Сайт патологического холостяка

Эта страница только для чтения. Вы можете посмотреть её исходный текст, но не можете его изменить. Сообщите администратору, если считаете, что это неправильно.
<WRAP #content>
======Ядерный магнитный резонанс======
<WRAP #bodyContent><WRAP #mw-content-text :ru>[{{wiki:functional-magnetic-resonance-imaging.jpg|Изображение мозга человека на медицинском [[томограф|ЯМР-томографе]]}}]<wrap>**Я́дерный магни́тный резона́нс** (**ЯМР**) — резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим [[атомное-ядро|ядра]] с ненулевым [[спин|спином]] во внешнем [[магнитное-поле|магнитном поле]], на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией [[магнитный-момент|магнитных моментов]] ядер.</wrap>

<wrap>Явление ядерного магнитного резонанса было открыто в 1938 году [[раби-исидор-айзек|Исидором Раби]] в молекулярных пучках, за что он был удостоен Нобелевской премии 1944 года(([[http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1944/rabi-bio.html|Исаак Раби]] на сайте Nobelprize.org)). В 1946 году [[блох-феликс|Феликс Блох]] и [[парселл-эдвард-миллс|Эдвард Миллз Парселл]] получили ядерный магнитный резонанс в жидкостях и твёрдых телах (Нобелевская премия 1952 года)((<wrap>//Purcell E.M.; Torrey H.C.; Pound R.V.// [[http://link.aps.org/abstract/PR/v69/p37|Resonance Absorption by Nuclear Magnetic Moments in a Solid]] <nowiki>//</nowiki> Phys. Rev. — 1946. — <wrap>Т. 69</wrap>. — <wrap>С. 37-38</wrap>.</wrap>))((<wrap>//Bloch F.; Hansen W.W.; Packard M.// [[http://link.aps.org/abstract/PR/v69/p127|Nuclear Induction]] <nowiki>//</nowiki> Phys. Rev. — 1946. — <wrap>Т. 69</wrap>. — <wrap>С. 127</wrap>.</wrap>)).</wrap>

<wrap>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|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.</wrap>

<wrap></wrap>

<wrap></wrap>


=====Физика ЯМР=====
[{{wiki:300px-epr-splitting.jpg|Расщепление энергетических уровней ядра с **I = 1/2** в магнитном поле}}]<wrap>В основе явления ядерного магнитного резонанса лежат магнитные свойства атомных ядер, состоящих из [[нуклон|нуклонов]] с полуцелым [[спин|спином]] 1/2, 3/2, 5/2…. Ядра с чётными [[массовое-число|массовым]] и [[зарядовое-число|зарядовым]] числами (чётно-чётные ядра) не обладают магнитным моментом.</wrap>

<wrap>Ядра обладают [[момент-импульса|угловым моментом]] </wrap><tex>{\displaystyle J=\hbar I}</tex><wrap>, связанным с [[магнитный-момент|магнитным моментом]] </wrap><tex>\mu</tex><wrap> соотношением</wrap>

<WRAP>
<tex>{\displaystyle \mu=\gamma J}</tex>,</WRAP>
<wrap>где </wrap><tex>\hbar</tex><wrap> — [[постоянная-планка|постоянная Планка]], </wrap><tex>I</tex><wrap> — спиновое квантовое число, </wrap><tex>\gamma</tex><wrap> — [[гиромагнитное-отношение|гиромагнитное отношение]].</wrap>

<wrap>Угловой момент и магнитный момент ядра квантованы, и [[собственные-векторы-значения-и-пространства|собственные значения]] проекции и углового и магнитного моментов на ось z произвольно выбранной системы координат определяются соотношением</wrap>

<WRAP>
<tex>J_{z}=\hbar \mu _{I}</tex> и <tex>\mu _{z}=\gamma \hbar \mu _{I}</tex>,</WRAP>
<wrap>где </wrap><tex>{\displaystyle \mu _{I}}</tex><wrap> — [[магнитное-квантовое-число|магнитное квантовое число]] собственного состояния ядра, его значения определяются спиновым квантовым числом ядра</wrap>

<WRAP>
<tex>{\displaystyle \mu _{I}=I,I-1,I-2,...,-I}</tex>,</WRAP>
<wrap>то есть ядро может находиться в </wrap><tex>{\displaystyle 2I+1}</tex><wrap> состояниях.</wrap>

<wrap>Так, у протона (или другого ядра с **I = 1/2** — <sup>13</sup>C, <sup>19</sup>F, <sup>31</sup>P и т. п.) </wrap><tex>{\displaystyle \mu _{z}}</tex><wrap> может находиться только в двух состояниях</wrap>

<WRAP>
<tex>\mu _{z}=\pm \gamma \hbar I=\pm \hbar /2</tex>,</WRAP>
<wrap>такое ядро можно представить как [[диполь|магнитный диполь]], z-компонента которого может быть ориентирована параллельно либо антипараллельно положительному направлению оси z произвольной системы координат.</wrap>

<wrap>Следует отметить, что в отсутствие внешнего магнитного поля все состояния с различными </wrap><tex>{\displaystyle \mu _{z}}</tex><wrap> имеют одинаковую энергию, то есть являются вырожденными. Вырождение снимается во внешнем магнитном поле, при этом расщепление относительно вырожденного состояния пропорционально величине внешнего магнитного поля и магнитного момента состояния и для ядра со спиновым квантовым числом **I** во внешнем магнитном поле появляется система из **2I+1** энергетических уровней </wrap><tex>-\mu _{z}B_{0},-{{\frac  {I-1}{I}}}B_{0},...,{{\frac  {I-1}{I}}}B_{0},\mu _{z}B_{0}</tex><wrap>, то есть ядерный магнитный резонанс имеет ту же природу, что и [[эффект-зеемана|эффект Зеемана]] расщепления электронных уровней в магнитном поле.</wrap>

<wrap>В простейшем случае для ядра со спином с **I = 1/2** — например, для протона, расщепление</wrap>

<WRAP>
<tex>{\displaystyle \delta E=\pm \mu _{z}B_{0}}</tex></WRAP>
<wrap>и разность энергии спиновых состояний</wrap>

<WRAP>
<tex>{\displaystyle \Delta E=2\mu _{z}B_{0}}</tex></WRAP>
<wrap>Наблюдение ЯМР облегчается тем, что в большинстве веществ атомы не обладают постоянными магнитными моментами электронов атомных оболочек вследствие явления [[замораживание-орбитального-момента|замораживания орбитального момента]].</wrap>

<wrap>Резонансные частоты ЯМР в металлах выше, чем в диамагнетиках ([[найтовский-сдвиг|найтовский сдвиг]]).</wrap>


=====Химическая поляризация ядер=====
<wrap>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 [[химическая-поляризация-ядер|химической поляризацией ядер]].</wrap>


====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
|-
|
<sup>1</sup>H ([[водород|Водород]])
|
21,29
|
42,58
|
300.18
|-
|
²D ([[дейтерий|Дейтерий]])
|
3,27
|
6,53
|
46,08
|-
|
<sup>13</sup>C ([[углерод|Углерод]])
|
5,36
|
10,71
|
75,51
|-
|
<sup>23</sup>Na ([[натрий|Натрий]])
|
5,63
|
11,26
|
79.40
|-
|
<sup>39</sup>K ([[калий|Калий]])
|
1,00
|
1,99
|
|}
<wrap>Частота для резонанса протонов находится в диапазоне [[короткие-волны|коротких волн]] (длина волн около 7 м)(([[http://www.mrx.de/mrpraxis/mrgrund.html|Praxis Dr. B. Sander: MR-Grundlagen]])).</wrap>


=====Применение ЯМР=====

====Спектроскопия====

===Приборы===
<wrap>Сердцем спектрометра ЯМР является мощный [[магнит]]. В эксперименте, впервые осуществленном на практике [[парселл-эдвард-миллс|Парселлом]], 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|магнитное поле]], действующее на неё, постепенно усиливают. В качестве источника излучения используется радиочастотный генератор высокой [[добротность|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.</wrap>

<wrap>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.</wrap>

<wrap>В данном методе образец подвергается радиочастотному облучению неизменной частоты, в то время как сила магнитного поля изменяется, поэтому его ещё называют методом непрерывного облучения (CW, continous wave).</wrap>

<wrap>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|МГц]]). Поэтому в современных приборах ЯМР используется метод так называемой импульсной спектроскопии (PW), основанной на [[преобразование-фурье|фурье-преобразованиях]] полученного сигнала. В настоящее время все ЯМР-спектрометры строятся на основе мощных сверхпроводящих магнитов с постоянной величиной магнитного поля.</wrap>

<wrap>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<sub>0</sub>. 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]].</wrap>

<wrap>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|спад свободной индукции]]» (FID, //<wrap :en>free induction decay</wrap>//). Для преобразования данного спектра используют математические методы, так называемое [[преобразование-фурье|фурье-преобразование]], по которому любая функция может быть представлена в виде суммы множества [[колебания|гармонических колебаний]].</wrap>


===Спектры ЯМР===
[{{wiki:300px-4-ethoxybenzaldehyde-nmr.png|Спектр <sup>1</sup>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.}}]<wrap>Для качественного анализа c помощью ЯМР используют анализ спектров, основанный на таких замечательных свойствах данного метода:</wrap>


  * 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.
<wrap>Положение сигнала в спектрах ЯМР характеризуют [[химический-сдвиг|химическим сдвигом]] их относительно эталонного сигнала. В качестве последнего в ЯМР <sup>1</sup>Н и <sup>13</sup>С применяют [[тетраметилсилан]] Si(CH<sub>3</sub>)<sub>4</sub> (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 расчёта констант экранирования и на их основании соотнести сигналы.</wrap>


====ЯМР-интроскопия====
<wrap>Явление ядерного магнитного резонанса можно применять не только в [[физика|физике]] и [[химия|химии]], но и в [[медицина|медицине]]: организм человека — это совокупность все тех же органических и неорганических молекул.</wrap>

<wrap>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|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. [[компьютер|Компьютерная]] обработка этой информации формирует объёмное изображение, которое характеризует плотность химически эквивалентных ядер, времена [[релаксация-ядерного-магнитного-резонанса|релаксации ядерного магнитного резонанса]], распределение скоростей потока жидкости, [[диффузия|диффузию]] молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.</wrap>

<wrap>Сущность ЯМР-интроскопии (или [[магнитно-резонансная-томография|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 своё 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 ([[магнитно-резонансная-томография|томограмму]]) срезов внутренней структуры объекта.</wrap>


=====Нобелевские премии=====
<wrap>[[нобелевская-премия-по-физике|Нобелевская премия по физике]] за [[1952]] г. была присуждена [[феликс-блох|Феликсу Блоху]] и [[парселл-эдвард-миллс|Эдварду Миллс Парселлу]] «За развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия».</wrap>

<wrap>[[нобелевская-премия-по-химии|Нобелевская премия по химии]] за [[1991]] г. была присуждена [[эрнст-рихард|Рихарду Эрнсту]] «За вклад в развитие методологии ядерной магнитной резонансной спектроскопии высокого разрешения».</wrap>

<wrap>[[нобелевская-премия-по-химии|Нобелевская премия по химии]] за [[2002]] г. (1/2 часть) была присуждена [[вютрих-курт|Курту Вютриху]] «За разработку применения ЯМР-спектроскопии для определения трёхмерной структуры биологических макромолекул в растворе».</wrap>

<wrap>[[нобелевская-премия-по-физиологии-и-медицине|Нобелевская премия по физиологии и медицине]] за [[2003]] г. была присуждена [[лотербур-пол|Полу Лотербуру]], [[мэнсфилд-питер|Питеру Мэнсфилду]] «За изобретение метода [[магнитно-резонансная-томография|магнитно-резонансной томографии]]».</wrap>


=====Литература=====

  - <wrap>//Абрагам А.// Ядерный магнетизм. — <wrap>М</wrap>.: Издательство иностр. лит., 1963.</wrap>
  - <wrap>//Сликтер Ч.// Основы теории магнитного резонанса. — <wrap>М</wrap>.: Мир, 1981.</wrap>
  - //Эрнст Р., Боденхаузен Дж., Вокаун А.// ЯМР в одном и двух измерениях: Пер. с англ. под ред. К. М. Салихова, М.: Мир, 1990.
  - //Гюнтер Х.// Введение в курс спектроскопии ЯМР: Пер. с англ. — М.: Мир, 1984. — 478 с.
  - <wrap>//Дероум А.// Современные методы ЯМР для химических исследований.</wrap>
  - <wrap>//Калабин.// Природная спектроскопия ЯМР природного органического сырья.</wrap>
  - //Чижик В. И.// Квантовая радиофизика. Магнитный резонанс и его приложения. — С-Петерб. ун-та, 2004 (2009), — 700с.
  - //Аминова Р. М.// Квантовохимические методы вычисления констант ядерного магнитного экранирования — в журн. Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2002. № 6. С. 11.
  - //Габуда С. П., Плетнев Р. Н.,Федотов М. А.// Ядерный магнитный резонанс в неорганической химии. — М: Наука, 1988. — 214 с.
  - //Габуда С. П., Ржавин А. Ф.// Ядерный магнитный резонанс в кристаллогидратах и гидратированных белках. — Из-во: Наука. Новосибирск. 1978. —160с.
</WRAP><WRAP></WRAP></WRAP></WRAP>
{{tag>Томография "Ядерный магнитный резонанс"}}
Сайт патологического холостяка

Главное меню

Рекомендовать сайт

Навигация

Вход на сайт

Старая структура меню

Реклама

Сайт патологического холостяка

Инструменты пользователя

Инструменты сайта

Инструменты страницы

Главное меню

Рекомендовать сайт

Навигация

Вход на сайт

Старая структура меню

Реклама
