Rezonanțe magnetice. Ce este acest studiu? Decodificarea RMN în medicină

Rezonanța magnetică nucleară (RMN) este o spectroscopie nucleară care este utilizată pe scară largă în toate științele fizice și industrie. În RMN pentru sondarea proprietăților spin intrinseci ale nucleelor ​​atomice folosind un magnet mare. Ca orice spectroscopie, folosește radiația electromagnetică (unde de radiofrecvență în domeniul VHF) pentru a crea o tranziție între nivelurile de energie (rezonanță). În chimie, RMN ajută la determinarea structurii moleculelor mici. Rezonanța magnetică nucleară în medicină și-a găsit aplicație în imagistica prin rezonanță magnetică (IRM).

Deschidere

RMN a fost descoperită în 1946 de oamenii de știință de la Universitatea Harvard Purcell, Pound și Torrey și de Bloch, Hansen și Packard din Stanford. Ei au observat că nucleele 1 H și 31 P (protoni și fosfor-31) sunt capabile să absoarbă energia de radiofrecvență atunci când sunt expuse unui câmp magnetic, a cărui putere este specifică fiecărui atom. Când au fost absorbite, au început să rezoneze, fiecare element la frecvența sa. Această observație a permis o analiză detaliată a structurii moleculei. De atunci, RMN și-a găsit aplicație în studiile cinetice și structurale ale solidelor, lichidelor și gazelor, rezultând 6 premii Nobel.

Spin și proprietăți magnetice

Nucleul este format din particule elementare numite neutroni și protoni. Au propriul moment unghiular, numit spin. Ca și electronii, spinul unui nucleu poate fi descris prin numerele cuantice I și m într-un câmp magnetic. Nucleele atomice cu un număr par de protoni și neutroni au spin zero, în timp ce toate celelalte au diferit de zero. În plus, moleculele cu spin diferit de zero au un moment magnetic μ = γ eu, unde γ este raportul giromagnetic, constanta de proporționalitate dintre momentul dipol magnetic și momentul unghiular, care este diferit pentru fiecare atom.

Momentul magnetic al miezului îl face să se comporte ca un mic magnet. În absența unui câmp magnetic extern, fiecare magnet este orientat aleatoriu. În timpul experimentului RMN, proba este plasată într-un câmp magnetic extern B 0 , ceea ce face ca magneții barei de energie joasă să se alinieze în direcția lui B 0 și energia mare în direcția opusă. În acest caz, orientarea rotației magneților se modifică. Pentru a înțelege acest concept destul de abstract, trebuie să luăm în considerare nivelurile de energie ale nucleului în timpul unui experiment RMN.

Niveluri de energie

O întoarcere de rotație necesită un număr întreg de cuante. Pentru orice m, există 2m + 1 niveluri de energie. Pentru un nucleu cu spin 1/2 există doar 2 dintre ele - scăzut, ocupat de spini aliniați cu B 0 , și înalt, ocupat de spini direcționați împotriva lui B 0 . Fiecare nivel de energie este definit de E = -mℏγВ 0 , unde m este numărul cuantic magnetic, în acest caz +/- 1/2. Nivelurile de energie pentru m > 1/2, cunoscute sub numele de nuclee cvadrupoli, sunt mai complexe.

Diferența de energie dintre niveluri este: ΔE = ℏγB 0 , unde ℏ este constanta lui Planck.

După cum se poate observa, puterea câmpului magnetic este de mare importanță, deoarece în absența acestuia nivelurile degenerează.

Tranziții energetice

Pentru ca rezonanța magnetică nucleară să aibă loc, trebuie să aibă loc o răsturnare între nivelurile de energie. Diferența de energie dintre cele două stări corespunde energiei radiațiilor electromagnetice, care determină nucleele să își schimbe nivelurile de energie. Pentru cele mai multe Spectrometre RMN La 0 are ordinul 1 Tesla (T), iar γ - 10 7 . Prin urmare, radiația electromagnetică necesară este de ordinul a 10 7 Hz. Energia fotonului este reprezentată de formula E = hν. Prin urmare, frecvența necesară pentru absorbție este: ν= γВ 0 /2π.

Ecran nuclear

Fizica RMN se bazează pe conceptul de ecranare nucleară, care face posibilă determinarea structurii materiei. Fiecare atom este înconjurat de electroni care se învârt în jurul nucleului și acționează asupra câmpului magnetic al acestuia, care, la rândul său, provoacă mici modificări ale nivelurilor de energie. Aceasta se numește ecranare. Nucleele care experimentează câmpuri magnetice diferite asociate cu interacțiunile electronice locale sunt numite neechivalente. Modificarea nivelurilor de energie pentru o rotație de rotație necesită o frecvență diferită, ceea ce creează un nou vârf în spectrul RMN. Screeningul permite determinarea structurală a moleculelor prin analiza semnalului RMN folosind transformata Fourier. Rezultatul este un spectru format dintr-un set de vârfuri, fiecare corespunzând unui mediu chimic diferit. Aria vârfului este direct proporțională cu numărul de nuclee. Informațiile detaliate despre structură sunt preluate de Interacțiuni RMN, care schimbă spectrul în moduri diferite.

Relaxare

Relaxarea se referă la fenomenul de întoarcere a nucleelor ​​la lor termodinamic stabil după excitare la niveluri mai mari de energie ale stării. În acest caz, energia absorbită în timpul trecerii de la un nivel inferior la unul superior este eliberată. Acesta este un proces destul de complex care are loc în intervale de timp diferite. Cele două cele mai multe răspândită tipurile de relaxare sunt spin-latice și spin-spin.

Pentru a înțelege relaxarea, este necesar să luați în considerare întregul eșantion. Dacă nucleele sunt plasate într-un câmp magnetic extern, ei vor crea magnetizare în vrac de-a lungul axei Z. Spiriile lor sunt, de asemenea, coerente și permit detectarea semnalului. RMN deplasează magnetizarea în vrac de pe axa Z în planul XY, unde se manifestă.

Relaxarea spin-latice este caracterizată prin timpul T 1 necesar pentru a restabili 37% din magnetizarea în vrac de-a lungul axei Z. Cu cât procesul de relaxare este mai eficient, cu atât este mai mic T 1 . La solide, deoarece mișcarea dintre molecule este limitată, timpul de relaxare este lung. Măsurătorile sunt de obicei efectuate prin metode cu puls.

Relaxarea spin-spin este caracterizată prin pierderea coerenței reciproce T 2 . Acesta poate fi mai mic sau egal cu T 1 .

Rezonanța magnetică nucleară și aplicațiile sale

Cele două domenii principale în care RMN s-a dovedit extrem de importantă sunt medicina și chimia, dar noi aplicații sunt dezvoltate în fiecare zi.

Imagistica prin rezonanță magnetică nucleară, cunoscută mai frecvent ca imagistica prin rezonanță magnetică (IRM), este important instrument de diagnostic medical folosit pentru a studia funcțiile și structura corpului uman. Vă permite să obțineți imagini detaliate ale oricărui organ, în special ale țesuturilor moi, în toate planurile posibile. Folosit în domeniile imagistică cardiovasculară, neurologică, musculo-scheletică și oncologică. Spre deosebire de tomografia computerizată alternativă, imagistica prin rezonanță magnetică nu utilizează radiații ionizante, prin urmare este complet sigură.

RMN-ul poate detecta modificări subtile care apar în timp. Imagistica RMN poate fi utilizată pentru a identifica anomaliile structurale care apar în timpul cursului bolii, modul în care acestea afectează dezvoltarea ulterioară și modul în care progresia lor se corelează cu aspectele mentale și emoționale ale tulburării. Deoarece RMN nu vizualizează bine osul, excelent intracranian și intravertebral conţinut.

Principii de utilizare a rezonanței magnetice nucleare în diagnosticare

În timpul unei proceduri RMN, pacientul se află în interiorul unui magnet masiv cilindric gol și este expus la un câmp magnetic puternic și stabil. Diferiți atomi din partea scanată a corpului rezonează la diferite frecvențe ale câmpului. RMN-ul este utilizat în primul rând pentru a detecta vibrațiile atomilor de hidrogen, care conțin un nucleu de protoni rotativ cu un câmp magnetic mic. În RMN, câmpul magnetic de fundal aliniază toți atomii de hidrogen din țesut. Al doilea câmp magnetic, a cărui orientare diferă de cea a fundalului, se aprinde și se oprește de multe ori pe secundă. La o anumită frecvență, atomii rezonează și se aliniază cu al doilea câmp. Când se stinge, atomii revin, aliniându-se cu fundalul. Acest lucru creează un semnal care poate fi recepționat și convertit într-o imagine.

Țesuturile cu o cantitate mare de hidrogen, care este prezent în corpul uman în compoziția apei, creează o imagine strălucitoare, iar cu un conținut mic sau absența acesteia (de exemplu, oase) arată întunecat. Luminozitatea RMN-ului este îmbunătățită de un agent de contrast, cum ar fi gadodiamida, pe care pacienții îl iau înainte de procedură. Deși acești agenți pot îmbunătăți calitatea imaginii, sensibilitatea procedurii rămâne relativ limitată. Sunt dezvoltate tehnici pentru a crește sensibilitatea RMN. Cea mai promițătoare este utilizarea parahidrogenului, o formă de hidrogen cu proprietăți unice de spin molecular, care este foarte sensibilă la câmpurile magnetice.

Îmbunătățirile în performanța câmpurilor magnetice utilizate în RMN au condus la dezvoltarea unor modalități de imagistică extrem de sensibile, cum ar fi RMN-ul de difuzie și funcțional, care sunt concepute pentru a afișa proprietăți tisulare foarte specifice. În plus, o formă unică de tehnologie RMN numită angiografie prin rezonanță magnetică este utilizată pentru a vizualiza mișcarea sângelui. Permite vizualizarea arterelor și venelor fără a fi nevoie de ace, catetere sau agenți de contrast. Ca și în cazul RMN, aceste tehnici au contribuit la revoluționarea cercetării și diagnosticului biomedical.

Tehnologia computerizată avansată a permis radiologilor să creeze holograme tridimensionale din secțiuni digitale obținute de scanerele RMN, care servesc la determinarea locației exacte a leziunilor. Tomografia este deosebit de valoroasă în examinarea creierului și a măduvei spinării, precum și a organelor pelvine, cum ar fi vezica urinară și osul spongios. Metoda vă permite să determinați rapid și clar cu exactitate amploarea leziunilor tumorale și să evaluați daunele potențiale de la un accident vascular cerebral, permițând medicilor să prescrie tratamentul adecvat în timp util. RMN-ul a înlocuit în mare măsură artrografia, nevoia de a injecta un agent de contrast într-o articulație pentru a vizualiza deteriorarea cartilajului sau ligamentului și mielografia, injectarea unui agent de contrast în canalul spinal pentru a vizualiza tulburările măduvei spinării sau ale discului intervertebral.

Aplicație în chimie

În multe laboratoare de astăzi, rezonanța magnetică nucleară este folosită pentru a determina structurile compușilor chimici și biologici importanți. În spectrele RMN, diferite vârfuri oferă informații despre mediul chimic specific și legăturile dintre atomi. Cel mai răspândită izotopii utilizați pentru detectarea semnalelor de rezonanță magnetică sunt 1 H și 13 C, dar mulți alții sunt potriviți, precum 2 H, 3 He, 15 N, 19 F etc.

Spectroscopia modernă RMN și-a găsit o largă aplicație în sistemele biomoleculare și joacă un rol important în biologia structurală. Odată cu dezvoltarea metodologiei și instrumentelor, RMN a devenit una dintre cele mai puternice și versatile metode spectroscopice pentru analiza biomacromoleculelor, ceea ce face posibilă caracterizarea acestora și a complexelor lor de până la 100 kDa. Împreună cu cristalografia cu raze X, aceasta este una dintre cele două tehnologii de vârf pentru determinarea structurii lor la nivel atomic. În plus, RMN oferă informații unice și importante despre funcțiile unei proteine, care joacă un rol critic în dezvoltarea medicamentelor. Unele dintre aplicații Spectroscopie RMN sunt enumerate mai jos.

• Aceasta este singura metodă pentru determinarea structurii atomice a biomacromoleculelor în soluții apoase în apropiere fiziologic condiţii sau medii de simulare a membranei.
• Dinamica moleculară. Acesta este cel mai puternic metoda de determinare cantitativa a proprietatilor dinamice ale biomacromoleculelor.
• Plierea proteinelor. Spectroscopie RMN este cel mai puternic instrument pentru determinarea structurilor reziduale ale proteinelor desfăcute și ale mediatorilor de pliere.
• Starea de ionizare. Metoda este eficientă în determinarea proprietăților chimice ale grupurilor funcționale din biomacromolecule, cum ar fi ionizarea stări ale grupărilor ionizabile ale situsurilor active ale enzimelor.
• Rezonanța magnetică nucleară face posibilă studierea interacțiunilor funcționale slabe între macrobiomolecule (de exemplu, cu constante de disociere în intervalele micromolare și milimolare), care nu pot fi realizate prin alte metode.
• Hidratarea proteinelor. RMN este un instrument pentru detectarea apei interne și a interacțiunii acesteia cu biomacromolecule.
• Este unic metoda de detectare a interacțiunii directe legături de hidrogen.
• Screening și dezvoltare de medicamente. În special, rezonanța magnetică nucleară este deosebit de utilă în identificarea medicamentelor și determinarea conformațiilor compușilor asociați cu enzime, receptori și alte proteine.
• proteină membranară nativă. RMN în stare solidă are potențialul determinarea structurilor atomice ale domeniilor proteice membranareîn mediul membranei native, inclusiv cele cu liganzi legați.
• Analiza metabolică.
• Analiza chimica. Identificarea chimică și analiza conformațională a substanțelor chimice sintetice și naturale.
• Stiinta Materialelor. Un instrument puternic în studiul chimiei și fizicii polimerilor.

Alte utilizări

Rezonanța magnetică nucleară și aplicațiile sale nu se limitează la medicină și chimie. Metoda s-a dovedit a fi foarte utilă și în alte domenii, cum ar fi testarea mediului, industria petrolului, controlul proceselor, RMN-ul câmpului Pământului și magnetometre. Testarea nedistructivă economisește probe biologice costisitoare care pot fi reutilizate dacă sunt necesare mai multe teste. Rezonanța magnetică nucleară în geologie este utilizată pentru a măsura porozitatea rocilor și permeabilitatea fluidelor subterane. Magnetometrele sunt folosite pentru a măsura diferite câmpuri magnetice.

Rezonanță magnetică nucleară

Rezonanță magnetică nucleară (RMN) - absorbția sau emisia rezonantă de energie electromagnetică de către o substanță care conține nuclee cu spin diferit de zero într-un câmp magnetic extern, la o frecvență ν (numită frecvență RMN), datorită reorientării momentelor magnetice ale nucleelor. Fenomenul rezonanței magnetice nucleare a fost descoperit în 1938 de Isaac Raby în fascicule moleculare, pentru care a fost distins cu Premiul Nobel în 1944. În 1946, Felix Bloch și Edward Mills Purcell au obținut rezonanță magnetică nucleară în lichide și solide (Premiul Nobel 1952). .

Aceleași nuclee de atomi din medii diferite într-o moleculă prezintă semnale RMN diferite. Diferența dintre un astfel de semnal RMN și semnalul unei substanțe standard face posibilă determinarea așa-numitei schimbări chimice, care se datorează structurii chimice a substanței studiate. În tehnicile RMN, există multe oportunități de a determina structura chimică a substanțelor, conformațiile moleculelor, efectele influenței reciproce și transformările intramoleculare.

Descriere matematică Momentul magnetic al nucleului mu=y*l unde l este spinul nucleului; y - bar constantă Frecvența la care se observă RMN

Polarizarea chimică a nucleelor

Când unele reacții chimice au loc într-un câmp magnetic, spectrele RMN ale produselor de reacție arată fie o absorbție anormal de mare, fie o emisie radio. Acest fapt indică o populație de neechilibru a nivelurilor nucleare Zeeman în moleculele produșilor de reacție. Suprapopularea nivelului inferior este însoțită de absorbție anormală. Inversarea populației (nivelul superior este mai populat decât cel inferior) are ca rezultat emisii radio. Acest fenomen se numește polarizarea chimică a nucleelor

În RMN este folosit pentru a îmbunătăți magnetizarea nucleară Frecvențele Larmor ale unor nuclee atomice

Frecvența rezonanței protonilor este în interval unde scurte(lungime de unda aproximativ 7 m) .

Aplicarea RMN

Spectroscopie

Spectroscopie RMN

Dispozitive

Inima spectrometrului RMN este un magnet puternic. Într-un experiment lansat de Purcell, o probă plasată într-o fiolă de sticlă de aproximativ 5 mm în diametru este plasată între polii unui electromagnet puternic. Apoi, pentru a îmbunătăți uniformitatea câmpului magnetic, fiola începe să se rotească, iar câmpul magnetic care acționează asupra acesteia crește treptat. Un generator RF de înaltă calitate este utilizat ca sursă de radiație. Sub acțiunea unui câmp magnetic în creștere, nucleele la care este reglat spectrometrul încep să rezoneze. În acest caz, nucleele ecranate rezonează la o frecvență puțin mai mică decât nucleele fără învelișuri de electroni. Absorbția de energie este înregistrată de o punte RF și apoi înregistrată de un înregistrator grafic. Frecvența crește până când atinge o anumită limită, peste care rezonanța este imposibilă.

Deoarece curenții care vin de pe pod sunt foarte mici, ei nu se limitează la a lua un spectru, ci fac câteva zeci de treceri. Toate semnalele primite sunt rezumate pe graficul final, a cărui calitate depinde de raportul semnal-zgomot al dispozitivului.

În această metodă, proba este expusă la radiații de radiofrecvență de o frecvență constantă în timp ce intensitatea câmpului magnetic se modifică, motiv pentru care este numită și metoda de iradiere continuă (CW, undă continuă).

Metoda tradițională de spectroscopie RMN are multe dezavantaje. În primul rând, este nevoie de mult timp pentru a construi fiecare spectru. În al doilea rând, este foarte pretențios cu privire la absența interferențelor externe și, de regulă, spectrele rezultate au zgomot semnificativ. În al treilea rând, este nepotrivit pentru crearea de spectrometre de înaltă frecvență (300, 400, 500 și mai mult MHz). Prin urmare, în instrumentele moderne RMN se utilizează așa-numita metodă de spectroscopie în impulsuri (PW), bazată pe transformarea Fourier a semnalului recepționat. În prezent, toate spectrometrele RMN sunt construite pe baza unor magneți supraconductori puternici cu un câmp magnetic constant.

Spre deosebire de metoda CW, în versiunea în impulsuri, excitarea nucleelor ​​se realizează nu cu o „undă constantă”, ci cu ajutorul unui impuls scurt, lung de câteva microsecunde. Amplitudinile componentelor de frecvență ale pulsului scad odată cu creșterea distanței de la ν 0 . Dar, deoarece este de dorit ca toate nucleele să fie iradiate în mod egal, este necesar să se utilizeze „impulsuri dure”, adică impulsuri scurte de mare putere. Durata impulsului este aleasă astfel încât lățimea de bandă a frecvenței să fie mai mare decât lățimea spectrului cu unul sau două ordine de mărime. Puterea ajunge la câteva mii de wați.

Ca rezultat al spectroscopiei în impulsuri, nu se obține un spectru obișnuit cu vârfuri de rezonanță vizibile, ci o imagine a oscilațiilor rezonante amortizate, în care toate semnalele de la toate nucleele rezonante sunt amestecate - așa-numita „decădere prin inducție liberă” (FID, gratuit inducţie descompunere). Pentru transformarea acestui spectru se folosesc metode matematice, așa-numita transformată Fourier, conform căreia orice funcție poate fi reprezentată ca suma unui set de oscilații armonice.

spectre RMN

Spectrul 1H4-etoxibenzaldehidei. În câmpul slab (singlet ~9,25 ppm) semnalul protonului grupării aldehidice, în câmpul puternic (triplet ~1,85-2 ppm) - protonul grupării metil etoxi.

Pentru analiza calitativă folosind RMN, se utilizează analiza spectrală, bazată pe astfel de proprietăți remarcabile ale acestei metode:

semnalele nucleelor ​​atomilor incluși în anumite grupe funcționale se află în regiuni strict definite ale spectrului;

aria integrală limitată de vârf este strict proporțională cu numărul de atomi în rezonanță;

nucleii care se află prin 1-4 legături sunt capabili să producă semnale multiplete ca urmare a așa-numitelor. se despart unul pe altul.

Poziția semnalului în spectrele RMN este caracterizată prin deplasarea lor chimică în raport cu semnalul de referință. Ca acesta din urmă în 1H și 13C RMN, este utilizat tetrametilsilan Si(CH3)4 (TMS). Unitatea de deplasare chimică este părțile pe milion (ppm) ale frecvenței instrumentului. Dacă luăm semnalul TMS ca 0 și considerăm deplasarea semnalului la un câmp slab ca o schimbare chimică pozitivă, atunci vom obține așa-numita scară δ. Dacă rezonanța tetrametilsilanului este egală cu 10 ppm și inversați semnele, atunci scara rezultată va fi scala τ, care practic nu este utilizată în prezent. Dacă spectrul unei substanțe este prea complicat de interpretat, se pot folosi metode chimice cuantice pentru a calcula constantele de screening și a corela semnalele pe baza acestora.

Introscopie RMN

Fenomenul rezonanței magnetice nucleare poate fi folosit nu numai în fizică și chimie, ci și în medicină: corpul uman este o combinație de toate aceleași molecule organice și anorganice.

Pentru a observa acest fenomen, un obiect este plasat într-un câmp magnetic constant și expus la frecvență radio și câmpuri magnetice în gradient. În inductorul care înconjoară obiectul studiat, apare o forță electromotoare alternativă (EMF), al cărei spectru amplitudine-frecvență și caracteristicile de tranziție în timp transportă informații despre densitatea spațială a nucleelor ​​atomice rezonante, precum și despre alți parametri specifici doar pentru rezonanța magnetică nucleară. Prelucrarea computerizată a acestor informații formează o imagine tridimensională care caracterizează densitatea nucleelor ​​echivalente chimic, timpii de relaxare ai rezonanței magnetice nucleare, distribuția debitelor fluidelor, difuzia moleculelor și procesele biochimice ale metabolismului în țesuturile vii.

Esența introscopiei RMN (sau imagistica prin rezonanță magnetică) constă, de fapt, în implementarea unui tip special de analiză cantitativă a amplitudinii semnalului de rezonanță magnetică nucleară. În spectroscopia RMN convențională, scopul este de a realiza cea mai bună rezoluție posibilă a liniilor spectrale. Pentru a face acest lucru, sistemele magnetice sunt reglate astfel încât să creeze cea mai bună uniformitate posibilă a câmpului în cadrul probei. În metodele de introscopie RMN, dimpotrivă, câmpul magnetic este creat în mod evident neomogen. Atunci există motive să ne așteptăm ca frecvența rezonanței magnetice nucleare în fiecare punct al probei să aibă propria sa valoare, diferită de valorile din alte părți. Specificând orice cod pentru gradările de amplitudine a semnalului RMN (luminozitate sau culoare pe ecranul monitorului), se poate obține o imagine condiționată (tomogramă) a secțiunilor structurii interne a obiectului.

Introscopia RMN, tomografia RMN au fost inventate pentru prima dată în lume în 1960 de V. A. Ivanov. Cererea pentru o invenție (metodă și dispozitiv) a fost respinsă de un expert incompetent „... din cauza aparentei inutilități a soluției propuse”, prin urmare, un certificat de drepturi de autor pentru aceasta a fost eliberat abia după mai bine de 10 ani. Astfel, este recunoscut oficial că autorul imagistică RMN nu este echipa laureaților Nobel enumerați mai jos, ci un om de știință rus. În ciuda acestui fapt legal, Premiul Nobel pentru tomografia RMN nu i-a fost acordat în niciun caz lui V. A. Ivanov.

Astăzi, din ce în ce mai mulți pacienți sunt îndrumați nu pentru radiografie sau ecografie, ci pentru imagistica prin rezonanță magnetică nucleară. Această metodă de cercetare se bazează pe magnetismul de bază. Să luăm în considerare ce este tomografia RMN, care sunt avantajele acesteia și în ce cazuri se efectuează.

Ce este acest studiu?

Această metodă de diagnosticare se bazează pe rezonanța magnetică nucleară. Într-un câmp magnetic extern, nucleul unui atom de hidrogen, sau proton, se află în două stări reciproc opuse. Puteți schimba direcția momentului magnetic al nucleului acționând asupra acestuia cu raze electromagnetice cu o anumită frecvență.

Plasarea unui proton într-un câmp magnetic extern provoacă o schimbare a momentului său magnetic cu revenirea la poziția inițială. Aceasta eliberează o anumită cantitate de energie. Tomografia prin rezonanță magnetică surprinde modificarea cantității de astfel de energie.

Tomograful folosește câmpuri magnetice foarte puternice. Electromagneții sunt de obicei capabili să dezvolte un câmp magnetic cu o putere de 3, uneori până la 9 T. Este complet inofensiv pentru oameni. Sistemul de tomografie vă permite să localizați direcția câmpului magnetic pentru a obține imagini de cea mai bună calitate.

Tomograf magnetic nuclear

Metoda de diagnosticare se bazează pe fixarea răspunsului electromagnetic al nucleului unui atom (proton), care apare datorită excitării acestuia de către undele electromagnetice într-un câmp magnetic de înaltă tensiune. Imagistica prin rezonanță magnetică a fost discutată pentru prima dată în 1973. Apoi, omul de știință american P. Laterbur și-a propus să studieze obiectul într-un câmp magnetic în schimbare. Lucrările acestui om de știință au servit drept începutul unei noi ere în medicină.

Cu ajutorul unui tomograf cu rezonanță magnetică, a devenit posibil să se studieze țesuturile și cavitățile corpului uman datorită gradului de saturație a țesuturilor cu hidrogen. Agenții de contrast pentru imagistica prin rezonanță magnetică sunt adesea utilizați. Cel mai adesea, acestea sunt preparate de gadoliniu, care sunt capabile să modifice răspunsul protonilor.
Termenul „RMN nuclear” a existat până în 1986.

În legătură cu radiofobia în rândul populației în legătură cu dezastrul de la centrala nucleară de la Cernobîl, s-a decis eliminarea cuvântului „nuclear” din denumirea noii metode de diagnosticare. Cu toate acestea, acest lucru a permis imagistica prin rezonanță magnetică să intre rapid în practica diagnosticării multor boli. Astăzi, această metodă este cheia pentru identificarea multor boli mai recent greu de diagnosticat.

Cum se realizează diagnosticul?

Un RMN folosește un câmp magnetic foarte puternic. Și, deși nu este periculos pentru oameni, totuși, medicul și pacientul trebuie să respecte anumite reguli.

În primul rând, înainte de procedura de diagnosticare, pacientul completează un chestionar special. În ea, el indică starea de sănătate, precum și declarații despre sine. Examenul se face într-o cameră special pregătită, cu o cabină pentru schimbarea hainelor și a bunurilor personale.

Pentru a nu se face rău și, de asemenea, pentru a asigura corectitudinea rezultatelor, pacientul trebuie să scoată toate lucrurile care conțin metal, să lase telefoane mobile, carduri de credit, ceasuri etc. în dulapul pentru lucrurile personale. Este de dorit ca femeile să spele cosmeticele decorative de pe piele.
Apoi, pacientul este plasat în interiorul tubului tomograf. La indicația medicului, se stabilește zona de examinare. Fiecare zonă este examinată timp de zece până la douăzeci de minute. În acest timp, pacientul trebuie să rămână nemișcat. Calitatea imaginilor va depinde de asta. Medicul poate fixa poziția pacientului, dacă este necesar.

În timpul funcționării dispozitivului, se aud sunete uniforme. Acest lucru este normal și indică faptul că studiul se desfășoară corect. Pentru a obține rezultate mai precise, un agent de contrast poate fi administrat intravenos pacientului. În unele cazuri, odată cu introducerea unei astfel de substanțe, se simte un val de căldură. Acest lucru este complet normal.

La aproximativ o jumătate de oră după studiu, medicul poate primi protocolul de studiu (concluzie). Se emite și un disc cu rezultatele.

Beneficiile RMN nuclear

Beneficiile unui astfel de sondaj includ următoarele.

1. Capacitatea de a obține imagini de înaltă calitate ale țesuturilor corpului în trei proiecții. Acest lucru îmbunătățește foarte mult vizualizarea țesuturilor și a organelor. În acest caz, RMN-ul este mult mai bun decât tomografia computerizată, radiografia și diagnosticul cu ultrasunete.
2. Imaginile 3D de înaltă calitate oferă un diagnostic precis, care îmbunătățește tratamentul și crește probabilitatea de recuperare.
3. Deoarece este posibil să se obțină o imagine de înaltă calitate pe un RMN, un astfel de studiu este cel mai bun pentru detectarea tumorilor, tulburărilor sistemului nervos central și stărilor patologice ale sistemului musculo-scheletic. Astfel, devine posibilă diagnosticarea acelor boli care până de curând erau greu sau imposibil de depistat.
4. Dispozitivele moderne pentru tomografie vă permit să obțineți imagini de înaltă calitate fără a schimba poziția pacientului. Și pentru codificarea informațiilor se folosesc aceleași metode ca și în tomografia computerizată. Acest lucru facilitează diagnosticul, deoarece medicul vede imagini tridimensionale ale organelor întregi. De asemenea, medicul poate obține imagini ale unui anumit organ în straturi.
5. O astfel de examinare determină bine cele mai timpurii modificări patologice ale organelor. Astfel, este posibil să se detecteze boala într-un stadiu în care pacientul nu simte încă simptome.
6. În timpul unui astfel de studiu, pacientul nu este expus la radiații ionizante. Acest lucru extinde semnificativ domeniul de aplicare al RMN.
7. Procedura RMN este complet nedureroasă și nu provoacă niciun disconfort pacientului.

Indicații pentru RMN

Există multe indicații pentru imagistica prin rezonanță magnetică.

• Tulburări ale circulației cerebrale.
• Suspiciuni ale unui neoplasm al creierului, deteriorarea membranelor sale.
• Evaluarea stării organelor după intervenție chirurgicală.
• Diagnosticul fenomenelor inflamatorii.
• Convulsii, epilepsie.
• Leziuni cerebrale.
• Evaluarea stării vaselor.
• Evaluarea stării oaselor și articulațiilor.
• Diagnosticul țesuturilor moi ale corpului.
• Boli ale coloanei vertebrale (inclusiv osteocondroză, spondiloartroză).
• Rana la coloana.
• Evaluarea stării măduvei spinării, inclusiv suspiciunea de procese maligne.
• Osteoporoza.
• Evaluarea stării organelor peritoneale, precum și a spațiului retroperitoneal. RMN-ul este indicat pentru icter, hepatită cronică, colecistită, colelitiază, leziuni hepatice asemănătoare tumorii, pancreatită, boli ale stomacului, intestinelor, splinei, rinichilor.
• Diagnosticul chisturilor.
• Diagnosticul stării glandelor suprarenale.
• Boli ale organelor pelvine.
• Patologii urologice.
• Boli ginecologice.
• Boli ale organelor din cavitatea toracică.

În plus, imagistica prin rezonanță magnetică a întregului corp este indicată dacă se suspectează un neoplasm. RMN-ul poate fi folosit pentru a căuta metastaze dacă este diagnosticată o tumoare primară.

Aceasta nu este o listă completă de indicații pentru imagistica prin rezonanță magnetică. Este sigur să spunem că nu există un astfel de organism și boală care să nu poată fi detectate folosind această metodă de diagnosticare. Deoarece posibilitățile medicinei sunt în creștere, medicii au posibilități practic nelimitate pentru diagnosticarea și tratarea multor boli periculoase.

Când este contraindicată imagistica prin rezonanță magnetică?

Există o serie de contraindicații absolute și relative pentru RMN. Contraindicațiile absolute includ:

1. Prezența unui stimulator cardiac. Acest lucru se datorează faptului că fluctuațiile câmpului magnetic sunt capabile să se adapteze la ritmul inimii și astfel pot fi fatale.
2. Prezența implanturilor feromagnetice sau electronice instalate în urechea medie.
3. Implanturi metalice mari.
4. Prezența fragmentelor feromagnetice în organism.
5. Disponibilitatea aparatului Ilizarov.

Contraindicațiile relative (atunci când cercetarea este posibilă în anumite condiții) includ:

La efectuarea RMN cu contrast, contraindicațiile sunt anemia, insuficiența renală cronică decompensată, sarcina, intoleranța individuală.

Concluzie

Importanța imagisticii prin rezonanță magnetică pentru diagnostic nu poate fi supraestimată. Este un mod perfect, non-invaziv, nedureros și inofensiv de a detecta multe boli. Odată cu introducerea imagisticii prin rezonanță magnetică, tratamentul pacienților s-a îmbunătățit și el, așa cum știe medicul diagnosticul precis și caracteristicile tuturor proceselor care au loc în corpul pacientului.

Nu trebuie să vă fie frică de un RMN. Pacientul nu simte nicio durere în timpul procedurii. Nu are nimic de-a face cu radiația nucleară sau cu raze X. De asemenea, este imposibil să refuzi o astfel de procedură.

Termenul „rezonanță magnetică” se referă la absorbția selectivă (rezonantă) a energiei unui câmp electromagnetic alternativ de către un subsistem electronic sau nuclear al unei substanțe supuse unui câmp magnetic constant. Mecanismul de absorbție este asociat cu tranzițiile cuantice din aceste subsisteme între niveluri de energie discrete care apar în prezența unui câmp magnetic.

Rezonanța magnetică este de obicei împărțită în cinci tipuri: 1) rezonanță ciclotronică (CR); 2) rezonanță paramagnetică electronică (EPR); 3) rezonanță magnetică nucleară (RMN); 4) rezonanță feromagnetică electronică; 5) rezonanță electronică antiferomagnetică.

Rezonanță ciclotronică. Cu CR, se observă absorbția selectivă a energiei câmpului electromagnetic în semiconductori și metale într-un câmp magnetic constant, datorită tranzițiilor cuantice ale electronilor între nivelurile de energie Landau. Spectrul energetic cvasi-continuu al electronilor de conducție într-un câmp magnetic extern este împărțit în astfel de niveluri echidistante.

Esența mecanismului fizic al CR poate fi înțeleasă și în cadrul teoriei clasice. Un electron liber se deplasează într-un câmp magnetic constant (direcționat de-a lungul axei) de-a lungul unei traiectorii spiralate în jurul liniilor de inducție magnetică cu o frecvență ciclotron

unde și sunt, respectiv, mărimea sarcinii și masa efectivă a electronului. Să pornim acum câmpul de radiofrecvență cu o frecvență și cu un vector perpendicular pe (de exemplu, de-a lungul axei). Dacă electronul se află în faza potrivită pentru mișcarea sa de helix, atunci deoarece frecvența sa de rotație se potrivește cu cea a câmpului extern, el va accelera și helixul se va extinde. Accelerația unui electron înseamnă o creștere a energiei acestuia, care are loc datorită transferului său din câmpul de radiofrecvență. Astfel, absorbția rezonantă este posibilă în următoarele condiții:

frecvența câmpului electromagnetic extern, a cărui energie este absorbită, trebuie să coincidă cu frecvența ciclotronului electronilor;

vectorul intensității câmpului electric al undei electromagnetice trebuie să aibă o componentă normală cu direcția câmpului magnetic constant;

calea liberă medie a electronilor într-un cristal trebuie să depășească perioada oscilațiilor ciclotronului.

Metoda CR este utilizată pentru a determina masa efectivă a purtătorilor în semiconductori. Din jumătatea lățimii liniei CR, se pot determina timpii caracteristici de împrăștiere și, prin urmare, se pot determina mobilitatea purtătorului. Zona liniei poate fi utilizată pentru a determina concentrația purtătorilor de sarcină din probă.

Rezonanța paramagnetică a electronilor. Fenomenul EPR constă în absorbția rezonantă a energiei câmpului electromagnetic în probe paramagnetice plasate într-un câmp magnetic constant, normal cu vectorul magnetic al câmpului electromagnetic. Esența fizică a fenomenului este următoarea.

Momentul magnetic al unui atom cu electroni nepereche este determinat prin expresia (5.35). Într-un câmp magnetic, nivelurile de energie ale unui atom, datorită interacțiunii momentului magnetic cu câmpul magnetic, sunt împărțite în subniveluri cu energia

unde este numărul cuantic magnetic al atomului și ia valoarea

Din (5.52) se poate observa că numărul de subniveluri este , iar distanța dintre subniveluri este

Tranzițiile atomilor de la niveluri scăzute la niveluri superioare pot avea loc sub acțiunea unui câmp electromagnetic extern. Conform regulilor de selecție mecanică cuantică, tranzițiile permise sunt acelea în care numărul cuantic magnetic se modifică cu unu, adică . Prin urmare, cuantumul de energie al unui astfel de câmp trebuie să fie egal cu distanța dintre subniveluri

Relația (5.55) este condiția EPR. Un câmp magnetic alternant de frecvență de rezonanță cu aceeași probabilitate va determina tranziții de la subnivelurile magnetice inferioare la cele superioare (absorbție) și invers (radiații). Într-o stare de echilibru termodinamic, relația dintre populații și două niveluri învecinate este determinată de legea Boltzmann

Din (5.56) se poate observa că statele cu energie mai mică au o populație mai mare (). Prin urmare, numărul de atomi care absorb cuantele câmpului electromagnetic în aceste condiții va prevala asupra numărului de atomi emitenți; ca urmare, sistemul va absorbi energia câmpului electromagnetic, ceea ce duce la o creștere a . Totuși, datorită interacțiunii cu rețeaua, energia absorbită sub formă de căldură este transferată în rețea și, de obicei, atât de repede încât, la frecvențele utilizate, raportul diferă foarte puțin de valoarea sa de echilibru (5.56).

Frecvențele EPR pot fi determinate din (5.55). Înlocuind valoarea și numărând (momentul de spin pur), obținem pentru frecvența de rezonanță

Din (5.57) se poate observa că în câmpurile de la 1 T, frecvențele de rezonanță se află în domeniul Hz, adică în regiunile de radiofrecvență și microunde.

Condiția de rezonanță (5.55) se aplică atomilor izolați care au momente magnetice. Totuși, rămâne valabil pentru un sistem de atomi, dacă interacțiunea dintre momentele magnetice este neglijabil de mică. Un astfel de sistem este un cristal paramagnetic, în care atomii magnetici sunt localizați la distanțe mari unul de celălalt.

Fenomenul EPR a fost prezis în 1923. Ya.G. Dorfman și descoperit experimental în 1944. E.K.Zavoisky. În prezent, EPR este folosită ca una dintre cele mai puternice metode de studiere a solidelor. Pe baza interpretării spectrelor EPR se obțin informații despre defecte, impurități din solide și structura electronică, despre mecanismele reacțiilor chimice etc. Amplificatoarele și generatoarele paramagnetice au fost construite pe baza fenomenului EPR.

Rezonanță magnetică nucleară. Particulele elementare grele sunt protonii și neutronii (nucleonii) și, în consecință, nucleele atomice construite din acestea au propriile momente magnetice, care servesc ca sursă de magnetism nuclear. Rolul momentului magnetic elementar, prin analogie cu electronul, este jucat aici de magnetonul nuclear Bohr.

Nucleul atomic are un moment magnetic

unde este factorul nucleului, este numărul de spin al nucleului, care ia valori semiîntregi și întregi:

0, 1/2, 1, 3/2, 2, ... . (5.60)

Proiecția momentului magnetic nuclear pe axă z a unui sistem de coordonate ales arbitrar este determinată de relaţia

Aici, numărul cuantic magnetic, atunci când este cunoscut, ia valorile:

În absența unui câmp magnetic extern, toate stările cu stări diferite au aceeași energie și, prin urmare, sunt degenerate. Un nucleu atomic cu un moment magnetic diferit de zero plasat într-un câmp magnetic extern constant experimentează cuantificare spațială, iar nivelul său degenerat în pliuri se împarte într-un multiplet Zeeman, ale cărui niveluri au energii

Dacă după aceea nucleul este afectat de un câmp alternant, al cărui cuantum de energie este egal cu distanța dintre niveluri (5.63)

apoi există o absorbție rezonantă a energiei de către nucleele atomice, care se numește rezonanță paramagnetică nucleară sau pur și simplu rezonanță magnetică nucleară.

Datorită faptului că este mult mai mică, frecvența de rezonanță RMN este vizibil mai mică decât frecvența EPR. Deci RMN în câmpuri de ordinul a 1 T este observată în regiunea frecvenței radio.

RMN ca metodă de studiere a nucleelor, atomilor și moleculelor a primit diverse aplicații în fizică, chimie, biologie, medicină, tehnologie, în special, pentru măsurarea puterii câmpurilor magnetice.

Metoda tradițională de spectroscopie RMN are multe dezavantaje. În primul rând, este nevoie de mult timp pentru a construi fiecare spectru. În al doilea rând, este foarte pretențios cu privire la absența interferențelor externe și, de regulă, spectrele rezultate au zgomot semnificativ. În al treilea rând, este nepotrivit pentru crearea de spectrometre de înaltă frecvență. Prin urmare, în instrumentele moderne RMN se utilizează așa-numita metodă de spectroscopie în impulsuri, bazată pe transformata Fourier a semnalului recepționat.

În prezent, toate spectrometrele RMN sunt construite pe baza unor magneți supraconductori puternici cu un câmp magnetic constant.

Esența introscopiei RMN (sau imagistica prin rezonanță magnetică) este implementarea unui tip special de analiză cantitativă a amplitudinii semnalului de rezonanță magnetică nucleară. În metodele de introscopie RMN, câmpul magnetic este creat de un câmp deliberat neomogen. Atunci există motive să ne așteptăm ca frecvența rezonanței magnetice nucleare în fiecare punct al probei să aibă propria sa valoare, diferită de valorile din alte părți. Specificând orice cod pentru gradările de amplitudine a semnalului RMN (luminozitate sau culoare pe ecranul monitorului), se poate obține o imagine condiționată (tomogramă) a secțiunilor structurii interne a obiectului.

Rezonanță fero- și antiferomagnetică. Esența fizică a rezonanței feromagnetice constă în faptul că sub acțiunea unui câmp magnetic extern, magnetizând un feromagnet până la saturație, momentul magnetic total al probei începe să preceadă în jurul acestui câmp cu o frecvență Larmor în funcție de câmp. Dacă unui astfel de eșantion i se aplică un câmp electromagnetic de înaltă frecvență perpendicular pe și frecvența acestuia este modificată, atunci la , are loc absorbția rezonantă a energiei câmpului. Absorbția în acest caz este cu câteva ordine de mărime mai mare decât în ​​rezonanța paramagnetică, deoarece susceptibilitatea magnetică și, în consecință, momentul magnetic de saturație, este mult mai mare la ei decât la paramagneți.

Caracteristicile fenomenelor de rezonanță în fero - iar antiferomagneții sunt determinați în primul rând de faptul că în astfel de substanțe nu se tratează cu atomi izolați sau cu ioni relativ slab interacționați ai corpurilor paramagnetice obișnuite, ci cu un sistem complex de electroni care interacționează puternic. Interacțiunea de schimb (electrostatică) creează o magnetizare mare rezultată și, odată cu aceasta, un câmp magnetic intern mare, care modifică semnificativ condițiile de rezonanță (5.55).

Rezonanța feromagnetică diferă de EPR prin aceea că absorbția de energie în acest caz este cu multe ordine de mărime mai puternică, iar condiția de rezonanță (relația dintre frecvența de rezonanță a câmpului alternativ și mărimea câmpului magnetic constant) depinde semnificativ de forma probelor. .

Multe dispozitive cu microunde se bazează pe fenomenul rezonanței feromagnetice: supape și filtre rezonante, amplificatoare paramagnetice, limitatoare de putere și linii de întârziere.

rezonanță antiferomagnetică ( electronic rezonanță magneticăîn antiferomagneți) - fenomenul unui răspuns selectiv relativ mare al sistemului magnetic al unui antiferomagnet la acțiunea unui câmp electromagnetic cu o frecvență (10-1000 GHz) apropiată de frecvențele naturale ale precesiei vectorilor de magnetizare ai subrețelelor magnetice ale sistem. Acest fenomen este însoțit de o absorbție puternică a energiei câmpului electromagnetic.

Din punct de vedere cuantic, a rezonanță antiferomagnetică poate fi considerată ca o transformare rezonantă a fotonilor câmpului electromagnetic în magnoni cu vector de undă.

A observa a rezonanță antiferomagnetică Se folosesc spectrometre radio, similare cu cele folosite pentru studiul EPR, dar care permit măsurători la frecvențe înalte (până la 1000 GHz) și în câmpuri magnetice puternice (până la 1 MG). Cele mai promițătoare sunt spectrometrele în care frecvența, mai degrabă decât câmpul magnetic, este scanată. Metode optice de detectare a rezonanță antiferomagnetică.

Toate particulele elementare, adică tot ceea ce suntem alcătuiți, sunt magneți mici - acesta este un proton, un neutron și un electron. Astfel, nucleele formate din protoni și neutroni pot avea și un moment magnetic.

1. Caracteristicile momentului magnetic al nucleului

Natura momentului magnetic este cuantică. Dar dacă încerci să-l ilustrezi într-o expresie clasică mai înțeleasă, comportamentul nucleului este similar cu comportamentul unui mic magnet care se rotește. Astfel, dacă nu avem un câmp magnetic extern, atunci un astfel de magnet poate fi orientat în orice direcție. De îndată ce aplicăm un câmp magnetic extern, nucleul, care are un moment magnetic, ca orice magnet, începe să simtă acest câmp magnetic, iar dacă numărul lui de spin este ½, atunci apar două direcții ale orientării sale predominante: în direcția și împotriva direcției câmpului magnetic. Aceste două stări diferă ca energie, iar un nucleu, cum ar fi un proton, poate trece de la o stare la alta. O astfel de schimbare a orientării sale în raport cu câmpul magnetic extern este însoțită de absorbția sau eliberarea unui cuantum de energie.

Această energie este foarte mică. Cuantumul energiei se află în domeniul radiațiilor cu frecvență radio. Și tocmai această mică măsură a energiei este una dintre proprietățile neplăcute ale metodei rezonanței magnetice nucleare, deoarece determină apropierea populațiilor de la nivelurile inferioare și superioare. Dar, cu toate acestea, dacă ne uităm la un ansamblu de astfel de nuclee, adică la o substanță pe care am plasat-o într-un câmp magnetic, apar un număr suficient de mare de momente magnetice, îndreptate în sus și în jos, iar între ele se produc tranziții. Astfel, putem înregistra aceste tranziții și măsura proprietățile asociate acestora.

2. Proprietăţi ale momentului magnetic al nucleului

Deoarece cuantumul de energie în timpul tranziției de la un nivel la altul depinde doar de proprietățile magnetice ale nucleului studiat și de mărimea câmpului magnetic extern, așa-numita frecvență de precesiune magnetică, sau frecvența Larmor, este un factor al acestora. două componente.

Cu toate acestea, de fapt, câmpul magnetic care înconjoară un anumit nucleu nu este egal cu câmpul magnetic pe care l-am aplicat prin plasarea obiectului studiat în magnetul spectrometrului nostru. Pe lângă câmpul magnetic extern, trebuie să se țină cont și de câmpurile magnetice locale, care sunt induse, de exemplu, de mișcarea electronilor în jurul nucleelor, de acțiunea nucleelor ​​învecinate, de aceiași magneți capabili să inducă câmpuri magnetice locale și asemenea. Astfel, fiecare nucleu situat într-o parte diferită a moleculei are un câmp magnetic eficient complet diferit care înconjoară acest nucleu. Drept urmare, putem înregistra nu o singură rezonanță, ci un set dintre ele, adică spectrul rezonanței magnetice nucleare.

Frecvența de rezonanță relativă este exprimată, de regulă, în părți pe milion în raport cu mărimea câmpului magnetic extern. Acest parametru este o valoare stabilă, independentă de valoarea câmpului magnetic extern, dar determinată de proprietățile electronice ale moleculei studiate.

Deci, dacă luăm în considerare un compus chimic: în poziții diferite, de exemplu, protonii simt un câmp magnetic complet diferit, atunci în acest fel este posibil să identificăm, de exemplu, un semnal de protoni al unui reziduu aromatic, un semnal de protoni al unui grup. –CH3 și așa mai departe. Și în sine, aceste informații sunt extrem de importante din punct de vedere structural.

3. Interacțiunea nucleelor ​​cu un moment magnetic

Datorită faptului că momentele magnetice interacționează între ele, există un alt strat de informații pe care îl putem extrage. Acestea sunt informații care sunt legate de interacțiunea a două nuclee diferite unul cu celălalt. Dacă, de exemplu, un nucleu interacționează cu altul printr-un sistem de electroni care participă la formarea legăturilor chimice, atunci aceasta se numește interacțiune indirectă sau spin-spin. Valorile interacțiunii spin-spin a nucleelor ​​sunt extrem de sensibile la geometria moleculei, la proprietățile sale electronice, de exemplu, la densitatea electronilor din jurul anumitor nuclee. Astfel, putem obține deja o serie de parametri structurali foarte importanți din magnitudinea interacțiunii.

În plus, două nuclee care au un moment magnetic pot interacționa între ele pur și simplu prin spațiu. Aceasta se numește „interacțiune dipol-dipol directă” și, din nou, aceste tipuri de interacțiuni sunt extrem de informative din punct de vedere structural. De exemplu, vectorul de interacțiune a două nuclee ne poate oferi informații despre proximitatea spațială a nucleelor, despre orientarea unei perechi de nuclee care interacționează față de un câmp magnetic extern.

Astfel, dacă măsurăm spectrul de rezonanță magnetică nucleară al unui anumit compus, putem obține informații foarte detaliate despre structura acestuia. Dacă, de exemplu, suntem capabili să măsurăm distanța internucleară - și acest lucru se poate face prin determinarea proprietăților asociate cu interacțiunea dipol-dipol a nucleelor, deoarece valoarea acesteia este determinată de această distanță internucleară - atunci RMN devine de fapt o metodă structurală .

4. Istoricul descoperirii metodei RMN

Spectroscopia RMN ca metodă de studiere a proprietăților moleculelor a apărut la mijlocul anilor 1940 și într-un timp foarte scurt - la mijlocul anilor 1950 - a devenit una dintre metodele cheie pentru studiul compușilor organici.

Dar adevărații pionieri ai RMN în lichide sunt Bloch și Purcell, oameni de știință americani care au primit Premiul Nobel în anii 1950 pentru o descoperire pe care au făcut-o în 1945-1946. Trebuie menționat că compatriotul nostru Evgeny Konstantinovich Zavoisky a publicat în 1944 o lucrare despre detectarea rezonanței magnetice a unui electron. Electronul, așa cum am menționat mai sus, are și un moment magnetic, iar mărimea acestui moment magnetic este chiar mai mare decât momentul magnetic al nucleelor. Principiile fizice ale metodei rezonanței magnetice nucleare și ale metodei rezonanței paramagnetice electronice sunt foarte asemănătoare.

Dar, din păcate, dintr-un motiv sau altul - motive mai degrabă de natură politică - lucrării lui Evgeny Konstantinovich Zavoisky nu a fost distinsă cu Premiul Nobel, deși, desigur, ar fi trebuit să fie printre acei oameni care au primit premiul pentru descoperirea fenomenului. de rezonanță magnetică.

Puțin mai devreme, Isaac Rabi a primit Premiul Nobel pentru munca sa în anii 1930 ai secolului XX, pentru descoperirea proprietăților magnetice ale nucleelor ​​din fasciculele de gaz. Și, de fapt, aceste lucrări au servit ca un impuls pentru crearea metodelor RMN în lichide și solide.

Premiile Nobel au fost adesea acordate pentru descoperiri legate de metoda RMN. Nu se poate să nu remarcăm, de exemplu, premiul acordat lui Richard Ernst, care a creat metodologia de bază a spectroscopiei RMN, de exemplu, spectroscopie RMN cu transformă Fourier pulsată, metode de spectroscopie RMN bidimensională; precum și un astfel de om de știință precum Kurt Wüthrich, un coleg elvețian al lui Richard Ernst, care a creat o metodologie pentru studierea structurii moleculelor de proteine ​​folosind rezonanța magnetică nucleară.

5. Aplicarea practică a metodei RMN

Metoda RMN după crearea sa a început să fie utilizată în mod activ pentru studiul compușilor organici. Dar momentele magnetice sunt inerente nu numai acelor nuclee care fac parte din, adică un proton, carbon sau izotopul său C-13 și azotul sau izotopul său N-15. De fapt, întregul sistem periodic este, într-o măsură sau alta, acoperit de anumiți izotopi stabili ai nucleelor ​​care au momente magnetice. Această metodă nu are nicio legătură cu proprietățile radioactive ale nucleelor ​​- doar cu proprietățile lor magnetice. Aproape fiecare element al sistemului periodic are anumiți izotopi care au proprietăți convenabile pentru rezonanța magnetică nucleară.

Și la scurt timp după stăpânirea tehnicilor RMN pentru compuși organici simpli, a început să fie utilizat în mod activ pentru a studia diferiți compuși anorganici. În prezent, metoda rezonanței magnetice nucleare este, conform celor mai multe estimări, cea mai puternică metodă fizică pentru studiul compușilor de cea mai diversă natură.