiterii radiațiilor în acest interval de frecvență are loc același proces de bază ca și în alte intervale ale spectrului electromagnetic și anume, la trecerea de la un nivel de energie la altul, sistemul absoarbe sau emite o cantitate de energie.

Diferența de energie dintre nivelurile și energia cuantelor care participă la aceste procese este de aproximativ 10^(-7) eV pentru regiunea de radiofrecvență și de aproximativ 10^(-4) eV pentru frecvențele de microunde. În două tipuri de spectroscopie radio, și anume, spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară (RMN) și spectroscopie de rezonanță cu patru polar nuclear (NQR), diferența de niveluri de energie este asociată cu orientări diferite, respectiv, ale momentelor dipolului magnetic al nucleelor ​​într-un câmp magnetic aplicat. și momentele patrupolare electrice ale nucleelor ​​în câmpuri electrice moleculare, dacă acestea din urmă nu sunt simetrice sferic.

Existența momentelor nucleare a fost descoperită pentru prima dată când s-a studiat structura hiperfină a spectrelor electronice ale unor atomi folosind spectrometre optice de înaltă rezoluție.

Sub influența unui câmp magnetic extern, momentele magnetice ale nucleelor ​​sunt orientate într-un anumit mod și devine posibilă observarea tranzițiilor între nivelurile de energie nucleară asociate acestor orientări diferite: tranziții care au loc sub acțiunea radiației unei anumite orientări. frecvență. Cuantificarea nivelurilor de energie ale nucleului este o consecință directă a naturii cuantice a momentului unghiular al nucleului care primește 2 eu+ 1 valori. Numărul cuantic de spin (spin) pe care îl pot lua orice valoare care este multiplu de 1/2; cea mai mare valoare cunoscută eu(> 7) posedă Lu. Cea mai mare valoare măsurabilă a momentului unghiular (cea mai mare valoare a proiecției momentului pe direcția selectată) este egală cu i ћ , Unde ћ = h /2 π , A h este constanta lui Planck.

Valori eu este imposibil de prezis pentru nuclee specifice, dar s-a observat că izotopii în care sunt atât numărul de masă, cât și numărul atomic au chiar eu= 0, iar izotopii cu numere de masă impare au spinuri de jumătate întregi. O astfel de situație, când numărul de protoni și neutroni din nucleu este par și egal ( eu= 0) poate fi considerată ca o stare cu „împerechere completă”, similară cu împerecherea completă a electronilor dintr-o moleculă diamagnetică.

La sfârşitul anului 1945, două grupuri de fizicieni americani conduse de F. Bloch (Universitatea Stanford) şi E.M. Purcell (Universitatea Harvard) au fost primii care au primit semnale de rezonanță magnetică nucleară. Bloch a observat absorbția de rezonanță de către protoni în apă, iar Purcell a reușit să descopere rezonanța nucleară de către protoni din parafină. Pentru această descoperire, ei au primit Premiul Nobel în 1952.

Esența fenomenului RMN și trăsăturile sale distinctive sunt prezentate mai jos.

SPECTROSCOPIE RMN DE ÎNALTĂ REZOLUȚIE

Esența fenomenului RMN

Esența fenomenului RMN poate fi ilustrată după cum urmează. Dacă un nucleu cu moment magnetic este plasat într-un câmp uniform H 0 , îndreptată de-a lungul axei z, atunci energia sa (în raport cu energia în absența unui câmp) este egală cu μ z H 0, Unde μ z, este proiecția momentului magnetic nuclear pe direcția câmpului.

După cum sa menționat deja, nucleul poate fi situat în 2 eu+ 1 state. În absența unui câmp extern H 0 toate aceste stări au aceeași energie. Dacă notăm cea mai mare valoare măsurabilă a componentei momentului magnetic prin μ , apoi toate valorile măsurabile ale componentei momentului magnetic (în acest caz μ z,) sunt exprimate ca m, Unde m este numărul cuantic, care, după cum se știe, poate lua valorile

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

Deoarece distanța dintre nivelurile de energie corespunzătoare fiecăruia dintre cele 2 eu+ 1 stări, egal m H 0 /I, apoi nucleul cu spin eu are niveluri discrete de energie

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

Divizarea nivelurilor de energie într-un câmp magnetic poate fi numită divizare Zeeman nucleară, deoarece este similară cu împărțirea nivelurilor electronice într-un câmp magnetic (efectul Zeeman). Divizarea Zeeman este ilustrată în fig. 1 pentru sistem cu eu= 1 (cu trei niveluri de energie).

Orez. 1. Divizarea Zeeman a nivelurilor de energie nucleară într-un câmp magnetic.

Fenomenul RMN constă în absorbția rezonantă a energiei electromagnetice datorită magnetismului nucleelor. Aceasta implică denumirea evidentă a fenomenului: nuclear - vorbim despre un sistem de nuclee, magnetice - ne referim doar la proprietățile lor magnetice, rezonanță - fenomenul în sine este rezonant în natură. Într-adevăr, din regulile de frecvență ale lui Bohr rezultă că frecvența ν a câmpului electromagnetic care provoacă tranziții între nivelurile adiacente este determinată de formula

, (1)

Deoarece vectorii momentului (momentul unghiular) și impulsul magnetic sunt paraleli, este adesea convenabil să se caracterizeze proprietățile magnetice ale nucleelor ​​prin valoarea γ definită de relația

, (2)

Unde γ este raportul giromagnetic având dimensiunea radian * oersted^(- 1) * secundă^(- 1) (rad * E^(- 1) * s*(- 1) ) sau radian/(oersted * secundă) (rad / (E * s)). Având în vedere acest lucru, găsim

, (3)

Astfel, frecvența este proporțională cu câmpul aplicat.

Dacă, ca exemplu tipic, luăm valoarea lui γ pentru un proton, egală cu 2,6753 * 10: 4 rad / (E * s) și H 0 \u003d 10.000 Oe, apoi frecvența de rezonanță

O astfel de frecvență poate fi generată prin tehnici radio convenționale.

Spectroscopia RMN se caracterizează printr-o serie de caracteristici care o deosebesc de alte metode analitice. Aproximativ jumătate (~150) din nucleele izotopilor cunoscuți au momente magnetice, dar doar o minoritate dintre ele sunt utilizate sistematic.

Înainte de apariția spectrometrelor în impulsuri, majoritatea studiilor au fost efectuate folosind fenomenul RMN pe nucleele de hidrogen (protoni) 1 H (rezonanța magnetică a protonilor - PMR) și fluor 19 F. Aceste nuclee au proprietăți ideale pentru spectroscopie RMN:

Abundența naturală mare a izotopului „magnetic” ( 1H 99,98%, 19 F 100%); spre comparație, se poate menționa că abundența naturală a izotopului „magnetic” al carbonului 13C este 1,1%;

Moment magnetic mare;

A învârti eu = 1/2.

Acesta este în primul rând responsabil pentru sensibilitatea ridicată a metodei în detectarea semnalelor de la nucleele menționate mai sus. În plus, există o regulă strict justificată teoretic conform căreia numai nucleele cu spin egal sau mai mare decât unitatea au un moment cvadrupol electric. Prin urmare, experimentele RMN 1H și 19 F nu sunt complicate de interacțiunea momentului cvadrupol nuclear al nucleului cu mediul electric. Un număr mare de lucrări au fost dedicate rezonanței la alte (pe lângă 1H și 19 F) sâmburi precum 13 C, 31 P, 11 B, 17 O în fază lichidă (la fel ca pe nucleele 1 1H și 19F).

Introducerea spectrometrelor RMN cu pulsații în practica de zi cu zi a extins semnificativ posibilitățile experimentale ale acestui tip de spectroscopie. În special, înregistrarea spectrelor RMN 13 Soluțiile C - cel mai important izotop pentru chimie - este acum de fapt o procedură familiară. Detectarea semnalelor de la nuclee, a căror intensitate a semnalelor RMN este de multe ori mai mică decât intensitatea semnalelor de la 1 H, inclusiv în faza solidă.

Spectrele RMN de înaltă rezoluție constau de obicei din linii (semnale) înguste, bine rezolvate, corespunzătoare nucleelor ​​magnetice din diferite medii chimice. Intensitățile (ariile) semnalelor în timpul înregistrării spectrelor sunt proporționale cu numărul de nuclee magnetice din fiecare grup, ceea ce face posibilă efectuarea unei analize cantitative folosind spectre RMN fără calibrare preliminară.

O altă caracteristică a RMN este influența proceselor de schimb, la care participă nucleele rezonante, asupra poziției și lățimii semnalelor rezonante. Astfel, spectrele RMN pot fi utilizate pentru a studia natura unor astfel de procese. Liniile RMN din spectrele lichide au de obicei o lățime de 0,1 - 1 Hz (RMN de înaltă rezoluție), în timp ce aceleași nuclee examinate în faza solidă vor provoca apariția liniilor cu o lățime de ordinul 1 * 10^ 4 Hz ( de unde conceptul de linii mari RMN).

În spectroscopia RMN de înaltă rezoluție, există două surse principale de informații despre structura și dinamica moleculelor:

Deplasare chimică;

Constantele interacțiunii spin-spin.

deplasare chimică

În condiții reale, nucleele rezonante ale căror semnale RMN sunt detectate sunt constitutive ale atomilor sau moleculelor. Când substanțele de testat sunt plasate într-un câmp magnetic ( H 0 ) există un moment diamagnetic al atomilor (moleculelor), datorită mișcării orbitale a electronilor. Această mișcare a electronilor formează curenți efectivi și, prin urmare, creează un câmp magnetic secundar proporțional, în conformitate cu legea lui Lenz, cu câmpul H 0 și direcția opusă. Acest câmp secundar acționează asupra nucleului. Astfel, câmpul local din locul unde se află nucleul rezonant,

, (4)

Unde σ este o constantă adimensională, numită constantă de ecranare și independentă de H 0 , dar puternic dependent de mediul chimic (electronic); caracterizează scăderea Hlok comparat cu H 0 .

Valoare σ variază de la o valoare de ordinul 10^(- 5) pentru un proton la valori de ordinul 10^(- 2) pentru nucleele grele. Tinand cont de expresia pentru Hlok noi avem

, (5)

Efect de screening este de a reduce distanța dintre nivelurile de energie magnetică nucleară sau, cu alte cuvinte, duce la convergența nivelurilor Zeeman (Fig. 2). În acest caz, cuantele de energie care provoacă tranzițiile între niveluri devin mai mici și, în consecință, rezonanța are loc la frecvențe mai joase (vezi expresia (5)). Dacă facem un experiment prin schimbarea câmpului H 0 până când apare rezonanța, intensitatea câmpului aplicat trebuie să fie mare în comparație cu cazul în care miezul nu este ecranat.

Orez. Fig. 2. Efectul screening-ului electronilor asupra nivelurilor Zeeman ale nucleului: (a) nescreened, (b) screened.

În marea majoritate a spectrometrelor RMN, spectrele sunt înregistrate atunci când câmpul se schimbă de la stânga la dreapta, astfel încât semnalele (vârfurile) celor mai protejate nuclee ar trebui să fie în partea dreaptă a spectrului.

Deplasarea semnalului în funcție de mediul chimic, datorită diferenței constantelor de screening, se numește deplasare chimică.

Pentru prima dată, mesajele despre descoperirea unei schimbări chimice au apărut în mai multe publicații în anii 1950-1951. Dintre acestea, este necesar să se evidențieze lucrările lui Arnold și colab.(1951), care au obținut primul spectru cu linii separate corespunzătoare pozițiilor diferite din punct de vedere chimic ale nucleelor ​​identice. 1 H într-o moleculă. Vorbim de alcool etilic CH 3 CH 2 OH, spectru RMN tipic 1 H din care la rezoluție mică este prezentată în fig. 3.

Orez. 3. Spectrul de rezonanță protonică cu rezoluție scăzută a alcoolului etilic lichid.

Există trei tipuri de protoni în această moleculă: trei protoni din grupa metil CH 3 –, doi protoni ai grupului metilen –CH 2 – și un proton al grupării hidroxil –OH. Se poate observa că trei semnale separate corespund la trei tipuri de protoni. Deoarece intensitatea semnalelor este în raportul 3: 2: 1, decodificarea spectrului (alocarea semnalelor) nu este dificilă.

Deoarece deplasările chimice nu pot fi măsurate la scară absolută, adică în raport cu un nucleu lipsit de toți electronii săi, semnalul unui compus de referință este folosit ca zero condiționat. De obicei, valorile deplasării chimice pentru orice nuclee sunt date ca un parametru adimensional 8 definit după cum urmează:

, (6)

Unde H- Pălărie este diferența de deplasări chimice pentru proba de testat și standard, Pălărie este poziția absolută a semnalului de referință cu câmpul aplicat H 0 .

În condiții experimentale reale, este posibil să se măsoare frecvența cu mai multă acuratețe decât câmpul, astfel încât δ se găsește de obicei din expresie

, (7)

Unde ν - ν podea este diferența dintre deplasările chimice pentru probă și standard, exprimată în unități de frecvență (Hz); Spectrele RMN sunt de obicei calibrate în aceste unități.

Strict vorbind, ar trebui să folosiți ν 0 este frecvența de funcționare a spectrometrului (de obicei este fixă) și frecvența ν podea, adică frecvența absolută la care se observă semnalul rezonant al referinței. Totuși, eroarea introdusă de o astfel de înlocuire este foarte mică, deoarece ν 0 și ν podea aproape egală (diferența este de 10 ^ (-5), adică prin sumă σ pentru un proton). Deoarece diferite spectrometre RMN funcționează la frecvențe diferite ν 0 (și, în consecință, pentru diferite domenii H 0 ), este evident că expresia δ în unităţi adimensionale.

Unitatea de deplasare chimică este o milioneme din intensitatea câmpului sau frecvența de rezonanță (ppm). În literatura străină, această reducere corespunde ppm (părți per milion). Pentru majoritatea nucleelor ​​care alcătuiesc compușii diamagnetici, intervalul deplasărilor chimice ale semnalelor lor este de sute și mii de ppm, ajungând la 20.000 ppm. în cazul RMN 59 Co (cobalt). În spectre 1 Semnalele protonilor H ale majorității compușilor se află în intervalul 0 – 10 ppm.

Interacțiune spin-spin

În 1951-1953, la înregistrarea spectrelor RMN ale unui număr de lichide, s-a constatat că există mai multe linii în spectrele unor substanțe decât rezultă dintr-o estimare simplă a numărului de nuclee neechivalente. Unul dintre primele exemple este rezonanța pe fluor din molecula POCl 2 F. Spectrul 19 F constă din două linii de intensitate egală, deși există un singur atom de fluor în moleculă (Fig. 4). Moleculele altor compuși au dat semnale multiplete simetrice (tripleți, cvartete etc.).

Un alt factor important găsit în astfel de spectre a fost că distanța dintre linii, măsurată pe scara de frecvență, nu depinde de câmpul aplicat. H 0 , în loc să fie proporțional cu acesta, așa cum ar trebui să fie dacă multiplicitatea provine dintr-o diferență a constantelor de screening.

Orez. 4. Dublet în spectrul de rezonanță la nucleele de fluor din molecula POCl 2F

Ramsey și Purcell în 1952 au fost primii care au explicat această interacțiune arătând că se datorează unui mecanism de cuplare indirectă prin mediul electronic. Spinul nuclear tinde să orienteze spinii electronilor din jurul nucleului dat. Aceștia, la rândul lor, orientează spinii altor electroni și prin ei - spinii altor nuclee. Energia interacțiunii spin-spin este de obicei exprimată în herți (adică constanta Planck este luată ca unitate de energie, pe baza faptului că E=h ν ). Este clar că nu este nevoie (spre deosebire de schimbarea chimică) să o exprimăm în unități relative, deoarece interacțiunea discutată, așa cum sa menționat mai sus, nu depinde de puterea câmpului extern. Mărimea interacțiunii poate fi determinată prin măsurarea distanței dintre componentele multipletului corespunzător.

Cel mai simplu exemplu de scindare din cauza cuplării spin-spin care poate fi întâlnit este spectrul de rezonanță al unei molecule care conține două tipuri de nuclee magnetice A și X. Nucleele A și X pot fi fie nuclee diferite, fie nuclee ale aceluiași izotop (pentru exemplu, 1 H) când deplasările chimice între semnalele lor rezonante sunt mari.

Orez. 5. Vedere a spectrului RMN al unui sistem format din nuclee magnetice A și X cu spin I = 1/2 când condiția este îndeplinită δ AX > J AX .

Pe fig. 5 arată cum arată spectrul RMN dacă ambele nuclee, adică A și X, au spin 1/2. Distanța dintre componentele din fiecare dublet se numește constantă de cuplare spin-spin și este de obicei notată cu J (Hz); în acest caz este constanta J AH.

Apariția dubletelor se datorează faptului că fiecare nucleu împarte liniile de rezonanță ale nucleului vecin în 2I+1 componentă. Diferențele de energie dintre diferitele stări de spin sunt atât de mici încât, la echilibru termic, probabilitățile acestor stări, în conformitate cu distribuția Boltzmann, se dovedesc a fi aproape egale. În consecință, intensitățile tuturor liniilor multipletului care rezultă din interacțiunea cu un nucleu vor fi egale. În cazul în care există n nuclee echivalente (adică în mod egal ecranate, astfel încât semnalele lor au aceeași deplasare chimică), semnalul rezonant al nucleului vecin este împărțit în 2nI + 1 linii.

CONCLUZIE

La scurt timp după descoperirea fenomenului RMN în materia condensată, a devenit clar că RMN ar fi baza unei metode puternice de studiere a structurii materiei și a proprietăților acesteia. Într-adevăr, atunci când studiem spectrele RMN, folosim ca sistem rezonant de nuclee care sunt extrem de sensibile la mediul magnetic. Câmpurile magnetice locale din apropierea nucleului rezonant depind de efectele intra și intermoleculare, ceea ce determină valoarea acestui tip de spectroscopie pentru studiul structurii și comportamentului sistemelor cu mulți electroni (moleculari).

În prezent, este dificil de a indica un domeniu al științelor naturale în care RMN nu este utilizat într-o oarecare măsură. Metodele de spectroscopie RMN sunt utilizate pe scară largă în chimie, fizică moleculară, biologie, agronomie, medicină, în studiul formațiunilor naturale (mica, chihlimbar, pietre semiprețioase, minerale combustibile și alte materii prime minerale), adică în astfel de domenii științifice în care se studiază structura materiei, structura ei moleculară, natura legăturilor chimice, interacțiunile intermoleculare și diferitele forme de mișcare internă.

Metodele RMN sunt din ce în ce mai folosite pentru a studia procesele tehnologice din laboratoarele fabricii, precum și pentru a controla și regla cursul acestor procese în diverse comunicații tehnologice direct în producție. Cercetările din ultimii cincizeci de ani au arătat că metodele de rezonanță magnetică pot detecta perturbări în cursul proceselor biologice în cel mai timpuriu stadiu. Au fost dezvoltate și se produc instalații pentru studiul întregului corp uman prin metode de rezonanță magnetică (metode de tomografie RMN).

În ceea ce privește țările CSI, și mai ales Rusia, metodele de rezonanță magnetică (în special RMN) au ocupat până acum un loc ferm în laboratoarele de cercetare din aceste state. În diferite orașe (Moscova, Novosibirsk, Kazan, Tallinn, Sankt Petersburg, Irkutsk, Rostov-pe-Don etc.), au apărut școli științifice cu privire la utilizarea acestor metode cu propriile lor probleme originale și abordări ale soluției lor.

1. Popl J., Schneider W., Bernstein G. Spectre de rezonanță magnetică nucleară de înaltă rezoluție. M.: IL, 1962. 292 p.

2. Kerrington A., McLechlan E. Rezonanța magnetică și aplicarea ei în chimie. M.: Mir, 1970. 447 p.

3. Bovi F.A. RMN de înaltă rezoluție a macromoleculelor, Moscova: Chimie, 1977. 455 p.

4. Heberlen W., Mehring M. RMN de înaltă rezoluție în solide. M.: Mir, 1980. 504 p.

5. Slikter Ch. Fundamentele teoriei rezonanței magnetice. M.: Mir, 1981. 448 p.

6. Ionin B.I., Ershov B.A., Koltsov A.I. Spectroscopia RMN în chimie organică. L.: Chimie, 1983. 269 p.

7. Voronov V.K. Metode de aditivi paramagnetici în spectroscopie RMN. Novosibirsk: Nauka, 1989. 168 p.

8. Ernst R., Bodenhausen J., Vokaun A. RMN în una și două dimensiuni. M.: Mir, 1990. 709 p.

9. Deroum E. Metode moderne RMN pentru cercetarea chimică. M.: Mir, 1992. 401 p.

10. Voronov V.K., Sagdeev R.Z. Fundamentele rezonanței magnetice. Irkutsk: Vost.-Sib. carte. editura, 1995.352 p.

Aceleași nuclee de atomi din medii diferite într-o moleculă prezintă semnale RMN diferite. Diferența dintre un astfel de semnal RMN și semnalul unei substanțe standard face posibilă determinarea așa-numitei schimbări chimice, care se datorează structurii chimice a substanței studiate. În tehnicile RMN, există multe oportunități de a determina structura chimică a substanțelor, conformațiile moleculelor, efectele influenței reciproce și transformările intramoleculare.

Fizica RMN

Divizarea nivelurilor energetice ale nucleului cu I = 1/2într-un câmp magnetic

Fenomenul de rezonanță magnetică nucleară se bazează pe proprietățile magnetice ale nucleelor ​​atomice constând din nucleoni cu spin semiîntreg 1/2, 3/2, 5/2.... Nuclei cu masă pară și numere de sarcină (nuclee pare-pare). ) nu au un moment magnetic , în timp ce pentru toate celelalte nuclee momentul magnetic este diferit de zero.

Astfel, nucleele au un moment unghiular raportat la momentul magnetic prin relație

,

unde este constanta lui Planck, este numărul cuantic de spin, este raportul giromagnetic.

Momentul unghiular și momentul magnetic al nucleului sunt cuantificate, iar valorile proprii ale proiecției și momentele unghiulare și magnetice pe axa z ale unui sistem de coordonate ales arbitrar sunt determinate de relația

și ,

unde este numărul cuantic magnetic al stării proprii a nucleului, valorile sale sunt determinate de numărul cuantic de spin al nucleului

adică nucleul poate fi în state.

Deci, pentru un proton (sau alt nucleu cu I = 1/2- 13 C, 19 F, 31 P etc.) pot fi doar în două stări

,

un astfel de miez poate fi reprezentat ca un dipol magnetic, a cărui componentă z poate fi orientată paralel sau antiparalel cu direcția pozitivă a axei z a unui sistem de coordonate arbitrar.

De remarcat că, în absența unui câmp magnetic extern, toate stările cu stări diferite au aceeași energie, adică sunt degenerate. Degenerarea este eliminată într-un câmp magnetic extern, în timp ce diviziunea față de starea degenerată este proporțională cu câmpul magnetic extern și cu momentul magnetic al stării și pentru un nucleu cu număr cuantic de spin. euîntr-un câmp magnetic extern, un sistem de 2I+1 nivelurile de energie, adică rezonanța magnetică nucleară are aceeași natură ca efectul Zeeman al divizării nivelurilor electronice într-un câmp magnetic.

În cel mai simplu caz, pentru un nucleu cu spin c I = 1/2- de exemplu, pentru un proton, scindare

și diferența de energie a stărilor de spin

Frecvențele Larmor ale unor nuclee atomice

Frecvența rezonanței protonilor este în domeniul undelor scurte (lungime de undă aproximativ 7 m).

Aplicarea RMN

Spectroscopie

articolul principal: Spectroscopie RMN

Dispozitive

Inima spectrometrului RMN este un magnet puternic. Într-un experiment pus în practică pentru prima dată de Purcell, o probă plasată într-o fiolă de sticlă de aproximativ 5 mm în diametru este plasată între polii unui electromagnet puternic. Apoi, fiola începe să se rotească, iar câmpul magnetic care acționează asupra acesteia crește treptat. Un generator RF de înaltă calitate este utilizat ca sursă de radiație. Sub acțiunea unui câmp magnetic în creștere, nucleele la care este reglat spectrometrul încep să rezoneze. În acest caz, nucleele ecranate rezonează la o frecvență puțin mai mică decât frecvența nominală de rezonanță (și dispozitivul).

Absorbția de energie este înregistrată de o punte RF și apoi înregistrată de un înregistrator grafic. Frecvența crește până când atinge o anumită limită, peste care rezonanța este imposibilă.

Deoarece curenții care vin de pe pod sunt foarte mici, ei nu se limitează la a lua un spectru, ci fac câteva zeci de treceri. Toate semnalele primite sunt rezumate pe graficul final, a cărui calitate depinde de raportul semnal-zgomot al dispozitivului.

În această metodă, proba este expusă la radiații de radiofrecvență la o frecvență constantă în timp ce intensitatea câmpului magnetic se modifică, de aceea este numită și metoda câmpului constant (CW).

Metoda tradițională de spectroscopie RMN are multe dezavantaje. În primul rând, este nevoie de mult timp pentru a construi fiecare spectru. În al doilea rând, este foarte pretențios cu privire la absența interferențelor externe și, de regulă, spectrele rezultate au zgomot semnificativ. În al treilea rând, este nepotrivit pentru crearea de spectrometre de înaltă frecvență (300, 400, 500 și mai mult MHz). Prin urmare, în instrumentele moderne RMN se utilizează așa-numita metodă de spectroscopie în impulsuri (PW), bazată pe transformarea Fourier a semnalului primit. În prezent, toate spectrometrele RMN sunt construite pe baza unor magneți supraconductori puternici cu un câmp magnetic constant.

Spre deosebire de metoda CW, în versiunea în impulsuri, excitarea nucleelor ​​se realizează nu cu o „undă constantă”, ci cu ajutorul unui impuls scurt, lung de câteva microsecunde. Amplitudinile componentelor de frecvență ale pulsului scad odată cu creșterea distanței de la ν 0 . Dar, deoarece este de dorit ca toate nucleele să fie iradiate în mod egal, este necesar să se utilizeze „impulsuri dure”, adică impulsuri scurte de mare putere. Durata impulsului este aleasă astfel încât lățimea de bandă a frecvenței să fie mai mare decât lățimea spectrului cu unul sau două ordine de mărime. Puterea ajunge la câțiva wați.

Ca rezultat al spectroscopiei în impulsuri, nu se obține un spectru obișnuit cu vârfuri de rezonanță vizibile, ci o imagine a oscilațiilor rezonante amortizate, în care toate semnalele de la toate nucleele rezonante sunt amestecate - așa-numita „decădere prin inducție liberă” (FID, dezintegrare prin inducție liberă). Pentru transformarea acestui spectru se folosesc metode matematice, așa-numita transformată Fourier, conform căreia orice funcție poate fi reprezentată ca suma unui set de oscilații armonice.

Spectrele RMN

Spectrul 1H4-etoxibenzaldehidei. În câmpul slab (singlet ~9,25 ppm) semnalul protonului grupării aldehidice, în câmpul puternic (triplet ~1,85-2 ppm) - protonul grupării metil etoxi.

Pentru analiza calitativă folosind RMN, se utilizează analiza spectrală, bazată pe astfel de proprietăți remarcabile ale acestei metode:

• semnalele nucleelor ​​atomilor incluși în anumite grupe funcționale se află în regiuni strict definite ale spectrului;
• aria integrală limitată de vârf este strict proporțională cu numărul de atomi în rezonanță;
• nucleii care se află prin 1-4 legături sunt capabili să producă semnale multiplete ca urmare a așa-numitelor. se despart unul pe altul.

Poziția semnalului în spectrele RMN este caracterizată prin deplasarea lor chimică în raport cu semnalul de referință. Ca acesta din urmă în 1H și 13C RMN, se utilizează tetrametilsilan Si(CH3)4. Unitatea de deplasare chimică este părțile pe milion (ppm) ale frecvenței instrumentului. Dacă luăm semnalul TMS ca 0 și considerăm deplasarea semnalului la un câmp slab ca o schimbare chimică pozitivă, atunci vom obține așa-numita scară δ. Dacă rezonanța tetrametilsilanului este egală cu 10 ppm și inversați semnele, atunci scara rezultată va fi scala τ, care practic nu este utilizată în prezent. Dacă spectrul unei substanțe este prea complicat de interpretat, se pot folosi metode chimice cuantice pentru calcularea constantelor de screening și corelarea semnalelor pe baza acestora.

Introscopie RMN

Fenomenul rezonanței magnetice nucleare poate fi folosit nu numai în fizică și chimie, ci și în medicină: corpul uman este o combinație de toate aceleași molecule organice și anorganice.

Pentru a observa acest fenomen, un obiect este plasat într-un câmp magnetic constant și expus la frecvență radio și câmpuri magnetice în gradient. În inductorul care înconjoară obiectul studiat, apare o forță electromotoare alternativă (EMF), al cărei spectru amplitudine-frecvență și caracteristicile de tranziție în timp transportă informații despre densitatea spațială a nucleelor ​​atomice rezonante, precum și despre alți parametri specifici doar pentru rezonanța magnetică nucleară. Prelucrarea computerizată a acestor informații generează o imagine tridimensională care caracterizează densitatea nucleelor ​​echivalente chimic, timpii de relaxare ai rezonanței magnetice nucleare, distribuția debitelor fluidelor, difuzia moleculelor și procesele biochimice ale metabolismului în țesuturile vii.

Esența introscopiei RMN (sau imagistica prin rezonanță magnetică) constă, de fapt, în implementarea unui tip special de analiză cantitativă a amplitudinii semnalului de rezonanță magnetică nucleară. În spectroscopia RMN convențională, scopul este de a realiza cea mai bună rezoluție posibilă a liniilor spectrale. Pentru a face acest lucru, sistemele magnetice sunt reglate astfel încât să creeze cea mai bună uniformitate posibilă a câmpului în cadrul probei. În metodele de introscopie RMN, dimpotrivă, câmpul magnetic este creat în mod evident neomogen. Atunci există motive să ne așteptăm ca frecvența rezonanței magnetice nucleare în fiecare punct al probei să aibă propria sa valoare, diferită de valorile din alte părți. Prin setarea unui cod pentru gradările de amplitudine a semnalului RMN (luminozitate sau culoare pe ecranul monitorului), puteți obține o imagine condiționată (

MINISTERUL SĂNĂTĂȚII AL FEDERĂȚIA RUSĂ

AUTORIZARE FARMACOPEIANĂ GENERALĂ

Spectroscopia GPM nucleară.1.2.1.1.0007.15
rezonanță magnetică în loc de GFXII, partea 1,
OFS 42-0046-07

Spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară (RMN) este o metodă bazată pe absorbția radiației electromagnetice de radiofrecvență de către nucleele unei probe cu un moment magnetic diferit de zero plasate într-un câmp magnetic constant ( B 0). Momentele magnetice diferite de zero au izotopi ai nucleelor ​​elementelor cu o masă atomică impară (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P etc.).

Principii generale

Un nucleu care se rotește în jurul axei sale are propriul său moment de impuls (moment unghiular sau spin) P. Momentul magnetic al nucleului μ este direct proporțional cu spinul: μ = γ ∙P(γ este factorul de proporționalitate sau raportul giromagnetic). Momentele unghiulare și magnetice sunt cuantificate, adică. poate fi în unul din 2 eu+ 1 stări de rotire ( eu – număr cuantic de spin). Diferite stări ale momentelor magnetice ale nucleelor ​​au aceeași energie dacă nu sunt afectate de un câmp magnetic extern. Când nucleele sunt plasate într-un câmp magnetic extern B 0, degenerarea energetică a nucleelor ​​este înlăturată și apare posibilitatea unei tranziții energetice de la un nivel la altul. Procesul de distribuție a nucleelor ​​între diferite niveluri de energie decurge în conformitate cu legea distribuției Boltzmann și duce la apariția unei magnetizări longitudinale de echilibru macroscopic. M z . Timpul necesar pentru a crea M z după pornirea câmpului magnetic extern LA 0, se numește timp longitudinal sau a învârti—zăbrele relaxare (T unu). Încălcarea distribuției de echilibru a nucleelor ​​are loc sub acțiunea unui câmp magnetic de radiofrecvență ( B 1), perpendiculară B 0 , care determină tranziții suplimentare între nivelurile de energie, însoțite de absorbția de energie (fenomenul rezonanță magnetică nucleară). Frecvență ν 0 , la care are loc absorbția energiei de către nuclee ( Larmorova sau frecvența de absorbție a rezonanței), variază în funcție de valoarea câmpului constant B 0: ν 0 = γ B 0/2π. În momentul rezonanței, există o interacțiune între momentele magnetice nucleare individuale și câmp LA 1, care scoate un vector M z din poziția sa de echilibru de-a lungul axei z. Ca urmare, apare magnetizare transversală M X y. Schimbarea sa asociată cu schimbul în cadrul sistemului de spin este caracterizată de timp transversal sau spin-spin relaxare (T 2).

Dependența intensității absorbției de energie de către nuclee de același tip de frecvența câmpului magnetic de radiofrecvență la o valoare fixă LA 0 este numit spectru unidimensionalrezonanță magnetică nucleară sâmburi de acest tip. Spectrul RMN poate fi obținut în două moduri: prin iradierea continuă a probei cu un câmp RF de frecvență variabilă, în urma căruia spectrul RMN este înregistrat direct (spectroscopie de expunere continuă), sau prin expunerea probei la un impuls RF scurt. ( spectroscopie în impulsuri). În spectroscopia RMN pulsată, radiația coerentă degradată în timp emisă de nuclee la revenirea la starea de spin inițială ( semnal de dezintegrare a inducției libere) urmată de transformarea scării de timp în frecvență ( transformata Fourier).

În molecule, electronii atomilor reduc mărimea câmpului magnetic extern care acționează B 0 la locația nucleului, adică apare ecranare diamagnetică:

B loc = B 0 ∙ (1 – σ),

B lok este intensitatea câmpului rezultat;

σ este constanta de screening.

Diferența dintre frecvențele de rezonanță ale semnalelor nucleelor, egală cu diferența constantelor lor de ecranare, se numește deplasare chimică semnale, indicate prin simbol δ , măsurată în părți pe milion (ppm). Interacțiunea momentelor magnetice ale nucleelor ​​prin electronii de legătură chimică ( interacțiune spin-spin) provoacă divizarea semnalului RMN ( multiplicitate, m). Numărul de componente din multiplete este determinat de spinul nuclear și de numărul de nuclee care interacționează. Măsura interacțiunii spin-spin este constantă de cuplare spin-spin (J, măsurată în herți, Hz). Valori δ, mși J nu depind de mărimea câmpului magnetic constant.

Intensitatea semnalului RMN nuclear în spectru este determinată de populația nivelurilor sale de energie. Dintre nucleele cu abundență naturală de izotopi, cele mai intense semnale sunt produse de nucleele de hidrogen. Intensitatea semnalelor RMN este afectată și de timpul relaxării longitudinal-transversale (mare T 1 duce la o scădere a intensității semnalului).

Lățimea semnalelor RMN (diferența dintre frecvențele la jumătatea maximă a semnalului) depinde de T 1 și T 2. vremuri mici T 1 și T 2 cauzează semnale cu spectru largi și prost interpretate.

Sensibilitatea metodei RMN (concentrația maximă detectabilă a unei substanțe) depinde de intensitatea semnalului nuclear. Pentru 1 nuclee H, sensibilitatea este de 10 -9 ÷ 10 -11 mol.

Corelațiile diferiților parametri spectrale (de exemplu, deplasări chimice ale diferitelor nuclee în cadrul aceluiași sistem molecular) pot fi obținute prin metode homo- și heteronucleare în format 2D sau 3D.

dispozitiv

Spectrometrul de puls RMN de înaltă rezoluție (spectrometrul RMN) constă din:

• magnet pentru a crea un câmp magnetic constant B 0 ;
• un senzor controlat de temperatură cu un suport de probă pentru aplicarea unui impuls RF și detectarea radiației emise de probă;
• un dispozitiv electronic pentru crearea unui impuls de radiofrecvență, înregistrarea, amplificarea și convertirea semnalului de dezintegrare a inducției libere în formă digitală;
• Dispozitive pentru reglarea și reglarea circuitelor electronice;
• dispozitive de colectare și prelucrare a datelor (calculator);

și poate include, de asemenea:

o celulă de flux pentru cromatografie lichidă RMN sau analiză prin injecție în flux;

• sistem pentru crearea unui gradient de câmp magnetic pulsat.

Un câmp magnetic puternic este generat de o bobină de supraconductivitate într-un vas Dewar umplut cu heliu lichid.

Trebuie verificată funcționarea corespunzătoare a spectrometrului RMN. Pentru verificare, se efectuează teste corespunzătoare, inclusiv, de regulă, măsurarea lățimii liniei spectrale la jumătatea înălțimii anumitor vârfuri în anumite condiții ( permisiune), reproductibilitatea poziției semnalului și raportul semnal-zgomot (raportul dintre intensitatea unui semnal specific din spectrul RMN și fluctuațiile aleatorii din regiunea spectrului care nu conține semnale de la analit, S/N) pentru amestecuri standard. Software-ul spectrometrului conține algoritmi de determinare S/N. Toți producătorii de instrumente oferă specificații și protocoale de măsurare pentru acești parametri.

Spectroscopia RMN a probelor în soluții

Metodologie

Eșantionul de testat este dizolvat într-un solvent la care se poate adăuga un standard adecvat de calibrare pentru schimbarea chimică, așa cum este specificat în documentația de reglementare. Valoarea deplasării chimice relative a nucleului unei substanțe (δ in-in) este determinată de următoarea expresie:

δ in-in \u003d (ν in-in - ν standard) / ν al dispozitivului,

ν in-in - frecvența de rezonanță a miezului substanței, Hz;

ν etalon este frecvența de rezonanță a miezului etalonului, Hz;

ν a dispozitivului este frecvența de funcționare a spectrometrului RMN (frecvența la care sunt îndeplinite condițiile de rezonanță pentru nucleele de hidrogen pentru un anumit B 0, MHz).

Pentru soluțiile în solvenți organici, deplasarea chimică în spectrele 1H și 13C este măsurată în raport cu semnalul de tetrametilsilan, a cărui poziție este luată ca 0 ppm. Deplasările chimice sunt numărate în direcția unui câmp slab (la stânga) de la semnalul de tetrametilsilan (delta este scara deplasărilor chimice). Pentru soluțiile apoase, 2,2-dimetil-2-silanpentan-5-sulfonat de sodiu este utilizat ca referință în spectrele 1H RMN, deplasarea chimică a protonilor grupei metil a cărora este de 0,015 ppm. Pentru spectrele soluțiilor apoase 13 C, se folosește ca referință dioxanul, a cărui deplasare chimică este de 67,4 ppm.

La calibrarea spectrelor 19 F, acidul trifluoracetic sau triclorofluormetanul este utilizat ca standard primar cu deplasare chimică zero; spectre 31 P - soluție 85% de acid fosforic sau fosfat de trimetil; spectre 15 N - nitrometan sau soluție saturată de amoniac. În 1H și 13C RMN, de regulă, se utilizează un standard intern, care este adăugat direct la proba de testat. 15 N, 19 F și 31 P RMN utilizează adesea un standard extern, care este ținut separat într-un tub cilindric coaxial sau capilar.

Când se descrie spectrele RMN, este necesar să se indice solventul în care este dizolvată substanța și concentrația acesteia. Ca solvenți sunt folosite lichide ușor mobile, în care atomii de hidrogen sunt înlocuiți cu atomi de deuteriu pentru a reduce intensitatea semnalelor solvenților. Solventul deuterat este selectat pe baza următoarelor criterii:

• 1) solubilitatea compusului de testat în acesta;
• 2) nicio suprapunere între semnalele protonilor reziduali ai solventului deuterat și semnalele compusului de testat;
• 3) nicio interacțiune între solvent și compusul de testat, dacă nu se indică altfel.

Atomii de solvenți dau semnale care sunt ușor de identificat prin deplasarea lor chimică și pot fi utilizați pentru a calibra axa de deplasare chimică (standard secundar). Deplasările chimice ale semnalelor de protoni reziduali ale solvenților deuterati au următoarele valori (ppm): cloroform, 7,26; benzen, 7,16; apă - 4,7; metanol -3,35 și 4,78; dimetil sulfoxid - 2,50; acetonă - 2,05; poziţia semnalului apei şi a protonilor grupărilor hidroxil ale alcoolilor depinde de pH-ul mediului şi de temperatură.

Pentru analiza cantitativă, soluțiile trebuie să fie lipsite de particule nedizolvate. Pentru unele teste, poate fi necesar să se adauge un standard intern pentru a compara intensitățile de test și de referință. Probele standard adecvate și concentrațiile acestora trebuie specificate în documentația normativă. După introducerea probei într-o eprubetă și acoperirea probei, proba este introdusă în magnetul spectrometrului RMN, se setează parametrii de testare (setarea parametrilor, înregistrarea, digitizarea semnalului de dezintegrare a inducției libere). Principalii parametri de testare indicați în documentația de reglementare sunt înregistrați sau stocați într-un computer.

Pentru a preveni deviația spectrului în timp, se efectuează o procedură de stabilizare (blocare cu deuteriu) folosind semnalul de deuteriu indus de solvenții deuterati, dacă nu se indică altfel. Instrumentul este reglat pentru a obține cele mai optime condiții de rezonanță și raportul maxim S/N(shimming).

În timpul testului, este posibil să se efectueze mai multe secvențe de cicluri „impuls – achiziție de date – pauză” cu însumarea ulterioară a semnalelor individuale de decădere a inducției libere și medierea nivelului de zgomot. Timpul de întârziere dintre secvențele de impulsuri în care sistemul de spinuri nucleare își restabilește magnetizarea ( D 1), pentru măsurători cantitative trebuie să depășească timpul de relaxare longitudinală T 1: D 1 ≥ 5 T unu . Software-ul spectrometrului conține algoritmi de determinare T unu . Dacă valoarea T 1 este necunoscut, se recomandă utilizarea valorii D 1 = 25 sec.

După efectuarea transformării Fourier, semnalele din reprezentarea frecvenței sunt calibrate la standardul selectat și intensitatea lor relativă este măsurată prin integrare - măsurarea raportului dintre zonele semnalelor rezonante. În spectrele 13 C sunt integrate doar semnale de același tip. Precizia integrării semnalului depinde de raport semnal – zgomot (S/N):

Unde u(eu) este incertitudinea standard a integrării.

Numărul de acumulări de dezintegrare prin inducție liberă necesare pentru a obține un raport satisfăcător S/ N, ar trebui să fie menționat în documentația de reglementare.

Alături de unidimensional în scop analitic, se folosesc spectre de corelație bidimensionale homo- și heteronucleare, bazate pe o anumită secvență de impulsuri (COSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC, HETCOR, CIGAR, INADEQUATE etc.). În spectrele bidimensionale, interacțiunea dintre nuclee se manifestă sub forma unor semnale numite vârfuri încrucișate. Poziția vârfurilor încrucișate este determinată de valorile deplasărilor chimice ale celor două nuclee care interacționează. Spectrele bidimensionale sunt utilizate de preferință pentru a determina compoziția amestecurilor și extractelor complexe, deoarece probabilitatea suprapunerii semnalului (picurile încrucișate) în spectrele bidimensionale este semnificativ mai mică decât probabilitatea suprapunerii semnalului în spectrele unidimensionale.

Pentru a obține rapid spectrele heteronucleilor (13 C, 15 N etc.), sunt utilizate metode (HSQC, HMBC) care permit obținerea spectrelor altor nuclee pe nuclee 1 H folosind mecanismele de interacțiune heteronucleară.

Tehnica DOSY, bazată pe înregistrarea pierderii coerenței de fază a spinurilor nucleare din cauza deplasărilor translaționale ale moleculelor sub acțiunea unui gradient de câmp magnetic, face posibilă obținerea spectrelor compușilor individuali (separarea spectrală) într-un amestec fără separarea fizică a acestora. și pentru a determina dimensiunile, gradele de agregare și greutățile moleculare ale obiectelor moleculare (molecule, macromolecule, complexe moleculare, sisteme supramoleculare).

Domenii de utilizare

Varietatea informațiilor structurale și analitice conținute în spectrele de rezonanță magnetică nucleară face posibilă utilizarea metodei rezonanței magnetice nucleare pentru analize calitative și cantitative. Utilizarea spectroscopiei de rezonanță magnetică nucleară în analiza cantitativă se bazează pe proporționalitatea directă a concentrației molare a nucleelor ​​active magnetic cu intensitatea integrală a semnalului de absorbție corespunzător din spectru.

1. Identificarea substanței active. Identificarea substanței active se realizează prin compararea spectrului probei de testat cu spectrul unei probe standard sau cu un spectru de referință publicat. Spectrele probelor standard și de testare trebuie obținute folosind aceleași metode și condiții. Vârfurile din spectrele comparate ar trebui să coincidă în poziție (abateri ale valorilor δ probe de testare și standard în ± 0,1 ppm. pentru rezonanța magnetică nucleară 1 N și ± 0,5 ppm. pentru rezonanța magnetică nucleară 13 C), intensitatea și multiplicitatea integrate, ale căror valori ar trebui date la descrierea spectrelor. În absența unui eșantion standard, poate fi utilizată o probă standard de farmacopee, a cărei identitate este confirmată prin interpretarea structurală independentă a datelor spectrale și metode alternative.

Atunci când se confirmă autenticitatea probelor cu compoziție nestoichiometrică (de exemplu, polimeri naturali cu compoziție variabilă), vârfurile probelor de test și standard sunt lăsate să difere în poziție și intensitate integrală a semnalelor. Spectrele de comparat trebuie să fie similare, adică. conțin aceleași regiuni caracteristice ale semnalelor, confirmând coincidența compoziției fragmentelor din probele de test și standard.

Pentru a stabili autenticitatea unui amestec de substanțe (extrase), spectrele RMN unidimensionale pot fi utilizate ca întreg, ca „amprente digitale” ale unui obiect, fără a detalia valorile lui δ și multiplicitatea semnalelor individuale. În cazul utilizării spectroscopiei RMN bidimensionale în descrierea spectrelor (fragmentelor de spectru) revendicate pentru autenticitate, trebuie date valorile vârfurilor încrucișate.

1. Identificarea materiei străine/solvenți organici reziduali. Identificarea impurităților/solvenților organici reziduali se realizează în mod similar cu identificarea substanței active, înăsprind cerințele de sensibilitate și rezoluție digitală.
2. Determinarea conținutului de impurități străine/solvenți organici reziduali în raport cu substanța activă. Metoda RMN este o metodă absolută directă pentru determinarea raportului molar dintre substanța activă și compusul de impurități ( n/n impuritate):

Unde S‘ și S‘ impuritate - valori normalizate ale intensităților integrale ale semnalelor substanței active și impurităților.

Normalizarea se realizează în funcție de numărul de nuclee din fragmentul structural, care determină semnalul măsurat.

Fracția de masă a impurității/solvent organic rezidual în raport cu substanța activă ( X pr) este determinată de formula:

M pr este greutatea moleculară a impurității;

M este greutatea moleculară a substanței active;

S‘ pr este valoarea normalizată a intensității integrale a semnalului de impurități;

S'– valoarea normalizată a intensității integrale a semnalului substanței active.

1. Determinarea cantitativă a conținutului de substanță (substanță activă, impuritate/solvent rezidual) în substanța farmaceutică. Conținutul absolut al materiei într-o substanță farmaceutică, se determină prin metoda standard intern, care se alege ca substanță ale cărei semnale sunt apropiate de semnalele analitului, fără a se suprapune cu acestea. Intensitățile semnalului analitului și ale standardului nu ar trebui să difere semnificativ.

Procentul de analit din proba de testat în termeni de substanță uscată ( X,% masa) se calculează prin formula:

X,% masa = 100 ∙ ( S‘ /S‘ 0) ∙ (M ∙ A 0 /M 0 ∙ A) ∙ ,

S' este valoarea normalizată a intensității integrale a semnalului analitului;

S‘ 0 este valoarea normalizată a intensității semnalului integrat al standardului;

M este greutatea moleculară a analitului;

M 0 – greutate moleculară;

A- cântărirea probei de testat;

un 0– greutatea substanței standard;

W- umiditate, %.

Următorii compuși pot fi utilizați ca standarde: acid maleic (2H; 6,60 ppm, M= 116,07), benzoat de benzii (2H; 5,30 ppm, M= 212,25), acid malonic (2H; 3,30 ppm, M= 104,03), succinimidă (4H; 2,77 ppm, M= 99,09), acetanilidă (3H; 2,12 ppm, M = 135,16), tert-butanol (9H; 1,30 ppm, M = 74,12).

Conținut relativ de substanțăîntrucât proporția unui component într-un amestec de componente ale unei substanțe farmaceutice este determinată prin metoda normalizării interne. molar ( X mol) și masă ( X masa) fracție componentă iîntr-un amestec n substanțele este determinată de formulele:

1. Determinarea masei moleculare a proteinelor si polimerilor. Greutățile moleculare ale proteinelor și polimerilor sunt determinate prin compararea mobilității acestora cu cea a compușilor de referință cu greutate moleculară cunoscută folosind tehnici DOSY. Se măsoară coeficienții de autodifuzie ( D) din probele de test și standard, construiți un grafic al dependenței logaritmilor greutăților moleculare ale compușilor standard de logaritmi D. Din graficul astfel obținut, greutățile moleculare necunoscute ale probelor de testat sunt determinate prin regresie liniară. O descriere completă a experimentului DOSY ar trebui să fie dată în documentația de reglementare.

Spectroscopia RMN a solidelor

Probele în stare solidă sunt analizate folosind spectrometre RMN special echipate. Anumite operații tehnice (rotația unei probe de pulbere într-un rotor înclinat la un unghi magic (54,7°) față de axa câmpului magnetic LA 0 , depărtarea forței, transferul de polarizare de la nuclee foarte excitabile la nuclee mai puțin polarizabile - polarizare încrucișată) fac posibilă obținerea de spectre de înaltă rezoluție ale compușilor organici și anorganici. O descriere completă a procedurii ar trebui să fie furnizată în documentația de reglementare. Principalul domeniu de aplicare al acestui tip de spectroscopie RMN este studiul polimorfismului medicamentelor solide.

Rezonanță magnetică nucleară
rezonanță magnetică nucleară

Rezonanța magnetică nucleară (RMN) - absorbția rezonantă a undelor electromagnetice de către nucleele atomice, care are loc atunci când se modifică orientarea vectorilor propriilor momente de impuls (spinuri). RMN apare în probele plasate într-un câmp magnetic constant puternic, în timp ce le expun simultan la un câmp electromagnetic alternativ slab din domeniul de frecvență radio (liniile de forță ale câmpului alternativ trebuie să fie perpendiculare pe liniile de forță ale câmpului constant). Pentru nucleele de hidrogen (protoni) într-un câmp magnetic constant cu o putere de 10 4 oersted, rezonanța are loc la o frecvență a undelor radio de 42,58 MHz. Pentru alte nuclee în câmpuri magnetice de 103–104 oersted RMN se observă în intervalul de frecvență de 1–10 MHz. RMN este utilizat pe scară largă în fizică, chimie și biochimie pentru a studia structura solidelor și a moleculelor complexe. În medicină, folosind RMN cu o rezoluție de 0,5–1 mm, se obține o imagine spațială a organelor interne ale unei persoane.

Să luăm în considerare fenomenul RMN pe exemplul celui mai simplu nucleu - hidrogenul. Nucleul de hidrogen este un proton, care are o anumită valoare a propriului moment mecanic de impuls (spin). În conformitate cu mecanica cuantică, vectorul de spin al protonului poate avea doar două direcții reciproc opuse în spațiu, notate în mod convențional prin cuvintele „sus” și „jos”. Protonul are, de asemenea, un moment magnetic, a cărui direcție vectorului este legată rigid de direcția vectorului spin. Prin urmare, vectorul momentului magnetic al protonului poate fi direcționat fie „în sus”, fie „în jos”. Astfel, protonul poate fi reprezentat ca un magnet microscopic cu două orientări posibile în spațiu. Dacă plasați un proton într-un câmp magnetic extern constant, atunci energia protonului în acest câmp va depinde de unde este direcționat momentul său magnetic. Energia unui proton va fi mai mare dacă momentul său magnetic (și spinul) este îndreptat în direcția opusă câmpului. Să notăm această energie ca E ↓ . Dacă momentul magnetic (spin) al protonului este îndreptat în aceeași direcție ca și câmpul, atunci energia protonului, notată E, va fi mai mică (E< E ↓). Пусть протон оказался именно в этом последнем состоянии. Если теперь протону добавить энергию Δ Е = E ↓ − E , то он сможет скачком перейти в состояние с большей энергией, в котором его спин будет направлен против поля. Добавить энергию протону можно, “облучая” его квантами электромагнитных волн с частотой ω, определяемой соотношением ΔЕ = ћω.
Să trecem de la un singur proton la o probă macroscopică de hidrogen care conține un număr mare de protoni. Situația va arăta așa. În eșantion, datorită medierii orientărilor aleatorii ale spinilor, un număr aproximativ egal de protoni, atunci când se aplică un câmp magnetic extern constant, vor apărea în raport cu acest câmp cu spini direcționați „sus” și „jos”. Iradierea unei probe cu unde electromagnetice cu o frecvență ω = (E ↓ − E )/ћ va provoca o întoarcere „masivă” de spin (momente magnetice) a protonilor, ca urmare a căreia toți protonii probei vor fi într-o stare cu rotiri îndreptate împotriva câmpului. O astfel de schimbare masivă a orientării protonilor va fi însoțită de o absorbție puternică (rezonantă) a cuantelor (și a energiei) a câmpului electromagnetic de iradiere. Acesta este RMN. RMN poate fi observată numai în probe cu un număr mare de nuclee (10 16) folosind tehnici speciale și instrumente foarte sensibile.