Ядерный магнитный резонанс. Области применения ЯМР
МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
резонансное (избирательное) поглощение радиочастотного излучения некоторыми атомными частицами, помещенными в постоянное магнитное поле. Большинство элементарных частиц, подобно волчкам, вращаются вокруг собственной оси. Если частица обладает электрическим зарядом, то при ее вращении возникает магнитное поле, т.е. она ведет себя подобно крошечному магниту. При взаимодействии этого магнитика с внешним магнитным полем происходят явления, позволяющие получить информацию о ядрах, атомах или молекулах, в состав которых входит данная элементарная частица. Метод магнитного резонанса представляет собой универсальный инструмент исследований, применяемый в столь различных областях науки, как биология, химия, геология и физика. Различают магнитные резонансы двух основных видов: электронный парамагнитный резонанс и ядерный магнитный резонанс.
См.
также
МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА ;
ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ .
Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР).
ЭПР был открыт в 1944 русским физиком Е.К.Завойским. Электроны в веществах ведут себя как микроскопические магниты. В разных веществах они переориентируются по-разному, если поместить вещество в постоянное внешнее магнитное поле и воздействовать на него радиочастотным полем. Возврат электронов к исходной ориентации сопровождается радиочастотным сигналом, который несет информацию о свойствах электронов и их окружении. Такой метод, представляющий собой один из видов спектроскопии, применяется при исследовании кристаллической структуры элементов, химии живых клеток, химических связей в веществах и т.д.
См. также
СПЕКТР ; СПЕКТРОСКОПИЯ .
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР).
ЯМР был открыт в 1946 американскими физиками Э. Перселлом и Ф. Блохом. Работая независимо друг от друга, они нашли способ резонансной "настройки" в магнитных полях собственных вращений ядер некоторых атомов, например водорода и одного из изотопов углерода. Когда образец, содержащий такие ядра, помещают в сильное магнитное поле, их ядерные моменты "выстраиваются" подобно железным опилкам вблизи постоянного магнита. Эту общую ориентацию можно нарушить радиочастотным сигналом. По выключении сигнала ядерные моменты возвращаются в исходное состояние, причем быстрота такого восстановления зависит от их энергетического состояния, типа окружающих ядер и ряда других факторов. Переход сопровождается испусканием радиочастотного сигнала. Сигнал подается на компьютер, который обрабатывает его. Таким путем (метод компьютерной ЯМР-томографии) можно получить изображения. (При изменении внешнего магнитного поля малыми ступенями достигается эффект трехмерного изображения.) Метод ЯМР обеспечивает высокую контрастность разных мягких тканей на изображении, что крайне важно для выявления больных клеток на фоне здоровых. ЯМР-томография считается более безопасной, нежели рентгеновская, поскольку не вызывает ни разрушения, ни раздражения тканей
(см. также РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ). ЯМР позволяет также изучать живые клетки, не нарушая их жизнедеятельности. Поэтому следует ожидать, что применение ЯМР в клинической медицине будет расширяться. См. также ХИРУРГИЯ.
Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .
Смотреть что такое "МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС" в других словарях:
Избират. поглощение веществом эл. магн. волн определённой частоты w, обусловленное изменением ориентации магн. моментов частиц вещества (электронов, ат. ядер). Энергетич. уровни частицы, обладающей магн. моментом m, во внеш. магн. поле H… … Физическая энциклопедия
Избират. поглощение в вом эл. магн. волн определ. частоты w, обусловленное изменением ориентации магн. моментов ч ц в ва (эл нов, ат. ядер). Энергетич. уровни ч цы, обладающей магн. моментом m, во внеш. магн. поле Н расщепляются на магн.… … Физическая энциклопедия
магнитный резонанс - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN magnetic resonance … Справочник технического переводчика
Избирательное поглощение веществом электромагнитных волн определённой длины волны, обусловленное изменением ориентации магнитных моментов электронов или атомных ядер. Энергетические уровни частицы, обладающей магнитным моментом (См.… … Большая советская энциклопедия
Избират. поглощение эл. магн. излучения определённой частоты со в вом, находящимся во внеш. магн. поле. Обусловлен переходами между магн. подуровнями одного уровня энергии атома, ядра и др. квантовых систем. Наиб. важные примеры таких резонансов… … Естествознание. Энциклопедический словарь
магнитный резонанс - избирательное поглощение веществом электромагнитных волн определенной частоты, обусловленное изменением ориентации магнитных моментов частиц вещества; Смотри также: Резонанс ядерный магнитный резонанс (ЯМР) … Энциклопедический словарь по металлургии
магнитный резонанс - magnetinis rezonansas statusas T sritis chemija apibrėžtis Tam tikro dažnio elektromagnetinių bangų atrankioji sugertis medžiagoje. atitikmenys: angl. magnetic resonance rus. магнитный резонанс … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
- (ЯМР), избирательное поглощение эл. магн. энергии в вом, обусловленное ядерным парамагнетизмом. ЯМР один из методов радиоспектроскопии, наблюдается, когда на исследуемый образец действуют взаимно перпендикулярные магн. поля: сильное постоянное Н0 … Физическая энциклопедия
Изображение мозга человека на медицинском ЯМР томографе Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν… … Википедия
- (АЯМР), избирательное поглощение энергии акустич. колебаний (фононов), обусловленное переориентацией магн. моментов ат. ядер в тв. теле, помещённом в постоянное магн. поле. Для большинства ядер резонансное поглощение наблюдается в области УЗ… … Физическая энциклопедия
Книги
- Магнитный резонанс в химии и медицине , Р. Фримэн. Монография известного ученого в области ЯМР-спектроскопии Р. Фримэна сочетает в себе наглядность рассмотрения основных принципов магнитного резонанса в химии и медицине (биологии) с высоким…
ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
(ЯМР),
явление резонансного поглощения радиочастотной электромагн. энергии в-вом
с ненулевыми магн. моментами ядер, находящимся во внеш. постоянном мага.
поле. Ненулевым ядерным магн. моментом обладают ядра 1 Н,
2 Н,
13 С,
14 N, 15 N, 19 F,
29 Si,
31 P
и др. ЯМР обычно наблюдается в однородном постоянном магн. поле В 0 ,
на к-рое накладывается слабое радиочастотное поле В 1
перпендикулярное полю В 0 .
Для в-в, у к-рых ядерный
спин I= 1 / 2 (1 H,
13 C,
15 N,
19 F, 29 Si, 31 P и др.), в поле В 0
возможны две ориентации магн. дипольного момента ядра
"по полю" и "против поля". Возникающие два уровня энергии Е за счет
взаимод. магн. момента ядра с полем В 0
разделены
интервалом
При условии, что
илигде h
- постоянная Планка , v 0 - частота радиочастотного
поля В 1 ,
- круговая частота,-
т. наз. гиромагн. отношение ядра, наблюдается резонансное поглощение энергии
поля B 1 ,
названное ЯМР. Для нуклидов 1 H,
13 C,
31 Р
частоты ЯМР в поле В 0 = 11,7 Тл равны соотв. (в МГц):
500, 160,42 и 202,4; значения
(в МГц/Тл): 42,58, 10,68 и 17,24. Согласно квантовой модели в поле В 0 возникает
2I+1 уровней энергии, переходы между к-рыми разрешены при
где т - магн. квантовое число.
Техника эксперимента. Параметры спектров ЯМР. На явлении ЯМР основана спектроскопия ЯМР . Спектры ЯМР регистрируют с помощью радиоспектрометров (рис.). Образец исследуемого в-ва помещают как сердечник в катушку генерирующего контура (поле B 1), расположенного в зазоре магнита, создающего поле В 0 так, что При наступает резонансное поглощение, что вызывает падение напряжения на контуре, в схему к-рого включена катушка с образцом. Падение напряжения детектируется, усиливается и подается на развертку осциллографа или записывающее устройство. В совр. радиоспектрометрах ЯМР обычно используют мага, поля напряженностью 1-12 Тл. Область спектра, в к-рой имеется детектируемый сигнал с одним или неск. максимумами, наз. линией поглощения ЯМР. Ширина наблюдаемой линии, измеренная на половине макс. интенсивности и выраженная в Гц, наз. шириной линии ЯМР. Разрешение спектра ЯМР - миним. ширина линии ЯМР, к-рую позволяет наблюдать данный спектрометр. Скорость прохождения - скорость (в Гц/с), с к-рой изменяется напряженность магн. поля или частота воздействующего на образец радиочастотного излучения при получении спектра ЯМР.
Схема спектрометра ЯМР: 1 - катушка с образцом; 2 - полюса магнита; 3 -генератор радиочастотного поля; 4 -усилитель и детектор; 5 - генератор модулирующего напряжения; 6 - катушки модуляции поля В 0 ; 7 - осциллограф.
Поглощенную энергию система перераспределяет
внутри себя (т. наз. спин-спиновая, или поперечная релаксация ; характеристич.
время Т 2) и отдает в окружающую среду (спин-решеточная
релаксация , время релаксации Т 1). Времена Т 1 и
Т 2 несут информацию о межъядерных расстояниях
и временах корреляции разл. мол. движений. Измерения зависимости Т 1 и
Т 2 от т-ры и частоты v 0 дают информацию
о характере теплового движения, хим. равновесиях , фазовых переходах и др.
В твердых телах с жесткой решеткой Т 2 = 10 мкс,
а Т 1 > 10 3 с, т. к. регулярный механизм спин-решеточной
релаксации отсутствует и релаксация обусловлена парамагн. примесями. Из-за
малости
Т 2 естественная ширина линии ЯМР весьма
велика (десятки кГц), их регистрация -область ЯМР широких линий. В жидкостях
малой вязкости Т 1 T 2 и
измеряется секундами. Соотв. линии ЯМР имеют ширину порядка 10 -1
Гц (ЯМР высокого разрешения). Для неискаженного воспроизведения формы линии
надо проходить через линию шириной 0,1 Гц в течение 100 с. Это накладывает
существенные ограничения на чувствительность спектрометров ЯМР.
Основной параметр спектра ЯМР - хим. сдвиг-
взятое с соответствующим знаком отношение разности частот наблюдаемого
сигнала ЯМР и нек-рого условно выбранного эталонного сигнала к.-л. стандарта
к частоте эталонного сигнала (выражается в миллионных долях, м. д.). Хим.
сдвиги ЯМР измеряют в безразмерных величинах
отсчитанных от пика эталонного сигнала. Если стандарт дает сигнал на частоте
v 0 ,
то
В
зависимости от природы исследуемых ядер различают протонный ЯМР, или ПМР,
и ЯМР 13 С (таблицы величин хим. сдвигов приведены на форзацах
тома),. ЯМР 19 F (см. Фторорганические соединения), ЯМР 31 Р
(см. Фосфорорганические соединения)и т. д. Величины
обладают существенной характеристичностью и позволяют определять по спектрам
ЯМР наличие определенных мол. фрагментов. Соответствующие данные о хим.
сдвигах разл. ядер публикуются в справочных и учебных пособиях, а также
заносятся в базы данных, к-рыми снабжаются совр. спектрометры ЯМР. В рядах
близких по строению соединений хим. сдвиг прямо пропорционален электронной
плотности на соответствующих ядрах.
Общепринятый стандарт для ПМР и ЯМР 13 С
- тетраметилсилан (ТМС). Стандарт м. б. растворен в исследуемом р-ре (внутр.
эталон) или помещен, напр., в запаянный капилляр, находящийся внутри ампулы
с образцом (внеш. эталон). В качестве р-рителей могут использоваться лишь
такие, чье собственное поглощение не перекрывается с областью, представляющей
интерес для исследования. Для ПМР лучшие р-рители - те, что не содержат
протонов (СС1 4 , CDC1 3 , CS 2 ,
D 2 O
и др.).
В многоатомных молекулах ядра одинаковых
атомов , занимающих химически неэквивалентные положения, имеют различающиеся
хим. сдвиги, обусловленные различием магн. экранирования ядер валентными
электронами (такие ядра наз. анизохронными). Для i-го ядра
где-
постоянная диамагн. экранирования, измеряемая в м. д. Для протонов типичный
интервал изменений-
до 20 м. д., для более тяжелых ядер эти интервалы на 2-3 порядка больше.
Важный параметр спектров ЯМР - константа
спин-спинового взаимод. (константа ССВ) - мера непрямого ССВ между разл.
магн. ядрами одной молекулы (см. Спин-спиновое взаимодействие);
выражается
в Гц.
Взаимод. ядерных спинов со спинами электронов ,
содержащимися в молекуле между ядрами i и j, приводят к взаимной
ориентации этих ядер в поле В 0 (ССВ). При достаточном
разрешении
ССВ приводит к дополнит. мультиплетности линий, отвечающих определенным
значениям хим. сдвигов:
где J ij - константы ССВ; F ij - величины,
значения к-рых определяются спинами ядер i и j, симметрией
соответствующего мол. фрагмента, диэдральными углами между хим. связями
и числом этих связей между ядрами, участвующими в ССВ.
Если хим. сдвиги достаточно велики, т.
е. min max
(J ij), то ССВ проявляются в виде простых мультиплетов
с биномиальным распределением интенсивностей (спектры первого порядка).
Так в этильной группе сигнал метильных протонов проявляется в виде триплета
с соотношением интенсивностей 1:2:1, а сигнал метиленовых протонов - в
виде квадруплета с соотношением интенсивностей 1:3:3:1. В спектрах ЯМР 13 С
метиновые группы - дублеты (1:1), а метиленовые и метильные - соотв. триплеты
и квадруплеты, но с большими, чем в протонных спектpax, значениями констант
ССВ. Хим. сдвиги в спектрах первого порядка равны интервалам между центрами
мультиплетов, а J ij - расстояниям между соседними пиками
мультиплета. Если условие первого порядка не выполняется, то спектры становятся
сложными: в них ни один интервал, вообще говоря, не равен ни
ни J ij . Точные значения параметров спектров получают
из квантовомех. расчетов. Соответствующие программы входят в мат. обеспечение
совр. спектрометров ЯМР. Информативность хим. сдвигов и констант ССВ превратила
спектроскопию ЯМР высокого разрешения в один из важнейших методов качеств.
и количеств. анализа сложных смесей, систем, препаратов и композиций, а
также исследования строения и реакц. способности молекул . При изучении
конформаций , вырожденных и др. динамич. систем, геом. структуры белковых
молекул в р-ре, при неразрушающем локальном хим. анализе живых организмов
и т. п. возможности методов ЯМР уникальны.
Ядерная намагниченность в-ва.
В
соответствии с распределением Больцмана в двухуровневой спин-системе из
N
спинов отношение числа спинов N + на нижнем уровне
к числу спинов N - на верхнем уровне равно
где k - постоянная Больцмана ; Т - т-ра. При В 0
= 1 Тл и Т=300 К для протонов отношение N + /N - .=
1,00005.
Это отношение и определяет величину ядерной намагниченности в-ва, помещенного
в поле B 0 . Магн. момент
m
каждого ядра совершает прецессионное движение относительно оси z, вдоль
к-рой направлено поле B 0 ; частота этого движения равна
частоте ЯМР. Сумма проекций прецессирующих ядерных моментов на ось z
образует
макроскопич. намагниченность в-ва
M z = 10 18
В плоскости ху, перпендикулярной оси z, проекции векторов из-за
случайности фаз прецессии равны нулю: М xy = 0. Поглощение
энергии при ЯМР означает, что в единицу времени с нижнего уровня на верхний
переходит больше спинов , чем в обратном направлении, т. е. разность населенностей
N + -
N - убывает (нагрев спин-системы, насыщение ЯМР). При
насыщении в стационарном режиме намагниченность системы может сильно возрасти.
Это - т. наз. эффект Оверхаузера, для ядер обозначаемый NOE (Nuclear Overhauser
effect), к-рый широко применяется для повышения чувствительности, а также
для оценки межъядерных расстояний при изучении мол. геометрии методами
спектроскопии ЯМР .
Векторная модель ЯМР.
При регистрации
ЯМР на образец накладывают радиочастотное поле
, действующее в плоскости ху. В этой плоскости поле В 1 можно
рассматривать как два вектора с амплитудами В 1т/ 2,
вращающихся
с частотой
в противоположных направлениях. Вводят вращающуюся систему координат x"y"z,
ось
х"
к-рой совпадает с вектором В 1т/ 2,
вращающимся
в том же направлении, что и векторы
Его воздействие вызывает изменение угла при вершине конуса прецессии ядерных
магн. моментов; ядерная намагниченность М z начинает зависеть
от времени, а в плоскости х"у" появляется отличная от нуля проекция
ядерной намагниченности. В неподвижной системе координат эта проекция вращается
с частотой
т. е. в катушке индуктивности наводится радиочастотное напряжение, к-рое
после детектирования и дает сигнал ЯМР - ф-цию ядерной намагниченности
от частоты
различают медленное изменение (свип-режим) и импульсный ЯМР. Реальное сложное
движение вектора ядерной намагниченности создает в плоскости х"у" два
независимых сигнала: М х, (синфазный с радиочастотным
напряжением В 1)и М у" (сдвинутый
относительно B 1 по фазе на 90 °С). Одновременная регистрация
М х" и
M y" (квадратурное детектирование) вдвое повышает чувствительность
спектрометра ЯМР. При достаточно большой амплитуде В 1т проекции
М z = М х" =М у" =0(насыщение ЯМР).
Поэтому при непрерывном действии поля В 1 его амплитуда
должна быть весьма малой, чтобы сохранить неизменными исходные условия
наблюдения.
В импульсном ЯМР величина
В 1 ,наоборот,
выбирается настолько большой, чтобы за время t и Т 2 отклонить
во вращающейся системе координат вектор M z от оси z на
угол .
При= 90° импульс
называют 90°-ным (/2-импульс);
под его воздействием вектор ядерной намагниченности оказывается в плоскости
х"у",
т.
е. После
окончания импульса вектор M y" начинает убывать по амплитуде
со временем Т 2 благодаря расхождению по фазе составляющих
его элементарных векторов
(спин-спиновая релаксация). Восстановление равновесной ядерной намагниченности
М z
происходит со временем спин-решеточной релаксации
T 1 .
При= 180°
(импульс) вектор
M z
укладывается вдоль отрицат. направления оси z, релаксируя после окончания
импульса к своему равновесному положению. Комбинации
иимпульсов
широко используются в совр. многоимпульсных вариантах спектроскопии ЯМР .
Важной особенностью вращающейся системы
координат является различие резонансных частот в ней и в неподвижной системе
координат: если B 1 В лок (статич.
локальное поле), то вектор М прецессирует во вращающейся системе
координат относительно поля
При точной настройке в резонанс частота ЯМР во вращающейся системе координат
Это позволяет существенно расширить возможности ЯМР при исследовании медленных
процессов в в-ве.
Хим. обмен и спектры ЯМР
(динамич.
ЯМР). Параметрами двухпозиционного обмена А
В служат времена пребывания
и а также
вероятности пребывания
иПри
низкой т-ре спектр ЯМР состоит из двух узких линий, отстоящих на
Гц; затем при уменьшении
и линии
начинают уширяться, оставаясь на своих местах. Когда частота обмена
начинает превышать исходное расстояние между линиями, линии начинают сближаться,
а при 10-кратном превышении образуется одна широкая линия в центре интервала
(v A , v B), если
При дальнейшем росте т-ры эта объединенная линия становится узкой. Сопоставление
эксперим. спектра с расчетным позволяет для каждой т-ры указать точную
частоту хим. обмена, по этим данным вычисляют термодинамич. характеристики
процесса. При многопозиционном обмене в сложном спектре ЯМР теоретич. спектр
получают из квантовомех. расчета. Динамич. ЯМР - один из осн. методов изучения
стереохим. нежесткости, конформационных равновесий и т. п.
Вращение под магическим углом.
Выражение
для потенциала диполь-дипольного взаимод. содержит множители
где - угол
между В 0 и межъядерным вектором r ij .
При=arccos
3 -1/2 = 54°44" ("магический" угол) эти множители обращаются
в нуль, т. е. исчезают соответствующие вклады в ширину линии. Если закрутить
твердый образец с очень большой скоростью вокруг оси, наклоненной под магич.
углом к В 0 , то в твердом теле можно получить спектры
высокого разрешения с почти столь же узкими линиями, как в жидкости .
Широкие линии в твердых телах . В кристаллах с жесткой решеткой форма линии ЯМР обусловлена статич. распределением локальных магн. полей. Все ядра решетки, за исключением кластера , в трансляционно-инвариантном объеме V 0 вокруг рассматриваемого ядра, дают гауссово распределение g(v) = exp(-v 2 /2a 2), где v - расстояние от центра линии; ширина гауссианы а обратно пропорциональна среднему геом. объемов V 0 и V 1 ,причем V 1 характеризует среднюю по всему кристаллу концентрацию магн. ядер. Внутри V 0 концентрация магн. ядер больше средней, и ближние ядра благодаря диполь-дипольному взаимод. и хим. сдвигам создают спектр, ограниченный на интервале (-b, b), где b примерно вдвое больше а. В первом приближении спектр
Сайт предоставляет справочную информацию исключительно для ознакомления. Диагностику и лечение заболеваний нужно проходить под наблюдением специалиста. У всех препаратов имеются противопоказания. Консультация специалиста обязательна!
Общие сведения
Явление ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) было обнаружено в 1938 г. Раби Исааком. В основе явления лежит наличие у ядер атомов магнитных свойств. И только в 2003 году был изобретен способ использования этого явления в диагностических целях в медицине. За изобретение его авторы получили Нобелевскую премию. При спектроскопии изучаемое тело (то есть тело пациента ) помещается в электромагнитное поле и облучается радиоволнами. Это совершенно безопасный метод (в отличие, например, от компьютерной томографии ), который обладает очень высокой степенью разрешающей способности и чувствительностью.Применение в экономике и науке
1. В химии и физике для идентификации веществ, принимающих участие в реакции, а также конечных результатов реакций,2. В фармакологии для производства лекарств,
3. В сельском хозяйстве для определения химического состава зерна и готовности к высеву (очень полезно при селекции новых видов ),
4. В медицине - для диагностики . Очень информативный метод для диагностики заболеваний позвоночника , особенно межпозвоночных дисков. Дает возможность обнаружить даже самые малые нарушения целостности диска. Выявляет раковые опухоли на ранних стадиях образования.
Суть метода
Метод ядерно-магнитного резонанса основан на том, что в момент, когда тело находится в особо настроенном очень сильном магнитном поле (в 10000 раз сильнее, чем магнитное поле нашей планеты ), молекулы воды, присутствующие во всех клетках организма, формируют цепочки, расположенные параллельно направлению магнитного поля.Если же внезапно изменить направление поля, молекула воды выделяет частичку электричества. Именно эти заряды фиксируются датчиками прибора и анализируются компьютером. По интенсивности концентрации воды в клетках, компьютер создает модель того органа или части тела, которая изучается.
На выходе врач имеет монохромное изображение, на котором можно увидеть тонкие срезы органа в мельчайших подробностях. По степени информативности данный метод значительно превышает компьютерную томографию. Иногда деталей об исследуемом органе выдается даже больше, чем нужно для диагностики.
Виды магнитно-резонансной спектроскопии
- Биологических жидкостей,
- Внутренних органов.
Методика магнитно-резонансной перфузии дает возможность проконтролировать движение крови через ткани печени и головного мозга .
На сегодняшний день в медицине более широко используется название МРТ (магнитно-резонансная томография ), так как упоминание ядерной реакции в названии пугает пациентов.
Показания
1. Заболевания головного мозга,2. Исследования функций отделов головного мозга,
3. Заболевания суставов,
4. Заболевания спинного мозга,
5. Заболевания внутренних органов брюшной полости,
6. Заболевания системы мочевыведения и воспроизводства,
7. Заболевания средостения и сердца ,
8. Заболевания сосудов.
Противопоказания
Абсолютные противопоказания:1. Кардиостимулятор ,
2. Электронные или ферромагнитные протезы среднего уха,
3. Ферромагнитные аппараты Илизарова,
4. Крупные металлические внутренние протезы,
5. Кровоостанавливающие зажимы сосудов головного мозга.
Относительные противопоказания:
1.
Стимуляторы нервной системы,
2.
Инсулиновые насосы,
3.
Другие виды внутренних ушных протезов,
4.
Протезы сердечных клапанов,
5.
Кровоостанавливающие зажимы на других органах,
6.
Беременность (необходимо получить заключение гинеколога
),
7.
Сердечная недостаточность в стадии декомпенсации,
8.
Клаустрофобия (боязнь замкнутого пространства
).
Подготовка к исследованию
Специальная подготовка требуется только тем пациентам, которые идут на обследование внутренних органов (мочеполовых и пищеварительного тракта ): не следует употреблять пищу за пять часов до процедуры.Если обследованию подвергается голова, представительницам прекрасного пола рекомендуется снять макияж, так как вещества, входящие в косметику (например, в тени для век ), могут повлиять на результат. Все металлические украшения следует с себя снять.
Иногда медицинский персонал проверяет пациента с помощью портативного металлоискателя.
Как проводится исследование?
Перед началом исследования каждый пациент заполняет анкету, помогающую обнаружить противопоказания.Прибор представляет собой широкую трубу, в которую помещают пациента в горизонтальном положении. Пациент должен сохранять полную неподвижность, иначе изображение не получится достаточно четким. Внутри трубы не темно и есть приточная вентиляция, так что условия для прохождения процедуры достаточно комфортны. Некоторые установки производит ощутимый гул, тогда исследуемому лицу надеваются шумопоглощающие наушники.
Длительность обследования может составлять от 15 минут до 60 минут.
В некоторых медицинских центрах разрешается, чтобы помещении, где проводится исследование, вместе с пациентом находился его родственник или сопровождающий (если у него нет противопоказаний
).
В некоторых медицинских центрах анестезиолог проводит введение успокоительных препаратов. Процедура в таком случае переносится намного легче, особенно это касается больных, страдающих клаустрофобией, маленьких детей или пациентов, которым по каким-то причинам тяжело находиться в неподвижном состоянии. Пациент впадает в состояние лечебного сна и выходит из него отдохнувшим и бодрым. Используемые препараты быстро выводятся из организма и безопасны для пациента.
Результат обследования готов уже через 30 минут после окончания процедуры. Результат выдается в виде DVD-диска, заключения врача и снимков.
Использование контрастного вещества при ЯМР
Чаще всего процедура проходит без использования контраста. Однако в некоторых случаях это необходимо (для исследования сосудов ). В таком случае контрастное вещество вливается внутривенно с использованием катетера. Процедура аналогична любой внутривенной инъекции. Для этого вида исследования применяются особые вещества – парамагнетики . Это слабые магнитные вещества, частицы которых, находясь во внешнем магнитном поле, намагничиваются параллельно линиям поля.Противопоказания к использованию контрастного вещества:
- Беременность,
- Индивидуальная непереносимость компонентов контрастного вещества, выявленная ранее.
Исследование сосудов (магнитно-резонансная ангиография)
С помощью этого метода можно проконтролировать как состояние кровеносной сети, так и движение крови по сосудам.Несмотря на то, что метод дает возможность «увидеть» сосуды и без контрастного вещества, с его использованием изображение получается более наглядным.
Специальные 4-D установки дают возможность практически в реальном времени проследить за движением крови.
Показания:
- Врожденные пороки сердца ,
- Аневризма , расслоение ее,
- Стеноз сосудов,
Исследование головного мозга
Это исследование головного мозга, не использующее радиоактивные лучи. Метод позволяет увидеть кости черепа, но более детально можно рассмотреть мягкие ткани. Отличный диагностический метод в нейрохирургии, а также неврологии. Дает возможность обнаружить последствия застарелых ушибов и сотрясений , инсультов , а также новообразования.Назначается обычно при мигренеподобных состояниях непонятной этиологии, нарушении сознания, новообразованиях, гематомах , нарушении координации.
При ЯМР головного мозга исследуются:
- основные сосуды шеи,
- кровеносные сосуды, питающие головной мозг,
- ткани головного мозга,
- орбиты глазниц,
- более глубоко находящиеся части головного мозга (мозжечок, эпифиз, гипофиз , продолговатый и промежуточный отделы ).
Функциональная ЯМР
Данная диагностика основана на том, что при активизации какого-либо отдела головного мозга, отвечающего за определенную функцию, усиливается кровообращение в этой области.Обследуемому человеку даются различные задания, и во время их выполнения фиксируется кровообращение в разных частях головного мозга. Полученные в ходе экспериментов данные сравниваются с томограммой, полученной в период покоя.
Исследование позвоночника
Этот метод замечательно подходит для исследования нервных окончаний, мышц, костного мозга и связок, а также межпозвоночных дисков. Но при переломах позвоночника или необходимости исследования костных структур, он несколько уступает компьютерной томографии.Можно обследовать весь позвоночник, а можно только беспокоящий отдел: шейный, грудной, пояснично-крестцовый, а также отдельно копчик. Так, при обследовании шейного отдела можно обнаружить патологии сосудов и позвонков, которые влияют на кровоснабжение головного мозга.
При обследовании поясничного отдела можно обнаружить межпозвонковые грыжи , костные и хрящевые шипы, а также ущемления нервов.
Показания:
- Изменение формы межпозвонковых дисков, в том числе грыжи,
- Травмы спины и позвоночника,
- Остеохондроз , дистрофические и воспалительные процессы в костях,
- Новообразования.
Исследование спинного мозга
Проводится одновременно с обследованием позвоночника.Показания:
- Вероятность новообразований спинного мозга, очаговое поражение,
- Для контроля над заполнением спинномозговой жидкостью полостей спинного мозга,
- Кисты спинного мозга,
- Для контроля над восстановлением после операций,
- При вероятности заболеваний спинного мозга.
Исследование суставов
Данный метод исследования очень эффективен для исследования состояния мягких тканей, входящих в состав сустава.Используется для диагностики:
- Хронических артритов ,
- Травм сухожилий, мускул и связок (особенно часто используется в спортивной медицине ),
- Переломов,
- Новообразований мягких тканей и костей,
- Повреждений, не обнаруживаемых иными методами диагностики.
- Обследовании тазобедренных суставов при остеомиелите , некрозе головки бедренной кости, стрессовом переломе, артрите септического характера,
- Обследовании коленных суставов при стрессовых переломах, нарушении целостности некоторых внутренних составляющих (менисков, хрящей ),
- Обследовании сустава плеча при вывихах , ущемлении нервов, разрыве капсулы сустава,
- Обследовании лучезапястного сустава при нарушении стабильности, множественных переломах, ущемлении срединного нерва, повреждении связок.
Исследование височно-нижнечелюстного сустава
Назначается для определения причин нарушения в функции сустава. Данное исследование наиболее полно раскрывает состояние хрящей и мышц, дает возможность обнаружить вывихи. Применяется и перед ортодонтическими или ортопедическими операциями.Показания:
- Нарушение подвижности нижней челюсти,
- Щелчки при открывании – закрывании рта,
- Боли в виске при открывании – закрывании рта,
- Боль при прощупывании жевательной мускулатуры,
- Боль в мускулатуре шеи и головы.
Исследование внутренних органов брюшной полости
Обследование поджелудочной железы и печени назначается при:- Неинфекционной желтухе ,
- Вероятности новообразования печени, перерождения, абсцесса , кист, при циррозе ,
- В качестве контроля над ходом лечения,
- При травматических разрывах,
- Камнях в желчном пузыре или желчных протоках,
- Панкреатите любой формы,
- Вероятности новообразований,
- Ишемии органов паренхимы.
Обследование почек назначается при:
- Подозрении на новообразование,
- Заболеваниях органов и тканей, находящихся возле почек,
- Вероятности нарушения формирования органов мочевыведения,
- В случае невозможности проведения экскреторной урографии.
Исследование при заболеваниях системы воспроизводства
Обследования малого таза назначаются при:- Вероятности новообразования матки , мочевого пузыря, простаты,
- Травмах,
- Новообразованиях малого таза для выявления метастазов,
- Болях в области крестца,
- Везикулите,
- Для обследования состояния лимфатических узлов.
За час до исследования нежелательно мочиться, так как изображение будет более информативным, если мочевой пузырь несколько заполнен.
Исследование в период беременности
Несмотря на то, что этот метод исследования намного более безопасен, чем рентген или компьютерная томография, категорически не разрешается использовать его в первом триместре беременности.Во втором и третьем триместрах данных метод назначают только по жизненным показаниям. Опасность процедуры для организма беременной женщины заключается в том, что во время процедуры некоторые ткани нагреваются, что может вызвать нежелательные изменения в формировании плода.
А вот использование контрастного вещества во время беременности запрещено категорически на любой стадии вынашивания.
Меры предосторожности
1. Некоторые ЯМР установки созданы по типу закрытой трубы. У людей, страдающих боязнью замкнутого пространства, может начаться приступ. Поэтому лучше заранее поинтересоваться тем, как будет проходить процедура. Существуют установки открытого типа. Они представляют собой помещение, похожее на рентгеновский кабинет, но такие установки встречаются нечасто.2.
В помещение, где находится прибор, запрещено входить с металлическими предметами и электронными приборами (например, часами, украшениями, ключами
), так как в мощном электромагнитом поле электронные приборы могут сломаться, а мелкие металлические предметы будут разлетаться. Одновременно с этим будут получены не совсем корректные данные обследования.
Под термином «магнитный резонанс» понимается избирательное (резонансное) поглощение энергии переменного электромагнитного поля электронной или ядерной подсистемой вещества, подверженного действию постоянного магнитного поля. Механизм поглощения связан с квантовыми переходами в этих подсистемах между дискретными уровнями энергии, возникающими в присутствии магнитного поля.
Магнитные резонансы подразделяются обычно на пять видов: 1)циклотронный резонанс (ЦР); 2) электронный парамагнитный резонанс (ЭПР); 3) ядерный магнитный резонанс (ЯМР); 4) электронный ферромагнитный резонанс; 5) электронный антиферромагнитный резонанс.
Циклотронный резонанс . При ЦР наблюдается избирательное поглощение энергии электромагнитного поля в полупроводниках и металлах, находящихся в постоянном магнитном поле, обусловленное квантовыми переходами электронов между энергетическими уровнями Ландау. На такие эквидистантные уровни расщепляется квазинепрерывный энергетический спектр электронов проводимости во внешнем магнитном поле.
Суть физического механизма ЦР можно понять и в рамках классической теории. Свободный электрон движется в постоянном магнитном поле (направленном вдоль оси ) по спиральной траектории вокруг линий магнитной индукции с циклотронной частотой
где и - соответственно величина заряда и эффективная масса электрона. Включим теперь радиочастотное поле с частотой и с вектором перпендикулярным к (например, вдоль оси ). Если электрон имеет подходящую фазу своего движения по спирали, то, поскольку частота его вращения совпадает с частотой внешнего поля, он будет ускоряться, и спираль будет расширяться. Ускорение электрона означает увеличение его энергии, которое происходит за счет передачи ее от радиочастотного поля. Таким образом, резонансное поглощение возможно при выполнении следующих условий:
частота внешнего электромагнитного поля, энергия которого поглощается, должна совпадать с циклотронной частотой электронов ;
вектор напряженности электрического поля электромагнитной волны должен иметь компоненту, нормальную к направлению постоянного магнитного поля ;
среднее время свободного пробега электронов в кристалле должно превышать период циклотронных колебаний .
Метод ЦР используется для определения эффективной массы носителей в полупроводниках. По полуширине линии ЦР можно определить характерные времена рассеяния, и, тем самым, установить подвижность носителей. По площади линии можно установить концентрацию носителей заряда в образце.
Электронный парамагнитный резонанс . Явление ЭПР заключается в резонансном поглощении энергии электромагнитного поля в парамагнитных образцах, помещенных в постоянное магнитное поле , нормальное к магнитному вектору электромагнитного поля. Физическая сущность явления заключается в следующем.
Магнитный момент атома, имеющего неспаренные электроны, определяется выражением (5.35). В магнитном поле энергетические уровни атома благодаря взаимодействию магнитного момента с магнитным полем расщепляются на подуровни с энергией
где представляет собой магнитное квантовое число атома и принимает значение
Из (5.52) видно, что число подуровней равно , а расстояние между подуровнями составляет
Переходы атомов с низких на более высокие уровни могут происходить под действием внешнего электромагнитного поля. Согласно квантовомеханическим правилам отбора разрешенными переходами являются такие, при которых магнитное квантовое число изменяется на единицу, то есть . Следовательно, квант энергии такого поля должен равняться расстоянию между подуровнями
Соотношение (5.55) является условием ЭПР. Переменное магнитное поле резонансной частоты с одинаковой вероятностью будет вызывать переходы с нижних магнитных подуровней на верхние (поглощение) и наоборот (излучение). В состоянии термодинамического равновесия связь между заселенностями и двух соседних уровней определяется законом Больцмана
Из (5.56) видно, что состояния с более низкой энергией имеют большую населенность (). Поэтому число атомов, поглощающих кванты электромагнитного поля, в этих условиях будет преобладать над числом излучающих атомов; в итоге система будет поглощать энергию электромагнитного поля, что приводит к росту . Однако благодаря взаимодействию с решеткой поглощаемая энергия в виде тепла передается решетке, и обычно настолько быстро, что при используемых частотах отношение очень слабо отличается от своего равновесного значения (5.56).
Частоты ЭПР могут быть определены из (5.55). Подставляя значение и считая (чисто спиновый момент), получим для резонансной частоты
Из (5.57) видно, что в полях от до 1 Тл резонансные частоты лежат в интервале Гц, то есть в радиочастотной и СВЧ областях.
Условие резонанса (5.55) относится к изолированным атомам, обладающими магнитными моментами. Однако оно остается справедливым и для системы атомов, если взаимодействие между магнитными моментами пренебрежимо мало. Такой системой является кристалл парамагнетика, в котором магнитные атомы находятся на больших расстояниях один от другого.
Явление ЭПР было предсказано в 1923г. Я.Г.Дорфманом и экспериментально обнаружено в 1944 р. Е.К.Завойским. В настоящее время ЭПР используется как один из самых мощных методов изучения твердого тела. На основе интерпретации спектров ЭПР получают информацию о дефектах, примесях в твердых телах и электронной структуре, о механизмах химических реакций и т.д. На явлении ЭПР построены парамагнитные усилители и генераторы.
Ядерный магнитный резонанс . Тяжелые элементарные частицы - протоны и нейтроны (нуклоны), а, следовательно, построенные из них атомные ядра обладают собственными магнитными моментами, которые служат источником ядерного магнетизма. Роль элементарного магнитного момента по аналогии с электроном здесь играет ядерный магнетон Бора
Атомное ядро обладает магнитным моментом
где – -фактор ядра, – спиновое число ядра, которое принимает полуцелые и целые значения:
0, 1/2, 1, 3/2, 2, ... . (5.60)
Проекция ядерного магнитного момента на ось z произвольно выбранной системы координат определяется соотношением
Здесь магнитное квантовое число при известном принимает значений:
В отсутствие внешнего магнитного поля все состояния с различными имеют одинаковую энергию, следовательно, являются вырожденными. Атомное ядро с отличным от нуля магнитным моментом, помещенное во внешнее постоянное магнитное поле , испытывает пространственное квантование, и его -кратно вырожденный уровень расщепляется в зеемановский мультиплет, уровни которого обладают энергиями
Если после этого на ядро воздействовать переменным полем, квант энергии которого равен расстоянию между уровнями (5.63)
то возникает резонансное поглощение энергии атомными ядрами, которое называется ядерным парамагнитным резонансом или просто ядерным магнитным резонансом .
В силу того, что много меньше , резонансная частота ЯМР заметно меньше частоты ЭПР. Так ЯМР в полях порядка 1 Тл наблюдается в области радиочастот.
ЯМР как метод исследования ядер, атомов и молекул получил разнообразные применения в физике, химии, биологии, медицине, технике, в частности, для измерения напряженности магнитных полей.
Традиционный метод ЯМР-спектроскопии имеет множество недостатков. Во-первых, он требует большого количества времени для построения каждого спектра. Во-вторых, он очень требователен к отсутствию внешних помех, и, как правило, получаемые спектры имеют значительные шумы. В-третьих, он непригоден для создания спектрометров высоких частот. Поэтому в современных приборах ЯМР используется метод так называемой импульсной спектроскопии, основанной на фурье-преобразованиях полученного сигнала.
В настоящее время все ЯМР-спектрометры строятся на основе мощных сверхпроводящих магнитов с постоянной величиной магнитного поля.
Сущность ЯМР-интроскопии (или магнитно-резонансной томографии) заключается в реализации особого рода количественного анализа по амплитуде сигнала ядерного магнитного резонанса. В методах ЯМР-интроскопии магнитное поле создается заведомо неоднородным. Тогда есть основание ожидать, что частота ядерного магнитного резонанса в каждой точке образца имеет свое собственное значение, отличающееся от значений в других частях. Задав какой-либо код для градаций амплитуды ЯМР-сигналов (яркость или цвет на экране монитора), можно получить условное изображение (томограмму) срезов внутренней структуры объекта.
Ферро- и антиферромагнитный резонанс . Физическая сущность ферромагнитного резонанса заключается в том, что под действием внешнего магнитного поля , намагничивающего ферромагнетик до насыщения, полный магнитный момент образца начинает прецессировать вокруг этого поля с ларморовой частотой , зависящей от поля. Если на такой образец наложить высокочастотное электромагнитное поле, перпендикулярное , и изменять его частоту , то при наступает резонансное поглощение энергии поля. Поглощение при этом на несколько порядков выше, чем при парамагнитном резонансе, потому что магнитная восприимчивость, а, следовательно, и магнитный момент насыщения в них много выше, чем у парамагнетиков.
Особенности резонансных явлений в ферро- и антиферромагнетиках определяются в первую очередь тем, что в таких веществах имеют дело не с изолированными атомами или сравнительно слабо взаимодействующими ионами обычных парамагнитных тел, а со сложной системой сильно взаимодействующих электронов. Обменное (электростатическое) взаимодействие создает большую результирующую намагниченность, а с ней и большое внутреннее магнитное поле, что существенно изменяет условия резонанса (5.55).
От ЭПР ферромагнитный резонанс отличается тем, что поглощение энергии в этом случае на много порядков сильнее и условие резонанса (связь между резонансной частотой переменного поля и величиной постоянного магнитного поля) существенно зависит от формы образцов.
На явлении ферромагнитного резонанса основаны многие СВЧ-устройства: резонансные вентили и фильтры, парамагнитные усилители, ограничители мощности и линии задержки.
Антиферромагнитный резонанс (электронный магнитный резонанс в антиферромагнетиках ) – явление относительно большого избирательного отклика магнитной системы антиферромагнетика на воздействие электромагнитного поля с частотой (10-1000 ГГц), близкой к собственным частотам прецессии векторов намагниченности магнитных подрешеток системы. Это явление сопровождается сильным поглощением энергии электромагнитного поля.
С квантовой точки зрения антиферромагнитный резонанс можно рассматривать как резонансное превращение фотонов электромагнитного поля в магноны с волновым вектором .
Для наблюдения антиферромагнитного резонанса используются радиоспектрометры, аналогичные применяемым для изучения ЭПР, но позволяющие проводить измерения на высоких (до 1000 ГГц) частотах и в сильных (до 1 МГс) магнитных полях. Наиболее перспективны спектрометры, в которых сканируется не магнитное поле, а частота. Получили распространение оптические методы детектирования антиферромагнитного резонанса .
Ядерный магнитный резонанс
Я́дерный магни́тный резона́нс (ЯМР ) - резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащимядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер. Явление ядерного магнитного резонанса было открыто в 1938 году Исааком Раби в молекулярных пучках, за что он был удостоен нобелевской премии 1944 года . В 1946 году Феликс Блох и Эдвард Миллз Парселл получили ядерный магнитный резонанс в жидкостях и твердых телах (нобелевская премия 1952 года). .
Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения.
Мат.описание Магнитный момент ядра мю=у*l где l- спин яра; у- постоянная планка Частота, на которой наблюдается ЯМР
Химическая поляризация ядер
При протекании некоторых химических реакций в магнитном поле в спектрах ЯМР продуктов реакции обнаруживается либо аномально большое поглощение, либо радиоизлучение. Этот факт свидетельствует о неравновесном заселении ядерных зеемановских уровней в молекулах продуктов реакции. Избыточная заселённость нижнего уровня сопровождается аномальным поглощением. Инверсная заселённость (верхний уровень заселён больше нижнего) приводит к радиоизлучению. Данное явление называется химической поляризацией ядер
В ЯМР используется для усиления ядерной намагниченности Ларморовские частоты некоторых атомных ядер
|
ядро |
Ларморовская частота в МГц при 0,5 Тесла |
Ларморовская частота в МГц при 1 Тесла |
Ларморовская частота в МГц при 7,05 Тесла |
|
1 H (Водород ) |
|||
|
²D (Дейтерий ) |
|||
|
13 C (Углерод ) |
|||
|
23 Na (Натрий ) |
|||
|
39 K (Калий ) |
Частота для резонанса протонов находится в диапазоне коротких волн (длина волн около 7 м) .
Применение ЯМР
Спектроскопия
ЯМР-спектроскопия
Приборы
Сердцем спектрометра ЯМР является мощный магнит. В эксперименте, впервые осуществленном на практике Пёрселлом, образец, помещенный в стеклянную ампулу диаметром около 5 мм, заключается между полюсами сильного электромагнита. Затем, для улучшения однородности магнитного поля, ампула начинает вращаться, а магнитное поле, действующее на нее, постепенно усиливают. В качестве источника излучения используется радиочастотный генератор высокой добротности. Под действием усиливающегося магнитного поля начинают резонировать ядра, на которые настроен спектрометр. При этом экранированные ядра резонируют на частоте чуть меньшей, чем ядра, лишенные электронных оболочек. Поглощение энергии фиксируется радиочастотным мостом и затем записывается самописцем. Частоту увеличивают до тех пор, пока она не достигнет некого предела, выше которого резонанс невозможен.
Так как идущие от моста токи весьма малы, снятием одного спектра не ограничиваются, а делают несколько десятков проходов. Все полученные сигналы суммируются на итоговом графике, качество которого зависит от отношения сигнал/шум прибора.
В данном методе образец подвергается радиочастотному облучению неизменной частоты, в то время как сила магнитного поля изменяется, поэтому его еще называют методом непрерывного облучения (CW, continous wave).
Традиционный метод ЯМР-спектроскопии имеет множество недостатков. Во-первых, он требует большого количества времени для построения каждого спектра. Во-вторых, он очень требователен к отсутствию внешних помех, и как правило, получаемые спектры имеют значительные шумы. В-третьих, он непригоден для создания спектрометров высоких частот (300, 400, 500 и более МГц). Поэтому в современных приборах ЯМР используется метод так называемой импульсной спектроскопии (PW), основанной на фурье-преобразованияхполученного сигнала. В настоящее время все ЯМР-спектрометры строятся на основе мощных сверхпроводящих магнитов с постоянной величиной магнитного поля.
В отличие от CW-метода, в импульсном варианте возбуждение ядер осуществляют не «постоянной волной», а с помощью короткого импульса, продолжительностью несколько микросекунд. Амплитуды частотных компонент импульса уменьшаются с увеличением расстояния от ν 0 . Но так как желательно, чтобы все ядра облучались одинаково, необходимо использовать «жесткие импульсы», то есть короткие импульсы большой мощности. Продолжительность импульса выбирают так, чтобы ширина частотной полосы была больше ширины спектра на один-два порядка. Мощность достигает нескольких тысяч ватт.
В результате импульсной спектроскопии получают не обычный спектр с видимыми пиками резонанса, а изображение затухающих резонансных колебаний, в котором смешаны все сигналы от всех резонирующих ядер - так называемый «спад свободной индукции» (FID, free induction decay ). Для преобразования данного спектра используют математические методы, так называемое фурье-преобразование, по которому любая функция может быть представлена в виде суммы множества гармонических колебаний.
Спектры ЯМР
Спектр 1 H 4-этоксибензальдегида. В слабом поле (синглет ~9,25 м.д) сигнал протона альдегидной группы, в сильном (триплет ~1,85-2 м.д.) - протонов метила этоксильной группы.
Для качественного анализа c помощью ЯМР используют анализ спектров, основанный на таких замечательных свойствах данного метода:
сигналы ядер атомов, входящих в определенные функциональные группы, лежат в строго определенных участках спектра;
интегральная площадь, ограниченная пиком, строго пропорциональна количеству резонирующих атомов;
ядра, лежащие через 1-4 связи, способны давать мультиплетные сигналы в результате т. н. расщепления друг на друге.
Положение сигнала в спектрах ЯМР характеризуют химическим сдвигом их относительно эталонного сигнала. В качестве последнего в ЯМР 1 Н и 13 С применяют тетраметилсилан Si(CH 3) 4 (ТМС). Единицей химического сдвига является миллионная доля (м.д.) частоты прибора. Если принять сигнал ТМС за 0, а смещение сигнала в слабое поле считать положительным химическим сдвигом, то мы получим так называемую шкалу δ. Если резонанс тетраметилсилана приравнять 10 м.д. и обратить знаки на противоположные, то результирующая шкала будет шкалой τ, практически не используемой в настоящее время. Если спектр вещества слишком сложен для интерпретирования, можно воспользоваться квантовохимическими методами расчета констант экранирования и на их основании соотнести сигналы.
ЯМР-интроскопия
Явление ядерного магнитного резонанса можно применять не только в физике и химии, но и в медицине: организм человека - это совокупность все тех же органических и неорганических молекул.
Чтобы наблюдать это явление, объект помещают в постоянное магнитное поле и подвергают действию радиочастотных и градиентных магнитных полей. В катушке индуктивности, окружающей исследуемый объект, возникает переменная электродвижущая сила (ЭДС), амплитудно-частотный спектр которой и переходные во времени характеристики несут информацию о пространственной плотности резонирующих атомных ядер, а также о других параметрах, специфических только для ядерного магнитного резонанса. Компьютернаяобработка этой информации формирует объёмное изображение, которое характеризует плотность химически эквивалентных ядер, времена релаксации ядерного магнитного резонанса, распределение скоростей потока жидкости, диффузию молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.
Сущность ЯМР-интроскопии (или магнитно-резонансной томографии) состоит, по сути дела, в реализации особого рода количественного анализа по амплитуде сигнала ядерного магнитного резонанса. В обычной ЯМР-спектроскопии стремятся реализовать, по возможности, наилучшее разрешение спектральных линий. Для этого магнитные системы регулируются таким образом, чтобы в пределах образца создать как можно лучшую однородность поля. В методах ЯМР-интроскопии, напротив, магнитное поле создается заведомо неоднородным. Тогда есть основание ожидать, что частота ядерного магнитного резонанса в каждой точке образца имеет свое собственное значение, отличающееся от значений в других частях. Задав какой-либо код для градаций амплитуды ЯМР-сигналов (яркость или цвет на экране монитора), можно получить условное изображение (томограмму) срезов внутренней структуры объекта.
ЯМР-интроскопия, ЯМР-томография впервые в мире изобретены в 1960 г. В. А. Ивановым. Заявку на изобретение (способ и устройство) некомпетентный эксперт отклонил «… ввиду явной бесполезности предлагаемого решения», поэтому авторское свидетельство на это было выдано лишь более чем через 10 лет. Таким образом, официально признано, что автором ЯМР-томографии является не коллектив нижеуказанных нобелевских лауреатов, а российский учёный. Невзирая на этот юридический факт, Нобелевская премия была присуждена за ЯМР-томографию вовсе не В. А. Иванову.