Ядерный магнитный резонанс. ЯМР-интроскопия

(магнито-резонансная томография)

Ядерный магнитный резонанс не относится к разделу физики атомов и молекул, однако рассматривается в одной главе с ЭПР как явление магнитного резонанса.

Магнитный момент ядер суммируется из магнитных моментов нуклонов. Обычно этот момент выражают в ядерных магнетонах (m_я); m_я = 5,05 • 10^-27 А • м². Магнитный момент протона прибли­женно равен р_тn = 2,79m_я, а нейтрона р_тп = -1,91m_я. Знак «-» означает, что магнитный момент нейтрона ориентирован противоположно спину.

Приведем магнитные моменты р_тя некоторых ядер, выраженные в ядерных магнетонах.

Таблица 32

	ртя			ртя
	-1,2			5,5

Магнитный момент ядра, помещенного в магнитное поле, может принимать лишь дискретную ориентацию. Это означает, что энергии ядра будут соответствовать подуровни, расстояние между которыми зависит от индукции магнитного поля.

Если в этих условиях на ядро воздействовать электромагнитным полем, то можно вызвать переходы между подуровнями. Чтобы осуществить эти переходы, а также поглощение энергии электромагнитного поля, необходимо выполнение условия, аналогичного (25.9):

h n = g _яm_я В, (25.10)

где g _я — ядерный множитель Ланде.

Избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер, называют ядерным магнитным резонансом.

ЯМР можно наблюдать при выполнении условия (25.10) лишь для свободных атомных ядер. Экспериментальные значения резонансных частот ядер, находящихся в атомах и молекулах, не соответствуют (25.10). При этом происходит «химический сдвиг», который возникает в результате влияния локального (местного) магнитного поля, создаваемого внутри атома электронными токами, индуцированными внешним магнитным полем. В результате такого «диамагнитного эффекта» возникает дополнительное магнитное поле, индукция которого пропорциональна индукции внешнего магнитного поля, но противоположна ему по направлению. Поэтому полное эффективное магнитное поле, действующее на ядро, характеризуется индукцией

В _эф = (1 - s) В, (25.11)

где s — постоянная экранирования, по порядку величины равная 10^-6 и зависящая от электронного окружения ядер.

Отсюда следует, что для данного типа ядер, находящихся в различных окружениях (разные молекулы или разные, не эквивалентные места одной и той же молекулы), резонанс наблюдается при различных частотах. Это и определяет химический сдвиг. Он зависит от природы химической связи, электронного строения молекул, концентрации данного вещества, типа растворителя, температуры и т. д.

Если два или несколько ядер в молекуле экранированы по-разному, т. е. ядра в молекуле занимают химически не эквивалентные положения, то они имеют различный химический сдвиг. Спектр ЯМР такой молекулы содержит столько резонансных линий, сколько химически не эквивалентных групп ядер данного типа в ней имеется. Интенсивность каждой линии пропорциональна числу ядер в данной группе.

В спектрах ЯМР различают два типа линий по их ширине. Спектры твердых тел имеют большую ширину, и эту область применения ЯМР называют ЯМР широких линий. В жидкостях наблюдают узкие линии, и это называют ЯМР высокого разрешения.

На рис. 25.8 изображены кривые ядерного магнитного резонанса для твердых тел (а) и жидкостей (б). Острота пика в жидкостях обусловлена следующим. Каждое ядро взаимодействует со своими соседями. Так как ориентация ядерных магнитных моментов, окружающих ядро данного типа, изменяется от точки к точке в веществе, то полное магнитное поле, действующее на различные однотипные ядра, также изменяется. Это означает, что для всей совокупности ядер область резонанса должна представлять собой широкую линию. Однако из-за быстрых перемещений молекул в жидкости локальные магнитные поля не­долговечны. Это приводит к тому, что ядра жидкости находятся под воздействием одного и того же среднего поля, поэтому линия резонанса является резкой.

Для химических соединений, в которых наблюдается ЯМР ядер, занимающих химически эквивалентные места в молекуле, наблюдается одиночная линия. Соединения более сложного строения дают спектры из многих линий.

По химическому сдвигу, числу и положению спектральных линий можно установить структуру молекул.

Химики и биохимики широко используют метод ЯМР для исследования структуры от простейших молекул неорганических веществ до сложнейших молекул живых объектов, а также при решении многих задач, связанных с протеканием химических реакций, изучением структур исходных веществ и получающихся в результате реакций продуктов. Одним из преимуществ этого ана­лиза является то, что он не разрушает объектов исследования, как это происходит, например, при химическом анализе.

Спектрометр ЯМР (ЭПР). В зазор между полюсами электромагнита, создающего однородное постоянное поле высокой напряженности, помещают ампулу с образцом. Ампула окружена катушкой, в которую пропущен переменный ток для создания радиочастотного электромагнитного поля. Далее теоретически безразлично, будем ли мы плавно изменять частоту этого электромагнитного поля n, оставляя постоянной напряженность магнитного поля H_o, либо, напротив, изменять H_o при постоянной n. Имеются приборы, основанные на обоих принципах. Если изменяют H_o, то при некотором значении H_o происходит поглощение энергии образцом, причем сила тока в катушке падает. Это изменение усиливается и передается на самописец или осциллограф.

		А- ампула с образцом М - магнит Г - генератор У - усилитель О - осциллограф С - самописец

Применения ЭПР - обнаружение и исследование свободных радикалов (например, концентрацию их в воздушной среде), для изучения фотохимических процессов (фотосинтеза), для изучения биологических молекул методом спин-меток и др.

Очень интересные возможности для медицины может дать определение параметров спектра ЯМР во многих точках образца. Посте­пенно, послойно проходя весь образец (сканируя), можно получить полное представление о пространственном распределении молекул, содержащих, например, атомы водорода или фосфора (при магнитном резонансе от протонов или ядер фосфора соответственно).

Все это осуществляется без разрушения образца, и поэтому можно проводить исследование на живых объектах. Такой метод называют ЯМР-интроскопией или магнито-резонансной томографией (МРТ). Интроскопия (от лат. intro – внутри и «скопия») – визуальное наблюдение предметов или процессов внутри оптических непрозрачных тел, в непрозрачных тел, в непрозрачных средах (веществах).

Картину пространственного расположения отдельных видов молекул в организме получают методом ЯМР-томографии (интроскопии). В его основе лежит создание с помощью последовательно приложенных градиентов магнитного поля по различным направлениям такого распределения магнитного поля, чтобы в данный момент различным элементам объема в пределах изучаемого сечения соответствовали слои, определенные для их местоположения частоты резонанса. Изменение градиентов во времени и обработка результатов изменений с помощью ЭВМ позволяют получить пространственную картину распределения молекул, содержащих, например, атомы водорода или фосфора (при наблюдениях магнитного резонанса от протонов или ядер фосфора) в пределах изучаемого сечения.

Достоинством метода ЯМР-томографии является его высокая чувствительность в изображении мягких тканей, а также высокая разрешающая способность, вплоть до долей миллиметра. В отличие от рентгеновской томографии ЯМР-томография позволяет получить изображение исследуемого объекта в любом сечении.

На этой основе могут быть реконструированы объемные изображения отдельных органов.Он позволяет различать кости, сосуды, нормальные ткани и ткани со злокачественной патологией. ЯМР-интроскопия позволяет различать изображение мягких тканей, например, отличает изображение серого вещества мозга от белого, опухолевых клеток от здоровых, при этом минимальные размеры патологических «включений» могут составлять доли миллиметра. Можно ожидать, что ЯМР-интроскопия станет эффективным методом диагностики заболеваний, которые связаны с изменением состояний органов и тканей.

Частота электромагнитных волн, вызывающих переходы между энергетическими состояниями при ЭПР и ЯМР, соответствует радиодиапазону. Поэтому оба этих явления относятся к радиоспектроскопии.

У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Но такие переходы могут осуществляться индуцированно под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой кванта, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом наблюдается поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом.

Дата добавления: 2014-01-07