Saat ini, semakin sering, pasien dirujuk bukan untuk radiografi atau USG, tetapi untuk pencitraan resonansi magnetik nuklir. Metode penelitian ini didasarkan pada kemagnetan inti. Mari kita pertimbangkan apa itu, apa kelebihannya dan dalam hal apa hal itu dilakukan.

Metode diagnostik ini didasarkan pada resonansi magnetik nuklir. Dalam medan magnet luar, inti atom hidrogen, atau proton, berada dalam dua keadaan yang saling berlawanan. Anda dapat mengubah arah momen magnet suatu inti dengan memberikan sinar elektromagnetik dengan frekuensi tertentu pada inti tersebut.

Menempatkan proton dalam medan magnet luar menyebabkan momen magnetnya berubah, kembali ke posisi semula. Ini melepaskan sejumlah energi. mencatat perubahan jumlah energi tersebut.

Tomografi menggunakan medan magnet yang sangat kuat. Elektromagnet biasanya mampu mengembangkan medan magnet sebesar 3, terkadang hingga 9 Tesla. Ini sama sekali tidak berbahaya bagi manusia. Sistem tomografi memungkinkan Anda melokalisasi arah medan magnet untuk mendapatkan gambar dengan kualitas terbaik.

Tomografi magnetik nuklir

Metode diagnostik didasarkan pada pencatatan respon elektromagnetik inti atom (proton), yang terjadi karena eksitasinya oleh gelombang elektromagnetik dalam medan magnet intensitas tinggi. Pencitraan resonansi magnetik pertama kali dibahas pada tahun 1973. Kemudian ilmuwan Amerika P. Laterbourg mengusulkan untuk mempelajari objek tersebut dalam medan magnet yang berubah. Karya ilmuwan ini menjadi awal era baru dalam dunia kedokteran.

Dengan bantuan tomografi resonansi magnetik, dimungkinkan untuk mempelajari jaringan dan rongga tubuh manusia karena tingkat kejenuhan jaringan dengan hidrogen. Agen kontras resonansi magnetik sering digunakan. Paling sering ini adalah obat gadolinium yang mampu mengubah respons proton.
Istilah "pencitraan MR nuklir" ada hingga tahun 1986.

Karena radiofobia di kalangan penduduk sehubungan dengan bencana di pembangkit listrik tenaga nuklir Chernobyl, diputuskan untuk menghapus kata “nuklir” dari nama metode diagnostik baru. Namun, hal ini memungkinkan pencitraan resonansi magnetik dengan cepat memasuki praktik diagnosis banyak penyakit. Saat ini, metode ini adalah kunci dalam mengidentifikasi banyak penyakit yang sebelumnya sulit didiagnosis.

Bagaimana diagnosis dilakukan?

MRI menggunakan medan magnet yang sangat kuat. Dan meski tidak berbahaya bagi manusia, dokter dan pasien tetap harus mematuhi aturan tertentu.

Pertama-tama, sebelum prosedur diagnostik, pasien mengisi kuesioner khusus. Di dalamnya ia menunjukkan kondisi kesehatannya, serta informasi tentang dirinya. Pemeriksaan dilakukan di ruangan yang disiapkan khusus yang dilengkapi dengan kabin untuk pakaian ganti dan barang-barang pribadi.

Agar tidak merugikan dirinya sendiri, dan juga untuk memastikan kebenaran hasil, pasien harus mengeluarkan semua barang yang mengandung logam, meninggalkan ponsel, kartu kredit, jam tangan, dll di loker untuk barang-barang pribadi. Wanita disarankan untuk membersihkan kosmetik dekoratif dari kulitnya.
Selanjutnya, pasien ditempatkan di dalam tabung tomografi. Sesuai arahan dokter, area pemeriksaan ditentukan. Setiap zona diperiksa selama sepuluh hingga dua puluh menit. Selama ini pasien harus tetap tidak bergerak. Kualitas gambar akan bergantung pada ini. Dokter dapat memperbaiki posisi pasien jika diperlukan.

Selama pengoperasian perangkat, suara seragam terdengar. Hal ini normal dan menunjukkan bahwa penelitian berjalan dengan benar. Untuk mendapatkan hasil yang lebih akurat, pasien mungkin diberikan zat kontras intravena. Dalam beberapa kasus, ketika zat tersebut diberikan, aliran panas terasa. Ini sepenuhnya normal.

Kurang lebih setengah jam setelah penelitian, dokter dapat menerima protokol penelitian (kesimpulan). Disk dengan hasilnya juga dikeluarkan.

Manfaat MRI Nuklir

Keuntungan dari survei tersebut antara lain sebagai berikut.

1. Kemampuan untuk memperoleh gambar jaringan tubuh berkualitas tinggi dalam tiga proyeksi. Hal ini secara signifikan meningkatkan visualisasi jaringan dan organ. Dalam hal ini, MRI nuklir jauh lebih baik daripada diagnostik tomografi komputer, radiografi, dan ultrasonografi.
2. Gambar volumetrik berkualitas tinggi memberikan diagnosis yang akurat, sehingga meningkatkan pengobatan dan meningkatkan kemungkinan pemulihan.
3. Karena MRI dapat menghasilkan gambar berkualitas tinggi, penelitian semacam itu adalah yang terbaik untuk mendeteksi tumor, gangguan pada sistem saraf pusat, dan kondisi patologis sistem muskuloskeletal. Hal ini memungkinkan untuk mendiagnosis penyakit yang hingga saat ini sulit atau tidak mungkin dideteksi.
4. Perangkat tomografi modern memungkinkan Anda memperoleh gambar berkualitas tinggi tanpa mengubah posisi pasien. Dan untuk mengkodekan informasi, metode yang sama digunakan seperti pada tomografi komputer. Hal ini membuat diagnosis lebih mudah karena dokter melihat gambar tiga dimensi seluruh organ. Dokter juga dapat memperoleh gambar organ tertentu selapis demi selapis.
5. Pemeriksaan semacam itu dengan baik mengidentifikasi perubahan patologis paling awal pada organ. Dengan cara ini, penyakit dapat dideteksi pada tahap ketika pasien belum merasakan gejalanya.
6. Saat melakukan penelitian seperti itu, pasien tidak terkena radiasi pengion. Hal ini secara signifikan memperluas cakupan aplikasi MRI.
7. Prosedur MRI sama sekali tidak menimbulkan rasa sakit dan tidak menimbulkan ketidaknyamanan pada pasien.

Indikasi MRI

Ada banyak indikasi untuk pencitraan resonansi magnetik.

• Gangguan sirkulasi otak.
• Kecurigaan tumor otak, kerusakan selaputnya.
• Penilaian kondisi organ setelah operasi.
• Diagnosis fenomena inflamasi.
• Kejang, epilepsi.
• Cedera otak traumatis.
• Penilaian kondisi pembuluh darah.
• Penilaian kondisi tulang dan persendian.
• Diagnosis jaringan lunak tubuh.
• Penyakit tulang belakang (termasuk osteochondrosis, spondyloarthrosis).
• Cedera tulang belakang.
• Penilaian kondisi sumsum tulang belakang, termasuk kecurigaan adanya proses keganasan.
• Osteoporosis.
• Penilaian kondisi organ peritoneum, serta ruang retroperitoneal. MRI diindikasikan untuk penyakit kuning, hepatitis kronis, kolesistitis, kolelitiasis, lesi mirip tumor pada hati, pankreatitis, penyakit lambung, usus, limpa, dan ginjal.
• Diagnosis kista.
• Diagnosis kondisi kelenjar adrenal.
• Penyakit pada organ panggul.
• Patologi urologi.
• Penyakit ginekologi.
• Penyakit pada organ dada.

Selain itu, pencitraan resonansi magnetik seluruh tubuh diindikasikan jika dicurigai adanya neoplasma. MRI dapat digunakan untuk mencari metastasis jika tumor primer didiagnosis.

Ini bukanlah daftar lengkap indikasi pencitraan resonansi magnetik. Dapat dikatakan bahwa tidak ada organisme atau penyakit yang tidak dapat dideteksi menggunakan metode diagnostik ini. Seiring dengan berkembangnya kemampuan pengobatan, dokter dihadapkan pada kemungkinan yang hampir tak terbatas untuk mendiagnosis dan mengobati banyak penyakit berbahaya.

Kapan pencitraan resonansi magnetik dikontraindikasikan?

Ada sejumlah kontraindikasi absolut dan relatif untuk MRI. Berikut ini adalah kontraindikasi mutlak:

1. Kehadiran alat pacu jantung yang terpasang. Hal ini disebabkan fluktuasi medan magnet dapat menyesuaikan dengan ritme jantung sehingga dapat menyebabkan kematian.
2. Adanya pemasangan implan feromagnetik atau elektronik di telinga tengah.
3. Implan logam besar.
4. Kehadiran fragmen feromagnetik di dalam tubuh.
5. Ketersediaan peralatan Ilizarov.

Kontraindikasi relatif (bila penelitian memungkinkan jika kondisi tertentu terpenuhi) meliputi:

Saat melakukan MRI dengan kontras, kontraindikasinya adalah anemia, gagal ginjal kronis dekompensasi, kehamilan, dan intoleransi individu.

Kesimpulan

Pentingnya pencitraan resonansi magnetik untuk diagnosis tidak bisa dilebih-lebihkan. Ini adalah cara yang sempurna, non-invasif, tidak menimbulkan rasa sakit dan tidak berbahaya untuk mendeteksi banyak penyakit. Dengan diperkenalkannya pencitraan resonansi magnetik, pengobatan pasien juga meningkat, karena dokter mengetahuinya diagnosis yang akurat dan gambaran dari semua proses yang terjadi dalam tubuh pasien.

Tidak perlu takut dengan MRI. Pasien tidak merasakan sakit apa pun selama prosedur. Ini tidak ada hubungannya dengan radiasi nuklir atau sinar-x. Juga tidak mungkin untuk menolak prosedur seperti itu.

Bab ini, seperti bab sebelumnya, membahas fenomena yang terkait dengan emisi dan penyerapan energi oleh atom dan molekul.

Resonansi magnetik adalah penyerapan selektif gelombang elektromagnetik oleh suatu zat yang ditempatkan dalam medan magnet.

§ 25.1. Pemisahan tingkat energi atom dalam medan magnet

Dalam § 13.1, 13.2 ditunjukkan bahwa momen gaya bekerja pada rangkaian pembawa arus yang ditempatkan dalam medan magnet. Ketika rangkaian berada dalam kesetimbangan stabil, momen magnetnya bertepatan dengan arah vektor induksi magnet. Posisi ini ditempati oleh rangkaian dengan arus, dibiarkan sendiri. Momen magnetis partikel diorientasikan dengan cara yang sangat berbeda dalam medan magnet. Mari kita pertimbangkan masalah ini dari perspektif mekanika kuantum.

Dalam § 23.6 dicatat bahwa proyeksi momentum sudut elektron ke arah tertentu mengambil nilai diskrit. Untuk mendeteksi proyeksi ini, perlu untuk mengisolasi arahnya Z. Salah satu metode yang paling umum adalah dengan mengatur medan magnet, dalam hal ini proyeksi momentum sudut orbital ditentukan [lihat. (23.26)], proyeksi putaran (23.27), proyeksi momentum sudut total elektron [lihat. (23.30)] dan proyeksi momentum sudut atom L Az[cm. (23.37)] terhadap arah vektor induksi magnet DI DALAM.

Hubungan antara momentum sudut dan momen magnet (13.30) dan (13.31) memungkinkan Anda menggunakan rumus yang tercantum untuk menemukan proyeksi diskrit momen magnet yang sesuai pada arah vektor DI DALAM. Jadi, berbeda dengan konsep klasik, momen magnet partikel diorientasikan relatif terhadap medan magnet pada sudut tertentu.

Untuk sebuah atom, misalnya, dari (23.37) kita memperoleh nilai proyeksi momen magnet berikut: r tg dengan arah vektor induksi magnetik:

Di mana magnet Bohr(lihat § 13.1), T - massa elektron, m J- bilangan kuantum magnetik, G- Pengganda tanah(faktor g) (lihat § 13.4), untuk tingkat energi atom tertentu bergantung pada bilangan kuantum L, J, S. Tanda “-” pada (25.1) disebabkan oleh muatan negatif elektron.

Energi atom dalam medan magnet, dengan mempertimbangkan fakta bahwa tanpa adanya medan, energi atom sama dengan E oh, ditentukan oleh rumus

Sejak bilangan kuantum magnetik mj[cm. (23.37)] bisa memakan waktu 2 J+ 1 nilai dari +J sebelum -J, maka dari (25.2) dapat disimpulkan bahwa setiap tingkat energi, ketika sebuah atom ditempatkan dalam medan magnet, terpecah menjadi 2J+1 sublevel. Ini ditunjukkan secara skematis pada Gambar. 25.1 untuk J= 1/2. Perbedaan energi antar tetangga

sublevel sama dengan

Pemisahan tingkat energi juga menyebabkan pemisahan garis spektral atom yang ditempatkan dalam medan magnet. Fenomena ini disebut Efek Zeeman.

Mari kita tulis ekspresi (25.2) untuk dua sublevel E 1 Dan E 2, dibentuk dengan menerapkan medan magnet:

Di mana E 01 Dan E 02- tingkat energi atom tanpa adanya medan magnet. Dengan menggunakan (23.31) dan (25.4), kita memperoleh ekspresi frekuensi yang dipancarkan oleh atom:

Frekuensi garis spektral tanpa adanya medan magnet;

Garis spektrum terbelah dalam medan magnet. Dari (25.7) jelas bahwa Av bergantung pada bilangan kuantum magnetik, pengali Lande, dan induksi medan magnet. Jika g 1= g 2 = g, Itu

Menurut aturan pemilihan bilangan kuantum magnetik, kita punya

Ini sesuai dengan tiga kemungkinan frekuensi: n 0 + gm B B/jam, n 0 , n 0 - gm B B/jam, yaitu, dalam medan magnet, garis spektral terbelah dan berubah menjadi triplet (Gbr. 25.2). Pemisahan ini disebut normal atau efek Zeeman sederhana. Itu diamati di medan magnet yang kuat atau ketika g 1= g2.

Dalam medan magnet lemah di g 1 ¹ g 2 ada efek Zeeman anomali, dan pemisahan garis spektral jauh lebih rumit.

§ 25.2. Resonansi paramagnetik elektron dan aplikasi biomedisnya

Untuk atom yang ditempatkan dalam medan magnet, transisi spontan antara sublevel pada level yang sama tidak mungkin terjadi. Namun, transisi tersebut terjadi secara induksi di bawah pengaruh medan elektromagnetik eksternal. Kondisi yang diperlukan adalah frekuensi medan elektromagnetik bertepatan dengan frekuensi foton, sesuai dengan perbedaan energi antara sublevel yang terpisah. Dalam hal ini dapat diamati penyerapan energi medan elektromagnetik yang disebut resonansi magnetis.

Tergantung pada jenis partikel - pembawa momen magnet - ada resonansi paramagnetik elektron (EPR) Dan resonansi magnetik nuklir (NMR).

ESR terjadi pada zat yang mengandung partikel paramagnetik: molekul, atom, ion, radikal yang memiliki momen magnet akibat elektron. Fenomena Zeeman yang muncul dalam kasus ini dijelaskan oleh pemisahan level elektronik (karenanya nama resonansi - “elektronik”). EPR yang paling umum terjadi pada partikel dengan momen magnet putaran murni (dalam literatur asing kadang-kadang disebut EPR jenis ini resonansi putaran elektron).

ESR ditemukan oleh E.P. Zavoisky pada tahun 1944. Dalam percobaan pertama, penyerapan resonansi diamati pada garam ion golongan besi. Zavoisky berhasil mempelajari sejumlah pola fenomena ini.

Dari ekspresi (23.31) dan (25.3) kita memperoleh kondisi penyerapan energi resonansi berikut:

Resonansi magnetik diamati jika suatu partikel dipengaruhi secara simultan oleh medan induksi konstan B res dan medan elektromagnetik dengan frekuensi v. Dari kondisi (25.9) jelas bahwa serapan resonansi dapat dideteksi dengan dua cara: dengan frekuensi konstan, ubah induksi magnet dengan lancar, atau, dengan induksi magnet konstan, ubah frekuensi dengan lancar. Secara teknis, opsi pertama ternyata lebih nyaman.

Pada Gambar. Gambar 25.3 menunjukkan pemisahan tingkat energi elektron (a) dan perubahan daya R gelombang elektromagnetik yang melewati sampel, tergantung pada induksi medan magnet (B). Ketika kondisi (25.9) terpenuhi, EPR terjadi.

Bentuk dan intensitas garis spektral yang diamati pada EPR ditentukan oleh interaksi momen magnet elektron, khususnya momen spin, satu sama lain, dengan kisi benda padat, dll. Mari kita cari tahu bagaimana faktor-faktor ini mempengaruhi sifat spektrum.

Mari kita asumsikan kondisi (25.9) terpenuhi. Untuk menyerap energi, atom-atom suatu zat harus memiliki populasi sublevel bawah yang lebih besar daripada sublevel atas. Jika tidak, emisi energi terstimulasi akan mendominasi.

Selama resonansi paramagnetik elektron, seiring dengan penyerapan energi dan peningkatan populasi sublevel atas, proses sebaliknya juga terjadi - transisi non-radiasi ke sublevel bawah, energi partikel ditransfer ke kisi.

Proses perpindahan energi dari partikel ke kisi disebut relaksasi spin-kisi, hal ini ditandai dengan waktu t. Menurut hubungan Heisenberg (23.11), hal ini menyebabkan perluasan level.

Dengan demikian, penyerapan resonansi tidak disebabkan secara tepat pada satu nilai Masuk dan masuk beberapa interval DВ(Gbr. 25.4). Alih-alih garis serapan yang sangat sempit, akan ada garis yang lebarnya berhingga: semakin pendek waktu relaksasi spin-lattice, semakin besar lebar garisnya (t 1< t 2, masing-masing, kurva 1 Dan 2 pada Gambar. 25.4).

Perluasan garis EPR juga bergantung pada interaksi putaran elektron (interaksi spin-spin) dan interaksi partikel paramagnetik lainnya. Berbagai jenis interaksi tidak hanya mempengaruhi lebar garis serapan, tetapi juga bentuknya.

Energi yang diserap selama ESR, yaitu intensitas integral (total) garis, dalam kondisi tertentu sebanding dengan jumlah partikel paramagnetik. Oleh karena itu, dari intensitas integral yang diukur, konsentrasi partikel-partikel ini dapat dinilai.

Parameter penting yang menjadi ciri garis serapan singlet (tunggal) adalah n pe з, Dalam res, g(posisi titik resonansi), sesuai dengan kondisi (25.9). Pada frekuensi konstan v nilainya Dalam resolusi tergantung pada faktor g. Dalam kasus paling sederhana, faktor g memungkinkan Anda menentukan sifat magnet sistem (spin atau orbital). Jika sebuah elektron terikat pada atom yang merupakan bagian dari kisi kristal padat atau sistem molekul apa pun, maka elektron tersebut akan dipengaruhi oleh medan internal yang kuat. Dengan mengukur faktor g, informasi tentang medan dan ikatan intramolekul dapat diperoleh.

Namun, jika penelitian hanya memperoleh garis serapan singlet, maka banyak penerapan metode resonansi magnetik tidak mungkin dilakukan. Sebagian besar aplikasi, termasuk aplikasi biomedis, didasarkan pada analisis sekelompok garis. Kehadiran sekelompok garis dekat dalam spektrum EPR disebut secara kondisional pemisahan. Ada dua tipe karakteristik pemisahan untuk spektrum EPR.

Pertama - pemisahan elektron- terjadi ketika suatu molekul atau atom tidak memiliki satu, tetapi beberapa elektron yang menyebabkan EPR. Kedua - pemisahan hiperhalus- diamati selama interaksi elektron dengan momen magnet inti.

Teknik modern untuk mengukur EPR didasarkan pada penentuan perubahan parameter sistem yang terjadi ketika energi elektromagnetik diserap.

Alat yang digunakan untuk tujuan ini disebut Spektrometer EPR. Ini terdiri dari bagian utama berikut (Gbr. 25.5): 1 - elektromagnet yang menciptakan medan magnet seragam yang kuat, yang induksinya dapat berfluktuasi dengan lancar; 2 - generator radiasi gelombang mikro dari medan elektromagnetik; 3 - spesial

“sel penyerap”, yang memusatkan radiasi gelombang mikro yang terjadi pada sampel dan memungkinkan untuk mendeteksi penyerapan energi oleh sampel (resonator rongga); 4 - sirkuit elektronik yang menyediakan pengamatan atau pencatatan spektrum EPR; 5 - Sampel; 6 - osiloskop.

Spektrometer EPR modern menggunakan frekuensi sekitar 10 GHz (panjang gelombang 0,03 m). Artinya, sesuai dengan (25.9), serapan EPR maksimum untuk g = 2 diamati pada DI DALAM= 0.ZTl.

Dalam praktiknya, spektrometer EPR tidak mencatat kurva penyerapan energi (Gambar 25.6a), namun turunannya (Gambar 2). 25.6,b). Salah satu aplikasi biomedis dari metode EPR adalah deteksi dan studi radikal bebas. Misalnya, spektrum ESR dari protein yang diiradiasi memungkinkan untuk menjelaskan mekanisme pembentukan radikal bebas dan, dalam hal ini, melacak perubahan produk primer dan sekunder dari kerusakan radiasi.

ESR banyak digunakan untuk mempelajari proses fotokimia, khususnya fotosintesis. Aktivitas karsinogenik zat tertentu sedang dipelajari.

Untuk tujuan sanitasi dan higienis, metode EPR digunakan untuk menentukan konsentrasi radikal di udara.

Baru-baru ini, metode spin-mark diusulkan secara khusus untuk mempelajari molekul biologis, yang intinya adalah senyawa paramagnetik dengan struktur yang diketahui dikaitkan dengan molekul objek yang diteliti. Posisi tanda putaran dalam molekul ditemukan dari spektrum EPR. Dengan memasukkan label ke berbagai bagian molekul, dimungkinkan untuk menentukan lokasi berbagai kelompok atom, interaksinya, mempelajari sifat dan orientasi ikatan kimia, dan mendeteksi pergerakan molekul. Melampirkan bukan hanya satu tapi beberapa label spin, misalnya dua, pada sebuah molekul memungkinkan seseorang memperoleh informasi tentang jarak kelompok berlabel dan orientasi relatifnya.

Spin probe juga digunakan - partikel paramagnetik yang terikat secara non-kovalen pada molekul. Perubahan dalam spektrum EPR spin probe memberikan informasi tentang keadaan molekul di sekitarnya. Pada Gambar. Gambar 25.7 menunjukkan spektrum EPR dari radikal nitroksida, yang ditempatkan dalam gliserol sebagai spin probe. Dengan meningkatnya suhu, viskositas gliserol menurun, dan ini mengubah tampilan spektrum EPR. Jadi, dari bentuk spektrum EPR, seseorang dapat menentukan mikroviskositas - viskositas lingkungan terdekat dari spin probe. Jadi, khususnya, dimungkinkan untuk menentukan mikroviskositas lapisan lipid membran (lihat § 11.2).

Secara umum studi objek biologi dengan menggunakan metode EPR memiliki penerapan yang luas.

§ 25.3. Resonansi magnetik nuklir. Introskopi NMR (pencitraan resonansi magnetik)

Resonansi magnetik nuklir tidak termasuk dalam bagian fisika atom dan molekul, tetapi dibahas dalam bab yang sama dengan EPR sebagai fenomena resonansi magnetik.

Momen magnet inti dirangkum dari momen magnet nukleon. Biasanya momen ini dinyatakan dalam magneton nuklir (mi); m saya = 5,05 10 -27 Am 2. Momen magnet proton kira-kira sama dengan hal mp= 2,79m i, sebuah neutron r dll= -1,91m saya. Tanda “-” berarti momen magnet neutron berorientasi berlawanan dengan putarannya.

Mari kita sajikan momen-momen magnetisnya r cha beberapa inti, dinyatakan dalam magneton nuklir.

Tabel 32

Momen magnet suatu inti yang ditempatkan dalam medan magnet hanya dapat mempunyai orientasi diskrit. Ini berarti bahwa energi inti akan sesuai dengan sublevel, yang jaraknya bergantung pada induksi medan magnet.

Jika, dalam kondisi ini, inti terkena medan elektromagnetik, maka transisi antar sublevel dapat terjadi. Untuk melakukan transisi ini, serta penyerapan energi medan elektromagnetik, kondisi yang serupa dengan (25.9) harus dipenuhi:

di mana aku - pengganda Lande nuklir.

Penyerapan selektif gelombang elektromagnetik dengan frekuensi tertentu oleh suatu zat dalam medan magnet konstan, yang disebabkan oleh reorientasi momen magnet inti, disebut resonansi magnetik nuklir.

NMR dapat diamati jika kondisi (25.10) terpenuhi hanya untuk inti atom bebas. Nilai eksperimental frekuensi resonansi inti yang ditemukan pada atom dan molekul tidak sesuai dengan (25.10). Dalam hal ini, terjadi “pergeseran kimia”, yang timbul sebagai akibat dari pengaruh medan magnet lokal yang diciptakan di dalam atom oleh arus elektron. Saya diinduksi oleh medan magnet luar. Sebagai akibat dari “efek diamagnetik” ini, timbul medan magnet tambahan, yang induksinya sebanding dengan induksi medan magnet luar, tetapi arahnya berlawanan. Oleh karena itu, medan magnet efektif total yang bekerja pada inti dicirikan oleh induksi

di mana s adalah konstanta penyaringan, yang besarnya sama dengan 10 -6 dan bergantung pada lingkungan elektronik inti.

Oleh karena itu, untuk jenis inti tertentu yang terletak di lingkungan berbeda (molekul berbeda atau tempat berbeda yang tidak setara dari molekul yang sama), resonansi diamati pada frekuensi yang berbeda. Ini menentukan pergeseran kimia. Itu tergantung pada sifat ikatan kimia, struktur elektronik molekul, konsentrasi zat, jenis pelarut, suhu, dll.

Jika dua atau lebih inti dalam suatu molekul dilindungi secara berbeda, yaitu inti-inti dalam molekul tersebut menempati posisi kimia yang tidak setara, maka keduanya mengalami pergeseran kimia yang berbeda. Spektrum NMR dari molekul semacam itu mengandung garis resonansi sebanyak jumlah kelompok inti kimia yang tidak setara dari jenis tertentu di dalamnya. Intensitas setiap garis sebanding dengan jumlah inti dalam suatu kelompok tertentu.

Dalam spektrum NMR, dua jenis garis dibedakan berdasarkan lebarnya. Spektrum padatan mempunyai lebar yang besar, dan penerapan NMR ini disebut NMR garis lebar. Garis-garis sempit diamati dalam cairan dan ini disebut NMR resolusi tinggi.

Pada Gambar. Gambar 25.8 menunjukkan kurva resonansi magnetik nuklir untuk benda padat (a) dan cairan (B). Ketajaman puncak pada zat cair disebabkan oleh hal-hal berikut. Setiap inti berinteraksi dengan tetangganya. Karena orientasi momen magnet nuklir yang mengelilingi inti dengan tipe tertentu berubah dari titik ke titik dalam suatu zat, medan magnet total yang bekerja pada inti berbeda dari tipe yang sama juga berubah. Artinya, untuk seluruh rangkaian inti, daerah resonansinya harus berupa garis lebar. Namun karena pergerakan molekul dalam cairan yang cepat, medan magnet lokal tidak bertahan lama. Hal ini mengakibatkan inti fluida terkena medan rata-rata yang sama, sehingga garis resonansinya tajam.

Untuk senyawa kimia yang memiliki NMR inti yang menempati lokasi yang setara secara kimia dalam molekulnya, diamati satu garis. Senyawa dengan struktur yang lebih kompleks memberikan spektrum banyak garis.

Berdasarkan pergeseran kimia, jumlah dan posisi garis spektrum, struktur molekul dapat ditentukan.

Ahli kimia dan biokimia banyak menggunakan metode NMR untuk mempelajari struktur molekul paling sederhana dari zat anorganik hingga molekul paling kompleks dari benda hidup, serta untuk memecahkan banyak masalah yang berkaitan dengan terjadinya reaksi kimia, mempelajari struktur zat awal dan produk yang dihasilkan dari reaksi. Salah satu kelebihan analisis ini adalah tidak merusak objek penelitian, seperti yang terjadi misalnya pada analisis kimia.

Penentuan parameter spektrum NMR di banyak titik sampel dapat memberikan peluang yang sangat menarik bagi dunia kedokteran. Secara bertahap, melalui seluruh sampel lapis demi lapis (pemindaian), Anda bisa mendapatkan gambaran lengkap tentang distribusi spasial molekul yang mengandung, misalnya, atom hidrogen atau fosfor (masing-masing dengan resonansi magnetik dari inti proton atau fosfor).

Semua ini dilakukan tanpa merusak sampel, sehingga penelitian dapat dilakukan terhadap benda hidup. Metode ini disebut Introskopi NMR(untuk introskopi lihat § 19.8) atau resonansi magnetis tomografi (MRI). Hal ini memungkinkan Anda untuk membedakan antara tulang, pembuluh darah, jaringan normal dan jaringan dengan patologi ganas. Introskopi NMR memungkinkan untuk membedakan gambaran jaringan lunak, misalnya membedakan gambaran materi abu-abu otak dari materi putih, sel tumor dari sel sehat, sedangkan ukuran minimum “inklusi” patologis dapat berupa pecahan. dari satu milimeter. Introskopi NMR diharapkan dapat menjadi metode yang efektif untuk mendiagnosis penyakit yang berhubungan dengan perubahan kondisi organ dan jaringan.

Frekuensi gelombang elektromagnetik yang menyebabkan transisi antara keadaan energi selama EPR dan NMR sesuai dengan jangkauan radio. Oleh karena itu, kedua fenomena ini berhubungan spektroskopi radio.

spektrometri resonansi magnetik nuklir

NMR adalah metode paling ampuh dan informatif untuk mempelajari molekul. Sebenarnya, ini bukan satu metode, ini adalah sejumlah besar jenis eksperimen yang berbeda, yaitu rangkaian pulsa. Meskipun semuanya didasarkan pada fenomena NMR, masing-masing eksperimen ini dirancang untuk memperoleh beberapa informasi spesifik yang spesifik. Jumlah eksperimen ini diukur dalam puluhan, bahkan ratusan. Secara teoritis, NMR dapat, jika tidak semuanya, maka hampir semua hal yang dapat dilakukan oleh semua metode eksperimental lainnya untuk mempelajari struktur dan dinamika molekul, meskipun dalam praktiknya hal ini tentu saja dapat dilakukan, tidak selalu. Salah satu keuntungan utama NMR adalah, di satu sisi, probe alaminya, yaitu inti magnet, didistribusikan ke seluruh molekul, dan di sisi lain, memungkinkan seseorang untuk membedakan inti ini satu sama lain dan memperoleh data selektif spasial. pada sifat-sifat molekul. Hampir semua metode lain memberikan informasi rata-rata untuk seluruh molekul atau hanya sekitar satu bagian saja.

NMR memiliki dua kelemahan utama. Pertama, sensitivitasnya rendah dibandingkan dengan sebagian besar metode eksperimental lainnya (spektroskopi optik, fluoresensi, EPR, dll.). Hal ini mengarah pada fakta bahwa untuk meratakan kebisingan, sinyal harus terakumulasi dalam waktu yang lama. Dalam beberapa kasus, percobaan NMR dapat dilakukan bahkan selama beberapa minggu. Kedua, biayanya mahal. Spektrometer NMR adalah salah satu instrumen ilmiah termahal, biayanya diukur setidaknya dalam ratusan ribu dolar, dan spektrometer termahal berharga beberapa juta. Tidak semua laboratorium, terutama di Rusia, mampu memiliki peralatan ilmiah seperti itu.

Penerapan NMR

Penerapan spektroskopi NMR. Spektroskopi NMR adalah metode analisis non-destruktif. Spektroskopi transformasi NMR Fourier berdenyut modern memungkinkan analisis 80 inti magnetik. Spektroskopi NMR adalah salah satu metode analisis fisikokimia utama; datanya digunakan untuk identifikasi yang jelas dari produk antara reaksi kimia dan produk target. Selain penugasan struktural dan analisis kuantitatif, spektroskopi NMR memberikan informasi tentang kesetimbangan konformasi, difusi atom dan molekul dalam padatan, gerakan internal, ikatan hidrogen dan asosiasi dalam cairan, tautomerisme, logam dan prototropi, urutan dan distribusi unit dalam rantai polimer, struktur elektronik kristal ionik, kristal cair, dll. Spektroskopi NMR adalah sumber informasi tentang struktur biopolimer, termasuk molekul protein dalam larutan, yang keandalannya sebanding dengan data analisis difraksi sinar-X. Di tahun 80an Pengenalan pesat metode spektroskopi dan tomografi NMR ke dalam pengobatan dimulai untuk diagnosis penyakit kompleks dan untuk pemeriksaan kesehatan masyarakat. Jumlah dan posisi garis dalam spektrum NMR dengan jelas mencirikan semua fraksi minyak mentah, karet sintetis, plastik, serpih, batu bara, obat-obatan, sediaan, produk kimia dan farmasi, dll. Intensitas dan lebar garis NMR air atau minyak memungkinkan untuk secara akurat mengukur kadar air dan kandungan minyak benih, pelestarian biji-bijian. Saat melepaskan diri dari sinyal air, dimungkinkan untuk mencatat kandungan gluten di setiap biji-bijian, yang, seperti analisis kandungan minyak, memungkinkan percepatan seleksi pertanian. tanaman-tanaman Penggunaan medan magnet yang semakin kuat (hingga 14 Tesla dalam perangkat serial dan hingga 19 Tesla dalam instalasi eksperimental) memungkinkan untuk sepenuhnya menentukan struktur molekul protein dalam larutan, analisis cepat cairan biologis (konsentrasi metabolit endogen dalam darah) , urin, getah bening, cairan serebrospinal) , kontrol kualitas bahan polimer baru. Dalam hal ini, banyak varian teknik spektroskopi transformasi Fourier multikuantum dan multidimensi digunakan.

Resonansi magnetik nuklir (NMR) adalah spektroskopi nuklir yang banyak digunakan dalam semua ilmu fisika dan industri. Dalam NMR untuk menyelidiki sifat putaran intrinsik inti atom magnet besar digunakan. Seperti spektroskopi lainnya, ia menggunakan radiasi elektromagnetik (gelombang frekuensi radio dalam rentang VHF) untuk menciptakan transisi antar tingkat energi (resonansi). Dalam kimia, NMR membantu menentukan struktur molekul kecil. Resonansi magnetik nuklir dalam kedokteran telah diterapkan dalam pencitraan resonansi magnetik (MRI).

Pembukaan

NMR ditemukan pada tahun 1946 oleh ilmuwan Universitas Harvard Purcell, Pound, dan Torrey, serta Bloch, Hansen, dan Packard di Stanford. Mereka memperhatikan bahwa inti 1 H dan 31 P (proton dan fosfor-31) mampu menyerap energi frekuensi radio ketika terkena medan magnet, yang kekuatannya spesifik untuk setiap atom. Ketika diserap, mereka mulai beresonansi, setiap elemen memiliki frekuensinya sendiri. Pengamatan ini memungkinkan dilakukannya analisis rinci tentang struktur molekul. Sejak itu, NMR telah diterapkan dalam studi kinetik dan struktur padatan, cairan, dan gas, sehingga menghasilkan penghargaan 6 Hadiah Nobel.

Sifat putaran dan kemagnetan

Inti atom terdiri dari partikel-partikel elementer yang disebut neutron dan proton. Mereka memiliki momentum sudutnya sendiri, yang disebut putaran. Seperti elektron, putaran inti dapat dijelaskan dengan bilangan kuantum I dan medan magnet m. Inti atom dengan jumlah proton dan neutron genap memiliki putaran nol, dan inti atom lainnya memiliki putaran bukan nol. Selain itu, molekul dengan putaran bukan nol memiliki momen magnet μ = γ SAYA, dimana γ adalah rasio gyromagnetik, konstanta proporsionalitas antara momen dipol magnet dan momen sudut, yang berbeda untuk setiap atom.

Momen magnetis inti menyebabkannya berperilaku seperti magnet kecil. Dengan tidak adanya medan magnet luar, setiap magnet berorientasi secara acak. Selama percobaan NMR, sampel ditempatkan dalam medan magnet luar B0, yang menyebabkan magnet batang berenergi rendah sejajar ke arah B0 dan magnet batang berenergi tinggi berlawanan arah. Dalam hal ini terjadi perubahan orientasi putaran magnet. Untuk memahami konsep yang agak abstrak ini, kita harus mempertimbangkan tingkat energi inti selama percobaan NMR.

Tingkat energi

Untuk membalik putaran, diperlukan bilangan bulat kuanta. Untuk setiap m terdapat tingkat energi 2m + 1. Untuk putaran 1/2 inti hanya ada 2 - yang rendah, ditempati oleh putaran yang sejajar dengan B0, dan yang tinggi, ditempati oleh putaran yang sejajar dengan B0. Setiap tingkat energi ditentukan oleh ekspresi E = -mℏγB 0, dengan m adalah bilangan kuantum magnetik, dalam hal ini +/- 1/2. Tingkat energi untuk m > 1/2, yang dikenal sebagai inti kuadrupol, lebih kompleks.

Perbedaan energi antar level sama dengan: ΔE = ℏγB 0, dimana ℏ adalah konstanta Planck.

Seperti dapat dilihat, kekuatan medan magnet sangat penting, karena jika tidak ada, tingkatnya akan merosot.

Transisi energi

Agar resonansi magnetik nuklir dapat terjadi, putaran balik antar tingkat energi harus terjadi. Perbedaan energi antara kedua keadaan tersebut berhubungan dengan energi radiasi elektromagnetik, yang menyebabkan inti atom mengubah tingkat energinya. Untuk kebanyakan Spektrometer NMR B 0 berorde 1 Tesla (T), dan berorde 10 7. Oleh karena itu, radiasi elektromagnetik yang dibutuhkan adalah sekitar 10 7 Hz. Energi foton dinyatakan dengan rumus E = hν. Oleh karena itu, frekuensi yang diperlukan untuk penyerapan adalah: ν= γB 0 /2π.

Perisai nuklir

Fisika NMR didasarkan pada konsep pelindung nuklir, yang memungkinkan penentuan struktur materi. Setiap atom dikelilingi oleh elektron yang mengorbit inti dan bekerja berdasarkan medan magnetnya, yang pada gilirannya menyebabkan perubahan kecil pada tingkat energi. Ini disebut perisai. Inti yang mengalami medan magnet berbeda yang terkait dengan interaksi elektronik lokal disebut tidak setara. Mengubah tingkat energi menjadi spin flip memerlukan frekuensi berbeda, yang menciptakan puncak baru dalam spektrum NMR. Penyaringan memungkinkan penentuan struktur molekul dengan menganalisis sinyal NMR menggunakan transformasi Fourier. Hasilnya adalah spektrum yang terdiri dari sekumpulan puncak, masing-masing berhubungan dengan lingkungan kimia yang berbeda. Luas puncak berbanding lurus dengan jumlah inti. Informasi struktur terperinci diekstraksi oleh interaksi NMR, mengubah spektrum dengan cara yang berbeda.

Relaksasi

Relaksasi mengacu pada fenomena inti kembali ke tempatnya semula secara termodinamika keadaan yang stabil setelah eksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi. Ini melepaskan energi yang diserap selama transisi dari tingkat yang lebih rendah ke tingkat yang lebih tinggi. Ini adalah proses yang agak rumit yang terjadi dalam jangka waktu yang berbeda. Dua yang paling banyak umum jenis relaksasi adalah spin-lattice dan spin-spin.

Untuk memahami relaksasi, perlu mempertimbangkan keseluruhan polanya. Jika inti ditempatkan dalam medan magnet luar, maka akan tercipta magnetisasi volume sepanjang sumbu Z. Putarannya juga koheren dan memungkinkan sinyal terdeteksi. NMR menggeser magnetisasi massal dari sumbu Z ke bidang XY, tempat magnetisasi tersebut muncul.

Relaksasi spin-lattice ditandai dengan waktu yang dibutuhkan T 1 untuk memulihkan 37% magnetisasi volume sepanjang sumbu Z. Semakin efisien proses relaksasi, semakin rendah T 1 . Dalam zat padat, karena pergerakan antar molekul terbatas, waktu relaksasinya lama. Pengukuran biasanya dilakukan dengan menggunakan metode berdenyut.

Relaksasi putaran-putaran ditandai dengan hilangnya waktu koherensi timbal balik T 2 . Ini mungkin kurang dari atau sama dengan T1.

Resonansi magnetik nuklir dan penerapannya

Dua bidang utama dimana NMR terbukti sangat penting adalah kedokteran dan kimia, namun penerapan baru terus dikembangkan setiap hari.

Pencitraan resonansi magnetik nuklir, lebih dikenal sebagai pencitraan resonansi magnetik (MRI), adalah alat diagnostik medis yang penting, digunakan untuk mempelajari fungsi dan struktur tubuh manusia. Ini memungkinkan Anda memperoleh gambar detail organ apa pun, terutama jaringan lunak, di semua bidang yang memungkinkan. Digunakan di bidang pencitraan kardiovaskular, neurologis, muskuloskeletal, dan onkologi. Tidak seperti pencitraan komputer alternatif, pencitraan resonansi magnetik tidak menggunakan radiasi pengion dan oleh karena itu sepenuhnya aman.

MRI dapat mendeteksi perubahan halus yang terjadi seiring waktu. Pencitraan NMR dapat digunakan untuk mengidentifikasi kelainan struktural yang terjadi selama perjalanan penyakit, bagaimana kelainan tersebut mempengaruhi perkembangan selanjutnya, dan bagaimana perkembangan kelainan tersebut berkorelasi dengan aspek mental dan emosional dari kelainan tersebut. Karena MRI tidak memvisualisasikan tulang dengan baik, MRI menghasilkan gambar intrakranial dan tulang yang sangat bagus intravertebral isi.

Prinsip penggunaan resonansi magnetik nuklir dalam diagnostik

Selama prosedur MRI, pasien dibaringkan di dalam magnet silinder berongga besar dan terkena medan magnet yang kuat dan berkelanjutan. Atom-atom berbeda di bagian tubuh yang dipindai beresonansi pada frekuensi medan berbeda. MRI digunakan terutama untuk mendeteksi getaran atom hidrogen, yang mengandung inti proton berputar yang memiliki medan magnet kecil. Dalam MRI, medan magnet latar belakang menyejajarkan semua atom hidrogen dalam jaringan. Medan magnet kedua, yang arahnya berbeda dari medan latar belakang, menyala dan mati berkali-kali per detik. Pada frekuensi tertentu, atom beresonansi dan sejajar dengan medan kedua. Saat dimatikan, atom memantul kembali, sejajar dengan latar belakang. Ini menciptakan sinyal yang dapat diterima dan diubah menjadi gambar.

Jaringan dengan sejumlah besar hidrogen, yang terdapat dalam tubuh manusia sebagai bagian dari air, menghasilkan gambar yang cerah, dan dengan sedikit atau tanpa kandungan hidrogen (misalnya tulang) terlihat gelap. Kecerahan MRI ditingkatkan dengan zat kontras seperti gadodiamide, yang dikonsumsi pasien sebelum prosedur. Meskipun agen ini dapat meningkatkan kualitas gambar, sensitivitas prosedurnya masih relatif terbatas. Metode sedang dikembangkan untuk meningkatkan sensitivitas MRI. Yang paling menjanjikan adalah penggunaan parahidrogen, suatu bentuk hidrogen dengan sifat putaran molekul unik yang sangat sensitif terhadap medan magnet.

Perbaikan karakteristik medan magnet yang digunakan dalam MRI telah mengarah pada pengembangan teknik pencitraan yang sangat sensitif seperti difusi dan MRI fungsional, yang dirancang untuk menggambarkan sifat jaringan yang sangat spesifik. Selain itu, bentuk unik dari teknologi MRI yang disebut angiografi resonansi magnetik digunakan untuk menggambarkan pergerakan darah. Hal ini memungkinkan Anda untuk memvisualisasikan arteri dan vena tanpa memerlukan jarum, kateter, atau zat kontras. Seperti halnya MRI, teknik ini telah membantu merevolusi penelitian dan diagnostik biomedis.

Teknologi komputer canggih telah memungkinkan ahli radiologi membuat hologram tiga dimensi dari bagian digital yang diperoleh pemindai MRI, yang digunakan untuk menentukan lokasi kerusakan secara tepat. Tomografi sangat berguna untuk memeriksa otak dan sumsum tulang belakang, serta organ panggul seperti kandung kemih dan tulang kanselus. Metode ini dapat dengan cepat dan akurat menentukan tingkat kerusakan tumor dan menilai potensi kerusakan akibat stroke, sehingga dokter dapat meresepkan pengobatan yang tepat pada waktu yang tepat. MRI sebagian besar telah menggantikan artrografi, kebutuhan untuk menyuntikkan bahan kontras ke dalam sendi untuk memvisualisasikan kerusakan tulang rawan atau ligamen, dan mielografi, penyuntikan bahan kontras ke dalam kanal tulang belakang untuk memvisualisasikan kelainan sumsum tulang belakang atau diskus intervertebralis.

Aplikasi dalam kimia

Banyak laboratorium saat ini menggunakan resonansi magnetik nuklir untuk menentukan struktur senyawa kimia dan biologi yang penting. Dalam spektrum NMR, puncak yang berbeda memberikan informasi tentang lingkungan kimia spesifik dan ikatan antar atom. Paling umum Isotop yang digunakan untuk mendeteksi sinyal resonansi magnetik adalah 1 H dan 13 C, tetapi banyak isotop lain yang cocok, seperti 2 H, 3 He, 15 N, 19 F, dll.

Spektroskopi NMR modern telah diterapkan secara luas dalam sistem biomolekuler dan memainkan peran penting dalam biologi struktural. Dengan berkembangnya metodologi dan alat, NMR telah menjadi salah satu metode spektroskopi yang paling kuat dan serbaguna untuk analisis biomakromolekul, yang memungkinkan karakterisasi biomakromolekul dan kompleksnya hingga berukuran 100 kDa. Bersama dengan kristalografi sinar-X, hal ini menjadi satu kesatuan dari dua teknologi terkemuka untuk menentukan strukturnya pada tingkat atom. Selain itu, NMR memberikan informasi unik dan penting tentang fungsi protein, yang memainkan peran penting dalam pengembangan obat. Beberapa kegunaannya Spektroskopi NMR diberikan di bawah ini.

• Ini adalah satu-satunya metode untuk menentukan struktur atom biomakromolekul dalam larutan air pada jarak dekat fisiologis kondisi atau lingkungan yang meniru membran.
• Dinamika molekul. Ini yang paling ampuh metode penentuan kuantitatif sifat dinamis biomakromolekul.
• Lipatan protein. Spektroskopi NMR adalah alat paling ampuh untuk menentukan struktur sisa protein yang tidak terlipat dan mediator pelipatan.
• keadaan ionisasi. Metode tersebut efektif dalam menentukan sifat kimia gugus fungsi dalam biomakromolekul, seperti ionisasi keadaan kelompok situs aktif enzim yang dapat terionisasi.
• Resonansi magnetik nuklir memungkinkan studi tentang interaksi fungsional yang lemah antara makrobimolekul (misalnya, dengan konstanta disosiasi dalam rentang mikromolar dan milimolar), yang tidak dapat dilakukan dengan menggunakan metode lain.
• Hidrasi protein. NMR adalah alat untuk mendeteksi air internal dan interaksinya dengan biomakromolekul.
• Ini unik metode deteksi interaksi langsung ikatan hidrogen.
• Skrining dan pengembangan obat. Secara khusus, resonansi magnetik nuklir sangat berguna dalam mengidentifikasi obat dan menentukan konformasi senyawa yang terkait dengan enzim, reseptor, dan protein lainnya.
• Protein membran asli. NMR solid-state mempunyai potensi penentuan struktur atom domain protein membran di lingkungan membran asli, termasuk dengan ligan terikat.
• Analisis metabolik.
• Analisis kimia. Identifikasi kimia dan analisis konformasi bahan kimia sintetis dan alami.
• Ilmu Material. Alat yang ampuh dalam studi kimia polimer dan fisika.

Aplikasi lain

Resonansi magnetik nuklir dan penerapannya tidak terbatas pada kedokteran dan kimia. Metode ini telah terbukti sangat berguna dalam bidang lain seperti pengujian iklim, industri perminyakan, pengendalian proses, NMR bidang bumi, dan magnetometer. Pengujian non-destruktif menghemat sampel biologis yang mahal, yang dapat digunakan kembali jika diperlukan pengujian lebih lanjut. Resonansi magnetik nuklir dalam geologi digunakan untuk mengukur porositas batuan dan permeabilitas cairan bawah tanah. Magnetometer digunakan untuk mengukur berbagai medan magnet.

RESONANSI MAGNETIK NUKLIR(NMR), fenomena serapan resonansi gelombang elektromagnetik frekuensi radio. energi in-vom dengan mag bukan nol. momen inti yang terletak di bagian luar pesulap permanen. bidang. Magnet nuklir bukan nol. inti 1 H, 2 H, 13 C, 14 N, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P, dan seterusnya mempunyai momen. NMR biasanya diamati dalam medan magnet konstan yang seragam. bidang B 0 , medan frekuensi radio lemah B 1 yang tegak lurus terhadap medan B 0 ditumpangkan padanya. Untuk zat yang inti I = 1/2 (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P, dst.), dua orientasi magnet dimungkinkan di medan B 0. inti "sepanjang lapangan" dan "melawan lapangan". Munculnya dua tingkat energi E karena interaksi. mag. momen inti dengan medan B 0 dipisahkan oleh interval
Asalkan atau dimana h - , v 0 adalah frekuensi medan frekuensi radio B 1, adalah frekuensi melingkar, yang disebut. gyromagn. rasio inti, penyerapan resonansi energi medan B 1 diamati , disebut NMR. Untuk 1 H, 13 C, 31 P, frekuensi NMR pada medan B 0 = 11,7 T masing-masing adalah sama. (dalam MHz): 500, 160,42 dan 202,4; nilai (dalam MHz/T): 42.58, 10.68 dan 17.24. Menurut model kuantum, tingkat energi 2I+1 muncul di medan B 0, transisi di antaranya diperbolehkan pada saat m adalah mag. bilangan kuantum.

Teknik eksperimental. Parameter spektrum NMR. Berdasarkan fenomena NMR. Spektrum NMR direkam menggunakan spektrometer radio (Gbr.). Contoh zat yang diteliti ditempatkan sebagai inti pada kumparan rangkaian pembangkit (medan B 1), terletak pada celah magnet yang menimbulkan medan B 0 sehingga terjadi serapan resonansi yang menyebabkan jatuh tegangan. pada rangkaian, pada rangkaian tersebut terdapat kumparan dengan sampel. Penurunan tegangan dideteksi, diperkuat, dan diumpankan ke alat penyapu atau perekam osiloskop. Secara modern Spektrometer radio NMR biasanya menggunakan medan ajaib dengan kekuatan 1-12 Tesla. Wilayah spektrum di mana terdapat sinyal yang dapat dideteksi dengan satu atau lebih. maksimal, disebut Garis serapan NMR. Lebar garis yang diamati diukur pada setengah maks. intensitas dan dinyatakan dalam Hz, disebut. Lebar garis NMR. Resolusi spektrum NMR - min. lebar garis NMR yang dapat diamati oleh spektrometer ini. Kecepatan lintasan adalah kecepatan (dalam Hz/s) perubahan intensitas magnet. bidang atau frekuensi radiasi frekuensi radio yang mempengaruhi sampel ketika memperoleh spektrum NMR.

Diagram spektrometer NMR: 1 - kumparan dengan sampel; 2 - kutub magnet; 3 - generator medan frekuensi radio; 4 - penguat dan detektor; 5 - generator tegangan modulasi; 6 - kumparan modulasi medan B 0; 7 - osiloskop.

Sistem mendistribusikan kembali energi yang diserap ke dalam dirinya sendiri (yang disebut putaran-putaran, atau melintang; karakteristik waktu T 2) dan melepaskannya ke dalam (spin-kisi, waktu T 1). Kali T 1 dan T 2 membawa informasi tentang jarak antar inti dan waktu korelasi. mereka bilang gerakan. Pengukuran ketergantungan T 1 dan T 2 pada suhu dan frekuensi v 0 memberikan informasi tentang sifat pergerakan termal, kimia. , dll. Dalam dengan kisi kaku T 2 = 10 s, dan T 1 > 10 3 s, karena mekanisme putaran-kisi biasa tidak ada dan disebabkan oleh paramagnetik kotoran. Karena kecilnya T2, lebar alami garis NMR sangat besar (puluhan kHz), dan registrasinya berada di wilayah garis lebar NMR. Dalam T 1 T 2 kecil dan diukur dalam hitungan detik. jawab. Garis NMR memiliki lebar orde 10 -1 Hz (NMR resolusi tinggi). Untuk mereproduksi bentuk garis yang tidak terdistorsi, perlu melewati garis dengan lebar 0,1 Hz selama 100 detik. Hal ini memberikan batasan yang signifikan pada sensitivitas spektrometer NMR.
Parameter utama spektrum NMR adalah kimia. pergeseran - rasio perbedaan antara frekuensi sinyal NMR yang diamati dan sinyal referensi tertentu yang dipilih secara konvensional, diambil dengan tanda yang sesuai. standar dengan frekuensi sinyal referensi (dinyatakan dalam bagian per juta, ppm). kimia. Pergeseran NMR diukur dalam besaran tak berdimensi yang diukur dari puncak sinyal referensi. Jika standar memberikan sinyal pada frekuensi v 0, maka Tergantung pada sifat inti yang dipelajari, proton NMR, atau PMR, dan 13 C NMR dibedakan (tabel nilai pergeseran kimia diberikan di kertas akhir volume). NMR 19 F (lihat), NMR 31 P (lihat), dll. Besaran tersebut mempunyai karakteristik yang signifikan dan memungkinkan untuk menentukan dari spektrum NMR keberadaan mol tertentu. pecahan. Data kimia yang relevan. perbedaan pergeseran. inti diterbitkan dalam buku referensi dan buku teks, dan juga dimasukkan ke dalam database, yang menyediakan database modern. Spektrometer NMR. Pada rangkaian senyawa kimia yang mempunyai struktur serupa. pergeserannya berbanding lurus dengan inti yang bersesuaian.
Standar yang diterima secara umum untuk PMR dan 13 C NMR adalah tetramethylsilane (TMS). Standar m.b. dilarutkan dalam larutan uji (standar internal) atau ditempatkan, misalnya, dalam kapiler tertutup yang terletak di dalam ampul sampel (standar eksternal). Hanya yang penyerapannya tidak tumpang tindih dengan wilayah penelitian yang dapat dijadikan p-residu. Untuk PMR, pembawa terbaik adalah yang tidak mengandung (CC1 4, CDC1 3, CS 2, D 2 O, dll).
Dalam inti poliatomik, inti yang sama yang menempati posisi kimia yang tidak setara memiliki sifat kimia yang berbeda. pergeseran akibat perbedaan kemagnetan pelindung inti dengan inti valensi (inti seperti itu disebut anisokron). Untuk inti ke-i di mana adalah diagram konstan. perisai, diukur dalam ppm. Untuk rentang perubahan tipikal hingga 20 ppm; untuk inti yang lebih berat, intervalnya 2-3 kali lipat lebih besar.
Parameter penting dari spektrum NMR adalah interaksi spin-spin. ( TCO) - ukuran TCO tidak langsung antara perbedaan. mag. inti satu (lihat); dinyatakan dalam Hz.
Interaksi inti co yang terdapat di antara inti i dan j menyebabkan saling orientasi inti tersebut pada medan B 0 (SSV). Dengan resolusi yang cukup SSV mengarah ke tambahan. garis yang sesuai dengan nilai kimia tertentu. shift: dimana J ij - SSV; F ij - besaran, yang nilainya ditentukan oleh inti i dan j, sesuai dengan mol. fragmen, sudut dihedral antar bahan kimia. koneksi dan jumlah koneksi antara inti yang berpartisipasi dalam SSV.
Jika kimia. pergeserannya cukup besar yaitu min max (J ij), maka SSW muncul dalam bentuk kelipatan sederhana dengan distribusi intensitas binomial (spektra orde satu). Jadi, pada gugus etil, sinyal metil muncul dalam bentuk dengan rasio intensitas 1:2:1, dan sinyal metilen muncul dalam bentuk quadruplet dengan rasio intensitas 1:3:3:1. Dalam spektrum 13 C NMR, gugus metin adalah rangkap dua (1:1), serta gugus metilen dan metil, masing-masing. dan quadruplet, tetapi dengan nilai SER lebih tinggi dibandingkan pada spektrum proton. kimia. pergeseran spektrum orde pertama sama dengan interval antara pusat kelipatan, dan J ij - jarak antara puncak kelipatan yang berdekatan. Jika kondisi orde pertama tidak terpenuhi, maka spektrum menjadi kompleks: di dalamnya, tidak ada satu interval pun, secara umum, yang sama dengan J ij. Nilai pasti dari parameter spektral diperoleh dari mekanika kuantum. perhitungan. Program terkait disertakan dalam matras. menyediakan modern Spektrometer NMR. Kandungan informasi kimia. pergeseran dan SSV telah mengubah resolusi tinggi menjadi salah satu metode kualitas yang paling penting. dan kuantitas. analisis campuran kompleks, sistem, obat dan komposisi, serta studi struktur dan reaksi. kemampuan. Saat belajar, merosot dan dinamis lainnya. sistem, geom. struktur protein dalam larutan, dengan bahan kimia lokal yang tidak merusak. analisis makhluk hidup, dll., kemampuan metode NMR sangatlah unik.

Magnetisasi nuklir di pulau itu. Sesuai dengan distribusi Boltzmann dalam sistem putaran dua tingkat N, rasio bilangan N + di tingkat bawah dengan bilangan N - di tingkat atas sama dengan di mana k - ; T-t-ra. Pada B 0 = 1 T dan T = 300 K dengan perbandingan N + /N - .= 1,00005. Rasio ini menentukan besarnya magnetisasi inti suatu zat yang ditempatkan pada medan B 0 . Mag. momen M setiap inti mengalami gerak presesi relatif terhadap sumbu z, sepanjang medan B 0 diarahkan; frekuensi gerakan ini sama dengan frekuensi NMR. Jumlah proyeksi momen nuklir presesi pada sumbu z membentuk makroskopis magnetisasi di M z = 10 18 Pada bidang xy, tegak lurus sumbu z, proyeksi akibat keacakan fase presesi sama dengan nol: M xy = 0. Penyerapan energi dalam NMR berarti per satuan waktu lebih banyak yang berpindah dari yang lebih rendah tingkat ke atas daripada ke arah yang berlawanan, yaitu perbedaan populasi N + - N - berkurang (pemanasan sistem putaran, saturasi NMR). Ketika jenuh dalam mode stasioner, magnetisasi sistem dapat meningkat pesat. Inilah yang disebut Efek overhauser, untuk inti disebut NOE (Nuclear Overhauser effect), yang banyak digunakan untuk meningkatkan sensitivitas, serta untuk memperkirakan jarak antar inti saat mempelajari dermaga. metode geometri.

Model vektor NMR. Saat merekam NMR, medan frekuensi radio yang bekerja pada bidang xy diterapkan pada sampel. Pada bidang ini, medan B 1 dapat dianggap sebagai dua bidang dengan amplitudo B 1m/ 2, berputar dengan frekuensi berlawanan arah. Sistem koordinat berputar x"y"z diperkenalkan, sumbu x bertepatan dengan B 1m/ 2, berputar searah dengan Pengaruhnya menyebabkan perubahan sudut di puncak kerucut presesi momen magnet nuklir; magnetisasi nuklir M z dimulai bergantung pada waktu, dan pada bidang x"y" muncul proyeksi magnetisasi nuklir bukan nol. Dalam sistem koordinat tetap, proyeksi ini berputar dengan frekuensi, yaitu tegangan frekuensi radio diinduksi dalam induktor , yang, setelah terdeteksi, memberikan sinyal NMR - f tion magnetisasi nuklir dari frekuensi, perubahan lambat (mode sapuan) dan NMR berdenyut dibedakan. Pergerakan kompleks nyata dari magnetisasi nuklir menciptakan dua sinyal independen di bidang x"y" : M x, (sefasa dengan tegangan frekuensi radio B 1) dan M y" ( bergeser relatif terhadap B 1 dalam fasa sebesar 90 ° C). Registrasi M x" dan M y" secara bersamaan (deteksi kuadratur) menggandakan sensitivitas spektrometer NMR. Dengan amplitudo yang cukup besar B 1m proyeksi M z = M x " = M y " = 0 (NMR saturasi). Oleh karena itu, di bawah aksi terus menerus dari medan B 1, amplitudonya harus sangat kecil agar kondisi pengamatan awal tidak berubah.
Sebaliknya, pada NMR berdenyut, nilai B 1 dipilih sedemikian besar sehingga selama waktu t dan T 2 dibelokkan dalam sistem koordinat putar M z dari sumbu z dengan suatu sudut. Pada = 90° denyut nadi disebut 90° (/2-pulsa); di bawah pengaruhnya, magnetisasi nuklir muncul di bidang x"y", mis. setelah pulsa berakhir, amplitudo M y" mulai berkurang seiring waktu T 2 karena perbedaan fase komponen elementernya (spin-spin ). Magnetisasi nuklir kesetimbangan M z terjadi dengan waktu spin-kisi T 1. Pada = 180° (pulsa) M z sesuai dengan arah negatif sumbu z, berelaksasi setelah berakhirnya pulsa ke posisi setimbangnya. Kombinasi dari pulsa banyak digunakan dalam opsi multi-pulsa modern.
Ciri penting dari sistem koordinat berputar adalah perbedaan frekuensi resonansi di dalamnya dan dalam sistem koordinat stasioner: jika B 1 V lok (bidang lokal statis), maka M presesi dalam sistem koordinat berputar relatif terhadap lapangan. Selain resonansi, frekuensi NMR dalam sistem koordinat rotasi memungkinkan Anda memperluas kemampuan NMR secara signifikan dalam mempelajari proses lambat dalam materi.

kimia. pertukaran dan spektrum NMR(NMR dinamis). Parameter dari pertukaran dua posisi A B adalah waktu tinggal dan probabilitas tinggal dan Pada suhu rendah, spektrum NMR terdiri dari dua garis sempit yang dipisahkan oleh Hz; kemudian, seiring mengecilnya, garis-garis tersebut mulai melebar, tetap pada tempatnya. Ketika frekuensi pertukaran mulai melebihi jarak awal antar garis, garis-garis mulai bergerak mendekat, dan ketika terlampaui 10 kali, satu garis lebar terbentuk di tengah interval (v A, v B), jika dengan lebih jauh pertumbuhan suhu garis gabungan ini menjadi sempit. Perbandingan eksperimen. spektrum dengan yang dihitung memungkinkan Anda untuk menunjukkan frekuensi bahan kimia yang tepat untuk setiap percobaan. pertukaran, dari data ini termodinamika dihitung. karakteristik proses. Dengan pertukaran multi-posisi dalam spektrum NMR yang kompleks, bersifat teoritis. spektrumnya diperoleh dari quantummech. perhitungan. Dinamis NMR adalah salah satu yang utama metode untuk mempelajari stereokimia non-kekakuan, konformasi, dll.

Putar pada sudut ajaib. Ekspresi potensial interaksi dipol-dipol. berisi pengganda dimana adalah sudut antara B 0 dan r ij antar inti. Pada = arccos 3 -1/2 = 54°44" (sudut "ajaib"), faktor-faktor ini hilang, yaitu kontribusi yang sesuai terhadap lebar garis menghilang. Jika Anda memutar sampel padat dengan kecepatan sangat tinggi di sekitar sumbu miring di bawah sudut ajaib ke B 0, maka spektrum resolusi tinggi dengan garis yang hampir sesempit B dapat diperoleh.

Garis lebar di. Pada kisi kaku, bentuk garis NMR ditentukan secara statis. distribusi magnet lokal bidang. Semua inti kisi, kecuali , dalam volume translasi-invarian V 0 di sekitar inti yang ditinjau, memberikan distribusi Gaussian g(v) = exp(-v 2 /2a 2), dengan v adalah jarak dari pusat dari garis; Lebar Gaussian a berbanding terbalik dengan rata-rata geom. volume V 0 dan V 1, dan V 1 mencirikan rata-rata seluruh medan magnet. inti. Di dalam V 0 bersifat magnetis. inti lebih besar dari rata-rata, dan inti berdekatan karena interaksi dipol-dipol. dan kimia. pergeseran menciptakan spektrum terbatas pada interval (-b, b), dimana b kira-kira dua kali lebih besar dari a. Untuk perkiraan pertama, spektrum dapat dianggap persegi panjang, maka transformasi garis Fourier, yaitu respons sistem putaran terhadap pulsa 90° adalah