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.
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 ямр томография, какие ее преимущества и в каких случаях она проводится.
Что это за исследование?
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. Магнитно резонансный томограф 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.
Как проводится диагностика?
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.
Преимущества ядерной МРТ
К преимуществам такого обследования относят следующее.
- Возможность получить высококачественные изображения тканей организма в трех проекциях. Это значительно повышает визуализацию тканей и органов. В таком случае ЯМРТ намного лучше, чем компьютерная томография, рентгенография и ультразвуковая диагностика.
- Высококачественные объемные изображения дают возможность получить точный диагноз, что улучшает лечение и повышает вероятность выздоровления.
- Так как на МРТ можно получить высококачественное изображение, то такое исследование – лучшее для обнаружения опухолей, нарушений деятельности центральной нервной системы, патологических состояний опорно-двигательного аппарата. Так появляется возможность диагностировать те заболевания, которые еще недавно было сложно или невозможно обнаружить.
- Современные аппараты для томографии позволяют получить качественные снимки без изменения положения пациента. А для кодирования информации применяются те же методы, что и в компьютерной томографии. Это облегчает диагностику, так как врач видит трехмерные изображения целых органов. Также врач может получить изображения того или иного органа послойно.
- Такое обследование хорошо определяет самые ранние патологические изменения в органах. Таким образом можно обнаружить болезнь на стадии, когда пациент еще не ощущает симптомов.
- При проведении такого исследования больной не подвергается ионизирующему излучению. Это существенно расширяет сферы применения МРТ.
- Процедура МРТ полностью безболезненна и не доставляет больному никакого дискомфорта.
Показания к МРТ
Показаний к проведению магнитно резонансной томографии много.
- Нарушения мозгового кровообращения.
- Подозрения на новообразование мозга, поражение его оболочек.
- Оценка состояния органов после оперативного вмешательства.
- Диагностика воспалительных явлений.
- Судороги, эпилепсии.
- Черепно-мозговая травма.
- Оценка состояния сосудов.
- Оценка состояния костей и суставов.
- Диагностика мягких тканей организма.
- Заболевания позвоночника (в том числе остеохондроз, спондилоартроз).
- Травмы позвоночника.
- Оценка состояния спинного мозга, в том числе подозрения на злокачественные процессы.
- Остеопороз.
- Оценка состояния органов брюшины, а также забрюшинного пространства. МРТ показано при желтухе, хроническом гепатите, холецистите, желчнокаменной болезни, опухолевидном поражении печени, панкреатите, заболеваниях желудка, кишечника, селезенки, почек.
- Диагностика кист.
- Диагностика состояния надпочечников.
- Заболевания органов малого таза.
- Урологические патологии.
- Гинекологические заболевания.
- Болезни органов грудной полости.
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.
Когда противопоказана магнитно-резонансная томография?
Для МРТ существует ряд абсолютных и относительных противопоказаний. К абсолютным противопоказаниям относятся такие.
- Наличие установленного кардиостимулятора. Это связано с тем, что колебания магнитного поля способны подстраиваться под ритм сердца и таким образом могут привести к летальному исходу.
- Наличие установленных ферромагнитных или электронных имплантатов в среднем ухе.
- Большие имплантаты из металла.
- Наличие в организме ферромагнитных осколков.
- Наличие аппаратов Илизарова.
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.
Заключение
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.
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…
- Суть явления
Прежде всего, надо заметить, что хотя в названии этого явления присутствует слово «ядерный», к ядерной физике ЯМР никакого отношения не имеет и с радиоактивностью никак не связан. Если говорить о строгом описании, то без законов квантовой механики никак не обойтись. Согласно этим законам, энергия взаимодействия магнитного ядра с внешним магнитным полем может принимать только несколько дискретных значений. Если облучать магнитные ядра переменным магнитным полем, частота которого соответствует разнице между этими дискретными энергетическими уровнями, выраженной в частотных единицах, то магнитные ядра начинают переходить с одного уровня на другой, при этом поглощая энергию переменного поля. В этом и состоит явление магнитного резонанса. Это объяснение формально правильное, но не очень наглядное. Есть другое объяснение, без квантовой механики. Магнитное ядро можно представить как электрически заряженный шарик, вращающийся вокруг своей оси (хотя, строго говоря, это не так). Согласно законам электродинамики, вращение заряда приводит к появлению магнитного поля, т. е. магнитного момента ядра, который направлен вдоль оси вращения. Если этот магнитный момент поместить в постоянное внешнее поле, то вектор этого момента начинает прецессировать, т. е. вращаться вокруг направления внешнего поля. Таким же образом прецессирует (вращается) вокруг вертикали ось юлы, если ее раскрутить не строго вертикально, а под некоторым углом. В этом случае роль магнитного поля играет сила гравитации.
Частота прецессии определяется как свойствами ядра, так и силой магнитного поля: чем сильнее поле, тем выше частота. Затем, если кроме постоянного внешнего магнитного поля на ядро будет воздействовать переменное магнитное поле, то ядро начинает взаимодействовать с этим полем - оно как бы сильнее раскачивает ядро, амплитуда прецессии увеличивается, и ядро поглощает энергию переменного поля. Однако это будет происходить только при условии резонанса, т. е. совпадения частоты прецессии и частоты внешнего переменного поля. Это похоже на классический пример из школьной физики - марширующие по мосту солдаты. Если частота шага совпадает с частотой собственных колебаний моста, то мост раскачивается всё сильнее и сильнее. Экспериментально это явление проявляется в зависимости поглощения переменного поля от его частоты. В момент резонанса поглощение резко возрастает, а простейший спектр магнитного резонанса выглядит вот так:
- Фурье-спектроскопия
Первые ЯМР-спектрометры работали именно так, как описано выше - образец помещался в постоянное магнитное поле, и на него непрерывно подавалось радиочастотное излучение. Затем плавно менялась либо частота переменного поля, либо напряженность постоянного магнитного поля. Поглощение энергии переменного поля регистрировалось радиочастотным мостом, сигнал от которого выводился на самописец или осциллограф. Но этот способ регистрации сигнала уже давно не применяется. В современных ЯМР-спектрометрах спектр записывается с помощью импульсов. Магнитные моменты ядер возбуждаются коротким мощным импульсом, после которого регистрируется сигнал, наводимый в РЧ-катушке свободно прецессирующими магнитными моментами. Этот сигнал постепенно спадает к нулю по мере возвращения магнитных моментов в состояние равновесия (этот процесс называется магнитной релаксацией). Спектр ЯМР получается из этого сигнала с помощью Фурье-преобразования. Это стандартная математическая процедура, позволяющая раскладывать любой сигнал на частотные гармоники и таким образом получать частотный спектр этого сигнала. Этот способ записи спектра позволяет значительно понизить уровень шумов и проводить эксперименты намного быстрее.
Один возбуждающий импульс для записи спектра - это самый простейший ЯМР-эксперимент. Однако таких импульсов, разной длительности, амплитуды, с разными задержками между ними и т. п., в эксперименте может быть много, в зависимости от того, какие именно манипуляции исследователю надо провести с системой ядерных магнитных моментов. Тем не менее, практически все эти импульсные последовательности оканчиваются одним и тем же - записью сигнала свободной прецессии с последующим Фурье-преобразованием.
- Магнитные взаимодействия в веществе
Сам по себе магнитный резонанс остался бы не более чем занятным физическим явлением, если бы не магнитные взаимодействия ядер друг с другом и с электронной оболочкой молекулы. Эти взаимодействия влияют на параметры резонанса, и с их помощью методом ЯМР можно получать разнообразную информацию о свойствах молекул - их ориентации, пространственной структуре (конформации), межмолекулярных взаимодействиях, химическом обмене, вращательной и трансляционной динамике. Благодаря этому ЯМР превратился в очень мощный инструмент исследования веществ на молекулярном уровне, который широко применяется не только в физике, но главным образом в химии и молекулярной биологии. В качестве примера одного из таких взаимодействий можно привести так называемый химический сдвиг. Суть его в следующем: электронная оболочка молекулы откликается на внешнее магнитное поле и старается его экранировать - частичное экранирование магнитного поля происходит во всех диамагнитных веществах. Это означает, что магнитное поле в молекуле будет отличаться от внешнего магнитного поля на очень небольшую величину, которая и называется химическим сдвигом. Однако свойства электронной оболочки в разных частях молекулы разные, и химический сдвиг тоже разный. Соответственно, условия резонанса для ядер в разных частях молекулы тоже будут отличаться. Это позволяет различать в спектре химически неэквивалентные ядра. Например, если мы возьмем спектр ядер водорода (протонов) чистой воды, то в нем будет только одна линия, поскольку оба протона в молекуле H 2 O совершенно одинаковы. Но для метилового спирта СН 3 ОН в спектре будет уже две линии (если пренебречь другими магнитными взаимодействиями), поскольку тут есть два типа протонов - протоны метильной группы СН 3 и протон, связанный с атомом кислорода. По мере усложнения молекул число линий будет увеличиваться, и если мы возьмем такую большую и сложную молекулу, как белок, то в этом случае спектр будет выглядеть примерно так:
- Магнитные ядра
ЯМР можно наблюдать на разных ядрах, но надо сказать, что далеко не все ядра имеют магнитный момент. Часто бывает так, что некоторые изотопы имеют магнитный момент, а другие изотопы того же самого ядра - нет. Всего существует более сотни изотопов различных химических элементов, имеющих магнитные ядра, однако в исследованиях обычно используется не более 1520 магнитных ядер, всё остальное - экзотика. Для каждого ядра есть свое характерное соотношение магнитного поля и частоты прецессии, называемое гиромагнитным отношением. Для всех ядер эти отношения известны. По ним можно подобрать частоту, на которой при данном магнитном поле будет наблюдаться сигнал от нужных исследователю ядер.
Самые важные для ЯМР ядра - это протоны. Их больше всего в природе, и они имеют очень высокую чувствительность. Для химии и биологии очень важны ядра углерода, азота и кислорода, но с ними ученым не очень повезло: наиболее распространенные изотопы углерода и кислорода, 12 С и 16 О, магнитного момента не имеют, у природного изотопа азота 14 N момент есть, но он по ряду причин для экспериментов очень неудобен. Есть изотопы 13 С, 15 N и 17 О, которые подходят для ЯМР-экспериментов, но их природное содержание очень низкое, а чувствительность очень маленькая по сравнению с протонами. Поэтому часто для ЯМР-исследований готовят специальные изотопно-обогащенные образцы, в которых природный изотоп того или иного ядра замещен на тот, который нужен для экспериментов. В большинстве случаев эта процедура весьма непростая и недешевая, но иногда это единственная возможность получить необходимую информацию.
- Электронный парамагнитный и квадрупольный резонанс
Говоря про ЯМР, нельзя не упомянуть о двух других родственных физических явлениях - электронном парамагнитном резонансе (ЭПР) и ядерном квадрупольном резонансе (ЯКР). ЭПР по своей сути подобен ЯМР, разница заключается в том, что резонанс наблюдается на магнитных моментах не атомных ядер, а электронной оболочки атома. ЭПР может наблюдаться только в тех молекулах или химических группах, электронная оболочка которых содержит так называемый неспаренный электрон, тогда оболочка имеет ненулевой магнитный момент. Такие вещества называются парамагнетиками. ЭПР, как и ЯМР, также применяется для исследований различных структурно-динамических свойств веществ на молекулярном уровне, но его область использования существенно уже. Это связано в основном с тем, что большинство молекул, особенно в живой природе, не содержит неспаренных электронов. В некоторых случаях можно использовать так называемый парамагнитный зонд, т. е. химическую группу с неспаренным электроном, которая связывается с исследуемой молекулой. Но такой подход имеет очевидные недостатки, которые ограничивают возможности этого метода. Кроме того, в ЭПР нет такого высокого спектрального разрешения (т. е. возможности отличить в спектре одну линию от другой), как в ЯМР.
Объяснить «на пальцах» природу ЯКР труднее всего. Некоторые ядра обладают так называемым электрическим квадрупольным моментом. Этот момент характеризует отклонение распределения электрического заряда ядра от сферической симметрии. Взаимодействие этого момента с градиентом электрического поля, создаваемого кристаллической структурой вещества, приводит к расщеплению энергетических уровней ядра. В этом случае можно наблюдать резонанс на частоте, соответствующей переходам между этими уровнями. В отличие от ЯМР и ЭПР, для ЯКР не нужно внешнего магнитного поля, поскольку расщепление уровней происходит без него. ЯКР также используется для исследования веществ, но область его применения еще уже, чем у ЭПР.
- Преимущества и недостатки ЯМР
ЯМР - самый мощный и информативный метод исследования молекул. Строго говоря, это не один метод, это большое число разнообразных типов экспериментов, т. е. импульсных последовательностей. Хотя все они основаны на явлении ЯМР, но каждый из этих экспериментов предназначен для получения какой-то конкретной специфической информации. Число этих экспериментов измеряется многими десятками, если не сотнями. Теоретически ЯМР может если не всё, то почти всё, что могут все остальные экспериментальные методы исследования структуры и динамики молекул, хотя практически это выполнимо, конечно, далеко не всегда. Одно из основных достоинств ЯМР в том, что, с одной стороны, его природные зонды, т. е. магнитные ядра, распределены по всей молекуле, а с другой стороны, он позволяет отличить эти ядра друг от друга и получать пространственно-селективные данные о свойствах молекулы. Почти все остальные методы дают информацию либо усредненную по всей молекуле, либо только о какой-то одной ее части.
Основных недостатков у ЯМР два. Во-первых, это низкая чувствительность по сравнению с большинством других экспериментальных методов (оптическая спектроскопия, флюоресценция, ЭПР и т. п.). Это приводит к тому, что для усреднения шумов сигнал нужно накапливать долгое время. В некоторых случаях ЯМР-эксперимент может проводиться в течение даже нескольких недель. Во-вторых, это его дороговизна. ЯМР-спектрометры - одни из самых дорогих научных приборов, их стоимость измеряется как минимум сотнями тысяч долларов, а самые дорогие спектрометры стоят несколько миллионов. Далеко не все лаборатории, особенно в России, могут позволить себе иметь такое научное оборудование.
- Магниты для ЯМР-спектрометров
Одна из самых важных и дорогих частей спектрометра - магнит, создающий постоянное магнитное поле. Чем сильнее поле, тем выше чувствительность и спектральное разрешение, поэтому ученые и инженеры постоянно пытаются получить как можно более высокие поля. Магнитное поле создается электрическим током в соленоиде - чем сильнее ток, тем больше поле. Однако бесконечно увеличивать силу тока нельзя, при очень большом токе провод соленоида просто начнет плавиться. Поэтому уже очень давно для высокопольных ЯМР-спектрометров используются сверхпроводящие магниты, т. е. магниты, в которых провод соленоида находится в сверхпроводящем состоянии. В этом случае электрическое сопротивление провода равно нулю, и выделения энергии не происходит при любой величине тока. Сверхпроводящее состояние можно получить только при очень низких температурах, всего нескольких градусов Кельвина, - это температура жидкого гелия. (Высокотемпературная сверхпроводимость - до сих пор удел только чисто фундаментальных исследований.) Именно с поддержанием такой низкой температуры и связаны все технические сложности конструирования и производства магнитов, которые обуславливают их дороговизну. Сверхпроводящий магнит построен по принципу термоса-матрешки. Соленоид находится в центре, в вакуумной камере. Его окружает оболочка, в которой находится жидкий гелий. Эта оболочка через вакуумную прослойку окружена оболочкой из жидкого азота. Температура жидкого азота - минус 196 градусов по Цельсию, азот нужен для того, чтобы гелий испарялся как можно медленнее. Наконец, азотная оболочка изолируется от комнатной температуры внешней вакуумной прослойкой. Такая система способна сохранять нужную температуру сверхпроводящего магнита очень долго, хотя для этого нужно регулярно подливать в магнит жидкие азот и гелий. Преимущество таких магнитов кроме возможности получать высокие магнитные поля также и в том, что они не потребляют энергии: после запуска магнита ток бегает по сверхпроводящим проводам практически без каких-либо потерь в течение многих лет.
- Томография
В обычных ЯМР-спектрометрах магнитное поле стараются сделать как можно более однородным, это нужно для улучшения спектрального разрешения. Но если магнитное поле внутри образца, наоборот, сделать очень неоднородным, это открывает принципиально новые возможности для использования ЯМР. Неоднородность поля создается так называемыми градиентными катушками, которые работают в паре с основным магнитом. В этом случае величина магнитного поля в разных частях образца будет разная, а это значит, что сигнал ЯМР можно наблюдать не от всего образца, как в обычном спектрометре, а только от его узкого слоя, для которого соблюдаются резонансные условия, т. е. нужное соотношение магнитного поля и частоты. Меняя величину магнитного поля (или, что по сути то же самое, частоту наблюдения сигнала), можно менять слой, который будет давать сигнал. Таким образом можно «просканировать» образец по всему объему и «увидеть» его внутреннюю трехмерную структуру, не разрушая образец каким-либо механическим способом. К настоящему времени разработано большое число методик, позволяющих измерять различные параметры ЯМР (спектральные характеристики, времена магнитной релаксации, скорость самодиффузии и некоторые другие) с пространственным разрешением внутри образца. Самое интересное и важное, с практической точки зрения, применение ЯМР-томографии нашлось в медицине. В этом случае исследуемым «образцом» является человеческое тело. ЯМР-томография является одним из самых эффективных и безопасных (но также и дорогих) диагностических средств в различных областях медицины, от онкологии до акушерства. Любопытно заметить, что в названии этого метода медики не употребляют слово «ядерный», потому что некоторые пациенты связывают его с ядерными реакциями и атомной бомбой.
- История открытия
Годом открытия ЯМР считается 1945-й, когда американцы Феликс Блох из Стэнфорда и независимо от него Эдвард Парселл и Роберт Паунд из Гарварда впервые наблюдали сигнал ЯМР на протонах. К тому времени уже было много известно о природе ядерного магнетизма, сам эффект ЯМР был теоретически предсказан, и было сделано несколько попыток его экспериментального наблюдения. Важно отметить, что годом раньше в Советском Союзе, в Казани, Евгением Завойским было открыто явление ЭПР. Сейчас уже хорошо известно, что Завойский также наблюдал и сигнал ЯМР, это было перед войной, в 1941 году. Однако в его распоряжении был магнит низкого качества с плохой однородностью поля, результаты были плохо воспроизводимыми и потому так и остались неопубликованными. Справедливости ради надо заметить, что Завойский был не единственным, кто наблюдал ЯМР до его «официального» открытия. В частности, американский физик Исидор Раби (лауреат Нобелевской премии 1944 года за исследование магнитных свойств ядер в атомных и молекулярных пучках) в конце 30-х годов также наблюдал ЯМР, но счел это аппаратурным артефактом. Так или иначе, но за нашей страной остается приоритет в экспериментальном обнаружении магнитного резонанса. Хотя сам Завойский вскоре после войны стал заниматься другими проблемами, его открытие для развития науки в Казани сыграло огромную роль. Казань до сих пор остается одним из ведущих мировых научных центров по ЭПР-спектроскопии.
- Нобелевские премии в области магнитного резонанса
В первой половине XX века было присуждено несколько Нобелевских премий ученым, без работ которых открытие ЯМР не могло бы состояться. Среди них можно назвать Петера Зеемана, Отто Штерна, Исидора Раби, Вольфганга Паули. Но непосредственно связанных с ЯМР Нобелевских премий было четыре. В 1952 году премию получили Феликс Блох и Эдвард Парселл за открытие ЯМР. Это единственная «ЯМР-ная» Нобелевская премия по физике. В 1991 году премию по химии получил швейцарец Ричард Эрнст, работавший в знаменитой Швейцарской высшей технической школе в Цюрихе. Он был удостоен ее за развитие методов многомерной ЯМР-спектроскопии, которые позволили кардинально увеличить информативность ЯМР-экспериментов. В 2002 году лауреатом премии, также по химии, стал Курт Вютрих, работавший с Эрнстом в соседних зданиях в той же Технической школе. Он получил премию за разработку методов определения трехмерной структуры белков в растворе. До этого единственным методом, позволяющим определять пространственную конформацию больших биомакромолекул, был только рентгеноструктурный анализ. Наконец, в 2003 году премию по медицине за изобретение ЯМР-томографии получили американец Поль Лаутербур и англичанин Петер Мансфилд. Советский первооткрыватель ЭПР Е. К. Завойский Нобелевской премии, увы, не получил.