În primul rând, trebuie remarcat faptul că, deși în titlul acestui fenomen se numără cuvântul „nuclear“ la fizică nucleară RMN nu are nimic de-a face și nimic de a face cu radioactivitate. Dacă vorbim despre caietul de sarcini stricte că, fără legile mecanicii cuantice nu pot face. Conform acestor legi, energia de interacțiune între miezul magnetic și câmpul magnetic extern poate presupune doar câteva valori discrete. Dacă miezul magnetic pentru a iradia un câmp magnetic alternativ a cărui frecvență corespunde diferenței dintre nivelurile de energie discrete, exprimate în unități de frecvență, nucleele magnetice încep să se deplaseze de la un nivel la altul, absorbind astfel energia câmpului alternativ. Acesta este fenomenul de rezonanță magnetică. Această explicație este corectă punct de vedere tehnic, dar nu foarte intuitiv. Există o altă explicație, fără a mecanicii cuantice. Miezul magnetic poate fi reprezentat ca o bilă încărcată electric, se rotește în jurul axei sale (deși, strict vorbind, nu e). Conform legilor electrodinamicii, o rotație de încărcare dă naștere unui câmp magnetic, adică, moment magnetic nuclear, care este direcționat de-a lungul axei de rotație. În cazul în care momentul magnetic pentru a pune într-un câmp exterior constant, vectorul acestui punct începe să preceseze, și anume, roti în jurul direcția câmpului extern. precesses La fel (se rotește) în jurul axei verticale titirezului dacă nu untwist vertical, ci la un anumit unghi. În acest caz, rolul jucat de intensitatea câmpului magnetic al gravitației.
Frecvența precesie este determinată de proprietățile miezului și intensitatea câmpului magnetic este mai puternic câmpul, mai mare frecventa. Apoi, în cazul în care adăugarea unui câmp magnetic exterior constant pe miez vor fi afectate de câmpul magnetic alternativ, miezul începe să interacționeze cu acest domeniu - este mai puternic, deoarece leagăne de bază crește precesie amplitudine, iar nucleul absoarbe energia câmpului alternativ. Cu toate acestea, acest lucru va avea loc numai atunci când condiția de rezonanță, adică, frecvență coincidență și frecvența precesia unui câmp alternativ extern. Se pare ca un exemplu clasic al școlii de fizică - marș soldați pe pod. Dacă frecvența pasului coincide cu frecvența naturală de vibrație a podului, podul este agitat puternic. Acest fenomen se manifestă în absorbția câmpului alternativ pe frecvența. La momentul creșterii absorbției de rezonanță brusc, iar cel mai simplu spectrul de rezonanță magnetică se pare ca acest lucru:
Spectrometre Primele RMN funcționează exact așa cum este descris mai sus, proba a fost plasată într-un câmp magnetic constant, și a fost alimentat continuu la radiație de radiofrecvență. Apoi a variat de frecvență câmp AC lin sau, sau intensitatea câmpului magnetic constant. alternativ de absorbție a energiei câmpului înregistrat RF punte, semnalul de la care este de ieșire la un înregistrator sau osciloscop. Dar acest mod de înregistrare a semnalului nu se mai aplică. In spectrometre RMN moderne cu spectru înregistrate folosind impulsuri. Momentele magnetice sunt nuclee excitate scurt impuls puternic, după care semnalul înregistrat indus în bobina RF liber precessing momentelor magnetice. Acest semnal scade treptat la zero, deoarece momentele magnetice a reveni la starea de echilibru (un proces cunoscut sub numele de relaxare magnetică). Spectru RMN obținut din acest semnal prin transformare Fourier. Aceasta este o procedură matematică standard care permite să se stabilească în orice semnal de armonici de frecvență, și, astfel, se obține spectrul de frecvență al semnalului. Această metodă de înregistrare a spectrului permite de a reduce semnificativ nivelul de zgomot și de a efectua experimente mult mai repede.
Un puls interesant pentru înregistrarea spectrului - acesta este cel mai simplu experiment RMN. Cu toate acestea, astfel de impulsuri de durate diferite, amplitudini, întârzieri diferite între ele, etc. în experiment poate fi o mulțime, în funcție de ceea ce este necesar pentru a manipula cercetătorul să efectueze un sistem de momente magnetice nucleare. Cu toate acestea, practic toate aceste secvențe de impulsuri se termină cu aceeași - înregistrarea semnalului precesie liber, urmată de transformarea Fourier.
3. interacțiunea magnetică în materie
Prin ea insasi, rezonanta magnetica ar rămâne nimic mai mult decât un fenomen fizic amuzant, dacă nu pentru interacțiunea magnetică a nucleelor între ele și cu învelișul electronic al moleculei. Aceste interacțiuni afectează parametrii de rezonanță și le folosesc la RMN pot primi diverse informații despre proprietățile moleculare - orientarea lor, structura spațială (conformație), interacțiunile intermoleculare, schimb chimic, dinamica de rotatie si translatie. Din cauza acestui RMN a devenit un foarte puternic de cercetare materiale instrument la nivel molecular, care este utilizat pe scară largă nu numai în fizică, dar mai ales în chimie și biologie moleculară. Ca un exemplu de o astfel de interacțiune poate avea ca rezultat o deplasare chimică așa-numitele. Esența ei este după cum urmează: învelișul de electroni al moleculei răspunde la câmpul magnetic extern și încearcă să-l protejeze - o proiecție parțială a câmpului magnetic apare în toate substanțele diamagnetice. Acest lucru înseamnă că, câmpul magnetic din molecula va fi diferit de câmpul magnetic extern într-o cantitate foarte mică, ceea ce se numește deplasare chimică. Cu toate acestea, proprietățile învelișului de electroni în diferite părți ale moleculei sunt diferite, iar deplasarea chimică este de asemenea diferit. Prin urmare, condiția de rezonanță pentru nucleele în diferite părți ale moleculei vor fi, de asemenea, diferite. Acest lucru face posibil să se distingă spectrul de nuclee chimic neechivalente. De exemplu, dacă luăm în intervalul de nucleele de hidrogen (protoni) de apă curată, atunci va exista doar o singură linie, deoarece cei doi protoni din molecula de H2O sunt complet identice. Dar CH3 OH în spectrul va avea două linii de alcool metilic (dacă ignorăm celelalte interacțiuni magnetice), deoarece există două tipuri de proton - proton al grupării metil CH3 proton legat la un atom de oxigen. Deoarece complexitatea moleculelor va crește numărul de linii, iar dacă luăm o astfel de moleculă mare și complex, cum ar fi o proteină, în acest caz, spectrul va arata astfel:
RMN pot fi observate pe diferite nuclee, dar trebuie spus că nu toate nucleele au un moment magnetic. Se întâmplă adesea ca unii izotopi au un moment magnetic, iar alți izotopi ai aceluiași nucleu - nr. În total există mai mult de o sută de diferite izotopi ai elementelor chimice cu miezul magnetic, dar studiile nu utilizate, în general, mai mult de 1520 de miezuri magnetice, orice altceva -ekzotika. Pentru fiecare nucleu are propria valoare caracteristică pentru câmpul magnetic și frecvența de precesie, numit un raport giromagnetic. Pentru toate nucleele sunt cunoscute aceste relații. Pe ei puteți alege frecvența la care un câmp magnetic dat, va exista un semnal de nucleele cercetator relevante.
5. Electron rezonanță paramagnetică și cuadrupol
Vorbind de RMN, este imposibil să nu mai vorbim de alte două fenomene fizice legate - rezonanța electronică paramagnetică (EPR) și rezonanță quadrupole nucleară (NQR). EPR este în esență similar cu RMN, diferența constă în faptul că rezonanța este observată de către momentele magnetice nu sunt nucleele atomice și învelișul de electroni al unui atom. EPR pot fi observate numai în acele molecule sau grupări chimice, de electroni din care shell cuprinde un electron așa-numitul nepereche, în timp ce învelișul are un moment magnetic nenul. Astfel de substanțe sunt numite paramagnetic. EPR ca RMN, este de asemenea aplicabilă studiilor de diverse proprietăți structurale și dinamice ale substanțelor la nivel molecular, dar domeniul său de aplicare are în mod substanțial. Acest lucru se datorează în principal faptului că cea mai mare parte a moleculelor, în special în natură, nu conține electroni nepereche. În unele cazuri, puteți utiliza sonda paramagnetic așa-numita, de exemplu, grup chimic cu un electron nepereche, care se leagă la molecula în studiu. Dar această abordare are dezavantaje evidente, care limitează potențialul acestei metode. In plus, EPR au o astfel de rezoluție spectrală ridicată (adică, este posibil să se distingă o linie de la un alt spectru) ca în RMN.
Explicați „degete“ nqr natura cea mai grea. Unele nuclee au un moment de așa-numitele cvadrupolari electrice. Acest punct reprezintă abaterea de distribuție a sarcinii electrice a nucleului de simetrie sferică. Interacțiunea acestui timp gradientul câmpului electric creat de structura cristalina a materiei conduce la divizarea nivelelor de energie ale nucleului. În acest caz, se poate observa rezonanță la o frecvență care corespunde tranziției între aceste niveluri. Spre deosebire de RMN și RPE, nu este nevoie de un câmp magnetic exterior al NQR ca nivel de divizare are loc fără ea. NQR este, de asemenea, utilizat pentru studiul materialelor, dar domeniul său de aplicare este în continuare mai îngustă decât ESR.
6. Avantaje și dezavantaje RMN
RMN - cel mai puternic și informativ metoda de cercetare moleculare. Strict vorbind, acest lucru nu este o metodă care este numărul mare de diferite tipuri de experimente, de exemplu, secvențe de impulsuri. Cu toate acestea sunt toate bazate pe fenomenul de RMN, dar fiecare dintre aceste experimente sunt concepute pentru a produce un anumit informații specifice. Aceste experimente au măsurat în mai multe zeci, dacă nu sute. RMN poate, teoretic, dacă nu toate, aproape tot ce se poate toate celelalte metode experimentale pentru studierea structurii și dinamicii moleculelor, deși, în practică, se poate face, desigur, nu întotdeauna. Unul dintre principalele avantaje ale RMN este că, pe de o parte, sondele sale naturale, adică nuclee magnetice sunt distribuite în întreaga moleculă, iar pe de altă parte, permite să se facă distincția între aceste miezuri de la un altul și de a primi proprietăți spațiale selective ale moleculelor de date. Aproape toate celelalte metode de furnizare de informații, sau în medie pe întreaga moleculă, sau doar despre oricare parte a acestuia.
dezavantaje majore RMN în două. În primul rând, această sensibilitate scăzută în comparație cu majoritatea celorlalte metode experimentale (spectroscopie optica, fluorescenta, EPR, etc.). Aceasta conduce la faptul că, pentru o medie a semnalului de zgomot trebuie să se acumuleze pentru o lungă perioadă de timp. În unele cazuri, experimentul RMN poate fi efectuată chiar și câteva săptămâni. În al doilea rând, este costul ridicat. spectrometre RMN - una dintre cele mai scumpe instrumente științifice, valoarea lor se măsoară cel puțin sute de mii de dolari, iar cele mai scumpe spectrometre sunt mai multe milioane de euro. Nu toate laboratoarele, în special în România, își pot permite să aibă astfel de echipamente științifice.
Magnetul supraconductor în contextul
7. Magneții pentru spectrometre RMN,
Una dintre cele mai importante și costisitoare părți ale spectrometrului - un magnet care generează un câmp magnetic static. Cât este mai puternic câmpul, sensibilitatea și spectrală rezoluție mai mare, astfel încât oamenii de știință și inginerii sunt în mod constant încercarea de a obține un câmp cât mai mare posibil. Câmpul magnetic este generat de un curent electric în solenoid - mai puternic curent, cu atât mai mare domeniu. Cu toate acestea, creșterea infinit puterea curentului nu poate fi, la sârmă foarte mare solenoid curent doar începe să se topească. Prin urmare, pentru o lungă perioadă de timp pentru domeniul high spectrometre RMN folosesc magneți supraconductori, adică, magneți, în care firul solenoid este în starea supraconductoare. În acest caz, rezistența electrică a firului este zero, iar eliberarea de energie nu are loc pentru orice valoare a curentului. Statul supraconductor poate fi obținută numai la temperaturi foarte scăzute, de doar câteva grade Kelvin, - este temperatura heliului lichid. (Temperatură înaltă supraconductibilitate - este în continuare lotul de cercetare pur de bază.) Este menținerea unei temperaturi scăzute și conectat la toate provocările tehnice de proiectare și de fabricație magneți, care cauzează costul lor ridicat. Magnetul supraconductor este construit pe principiul unui termos-cuibărit păpuși. Solenoidul este situat în centru, într-o cameră de vid. Este înconjurat de un înveliș care conține heliu lichid. Acest înveliș prin stratul de vid este înconjurat de un înveliș de azot lichid. temperatura azotului lichid - minus 196 grade Celsius, este nevoie de azot pentru evaporarea heliu cât mai încet posibil. In final, teaca nitric izolat din stratul exterior de vid la temperatura camerei. Un astfel de sistem este capabil să mențină temperatura dorită a magnetului supraconductor pentru o lungă perioadă de timp, deși trebuie să se toarne în mod regulat magnetul cu azot lichid și heliu. Avantajul unor astfel de magneți în afară de posibilitatea de a obține câmpuri magnetice ridicate și, de asemenea, în faptul că acestea nu consumă energie: după începerea magnet de curent care trece prin firele supraconductoare, practic, fără nici o pierdere de mai mulți ani.
În spectrometre RMN convenționale, câmpul magnetic încercând să facă cât mai mult posibil uniformă, este necesar să se îmbunătățească rezoluția spectrală. Dar, în cazul în care câmpul magnetic din interiorul eșantionului, dimpotrivă, face un foarte eterogen, deschide noi posibilități de utilizare a RMN. Neomogenitatea cîmpul magnetic creat de către așa-numitele bobine de gradient care lucrează în tandem cu magnetul principal. În acest caz, intensitatea câmpului magnetic în diferite părți ale eșantionului va fi diferit și acest lucru înseamnă că semnalul RMN poate fi observat nu doar din proba ca într-un spectrometru obișnuit, dar numai pe stratul îngust pentru care a observat condiții de rezonanță, adică raportul dorit al câmpului magnetic și frecvența. Prin varierea amplitudinea câmpului magnetic (sau, ceea ce este în esență aceeași frecvență de observare a semnalului) poate fi modificat strat care va da un semnal. În acest fel puteți „scana“ proba de-a lungul și de a „vedea“ structura tridimensională internă, fără a distruge proba în nici un fel mecanic. Până în prezent, un număr mare de tehnici capabile să măsoare parametrii diferitelor RMN (caracteristici spectrale, timpul de relaxare magnetic, rata de auto-difuzie, și altele) cu rezoluție spațială în eșantion. Cele mai interesante și importante din punct de vedere practic, utilizarea IRM găsit în medicină. În acest caz, în curs de investigare „probă“ este corpul uman. RMN-ul este unul dintre cele mai eficiente instrumente și sigure (dar, de asemenea, scump) de diagnostic în diverse domenii ale medicinii, de la cancer la obstetrică. Este interesant de notat că în titlul acestei metode, medicii nu folosesc cuvântul „nuclear“, deoarece unii pacienți este asociat cu reacții nucleare și bombe atomice.
10. Câmpul de rezonanță magnetică Premiul Nobel