Nukleární magnetická rezonance ( NMR ) - rezonanční absorpce nebo emise elektromagnetické energie látkou obsahující jádra s nenulovým spinem ve vnějším magnetickém poli o frekvenci ν (nazývané NMR frekvence), v důsledku přeorientování magnetických momentů jádra.
Fenomén nukleární magnetické rezonance objevil v roce 1938 Isidore Rabi v molekulárních svazcích, za což mu byla v roce 1944 udělena Nobelova cena [1] . V roce 1946 Felix Bloch a Edward Mills Purcell získali nukleární magnetickou rezonanci v kapalinách a pevných látkách (Nobelova cena 1952) [2] [3] .
Stejná jádra atomů v různých prostředích v molekule vykazují různé NMR signály. Rozdíl mezi takovým NMR signálem a signálem standardní látky umožňuje stanovit tzv. chemický posun , který je dán chemickou strukturou zkoumané látky. V technikách NMR existuje mnoho příležitostí k určení chemické struktury látek, konformací molekul, účinků vzájemného ovlivňování a intramolekulárních přeměn.
Fenomén nukleární magnetické rezonance je založen na magnetických vlastnostech atomových jader s nenulovým spinem (vnitřní točivý moment ).
Všechna jádra nesou elektrický náboj. Ve většině druhů jader se tento náboj "otáčí" kolem osy jádra a tato rotace jaderného náboje vytváří magnetický dipólový moment , který je schopen interakce s vnějším magnetickým polem. Ze všech jader pouze jádra obsahující jak sudý počet neutronů, tak sudý počet protonů (sudá-sudá jádra) v základním stavu nemají rotační moment a následně ani dipólový magnetický moment. Zbytek jader má v základním stavu nenulový rotační moment , který souvisí s magnetickým momentem vztahem
,kde je Diracova konstanta , je spinové kvantové číslo, je gyromagnetický poměr .
Moment hybnosti a magnetický moment jádra jsou kvantovány a vlastní hodnoty projekce a úhlové a magnetické momenty na osu z libovolně zvoleného souřadnicového systému jsou dány vztahem
a ,kde je magnetické kvantové číslo vlastního stavu jádra. Hodnoty jsou určeny spinovým kvantovým číslem jádra
,to znamená, že jádro může být ve stavech.
Takže proton (nebo jiné jádro s I = 1/2 - 13 C, 19 F, 31 P atd.) může být pouze ve dvou stavech
Takové jádro může být reprezentováno jako magnetický dipól , jehož z - složka může být orientována paralelně nebo antiparalelně s kladným směrem osy z libovolného souřadnicového systému.
Jádro 6 Li (nebo jiné jádro s I = 1 - 14 N, 32 P atd.) může být ve třech stavech
Je třeba poznamenat, že při absenci vnějšího magnetického pole mají všechny stavy s různými stavy stejnou energii, to znamená, že jsou degenerované. Degenerace je odstraněna ve vnějším magnetickém poli, zatímco rozdělení vzhledem k degenerovanému stavu je úměrné velikosti vnějšího magnetického pole a magnetickému momentu stavu a pro jádro se spinovým kvantovým číslem I je systém 2 I + 1 energetických hladin se objevuje ve vnějším magnetickém poli , to znamená, že nukleární magnetická rezonance má stejnou povahu jako Zeemanův efekt štěpení elektronických hladin v magnetickém poli.
V nejjednodušším případě pro jádro se spinem s I = 1/2 — například pro proton — štěpení
a energetický rozdíl spinových stavů
Tento výraz jednoduše říká, že rozdíl energie je úměrný , protože ostatní veličiny jsou konstanty. Pro magnetické pole řádu 1 T a typický nukleární magnetický moment je rozdělení úrovní v energetickém rozsahu odpovídajícím frekvencím elektromagnetického pole ležícího v rádiovém rozsahu.
Jakmile vznikne systém dvou úrovní, je možné zavést energii ve formě radiofrekvenčního záření o frekvenci ( ) pro vybuzení přechodů mezi těmito energetickými hladinami v konstantním magnetickém poli . Základní rovnice NMR vztahující použitou frekvenci ( ) k intenzitě magnetického pole je zapsána jako
protože
Frekvence ozařování je v rozsahu megahertzů (MHz). Pro protony s intenzitou pole 2,35 T je frekvence ozařování 100 MHz . Když se pole zvýší faktorem n , zvýší se o stejnou hodnotu také rezonanční frekvence. Když je poměr frekvence a pole roven , systém je v rezonanci; proton absorbuje energii, přesune se na vyšší energetickou hladinu a spektrum lze zaznamenat. Odtud pochází název nukleární magnetická rezonanční spektroskopie. Konstanta se nazývá gyromagnetický poměr a je základní jadernou konstantou. Toto je koeficient úměrnosti mezi magnetickým momentem a rotací jádra :
.
RF energie může být vstřikována buď v kontinuálním režimu rozmítání v rozsahu frekvencí (kontinuální vlna (CW) nebo kontinuální režim), nebo jako krátký RF pulz obsahující celou sadu frekvencí (pulzní režim). Tyto dvě metody odpovídají dvěma různým typům NMR spektrometrů.
Soubor ekvivalentních protonů precesujících s náhodnou fází kolem osy z (tj. kolem směru konstantního magnetického pole ) generuje čistou makroskopickou magnetizaci ve směru osy z , ale ne v rovině xy .
Výzvou je, jak aplikovat radiofrekvenční elektromagnetickou energii na protony orientované v konstantním magnetickém poli a jak poté měřit energii absorbovanou protony při přechodu do vyššího spinového stavu. To lze z hlediska klasické mechaniky objasnit, když si proton představíme jako částici rotující ve vnějším magnetickém poli. Magnetická osa protonu se pohybuje kolem osy z konstantního magnetického pole, stejně jako vrchol precesy působením gravitace, jehož osa rotace je odchýlena od kolmice.
Když je frekvence aplikovaného vysokofrekvenčního pole ( ) rovna precesní frekvenci ekvivalentních protonů (v klasické fyzice nazývané Larmorova frekvence , v MHz), je dosaženo stavu nukleární magnetické rezonance a základní rovnice NMR může být napsáno jako
Tato rovnice je použitelná pro soubor izolovaných protonů.
NMR pozorování je usnadněno tím, že ve většině látek nemají atomy permanentní magnetické momenty elektronů atomových obalů v důsledku jevu zmrazování orbitální hybnosti .
Rezonanční frekvence NMR v kovech jsou vyšší než v diamagnetech ( Knightův posun ).
Když určité chemické reakce probíhají v magnetickém poli, NMR spektra reakčních produktů vykazují buď anomálně vysokou absorpci nebo rádiovou emisi. Tato skutečnost ukazuje na nerovnovážnou populaci jaderných Zeemanových hladin v molekulách reakčních produktů. Přelidnění nižší úrovně je doprovázeno anomální absorpcí. Inverze populace (horní úroveň je více obydlená než spodní) má za následek rádiové vyzařování. Tento jev se nazývá chemická polarizace jader .
Larmorova frekvence MHz v terénu | |||
---|---|---|---|
jádro | 0,5 Tesla | 1 Tesla | 7.05 Tesla |
1 H ( vodík ) | 21.29 | 42,58 | 300,18 |
2D ( deuterium ) | 3.27 | 6.53 | 46.08 |
13 C ( uhlík ) | 5.36 | 10,71 | 75,51 |
23 Na ( sodík ) | 5.63 | 11.26 | 79,40 |
39 K ( draslík ) | 1,00 | 1,99 | 14.03 |
Frekvence pro rezonanci protonů je v rozsahu krátkých vln (vlnová délka je cca 7 m) [4] .
Srdcem NMR spektrometru je silný magnet . V experimentu, který Purcell poprvé uvedl do praxe , je vzorek umístěný ve skleněné ampuli o průměru asi 5 mm umístěn mezi póly silného elektromagnetu. Poté, aby se zlepšila rovnoměrnost magnetického pole, ampule se začne otáčet a magnetické pole , které na ni působí, se postupně zvyšuje. Jako zdroj záření je použit kvalitní RF generátor . Působením rostoucího magnetického pole začnou rezonovat jádra, na která je spektrometr naladěn. V tomto případě stíněná jádra rezonují s frekvencí o něco nižší než jádra bez elektronových obalů. Absorpce energie je zaznamenávána RF můstkem a poté zaznamenávána zapisovačem. Frekvence se zvyšuje, dokud nedosáhne určité hranice, nad kterou je rezonance nemožná.
Vzhledem k tomu, že proudy přicházející z mostu jsou velmi malé, nejsou omezeny na odběr jednoho spektra, ale provedou několik desítek průchodů. Všechny přijímané signály jsou shrnuty na výsledném grafu, jehož kvalita závisí na odstupu signálu od šumu zařízení.
Při této metodě je vzorek vystaven radiofrekvenčnímu záření o konstantní frekvenci při změně síly magnetického pole, proto se také nazývá metoda kontinuálního ozařování (CW, kontinuální vlna).
Tradiční metoda NMR spektroskopie má mnoho nevýhod. Za prvé, vytvoření každého spektra zabere spoustu času. Za druhé je velmi vybíravý na absenci vnějšího rušení a výsledná spektra mají zpravidla výrazný šum. Za třetí je nevhodný pro vytváření vysokofrekvenčních spektrometrů (300, 400, 500 a více MHz ). Proto se v moderních NMR přístrojích používá metoda tzv. pulzní spektroskopie (PW), založená na Fourierově transformaci přijímaného signálu. V současné době jsou všechny NMR spektrometry postaveny na bázi výkonných supravodivých magnetů s konstantním magnetickým polem.
Na rozdíl od metody CW se v pulzní verzi buzení jader neprovádí „konstantní vlnou“, ale pomocí krátkého pulzu, dlouhého několik mikrosekund. Amplitudy frekvenčních složek pulzu klesají s rostoucí vzdáleností od ν 0 . Ale protože je žádoucí, aby všechna jádra byla ozářena stejně, je nutné použít „tvrdé pulzy“, tedy krátké pulzy o vysokém výkonu. Doba trvání pulzu je zvolena tak, aby šířka frekvenčního pásma byla o jeden nebo dva řády větší než šířka spektra. Výkon dosahuje několik tisíc wattů .
V důsledku pulzní spektroskopie se nezíská běžné spektrum s viditelnými rezonančními píky, ale obraz tlumených rezonančních oscilací, ve kterých se mísí všechny signály ze všech rezonančních jader – tzv. „ volný indukční rozpad “ (FID, free indukční rozpad ). K transformaci tohoto spektra se používají matematické metody, tzv. Fourierova transformace , podle které lze libovolnou funkci reprezentovat jako součet množiny harmonických kmitů .
NMR spektraPro kvalitativní analýzu pomocí NMR se používá spektrální analýza založená na těchto pozoruhodných vlastnostech této metody:
Poloha signálu v NMR spektrech je charakterizována jejich chemickým posunem vzhledem k referenčnímu signálu. Jako poslední v1H a13C NMR se používá tetramethylsilan Si(CH3 ) 4 ( TMS) . Jednotkou chemického posunu jsou části na milion (ppm) frekvence přístroje. Pokud vezmeme signál TMS jako 0, a posun signálu do slabého pole budeme považovat za pozitivní chemický posun, pak získáme tzv. stupnici δ. Pokud se rezonance tetramethylsilanu rovná 10 ppm a přehoďte znaménka, pak výsledné měřítko bude měřítko τ, které se v současnosti prakticky nepoužívá. Pokud je spektrum látky příliš složité na interpretaci, lze použít kvantově chemické metody pro výpočet screeningových konstant a korelovat signály na jejich základě.
Fenomén nukleární magnetické rezonance lze využít nejen ve fyzice a chemii , ale také v medicíně : lidské tělo je kombinací všech stejných organických a anorganických molekul.
K pozorování tohoto jevu je objekt umístěn do konstantního magnetického pole a vystaven vysokofrekvenčnímu a gradientnímu magnetickému poli. V induktoru obklopujícím zkoumaný objekt vzniká střídavá elektromotorická síla (EMF) , jejíž amplitudově-frekvenční spektrum a přechodové charakteristiky v čase nesou informaci o prostorové hustotě rezonujících atomových jader, jakož i o dalších parametrech specifických pouze pro nukleární magnetická rezonance. Počítačové zpracování těchto informací generuje trojrozměrný obraz, který charakterizuje hustotu chemicky ekvivalentních jader, relaxační časy nukleární magnetické rezonance , distribuci rychlostí průtoku tekutin, difúzi molekul a biochemické procesy metabolismu v živých tkáních.
Podstatou NMR introskopie (neboli zobrazování magnetickou rezonancí ) je implementace speciálního druhu kvantitativní analýzy amplitudy signálu nukleární magnetické rezonance. V konvenční NMR spektroskopii je cílem realizovat nejlepší možné rozlišení spektrálních čar. K tomu jsou magnetické systémy nastaveny tak, aby vytvořily co nejlepší rovnoměrnost pole ve vzorku. U metod NMR introskopie je naopak magnetické pole vytvářeno záměrně nehomogenní. Pak je důvod očekávat, že frekvence nukleární magnetické rezonance v každém bodě vzorku má svou vlastní hodnotu, která se liší od hodnot v jiných částech. Nastavením nějakého kódu pro gradace amplitudy NMR signálu (jas nebo barva na obrazovce monitoru) můžete získat podmíněný obraz ( tomogram ) řezů vnitřní struktury objektu.
Spory o autorství vynálezuPodle řady zdrojů byly NMR introskopie a NMR tomografie poprvé na světě vynalezeny v roce 1960 V. A. Ivanovem [5] [6] . Přihláška vynálezu (způsobu a zařízení) byla zamítnuta nekompetentním odborníkem „... pro zjevnou marnost navrhovaného řešení“, proto k tomu bylo autorské osvědčení vydáno až po více než 10 letech. Oficiálně se tedy uznává, že autorem NMR zobrazování není níže uvedený tým laureátů Nobelovy ceny, ale ruský vědec. Navzdory této právní skutečnosti nebyla Nobelova cena za MRI tomografii udělena v žádném případě V. A. Ivanovovi.
Nobelovu cenu za fyziku za rok 1952 získali Felix Bloch a Edward Mills Purcell "Za vývoj nových metod pro přesná nukleární magnetická měření a související objevy."
Nobelovu cenu za chemii v roce 1991 získal Richard Ernst „za příspěvek k rozvoji metodologie nukleární magnetické rezonanční spektroskopie s vysokým rozlišením“.
Nobelovu cenu za chemii za rok 2002 (1/2 dílu) získal Kurt Wüthrich „za vývoj aplikace NMR spektroskopie ke stanovení trojrozměrné struktury biologických makromolekul v roztoku“.
Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu za rok 2003 získali Paul Lauterbur , Peter Mansfield „za vynález metody zobrazování magnetickou rezonancí “.