Сегодня все чаще пациентов направляют не на рентгенографию или УЗИ, а на ядерную магниторезонансную томографию. В основе такого метода исследования лежит магнетизм ядра. Рассмотрим, что такое , какие ее преимущества и в каких случаях она проводится.
Этот метод диагностики основан на ядерном магнитном резонансе. Во внешнем магнитном поле ядро атома водорода, или протон, находится в двух взаимно противоположных состояниях. Изменить направление магнитного момента ядра можно, подействовав на него электромагнитными лучами с некоторой определенной частотой.
Помещение протона во внешнее магнитное поле вызывает изменение его магнитного момента с возвращением в исходное положение. При этом выделяется определенное количество энергии. фиксирует изменение количества такой энергии.
Томограф использует очень сильные магнитные поля. Электромагниты обычно способны развивать магнитное поле напряженностью 3, иногда до 9 Тл. Оно является полностью безвредным для человека. Система томографа позволяет локализировать направленность магнитного поля с тем, чтобы получить наиболее качественные изображения.
Ядерно магнитный томограф
Способ диагностики основывается на фиксации электромагнитного отклика ядра атома (протона), происходящего из-за возбуждения его электромагнитными волнами в высоконапряженном магнитном поле. Впервые о магнитно резонансной томографии заговорили еще в 1973 году. Тогда американский ученый П. Латербур предложил провести исследование объекта в изменяющемся магнитном поле. Работы этого ученого послужили началу новой эры в медицине.
С помощью магнитно резонансного томографа стало возможным изучать ткани и полости организма человека благодаря степени насыщенности тканей водородом.
Часто применяются магнито-резонансные контрастные вещества. Чаще всего это препараты гадолиния, которые способны изменять отклик протонов.
Термин «ядерная МР томография» существовал до 1986 года.
В связи с радиобоязнью у населения в связи с катастрофой на Чернобыльской атомной электростанции из названия нового метода диагностики решено было убрать слово «ядерный». Впрочем, это позволило магнито-резонансной томографии быстро войти в практику диагностики многих заболеваний. На сегодня этот метод является ключевым в определении множества еще недавно труднодиагностируемых заболеваний.
При проведении МРТ используется очень сильное магнитное поле. И хотя оно не опасно для человека, все же врачу и пациенту нужно придерживаться определенных правил.
Прежде всего, перед процедурой диагностики пациент заполняет специальную анкету. В ней он указывает состояние здоровья, а также ведомости о себе. Обследование делается в специально подготовленном помещении с кабинкой для переодевания и личных вещей.
Чтобы не навредить самому себе, а также для обеспечения правильности результатов пациент должен снять с себя все вещи, которые содержат металл, оставить в шкафчике для личных вещей мобильные телефоны, кредитные карточки, часы и проч
. Женщинам желательно смыть с кожи декоративную косметику.
Дале пациента помещают внутрь трубы томографа. По указанию врача определяется зона обследования. Каждая зона обследуется в течение десяти – двадцати минут. Все это время пациент должен находиться неподвижно. От этого будет зависеть качество снимков. Врач может зафиксировать положение пациента, если это необходимо.
Во время работы аппарата слышатся равномерные звуки. Это нормально и свидетельствует о том, что исследование проходит правильно. Для получения более точных результатов пациенту может быть введено внутривенно контрастное вещество. В отдельных случаях при введении такого вещества ощущается прилив тепла. Это совершенно нормально.
Приблизительно через полчаса после исследования врач может получить протокол исследования (заключение). Выдается также диск с результатами.
К преимуществам такого обследования относят следующее.
Показаний к проведению магнитно резонансной томографии много.
Кроме того, показано магнито-резонансное исследование всего организма при подозрении на новообразование. С помощью МРТ можно проводить поиск метастазов, если диагностирована первичная опухоль.
Это далеко не полный перечень показаний для проведения магнито-резонансной томографии. Можно с уверенностью утверждать, что нет такого организма и заболевания, которое не можно было бы обнаружить при помощи такого способа диагностики. Поскольку же возможности медицины растут, то перед врачами открываются практически безграничные возможности диагностики и лечения многих опасных болезней.
Для МРТ существует ряд абсолютных и относительных противопоказаний. К абсолютным противопоказаниям относятся такие.
К относительным противопоказаниям (когда исследование возможно при выполнении определенных условий) относятся:
При выполнении МРТ с контрастом противопоказаниями является анемия, хроническая декомпенсированная почечная недостаточность, беременность, индивидуальная непереносимость.
Значение магнитно-резонансной томографии для диагностики трудно переоценить. Это – совершенный, неизвазивный, безболезненный и безвредный способ обнаружения многих болезней. С внедрением магнитно-резонансной томографии улучшилось и лечение пациентов, так как врач знает точный диагноз и особенности всех процессов, протекающих в организме пациента.
Не нужно бояться проведения МРТ. Пациент не ощущает никаких болевых ощущений во время процедуры. Она ничего не имеет общего с ядерным или рентгеновским излучением. Отказываться от проведения такой процедуры также нельзя.
Спасибо
Сайт предоставляет справочную информацию исключительно для ознакомления. Диагностику и лечение заболеваний нужно проходить под наблюдением специалиста. У всех препаратов имеются противопоказания. Консультация специалиста обязательна!
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.
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.
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
).
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.
Противопоказания к использованию контрастного вещества:
Показания:
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:
Показания:
Используется для диагностики:
Показания:
Обследование почек назначается при:
За час до исследования нежелательно мочиться, так как изображение будет более информативным, если мочевой пузырь несколько заполнен.
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.
В предыдущем параграфе рассматривалось расщепление спектральных линий, связанное с переходами между подуровнями расщепленных в магнитном поле разных энергетических уровней. Такие переходы соответствуют оптическому диапазону частот. Наряду с этим в дипольном приближении возможны переходы между соседними подуровнями расщепившегося в магнитном поле уровня энергии согласно правилам отбора:
Из формулы (3.95) следует, что таким переходам соответствуют частоты:
При В ~ 0,3 Тл частота v * Ю 10 Гц, а длина волны X ~ 3 см. Это - микроволновый диапазон частот, или диапазон СВЧ. Вероятность дипольных переходов пропорциональна v 3 , поэтому в СВЧ-диапазо- не она ничтожно мала по сравнению с вероятностью в оптическом диапазоне. Кроме того, для атомов с одним валентным электроном переходы в этом случае запрещены правилом отбора AL = ±. Однако вероятность переходов становится значительной при наложении дополнительного внешнего переменного магнитного поля, т. е. когда переходы становятся вынужденными. Из дальнейшего будет ясно, что переменное магнитное поле должно быть перпендикулярным стационарному магнитному полю, вызывающему зеемановское расщепление уровней энергии. Если частота переменного магнитного поля равна частоте перехода (3.101), то происходит поглощение его энергии или вынужденное излучение. При этом скачком изменяется ориентация магнитного момента атома, т. е. его проекция на выделенное направление.
Излучение или поглощение электромагнитных волн при изменении ориентации магнитных дипольных моментов атомов в магнитном поле называют явлением магнитного резонанса.
Последовательное описание магнитного резонанса довольно сложно. Качественную картину этого явления можно понять на основе простой классической модели. Если частица обладает магнитным моментом М, то во внешнем постоянном магнитном поле В 0 =(0,0, В 0) на нее действует вращающий момент К = МхВ 0 . Поскольку магнитный М и механический J моменты частицы (например, электрона в атоме) связаны соотношением:
где у - гиромагнитное отношение, y = gi b /h = eg/2m e , то уравнение движения можно записать в виде:
Это уравнение волчка, которое показывает, что механический и магнитный моменты совершают прецессию вокруг В 0 . Угловая скорость (частота) этой прецессии равна:
В магнитном поле, направленном вдоль оси z , частица приобретает дополнительную энергию:
Частота перехода между соседними подуровнями энергии совпадает с частотой прецессии:
Рис. 3.34
Если добавить изменяющееся с частотой ш магнитное поле В, перпендикулярное стационарному полю В 0 (рис. 3.34), то на частицу будет действовать дополнительный переменный вращающий момент [МхВ,1. Когда частоты прецессии и изменения поля В! сильно отличаются друг от друга, то при |В,|z, так что в среднем этот угол не меняется. Однако, если частота изменения поля В, совпадает с частотой прецессии (3.104), то магнитный момент оказывается как бы в статических условиях и дополнительный вращающий момент стремится его «опрокинуть». Поскольку магнитный момент является квантовым вектором, то его проекция на направление статического магнитного поля может измениться только скачком, что соответствует переходу на соседний расщепленный подуровень. В этом и состоит явление магнитного резонанса.
Если магнитный и механический моменты атома обусловлены его электронами, то в этом случае магнитный резонанс называют электронным парамагнитным резонансом (ЭПР). Когда моменты определяются ядром атома, то магнитный резонанс называют ядерным магнитным резонансом (ЯМР), который впервые наблюдал в опытах с молекулярными пучками Раби в 1938 г. Существуют также ферромагнитный и антиферромагнитный резонансы , связанные с изменением ориентации электронных магнитных моментов в ферромагнетиках и антиферромагнетиках. Далее рассмотрим подробнее ЭПР.
Электронным парамагнетизмом обладают: все атомы и молекулы с нечетным числом электронов (неспаренные, некомпенсированные электроны) на внешних электронных оболочках, поскольку в этом случае полный спин системы не равен нулю (свободные атомы натрия, газообразный оксид азота и т. д.); атомы и ионы с незаполненной внутренней электронной оболочкой (редкоземельные элементы, актиниды и др.) и т. д. ЭПР представляет собой совокупность явлений, связанных с квантовыми переходами, происходящими между энергетическими уровнями макроскопических систем под влиянием переменного магнитного поля резонансной частоты.
В эксперименте явление ЭПР впервые наблюдал Е. К. Завойский в 1944 г. ЭПР служит мощным средством изучения свойств парамагнитных веществ в макроскопических количествах. В этом случае имеется не одна, а много частиц, обладающих магнитными моментами. Макроскопической магнитной характеристикой вещества является вектор намагничивания 1 = , где N - число частиц в единице
объема вещества; - средний магнитный момент частиц. Систему моментов всех парамагнитных частиц данного вещества называют спин-системой. Остальные степени свободы парамагнетика - окружение магнитных моментов - называют «решеткой». В связи с этим рассматривают два типа взаимодействия: магнитных моментов между собой (спин-спиновое взаимодействие) и магнитных моментов со своим окружением (спин-решеточнос взаимодействие). В изолированной спин-системе не происходит стационарного поглощения энергии переменного поля. В самом деле до включения переменного магнитного поля число частиц в основном состоянии больше их числа N 2 в возбужденном состоянии. При поглощении энергии число частиц JV, уменьшается, а число N 2 увеличивается. Это будет происходить, пока N ] и N 2 не сравняются. Тогда достигается насыщение, и дальнейшее поглощение энергии прекращается. С учетом взаимодействия спин-системы с решеткой стационарное поглощение энергии становится возможным. Решетка служит в качестве стока энергии и в процессе нагревается.
Изменение вектора намагничивания описывается уравнением Блоха:
где a = (x,y,z)‘ t у - гиромагнитное отношение; 1 0 - равновесное значение вектора намагничивания в постоянном магнитном поле в 0 =(0,0, В 0); т х - время спин-спиновой (или поперечной) релаксации, т х =т у =т 2 ; t z - время спин-решеточной (или продольной)
релаксации, т^ =т,. Значения величин т, и т 2 зависят от особенностей взаимодействия каждой частицы с окружающими ее частицами. Определение этих времен релаксации является основной экспериментальной задачей метода магнитного резонанса. В уравнении
(3.106) первый член записан по аналогии с уравнением движения одиночного магнитного момента (3.103). Второй член обусловлен спин-спиновым и спин-решеточным взаимодействиями, которые определяют достижение системой равновесного состояния.
Поглощаемая парамагнитным веществом мощность излучения /(со) вычисляется с помощью уравнения (3.106). Она определяется формулой
где А - некоторый множитель; В ] - амплитуда переменного магнитного поля. Форма кривой поглощения определяется функцией
где о) 0 - частота прецессии, о) 0 =у# 0 .
Отсюда видно, что поглощение носит резонансный характер (рис. 3.35). Кривая поглощения имеет лоренцевскую форму и достигает максимума при резонансе: со=со 0 . Ширина линии поглощения:
В достаточно слабом высокочастотном магнитном поле ширина кривой поглощения определяется временем спин-спиновой релаксации. С увеличением этого поля линия поглощения уширяется. По ширине кривой поглощения определяют времена релаксации, которые связаны со свойствами вещества. Для достижения резонанса на опыте оказывается удобнее изменять не частоту о переменного магнитного поля, а частоту прецессии с помощью изменения постоянного магнитного поля.
На рис. 3.36 изображена одна из простых схем радиоспектроскопа для наблюдения ЭПР - радиоспектроскопа с волноводным мостом. Он содержит стабильный источник ВЧ-излучения - клистрон, настраиваемый объемный резонатор с исследуемым образцом, и измерительную систему для детектирования, усиления и индикации сигнала. Энергия клистрона наполовину идет в плечо резонатора, содержащего исследуемый образец, и наполовину в другое плечо к согласованной нагрузке. При настройке винтом можно сбалансировать мост. Если потом с помощью модуляционных катушек менять постоянное магнитное поле, то при резонансе резко возрастает поглощение энергии образцом, что приводит к разбалансировке моста. Тогда после усиления сигнала осциллограф прописывает резонансную кривую.
Метод ЭПР обладает высокой чувствительностью. Он позволяет измерять времена релаксации, ядерные магнитные моменты, проводить количественный анализ любых парамагнитных веществ вплоть до 10 -12 г вещества, определять структуру химических соединений.
электронные конфигурации, измерять слабые напряженности магнитного поля до 79,6 А/м и т. д.
Покажем, как можно рассчитать мощность излучения, поглощаемого парамагнитным веществом (3.107). Представим переменное магнитное поле, вращающееся по часовой стрелке (в направлении прецессии магнитного момента) в комплексной форме:
B(t}= = 2?,coso)/-/"#, sinw/ = 2? u +iB ly . Можно также ввести
комплексный вектор намагничивания /(/)= / и +И { 9 который связан с комплексным вектором переменного магнитного поля соотношением / = х(о>)Я, где x(w) - комплексная магнитная восприимчивость. Такое соотношение вводится аналогично статическому случаю, когда магнитное поле B Q постоянно: / 0 = х 0 ? 0 , где %о~ ста " тическая магнитная восприимчивость. Из уравнений Блоха (3.106) получаем
В установившемся режиме имеем: - = -/о)/, -- = 0. Тогда из
системы (3.110) следует система уравнений:
Решение этой системы:
Среднюю за период поля поглощаемую мощность можно вычислить по формуле
Отсюда следует, что поглощаемая мощность определяется мнимой частью комплексной магнитной восприимчивости.
С помощью метода магнитного резонанса были получены многие фундаментальные результаты. В частности, был измерен аномальный магнитный момент электрона. Оказалось, что спиновый магнитный момент электрона не равен точно одному магнетону Бора, т. е. для электрона гиромагнитное отношение g e ^2. Об этом уже говорилось в §2.7. Был измерен также магнитный момент нейтрона и т. д. На основе этого метода был создан атомно-лучевой стандарт частоты и времени - атомихрон с использованием пучка атомов цезия Cs 133
1. В свободном ионе Си 2+ не хватает одного электрона в З^-обо- лочке. Определить частоту парамагнитного резонанса в магнитном поле 421,88-10 3 А/м.
Решение. Основное состояние - /)-состояние (L = 2) со спином 5= 1/2. По правилу Хунда число /= L + 5= 5/2. В отсутствие магнитного поля этот уровень не расщеплен с кратностью вырождения (25+ 1)(2Z.+ 1)= 10. В постоянном магнитном поле уровень расщепляется на 2/+ 1 =6 подуровней. Фактор Ланде g=6/5. Частота парамагнитного резонанса определяется по формуле (3.101).
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
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. 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
- , v 0 - частота радиочастотного
поля В 1 ,
- круговая частота,-
т. наз. гиромагн. отношение ядра, наблюдается резонансное поглощение энергии
поля B 1 ,
названное ЯМР. Для 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 . 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 ; характеристич.
время Т 2) и отдает в (спин-решеточная
, время 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. , и др.
В с жесткой решеткой Т 2 = 10 мкс,
а Т 1 > 10 3 с, т. к. регулярный механизм спин-решеточной
отсутствует и обусловлена парамагн. примесями. Из-за
малости
Т 2 естественная ширина линии ЯМР весьма
велика (десятки кГц), их регистрация -область ЯМР широких линий. В
малой 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. ), ЯМР 31 Р
(см. )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 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
(СС1 4 , CDC1 3 , CS 2 ,
D 2 O
и др.).
В многоатомных ядра одинаковых
, занимающих химически неэквивалентные положения, имеют различающиеся
хим. сдвиги, обусловленные различием магн. экранирования ядер валентными
(такие ядра наз. анизохронными). Для i-го ядра
где-
постоянная диамагн. экранирования, измеряемая в м. д. Для типичный
интервал изменений-
до 20 м. д., для более тяжелых ядер эти интервалы на 2-3 порядка больше.
Важный параметр спектров ЯМР -
спин-спинового взаимод. ( ССВ) - мера непрямого ССВ между разл.
магн. ядрами одной (см. );
выражается
в Гц.
Взаимод. ядерных со ,
содержащимися в между ядрами i и j, приводят к взаимной
ориентации этих ядер в поле В 0 (ССВ). При достаточном
разрешении
ССВ приводит к дополнит. линий, отвечающих определенным
значениям хим. сдвигов:
где J ij - ССВ; F ij - величины,
значения к-рых определяются ядер i и j,
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 проявляется в виде
с соотношением интенсивностей 1:2:1, а сигнал метиленовых - 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.
и квадруплеты, но с большими, чем в протонных спектpax, значениями
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 ССВ превратила
высокого разрешения в один из важнейших методов качеств.
и количеств. анализа сложных смесей, систем, препаратов и композиций, а
также исследования строения и реакц. способности . При изучении
, вырожденных и др. динамич. систем, геом. структуры белковых
в р-ре, при неразрушающем локальном хим. анализе живых
и т. п. возможности методов ЯМР уникальны.
Ядерная намагниченность в-ва. В соответствии с распределением Больцмана в двухуровневой спин-системе из N отношение числа N + на нижнем уровне к числу N - на верхнем уровне равно где k - ; Т - т-ра. При В 0 = 1 Тл и Т=300 К для 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 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 , 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 .
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 с амплитудами В 1т/ 2,
вращающихся
с частотой
в противоположных направлениях. Вводят вращающуюся систему координат x"y"z,
ось
х"
к-рой совпадает с В 1т/ 2,
вращающимся
в том же направлении, что и
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 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 M z от оси z на
угол .
При= 90° импульс
называют 90°-ным (/2-импульс);
под его воздействием ядерной намагниченности оказывается в плоскости
х"у",
т.
е. После
окончания импульса M y" начинает убывать по амплитуде
со временем Т 2 благодаря расхождению по фазе составляющих
его элементарных
(спин-спиновая ). равновесной ядерной намагниченности
М z
происходит со временем спин-решеточной
T 1 .
При= 180°
(импульс)
M z
укладывается вдоль отрицат. направления оси z, релаксируя после окончания
импульса к своему равновесному положению. Комбинации
иимпульсов
широко используются в совр. многоимпульсных вариантах .
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 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 и т. п.
Вращение под магическим углом. Выражение для потенциала диполь-дипольного взаимод. содержит множители где - угол между В 0 и межъядерным 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 можно получить спектры высокого разрешения с почти столь же узкими линиями, как в .
Широкие линии в . В с жесткой решеткой форма линии ЯМР обусловлена статич. распределением локальных магн. полей. Все ядра решетки, за исключением , 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 магн. ядер. Внутри V 0 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 можно считать прямоугольником, тогда фурье-образ линии, т. е. отклик спин-системы на 90°-ный импульс будет
Магнитный резонанс
избирательное поглощение веществом электромагнитных волн определённой длины волны, обусловленное изменением ориентации магнитных моментов электронов или атомных ядер. Энергетические уровни частицы, обладающей магнитным моментом (См. Магнитный момент)
μ, во внешнем магнитном поле Н
расщепляются на магнитные подуровни, каждому из которых соответствует определённая ориентация магнитного момента μ относительно поля Н
(см. Зеемана эффект). Электромагнитное поле резонансной частоты ω вызывает квантовые переходы между магнитными подуровнями. Условие резонанса имеет вид:
Если поглощение электромагнитной энергии осуществляется ядрами, то М. р. называется ядерным магнитным резонансом (См. Ядерный магнитный резонанс), ЯМР. Магнитные моменты ядер обусловлены их спинами I
. Число ядерных магнитных подуровней равно 2I
+ 1, а расстояния между соседними подуровнями одинаковы и равны:
Во многих случаях полезно классическое описание М. р., основанное на том, что магнитный момент частицы μ испытывает во внешнем магнитном поле Н
Лармора прецессию (См. Лармора прецессия) около направления вектора Н
с частотой ω = γН.
Переменное магнитное полеH 1
, перпендикулярное Н
и вращающееся синхронно с μ, то есть с частотой ω, оказывает постоянное воздействие на магнитный момент, которое и ведёт к изменению его ориентации в пространстве. К М. р. иногда относят также наблюдаемый в металлах и полупроводниках, помещенных в постоянное магнитное поле, Циклотронный резонанс - резонансное поглощение электромагнитной энергии, связанное с периодическим движением электронов проводимости (См. Электрон проводимости) и дырок (См. Дырка) в плоскости, перпендикулярной полю Н
(см. Лоренца сила , Диамагнетизм).
Диапазон частот М. р. определяется величиной магнитомеханического отношения. Для свободного электрона γ/2π = 2,799×10 6 гц·э -1 ,
для протона γ/2π = 4,257×10 3 гц·э -1 ,
для других ядер, обладающих спином, γ/2π = 10 2 -10 3 гц·э -1 .
В соответствии с этим в магнитных полях Магнитный резонанс 10 3 -10 4 э
частоты ЭПР попадают в диапазон СВЧ (10 9 -10 11 гц
),
а ЯМР - в диапазон коротких волн (См. Короткие волны) (10 6 -10 7 гц
). Лит.:
Сликтер Ч., Основы теории магнитного резонанса, перевод с английского, М., 1967; Абрагам А., Ядерный магнетизм, перевод с английского, М., 1963; Альтшулер С. А., Козырев Б. М., Электронный парамагнитный резонанс, М., 1961. В. А. Ацаркин.
Расщепление уровней энергии во внешнем магнитном поле H 0 в случае ядерного магнитного резонанса при I = 3 / 2 .
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
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
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… … Энциклопедия Кольера
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
Фотографии Антона Дергачева (кроме первой), комментарий Владимира Дергачева Идеальная супружеская пара на лебедях, которая вот-вот поцелуются. Фонтан «Супружеская или Брачная карусель» создан по мотивам немецкого средневекового поэта и композитора Ганс
Логопедическое обследование детей с церебральным параличом Логопедическое обследование детей, страдающих церебральным параличом, строится на общем системном подходе, который опирается на представление о речи как о сложной функциональной системе, структ
Александр Гущин За вкус не ручаюсь, а горячо будет:) Содержание Яркая, красивая ягода вишня содержит в себе огромное количество полезных микроэлементов и витаминов. Ее универсальность в кулинарии позволяет приготовить массу хороших, вкусных, уникаль
Ни одна кастрюля в мире не сварит пшенную кашу на молоке так вкусно, как это сделает мультиварка. И ни одна плита не справится с ее приготовлением так быстро, как мультиварка-скороварка. Простой и здоровый завтрак – сладкая пшенная каша на молоке, сдобрен
Название: Рыцарь пентаклей, Рыцарь денариев, Рыцарь монет, Воин монет, Рыцарь бубен, Путешественник, Завоеватель Дел, Всадник, Кавалер, Полезный человек, Повелитель Земель Диких и Плодородных. Значение по Папюсу: Выгода, Прибыль, Польза, Интерес. Важное
Томный август у многих Тельцов станет благоприятным временем для развития личных отношений. В этот период у представителей данного знака Зодиака возникает возможность использовать на полную катушку свое природное обаяние для успеха в сердечных делах. Чтоб