• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
2417
Раздел: Химия

Такой чувствительный ЯМР

Один из наиболее эффективных современных методов анализа структуры химических соединений на молекулярном уровне основывается на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР), которое возникает при взаимодействии магнитных ядер с внешним магнитным полем. Таким способом удается получать самую разнообразную и очень детальную информацию о молекулах, включая их ориентацию, пространственную структуру, характер межмолекулярных взаимодействий и т.п. Все это сделало ЯМР-спектроскопия мощным исследовательским инструментом не только в неорганической химии, но и в исследовании сложных биологических макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты.

Несмотря на многочисленные достоинства, ЯМР-спектроскопия обладает существенным недостатком – относительно низкой чувствительностью. Это связано с трудностью регистрации квантов электромагнитной волны с низкой энергией, а также со слабой «поляризацией» спиновой системы, поскольку даже в самых мощных доступных магнитных полях энергия резонансного поглощения существенно меньше энергии теплового движения частиц. В результате в обычных условиях при взаимодействии с электромагнитной волной спиновая система излучает и поглощает практически одинаковое число квантов, и лишь 0.01% всех спинов в образце фактически дают вклад в наблюдаемый сигнал ЯМР. Однако новосибирским исследователям удалось значительно повысить чувствительность ЯМР-методов, разработав оригинальные подходы поляризации спиновыхсистем.

Существенным прорывом стала разработка метода получения гиперполяризованных газов и их применение в магнитно-резонансной томографии (МРТ). Традиционная МРТ-диагностика ориентирована на использование сигнала ЯМР протонов воды и жиров, присутствующих в живых тканях. Однако большая часть объема легких занята воздухом, и в этом случае чувствительность обычного МРТ очень низка. В Новосибирске была успешно осуществлена МРТ-визуализация различных объектов, заполненных гиперполяризованными газами, полученными с помощью гетерогенного катализа.

В том числе на обычном клиническом томографе были получены трехмерные МРТ-изображения объектов, заполненных поляризованным пропаном, с очень высоким пространственным разрешением. Это достижение, не имеющее аналогов в мировой практике, свидетельствует о возможности МРТ-диагностики человеческого легкого, намного более информативной, чем флюорография

Один из наиболее эффективных современных методов анализа структуры соединений на молекулярном уровне основывается на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР), которое возникает при взаимодействии магнитных ядер с внешним магнитным полем. Само явление было официально открыто американскими учеными Ф. Блохом и Э. М. Парселлом в 1946 г., хотя теоретически оно было предсказано ранее; для электронов же явление магнитного резонанса впервые экспериментально наблюдалось русским исследователем Е. Завойским еще в 1944 г.

В первых ЯМР-спектрометрах на образец, помещенный в постоянное магнитное поле, непрерывно подавалось переменное радиочастотное излучение. Сегодня для получения отклика спиновой системы используют короткие радиочастотные импульсы; получили широкое развитие и многоимпульсные методы ЯМР. Таким образом стало возможным получение не только одномерных (т. е. на одной частоте) спектров ЯМР, но и двумерных, трехмерных и даже многомерных. Анализ таких спектров позволяют получить самую разнообразную и очень детальную информацию о молекулах, включая их ориентацию, пространственную структуру, межмолекулярные взаимодействия и т. п.

При помещении в сильное постоянное магнитное поле (B₀) образца, имеющего магнитные ядра, происходит расщепление их спиновых уровней энергии: ядра со спинами, направленными вдоль поля (состояние β), имеют меньшую (на величину E) энергию, чем с направленными против поля (состояние α). Приложение радиочастотного магнитного поля В₁ в направлении, перпендикулярном В₀, вызовет переходы между спиновыми состояниями, если будет выполнено условие резонанса: hν = E. При этом в спектре ЯМР (справа) на частоте ν появится линия резонансного поглощения энергии

ЧТО ТАКОЕ ЯМР? Метод ядерного магнитного резонанса основан на эффекте резонансного поглощения электромагнитных волн веществами, имеющими ядра с не равным нулю собственным моментом импульса – спином. Благодаря квантовой природе спин может принимать лишь дискретные, строго определенные значения, представляющие собой произведение целого либо полуцелого числа и постоянной Планка.
Ненулевым спином обладают многие элементарные частицы (например, спин электрона и протона равен 1/2), а спин ядра дейтерия равен 1. Для ЯМР-экспериментов наиболее удобными являются ядра со спином 1/2, например, 1Н, 13С, 15N. «Нужные» изотопы некоторых элементов встречаются в природе в достаточной концентрации, для других требуется изотопное обогащение образца.
Для регистрации спектров ЯМР образец помещают в сильное магнитное поле: ...
comments powered by HyperComments