Ядерным магнитным резонансом (ЯМР) называют избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.
ЯМР наблюдается при выполнении условия (для свободных атомных ядер):
hn = gя mя В,
где gя - ядерный множитель Ланде, mя - ядерный магнетон Бора.
ЯМР представляет собой весьма чувствительный метод; в ходе измерений образец не разрушается, а необходимые его количества очень малы. С помощью ЯМР исследуют самые разные процессы и определяют самые разные величины, например:
- кинетику роста кристаллов в растворах или, напротив, кинетику их растворения;
- процессы полимеризации, например, синтетических смол;
- процессы гидратации и дегидратации, определение содержания воды в различных веществах при данных условиях;
- определение содержания свободных радикалов (кинетика горения, анализ выхлопных газов);
- исследование вязкости смазочных материалов.
Этот метод применяется при контроле за пищевыми продуктами (определение содержания воды в продуктах, отношения содержания твердых ингредиентов к жидким в жирах и маргаринах, содержания ненасыщенных компонентов в жирах, установление причин порчи продуктов и поиски новых консервантов).
С его помощью исследуют структурированность внутриклеточной воды (в раковых клетках она меньше, чем в нормальных), пытаясь создать на этой основе эффективные методы диагностики определенных заболеваний. ЯМР применяют для определения содержания масла в зернах масличных культур (анализ, не разрушающий образцы), что позволяет отбирать лучшие зерна и увеличивает рентабельность производства масла. Этот метод находит применение при стереохимических исследованиях, помогая установить механизм некоторых реакций.
ЭПР и ЯМР.
При помещении атома в магнитное поле каждый его энергетический уровень расщепляется на (2I + 1) подуровней.
Расщепление энергетических уровней приводит и к расщеплению спектральных линий атомов, помещенных в магнитное поле. Это явление называют эффектом Зеемана.
У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Но такие переходы могут осуществляться индуцированно под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой кванта, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом наблюдается поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом.
В зависимости от типа частиц - носителей магнитного момента - различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР). ЭПР был открыт в 1944 году Е.К.Забойским. Он имеет место в вещества, содержащих парамагнитные части-
цы: молекулы, атомы, ионы, радикалы, обладающие магнитным моментом, обусловленным электронами. Возникающее при этом явление Зеемана объясняют расщеплением электронных уровней.
ЯМР был открыт в 1946 году Блохом и Парселом. Так как величина магнитного момента ядер приблизительно в тысячу раз меньше моментов электронных оболочек, то и частоты, отвечающие ядерному резонансу, будут в тысячу раз меньше по сравнению с частотами ЭПР.
Б × Н
При помощи ЯМР можно изучать строение молекул, их конформацию, распределение электронной плотности, слабые межмолекулярные взаимодействия (комплексообразование, сольватация, водородные связи),заторможенное внутреннее вращение, таутомерное равновесие, а иногда и кинетику реакций. Обычно снимают спектры жидкостей или растворов, иногда газов.
Спектрометр ЯМР (ЭПР). В зазор между полюсами электромагнита, создающего однородное постоянное поле высокой напряженности, помещают ампулу с образцом. Ампула окружена катушкой, в которую пропущен переменный ток для создания радиочастотного электромагнитного поля. Далее теоретически безразлично, будем ли мы плавно изменять частоту этого электромагнитного поля n, оставляя постоянной напряженность магнитного поля Ho, либо, напротив, изменять Ho при постоянной n. Имеются приборы, основанные на обоих принципах. Если изменяют Ho, то при некотором значении Ho происходит поглощение энергии образцом, причем сила тока в катушке падает.
Это изменение усиливается и передается на самописец или осциллограф.
А - ампула с образцом
М – магнит Г – генератор
У – усилитель
О – осциллограф С - самописец
Применения ЭПР - обнаружение и исследование свободных радикалов (например, концентрацию их в воздушной среде), для изучения фотохимических процессов (фотосинтеза), для изучения биологических молекул методом спин-меток и др.
ЯМР - томография.
Картину пространственного расположения отдельных видов молекул в организме получают методом ЯМР-томографии (интроскопии). В его основе лежит создание с помощью последовательно приложенных градиентов магнитного поля по различным направлениям такого распределения магнитного поля, чтобы в данный момент различным элементам объема в пределах изучаемого сечения соответствовали слои, определенные для их местоположения частоты резонанса. Изменение градиентов во времени и обработка результатов изменений с помощью ЭВМ позволяют получить пространственную картину распределения молекул, содержащих, например, атомы водорода или фосфора (при наблюдениях магнитного резонанса от протонов или ядер фосфора) в пределах изучаемого сечения.
Достоинством метода ЯМР-томографии является его высокая чувствительность в изображении мягких тканей, а также высокая разрешающая способность, вплоть до долей миллиметра. В отличие от рентгеновской томографии ЯМР-томография позволяет получить изображение исследуемого объекта в любом сечении.
На этой основе могут быть реконструированы объемные изображения отдельных органов.
