Ядерный магнитный резонанс

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) был открыт в 1946 американскими физиками Э. Перселлом и Ф. Блохом. Работая независимо друг от друга, они нашли способ резонансной «настройки» в магнитных полях собственных вращений ядер некоторых атомов, например водорода и одного из изотопов углерода. Когда образец, содержащий такие ядра, помещают в сильное магнитное поле, их ядерные моменты «выстраиваются» подобно железным опилкам вблизи постоянного магнита. Эту общую ориентацию можно нарушить радиочастотным сигналом. После выключения сигнала ядерные моменты возвращаются в исходное состояние, причем быстрота такого восстановления зависит от их энергетического состояния, типа окружающих ядер и ряда других факторов. Переход сопровождается испусканием радиочастотного сигнала. Сигнал подается на компьютер, который обрабатывает его. Таким путем можно производить визуализацию областей тела, обладающих определенными характеристиками, свойствами.

Парамагнетизм вещества может быть обусловлен не только строением электронных оболочек атомов, но и магнетизмом ядер. Магнетизм ядер, также как и магнетизм оболочек, может вызвать резонансное поглощение электромагнитной энергии в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Этот эффект качественно аналогичен ЭПР, но количественно отличается из-за того, что ядерные магнитные моменты намного меньше атомных, поэтому рабочая частота устройства в 1000 раз меньше. При этом релаксация взаимодействий слабее, а добротность и чувствительность выше. Ядерные магнитные моменты взаимодействуют с электронными, поэтому спектр при ЯМР зависит от внешних воздействий. Резонансные частоты метода ЯМР лежат в области нескольких мегагерц, чувствительность метода составляет  ядер.

Таким образом, ЯМР проявляет себя как эффект резкого возрастания поглощения веществом энергии электромагнитных волн, имеющих частоту ( ) системой атомных ядер, обладающих магнитным моментом и помещенных во внешнее магнитное поле:

,                                  (1.10)

где g =5,58 – множитель Ланде (ядерный),

    - ядерный магнетон,

    - магнетон Бора.

    

Примеры практического использования ЯМР

Явление магнитного резонанса используется для обнаружения и измерения электрических и магнитных взаимодействий электронов и ядер в макроскопических количествах вещества. Это явление обусловлено парамагнитной ориентацией электронов и ядер внешним полем и их ларморовской прецессией относительно направления внешнего поля. Частота ларморовской прецессии пропорциональна напряженности магнитного поля, приложенного в области нахождения прецессирующего электрона или ядра. Когда соседние частицы дают вклад в локальное магнитное поле, он измеряется по сдвигу частоты прецессии. Дополнительный сдвиг частоты прецессии может произойти также за счет неоднородных электрических полей, создаваемых соседними частицами.

В качестве примера практической реализации ЯМР для целей измерения рассмотрим конструкцию высокочувствительного датчика для измерения магнитной индукции слабого магнитного поля.

Устройство содержит катушку индуктивности, которая в качестве сердечника содержит ампулу с газообразным веществом. Магнитные моменты ядер вещества, внесенного в магнитное поле, ориентируются по направлению его магнитной индукции прецессируя с частотой:

.                               (1.11)

Через некоторое время при совпадении векторов намагниченности и внешнего поля вещество приобретает стационарную намагниченность.

В данном методе образец подвергается радиочастотному облучению неизменной частоты, в то время как сила магнитного поля изменяется, поэтому его еще называют методом постоянного поля.

Исследуемый образец помещается внутрь радиочастотной катушки или микроволнового резонатора, расположенных между полюсами магнита. Крайне высокая точность настройки установки и ее чувствительность при определении поглощаемой мощности – главное преимущество метода магнитного резонанса.

Рисунок 1.10 Схематическое изображение установки для эксперимента по магнитному резонансу. Резонанс достигается в радиочастотном диапазоне. Катушка (а) и резонатор (б) присоединяются к источникам переменного поля и измерителям потери мощности

В стандартной экспериментальной методике частота колебаний ω поперечного поля поддерживается постоянной и резонанс достигается с помощью изменения напряженности поля , что приводит к медленному изменению частоты прецессии . На экране осциллографа при этом можно наблюдать компоненту M, колеблющуюся либо в противофазе с управляющим поперечным полем (т.е. поглощаемую мощность), либо в фазе с ним (Рисунок 1.11).

Рисунок 1.11 Сигналы магнитного резонанса протона в жидком водороде, отражающие зависимость от величины индукции магнитного поля для поглощаемой средой мощностью излучения (а) и магнитного момента М частицы (б)

На применении ЯМР основан принцип работы приборов для стабилизации и точнейших измерений параметров магнитного поля, а также для анализа смесей по их изотопному составу. Например, сильный сигнал ЯМР наблюдается в присутствии ядер изотопа углерод-13, что предопределило применение ЯМР и его разновидности - ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) в исследовании углеводородов, особенно природных (нефть).

В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения. Ядра с нецелым спином могут вступать во взаимодействие с внешним магнитным полем, переходя в результате на другие энергетические уровни. Энергия этих уровней строго квантована и зависит от природы ядра, его электронного окружения, различных внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Влияние электронной оболочки на ЯМР проявляется, в частности, следующим образом. Внешнее магнитное поле, в которое помещен исследуемый образец, действует на электроны атомов или молекул образца. В случае диамагнитного образца в электронных оболочках его атомов внешним полем индуцируются такие токи, которые создают вторичное магнитное поле, направленное в сторону, противоположную внешнему полю. Это вторичное поле также действует на ядро атома. Складываясь с внешним полем, оно уменьшает действие последнего на ядро.

При магнитной индукции поля (В) равной 1 Тл резонансное поглощение наступает при частоте Гц. Спектр поглощения тем шире, чем больше вязкость и меньше молекулярная подвижность. Линии ЯМР значительно уже, чем при ЭПР. Спектр смещается за счет взаимодействия ядерного магнитного момента с электронным. Поэтому ЯМР характеризует структуру и строение вещества. Практическая реализация эффекта основана на резком возрастании поглощения энергии электромагнитной волны в системах атомных ядер при внешнем магнитном поле. Рабочая частота находится в пределах 200 МГц. Спектр поглощения тем шире, чем больше вязкость и меньше молекулярная подвижность. Линии спектра значительно уже, чем в электромагнитном резонансе, поэтому его используют для исследования строений молекул и изотопного анализа.

Явление ядерного магнитного резонанса применяют в физике, химии, в медицине (организм человека — это совокупность все тех же органических и неорганических молекул). Чтобы наблюдать это явление, объект помещают в постоянное магнитное поле и подвергают действию радиочастотных и градиентных магнитных полей. В катушке индуктивности, окружающей исследуемый объект, возникает переменная электродвижущая сила (ЭДС), амплитудно-частотный спектр которой и переходные во времени характеристики несут информацию о пространственной плотности резонирующих атомных ядер, а также о других параметрах, специфических только для ядерного магнитного резонанса. После обработки на ЭВМ эта информация переходит в ЯМР - изображение, которое характеризует плотность химически эквивалентных ядер, времена релаксации ядерного магнитного резонанса, распределение скоростей потока жидкости, диффузию молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: