Ang nuclear magnetic resonance (NMR) ay isang nuclear spectroscopy na malawakang ginagamit sa lahat ng pisikal na agham at industriya. Sa NMR para sa sinusuri ang intrinsic spin properties ng atomic nuclei isang malaking magnet ang ginagamit. Tulad ng anumang spectroscopy, gumagamit ito ng electromagnetic radiation (mga radio frequency wave sa hanay ng VHF) upang lumikha ng paglipat sa pagitan ng mga antas ng enerhiya (resonance). Sa kimika, nakakatulong ang NMR na matukoy ang istruktura ng maliliit na molekula. Ang nuclear magnetic resonance sa medisina ay nakahanap ng aplikasyon sa magnetic resonance imaging (MRI).

Pagbubukas

Natuklasan ang NMR noong 1946 ng mga siyentipiko ng Harvard University na sina Purcell, Pound, at Torrey, at Bloch, Hansen, at Packard sa Stanford. Napansin nila na ang 1 H at 31 P nuclei (proton at phosphorus-31) ay nakaka-absorb ng radio frequency energy kapag nalantad sa isang magnetic field, ang lakas nito ay tiyak sa bawat atom. Kapag hinihigop, nagsimula silang tumunog, ang bawat elemento sa sarili nitong dalas. Ang pagmamasid na ito ay nagpapahintulot para sa isang detalyadong pagsusuri ng istraktura ng molekula. Simula noon, nakahanap na ng aplikasyon ang NMR sa kinetic at structural studies ng solids, liquids at gases, na nagresulta sa paggawad ng 6 na Nobel Prizes.

Spin at magnetic properties

Ang nucleus ay binubuo ng mga elementarya na particle na tinatawag na neutrons at protons. Mayroon silang sariling angular momentum, na tinatawag na spin. Tulad ng mga electron, ang pag-ikot ng isang nucleus ay maaaring ilarawan ng mga quantum number I at sa isang magnetic field m. Ang atomic nuclei na may pantay na bilang ng mga proton at neutron ay may zero spin, at lahat ng iba ay may non-zero spin. Bilang karagdagan, ang mga molekula na may non-zero spin ay may magnetic moment μ = γ ako, kung saan ang γ ay ang gyromagnetic ratio, ang pare-pareho ng proporsyonalidad sa pagitan ng magnetic dipole moment at ang angular, na iba para sa bawat atom.

Ang magnetic moment ng nucleus ay nagiging sanhi upang kumilos ito tulad ng isang maliit na magnet. Sa kawalan ng isang panlabas na magnetic field, ang bawat magnet ay random na nakatuon. Sa panahon ng isang eksperimento sa NMR, ang sample ay inilalagay sa isang panlabas na magnetic field na B0, na nagiging sanhi ng mababang-enerhiya na bar magnet upang ihanay sa direksyon ng B0 at mga high-energy bar magnet sa kabaligtaran na direksyon. Sa kasong ito, ang isang pagbabago sa oryentasyon ng pag-ikot ng mga magnet ay nangyayari. Upang maunawaan ang medyo abstract na konsepto, dapat isaalang-alang ng isa ang mga antas ng enerhiya ng isang nucleus sa panahon ng isang eksperimento sa NMR.

Mga antas ng enerhiya

Para i-flip ang spin, kailangan ng integer number ng quanta. Para sa anumang m mayroong 2m + 1 na antas ng enerhiya. Para sa isang spin 1/2 nucleus mayroon lamang 2 - isang mababa, inookupahan ng mga spin na nakahanay sa B0, at isang mataas, na inookupahan ng mga spin na nakahanay laban sa B0. Ang bawat antas ng enerhiya ay tinutukoy ng expression na E = -mℏγB 0, kung saan ang m ay ang magnetic quantum number, sa kasong ito +/- 1/2. Ang mga antas ng enerhiya para sa m > 1/2, na kilala bilang quadrupole nuclei, ay mas kumplikado.

Ang pagkakaiba ng enerhiya sa pagitan ng mga antas ay katumbas ng: ΔE = ℏγB 0, kung saan ang ℏ ay ang pare-pareho ng Planck.

Tulad ng makikita, ang lakas ng magnetic field ay may malaking kahalagahan, dahil sa kawalan nito ang mga antas ay bumababa.

Mga paglipat ng enerhiya

Para mangyari ang nuclear magnetic resonance, dapat mangyari ang spin flip sa pagitan ng mga antas ng enerhiya. Ang pagkakaiba ng enerhiya sa pagitan ng dalawang estado ay tumutugma sa enerhiya ng electromagnetic radiation, na nagiging sanhi ng pagbabago ng nuclei sa kanilang mga antas ng enerhiya. Para sa karamihan Mga spectrometer ng NMR Ang B 0 ay nasa order 1 Tesla (T), at ang γ ay nasa order 10 7. Samakatuwid, ang kinakailangang electromagnetic radiation ay nasa pagkakasunud-sunod ng 10 7 Hz. Ang enerhiya ng isang photon ay kinakatawan ng formula E = hν. Samakatuwid, ang dalas na kinakailangan para sa pagsipsip ay: ν= γB 0 /2π.

Nuclear shielding

Ang pisika ng NMR ay batay sa konsepto ng nuclear shielding, na nagpapahintulot sa istraktura ng bagay na matukoy. Ang bawat atom ay napapalibutan ng mga electron na umiikot sa nucleus at kumikilos sa magnetic field nito, na nagiging sanhi ng maliliit na pagbabago sa mga antas ng enerhiya. Ito ay tinatawag na shielding. Ang mga nuclei na nakakaranas ng iba't ibang magnetic field na nauugnay sa mga lokal na elektronikong pakikipag-ugnayan ay tinatawag na nonequivalent. Ang pagpapalit ng mga antas ng enerhiya sa spin flip ay nangangailangan ng ibang frequency, na lumilikha ng bagong peak sa NMR spectrum. Ang screening ay nagbibigay-daan sa structural determination ng mga molekula sa pamamagitan ng pagsusuri sa NMR signal gamit ang Fourier transform. Ang resulta ay isang spectrum na binubuo ng isang hanay ng mga taluktok, bawat isa ay tumutugma sa ibang kemikal na kapaligiran. Ang peak area ay direktang proporsyonal sa bilang ng nuclei. Ang detalyadong impormasyon ng istraktura ay nakuha ng Mga pakikipag-ugnayan sa NMR, binabago ang spectrum sa iba't ibang paraan.

Pagpapahinga

Ang pagpapahinga ay tumutukoy sa phenomenon ng nuclei na bumabalik sa kanilang thermodynamically mga estado na matatag pagkatapos ng paggulo sa mas mataas na antas ng enerhiya. Inilalabas nito ang enerhiya na hinihigop sa panahon ng paglipat mula sa isang mas mababang antas patungo sa isang mas mataas. Ito ay medyo kumplikadong proseso na nagaganap sa iba't ibang takdang panahon. Ang dalawa pinaka karaniwan ang mga uri ng relaxation ay spin-sala-sala at spin-spin.

Upang maunawaan ang pagpapahinga, kinakailangang isaalang-alang ang buong pattern. Kung ang nuclei ay inilagay sa isang panlabas na magnetic field, sila ay lilikha ng volume magnetization sa kahabaan ng Z axis. Ang kanilang mga spin ay magkakaugnay din at pinapayagan ang signal na matukoy. Inilipat ng NMR ang bulk magnetization mula sa Z axis patungo sa XY plane, kung saan ito lumilitaw.

Ang spin-lattice relaxation ay nailalarawan sa pamamagitan ng oras na kinakailangan ng T 1 upang maibalik ang 37% ng volume magnetization sa kahabaan ng Z axis. Kung mas mahusay ang proseso ng pagpapahinga, mas mababa ang T 1 . Sa solids, dahil ang paggalaw sa pagitan ng mga molekula ay limitado, ang oras ng pagpapahinga ay mahaba. Ang mga pagsukat ay karaniwang isinasagawa gamit ang mga pulsed na pamamaraan.

Ang spin-spin relaxation ay nailalarawan sa pagkawala ng mutual coherence time T 2 . Maaaring ito ay mas mababa sa o katumbas ng T1.

Nuclear magnetic resonance at mga aplikasyon nito

Ang dalawang pangunahing lugar kung saan napatunayang napakahalaga ng NMR ay ang gamot at kimika, ngunit ang mga bagong aplikasyon ay ginagawa araw-araw.

Ang nuclear magnetic resonance imaging, na mas kilala bilang magnetic resonance imaging (MRI), ay mahalagang medikal na diagnostic tool, ginagamit upang pag-aralan ang mga function at istraktura ng katawan ng tao. Pinapayagan ka nitong makakuha ng mga detalyadong larawan ng anumang organ, lalo na ang malambot na mga tisyu, sa lahat ng posibleng eroplano. Ginagamit sa mga larangan ng cardiovascular, neurological, musculoskeletal at oncology imaging. Hindi tulad ng alternatibong computer imaging, ang magnetic resonance imaging ay hindi gumagamit ng ionizing radiation at samakatuwid ay ganap na ligtas.

Maaaring makita ng MRI ang mga banayad na pagbabago na nagaganap sa paglipas ng panahon. Maaaring gamitin ang NMR imaging upang matukoy ang mga abnormalidad sa istruktura na nangyayari sa panahon ng kurso ng sakit, kung paano nila naiimpluwensyahan ang kasunod na pag-unlad, at kung paano nauugnay ang kanilang pag-unlad sa mental at emosyonal na aspeto ng disorder. Dahil hindi nakikita ng MRI ng mabuti ang buto, gumagawa ito ng mahusay na mga imahe ng intracranial at intravertebral nilalaman.

Mga prinsipyo ng paggamit ng nuclear magnetic resonance sa mga diagnostic

Sa panahon ng isang pamamaraan ng MRI, ang pasyente ay nakahiga sa loob ng isang napakalaking, guwang na cylindrical magnet at nakalantad sa isang malakas, matagal na magnetic field. Ang iba't ibang mga atomo sa na-scan na bahagi ng katawan ay tumutunog sa iba't ibang frequency ng field. Ang MRI ay pangunahing ginagamit upang makita ang mga vibrations ng hydrogen atoms, na naglalaman ng umiikot na proton nucleus na may maliit na magnetic field. Sa MRI, isang background na magnetic field ang naglinya sa lahat ng mga atomo ng hydrogen sa tissue. Ang pangalawang magnetic field, na iba ang oryentasyon sa background field, ay nag-i-on at off nang maraming beses bawat segundo. Sa isang tiyak na dalas, ang mga atomo ay tumutunog at nakahanay sa pangalawang larangan. Kapag ito ay naka-off, ang mga atomo ay tumalbog pabalik, na nakahanay sa background. Lumilikha ito ng signal na maaaring matanggap at ma-convert sa isang imahe.

Ang mga tissue na may malaking halaga ng hydrogen, na naroroon sa katawan ng tao bilang bahagi ng tubig, ay lumilikha ng isang maliwanag na imahe, at may kaunti o walang nilalaman ng hydrogen (halimbawa, mga buto) sila ay mukhang madilim. Ang liwanag ng MRI ay pinahusay ng isang contrast agent tulad ng gadodiamide, na kinukuha ng mga pasyente bago ang pamamaraan. Bagama't ang mga ahente na ito ay maaaring mapabuti ang kalidad ng imahe, ang sensitivity ng pamamaraan ay nananatiling medyo limitado. Ang mga pamamaraan ay binuo upang mapataas ang sensitivity ng MRI. Ang pinaka-promising ay ang paggamit ng parahydrogen, isang anyo ng hydrogen na may natatanging molecular spin properties na napakasensitibo sa magnetic field.

Ang mga pagpapabuti sa mga katangian ng mga magnetic field na ginamit sa MRI ay humantong sa pagbuo ng napakasensitibong mga diskarte sa imaging tulad ng diffusion at functional MRI, na idinisenyo upang maglarawan ng mga napaka tiyak na katangian ng tissue. Bukod pa rito, ang isang natatanging anyo ng teknolohiya ng MRI na tinatawag na magnetic resonance angiography ay ginagamit upang ilarawan ang paggalaw ng dugo. Ito ay nagbibigay-daan sa iyo upang mailarawan ang mga arterya at ugat nang hindi nangangailangan ng mga karayom, catheter o contrast agent. Tulad ng sa MRI, ang mga diskarteng ito ay nakatulong sa pagbabago ng biomedical na pananaliksik at diagnostic.

Ang advanced na teknolohiya ng computer ay nagpapahintulot sa mga radiologist na lumikha ng mga three-dimensional na hologram mula sa mga digital na seksyon na nakuha ng mga MRI scanner, na ginagamit upang matukoy ang eksaktong lokasyon ng pinsala. Ang tomography ay lalong mahalaga sa pagsusuri sa utak at spinal cord, pati na rin sa mga pelvic organ tulad ng pantog at cancellous bone. Ang pamamaraan ay maaaring mabilis at malinaw na tumpak na matukoy ang lawak ng pinsala sa tumor at masuri ang potensyal na pinsala mula sa isang stroke, na nagpapahintulot sa mga doktor na magreseta ng naaangkop na paggamot sa isang napapanahong paraan. Ang MRI ay higit na pinalitan ang arthrography, ang pangangailangang mag-iniksyon ng contrast material sa isang joint para makita ang pinsala sa cartilage o ligament, at myelography, ang pag-iniksyon ng contrast material sa spinal canal upang makita ang mga abnormalidad ng spinal cord o intervertebral disc.

Aplikasyon sa kimika

Maraming mga laboratoryo ngayon ang gumagamit ng nuclear magnetic resonance upang matukoy ang mga istruktura ng mahahalagang kemikal at biological compound. Sa spectra ng NMR, ang iba't ibang mga taluktok ay nagbibigay ng impormasyon tungkol sa tiyak na kapaligiran ng kemikal at mga bono sa pagitan ng mga atomo. Karamihan karaniwan Ang mga isotopes na ginamit upang makita ang mga signal ng magnetic resonance ay 1 H at 13 C, ngunit marami pang iba ang angkop, tulad ng 2 H, 3 He, 15 N, 19 F, atbp.

Ang modernong NMR spectroscopy ay nakahanap ng malawak na aplikasyon sa mga biomolecular system at gumaganap ng mahalagang papel sa structural biology. Sa pag-unlad ng pamamaraan at mga tool, ang NMR ay naging isa sa pinakamalakas at maraming nalalaman na spectroscopic na pamamaraan para sa pagsusuri ng biomacromolecules, na nagpapahintulot sa pagkilala sa kanila at sa kanilang mga complex hanggang sa 100 kDa ang laki. Kasama ng X-ray crystallography ito ay isa ng dalawang nangungunang teknolohiya para sa pagtukoy ng kanilang istraktura sa antas ng atomic. Bilang karagdagan, ang NMR ay nagbibigay ng natatangi at mahalagang impormasyon tungkol sa paggana ng protina, na gumaganap ng isang kritikal na papel sa pagbuo ng gamot. Ilan sa mga gamit NMR spectroscopy ay ibinigay sa ibaba.

• Ito ang tanging paraan para sa pagtukoy ng atomic na istraktura ng biomacromolecules sa may tubig na mga solusyon sa malapit sa pisyolohikal kundisyon o mga kapaligirang gumagaya sa lamad.
• Molecular dynamics. Ito ang pinakamakapangyarihan paraan para sa dami ng pagpapasiya ng mga dynamic na katangian ng biomacromolecules.
• Pagtitiklop ng protina. NMR spectroscopy ay ang pinakamakapangyarihang tool para sa pagtukoy ng mga natitirang istruktura ng mga hindi natupi na protina at natitiklop na mga tagapamagitan.
• Estado ng ionization. Ang pamamaraan ay epektibo sa pagtukoy ng mga kemikal na katangian ng mga functional na grupo sa biomacromolecules, tulad ng ionization estado ng mga ionizable na grupo ng mga aktibong site ng enzymes.
• Ang nuclear magnetic resonance ay nagbibigay-daan sa pag-aaral ng mahinang functional na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga macrobiomolecules (halimbawa, na may dissociation constants sa micromolar at millimolar range), na hindi maaaring gawin gamit ang ibang mga pamamaraan.
• Protina hydration. Ang NMR ay isang tool para sa pag-detect ng panloob na tubig at ang mga pakikipag-ugnayan nito sa mga biomacromolecules.
• Ito ay kakaiba paraan ng pagtuklas ng direktang pakikipag-ugnayan hydrogen bonds.
• Pagsusuri at pagbuo ng gamot. Sa partikular, ang nuclear magnetic resonance ay partikular na kapaki-pakinabang sa pagtukoy ng mga gamot at pagtukoy ng mga conformation ng mga compound na nauugnay sa mga enzyme, receptor at iba pang mga protina.
• Katutubong protina ng lamad. May potensyal ang solid-state na NMR pagpapasiya ng mga atomic na istruktura ng mga domain ng protina ng lamad sa kapaligiran ng katutubong lamad, kabilang ang mga nakatali na ligand.
• Pagsusuri ng metabolic.
• Pagsusuri ng kemikal. Chemical identification at conformational analysis ng mga synthetic at natural na kemikal.
• Agham ng Materyales. Isang makapangyarihang kasangkapan sa pag-aaral ng kimika at pisika ng polimer.

Iba pang mga Aplikasyon

Ang nuclear magnetic resonance at ang mga aplikasyon nito ay hindi limitado sa medisina at kimika. Ang pamamaraan ay napatunayang lubhang kapaki-pakinabang sa iba pang larangan tulad ng pagsubok sa klima, industriya ng petrolyo, kontrol sa proseso, Earth field NMR at magnetometer. Ang hindi mapanirang pagsubok ay nakakatipid sa mga mamahaling biyolohikal na sample, na maaaring magamit muli kung higit pang pagsubok ang kailangan. Ang nuclear magnetic resonance sa geology ay ginagamit upang sukatin ang porosity ng mga bato at ang permeability ng underground fluids. Ginagamit ang mga magnetometer upang sukatin ang iba't ibang mga magnetic field.

Ang nuclear magnetic resonance (NMR) ay ang pinakaligtas na paraan ng diagnostic

Salamat

Nagbibigay ang site ng impormasyon ng sanggunian para sa mga layuning pang-impormasyon lamang. Ang diagnosis at paggamot ng mga sakit ay dapat isagawa sa ilalim ng pangangasiwa ng isang espesyalista. Ang lahat ng mga gamot ay may mga kontraindiksyon. Kinakailangan ang konsultasyon sa isang espesyalista!

Pangkalahatang Impormasyon

Kababalaghan nuclear magnetic resonance (NMR) ay natuklasan noong 1938 ni Rabbi Isaac. Ang kababalaghan ay batay sa pagkakaroon ng mga magnetic na katangian sa nuclei ng mga atomo. Noong 2003 lamang naimbento ang isang paraan upang magamit ang hindi pangkaraniwang bagay na ito para sa mga layuning diagnostic sa medisina. Para sa imbensyon, natanggap ng mga may-akda nito ang Nobel Prize. Sa spectroscopy, ang katawan na pinag-aaralan ( ibig sabihin, katawan ng pasyente) ay inilalagay sa isang electromagnetic field at iniilaw ng mga radio wave. Ito ay isang ganap na ligtas na paraan ( hindi tulad ng, halimbawa, computed tomography), na may napakataas na antas ng resolution at sensitivity.

Aplikasyon sa ekonomiya at agham

1. Sa kimika at pisika upang matukoy ang mga sangkap na kalahok sa reaksyon, pati na rin ang mga huling resulta ng mga reaksyon,
2. Sa pharmacology para sa paggawa ng mga gamot,
3. Sa agrikultura, upang matukoy ang kemikal na komposisyon ng butil at kahandaan para sa paghahasik ( lubhang kapaki-pakinabang sa pagpaparami ng mga bagong species),
4. Sa gamot - para sa mga diagnostic. Isang napaka-kaalaman na paraan para sa pag-diagnose ng mga sakit ng gulugod, lalo na ang mga intervertebral disc. Ginagawang posible na makita ang kahit na ang pinakamaliit na paglabag sa integridad ng disk. Nakikita ang mga tumor ng kanser sa mga unang yugto ng pagbuo.

Ang kakanyahan ng pamamaraan

Ang pamamaraan ng nuclear magnetic resonance ay batay sa katotohanan na sa sandaling ang katawan ay nasa isang espesyal na nakatutok na napakalakas na magnetic field ( 10,000 beses na mas malakas kaysa sa magnetic field ng ating planeta), ang mga molekula ng tubig na nasa lahat ng mga selula ng katawan ay bumubuo ng mga kadena na matatagpuan parallel sa direksyon ng magnetic field.

Kung bigla mong binago ang direksyon ng field, ang molekula ng tubig ay naglalabas ng isang particle ng kuryente. Ang mga singil na ito ang natukoy ng mga sensor ng device at sinusuri ng isang computer. Batay sa tindi ng konsentrasyon ng tubig sa mga selula, ang computer ay lumilikha ng isang modelo ng organ o bahagi ng katawan na pinag-aaralan.

Sa exit, ang doktor ay may isang monochrome na imahe kung saan maaari mong makita ang manipis na mga seksyon ng organ sa mahusay na detalye. Sa mga tuntunin ng nilalaman ng impormasyon, ang pamamaraang ito ay higit na lumampas sa computed tomography. Minsan mas maraming detalye tungkol sa organ na sinusuri ang ibinibigay kaysa sa kinakailangan para sa diagnosis.

Mga uri ng magnetic resonance spectroscopy

• Mga biyolohikal na likido,
• Lamang loob.

Ginagawang posible ng pamamaraan na suriin nang detalyado ang lahat ng mga tisyu ng katawan ng tao, kabilang ang tubig. Ang mas maraming likido sa mga tisyu, mas magaan at mas maliwanag ang mga ito sa larawan. Ang mga buto, kung saan may kaunting tubig, ay inilalarawan na madilim. Samakatuwid, ang computed tomography ay mas nagbibigay kaalaman sa pag-diagnose ng mga sakit sa buto.

Ginagawang posible ng magnetic resonance perfusion technique na subaybayan ang paggalaw ng dugo sa pamamagitan ng mga tisyu ng atay at utak.

Ngayon sa medisina ang pangalan ay mas malawak na ginagamit MRI (Magnetic resonance imaging ), dahil ang pagbanggit ng isang nuclear reaction sa pamagat ay nakakatakot sa mga pasyente.

Mga indikasyon

1. Mga sakit sa utak
2. Pag-aaral ng mga pag-andar ng mga bahagi ng utak,
3. Mga sakit sa magkasanib na sakit,
4. Mga sakit sa spinal cord,
5. Mga sakit ng mga panloob na organo ng lukab ng tiyan,
6. Mga sakit sa ihi at reproductive system,
7. Mga sakit ng mediastinum at puso,
8. Mga sakit sa vascular.

Contraindications

Ganap na contraindications:
1. Pacemaker,
2. Electronic o ferromagnetic middle ear prostheses,
3. Ferromagnetic Ilizarov apparatus,
4. Malaking metal na panloob na prostheses,
5. Hemostatic clamp ng mga cerebral vessel.

Mga kamag-anak na contraindications:
1. Mga pampasigla sa sistema ng nerbiyos,
2. Mga bomba ng insulin,
3. Iba pang mga uri ng panloob na prostheses ng tainga,
4. Prosthetic na mga balbula sa puso,
5. Hemostatic clamp sa iba pang mga organo,
6. Pagbubuntis ( ito ay kinakailangan upang makakuha ng opinyon ng isang gynecologist),
7. Ang pagkabigo sa puso sa yugto ng decompensation,
8. Claustrophobia ( takot sa mga nakakulong na espasyo).

Paghahanda para sa pag-aaral

Ang espesyal na paghahanda ay kinakailangan lamang para sa mga pasyente na sumasailalim sa pagsusuri ng mga panloob na organo ( genitourinary at digestive tract): Hindi ka dapat kumain ng pagkain limang oras bago ang pamamaraan.
Kung ang ulo ay sinusuri, ang patas na kasarian ay pinapayuhan na tanggalin ang makeup, dahil ang mga sangkap na nakapaloob sa mga pampaganda ( halimbawa, sa eye shadow), ay maaaring makaapekto sa mga resulta. Dapat tanggalin ang lahat ng metal na alahas.
Minsan susuriin ng mga medikal na kawani ang isang pasyente gamit ang isang portable metal detector.

Paano isinasagawa ang pananaliksik?

Bago simulan ang pag-aaral, sagutan ng bawat pasyente ang isang palatanungan upang makatulong na matukoy ang mga kontraindikasyon.

Ang aparato ay isang malawak na tubo kung saan inilalagay ang pasyente sa isang pahalang na posisyon. Ang pasyente ay dapat manatiling ganap na tahimik, kung hindi, ang imahe ay hindi magiging sapat na malinaw. Ang loob ng tubo ay hindi madilim at may sariwang bentilasyon, kaya ang mga kondisyon para sa pamamaraan ay medyo komportable. Ang ilang mga pag-install ay gumagawa ng isang kapansin-pansing ugong, pagkatapos ang taong sinusuri ay nagsusuot ng mga headphone na sumisipsip ng ingay.

Ang tagal ng pagsusuri ay maaaring mula 15 minuto hanggang 60 minuto.
Ang ilang mga medikal na sentro ay nagpapahintulot sa isang kamag-anak o kasamang tao na makasama ang pasyente sa silid kung saan isinasagawa ang pag-aaral ( kung wala itong contraindications).

Sa ilang mga medikal na sentro, ang isang anesthesiologist ay nagbibigay ng mga gamot na pampakalma. Sa kasong ito, ang pamamaraan ay mas madaling tiisin, lalo na para sa mga pasyente na dumaranas ng claustrophobia, maliliit na bata o mga pasyente na, sa ilang kadahilanan, ay nahihirapang manatiling tahimik. Ang pasyente ay nahuhulog sa isang estado ng therapeutic sleep at lumabas mula dito na nagpahinga at napasigla. Ang mga gamot na ginagamit ay mabilis na inaalis sa katawan at ligtas para sa pasyente.

Ang resulta ng pagsusuri ay handa na sa loob ng 30 minuto pagkatapos ng pagtatapos ng pamamaraan. Ang resulta ay inilabas sa anyo ng isang DVD, ulat ng doktor at mga litrato.

Paggamit ng contrast agent sa NMR

Kadalasan, ang pamamaraan ay nagaganap nang walang paggamit ng kaibahan. Gayunpaman, sa ilang mga kaso ito ay kinakailangan ( para sa vascular research). Sa kasong ito, ang contrast agent ay inilalagay sa intravenously gamit ang isang catheter. Ang pamamaraan ay katulad ng anumang intravenous injection. Para sa ganitong uri ng pananaliksik, ginagamit ang mga espesyal na sangkap - mga paramagnet. Ito ay mga mahihinang magnetic substance, ang mga particle na kung saan, na nasa isang panlabas na magnetic field, ay magnetized parallel sa mga linya ng field.

Contraindications sa paggamit ng contrast media:

• Pagbubuntis,
• Indibidwal na hindi pagpaparaan sa mga bahagi ng ahente ng kaibahan, na dati nang natukoy.

Vascular na pagsusuri (magnetic resonance angiography)

Gamit ang pamamaraang ito, maaari mong subaybayan ang parehong estado ng circulatory network at ang paggalaw ng dugo sa pamamagitan ng mga sisidlan.
Sa kabila ng katotohanan na ang pamamaraan ay ginagawang posible na "makita" ang mga sisidlan na walang ahente ng kaibahan, sa paggamit nito ang imahe ay mas malinaw.
Ginagawang posible ng mga espesyal na 4-D installation na subaybayan ang paggalaw ng dugo sa halos real time.

Mga indikasyon:

• Congenital na mga depekto sa puso,
• Aneurysm, dissection,
• Stenosis ng daluyan,

Pananaliksik sa utak

Ito ay isang pagsubok sa utak na hindi gumagamit ng mga radioactive beam. Ang pamamaraan ay nagpapahintulot sa iyo na makita ang mga buto ng bungo, ngunit maaari mong suriin ang malambot na mga tisyu nang mas detalyado. Isang mahusay na paraan ng diagnostic sa neurosurgery, pati na rin ang neurolohiya. Ginagawang posible na makita ang mga kahihinatnan ng mga lumang pasa at concussions, stroke, pati na rin ang mga neoplasma.
Karaniwan itong inireseta para sa mga kondisyong tulad ng migraine na hindi alam ang etiology, may kapansanan sa kamalayan, neoplasms, hematomas, at kawalan ng koordinasyon.

Sinusuri ng Brain MRI:

• pangunahing mga daluyan ng leeg,
• mga daluyan ng dugo na nagbibigay sa utak
• tissue ng utak,
• mga orbit ng mga socket ng mata,
• mas malalim na bahagi ng utak ( cerebellum, pineal gland, pituitary gland, oblongata at intermediate na mga seksyon).

Functional na NMR

Ang diagnosis na ito ay batay sa katotohanan na kapag ang anumang bahagi ng utak na responsable para sa isang tiyak na function ay naisaaktibo, ang sirkulasyon ng dugo sa lugar na iyon ay tumataas.
Ang taong sinusuri ay binibigyan ng iba't ibang mga gawain, at sa panahon ng kanilang pagpapatupad, naitala ang sirkulasyon ng dugo sa iba't ibang bahagi ng utak. Ang data na nakuha sa panahon ng mga eksperimento ay inihambing sa tomogram na nakuha sa panahon ng pahinga.

Pagsusuri ng gulugod

Ang pamamaraang ito ay mahusay para sa pag-aaral ng mga nerve endings, muscles, bone marrow at ligaments, pati na rin ang mga intervertebral disc. Ngunit sa kaso ng spinal fractures o ang pangangailangan na pag-aralan ang mga istruktura ng buto, ito ay medyo mas mababa sa computed tomography.

Maaari mong suriin ang buong gulugod, o maaari mo lamang suriin ang lugar ng pag-aalala: ang cervical, thoracic, lumbosacral, at hiwalay din ang coccyx. Kaya, kapag sinusuri ang cervical spine, ang mga pathology ng mga daluyan ng dugo at vertebrae ay maaaring makita na nakakaapekto sa suplay ng dugo sa utak.
Kapag sinusuri ang rehiyon ng lumbar, maaaring makita ang mga intervertebral hernias, buto at cartilage spike, pati na rin ang mga pinched nerve.

Mga indikasyon:

• Mga pagbabago sa hugis ng mga intervertebral disc, kabilang ang mga hernia,
• Mga pinsala sa likod at gulugod
• Osteochondrosis, dystrophic at nagpapasiklab na proseso sa mga buto,
• Mga neoplasma.

Pagsusuri ng spinal cord

Isinasagawa ito nang sabay-sabay sa pagsusuri sa gulugod.

Mga indikasyon:

• Ang posibilidad ng mga neoplasma ng spinal cord, focal lesyon,
• Upang kontrolin ang pagpuno ng mga lukab ng spinal cord na may cerebrospinal fluid,
• Mga cyst ng spinal cord,
• Upang masubaybayan ang pagbawi pagkatapos ng operasyon,
• Kung may panganib na magkaroon ng sakit sa spinal cord.

Pinagsamang pagsusuri

Ang pamamaraan ng pananaliksik na ito ay napaka-epektibo para sa pag-aaral ng kondisyon ng malambot na mga tisyu na bumubuo sa kasukasuan.

Ginagamit para sa mga diagnostic:

• Talamak na arthritis,
• Mga pinsala sa litid, kalamnan at ligament ( lalo na madalas na ginagamit sa sports medicine),
• Perelomov,
• Mga neoplasma ng malambot na tisyu at buto,
• Ang pinsala ay hindi nakita ng iba pang mga pamamaraan ng diagnostic.

Naaangkop para sa:

• Pagsusuri ng hip joints para sa osteomyelitis, nekrosis ng femoral head, stress fracture, septic arthritis,
• Pagsusuri ng mga kasukasuan ng tuhod para sa mga stress fracture, paglabag sa integridad ng ilang mga panloob na sangkap ( meniskus, kartilago),
• Pagsusuri ng magkasanib na balikat para sa mga dislokasyon, pinched nerves, rupture ng joint capsule,
• Pagsusuri ng kasukasuan ng pulso sa mga kaso ng kawalang-tatag, maraming bali, pagkakasapit ng median nerve, at pinsala sa ligament.

Pagsusuri ng temporomandibular joint

Inireseta upang matukoy ang mga sanhi ng dysfunction sa joint. Ang pag-aaral na ito ay lubos na nagpapakita ng kalagayan ng kartilago at mga kalamnan at ginagawang posible na makita ang mga dislokasyon. Ginagamit din ito bago ang orthodontic o orthopaedic surgeries.

Mga indikasyon:

• May kapansanan sa paggalaw ng ibabang panga,
• Mga tunog ng pag-click kapag binubuksan at isinasara ang bibig,
• Sakit sa templo kapag binubuksan at isinara ang bibig,
• Sakit kapag palpating ang masticatory muscles,
• Sakit sa mga kalamnan ng leeg at ulo.

Pagsusuri ng mga panloob na organo ng lukab ng tiyan

Ang pagsusuri sa pancreas at atay ay inireseta para sa:

• Hindi nakakahawang jaundice,
• Ang posibilidad ng neoplasma sa atay, pagkabulok, abscess, cyst, may cirrhosis,
• Upang masubaybayan ang pag-unlad ng paggamot,
• Para sa mga traumatic ruptures,
• Mga bato sa gallbladder o bile ducts,
• Pancreatitis sa anumang anyo,
• Ang posibilidad ng neoplasms,
• Ischemia ng mga organo ng parenchymal.

Ang pamamaraan ay nagpapahintulot sa iyo na makita ang mga pancreatic cyst at suriin ang kondisyon ng mga duct ng apdo. Nakikilala ang anumang mga pormasyon na humaharang sa mga duct.

Ang pagsusuri sa bato ay inireseta kapag:

• Hinala ng isang neoplasma,
• Mga sakit ng mga organo at tisyu na matatagpuan malapit sa mga bato,
• Ang posibilidad ng pagkagambala sa pagbuo ng mga organo ng ihi,
• Kung imposibleng magsagawa ng excretory urography.

Bago suriin ang mga panloob na organo gamit ang nuclear magnetic resonance, kinakailangan na magsagawa ng pagsusuri sa ultrasound.

Pananaliksik para sa mga sakit ng reproductive system

Ang mga pagsusuri sa pelvic ay inireseta para sa:

• Ang posibilidad ng isang neoplasm ng matris, pantog, prostate,
• mga pinsala,
• Mga pelvic neoplasms upang makilala ang mga metastases,
• Sakit sa sacral area,
• Vesiculitis,
• Upang suriin ang kalagayan ng mga lymph node.

Para sa kanser sa prostate, ang pagsusuring ito ay inireseta upang makita ang pagkalat ng tumor sa mga kalapit na organo.

Hindi ipinapayong umihi isang oras bago ang pagsusulit, dahil ang imahe ay magiging mas nagbibigay-kaalaman kung ang pantog ay medyo puno.

Pag-aaral sa panahon ng pagbubuntis

Sa kabila ng katotohanan na ang paraan ng pananaliksik na ito ay mas ligtas kaysa sa x-ray o computed tomography, mahigpit itong ipinagbabawal na gamitin sa unang trimester ng pagbubuntis.
Sa ikalawa at ikatlong trimester, ang pamamaraan ay inireseta lamang para sa mga kadahilanang pangkalusugan. Ang panganib ng pamamaraan para sa katawan ng isang buntis ay na sa panahon ng pamamaraan ang ilang mga tisyu ay pinainit, na maaaring maging sanhi ng hindi kanais-nais na mga pagbabago sa pagbuo ng fetus.
Ngunit ang paggamit ng isang contrast agent sa panahon ng pagbubuntis ay mahigpit na ipinagbabawal sa anumang yugto ng pagbubuntis.

Mga hakbang sa pag-iingat

1. Ang ilang mga pag-install ng NMR ay idinisenyo bilang isang saradong tubo. Maaaring makaranas ng pag-atake ang mga taong dumaranas ng takot sa mga nakakulong na espasyo. Samakatuwid, mas mahusay na magtanong nang maaga tungkol sa kung paano pupunta ang pamamaraan. May mga open type installation. Ang mga ito ay isang silid na katulad ng isang silid ng X-ray, ngunit ang mga naturang pag-install ay bihira.

2. Ipinagbabawal na pumasok sa silid kung saan matatagpuan ang aparato na may mga bagay na metal at elektronikong aparato ( hal. relo, alahas, susi), dahil sa isang malakas na electromagnetic field, maaaring masira ang mga elektronikong device, at magkakahiwalay ang maliliit na bagay na metal. Kasabay nito, hindi ganap na wastong data ng survey ang makukuha.

Bago gamitin, dapat kang kumunsulta sa isang espesyalista.

1. Ang kakanyahan ng kababalaghan

   Una sa lahat, dapat tandaan na kahit na ang pangalan ng hindi pangkaraniwang bagay na ito ay naglalaman ng salitang "nuklear," ang NMR ay walang kinalaman sa nuclear physics at hindi konektado sa radioactivity. Kung pinag-uusapan natin ang isang mahigpit na paglalarawan, kung gayon walang paraan na gawin nang walang mga batas ng mekanika ng quantum. Ayon sa mga batas na ito, ang enerhiya ng pakikipag-ugnayan ng magnetic core sa isang panlabas na magnetic field ay maaari lamang tumagal ng ilang discrete value. Kung ang magnetic nuclei ay na-irradiated sa isang alternating magnetic field, ang dalas nito ay tumutugma sa pagkakaiba sa pagitan ng mga discrete na antas ng enerhiya, na ipinahayag sa mga yunit ng dalas, kung gayon ang magnetic nuclei ay magsisimulang lumipat mula sa isang antas patungo sa isa pa, habang sinisipsip ang enerhiya ng alternating. patlang. Ito ang phenomenon ng magnetic resonance. Ang paliwanag na ito ay pormal na tama, ngunit hindi masyadong malinaw. May isa pang paliwanag, walang quantum mechanics. Ang magnetic core ay maaaring isipin bilang isang electrically charged na bola na umiikot sa paligid ng axis nito (bagaman, mahigpit na nagsasalita, hindi ito ganoon). Ayon sa mga batas ng electrodynamics, ang pag-ikot ng isang singil ay humahantong sa hitsura ng isang magnetic field, i.e., ang magnetic moment ng nucleus, na nakadirekta sa kahabaan ng axis ng pag-ikot. Kung ang magnetic moment na ito ay inilagay sa isang pare-parehong panlabas na patlang, pagkatapos ay ang vector ng sandaling ito ay nagsisimula sa precess, i.e., iikot sa paligid ng direksyon ng panlabas na field. Sa parehong paraan, ang axis ng tuktok na precesses (umiikot) sa paligid ng vertical kung ito ay hindi untwisted mahigpit na patayo, ngunit sa isang tiyak na anggulo. Sa kasong ito, ang papel ng magnetic field ay nilalaro ng puwersa ng grabidad.

   Ang dalas ng precession ay tinutukoy pareho ng mga katangian ng nucleus at ang lakas ng magnetic field: mas malakas ang field, mas mataas ang frequency. Pagkatapos, kung, bilang karagdagan sa isang pare-pareho ang panlabas na magnetic field, ang core ay apektado ng isang alternating magnetic field, pagkatapos ay ang core ay magsisimulang makipag-ugnayan sa field na ito - tila upang i-ugoy ang core nang mas malakas, ang precession amplitude ay tumataas, at ang core sumisipsip ng enerhiya ng alternating field. Gayunpaman, ito ay mangyayari lamang sa ilalim ng kondisyon ng resonance, ibig sabihin, ang pagkakataon ng dalas ng precession at ang dalas ng panlabas na alternating field. Ito ay katulad ng klasikong halimbawa mula sa pisika ng paaralan - ang mga sundalong nagmamartsa sa isang tulay. Kung ang dalas ng hakbang ay tumutugma sa natural na dalas ng tulay, kung gayon ang tulay ay umiindayog nang higit pa. Sa eksperimento, ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay nagpapakita ng sarili sa pagtitiwala sa pagsipsip ng isang alternating field sa dalas nito. Sa sandali ng resonance, ang pagsipsip ay tumataas nang husto, at ang pinakasimpleng magnetic resonance spectrum ay ganito ang hitsura:

   

2. Fourier transform spectroscopy

   Ang unang NMR spectrometer ay gumana nang eksakto tulad ng inilarawan sa itaas - ang sample ay inilagay sa isang pare-pareho ang magnetic field, at ang radio frequency radiation ay patuloy na inilalapat dito. Pagkatapos ang alinman sa dalas ng alternating field o ang intensity ng pare-pareho ang magnetic field ay nag-iba nang maayos. Ang pagsipsip ng alternating field na enerhiya ay naitala ng isang tulay ng dalas ng radyo, ang signal kung saan ay output sa isang recorder o oscilloscope. Ngunit ang paraan ng pag-record ng signal na ito ay hindi ginagamit sa loob ng mahabang panahon. Sa modernong NMR spectrometers, ang spectrum ay naitala gamit ang mga pulso. Ang mga magnetic moment ng nuclei ay nasasabik sa pamamagitan ng isang maikling malakas na pulso, pagkatapos nito ang signal na sapilitan sa RF coil sa pamamagitan ng malayang precessing magnetic moments ay naitala. Ang signal na ito ay unti-unting bumababa sa zero habang ang mga magnetic moment ay bumalik sa equilibrium (ang prosesong ito ay tinatawag na magnetic relaxation). Ang NMR spectrum ay nakuha mula sa signal na ito gamit ang Fourier transform. Ito ay isang karaniwang pamamaraan sa matematika na nagbibigay-daan sa iyong mabulok ang anumang signal sa mga frequency harmonic at sa gayon ay makuha ang frequency spectrum ng signal na ito. Ang pamamaraang ito ng pagtatala ng spectrum ay nagbibigay-daan sa iyo na makabuluhang bawasan ang antas ng ingay at magsagawa ng mga eksperimento nang mas mabilis.

   

   Ang isang kapana-panabik na pulso upang maitala ang isang spectrum ay ang pinakasimpleng eksperimento sa NMR. Gayunpaman, maaaring mayroong maraming tulad ng mga pulso ng iba't ibang mga tagal, amplitude, na may iba't ibang mga pagkaantala sa pagitan ng mga ito, atbp., sa isang eksperimento, depende sa kung anong uri ng mga manipulasyon ang kailangang isagawa ng mananaliksik sa sistema ng nuclear magnetic moments. Gayunpaman, halos lahat ng mga sequence ng pulso ay nagtatapos sa parehong bagay - nagre-record ng isang libreng precession signal na sinusundan ng isang Fourier transform.

3. Magnetic na pakikipag-ugnayan sa bagay

   Ang magnetic resonance mismo ay mananatiling walang iba kundi isang kawili-wiling pisikal na kababalaghan kung hindi dahil sa mga magnetic na interaksyon ng nuclei sa isa't isa at sa electron shell ng molekula. Ang mga pakikipag-ugnayan na ito ay nakakaapekto sa mga parameter ng resonance, at sa kanilang tulong, ang paraan ng NMR ay maaaring magbigay ng iba't ibang impormasyon tungkol sa mga katangian ng mga molekula - ang kanilang oryentasyon, spatial na istraktura (konpormasyon), intermolecular na pakikipag-ugnayan, palitan ng kemikal, rotational at translational dynamics. Dahil dito, ang NMR ay naging isang napakalakas na tool para sa pag-aaral ng mga sangkap sa antas ng molekular, na malawakang ginagamit hindi lamang sa pisika, ngunit higit sa lahat sa kimika at molecular biology. Ang isang halimbawa ng isang naturang pakikipag-ugnayan ay ang tinatawag na chemical shift. Ang kakanyahan nito ay ang mga sumusunod: ang electron shell ng isang molekula ay tumutugon sa isang panlabas na magnetic field at sinusubukang i-screen ito - ang bahagyang screening ng magnetic field ay nangyayari sa lahat ng diamagnetic substance. Nangangahulugan ito na ang magnetic field sa molekula ay mag-iiba mula sa panlabas na magnetic field sa pamamagitan ng napakaliit na halaga, na tinatawag na chemical shift. Gayunpaman, ang mga katangian ng shell ng elektron sa iba't ibang bahagi ng molekula ay iba, at ang pagbabago ng kemikal ay iba rin. Alinsunod dito, ang mga kondisyon ng resonance para sa nuclei sa iba't ibang bahagi ng molekula ay magkakaiba din. Ginagawa nitong posible na makilala ang chemically nonequivalent na nuclei sa spectrum. Halimbawa, kung kukunin natin ang spectrum ng hydrogen nuclei (protons) ng purong tubig, magkakaroon lamang ng isang linya, dahil ang parehong mga proton sa H 2 O molekula ay eksaktong pareho. Ngunit para sa methyl alcohol CH 3 OH magkakaroon na ng dalawang linya sa spectrum (kung papabayaan natin ang iba pang magnetic interaction), dahil mayroong dalawang uri ng protons - ang mga proton ng methyl group CH 3 at ang proton na nauugnay sa oxygen atom. Habang nagiging mas kumplikado ang mga molekula, tataas ang bilang ng mga linya, at kung kukuha tayo ng isang malaki at kumplikadong molekula bilang isang protina, kung gayon sa kasong ito ang spectrum ay magiging ganito:

   

4. Mga magnetic core

   Maaaring maobserbahan ang NMR sa iba't ibang nuclei, ngunit dapat sabihin na hindi lahat ng nuclei ay may magnetic moment. Madalas na nangyayari na ang ilang isotopes ay may magnetic moment, ngunit ang ibang isotopes ng parehong nucleus ay wala. Sa kabuuan, mayroong higit sa isang daang isotopes ng iba't ibang mga elemento ng kemikal na may magnetic nuclei, ngunit sa pananaliksik ay karaniwang hindi hihigit sa 1520 magnetic nuclei ang ginagamit, lahat ng iba ay kakaiba. Ang bawat nucleus ay may sariling katangian na ratio ng magnetic field at precession frequency, na tinatawag na gyromagnetic ratio. Para sa lahat ng nuclei ang mga relasyon na ito ay kilala. Gamit ang mga ito, maaari mong piliin ang dalas kung saan, sa ilalim ng isang ibinigay na magnetic field, isang senyas mula sa nuclei na kailangan ng mananaliksik ay maobserbahan.

   Ang pinakamahalagang nuclei para sa NMR ay mga proton. Ang mga ito ang pinaka-sagana sa kalikasan, at mayroon silang napakataas na sensitivity. Ang nuclei ng carbon, nitrogen at oxygen ay napakahalaga para sa kimika at biology, ngunit ang mga siyentipiko ay hindi gaanong swerte sa kanila: ang pinakakaraniwang isotopes ng carbon at oxygen, 12 C at 16 O, ay walang magnetic moment, ang natural Ang isotope ng nitrogen 14 N ay may isang sandali, ngunit ito ay para sa maraming mga kadahilanan na ito ay napaka-inconvenient para sa mga eksperimento. Mayroong isotopes 13 C, 15 N at 17 O na angkop para sa mga eksperimento sa NMR, ngunit ang kanilang likas na kasaganaan ay napakababa at ang kanilang sensitivity ay napakababa kumpara sa mga proton. Samakatuwid, ang mga espesyal na isotope-enriched sample ay kadalasang inihahanda para sa mga pag-aaral ng NMR, kung saan ang natural na isotope ng isang partikular na nucleus ay pinapalitan ng kailangan para sa mga eksperimento. Sa karamihan ng mga kaso, ang pamamaraang ito ay napakahirap at mahal, ngunit kung minsan ito ang tanging pagkakataon upang makuha ang kinakailangang impormasyon.

5. Electron paramagnetic at quadrupole resonance

   Sa pagsasalita tungkol sa NMR, hindi mabibigo ang isa na banggitin ang dalawang iba pang nauugnay na pisikal na phenomena - electron paramagnetic resonance (EPR) at nuclear quadrupole resonance (NQR). Ang EPR ay mahalagang katulad sa NMR, ang pagkakaiba ay ang resonance ay sinusunod sa mga magnetic na sandali hindi ng atomic nuclei, ngunit ng electron shell ng atom. Ang EPR ay maaari lamang maobserbahan sa mga molekula o grupo ng kemikal na ang shell ng elektron ay naglalaman ng tinatawag na hindi magkapares na elektron, pagkatapos ang shell ay may non-zero magnetic moment. Ang mga naturang sangkap ay tinatawag na paramagnets. Ang EPR, tulad ng NMR, ay ginagamit din upang pag-aralan ang iba't ibang istruktura at dynamic na mga katangian ng mga sangkap sa antas ng molekular, ngunit ang saklaw ng paggamit nito ay makabuluhang mas makitid. Ito ay higit sa lahat dahil sa ang katunayan na ang karamihan sa mga molekula, lalo na sa buhay na kalikasan, ay hindi naglalaman ng mga hindi magkapares na mga electron. Sa ilang mga kaso, maaari kang gumamit ng isang tinatawag na paramagnetic probe, iyon ay, isang grupo ng kemikal na may isang hindi pares na elektron na nagbubuklod sa molekula na pinag-aaralan. Ngunit ang pamamaraang ito ay may malinaw na mga kawalan na naglilimita sa mga kakayahan ng pamamaraang ito. Bilang karagdagan, ang EPR ay walang ganoong mataas na spectral na resolusyon (ibig sabihin, ang kakayahang makilala ang isang linya mula sa isa pa sa spectrum) tulad ng sa NMR.

   Pinakamahirap ipaliwanag ang kalikasan ng NQR "sa mga daliri". Ang ilang nuclei ay may tinatawag na electric quadrupole moment. Ang sandaling ito ay nagpapakilala sa paglihis ng pamamahagi ng electric charge ng nucleus mula sa spherical symmetry. Ang pakikipag-ugnayan ng sandaling ito sa gradient ng electric field na nilikha ng mala-kristal na istraktura ng sangkap ay humahantong sa paghahati ng mga antas ng enerhiya ng nucleus. Sa kasong ito, maaaring obserbahan ng isa ang isang resonance sa dalas na tumutugma sa mga paglipat sa pagitan ng mga antas na ito. Hindi tulad ng NMR at EPR, ang NQR ay hindi nangangailangan ng panlabas na magnetic field, dahil ang paghahati ng antas ay nangyayari nang wala ito. Ginagamit din ang NQR upang pag-aralan ang mga sangkap, ngunit ang saklaw ng paggamit nito ay mas makitid kaysa sa EPR.

6. Mga kalamangan at kawalan ng NMR

   

   Ang NMR ay ang pinakamakapangyarihan at nagbibigay-kaalaman na paraan para sa pag-aaral ng mga molekula. Sa mahigpit na pagsasalita, hindi ito isang paraan, ito ay isang malaking bilang ng iba't ibang uri ng mga eksperimento, ibig sabihin, mga pagkakasunud-sunod ng pulso. Bagama't lahat sila ay batay sa phenomenon ng NMR, ang bawat isa sa mga eksperimentong ito ay idinisenyo upang makakuha ng ilang partikular na partikular na impormasyon. Ang bilang ng mga eksperimentong ito ay sinusukat sa maraming sampu, kung hindi daan-daan. Sa teoryang, ang NMR ay maaaring, kung hindi lahat, kung gayon halos lahat ng lahat ng iba pang mga eksperimentong pamamaraan para sa pag-aaral ng istraktura at dinamika ng mga molekula ay maaaring, kahit na sa pagsasagawa ito ay magagawa, siyempre, hindi palaging. Ang isa sa mga pangunahing bentahe ng NMR ay, sa isang banda, ang mga natural na probes nito, i.e. magnetic nuclei, ay ipinamamahagi sa buong molekula, at sa kabilang banda, pinapayagan nito ang isa na makilala ang mga nuclei na ito sa isa't isa at makakuha ng spatially selective data. sa mga katangian ng molekula. Halos lahat ng iba pang mga pamamaraan ay nagbibigay ng impormasyon na na-average sa buong molekula o halos isang bahagi lamang nito.

   Ang NMR ay may dalawang pangunahing disadvantages. Una, ito ay mababang sensitivity kumpara sa karamihan ng iba pang mga eksperimentong pamamaraan (optical spectroscopy, fluorescence, ESR, atbp.). Ito ay humahantong sa katotohanan na upang ma-average ang ingay, ang signal ay dapat na maipon sa mahabang panahon. Sa ilang mga kaso, ang isang eksperimento sa NMR ay maaaring isagawa nang kahit ilang linggo. Pangalawa, mahal. Ang mga NMR spectrometer ay kabilang sa mga pinakamahal na instrumentong pang-agham, na nagkakahalaga ng hindi bababa sa daan-daang libong dolyar, at ang pinakamahal na spectrometer ay nagkakahalaga ng ilang milyon. Hindi lahat ng mga laboratoryo, lalo na sa Russia, ay kayang magkaroon ng ganitong kagamitang pang-agham.

7. Magnet para sa NMR spectrometers

   Ang isa sa pinakamahalaga at mamahaling bahagi ng spectrometer ay ang magnet, na lumilikha ng pare-parehong magnetic field. Kung mas malakas ang field, mas mataas ang sensitivity at spectral resolution, kaya patuloy na sinusubukan ng mga siyentipiko at inhinyero na makuha ang mga field nang mas mataas hangga't maaari. Ang magnetic field ay nilikha ng electric current sa solenoid - mas malakas ang kasalukuyang, mas malaki ang field. Gayunpaman, imposibleng dagdagan ang kasalukuyang walang katiyakan; sa isang napakataas na kasalukuyang, ang solenoid wire ay magsisimulang matunaw. Samakatuwid, sa napakatagal na panahon, ang mga high-field na NMR spectrometer ay gumamit ng mga superconducting magnet, ibig sabihin, mga magnet kung saan ang solenoid wire ay nasa superconducting state. Sa kasong ito, ang electrical resistance ng wire ay zero, at walang enerhiya na inilabas sa anumang kasalukuyang halaga. Ang estado ng superconducting ay maaari lamang makamit sa napakababang temperatura, ilang degrees Kelvin lamang, ang temperatura ng likidong helium. (Ang superconductivity ng mataas na temperatura ay domain pa rin ng purong pangunahing pananaliksik.) Ito ay sa pagpapanatili ng gayong mababang temperatura na ang lahat ng mga teknikal na paghihirap sa disenyo at paggawa ng mga magnet ay nauugnay, na nagpapamahal sa kanila. Ang isang superconducting magnet ay itinayo sa prinsipyo ng isang thermos-matryoshka. Ang solenoid ay matatagpuan sa gitna, sa silid ng vacuum. Napapaligiran ito ng isang shell na naglalaman ng likidong helium. Ang shell na ito ay napapalibutan ng isang shell ng liquid nitrogen sa pamamagitan ng isang vacuum layer. Ang temperatura ng likidong nitrogen ay minus 196 degrees Celsius; kailangan ang nitrogen upang matiyak na ang helium ay sumingaw nang mabagal hangga't maaari. Sa wakas, ang nitrogen shell ay nakahiwalay sa temperatura ng silid sa pamamagitan ng isang panlabas na layer ng vacuum. Ang ganitong sistema ay may kakayahang mapanatili ang nais na temperatura ng isang superconducting magnet sa napakatagal na panahon, bagaman nangangailangan ito ng regular na pagdaragdag ng likidong nitrogen at helium sa magnet. Ang bentahe ng naturang mga magnet, bilang karagdagan sa kakayahang makakuha ng mataas na magnetic field, ay hindi rin sila kumonsumo ng enerhiya: pagkatapos simulan ang magnet, ang kasalukuyang ay tumatakbo sa pamamagitan ng mga superconducting wire na halos walang pagkalugi sa loob ng maraming taon.

8. Tomography

   Sa maginoo na spectrometer ng NMR, sinusubukan nilang gawing pare-pareho ang magnetic field hangga't maaari, ito ay kinakailangan upang mapabuti ang spectral resolution. Ngunit kung ang magnetic field sa loob ng sample, sa kabaligtaran, ay ginawang napaka-inhomogeneous, ito ay nagbubukas sa panimula ng mga bagong posibilidad para sa paggamit ng NMR. Ang inhomogeneity ng field ay nilikha ng tinatawag na gradient coils, na gumagana kasabay ng pangunahing magnet. Sa kasong ito, ang magnitude ng magnetic field sa iba't ibang bahagi ng sample ay magkakaiba, na nangangahulugan na ang signal ng NMR ay maaaring maobserbahan hindi mula sa buong sample, tulad ng sa isang maginoo spectrometer, ngunit mula lamang sa makitid na layer nito, kung saan ang mga kondisyon ng resonance ay natutugunan, ibig sabihin, ang nais na kaugnayan sa pagitan ng magnetic field at dalas. Sa pamamagitan ng pagpapalit ng magnitude ng magnetic field (o, na mahalagang pareho, ang dalas ng pagmamasid ng signal), maaari mong baguhin ang layer na gagawa ng signal. Sa ganitong paraan, posibleng "i-scan" ang sample sa buong volume nito at "tingnan" ang panloob na three-dimensional na istraktura nito nang hindi sinisira ang sample sa anumang mekanikal na paraan. Sa ngayon, ang isang malaking bilang ng mga diskarte ay binuo na ginagawang posible upang masukat ang iba't ibang mga parameter ng NMR (spectral na katangian, magnetic relaxation time, self-diffusion rate at ilang iba pa) na may spatial na resolusyon sa loob ng sample. Ang pinaka-kawili-wili at mahalaga, mula sa isang praktikal na punto ng view, ang aplikasyon ng NMR tomography ay natagpuan sa gamot. Sa kasong ito, ang "specimen" na pinag-aaralan ay ang katawan ng tao. Ang NMR imaging ay isa sa pinaka-epektibo at ligtas (ngunit mahal din) na mga diagnostic tool sa iba't ibang larangan ng medisina, mula sa oncology hanggang sa obstetrics. Ito ay kagiliw-giliw na tandaan na ang mga doktor ay hindi gumagamit ng salitang "nuklear" sa pangalan ng pamamaraang ito, dahil ang ilang mga pasyente ay iniuugnay ito sa mga reaksyong nuklear at atomic bomb.

9. Kasaysayan ng pagtuklas

   

   Ang taon ng pagtuklas ng NMR ay itinuturing na 1945, nang ang mga Amerikanong si Felix Bloch mula sa Stanford at, nang nakapag-iisa sa kanya, sina Edward Purcell at Robert Pound mula sa Harvard ay unang naobserbahan ang signal ng NMR sa mga proton. Sa oras na iyon, marami na ang nalalaman tungkol sa likas na katangian ng nuclear magnetism, ang epekto ng NMR mismo ay hinulaang ayon sa teorya, at ilang mga pagtatangka ang ginawa upang obserbahan ito nang eksperimental. Mahalagang tandaan na isang taon na mas maaga sa Unyong Sobyet, sa Kazan, ang EPR phenomenon ay natuklasan ni Evgeniy Zavoisky. Alam na ngayon na naobserbahan din ni Zavoisky ang signal ng NMR, ito ay bago ang digmaan, noong 1941. Gayunpaman, mayroon siyang isang mababang-kalidad na magnet na may mahinang pagkakapareho sa larangan; ang mga resulta ay hindi maganda ang maaaring kopyahin at samakatuwid ay nanatiling hindi nai-publish. Upang maging patas, dapat tandaan na hindi lamang si Zavoisky ang nag-obserba ng NMR bago ang "opisyal" na pagtuklas nito. Sa partikular, ang American physicist na si Isidor Rabi (nagwagi ng Nobel Prize noong 1944 para sa kanyang pag-aaral ng magnetic properties ng nuclei sa atomic at molecular beams) ay naobserbahan din ang NMR noong huling bahagi ng 30s, ngunit itinuturing itong isang instrumental na artifact. Sa isang paraan o iba pa, ang ating bansa ay nagpapanatili ng priyoridad sa pang-eksperimentong pagtuklas ng magnetic resonance. Kahit na si Zavoisky mismo ay nagsimulang harapin ang iba pang mga problema sa lalong madaling panahon pagkatapos ng digmaan, ang kanyang pagtuklas ay may malaking papel sa pag-unlad ng agham sa Kazan. Ang Kazan ay nananatiling isa sa mga nangungunang sentrong pang-agham sa mundo para sa spectroscopy ng EPR.

10. Mga Premyong Nobel sa Magnetic Resonance

    Sa unang kalahati ng ika-20 siglo, maraming mga Nobel Prize ang iginawad sa mga siyentipiko kung wala ang kanilang trabaho ang pagtuklas ng NMR ay hindi maaaring mangyari. Kabilang sa mga ito ay sina Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Ngunit mayroong apat na Nobel Prize na direktang nauugnay sa NMR. Noong 1952, ang premyo ay iginawad kina Felix Bloch at Edward Purcell para sa pagtuklas ng nuclear magnetic resonance. Ito ang tanging "NMR" Nobel Prize sa pisika. Noong 1991, natanggap ng Swiss Richard Ernst, na nagtrabaho sa sikat na ETH sa Zurich, ang premyo sa chemistry. Siya ay iginawad para sa pagbuo ng mga multidimensional na pamamaraan ng spectroscopy ng NMR, na naging posible upang radikal na madagdagan ang nilalaman ng impormasyon ng mga eksperimento sa NMR. Noong 2002, ang nagwagi ng premyo, din sa chemistry, ay si Kurt Wüthrich, na nagtrabaho kasama si Ernst sa kalapit na mga gusali sa parehong Technical School. Natanggap niya ang premyo para sa pagbuo ng mga pamamaraan para sa pagtukoy ng tatlong-dimensional na istraktura ng mga protina sa solusyon. Noong nakaraan, ang tanging paraan upang matukoy ang spatial conformation ng malalaking biomacromolecules ay X-ray diffraction analysis. Sa wakas, noong 2003, ang American Paul Lauterbur at ang Englishman na si Peter Mansfield ay nakatanggap ng medikal na premyo para sa pag-imbento ng NMR tomography. Ang natuklasan ng Sobyet ng EPR, si E.K. Zavoisky, sayang, ay hindi nakatanggap ng Nobel Prize.

NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE(NMR), ang phenomenon ng resonant absorption ng radio frequency electromagnetic waves. enerhiya in-vom na may non-zero mag. mga sandali ng nuclei na matatagpuan sa panlabas permanenteng salamangkero. patlang. Non-zero nuclear magnet. ang nuclei 1 H, 2 H, 13 C, 14 N, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P, atbp. ay may isang sandali. Ang NMR ay karaniwang sinusunod sa isang pare-parehong constant magnetic field. patlang B 0 , isang mahinang radio frequency field B 1 patayo sa field B 0 ay nakapatong dito. Para sa mga sangkap kung saan ang nuclear spin ay I = 1/2 (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P, atbp.), dalawang magnetic orientation ang posible sa field B 0. dipole moment ng nucleus "sa kahabaan ng field" at "laban sa field". Ang umuusbong na dalawang antas ng enerhiya E dahil sa pakikipag-ugnayan. mag. sandali ng nucleus na may field B 0 pinaghihiwalay ng pagitan
Sa kondisyon na o kung saan ang h ay pare-pareho ng Planck, ang v 0 ay ang frequency ng field ng frequency ng radyo B 1, ay ang circular frequency, ang tinatawag na. gyromagn. ratio ng nucleus, matunog na pagsipsip ng field energy B 1 ay sinusunod , tinatawag na NMR. Para sa mga nuclides 1 H, 13 C, 31 P, ang mga frequency ng NMR sa field B 0 = 11.7 T ay pantay, ayon sa pagkakabanggit. (sa MHz): 500, 160.42 at 202.4; mga halaga (sa MHz/T): 42.58, 10.68 at 17.24. Ayon sa modelong quantum, ang 2I+1 na antas ng enerhiya ay bumangon sa patlang B 0, ang mga paglipat sa pagitan ng kung saan ay pinapayagan kung saan ang m ay mag. quantum number.

Eksperimental na pamamaraan. Mga parameter ng NMR spectra. Ang NMR spectroscopy ay batay sa phenomenon ng NMR. Ang NMR spectra ay naitala gamit ang radio spectrometers (Fig.). Ang isang sample ng substance sa ilalim ng pag-aaral ay inilalagay bilang isang core sa coil ng isang generating circuit (field B 1), na matatagpuan sa puwang ng isang magnet na lumilikha ng isang field B 0 upang Kapag nangyari ang resonant absorption, na nagiging sanhi ng pagbaba ng boltahe. sa circuit, sa circuit kung saan ang isang likid na may sample. Ang pagbaba ng boltahe ay nakita, pinalakas, at pinapakain sa isang oscilloscope sweep o recording device. Sa moderno Ang mga NMR radio spectrometer ay karaniwang gumagamit ng magic field na may lakas na 1-12 Tesla. Ang rehiyon ng spectrum kung saan mayroong nakikitang signal na may isa o higit pa. maxima, tinatawag linya ng pagsipsip ng NMR. Naobserbahang lapad ng linya na sinusukat sa kalahating max. intensity at ipinahayag sa Hz, tinatawag. Lapad ng linya ng NMR. Resolusyon ng spectrum ng NMR - min. ang lapad ng linya ng NMR na pinapayagan ng spectrometer na ito na obserbahan. Ang bilis ng pagpasa ay ang bilis (sa Hz/s) kung saan nagbabago ang magnetic intensity. field o frequency ng radiofrequency radiation na nakakaapekto sa sample kapag kumukuha ng NMR spectrum.

Diagram ng isang NMR spectrometer: 1 - coil na may sample; 2 - magnet pole; 3 - radio frequency field generator; 4 - amplifier at detector; 5 - modulating boltahe generator; 6 - field modulation coils B 0; 7 - oscilloscope.

Ibinabahagi muli ng system ang hinihigop na enerhiya sa loob nito (ang tinatawag na spin-spin, o transverse relaxation; katangiang oras T 2) at inilalabas ito sa kapaligiran (spin-lattice relaxation, relaxation time T 1). Ang mga oras na T 1 at T 2 ay nagdadala ng impormasyon tungkol sa mga internuclear na distansya at mga oras ng ugnayan. sabi nila mga galaw. Ang mga sukat ng pag-asa ng T 1 at T 2 sa temperatura at dalas v 0 ay nagbibigay ng impormasyon tungkol sa likas na katangian ng thermal movement, kemikal. equilibria, phase transition, atbp. Sa solids na may matibay na sala-sala T 2 = 10 μs, at T 1 > 10 3 s, dahil walang regular na mekanismo ng spin-lattice relaxation at relaxation ay dahil sa paramagnetic. mga dumi. Dahil sa liit ng T2, ang natural na lapad ng linya ng NMR ay napakalaki (sampu-sampung kHz), at ang kanilang pagpaparehistro ay nasa rehiyon ng NMR ng malalawak na linya. Sa mababang lagkit na likido T 1 T 2 at sinusukat sa mga segundo. Sinabi ni Resp. Ang mga linya ng NMR ay may lapad ng pagkakasunud-sunod na 10 -1 Hz (high-resolution na NMR). Upang muling buuin ang hugis ng linya na hindi nababago, kinakailangan na dumaan sa isang linya na 0.1 Hz ang lapad sa loob ng 100 s. Nagpapataw ito ng mga makabuluhang limitasyon sa pagiging sensitibo ng mga spectrometer ng NMR.
Ang pangunahing parameter ng spectrum ng NMR ay kemikal. shift - ang ratio ng pagkakaiba sa pagitan ng mga frequency ng naobserbahang signal ng NMR at isang tiyak na kumbensyonal na napiling reference signal na kinuha gamit ang naaangkop na sign. pamantayan sa dalas ng reference signal (ipinahayag sa mga bahagi bawat milyon, ppm). Chem. Ang mga shift ng NMR ay sinusukat sa walang sukat na dami na sinusukat mula sa tuktok ng reference signal. Kung ang pamantayan ay nagbibigay ng signal sa frequency v 0, kung gayon Depende sa likas na katangian ng nuclei na pinag-aaralan, ang isang pagkakaiba ay ginawa sa pagitan ng proton NMR, o PMR, at 13 C NMR (mga talahanayan ng chemical shift values ​​ay ibinibigay sa mga endpaper ng volume). NMR 19 F (tingnan ang Organofluorine compounds), NMR 31 P (tingnan ang Organophosphorus compounds), atbp. Ang mga dami ay may makabuluhang katangian na katangian at ginagawang posible upang matukoy mula sa NMR spectra ang pagkakaroon ng ilang mol. mga fragment. Kaugnay na data ng kemikal. mga shift diff. ang nuclei ay inilathala sa mga sangguniang aklat at aklat-aralin, at ipinasok din sa mga database, na nagbibigay ng mga makabago. Mga spectrometer ng NMR. Sa serye ng mga kemikal na compound na may katulad na mga istraktura. ang paglilipat ay direktang proporsyonal sa density ng elektron sa kaukulang nuclei.
Ang karaniwang tinatanggap na pamantayan para sa PMR at 13 C NMR ay tetramethylsilane (TMS). Pamantayang m.b. natunaw sa solusyon sa pagsubok (panloob na pamantayan) o inilagay, halimbawa, sa isang selyadong capillary na matatagpuan sa loob ng sample ampoule (panlabas na pamantayan). Tanging ang mga may sariling pagsipsip ay hindi nagsasapawan sa rehiyon ng interes para sa pananaliksik ay maaaring gamitin bilang p-nalalabi. Para sa PMR, ang pinakamahusay na reagents ay ang mga hindi naglalaman ng mga proton (CC1 4, CDC1 3, CS 2, D 2 O, atbp.).
Sa polyatomic molecules, ang nuclei ng magkakahawig na mga atomo na sumasakop sa chemically nonequivalent na mga posisyon ay may iba't ibang chemistries. nagbabago dahil sa mga pagkakaiba sa magnetic shielding ng nuclei sa pamamagitan ng valence electron (ang nasabing nuclei ay tinatawag na anisochronous). Para sa i-th core nasaan ang constant diamagn. screening, sinusukat sa ppm. Para sa mga proton, ang karaniwang hanay ng mga pagbabago ay hanggang 20 ppm; para sa mas mabibigat na nuclei, ang mga saklaw na ito ay 2-3 order ng magnitude na mas malaki.
Ang isang mahalagang parameter ng spectra ng NMR ay ang patuloy na pakikipag-ugnayan ng spin-spin. (TCO constant) - isang sukatan ng hindi direktang TCO sa pagitan ng diff. mag. nuclei ng isang molekula (tingnan ang pakikipag-ugnayan ng Spin-spin); ipinahayag sa Hz.
Pakikipag-ugnayan nuclear spins na may electron spins na nakapaloob sa molecule sa pagitan ng nuclei i at j ay humahantong sa mutual orientation ng mga nuclei na ito sa field B 0 (SSV). Na may sapat na resolusyon Ang SSV ay humahantong sa karagdagang. multiplicity ng mga linya na tumutugma sa ilang mga kemikal na halaga. shifts: kung saan J ij - SSV constants; F ij - mga dami, ang mga halaga nito ay tinutukoy ng mga spin ng nuclei i at j, ang simetrya ng kaukulang mol. fragment, dihedral na mga anggulo sa pagitan ng kemikal. mga koneksyon at ang bilang ng mga koneksyon na ito sa pagitan ng nuclei na lumalahok sa SSV.
Kung chem. ang mga shift ay sapat na malaki, ibig sabihin, min max (J ij), pagkatapos ay lumilitaw ang mga SSW sa anyo ng mga simpleng multiplet na may binomial intensity distribution (first order spectra). Kaya, sa ethyl group, ang signal ng methyl protons ay lumilitaw bilang isang triplet na may intensity ratio na 1:2:1, at ang signal ng methylene protons ay lumilitaw bilang quadruplet na may intensity ratio na 1:3:3:1. Sa 13 C NMR spectra, ang mga pangkat ng methine ay mga dobleng (1:1), at mga pangkat ng methylene at methyl, ayon sa pagkakabanggit. triplets at quadruplets, ngunit may mas mataas na halaga ng mga constant ng SSV kaysa sa proton spectra. Chem. ang mga shift sa first-order spectra ay katumbas ng mga pagitan sa pagitan ng mga sentro ng multiplet, at J ij - ang mga distansya sa pagitan ng mga katabing peak ng multiplet. Kung ang kondisyon ng unang-order ay hindi nasiyahan, kung gayon ang spectra ay magiging kumplikado: sa kanila, walang isang solong pagitan, sa pangkalahatan, ay katumbas ng alinman sa J ij. Ang eksaktong mga halaga ng mga spectral na parameter ay nakuha mula sa quantum mechanics. mga kalkulasyon. Ang mga kaukulang programa ay kasama sa banig. pagbibigay ng moderno Mga spectrometer ng NMR. Nilalaman ng impormasyon ng kimika. Ang mga shift at SSV constants ay ginawa ang high-resolution na NMR spectroscopy sa isa sa pinakamahalagang pamamaraan ng kalidad. at dami. pagsusuri ng mga kumplikadong paghahalo, sistema, gamot at komposisyon, pati na rin ang mga pag-aaral ng istraktura at reaksyon. kakayahan ng mga molekula. Kapag nag-aaral ng conformations, degenerate at iba pang dynamic. mga sistema, geom. istraktura ng mga molekula ng protina sa solusyon, na may hindi mapanirang lokal na kemikal. pagsusuri ng mga buhay na organismo, atbp. ang mga kakayahan ng mga pamamaraan ng NMR ay natatangi.

Nuclear magnetization sa isla. Alinsunod sa pamamahagi ng Boltzmann sa dalawang antas na sistema ng pag-ikot ng N spins, ang ratio ng bilang ng mga spin N + sa mas mababang antas sa bilang ng mga spin N - sa itaas na antas ay katumbas ng kung saan ang k ay ang pare-pareho ng Boltzmann; T-t-ra. Sa B 0 = 1 T at T = 300 K para sa mga proton, ang ratio N + /N - .= 1.00005. Tinutukoy ng ratio na ito ang magnitude ng nuclear magnetization ng isang substance na inilagay sa field B 0 . Magn. sandali m ang bawat nucleus ay sumasailalim sa precessional motion na may kaugnayan sa z axis, kung saan nakadirekta ang field B 0; ang dalas ng paggalaw na ito ay katumbas ng dalas ng NMR. Ang kabuuan ng mga projection ng nauunang nuclear moments sa z axis ay bumubuo ng isang macroscopic magnetization sa M z = 10 18 Sa xy plane na patayo sa z axis, ang mga projection ng mga vectors dahil sa randomness ng mga precession phase ay katumbas ng zero: M xy = 0. Ang pagsipsip ng enerhiya sa panahon ng NMR ay nangangahulugan na sa bawat yunit ng oras ay mas maraming spins ang pumasa. mula sa mas mababang antas hanggang sa itaas kaysa sa sa kabaligtaran na direksyon, ibig sabihin, ang pagkakaiba ng populasyon N + - N - bumababa (pagpainit ng sistema ng pag-ikot, NMR saturation). Kapag puspos sa isang nakatigil na mode, ang magnetization ng system ay maaaring tumaas nang malaki. Ito ang tinatawag na Overhauser effect, para sa nuclei na itinalagang NOE (Nuclear Overhauser effect), na malawakang ginagamit upang mapataas ang sensitivity, gayundin upang tantyahin ang mga internuclear na distansya kapag nag-aaral ng mga pier. geometry gamit ang mga pamamaraan ng NMR spectroscopy.

Modelo ng Vector NMR. Kapag nagre-record ng NMR, ang isang radiofrequency field na kumikilos sa xy plane ay inilalapat sa sample. Sa eroplanong ito, ang field B 1 ay maaaring ituring na dalawang vector na may mga amplitude B 1m/2, na umiikot na may dalas sa magkasalungat na direksyon. Ang isang umiikot na coordinate system na x"y"z ay ipinakilala, ang x-axis ay tumutugma sa vector B 1m/ 2, umiikot sa parehong direksyon tulad ng mga vectors. Ang impluwensya nito ay nagdudulot ng pagbabago sa anggulo sa tuktok ng precession cone ng nuclear magnetic moments; nuclear magnetization M z ay nagsisimulang umasa sa oras, at sa x"y" plane isang nonzero projection ng nuclear magnetization ang lilitaw. Sa isang fixed coordinate system, ang projection na ito ay umiikot nang may frequency, ibig sabihin, ang isang radio frequency boltahe ay sapilitan sa inductor, na, pagkatapos ng pagtuklas, ay nagbibigay ng signal ng NMR - ang function ng nuclear magnetization mula sa frequency ay nakikilala sa pagitan ng mabagal na pagbabago (sweep mode) at pulsed NMR. Ang tunay na kumplikadong paggalaw ng nuclear magnetization vector ay lumilikha ng dalawang independiyenteng signal sa x"y" plane: M x, (in phase na may radio frequency voltage B 1) at M y" (shifted relative to B 1 in phase by 90 ° C). Ang sabay-sabay na pagpaparehistro ng M x" at M y" (quadrature detection) ay nagdodoble sa sensitivity ng NMR spectrometer. Na may sapat na malaking amplitude B 1m ng projection M z = M x " = M y " = 0 (NMR saturation). Samakatuwid, sa ilalim ng patuloy na pagkilos ng field B 1, ang amplitude nito ay dapat na napakaliit upang mapanatili ang orihinal na mga kondisyon ng pagmamasid na hindi nagbabago.
Sa pulsed NMR, ang halaga B 1, sa kabaligtaran, ay pinili nang napakalaki na sa panahon ng t at T 2 ang vector M z sa umiikot na sistema ng coordinate ay pinalihis mula sa z axis ng isang anggulo. Sa = 90° ang pulso ay tinatawag na 90° (/2-pulse); sa ilalim ng impluwensya nito, lumilitaw ang nuclear magnetization vector sa x"y" plane, ibig sabihin, Pagkatapos ng pagtatapos ng pulso, ang vector M y" ay nagsisimulang bumaba sa amplitude sa oras T 2 dahil sa phase divergence ng mga constituent elementary vectors nito ( spin-spin relaxation). Ang pagpapanumbalik ng equilibrium nuclear magnetization M z ay nangyayari sa spin-lattice relaxation time T 1. Sa = 180° (pulse), ang vector M z ay umaangkop sa negatibong direksyon ng z axis, na nakakarelaks pagkatapos ng pagtatapos ng ang pulso sa posisyon ng equilibrium nito. Ang mga kumbinasyon ng mga pulso ay malawakang ginagamit sa modernong multi-pulse na mga bersyon ng NMR spectroscopy.
Ang isang mahalagang katangian ng isang umiikot na sistema ng coordinate ay ang pagkakaiba sa mga resonant na frequency sa loob nito at sa isang nakatigil na coordinate system: kung B 1 V lok (static na lokal na field), kung gayon ang vector M ay nauuna sa umiikot na sistema ng coordinate na may kaugnayan sa field. Kapag pinong nakatutok sa resonance, ang dalas ng NMR sa umiikot na sistema ng coordinate Ito ay nagbibigay-daan sa isa na makabuluhang palawakin ang mga kakayahan ng NMR sa pag-aaral ng mabagal na proseso sa bagay.

Chem. exchange at NMR spectra(dynamic na NMR). Ang mga parameter ng dalawang posisyong exchange A B ay ang mga oras ng paninirahan at ang mga probabilidad ng paninirahan at Sa mababang temperatura, ang spectrum ng NMR ay binubuo ng dalawang makitid na linya na pinaghihiwalay ng Hz; pagkatapos, habang bumababa ang mga ito, ang mga linya ay nagsisimulang lumawak, na natitira sa kanilang mga lugar. Kapag ang dalas ng palitan ay nagsimulang lumampas sa unang distansya sa pagitan ng mga linya, ang mga linya ay magsisimulang magkalapit, at kapag lumampas sa 10 beses, isang malawak na linya ang nabuo sa gitna ng pagitan (v A, v B), kung may karagdagang paglaki ng temperatura ang pinagsamang linyang ito ay nagiging makitid. Paghahambing ng mga eksperimento. Ang spectrum na may kinakalkula ay nagpapahintulot sa iyo na ipahiwatig ang eksaktong dalas ng kemikal para sa bawat t-ry. exchange, mula sa mga datos na ito ang thermodynamic ay kinakalkula. mga katangian ng proseso. Sa multi-position exchange sa isang komplikadong NMR spectrum, theoretical. ang spectrum ay nakuha mula sa quantummech. pagkalkula. Dynamic Ang NMR ay isa sa mga pangunahing mga pamamaraan para sa pag-aaral ng stereochemical non-rigidity, conformational equilibria, atbp.

Paikutin sa isang magic anggulo. Pagpapahayag para sa potensyal na pakikipag-ugnayan ng dipole-dipole. naglalaman ng mga multiplier saan ang anggulo sa pagitan ng B 0 at ng internuclear vector r ij. Sa = arccos 3 -1/2 = 54°44" ("magic" na anggulo), ang mga salik na ito ay naglalaho, ibig sabihin, nawawala ang mga katumbas na kontribusyon sa lapad ng linya. Kung paikutin mo ang isang solidong sample sa napakataas na bilis sa paligid ng isang axis na nakahilig sa ilalim ng magic .anggulo sa B 0, pagkatapos ay sa isang solid ay posible na makakuha ng high-resolution na spectra na may mga linya na halos kasing makitid ng sa isang likido.

Malawak na linya sa solids. Sa mga kristal na may matibay na sala-sala, ang hugis ng linya ng NMR ay tinutukoy nang statically. pamamahagi ng lokal na magnetic mga patlang. Lahat ng lattice nuclei, maliban sa cluster, sa translation-invariant volume V 0 sa paligid ng nucleus na isinasaalang-alang, ay nagbibigay ng Gaussian distribution g(v) = exp(-v 2 /2a 2), kung saan ang v ay ang distansya mula sa ang gitna ng linya; Ang lapad ng Gaussian a ay inversely proportional sa average na geom. ang mga volume na V 0 at V 1, at V 1 ay nagpapakilala sa average na magnetic concentration sa buong kristal. mga core. Sa loob ng V 0 ang magnetic concentration. ang nuclei ay mas malaki kaysa sa karaniwan, at ang kalapit na nuclei dahil sa pakikipag-ugnayan ng dipole-dipole. at chem. lumilikha ng isang spectrum na limitado sa pagitan (-b, b), kung saan ang b ay humigit-kumulang dalawang beses na mas malaki kaysa sa a. Sa unang pagtataya, ang spectrum

Ang nuclear magnetic resonance spectroscopy ay isa sa mga pinaka-karaniwan at napaka-sensitibong pamamaraan para sa pagtukoy ng istraktura ng mga organic compound, na nagpapahintulot sa isa na makakuha ng impormasyon hindi lamang tungkol sa qualitative at quantitative na komposisyon, kundi pati na rin ang lokasyon ng mga atom na nauugnay sa bawat isa. Ang iba't ibang mga pamamaraan ng NMR ay may maraming mga posibilidad para sa pagtukoy ng kemikal na istraktura ng mga sangkap, estado ng kumpirmasyon ng mga molekula, mga epekto ng magkaparehong impluwensya, at mga pagbabagong intramolecular.

Ang pamamaraan ng nuclear magnetic resonance ay may ilang mga natatanging tampok: sa kaibahan sa optical molecular spectra, ang pagsipsip ng electromagnetic radiation ng isang sangkap ay nangyayari sa isang malakas na pare-parehong panlabas na magnetic field. Bukod dito, upang magsagawa ng pag-aaral ng NMR, dapat matugunan ng eksperimento ang ilang kundisyon na sumasalamin sa mga pangkalahatang prinsipyo ng spectroscopy ng NMR:

1) Ang pagtatala ng spectra ng NMR ay posible lamang para sa atomic nuclei na may sariling magnetic moment o tinatawag na magnetic nuclei, kung saan ang bilang ng mga proton at neutron ay kakaiba na ang mass number ng isotope nuclei ay kakaiba. Ang lahat ng nuclei na may kakaibang mass number ay may spin I, ang halaga nito ay 1/2. Kaya para sa nuclei 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R ang spin value ay katumbas ng 1/2, para sa nuclei 7 Li, 23 Na, 39 K at 4 l R ang spin ay katumbas ng 3/2 . Ang nuclei na may even na mass number ay maaaring walang spin kung pantay ang nuclear charge, o may mga integer spin value kung kakaiba ang charge. Tanging ang mga nuclei na ang spin ay I 0 ang makakagawa ng NMR spectrum.

Ang pagkakaroon ng spin ay nauugnay sa sirkulasyon ng atomic charge sa paligid ng nucleus, samakatuwid, ang isang magnetic moment ay lumitaw. μ . Ang umiikot na singil (halimbawa, isang proton) na may angular na momentum J ay lumilikha ng magnetic moment μ=γ*J . Ang angular nuclear momentum J at ang magnetic moment μ na nagmumula sa panahon ng pag-ikot ay maaaring kinakatawan bilang mga vectors. Ang kanilang pare-parehong ratio ay tinatawag na gyromagnetic ratio γ. Ito ang pare-pareho na tumutukoy sa resonant frequency ng core (Fig. 1.1).

Figure 1.1 - Ang umiikot na singil na may angular moment J ay lumilikha ng magnetic moment μ=γ*J.

2) sinusuri ng pamamaraan ng NMR ang pagsipsip o paglabas ng enerhiya sa ilalim ng hindi pangkaraniwang mga kondisyon ng pagbuo ng spectrum: sa kaibahan sa iba pang mga pamamaraan ng parang multo. Ang NMR spectrum ay naitala mula sa isang sangkap na matatagpuan sa isang malakas na pare-parehong magnetic field. Ang nasabing nuclei sa isang panlabas na larangan ay may iba't ibang mga potensyal na halaga ng enerhiya depende sa ilang posibleng (quantized) na mga anggulo ng oryentasyon ng vector μ na may kaugnayan sa panlabas na magnetic field na lakas ng vector H 0 . Sa kawalan ng panlabas na magnetic field, ang magnetic moments o spins ng nuclei ay walang partikular na oryentasyon. Kung ang magnetic nuclei na may spin 1/2 ay inilagay sa isang magnetic field, kung gayon ang ilan sa mga nuclear spins ay matatagpuan parallel sa mga linya ng magnetic field, ang iba pang bahagi ay antiparallel. Ang dalawang oryentasyong ito ay hindi na energetically equivalent at ang mga spins ay sinasabing ibinahagi sa dalawang energy level.

Ang mga spin na may magnetic moment na naka-orient sa kahabaan ng +1/2 field ay itinalaga ng simbolo | α >, na may oryentasyong antiparallel sa panlabas na field -1/2 - simbolo | β > (Larawan 1.2) .

Figure 1.2 - Pagbubuo ng mga antas ng enerhiya kapag ang isang panlabas na field H 0 ay inilapat.

1.2.1 NMR spectroscopy sa 1 H nuclei. Mga Parameter ng PMR spectra.

Upang matukoy ang data ng 1H NMR spectra at magtalaga ng mga signal, ang mga pangunahing katangian ng spectra ay ginagamit: chemical shift, spin-spin interaction constant, integrated signal intensity, signal width [57].

A) Paglipat ng kemikal (C.C). Skala ng H.S Ang chemical shift ay ang distansya sa pagitan ng signal na ito at ng signal ng reference substance, na ipinahayag sa mga bahagi bawat milyon ng panlabas na lakas ng field.

Ang Tetramethylsilane [TMS, Si(CH 3) 4], na naglalaman ng 12 katumbas ng istruktura, mataas na may kalasag na mga proton, ay kadalasang ginagamit bilang pamantayan para sa pagsukat ng mga kemikal na pagbabago ng mga proton.

B) Palagiang interaksyon ng spin-spin. Sa high-resolution na NMR spectra, ang signal splitting ay sinusunod. Ang paghahati o pinong istraktura na ito sa high-resolution na spectra ay nagreresulta mula sa mga interaksyon ng spin-spin sa pagitan ng magnetic nuclei. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito, kasama ang paglipat ng kemikal, ay nagsisilbing pinakamahalagang mapagkukunan ng impormasyon tungkol sa istraktura ng mga kumplikadong organikong molekula at ang pamamahagi ng ulap ng elektron sa kanila. Hindi ito nakasalalay sa H0, ngunit nakasalalay sa elektronikong istraktura ng molekula. Ang signal ng isang magnetic nucleus na nakikipag-ugnayan sa isa pang magnetic nucleus ay nahahati sa ilang linya depende sa bilang ng mga spin state, i.e. depende sa spins ng nuclei I.

Ang distansya sa pagitan ng mga linyang ito ay nagpapakilala sa spin-spin coupling energy sa pagitan ng nuclei at tinatawag na spin-spin coupling constant n J, kung saan n-ang bilang ng mga bono na naghihiwalay sa nakikipag-ugnayang nuclei.

May mga direktang constant J HH, geminal constants 2 J HH , vicinal constants 3 J HH at ilang long-range constants 4 J HH , 5 J HH .

- Ang mga geminal constants 2 J HH ay maaaring parehong positibo at negatibo at sumasakop sa saklaw mula -30 Hz hanggang +40 Hz.

Ang vicinal constants 3 J HH ay sumasakop sa hanay na 0 20 Hz; sila ay halos palaging positibo. Ito ay itinatag na ang vicinal na pakikipag-ugnayan sa mga puspos na sistema ay napakalakas na nakasalalay sa anggulo sa pagitan ng mga bono ng carbon-hydrogen, iyon ay, sa anggulo ng dihedral - (Fig. 1.3).

Figure 1.3 - Dihedral angle φ sa pagitan ng carbon-hydrogen bond.

Long-range na interaksyon ng spin-spin (4 J HH , 5 J HH ) - pakikipag-ugnayan ng dalawang nuclei na pinaghihiwalay ng apat o higit pang mga bono; ang mga pare-pareho ng naturang pakikipag-ugnayan ay karaniwang mula 0 hanggang +3 Hz.

Talahanayan 1.1 – Mga constant ng interaksyon ng spin-spin

B) Pinagsamang intensity ng signal. Ang lugar ng mga signal ay proporsyonal sa bilang ng magnetic nuclei na tumutunog sa isang ibinigay na lakas ng field, upang ang ratio ng mga lugar ng mga signal ay nagbibigay ng kamag-anak na bilang ng mga proton ng bawat structural variety at tinatawag na integrated signal intensity. Ang mga modernong spectrometer ay gumagamit ng mga espesyal na integrator, ang mga pagbabasa na kung saan ay naitala sa anyo ng isang curve, ang taas ng mga hakbang na kung saan ay proporsyonal sa lugar ng kaukulang mga signal.

D) Lapad ng mga linya. Upang makilala ang lapad ng mga linya, kaugalian na sukatin ang lapad sa layo na kalahati ng taas mula sa zero na linya ng spectrum. Ang lapad ng linya na sinusunod sa eksperimento ay binubuo ng natural na lapad ng linya, na nakasalalay sa istraktura at kadaliang kumilos, at ang pagpapalawak dahil sa mga instrumental na dahilan

Ang karaniwang lapad ng linya sa PMR ay 0.1-0.3 Hz, ngunit maaari itong tumaas dahil sa overlap ng mga katabing transition, na hindi eksaktong nag-tutugma, ngunit hindi nareresolba bilang magkahiwalay na mga linya. Posible ang pagpapalawak sa pagkakaroon ng nuclei na may spin na mas malaki sa 1/2 at palitan ng kemikal.

1.2.2 Application ng 1 H NMR data upang matukoy ang istraktura ng mga organikong molekula.

Kapag nilulutas ang isang bilang ng mga problema ng pagsusuri sa istruktura, bilang karagdagan sa mga talahanayan ng mga empirical na halaga, ang Kh.S. Maaaring kapaki-pakinabang ang pagbilang ng mga epekto ng mga kalapit na substituent sa Ch.S. ayon sa panuntunan ng additivity ng mga epektibong kontribusyon sa screening. Sa kasong ito, ang mga substituent na hindi hihigit sa 2-3 mga bono ang layo mula sa isang naibigay na proton ay karaniwang isinasaalang-alang, at ang pagkalkula ay ginawa gamit ang formula:

δ=δ 0 +ε i *δ i (3)

kung saan ang δ 0 ay ang chemical shift ng mga proton ng karaniwang grupo;

Ang δi ay ang kontribusyon ng screening ng substituent.

1.3 NMR spectroscopy 13 C. Pagkuha at mga mode ng recording spectra.

Ang mga unang ulat ng obserbasyon ng 13 C NMR ay lumitaw noong 1957, ngunit ang pagbabago ng 13 C NMR spectroscopy sa isang praktikal na ginagamit na paraan ng analytical na pananaliksik ay nagsimula nang maglaon.

Magnetic resonance 13 C at 1 H ay magkapareho, ngunit mayroon ding mga makabuluhang pagkakaiba. Ang pinakakaraniwang carbon isotope 12 C ay may I=0. Ang 13 C isotope ay may I=1/2, ngunit ang natural na nilalaman nito ay 1.1%. Ito ay kasama ng katotohanan na ang gyromagnetic ratio ng 13 C nuclei ay 1/4 ng gyromagnetic ratio para sa mga proton. Na binabawasan ang sensitivity ng pamamaraan sa mga eksperimento sa pagmamasid sa 13 C NMR ng 6000 beses kumpara sa 1 H nuclei.

a) nang hindi pinipigilan ang pakikipag-ugnayan ng spin-spin sa mga proton. Ang 13 C NMR spectra na nakuha sa kawalan ng kumpletong pagsugpo ng spin-spin resonance na may mga proton ay tinawag na high-resolution na spectra. Ang spectra na ito ay naglalaman ng kumpletong impormasyon tungkol sa 13 C - 1 H constants. Sa medyo simpleng mga molekula, ang parehong uri ng mga constant - direkta at long-range - ay matatagpuan nang simple. Kaya ang 1 J (C-H) ay 125 - 250 Hz, gayunpaman, ang interaksyon ng spin-spin ay maaari ding mangyari sa mas malalayong proton na may mga constant na mas mababa sa 20 Hz.

b) kumpletong pagsugpo sa pakikipag-ugnayan ng spin-spin sa mga proton. Ang unang pangunahing pag-unlad sa larangan ng 13 C NMR spectroscopy ay nauugnay sa paggamit ng kumpletong pagsugpo sa pakikipag-ugnayan ng spin-spin sa mga proton. Ang paggamit ng kumpletong pagsugpo sa interaksyon ng spin-spin sa mga proton ay humahantong sa pagsasama ng mga multiplet sa pagbuo ng mga linya ng singlet kung walang ibang magnetic nuclei sa molekula, tulad ng 19 F at 31 P.

c) hindi kumpletong pagsugpo ng pakikipag-ugnayan ng spin-spin sa mga proton. Gayunpaman, ang paggamit ng mode ng kumpletong decoupling mula sa mga proton ay may mga kakulangan nito. Dahil ang lahat ng carbon signal ay nasa anyo na ngayon ng mga singlet, ang lahat ng impormasyon tungkol sa mga constant ng interaksyon ng spin-spin 13 C- 1 H. Ang isang paraan ay iminungkahi na ginagawang posible na bahagyang maibalik ang impormasyon tungkol sa mga direktang spin-spin na mga constant ng interaksyon 13 C- 1 H at sa parehong oras ay nagpapanatili ng higit pang bahagi ng mga benepisyo ng broadband decoupling. Sa kasong ito, lilitaw ang mga splitting sa spectra dahil sa mga direktang constant ng interaksyon ng spin-spin 13 C - 1 H. Ginagawang posible ng pamamaraang ito na makita ang mga signal mula sa mga hindi na-protonated na carbon atom, dahil ang huli ay walang mga proton na direktang nauugnay sa 13 C at lumilitaw sa spectra na may hindi kumpletong decoupling mula sa mga proton bilang singlet.

d) modulasyon ng patuloy na pakikipag-ugnayan ng CH, JMODCH spectrum. Ang isang tradisyunal na problema sa 13C NMR spectroscopy ay ang pagtukoy sa bilang ng mga proton na nauugnay sa bawat carbon atom, ibig sabihin, ang antas ng protonation ng carbon atom. Ang bahagyang pagsugpo ng mga proton ay ginagawang posible na malutas ang carbon signal mula sa multiplicity na dulot ng long-range spin-spin interaction constants at makakuha ng signal splitting dahil sa direktang 13 C-1 H coupling constants. Gayunpaman, sa kaso ng strongly coupled spin systems AB at ang overlap ng mga multiplet sa OFFR mode ay nagpapahirap sa hindi malabo na paglutas ng mga signal.