V súčasnosti je čoraz viac pacientov odosielaných nie na rádiografiu alebo ultrazvuk, ale na zobrazovanie pomocou nukleárnej magnetickej rezonancie. Táto výskumná metóda je založená na jadrovom magnetizme. Uvažujme, čo je NMR tomografia, aké sú jej výhody a v akých prípadoch sa vykonáva.

Čo je to za štúdium?

Táto diagnostická metóda je založená na nukleárnej magnetickej rezonancii. Vo vonkajšom magnetickom poli je jadro atómu vodíka alebo protónu v dvoch vzájomne opačných stavoch. Smer magnetického momentu jadra môžete zmeniť tak, že naň pôsobíte elektromagnetickými lúčmi s určitou frekvenciou.

Umiestnenie protónu do vonkajšieho magnetického poľa spôsobí zmenu jeho magnetického momentu s návratom do pôvodnej polohy. Tým sa uvoľní určité množstvo energie. Magnetická rezonančná tomografia zachytáva zmenu množstva takejto energie.

Tomograf využíva veľmi silné magnetické polia. Elektromagnety sú zvyčajne schopné vyvinúť magnetické pole o sile 3, niekedy až 9 T. Pre človeka je úplne neškodný. Tomografický systém umožňuje lokalizovať smer magnetického poľa s cieľom získať snímky najvyššej kvality.

Jadrový magnetický tomograf

Diagnostická metóda je založená na fixácii elektromagnetickej odozvy jadra atómu (protónu), ku ktorej dochádza v dôsledku jeho excitácie elektromagnetickými vlnami vo vysokonapäťovom magnetickom poli. O zobrazovaní magnetickou rezonanciou sa prvýkrát hovorilo v roku 1973. Potom americký vedec P. Laterbur navrhol študovať objekt v meniacom sa magnetickom poli. Diela tohto vedca slúžili ako začiatok novej éry v medicíne.

Pomocou magnetického rezonančného tomografu bolo možné študovať tkanivá a dutiny ľudského tela v dôsledku stupňa nasýtenia tkanív vodíkom. Často sa používajú kontrastné látky pre magnetickú rezonanciu. Najčastejšie ide o prípravky gadolínia, ktoré sú schopné meniť odozvu protónov.
Termín „nukleárna MRI“ existoval až do roku 1986.

V súvislosti s rádiofóbiou medzi obyvateľstvom v súvislosti s katastrofou v jadrovej elektrárni v Černobyle sa rozhodlo o odstránení slova „jadrový“ z názvu novej diagnostickej metódy. To však umožnilo zobrazovaniu pomocou magnetickej rezonancie rýchlo vstúpiť do praxe diagnostiky mnohých chorôb. Dnes je táto metóda kľúčom k identifikácii mnohých v poslednej dobe ťažko diagnostikovaných chorôb.

Ako prebieha diagnostika?

MRI využíva veľmi silné magnetické pole. A hoci to nie je pre ľudí nebezpečné, lekár a pacient musia dodržiavať určité pravidlá.

V prvom rade, pred diagnostickým postupom, pacient vyplní špeciálny dotazník. Uvádza v ňom zdravotný stav, ako aj výroky o sebe. Vyšetrenie sa robí v špeciálne pripravenej miestnosti s kabínkou na prebaľovanie a osobné veci.

Aby si pacient neublížil a aby bola aj správnosť výsledkov, mal by si vyzliecť všetky veci, ktoré obsahujú kov, v skrinke na osobné veci nechať mobily, kreditné karty, hodinky a pod. Je žiaduce, aby ženy zmyli dekoratívnu kozmetiku z pokožky.
Potom sa pacient umiestni do trubice tomografu. Na pokyn lekára sa určí oblasť vyšetrenia. Každá zóna sa skúma desať až dvadsať minút. Počas tejto doby musí pacient zostať v pokoji. Od toho bude závisieť kvalita obrázkov. Lekár môže v prípade potreby fixovať polohu pacienta.

Počas prevádzky zariadenia sú počuť jednotné zvuky. Je to normálne a naznačuje to, že štúdia prebieha správne. Na získanie presnejších výsledkov sa môže pacientovi intravenózne podať kontrastná látka. V niektorých prípadoch so zavedením takejto látky pocítite prudký nárast tepla. To je úplne normálne.

Približne pol hodiny po štúdii môže lekár dostať protokol štúdie (záver). Vydá sa aj disk s výsledkami.

Výhody jadrovej MRI

Výhody takéhoto prieskumu zahŕňajú nasledujúce.

1. Schopnosť získať vysokokvalitné snímky telesných tkanív v troch projekciách. To výrazne zlepšuje vizualizáciu tkanív a orgánov. V tomto prípade je MRI oveľa lepšia ako počítačová tomografia, rádiografia a ultrazvuková diagnostika.
2. Vysokokvalitné 3D snímky poskytujú presnú diagnózu, čo zlepšuje liečbu a zvyšuje pravdepodobnosť uzdravenia.
3. Keďže je možné získať vysokokvalitný obraz na MRI, takáto štúdia je najlepšia na detekciu nádorov, porúch centrálneho nervového systému a patologických stavov pohybového aparátu. Takto je možné diagnostikovať tie choroby, ktoré bolo donedávna ťažké alebo nemožné odhaliť.
4. Moderné zariadenia na tomografiu vám umožňujú získať vysokokvalitné snímky bez zmeny polohy pacienta. A na kódovanie informácií sa používajú rovnaké metódy ako pri počítačovej tomografii. To uľahčuje diagnostiku, keďže lekár vidí trojrozmerné obrazy celých orgánov. Lekár tiež môže získať obrázky konkrétneho orgánu vo vrstvách.
5. Takéto vyšetrenie dobre určuje najskoršie patologické zmeny v orgánoch. Ochorenie je teda možné odhaliť už v štádiu, keď pacient ešte nepociťuje príznaky.
6. Počas takejto štúdie pacient nie je vystavený ionizujúcemu žiareniu. To výrazne rozširuje rozsah MRI.
7. Procedúra MRI je úplne bezbolestná a nespôsobuje pacientovi žiadne nepohodlie.

Indikácie pre MRI

Existuje mnoho indikácií pre zobrazovanie magnetickou rezonanciou.

• Poruchy cerebrálnej cirkulácie.
• Podozrenia na novotvar mozgu, poškodenie jeho membrán.
• Posúdenie stavu orgánov po operácii.
• Diagnostika zápalových javov.
• Kŕče, epilepsia.
• Traumatické zranenie mozgu.
• Posúdenie stavu plavidiel.
• Posúdenie stavu kostí a kĺbov.
• Diagnostika mäkkých tkanív tela.
• Choroby chrbtice (vrátane osteochondrózy, spondyloartrózy).
• Poranenie chrbtice.
• Posúdenie stavu miechy vrátane podozrenia na malígne procesy.
• Osteoporóza.
• Posúdenie stavu peritoneálnych orgánov, ako aj retroperitoneálneho priestoru. MRI je indikovaná pri žltačke, chronickej hepatitíde, cholecystitíde, cholelitiáze, nádorovom poškodení pečene, pankreatitíde, ochoreniach žalúdka, čriev, sleziny, obličiek.
• Diagnóza cýst.
• Diagnostika stavu nadobličiek.
• Choroby panvových orgánov.
• Urologické patológie.
• Gynekologické ochorenia.
• Choroby orgánov hrudnej dutiny.

Okrem toho je pri podozrení na novotvar indikovaná magnetická rezonancia celého tela. MRI sa môže použiť na vyhľadávanie metastáz, ak je diagnostikovaný primárny nádor.

Toto nie je úplný zoznam indikácií pre zobrazovanie magnetickou rezonanciou. Dá sa s istotou povedať, že neexistuje taký organizmus a choroba, ktoré by nebolo možné pomocou tejto diagnostickej metódy odhaliť. Keďže možnosti medicíny rastú, lekári majú prakticky neobmedzené možnosti diagnostiky a liečby mnohých nebezpečných chorôb.

Kedy je zobrazovanie magnetickou rezonanciou kontraindikované?

Pre MRI existuje množstvo absolútnych a relatívnych kontraindikácií. Absolútne kontraindikácie zahŕňajú:

1. Prítomnosť kardiostimulátora. Je to spôsobené tým, že kolísanie magnetického poľa sa dokáže prispôsobiť srdcovému rytmu, a preto môže byť smrteľné.
2. Prítomnosť inštalovaných feromagnetických alebo elektronických implantátov v strednom uchu.
3. Veľké kovové implantáty.
4. Prítomnosť feromagnetických fragmentov v tele.
5. Dostupnosť Ilizarovho aparátu.

Relatívne kontraindikácie (ak je výskum možný za určitých podmienok) zahŕňajú:

Pri vykonávaní MRI s kontrastom sú kontraindikáciami anémia, chronické dekompenzované zlyhanie obličiek, tehotenstvo, individuálna intolerancia.

Záver

Význam magnetickej rezonancie pre diagnostiku nemožno preceňovať. Ide o dokonalý, neinvazívny, bezbolestný a neškodný spôsob odhalenia mnohých chorôb. Zavedením magnetickej rezonancie sa zlepšila aj liečba pacientov, ako lekár vie presná diagnóza a vlastnosti všetkých procesov vyskytujúcich sa v tele pacienta.

Magnetickej rezonancie sa netreba báť. Počas procedúry pacient necíti žiadnu bolesť. Nemá to nič spoločné s jadrovým alebo röntgenovým žiarením. Je tiež nemožné odmietnuť takýto postup.

Nukleárna magnetická rezonancia

VK. Havrany

Štátna technická univerzita v Irkutsku

ÚVOD

Donedávna boli naše predstavy o štruktúre atómov a molekúl založené na štúdiách využívajúcich metódy optickej spektroskopie. V súvislosti so zdokonaľovaním spektrálnych metód, ktoré posunuli oblasť spektroskopických meraní do oblasti ultravysokých (približne 10^ 3 - 10^ 6 MHz; mikrorádiové vlny) a vysokých frekvencií (približne 10^ (-2) - 10^ 2 MHz; rádiové vlny), nové zdroje informácií o štruktúre hmoty. Pri absorpcii a emisii žiarenia v tomto frekvenčnom rozsahu dochádza k rovnakému základnému procesu ako v iných rozsahoch elektromagnetického spektra, totiž pri prechode z jednej energetickej úrovne na druhú systém absorbuje alebo vyžaruje kvantá energie.

Energetický rozdiel medzi úrovňami a energiou kvánt zúčastňujúcich sa na týchto procesoch je asi 10^(-7) eV pre oblasť rádiovej frekvencie a asi 10^(-4) eV pre mikrovlnné frekvencie. V dvoch typoch rádiovej spektroskopie, menovite v nukleárnej magnetickej rezonancii (NMR) a jadrovej kvadrupólovej rezonančnej spektroskopii (NQR), je rozdiel v energetických hladinách spojený s rôznymi orientáciami magnetických dipólových momentov jadier v aplikovanom magnetickom poli. a elektrické kvadrupólové momenty jadier v molekulárnych elektrických poliach, ak tieto nie sú sféricky symetrické.

Existencia jadrových momentov bola prvýkrát objavená pri štúdiu hyperjemnej štruktúry elektrónových spektier niektorých atómov pomocou optických spektrometrov s vysokým rozlíšením.

Pod vplyvom vonkajšieho magnetického poľa sú magnetické momenty jadier určitým spôsobom orientované a je možné pozorovať prechody medzi úrovňami jadrovej energie spojené s týmito rôznymi orientáciami: prechody, ktoré sa vyskytujú pri pôsobení určitého žiarenia. frekvencia. Kvantovanie energetických hladín jadra je priamym dôsledkom kvantovej povahy momentu hybnosti jadra prijímajúceho 2 ja+ 1 hodnoty. Kvantové číslo spinu (spin) môžem nadobudnúť akúkoľvek hodnotu, ktorá je násobkom 1/2; najvyššia známa hodnota ja(> 7) má Lu. Najväčšia merateľná hodnota momentu hybnosti (najväčšia hodnota priemetu momentu na zvolený smer) sa rovná i ћ , kde ћ = h/2 π , a h je Planckova konštanta.

hodnoty ja nie je možné predpovedať konkrétne jadrá, ale pozorovalo sa, že izotopy, v ktorých je hmotnostné aj atómové číslo dokonca ja= 0 a izotopy s nepárnymi hmotnostnými číslami majú polovičné celočíselné spiny. Takáto situácia, keď sú počty protónov a neutrónov v jadre párne a rovnaké ( ja= 0) možno považovať za stav s „úplným párovaním“, podobným úplnému párovaniu elektrónov v diamagnetickej molekule.

Koncom roku 1945 dve skupiny amerických fyzikov pod vedením F. Blocha (Stanfordská univerzita) a E.M. Purcell (Harvardská univerzita) ako prvý prijal signály nukleárnej magnetickej rezonancie. Bloch pozoroval rezonančnú absorpciu protónov vo vode a Purcellovi sa podarilo objaviť jadrovú rezonanciu protónov v parafíne. Za tento objav im bola v roku 1952 udelená Nobelova cena.

Podstata fenoménu NMR a jeho charakteristické črty sú uvedené nižšie.

NMR spektroskopia s vysokým rozlíšením

Podstata fenoménu NMR

Podstatu javu NMR možno ilustrovať nasledovne. Ak je jadro s magnetickým momentom umiestnené v rovnomernom poli H 0 , nasmerovaný pozdĺž osi z, potom sa jeho energia (vzhľadom na energiu v neprítomnosti poľa) rovná μ z H 0, kde μ z, je projekcia nukleárneho magnetického momentu na smer poľa.

Ako už bolo uvedené, jadro môže byť umiestnené v 2 ja+ 1 štáty. Pri absencii vonkajšieho poľa H 0 všetky tieto štáty majú rovnakú energiu. Ak značíme najväčšiu merateľnú hodnotu zložky magnetického momentu cez μ , potom všetky merateľné hodnoty zložky magnetického momentu (v tomto prípade μ z,) sú vyjadrené ako m, kde m je kvantové číslo, ktoré, ako je známe, môže nadobúdať hodnoty

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

Pretože vzdialenosť medzi energetickými úrovňami zodpovedá každej z 2 ja+ 1 stavy, rovná sa m H 0 /I, potom jadro so spin ja má diskrétne energetické úrovne

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

Rozdelenie energetických hladín v magnetickom poli možno nazvať nukleárnym Zeemanovým štiepením, keďže je podobné štiepeniu elektronických hladín v magnetickom poli (Zeemanov efekt). Zeemanovo delenie je znázornené na obr. 1 pre systém s ja= 1 (s tromi úrovňami energie).

Ryža. 1. Zeemanovo štiepenie hladín jadrovej energie v magnetickom poli.

Fenomén NMR spočíva v rezonančnej absorpcii elektromagnetickej energie v dôsledku magnetizmu jadier. Z toho vyplýva zrejmý názov javu: jadrový - hovoríme o sústave jadier, magnetický - máme na mysli len ich magnetické vlastnosti, rezonancia - samotný jav je rezonančného charakteru. Z Bohrových frekvenčných pravidiel totiž vyplýva, že frekvencia ν elektromagnetického poľa spôsobujúceho prechody medzi susednými úrovňami je určená vzorcom

, (1)

Keďže vektory hybnosti (uhlovej hybnosti) a magnetickej hybnosti sú rovnobežné, je často vhodné charakterizovať magnetické vlastnosti jadier hodnotou γ definovanou vzťahom

, (2)

kde γ je gyromagnetický pomer s rozmerom radián * oersted^(- 1) * sekunda^(- 1) (rad * E^(- 1) * s*(- 1) ) alebo radián/(oersted * sekunda) (rad / (E * s)). S týmto vedomím nachádzame

, (3)

Frekvencia je teda úmerná aplikovanému poľu.

Ak ako typický príklad vezmeme hodnotu γ pre protón, ktorá sa rovná 2,6753 * 10: 4 rad / (E * s) a H 0 \u003d 10 000 Oe, potom rezonančná frekvencia

Takáto frekvencia môže byť generovaná konvenčnými rádiovými technikami.

NMR spektroskopia sa vyznačuje množstvom vlastností, ktoré ju odlišujú od iných analytických metód. Asi polovica (~ 150) jadier známych izotopov má magnetické momenty, ale iba menšina z nich sa systematicky využíva.

Pred príchodom pulzných spektrometrov sa väčšina štúdií vykonávala pomocou javu NMR na jadrách vodíka (protóny) 1 H (protónová magnetická rezonancia - PMR) a fluór 19 F. Tieto jadrá majú vlastnosti ideálne pre NMR spektroskopiu:

Vysoký prirodzený výskyt „magnetického“ izotopu ( 1H 99,98 %, 19 F 100 %); pre porovnanie možno uviesť, že prirodzený výskyt „magnetického“ izotopu uhlíka 13C je 1,1 %;

Veľký magnetický moment;

Točiť ja = 1/2.

To je primárne zodpovedné za vysokú citlivosť metódy pri detekcii signálov z vyššie uvedených jadier. Okrem toho existuje teoreticky rigorózne podložené pravidlo, podľa ktorého elektrický kvadrupólový moment majú iba jadrá so spinom rovným alebo väčším ako jednota. Preto NMR experimenty 1H a 19 F nie sú komplikované interakciou jadrového kvadrupólového momentu jadra s elektrickým prostredím. Veľké množstvo prác bolo venovaných rezonancii na iných (okrem 1H a 19 F) jadrá ako napr 13 C, 31 P, 11 B, 17 O v kvapalnej fáze (rovnako ako na jadrách 1 1H a 19F).

Zavedenie pulzných NMR spektrometrov do každodennej praxe výrazne rozšírilo experimentálne možnosti tohto typu spektroskopie. Najmä záznam NMR spektier 13 Roztoky C - najdôležitejší izotop pre chémiu - je dnes v skutočnosti známy postup. Detekcia signálov z jadier, ktorých intenzita NMR signálov je mnohonásobne menšia ako intenzita signálov z 1 H, vrátane v tuhej fáze.

NMR spektrá s vysokým rozlíšením zvyčajne pozostávajú z úzkych, dobre rozlíšených čiar (signálov) zodpovedajúcich magnetickým jadrám v rôznych chemických prostrediach. Intenzity (plochy) signálov počas zaznamenávania spektier sú úmerné počtu magnetických jadier v každej skupine, čo umožňuje uskutočniť kvantitatívnu analýzu pomocou NMR spektier bez predbežnej kalibrácie.

Ďalšou črtou NMR je vplyv výmenných procesov, na ktorých sa podieľajú rezonujúce jadrá, na polohu a šírku rezonančných signálov. NMR spektrá sa teda môžu použiť na štúdium povahy takýchto procesov. Čiary NMR v kvapalných spektrách majú zvyčajne šírku 0,1 - 1 Hz (NMR s vysokým rozlíšením), zatiaľ čo tie isté jadrá skúmané v tuhej fáze spôsobia výskyt čiar so šírkou rádovo 1 * 10^ 4 Hz ( teda koncept širokých čiar NMR).

Pri NMR spektroskopii s vysokým rozlíšením existujú dva hlavné zdroje informácií o štruktúre a dynamike molekúl:

Chemický posun;

Spin-spin interakčné konštanty.

chemický posun

V reálnych podmienkach sú rezonančné jadrá, ktorých signály NMR sú detekované, zložkou atómov alebo molekúl. Keď sú testované látky umiestnené v magnetickom poli ( H 0 ) vzniká diamagnetický moment atómov (molekúl), v dôsledku orbitálneho pohybu elektrónov. Tento pohyb elektrónov vytvára efektívne prúdy, a preto vytvára sekundárne magnetické pole, ktoré je v súlade s Lenzovým zákonom úmerné poľu. H 0 a opačným smerom. Toto sekundárne pole pôsobí na jadro. Teda lokálne pole v mieste, kde sa nachádza rezonančné jadro,

, (4)

kde σ je bezrozmerná konštanta, nazývaná skríningová konštanta a nezávislá od H 0 , ale silne závislé od chemického (elektronického) prostredia; charakterizuje pokles Hlok v porovnaní s H 0 .

Hodnota σ sa mení od hodnoty rádovo 10^(- 5) pre protón až po hodnoty rádovo 10^(- 2) pre ťažké jadrá. Berúc do úvahy výraz pre Hlok máme

, (5)

Screeningový efekt je zmenšiť vzdialenosť medzi hladinami nukleárnej magnetickej energie alebo, inými slovami, vedie ku konvergencii Zeemanových hladín (obr. 2). V tomto prípade sa kvantá energie, ktoré spôsobujú prechody medzi úrovňami, zmenšujú a následne dochádza k rezonancii pri nižších frekvenciách (pozri výraz (5)). Ak vykonáme experiment zmenou poľa H 0 kým nedôjde k rezonancii, aplikovaná intenzita poľa musí byť veľká v porovnaní s prípadom, keď jadro nie je tienené.

Ryža. Obr. 2. Vplyv elektrónového skríningu na Zeemanove hladiny jadra: (a) netienené, (b) skrínované.

Vo veľkej väčšine NMR spektrometrov sa spektrá zaznamenávajú pri zmene poľa zľava doprava, takže signály (vrcholy) najviac tienených jadier by mali byť v pravej časti spektra.

Posun signálu v závislosti od chemického prostredia v dôsledku rozdielu skríningových konštánt sa nazýva chemický posun.

Prvýkrát sa správy o objave chemického posunu objavili v niekoľkých publikáciách v rokoch 1950-1951. Spomedzi nich je potrebné vyzdvihnúť prácu Arnolda a kol., (1951), ktorí získali prvé spektrum s oddelenými čiarami zodpovedajúcimi chemicky odlišným polohám identických jadier. 1 H v jednej molekule. Hovoríme o etylalkohole CH 3 CH 2 OH, typické NMR spektrum 1 H, z ktorých pri nízkom rozlíšení je znázornené na obr. 3.

Ryža. 3. Protónové rezonančné spektrum kvapalného etylalkoholu s nízkym rozlíšením.

V tejto molekule sú tri typy protónov: tri protóny metylovej skupiny CH 3 –, dva protóny metylénovej skupiny –CH 2 – a jeden protón hydroxylovej skupiny –OH. Je vidieť, že tri samostatné signály zodpovedajú trom typom protónov. Keďže intenzita signálov je v pomere 3:2:1, dekódovanie spektra (priradenie signálov) nie je náročné.

Pretože chemické posuny nemožno merať v absolútnom meradle, to znamená vo vzťahu k jadru bez všetkých elektrónov, signál referenčnej zlúčeniny sa používa ako podmienená nula. Zvyčajne sú hodnoty chemického posunu pre akékoľvek jadrá uvedené ako bezrozmerný parameter 8 definovaný takto:

, (6)

kde H- Klobúk je rozdiel v chemických posunoch pre testovanú vzorku a štandard, Klobúk je absolútna poloha referenčného signálu s aplikovaným poľom H 0 .

V reálnych experimentálnych podmienkach je možné merať frekvenciu presnejšie ako pole, takže δ sa zvyčajne zistí z výrazu

, (7)

kde ν - ν poschodie je rozdiel medzi chemickými posunmi pre vzorku a štandard, vyjadrený v jednotkách frekvencie (Hz); NMR spektrá sú zvyčajne kalibrované v týchto jednotkách.

Presne povedané, jeden by mal používať ν 0 je pracovná frekvencia spektrometra (zvyčajne je pevná) a frekvencia ν poschodie, teda absolútna frekvencia, pri ktorej je pozorovaný rezonančný signál referencie. Chyba spôsobená takouto náhradou je však veľmi malá, pretože ν 0 a ν poschodie takmer rovnaké (rozdiel je 10 ^ (-5), teda podľa množstva σ pre protón). Pretože rôzne NMR spektrometre pracujú pri rôznych frekvenciách ν 0 (a následne pre rôzne oblasti H 0 ), je zrejmé, že výraz δ v bezrozmerných jednotkách.

Jednotkou chemického posunu je jedna milióntina intenzity poľa alebo rezonančnej frekvencie (ppm). V zahraničnej literatúre toto zníženie zodpovedá ppm (parts per million). Pre väčšinu jadier, ktoré tvoria diamagnetické zlúčeniny, je rozsah chemických posunov ich signálov stovky a tisíce ppm a dosahuje 20 000 ppm. v prípade NMR 59 Co (kobalt). V spektrách 1 H protónové signály veľkej väčšiny zlúčenín ležia v rozmedzí 0 – 10 ppm.

Interakcia spin-spin

V rokoch 1951-1953 sa pri zaznamenávaní NMR spektier množstva kvapalín zistilo, že v spektrách niektorých látok je viac čiar, ako vyplýva z jednoduchého odhadu počtu neekvivalentných jadier. Jedným z prvých príkladov je rezonancia na fluóre v molekule POCl 2 F. Spektrum 19 F pozostáva z dvoch čiar rovnakej intenzity, hoci v molekule je len jeden atóm fluóru (obr. 4). Molekuly iných zlúčenín poskytovali symetrické multipletné signály (triplety, kvartety atď.).

Ďalším dôležitým faktorom zisteným v takýchto spektrách bolo, že vzdialenosť medzi čiarami, meraná vo frekvenčnej škále, nezávisí od aplikovaného poľa. H 0 , namiesto toho, aby bola úmerná tomu, ako by to malo byť, ak multiplicita vyplýva z rozdielu v skríningových konštantách.

Ryža. 4. Dublet v rezonančnom spektre na jadrách fluóru v molekule POCl 2F

Ramsey a Purcell v roku 1952 boli prví, ktorí vysvetlili túto interakciu tým, že ukázali, že je to spôsobené nepriamym spojovacím mechanizmom cez elektronické prostredie. Jadrový spin má tendenciu orientovať spiny elektrónov obklopujúcich dané jadro. Tie zase orientujú spiny iných elektrónov a cez ne - spiny iných jadier. Energia spin-spin interakcie sa zvyčajne vyjadruje v hertzoch (to znamená, že Planckova konštanta sa berie ako jednotka energie na základe skutočnosti, že E = h ν ). Je zrejmé, že nie je potrebné (na rozdiel od chemického posunu) vyjadrovať ho v relatívnych jednotkách, pretože diskutovaná interakcia, ako je uvedené vyššie, nezávisí od sily vonkajšieho poľa. Veľkosť interakcie možno určiť meraním vzdialenosti medzi komponentmi zodpovedajúceho multipletu.

Najjednoduchším príkladom štiepenia v dôsledku spin-spinovej väzby, s ktorým sa možno stretnúť, je rezonančné spektrum molekuly obsahujúcej dva druhy magnetických jadier A a X. Jadrá A a X môžu byť buď rôzne jadrá, alebo jadrá rovnakého izotopu (napr. príklad, 1 H), keď sú chemické posuny medzi ich rezonančnými signálmi veľké.

Ryža. 5. Pohľad na NMR spektrum systému pozostávajúceho z magnetických jadier A a X so spinom I = 1/2 keď je splnená podmienka δ AX > J AX .

Na obr. 5 ukazuje, ako vyzerá NMR spektrum, ak obe jadrá, teda A a X, majú spin 1/2. Vzdialenosť medzi komponentmi v každom dublete sa nazýva spin-spin väzbová konštanta a zvyčajne sa označuje ako J (Hz); v tomto prípade je to konštanta J AH.

Výskyt dubletov je spôsobený tým, že každé jadro rozdeľuje rezonančné čiary susedného jadra na 2I+1 komponent. Energetické rozdiely medzi rôznymi spinovými stavmi sú také malé, že pri tepelnej rovnováhe sú pravdepodobnosti týchto stavov v súlade s Boltzmannovým rozdelením takmer rovnaké. V dôsledku toho budú intenzity všetkých línií multipletu vyplývajúce z interakcie s jedným jadrom rovnaké. V prípade, že existuje n ekvivalentných jadier (teda rovnako tienených, takže ich signály majú rovnaký chemický posun), rezonančný signál susedného jadra sa rozdelí na 2nI + 1 linky.

ZÁVER

Čoskoro po objavení fenoménu NMR v kondenzovanej hmote sa ukázalo, že NMR bude základom výkonnej metódy na štúdium štruktúry hmoty a jej vlastností. Pri štúdiu NMR spektier totiž používame ako rezonančný systém jadier, ktoré sú mimoriadne citlivé na magnetické prostredie. Lokálne magnetické polia v blízkosti rezonančného jadra závisia od intra- a intermolekulárnych účinkov, čo určuje hodnotu tohto typu spektroskopie pre štúdium štruktúry a správania mnohoelektrónových (molekulových) systémov.

V súčasnosti je ťažké poukázať na oblasť prírodných vied, kde sa NMR v určitej miere nevyužíva. Metódy NMR spektroskopie sú široko používané v chémii, molekulovej fyzike, biológii, agronómii, medicíne, pri štúdiu prírodných útvarov (sľuda, jantár, polodrahokamy, horľavé minerály a iné minerálne suroviny), teda v takých vedeckých oblastiach v ktorej sa študuje štruktúra hmoty, jej molekulárna štruktúra, povaha chemických väzieb, medzimolekulové interakcie a rôzne formy vnútorného pohybu.

Metódy NMR sa čoraz viac využívajú na štúdium technologických procesov v továrenských laboratóriách, ako aj na riadenie a reguláciu priebehu týchto procesov v rôznych technologických komunikáciách priamo vo výrobe. Výskum za posledných päťdesiat rokov ukázal, že metódy magnetickej rezonancie dokážu odhaliť poruchy v priebehu biologických procesov v najskoršom štádiu. Boli vyvinuté a vyrábajú sa zariadenia na štúdium celého ľudského tela metódami magnetickej rezonancie (metódy NMR tomografie).

Čo sa týka krajín SNŠ a predovšetkým Ruska, metódy magnetickej rezonancie (najmä NMR) už zaujali pevné miesto vo výskumných laboratóriách týchto štátov. V rôznych mestách (Moskva, Novosibirsk, Kazaň, Tallinn, Petrohrad, Irkutsk, Rostov na Done atď.) vznikli vedecké školy na využívaní týchto metód s vlastnými originálnymi problémami a prístupmi k ich riešeniu.

1. Popl J., Schneider W., Bernstein G. Spektra nukleárnej magnetickej rezonancie s vysokým rozlíšením. M.: IL, 1962. 292 s.

2. Kerrington A., McLechlan E. Magnetická rezonancia a jej aplikácia v chémii. M.: Mir, 1970. 447 s.

3. Bovi F.A. NMR makromolekúl s vysokým rozlíšením, Moskva: Chemistry, 1977. 455 s.

4. Heberlen W., Mehring M. NMR s vysokým rozlíšením v pevných látkach. M.: Mir, 1980. 504 s.

5. Slikter Ch.Základy teórie magnetickej rezonancie. M.: Mir, 1981. 448 s.

6. Ionin B.I., Ershov B.A., Koltsov A.I. NMR spektroskopia v organickej chémii. L.: Chémia, 1983. 269 s.

7. Voronov V.K. Metódy paramagnetických prísad v NMR spektroskopii. Novosibirsk: Nauka, 1989. 168 s.

8. Ernst R., Bodenhausen J., Vokaun A. NMR v jednej a dvoch dimenziách. M.: Mir, 1990. 709 s.

9. Deroum E. Moderné NMR metódy pre chemický výskum. M.: Mir, 1992. 401 s.

10. Voronov V.K., Sagdeev R.Z. Základy magnetickej rezonancie. Irkutsk: Vost.-Sib. kniha. vydavateľstvo, 1995.352 s.

Rovnaké jadrá atómov v rôznych prostrediach v molekule vykazujú rôzne NMR signály. Rozdiel medzi takýmto NMR signálom a signálom štandardnej látky umožňuje určiť takzvaný chemický posun, ktorý je spôsobený chemickou štruktúrou skúmanej látky. V technikách NMR existuje veľa možností na určenie chemickej štruktúry látok, konformácií molekúl, účinkov vzájomného ovplyvňovania a intramolekulárnych premien.

Fyzikálne NMR

Rozdelenie energetických hladín jadra s I = 1/2 v magnetickom poli

Fenomén nukleárnej magnetickej rezonancie je založený na magnetických vlastnostiach atómových jadier, pozostávajúcich z nukleónov s polovičným spinom 1/2, 3/2, 5/2 .... Jadrá s párnou hmotnosťou a nábojovými číslami (párne-párne jadrá) nemajú magnetický moment, zatiaľ čo pre všetky ostatné jadrá je magnetický moment nenulový.

Jadrá teda majú uhlovú hybnosť súvisiacu s magnetickým momentom vzťahom

,

kde je Planckova konštanta, je spinové kvantové číslo, je gyromagnetický pomer.

Moment hybnosti a magnetický moment jadra sú kvantované a vlastné hodnoty projekcie a uhlové a magnetické momenty na osi z ľubovoľne zvoleného súradnicového systému sú určené vzťahom

a ,

kde je magnetické kvantové číslo vlastného stavu jadra, jeho hodnoty sú určené spinovým kvantovým číslom jadra

to znamená, že jadro môže byť v stavoch.

Takže pre protón (alebo iné jadro s I = 1/2- 13 C, 19 F, 31 P atď.) môžu byť iba v dvoch stavoch

,

takéto jadro môže byť reprezentované ako magnetický dipól, ktorého z-zložka môže byť orientovaná paralelne alebo antiparalelne s kladným smerom osi z ľubovoľného súradnicového systému.

Treba poznamenať, že pri absencii vonkajšieho magnetického poľa majú všetky stavy s rôznymi stavmi rovnakú energiu, to znamená, že sú degenerované. Degenerácia sa odstraňuje vo vonkajšom magnetickom poli, pričom rozdelenie vzhľadom na degenerovaný stav je úmerné veľkosti vonkajšieho magnetického poľa a magnetickému momentu stavu a pre jadro so spinovým kvantovým číslom ja vo vonkajšom magnetickom poli, sústava 2I+1 energetických hladín, to znamená, že nukleárna magnetická rezonancia má rovnakú povahu ako Zeemanov efekt štiepenia elektronických hladín v magnetickom poli.

V najjednoduchšom prípade pre jadro so spinom c I = 1/2- napríklad pre protón štiepenie

a energetický rozdiel spinových stavov

Larmorove frekvencie niektorých atómových jadier

Frekvencia protónovej rezonancie je v rozsahu krátkych vĺn (vlnová dĺžka asi 7 m).

Aplikácia NMR

Spektroskopia

Hlavný článok: NMR spektroskopia

Zariadenia

Srdcom NMR spektrometra je silný magnet. V experimente, ktorý Purcell prvýkrát uviedol do praxe, sa vzorka umiestnená v sklenenej ampulke s priemerom asi 5 mm umiestni medzi póly silného elektromagnetu. Potom sa ampulka začne otáčať a magnetické pole, ktoré na ňu pôsobí, sa postupne zvyšuje. Ako zdroj žiarenia je použitý kvalitný RF generátor. Pôsobením zväčšujúceho sa magnetického poľa začnú rezonovať jadrá, na ktoré je spektrometer naladený. V tomto prípade tienené jadrá rezonujú s frekvenciou o niečo nižšou, ako je nominálna rezonančná frekvencia (a zariadenia).

Absorpcia energie je zaznamenaná RF mostíkom a potom zaznamenaná zapisovačom. Frekvencia sa zvyšuje, kým nedosiahne určitú hranicu, nad ktorou je rezonancia nemožná.

Keďže prúdy prichádzajúce z mosta sú veľmi malé, nie sú obmedzené na odber jedného spektra, ale urobia niekoľko desiatok prechodov. Všetky prijaté signály sú zhrnuté na výslednom grafe, ktorého kvalita závisí od pomeru signálu k šumu zariadenia.

Pri tejto metóde je vzorka vystavená rádiofrekvenčnému žiareniu s konštantnou frekvenciou, pričom sa mení sila magnetického poľa, preto sa nazýva aj metóda konštantného poľa (CW).

Tradičná metóda NMR spektroskopie má mnoho nevýhod. Po prvé, vytvorenie každého spektra zaberie veľa času. Po druhé, je veľmi náročné na absenciu vonkajšieho rušenia a výsledné spektrá majú spravidla výrazný šum. Po tretie, je nevhodný na vytváranie vysokofrekvenčných spektrometrov (300, 400, 500 a viac MHz). Preto sa v moderných NMR prístrojoch používa metóda takzvanej pulznej spektroskopie (PW), založená na Fourierovej transformácii prijímaného signálu. V súčasnosti sú všetky NMR spektrometre postavené na báze výkonných supravodivých magnetov s konštantným magnetickým poľom.

Na rozdiel od metódy CW sa v pulznej verzii excitácia jadier neuskutočňuje „konštantnou vlnou“, ale pomocou krátkeho pulzu, dlhého niekoľko mikrosekúnd. Amplitúdy frekvenčných zložiek impulzu klesajú s rastúcou vzdialenosťou od ν 0 . Ale keďže je žiaduce, aby všetky jadrá boli ožarované rovnako, je potrebné použiť „tvrdé impulzy“, teda krátke impulzy s vysokým výkonom. Trvanie impulzu je zvolené tak, aby bola šírka frekvenčného pásma väčšia ako šírka spektra o jeden alebo dva rády. Výkon dosahuje niekoľko wattov.

V dôsledku pulznej spektroskopie sa nezíska bežné spektrum s viditeľnými rezonančnými vrcholmi, ale obraz tlmených rezonančných oscilácií, v ktorých sa zmiešajú všetky signály zo všetkých rezonujúcich jadier – takzvaný „voľný indukčný rozpad“ (FID, Free Induction Decay). voľný indukčný rozpad). Na transformáciu tohto spektra sa používajú matematické metódy, takzvaná Fourierova transformácia, podľa ktorej je možné ľubovoľnú funkciu znázorniť ako súčet množiny harmonických kmitov.

NMR spektrá

Spektrum 1H4-etoxybenzaldehydu. V slabom poli (singlet ~9,25 ppm) signál protónu aldehydovej skupiny, v silnom poli (triplet ~1,85-2 ppm) - protón metyletoxyskupiny.

Pre kvalitatívnu analýzu pomocou NMR sa používa spektrálna analýza založená na týchto pozoruhodných vlastnostiach tejto metódy:

• signály jadier atómov zahrnutých v určitých funkčných skupinách ležia v presne definovaných oblastiach spektra;
• integrálna plocha obmedzená píkom je presne úmerná počtu rezonančných atómov;
• jadrá ležiace cez 1-4 väzby sú schopné produkovať multipletové signály v dôsledku tzv. rozdelí na seba.

Poloha signálu v NMR spektrách je charakterizovaná ich chemickým posunom vzhľadom na referenčný signál. Ako posledný v1H a13C NMR sa použije tetrametylsilán Si(CH3)4. Jednotkou chemického posunu sú časti na milión (ppm) frekvencie prístroja. Ak zoberieme signál TMS ako 0 a posun signálu do slabého poľa budeme považovať za pozitívny chemický posun, potom dostaneme takzvanú δ škálu. Ak sa rezonancia tetrametylsilánu rovná 10 ppm a prevrátiť znamienka, potom bude výsledná stupnica stupnica τ, ktorá sa v súčasnosti prakticky nepoužíva. Ak je spektrum látky príliš komplikované na interpretáciu, je možné použiť kvantové chemické metódy na výpočet skríningových konštánt a korelovať signály na základe nich.

NMR introskopia

Fenomén nukleárnej magnetickej rezonancie možno využiť nielen vo fyzike a chémii, ale aj v medicíne: ľudské telo je kombináciou všetkých rovnakých organických a anorganických molekúl.

Na pozorovanie tohto javu sa objekt umiestni do konštantného magnetického poľa a vystaví sa vysokofrekvenčným a gradientovým magnetickým poliam. V induktore obklopujúcom skúmaný objekt vzniká striedavá elektromotorická sila (EMF), ktorej amplitúdovo-frekvenčné spektrum a časovo-prechodové charakteristiky nesú informácie o priestorovej hustote rezonujúcich atómových jadier, ako aj o ďalších špecifických parametroch. pre nukleárnu magnetickú rezonanciu. Počítačové spracovanie týchto informácií vytvára trojrozmerný obraz, ktorý charakterizuje hustotu chemicky ekvivalentných jadier, relaxačné časy nukleárnej magnetickej rezonancie, distribúciu rýchlostí prietoku tekutín, difúziu molekúl a biochemické procesy metabolizmu v živých tkanivách.

Podstata NMR introskopie (alebo zobrazovania magnetickou rezonanciou) spočíva v skutočnosti v implementácii špeciálneho druhu kvantitatívnej analýzy amplitúdy signálu nukleárnej magnetickej rezonancie. V konvenčnej NMR spektroskopii je cieľom dosiahnuť čo najlepšie rozlíšenie spektrálnych čiar. Na tento účel sú magnetické systémy nastavené tak, aby sa vytvorila najlepšia možná rovnomernosť poľa vo vzorke. Pri metódach NMR introskopie je naopak magnetické pole vytvárané zjavne nehomogénne. Potom je dôvod očakávať, že frekvencia nukleárnej magnetickej rezonancie v každom bode vzorky má svoju vlastnú hodnotu, ktorá sa líši od hodnôt v iných častiach. Nastavením nejakého kódu pre gradáciu amplitúdy signálu NMR (jas alebo farba na obrazovke monitora) môžete získať podmienený obraz (

MINISTERSTVO ZDRAVOTNÍCTVA RUSKEJ FEDERÁCIE

VŠEOBECNÉ FARMAKOPICKÉ POVOLENIE

Spektroskopia jadrového GPM.1.2.1.1.0007.15
magnetická rezonancia namiesto GFXII, časť 1,
OFS 42-0046-07

Nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia (NMR) je metóda založená na absorpcii rádiofrekvenčného elektromagnetického žiarenia jadrami vzorky s nenulovým magnetickým momentom umiestneným v konštantnom magnetickom poli ( B 0). Nenulové magnetické momenty majú izotopy jadier prvkov s nepárnou atómovou hmotnosťou (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P atď.).

Všeobecné zásady

Jadro rotujúce okolo svojej osi má svoj vlastný moment hybnosti (uhlový moment alebo spin) P. Magnetický moment jadra μ je priamo úmerný spinu: μ = γ ∙P(γ je faktor proporcionality alebo gyromagnetický pomer). Uhlové a magnetické momenty sú kvantované, t.j. môže byť v jednom z 2 ja+ 1 stavy otáčania ( ja – spinové kvantové číslo). Rôzne stavy magnetických momentov jadier majú rovnakú energiu, ak nie sú ovplyvnené vonkajším magnetickým poľom. Keď sú jadrá umiestnené vo vonkajšom magnetickom poli B 0, energetická degenerácia jadier je odstránená a vzniká možnosť energetického prechodu z jednej úrovne do druhej. Proces distribúcie jadier medzi rôznymi energetickými hladinami prebieha v súlade s Boltzmannovým distribučným zákonom a vedie k vzniku makroskopickej rovnovážnej pozdĺžnej magnetizácie. M z . Čas potrebný na vytvorenie M z po zapnutí vonkajšieho magnetického poľa AT 0 sa nazýva čas pozdĺžne alebo točiť—mriežka relaxácia (T jeden). K porušeniu rovnovážneho rozloženia jadier dochádza pôsobením rádiofrekvenčného magnetického poľa ( B 1), kolmo B 0, čo spôsobuje dodatočné prechody medzi energetickými hladinami sprevádzané absorpciou energie (fenomén nukleárna magnetická rezonancia). Frekvencia ν 0 , pri ktorej dochádza k absorpcii energie jadrami ( Larmorová alebo rezonančná absorpčná frekvencia), sa líši v závislosti od hodnoty konštantného poľa B 0: ν 0 = γ B 0 /2π. V momente rezonancie dochádza k interakcii medzi jednotlivými nukleárnymi magnetickými momentmi a poľom AT 1, ktorého výstupom je vektor M z rovnovážnej polohy pozdĺž osi z. V dôsledku toho sa objaví priečna magnetizácia M xy. Jeho zmena spojená s výmenou v rámci spinového systému je charakterizovaná časom priečne alebo spin-spin relaxácia (T 2).

Závislosť intenzity absorpcie energie jadrami rovnakého typu od frekvencie rádiofrekvenčného magnetického poľa na pevnej hodnote AT Volá sa 0 jednorozmerné spektrumnukleárna magnetická rezonancia jadrá tohto typu. NMR spektrum je možné získať dvoma spôsobmi: kontinuálnym ožarovaním vzorky RF poľom s rôznou frekvenciou, v dôsledku čoho sa NMR spektrum zaznamenáva priamo (kontinuálna expozičná spektroskopia), alebo vystavením vzorky krátkemu RF pulzu. ( pulzná spektroskopia). V pulznej NMR spektroskopii časovo rozpadnuté koherentné žiarenie emitované jadrami po návrate do počiatočného spinového stavu ( voľný indukčný rozpadový signál), po ktorej nasleduje transformácia časovej stupnice na frekvenciu ( Fourierova transformácia).

V molekulách elektróny atómov znižujú veľkosť pôsobiaceho vonkajšieho magnetického poľa B 0 v mieste jadra, t.j. zobrazí sa diamagnetické tienenie:

B loc = B 0 ∙ (1 – σ),

B lok je intenzita výsledného poľa;

σ je skríningová konštanta.

Rozdiel v rezonančných frekvenciách signálov jadier, ktorý sa rovná rozdielu v ich skríningových konštantách, sa nazýva chemický posun signálov označených symbolom δ merané v častiach na milión (ppm). Interakcia magnetických momentov jadier prostredníctvom elektrónov chemickej väzby ( spin-spin interakcia) spôsobuje štiepenie NMR signálu ( mnohosť, m). Počet komponentov v multipletoch je určený jadrovým spinom a počtom interagujúcich jadier. Miera interakcie spin-spin je spin-spin väzobná konštanta (J merané v hertzoch, Hz). hodnoty δ, m a J nezávisia od veľkosti konštantného magnetického poľa.

Intenzita nukleárneho NMR signálu v spektre je určená populáciou jeho energetických hladín. Z jadier s prirodzeným množstvom izotopov produkujú najintenzívnejšie signály jadrá vodíka. Intenzitu NMR signálov ovplyvňuje aj čas pozdĺžnej priečnej relaxácie (veľ T 1 viesť k zníženiu intenzity signálu).

Šírka NMR signálov (rozdiel medzi frekvenciami v polovici maxima signálu) závisí od T 1 a T 2. malé časy T 1 a T 2 spôsobujú široké a zle interpretované spektrálne signály.

Citlivosť metódy NMR (maximálna detekovateľná koncentrácia látky) závisí od intenzity jadrového signálu. Pre 1H jadrá je citlivosť 10 -9 ÷ 10 -11 mol.

Korelácie rôznych spektrálnych parametrov (napríklad chemické posuny rôznych jadier v rámci toho istého molekulárneho systému) možno získať homo- a heteronukleárnymi metódami v 2D alebo 3D formáte.

zariadenie

Pulzný spektrometer NMR s vysokým rozlíšením (NMR spektrometer) pozostáva z:

• magnet na vytvorenie konštantného magnetického poľa B 0 ;
• teplotne riadený senzor s držiakom vzorky na aplikáciu RF impulzu a detekciu žiarenia emitovaného vzorkou;
• elektronické zariadenie na vytváranie vysokofrekvenčného impulzu, zaznamenávanie, zosilňovanie a prevod voľného indukčného rozpadového signálu do digitálnej formy;
• zariadenia na ladenie a nastavovanie elektronických obvodov;
• zariadenia na zber a spracovanie údajov (počítač);

a môže zahŕňať aj:

prietoková kyveta pre NMR kvapalinovú chromatografiu alebo prietokovú injekčnú analýzu;

• systém na vytváranie pulzného gradientu magnetického poľa.

Silné magnetické pole vytvára supravodivá cievka v Dewarovej nádobe naplnenej tekutým héliom.

Mala by sa skontrolovať správna funkcia NMR spektrometra. Na overenie sa vykonajú vhodné testy, vrátane spravidla merania šírky spektrálnej čiary v polovici výšky určitých píkov za určitých podmienok ( povolenie), reprodukovateľnosť polohy signálu a pomer signálu k šumu (pomer medzi intenzitou špecifického signálu v NMR spektre a náhodnými fluktuáciami v oblasti spektra, ktorá neobsahuje signály z analytu, S/N) pre štandardné zmesi. Softvér spektrometra obsahuje algoritmy na stanovenie S/N. Všetci výrobcovia prístrojov poskytujú špecifikácie a meracie protokoly pre tieto parametre.

NMR spektroskopia vzoriek v roztokoch

Metodológia

Testovaná vzorka sa rozpustí v rozpúšťadle, do ktorého sa môže pridať vhodný kalibračný štandard chemického posunu, ako je špecifikované v regulačnom dokumente. Hodnota relatívneho chemického posunu jadra látky (δ in-in) je určená nasledujúcim výrazom:

δ in-in \u003d (ν in-in - ν štandard) / ν zariadenia,

ν in-in - rezonančná frekvencia jadra látky, Hz;

ν etalon je rezonančná frekvencia jadra etalonu, Hz;

ν zariadenia je pracovná frekvencia NMR spektrometra (frekvencia, pri ktorej sú splnené rezonančné podmienky pre vodíkové jadrá pre daný B 0, MHz).

Pre roztoky v organických rozpúšťadlách sa chemický posun v spektrách 1H a 13C meria vzhľadom na signál tetrametylsilánu, ktorého poloha sa berie ako 0 ppm. Chemické posuny sa počítajú v smere slabého poľa (vľavo) od signálu tetrametylsilánu (delta je stupnica chemických posunov). Pre vodné roztoky sa ako referencia v1H NMR spektre používa 2,2-dimetyl-2-silánpentán-5-sulfonát sodný, ktorého chemický posun protónov metylovej skupiny je 0,015 ppm. Pre spektrá 13C vodných roztokov sa ako referenčný používa dioxán, ktorého chemický posun je 67,4 ppm.

Pri kalibrácii spektier 19F sa ako primárny štandard používa kyselina trifluóroctová alebo trichlórfluórmetán s nulovým chemickým posunom; spectra 31P - 85% roztok kyseliny fosforečnej alebo trimetylfosfátu; spektrá 15 N - nitrometán alebo nasýtený roztok amoniaku. Pri 1H a 13C NMR sa spravidla používa vnútorný štandard, ktorý sa priamo pridáva do testovanej vzorky. 15N, 19F a 31P NMR často používa externý štandard, ktorý je oddelene uložený v koaxiálnej valcovej trubici alebo kapiláre.

Pri popise NMR spektier je potrebné uviesť rozpúšťadlo, v ktorom je látka rozpustená a jej koncentráciu. Ako rozpúšťadlá sa používajú ľahko pohyblivé kvapaliny, v ktorých sú atómy vodíka nahradené atómami deutéria, aby sa znížila intenzita signálov rozpúšťadla. Deuterované rozpúšťadlo sa vyberá na základe nasledujúcich kritérií:

• 1) rozpustnosť testovanej zlúčeniny v nej;
• 2) žiadne prekrývanie medzi signálmi reziduálnych protónov deuterovaného rozpúšťadla a signálmi testovanej zlúčeniny;
• 3) žiadna interakcia medzi rozpúšťadlom a testovanou zlúčeninou, pokiaľ nie je uvedené inak.

Atómy rozpúšťadla dávajú signály, ktoré sa dajú ľahko identifikovať podľa ich chemického posunu a možno ich použiť na kalibráciu osi chemického posunu (sekundárny štandard). Chemické posuny zvyškových protónových signálov deuterovaných rozpúšťadiel majú nasledujúce hodnoty (ppm): chloroform, 7,26; benzén, 7,16; voda - 4,7; metanol -3,35 a 4,78; dimetylsulfoxid - 2,50; acetón - 2,05; poloha signálu vody a protónov hydroxylových skupín alkoholov závisí od pH prostredia a teploty.

Na kvantitatívnu analýzu musia byť roztoky bez nerozpustených častíc. Pri niektorých testoch môže byť potrebné pridať vnútorný štandard na porovnanie testovacej a referenčnej intenzity. Vhodné štandardné vzorky a ich koncentrácie by mali byť špecifikované v normatívnej dokumentácii. Po umiestnení vzorky do skúmavky a uzatvorení sa vzorka vloží do magnetu NMR spektrometra, nastavia sa parametre testu (nastavenia, registrácia, digitalizácia voľného indukčného rozpadového signálu). Hlavné testovacie parametre uvedené v regulačnej dokumentácii sú zaznamenané alebo uložené v počítači.

Aby sa zabránilo posunu spektra v priebehu času, vykoná sa stabilizačný postup (zámok deutéria) s použitím signálu deutéria indukovaného deuterovanými rozpúšťadlami, pokiaľ nie je uvedené inak. Prístroj je nastavený tak, aby získal najoptimálnejšie rezonančné podmienky a maximálny pomer S/N(shimming).

Počas testu je možné vykonávať viacnásobné sekvencie cyklov "impulz - zber dát - pauza" s následným sčítaním jednotlivých signálov doznievania voľnej indukcie a spriemerovaním hladiny šumu. Čas oneskorenia medzi sekvenciami impulzov, počas ktorých systém jadrových spinov obnoví svoju magnetizáciu ( D 1), pre kvantitatívne merania musí presiahnuť čas pozdĺžnej relaxácie T 1: D 1 ≥ 5 T jeden . Softvér spektrometra obsahuje algoritmy na stanovenie T jeden . Ak je hodnota T 1 je neznámy, odporúča sa použiť hodnotu D 1 = 25 sekúnd.

Po vykonaní Fourierovej transformácie sa signály vo frekvenčnom znázornení kalibrujú na zvolený štandard a ich relatívna intenzita sa meria integráciou - meraním pomeru plôch rezonančných signálov. V spektrách 13C sú integrované iba signály rovnakého typu. Presnosť integrácie signálu závisí od pomeru signál – hluk (S/N):

kde u(ja) je štandardná neistota integrácie.

Počet voľných akumulácií indukčného rozpadu potrebných na dosiahnutie uspokojivého pomeru S/ N, by mali byť uvedené v regulačnej dokumentácii.

Spolu s jednorozmernými na analytické účely sa používajú homo- a heteronukleárne dvojrozmerné korelačné spektrá, založené na určitej sekvencii impulzov (COSY, NOESY, ROESY, HSQC, HMBC, HETCOR, CIGAR, INADEQUATE atď.). V dvojrozmerných spektrách sa interakcia medzi jadrami prejavuje vo forme signálov nazývaných krížové vrcholy. Poloha krížových píkov je určená hodnotami chemických posunov dvoch interagujúcich jadier. Na stanovenie zloženia komplexných zmesí a extraktov sa prednostne používajú dvojrozmerné spektrá, pretože pravdepodobnosť superpozície signálu (cross peaks) v dvojrozmerných spektrách je výrazne nižšia ako pravdepodobnosť superpozície signálu v jednorozmerných spektrách.

Na rýchle získanie spektier heterojadier (13 C, 15 N atď.) sa využívajú metódy (HSQC, HMBC), ktoré umožňujú získať spektrá iných jadier na 1H jadrách pomocou mechanizmov heteronukleárnej interakcie.

Technika DOSY, založená na zaznamenávaní straty fázovej koherencie jadrových spinov v dôsledku translačných posunov molekúl pôsobením gradientu magnetického poľa, umožňuje získať spektrá jednotlivých zlúčenín (spektrálna separácia) v zmesi bez ich fyzikálnej separácie. a určiť veľkosti, stupne agregácie a molekulové hmotnosti molekulárnych objektov (molekuly, makromolekuly, molekulárne komplexy, supramolekulárne systémy).

Oblasti použitia

Rozmanitosť štruktúrnych a analytických informácií obsiahnutých v spektrách nukleárnej magnetickej rezonancie umožňuje použiť metódu nukleárnej magnetickej rezonancie na kvalitatívnu a kvantitatívnu analýzu. Použitie nukleárnej magnetickej rezonančnej spektroskopie v kvantitatívnej analýze je založené na priamej úmernosti molárnej koncentrácie magneticky aktívnych jadier k integrálnej intenzite zodpovedajúceho absorpčného signálu v spektre.

1. Identifikácia účinnej látky. Identifikácia účinnej látky sa uskutočňuje porovnaním spektra testovanej vzorky so spektrom štandardnej vzorky alebo s publikovaným referenčným spektrom. Spektrá štandardných a skúšobných vzoriek by sa mali získať použitím rovnakých metód a podmienok. Píky v porovnávaných spektrách by sa mali polohou zhodovať (odchýlky hodnôt δ skúšobné a štandardné vzorky v rozmedzí ± 0,1 ppm. pre nukleárnu magnetickú rezonanciu 1 N a ± 0,5 ppm. pre nukleárnu magnetickú rezonanciu 13 C), integrovaná intenzita a multiplicita, ktorých hodnoty by sa mali uviesť pri popise spektier. Ak neexistuje štandardná vzorka, možno použiť liekopisnú štandardnú vzorku, ktorej identita je potvrdená nezávislou štrukturálnou interpretáciou spektrálnych údajov a alternatívnymi metódami.

Pri potvrdení pravosti vzoriek nestechiometrického zloženia (napríklad prírodných polymérov s premenlivým zložením) sa píky testovanej a štandardnej vzorky môžu líšiť polohou a integrálnou intenzitou signálov. Porovnávané spektrá musia byť podobné, t.j. obsahujú rovnaké charakteristické oblasti signálov, čo potvrdzuje zhodu zloženia fragmentov testovanej a štandardnej vzorky.

Na stanovenie autenticity zmesi látok (extraktov) je možné použiť jednorozmerné NMR spektrá ako celok, ako „odtlačky prstov“ objektu, bez podrobností o hodnotách δ a multiplicite jednotlivých signálov. V prípade použitia dvojrozmernej NMR spektroskopie pri popise spektier (fragmentov spektra) nárokovaných na pravosť by sa mali uviesť hodnoty krížových píkov.

1. Identifikácia cudzích látok/zvyškových organických rozpúšťadiel. Identifikácia nečistôt/reziduálnych organických rozpúšťadiel prebieha podobne ako identifikácia účinnej látky, pričom sa sprísňujú požiadavky na citlivosť a digitálne rozlíšenie.
2. Stanovenie obsahu cudzích nečistôt / zvyškových organických rozpúšťadiel vo vzťahu k účinnej látke. Metóda NMR je priama absolútna metóda na stanovenie molárneho pomeru účinnej látky a prímesovej zlúčeniny ( n/n nečistota):

kde S‘ a S‘ nečistota - normalizované hodnoty integrálnych intenzít signálov účinnej látky a nečistoty.

Normalizácia sa uskutočňuje podľa počtu jadier v štruktúrnom fragmente, ktoré určujú meraný signál.

Hmotnostný podiel nečistôt / zvyškového organického rozpúšťadla vzhľadom na účinnú látku ( X pr) sa určuje podľa vzorca:

M pr je molekulová hmotnosť nečistoty;

M je molekulová hmotnosť účinnej látky;

S‘ pr je normalizovaná hodnota integrálnej intenzity signálu nečistôt;

S'– normalizovaná hodnota integrálnej intenzity signálu účinnej látky.

1. Kvantitatívne stanovenie obsahu látky (účinná látka, nečistota / zvyškové rozpúšťadlo) vo farmaceutickej látke. Absolútny obsah hmoty vo farmaceutickej substancii sa určuje metódou vnútorného štandardu, ktorá sa volí ako látka, ktorej signály sú blízke signálom analytu, bez toho, aby sa s nimi prekrývali. Intenzity signálu analytu a štandardu by sa nemali výrazne líšiť.

Percento analytu v testovanej vzorke vyjadrené v sušine ( X,% hmotnosti) sa vypočíta podľa vzorca:

X,% hmotnosti = 100 ∙ ( S‘ /S‘ 0) ∙ (M ∙ a 0 /M 0 ∙ a) ∙ ,

S' je normalizovaná hodnota integrálnej intenzity signálu analytu;

S„0 je normalizovaná hodnota integrovanej intenzity signálu normy;

M je molekulová hmotnosť analytu;

M 0 – molekulová hmotnosť;

a- váženie skúšobnej vzorky;

0– hmotnosť štandardnej látky;

W- obsah vlhkosti, %.

Nasledujúce zlúčeniny môžu byť použité ako štandardy: kyselina maleínová (2H; 6,60 ppm, M= 116,07), benzylbenzoát (2H; 5,30 ppm, M= 212,25), kyselina malónová (2H; 3,30 ppm, M= 104,03), sukcínimid (4H; 2,77 ppm, M= 99,09), acetanilid (3H; 2,12 ppm, M = 135,16), tert-butanol (9H; 1,30 ppm, M = 74,12).

Relatívny obsah látky keďže podiel zložky v zmesi zložiek farmaceutickej látky sa určuje metódou vnútornej normalizácie. stoličky ( X mol) a hmotnosť ( X hmotnosť) zložkový zlomok i v zmesi n látky sa určujú podľa vzorcov:

1. Stanovenie molekulovej hmotnosti proteínov a polymérov. Molekulové hmotnosti proteínov a polymérov sa určujú porovnaním ich mobility s pohyblivosťou referenčných zlúčenín so známou molekulovou hmotnosťou pomocou techník DOSY. Meria sa koeficienty samodifúzie ( D) testovaných a štandardných vzoriek vyneste do grafu závislosť logaritmov molekulových hmotností štandardných zlúčenín na logaritmoch D. Z takto získaného grafu sa lineárnou regresiou určia neznáme molekulové hmotnosti testovaných vzoriek. Úplný popis experimentu DOSY by mal byť uvedený v regulačnej dokumentácii.

NMR spektroskopia pevných látok

Vzorky v pevnom stave sa analyzujú pomocou špeciálne vybavených NMR spektrometrov. Niektoré technické operácie (rotácia práškovej vzorky v rotore naklonenom v magickom uhle (54,7°) k osi magnetického poľa AT 0, silové depairing, prenos polarizácie z vysoko excitabilných jadier do menej polarizovateľných jadier - krížová polarizácia) umožňujú získať spektrá organických a anorganických zlúčenín s vysokým rozlíšením. Úplný popis postupu by mal byť uvedený v regulačnej dokumentácii. Hlavnou oblasťou použitia tohto typu NMR spektroskopie je štúdium polymorfizmu tuhých liečiv.

Nukleárna magnetická rezonancia
nukleárna magnetická rezonancia

Nukleárna magnetická rezonancia (NMR) - rezonančná absorpcia elektromagnetických vĺn atómovými jadrami, ku ktorej dochádza pri zmene orientácie vektorov vlastných momentov hybnosti (spinov). NMR sa vyskytuje vo vzorkách umiestnených v silnom konštantnom magnetickom poli, pričom sú súčasne vystavené slabému striedavému elektromagnetickému poľu rádiofrekvenčného rozsahu (siločiary striedavého poľa musia byť kolmé na siločiary konštantného poľa). Pre vodíkové jadrá (protóny) v konštantnom magnetickom poli o sile 10 4 orersted dochádza k rezonancii pri frekvencii rádiových vĺn 42,58 MHz. Pre ostatné jadrá v magnetických poliach 103–104 Oersted sa NMR pozoruje vo frekvenčnom rozsahu 1–10 MHz. NMR sa široko používa vo fyzike, chémii a biochémii na štúdium štruktúry pevných látok a komplexných molekúl. V medicíne sa pomocou NMR s rozlíšením 0,5–1 mm získava priestorový obraz vnútorných orgánov človeka.

Uvažujme fenomén NMR na príklade najjednoduchšieho jadra – vodíka. Jadro vodíka je protón, ktorý má určitú hodnotu vlastného mechanického momentu hybnosti (spin). V súlade s kvantovou mechanikou môže mať protónový spinový vektor iba dva vzájomne opačné smery v priestore, bežne označované slovami „hore“ a „dole“. Protón má tiež magnetický moment, ktorého smer vektora je pevne zviazaný so smerom spinového vektora. Preto môže byť vektor magnetického momentu protónu nasmerovaný buď „hore“ alebo „dole“. Protón teda môže byť reprezentovaný ako mikroskopický magnet s dvoma možnými orientáciami v priestore. Ak umiestnite protón do vonkajšieho konštantného magnetického poľa, potom bude energia protónu v tomto poli závisieť od toho, kam smeruje jeho magnetický moment. Energia protónu bude väčšia, ak jeho magnetický moment (a spin) smeruje v smere opačnom k ​​poľu. Označme túto energiu ako E ↓ . Ak je magnetický moment (spin) protónu nasmerovaný rovnakým smerom ako pole, potom energia protónu, označená E, bude menšia (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.
Prejdime od jedného protónu k makroskopickej vzorke vodíka obsahujúcej veľké množstvo protónov. Situácia bude vyzerať takto. Vo vzorke sa v dôsledku spriemerovania náhodných spinových orientácií objaví približne rovnaký počet protónov, keď sa aplikuje konštantné vonkajšie magnetické pole, vzhľadom na toto pole so spinmi smerovanými „hore“ a „dole“. Ožiarenie vzorky elektromagnetickými vlnami s frekvenciou ω = (E ↓ − E )/ћ spôsobí „masívny“ spin flip (magnetické momenty) protónov, v dôsledku čoho budú všetky protóny vzorky v stave s rotáciami namierenými proti poli. Takáto masívna zmena orientácie protónov bude sprevádzaná prudkou (rezonančnou) absorpciou kvánt (a energie) vyžarujúceho elektromagnetického poľa. Toto je NMR. NMR je možné pozorovať len vo vzorkách s veľkým počtom jadier (10 16) pomocou špeciálnych techník a vysoko citlivých prístrojov.