Метод ядерного магнитного резонанса

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Ядерный магнитный резонанс находит широкое применение как в науке в качестве мощного метода анализа структуры органических веществ (в том числе, биомолекул), так и в медицине для обнаружения различных патологий. А что это такое, как работает, как развивается этот метод? Читайте в этой статье.

Метод ядерного магнитного резонанса

Эта работа опубликована в номинации «Биофизика» конкурса «Био/Мол/Текст»-2021/2022.

Метод ядерного магнитного резонанса

Партнер номинации — компания «БиоЛайн».

Метод ядерного магнитного резонанса

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

Метод ядерного магнитного резонанса

Генеральный партнер конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Метод ядерного магнитного резонанса

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Как же иногда хочется чудес! Взмахнуть волшебной палочкой — и все свершится, появятся все необходимые данные, и все закономерности станут ясны — как устроен наш мир, почему он так устроен и что будет дальше? Сейчас известно уже немало методов анализа структуры соединений, хотя еще буквально век назад заглянуть внутрь вещества казалось задачей непосильной. Одними из тех, кто разрешил ее, стали Эдвард Миллс Персел и Феликс Блох — физики, получившие Нобелевскую премию за открытие явления ЯМР. Сейчас это явление имеет большое значение для решения различных задач химии и биологии. Конечно, существуют и другие методы, которые также помогают ученым в этих областях — например, рентгеноструктурный анализ, позволяющий говорить о структуре наиболее детально. Есть и метод криоэлектронной микроскопии, в последние годы дополнивший арсенал методов структурной биологии. Однако эти методы приведены здесь лишь для ознакомления, так как каждый из них заслуживает отдельной статьи. Вернемся к основной теме.

Что же такое ЯМР? Это явление, вызванное взаимодействием магнитного поля ядра какого-либо атома (однако не всякое ядро способно к взаимодействию) с внешним магнитным полем [5]. Способность или неспособность воспринимать воздействие магнитного поля зависит от четности или нечетности составляющих ядро частиц. Именно это характеризует спин, т.

е. собственный магнитный момент ядра, который может быть целым или полуцелым. Именно для ядер с полуцелым значением спина воздействие поля ощутимо. Спин можно сравнить с уровнем общительности — кто-то готов и открыт к новым контактам, как ядра, имеющие полуцелый спин; а кто-то инертен и предпочитает оставаться один, как ядра со спином целым.

Перейдем к описанию непосредственно процесса — например, вы общаетесь, взаимодействуете с людьми, и их эмоции оказывают влияние на ваше собственное душевное состояние. Как же приятно находиться в гармонии с чьими-либо чувствами, быть с кем-то «на одной волне».

Для ядерного магнитного резонанса это выражение стоит понимать в самом прямом смысле: ядро подстраивается под внешнее поле, поглощает электромагнитную энергию, которую приносят радиоволны. В момент, когда поглощение энергии, то есть «взаимопонимание» между ядром и внешним полем достигает максимума, наступает момент резкого возрастания «настроения» — амплитуды.

Мгновение этого «искреннего счастья» — резонанса — мы и можем увидеть в виде пика на спектре (рис. 1).

Метод ядерного магнитного резонанса

Рисунок 1. Пик в ЯМР-спектре 1H, снятый на спектрометре Bruker, где ppm — химический сдвиг.

Не все ядра согласны на подобное вмешательство в личную жизнь — повторюсь, эффект ЯМР можно наблюдать лишь для тех, чье спиновое квантовое число отлично от нуля, то есть число протонов и нейтронов в составе не является четным.

Например, привычный для нас водород 1Н (протий) активно используется для регистрации ЯМР-спектров, тогда как его ближайший родственник — дейтерий 2H (2D), — напротив, используется в том случае, когда видеть сигнал нам не нужно.

Сигнал сам по себе является количественным изображением частоты поглощения ядра во время резонанса.

Однако в молекулах так много ядер одинакового состава, как же мы можем анализировать их сигналы? Сможем ли мы их различить? Да, поскольку резонансная частота зависит не только от состава ядра. Посмотрев на человека, мы с высокой точностью можем сказать что-то о его окружении: «скажи мне, кто твой друг, и я скажу, кто ты». Аналогично и в ЯМР.

Химики исследуют, конечно, не одинокие ядра, а вещества, т.е. группы ядер с различным наполнением их электронной оболочки.

У каждой такой группы, например, карбоксильной (СООН) или гидроксильной (ОН) есть характерная область положения пика, поскольку окружение углерода влияет на его сдвиг, да и сами ядра кислорода и водорода при снятии соответствующего спектра по ним дадут свои пики. Также существует зависимость формы и количества линий сигнала от ближайших соседей ядра.

Большую роль это играет для обработки спектров 1Н — если протон не имеет других соседей-протонов на ближайших атомах, следовательно, это синглет, и линия будет одна; если он имеет одного соседа — дублет, два соседа — соответственно, триплет (рис. 2).

Почему так происходит? В резонансе ядро чувствует вмешательство других, и его сигнал становится как бы расщепленным, потому что он и его сосед могли бы дать даже один сигнал, но достигают расщепления из-за своей неодинаковости. Немаловажна и площадь под пиком — как размер дома увеличивается с ростом числа квартир в нем, так в спектре площадь под графиком прямо пропорциональна количеству ядер, которые внесли вклад в его создание.

Метод ядерного магнитного резонанса

Рисунок 2. Сигналы в спектре 1Н с различным количеством линий. Классический спектр частот от 8,0 до 7,5 ppm, снятый на аппарате Bruker.

О каком графике вообще идет речь? По оси ординат откладывают интенсивность сигнала, т.е. интенсивность частоты поглощения, по оси абсцисс — химический сдвиг. Химическим сдвигом называется отношение резонансной частоты к рабочей частоте прибора; измеряется он в миллионных долях (parts per million, ppm).

Для каждой функциональный группы, класса соединений есть характерная область химического сдвига — так же, как и для каждой группы людей можно выделить характерные черты, как, например, для школьников, родителей или студентов. У каждой из групп в коллективе будут свои порядки, правила и предпочтения.

Именно эта величина позволяет нам с высокой точностью сказать, какое именно ядро было подвергнуто воздействию магнитного поля.

Но откуда вообще мы берем ядра? Безусловно, неинтересно, да и попросту невозможно взять одно-единственное ядро и поместить его в прибор. Куда интереснее анализировать группы ядер, разбираться в запутанных взаимоотношениях целого коллектива.

Например, изучать таким способом строение различных сложных органических веществ с множеством функциональных групп, циклов, кратных связей. Для этого пользуются спектрами 13С и 1Н. И если с протоном все понятно, то 13С — это изотоп, то есть ядро с таким же количеством протонов, но другим числом нейтронов.

Иногда для анализа молекулы в нее специально вводят метку изотопа. Сейчас мы можем получать не только простые наборы пиков.

Например, подбирая время и интенсивность излучения, мы можем снять спектр 13С, где линии атомов, связанных с одним и тремя атомами водорода, направлены в одну сторону (по положительному направлению оси), а связанных с двумя атомами водорода или не связанных вовсе — в другую (по отрицательному направлению оси) (рис. 3).

Метод ядерного магнитного резонанса

Рисунок 3. Спектр 13С, где линии сигналов CH-групп направлены вверх, а сигналы четвертичных атомов углерода — вниз.

Такая сортировка обоснована тем, что протонированные углероды имеют пики, направленные в положительную область, а депротонированные — в отрицательную (либо наоборот, это зависит от настроек программы, где открыт спектр, в данном случае это программа от компании Mestrelab Research). Спектр снят на аппарате Bruker.

Можно поставить эксперимент при различных температурах — как человек в накаленной обстановке мыслит более порывисто, эмоционально, так и ядра при высоких температурах дают более расплывчатые пики.

При охлаждении веществ чувствительность прибора растет, и можно получить более детализованные спектры (рис. 4).

Сам по себе спектрометр для точности охлаждается жидким азотом либо жидким гелием, который заполняет колбу вокруг области снятия спектра.

Метод ядерного магнитного резонанса

Рисунок 4. Спектры 13С при разных температурах (снизу вверх: 238, 258, 278, 298 К), которые позволяют сделать вывод о изменении хим. сдвига при разных температурах. Спектр снят на приборе Bruker.

Более того, возможно создавать комбинации спектров: например, 1Н—1Н или 13С—13С, когда мы откладываем по оси х один из спектров, а по оси у — другой, получая таким образом пересечения, по которым можем судить о связи атомов.

Более того 1Н—13С — последний вариант сочетания — имеет два основных вида: HMQC — HETeronuclear MultyQuantum Correlation (рис. 5) для оценки взаимодействия ближайших атомов и HMBC — HETeronuclear Multiple Bond Correlation для изучения взаимного влияния на дальних расстояниях.

То есть в HMQC мы рассматриваем близкие, или, условно, родственные взаимоотношения атомов, самый близкий их круг общения, а в HMBC — дружеские или приятельские, то есть более дальние связи.

Метод ядерного магнитного резонанса

Рисунок 5. Спектр HMQС 1Н—13С, который показывает нам близкие связи между атомами углерода и водорода. Каждый пик дает нам сведение о том, какая пара углерод—водород у нас имеется. Спектр снят на приборе Bruker.

Расплывчатые «пятнышки» на пересечении одномерных сигналов, т.е. случай наложения двух привычных нам спектров — точка на выше показанном спектре — называются кросс-пиками.

Это пики, образованные слиянием двух спектров: если одномерный спектр — это зависимость интенсивности сигнала от химического сдвига, то двумерный спектр показывает зависимость интенсивности от двух частот, каждая из которых является базовой для изначально взятого графика. Как перекрестки на дорогах двух одномерных пиков, они показывают, судьбы каких ядер пересекаются.

С их помощью мы можем сопоставить, с каким из атомов углерода связан тот или иной атом водорода — для этого достаточно посмотреть на координаты кросс-пика, т.е. точки пересечения на выше показанном спектре: каждая из них будет являться химическим сдвигом одного из связанных ядер.

Но и это не предел — существуют виды спектроскопии, основанные на изучении сочетания химического сдвига с каким-либо другим параметром, характерным для химического соединения. Например, спектр DOSY — Diffusion Ordered SpectroscopY, диффузионно упорядоченная спектроскопия, где по одной из осей откладываются химические сдвиги, а по второй, обычно вертикальной, коэффициент самодиффузии (рис.

Читайте также:  Самые распространенные способы наложения хирургических швов

 6). Он характеризует скорость самодиффузии — частного случая диффузии в чистом веществе или растворе постоянного состава, при котором диффундируют собственные частицы вещества. И если в нашей анализируемой пробе есть смесь двух молекул разной полярности и размера, то мы увидим два спектра, соответствующие коэффициентам самодиффузии разных молекул.

Рисунок 6. DOSY спектр 1Н для одной молекулы, на котором мы видим, что молекула не имеет изомеров и примесей, поскольку видим только один набор пиков. Фон является градиентным, поскольку так нагляднее демонстрируется коэффициент диффузии. Спектр снят на приборе Bruker.

Таким образом, ЯМР позволяет нам детально изучить тайны химических структур. О коллективе ядер можно узнать очень многое — от численности до взаимоотношений.

Не только установить порядок связей в структуре, но и рассмотреть взаимное влияние друг на друга, оценить зарядовую структуру молекулы.

Кто слишком «негативен» и положительного заряда ему недостает, а кто настолько позитивен, что явно принял один, а может быть и несколько протонов.

Кто общителен и находится в плотном зарядовом окружении, а кто предпочитает быть один и испытывать меньшее влияние зарядов остального общества. В какой точке структуры с большей вероятностью будут происходить изменения при смене pH — и какими эти изменения будут. Например, при протонировании структуры гемииндигоидов (рис. 7) при различных рН протонируется либо кислород, либо азот, либо углерод!

Рисунок 7. Строение типичного гемииндигоида и пути его протонирования.

Дополнительно в начале было упомянуто о том, что ЯМР позволяет обнаружить различные патологии. Осветим и эту тему — исследователь может брать в качестве образца не только вещество, но и какую-либо биологическую жидкость, например, кровь или слезы. Тогда спектр, конечно, будет иметь гораздо больше пиков, но и расшифровка принесет немалое удовольствие.

В частности, есть статья, посвященная поиску биомаркеров сердечно-сосудистых заболеваний и абсолютных биомаркеров ишемической болезни сердца [6]. Исследования были проведены на аппарате Bruker AVANCE 600 III; для образцов были использованы не только пробы биологических жидкостей человека, но и пробы, взятые у сусликов и крыс.

В результате было получено, что абсолютного маркера для сердечно-сосудистых заболеваний нет, и причина этого заключается в гомеостазе и коммуникационной функции крови.

Даже при наличии патологий показатели различных жидкостей всегда будут скорректированы внутренними механизмами организма до нормы, что заставляет предполагать несостоятельность метода ЯМР для подобной диагностики, однако не отрицая возможность использования его в смежных исследованиях.

Не чудо ли это? ЯМР — настоящая волшебная палочка для множества химиков и биологов, с помощью которой можно колдовством науки получить практически любую информацию о веществе.

Ядерный магнитный резонанс. Области применения ЯМР :

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) представляет собой ядерную спектроскопию, которая находит широкое применение во всех физических науках и промышленности. В ЯМР для зондирования собственных спиновых свойств атомных ядер используется большой магнит.

Подобно любой спектроскопии, для создания перехода между энергетическими уровнями (резонанса) в ней применяется электромагнитное излучение (радиочастотные волны в диапазоне УКВ). В химии ЯМР помогает определить структуру малых молекул.

Ядерно-магнитный резонанс в медицине нашел применение в магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Открытие

ЯМР был обнаружен в 1946 году учеными Гарвардского университета Перселем, Фунтом и Торри, а также Блохом, Хансеном и Паккардом из Стэнфорда.

Они заметили, что ядра 1H и 31P (протон и фосфор-31) способны поглощать радиочастотную энергию при воздействии на них магнитного поля, сила которого специфична для каждого атома. При поглощении они начинали резонировать, каждый элемент на своей частоте.

Это наблюдение позволило провести детальный анализ строения молекулы. С тех пор ЯМР нашел применение в кинетических и структурных исследованиях твердых тел, жидкостей и газов, в результате чего было присуждено 6 Нобелевских премий.

Метод ядерного магнитного резонанса

Спин и магнитные свойства

Ядро состоит из элементарных частиц, называемых нейтронами и протонами. Они обладают собственным моментом импульса, называемым спином. Подобно электронам, спин ядра можно описать квантовыми числами I и в магнитном поле m.

Атомные ядра с четным числом протонов и нейтронов имеют нулевой спин, а все остальные – ненулевой.

Кроме того, молекулы с ненулевым спином обладают магнитным моментом μ = γ I, где γ – гиромагнитное отношение, константа пропорциональности между магнитным дипольным моментом и угловым, разным у каждого атома.

Магнитный момент ядра заставляет его ​​вести себя как крошечный магнит. В отсутствие внешнего магнитного поля каждый магнит ориентирован случайным образом.

Во время проведения эксперимента ЯМР образец помещается во внешнее магнитное поле В0, что заставляет стержневые магниты с низкой энергией выравниваться в направлении B0, а с высокой – в противоположном. При этом происходит изменение ориентации спина магнитов.

Чтобы понять эту довольно абстрактную концепцию, следует рассмотреть энергетические уровни ядра во время эксперимента ЯМР.

Энергетические уровни

Для переворота спина необходимо целое число квантов. Для любого m существует 2m + 1 энергетических уровней.

Для ядра со спином 1/2 их только 2 – низкий, занимаемый спинами, выровненными с B0, и высокий, занятый спинами, направленными против В0.

Каждый энергетический уровень определяется выражением Е= -mℏγВ0, где m – магнитное квантовое число, в этом случае +/- 1/2. Энергетические уровни для m > 1/2, известные как квадрупольные ядра, более сложны.

  • Разность энергий уровней равна: ΔE = ℏγВ0, где ℏ – постоянная Планка.
  • Как видно, сила магнитного поля имеет большое значение, поскольку при ее отсутствии уровни вырождаются.

Метод ядерного магнитного резонанса

Энергопереходы

Для возникновения ядерного магнитного резонанса должен произойти переворот спина между уровнями энергии. Разность энергий двух состояний соответствует энергии электромагнитного излучения, которая заставляет ядра изменять свои энергетические уровни.

Для большинства ЯМР-спектрометров В0 имеет порядок 1 Тесла (Т), а γ – 107. Следовательно, требуемое электромагнитное излучение имеет порядок 107 Гц. Энергия фотона представлена ​​формулой Е= hν. Поэтому частота, необходимая для поглощения, равна: ν= γВ0/2π.

Ядерное экранирование

Физика ЯМР основана на концепции ядерного экранирования, которое позволяет определять структуру вещества. Каждый атом окружен электронами, вращающимися вокруг ядра и действующими на его магнитное поле, что в свою очередь вызывает небольшие изменения энергетических уровней. Это и называется экранированием.

Ядра, которые испытывают различные магнитные поля, связанные с локальными электронными взаимодействиями, называют неэквивалентными. Изменение энергетических уровней для переворота спина требует другой частоты, что создает новый пик в спектре ЯМР.

Экранирование позволяет осуществлять структурное определение молекул путем анализа сигнала ЯМР с помощью преобразования Фурье. Результатом является спектр, состоящий из набора пиков, каждый из которых соответствует отдельной химической среде. Площадь пика прямо пропорциональна числу ядер.

Подробная информация о структуре извлекается путем ЯМР-взаимодействий, по-разному изменяющих спектр.

Метод ядерного магнитного резонанса

Релаксация

Релаксация относится к явлению возврата ядер в их термодинамически стабильные после возбуждения до более высоких энергетических уровней состояния.

При этом высвобождается энергия, поглощенная при переходе с более низкого уровня к более высокому. Это довольно сложный процесс, проходящий в разных временных рамках.

Двумя наиболее распространенными типами релаксации являются спин-решеточная и спин-спиновая.

Чтобы понять релаксацию, необходимо рассмотреть весь образец. Если ядра поместить во внешнее магнитное поле, они создадут объемную намагниченность вдоль оси Z. Их спины также когерентны и позволяют обнаружить сигнал. ЯМР сдвигает объемную намагниченность от оси Z в плоскость XY, где она и проявляется.

Спин-решеточная релаксация характеризуется временем T1, необходимым для восстановления 37 % объемной намагниченности вдоль оси Z. Чем эффективнее процесс релаксации, тем меньше T1. В твердых телах, поскольку движение между молекулами ограничено, время релаксации велико. Измерения обычно проводятся импульсными методами.

Спин-спиновая релаксация характеризуется временем потери взаимной когерентности T2. Оно может быть меньшим или равным T1.

Метод ядерного магнитного резонанса

Ядерный магнитный резонанс и его применение

Две основные области, в которых ЯМР оказался чрезвычайно важным, — это медицина и химия, однако каждый день разрабатываются новые сферы его применения.

Ядерная магнитно-резонансная томография, более известная как магнитно-резонансная (МРТ), является важным медицинским диагностическим инструментом, используемым для изучения функций и структуры человеческого тела.

Она позволяет получить подробные изображения любого органа, особенно мягких тканей, во всех возможных плоскостях. Используется в областях сердечно-сосудистой, неврологической, костно-мышечной и онкологической визуализации.

В отличие от альтернативной компьютерной, магнитно-резонансная томография не использует ионизирующее излучение, следовательно совершенно безопасна.

МРТ позволяет выявить незначительные изменения, происходящие со временем.

ЯМР-интроскопию можно использовать для выявления структурных аномалий, возникающих в ходе болезни, а также того, как они влияют на последующее развитие и как их прогрессирование коррелирует с психическими и эмоциональными аспектами расстройства. Поскольку МРТ плохо визуализирует кость, получаются превосходные изображения внутричерепного и внутрипозвоночного содержимого.

Читайте также:  Что такое вегетососудистая дистония?

Метод ядерного магнитного резонанса

Принципы использования ядерно-магнитного резонанса в диагностике

Во время процедуры МРТ пациент лежит внутри массивного полого цилиндрического магнита и подвергается воздействию мощного устойчивого магнитного поля. Разные атомы в сканируемой части тела резонируют на разных частотах поля.

МРТ используется прежде всего для обнаружения колебаний атомов водорода, которые содержат вращающееся протонное ядро, обладающее небольшим магнитным полем. При МРТ фоновое магнитное поле выстраивает в линию все атомы водорода в ткани.

Второе магнитное поле, ориентация которого отличается от фонового, включается и выключается много раз в секунду. На определенной частоте атомы резонируют и выстраиваются в линию со вторым полем. Когда оно выключается, атомы возвращаются обратно, выравниваясь с фоном.

При этом возникает сигнал, который можно принять и преобразовать в изображение.

Ткани с большим количеством водорода, который присутствует в организме человека в составе воды, создает яркое изображение, а с малым его содержанием или отсутствием (например, кости) выглядят темными. Яркость МРТ усиливается благодаря контрастному веществу, такому как гадодиамид, который пациенты принимают перед процедурой.

Хотя эти агенты могут улучшить качество изображений, по своей чувствительности процедура остается относительно ограниченной. Разрабатываются методы повышения чувствительности МРТ.

Наиболее перспективным является использование параводорода — формы водорода с уникальными свойствами молекулярного спина, который очень чувствителен к магнитным полям.

Метод ядерного магнитного резонанса

Улучшение характеристик магнитных полей, используемых в МРТ, привело к разработке высокочувствительных методов визуализации, таких как диффузионная и функциональная МРТ, которые предназначены для отображения очень специфических свойств тканей.

Кроме того, уникальная форма МРТ-технологии, называемая магнитно-резонансной ангиографией, используется для получения изображения движения крови. Она позволяет визуализировать артерии и вены без необходимости в иглах, катетерах или контрастных агентах.

Как и в случае с МРТ, эти методы помогли революционизировать биомедицинские исследования и диагностику.

Передовые компьютерные технологии позволили радиологам из цифровых сечений, полученных сканерами МРТ, создавать трехмерные голограммы, служащие для определения точной локализации повреждений.

Томография особенно ценна при обследовании головного и спинного мозга, а также органов таза, таких как мочевой пузырь, и губчатой кости.

Метод позволяет быстро и ясно точно определить степень поражения опухолью и оценить потенциальный ущерб от инсульта, позволяя врачам своевременно назначать надлежащее лечение.

МРТ в значительной степени вытеснила артрографию, необходимость вводить контрастное вещество в сустав для визуализации хряща или повреждение связок, а также миелографию, инъекцию контрастного вещества в позвоночный канал для визуализации нарушений спинного мозга или межпозвонкового диска.

Метод ядерного магнитного резонанса

Применение в химии

Во многих лабораториях сегодня ядерный магнитный резонанс используется для определения структур важных химических и биологических соединений.

В спектрах ЯМР различные пики дают информацию о конкретном химическом окружении и связях между атомами.

Наиболее распространенными изотопами, используемыми для обнаружения сигналов магнитного резонанса, являются 1H и 13C, но подходит и множество других, таких как 2H, 3He, 15N, 19F и т. д.

Современная ЯМР-спектроскопия нашла широкое применение в биомолекулярных системах и играет важную роль в структурной биологии.

С развитием методологии и инструментов ЯМР стал одним из самых мощных и универсальных спектроскопических методов анализа биомакромолекул, который позволяет характеризовать их и их комплексы размерами до 100 кДа. Совместно с рентгеновской кристаллографией это одна из двух ведущих технологий определения их структуры на атомном уровне.

Кроме того, ЯМР предоставляет уникальную и важную информацию о функциях белка, которая играет решающую роль в разработке лекарственных препаратов. Некоторые из применений ЯМР-спектроскопии приведены ниже.

  • Это единственный метод определения атомной структуры биомакромолекул в водных растворах в близких к физиологическим условиях или имитирующих мембрану средах.
  • Молекулярная динамика. Это наиболее мощный метод количественного определения динамических свойств биомакромолекул.
  • Сворачивание белка. ЯМР-спектроскопия является наиболее мощным инструментом для определения остаточных структур развернутых белков и посредников сворачивания.
  • Состояние ионизации. Метод эффективен при определении химических свойств функциональных групп в биомакромолекулах, таких как ионизационные состояния ионизируемых групп активных участков ферментов.
  • Ядерный магнитный резонанс позволяет изучить слабые функциональные взаимодействия между макробиомолекулами (например, с константами диссоциации в микромолярном и миллимолярном диапазонах), что невозможно сделать с помощью других методов.
  • Гидратация белков. ЯМР является инструментом для обнаружения внутренней воды и ее взаимодействия с биомакромолекулами.
  • Это уникальный метод прямого обнаружения взаимодействия водородных связей.
  • Скрининг и разработка лекарств. В частности, метод ядерного магнитного резонанса особенно полезен при идентификации препаратов и определении конформаций соединений, связанных с ферментами, рецепторами и другими белками.
  • Нативный мембранный белок. Твердотельный ЯМР обладает потенциалом определения атомных структур доменов мембранных белков в среде нативной мембраны, в том числе со связанными лигандами.
  • Метаболический анализ.
  • Химический анализ. Химическая идентификация и конформационный анализ синтетических и природных химических веществ.
  • Материаловедение. Мощный инструмент в исследовании химии и физики полимеров.

Другие применения

Ядерный магнитный резонанс и его применение не ограничены медициной и химией. Метод оказался очень полезным и в других областях, таких как климатические испытания, нефтяная промышленность, управление процессами, ЯМР поля Земли и магнитометры.

Неразрушающий контроль позволяет сэкономить на дорогих биологических образцах, которые могут быть использованы повторно, если необходимо провести больше испытаний. Ядерно-магнитный резонанс в геологии используется для измерения пористости пород и проницаемости подземных жидкостей.

Магнитометры применяются для измерения различных магнитных полей.

ядерный-магнитный-резонанс [Сайт патологического холостяка]

Изображение мозга человека на медицинском ЯМР-томографе

Я́дерный магни́тный резона́нс (ЯМР) — резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.

Явление ядерного магнитного резонанса было открыто в 1938 году Исидором Раби в молекулярных пучках, за что он был удостоен Нобелевской премии 1944 года1). В 1946 году Феликс Блох и Эдвард Миллз Парселл получили ядерный магнитный резонанс в жидкостях и твёрдых телах (Нобелевская премия 1952 года)2)3).

Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР.

Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества.

В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения.

Физика ЯМР

Расщепление энергетических уровней ядра с I = 1/2 в магнитном поле

В основе явления ядерного магнитного резонанса лежат магнитные свойства атомных ядер, состоящих из нуклонов с полуцелым спином 1/2, 3/2, 5/2…. Ядра с чётными массовым и зарядовым числами (чётно-чётные ядра) не обладают магнитным моментом.

Ядра обладают угловым моментом , связанным с магнитным моментом соотношением

где  — постоянная Планка,  — спиновое квантовое число,  — гиромагнитное отношение.

Угловой момент и магнитный момент ядра квантованы, и собственные значения проекции и углового и магнитного моментов на ось z произвольно выбранной системы координат определяются соотношением

и ,

где  — магнитное квантовое число собственного состояния ядра, его значения определяются спиновым квантовым числом ядра

,

то есть ядро может находиться в состояниях.

Так, у протона (или другого ядра с I = 1/2 — 13C, 19F, 31P и т. п.) может находиться только в двух состояниях

,

такое ядро можно представить как магнитный диполь, z-компонента которого может быть ориентирована параллельно либо антипараллельно положительному направлению оси z произвольной системы координат.

Следует отметить, что в отсутствие внешнего магнитного поля все состояния с различными имеют одинаковую энергию, то есть являются вырожденными.

Вырождение снимается во внешнем магнитном поле, при этом расщепление относительно вырожденного состояния пропорционально величине внешнего магнитного поля и магнитного момента состояния и для ядра со спиновым квантовым числом I во внешнем магнитном поле появляется система из 2I+1 энергетических уровней , то есть ядерный магнитный резонанс имеет ту же природу, что и эффект Зеемана расщепления электронных уровней в магнитном поле.

В простейшем случае для ядра со спином с I = 1/2 — например, для протона, расщепление

и разность энергии спиновых состояний

Читайте также:  Натальные и неонатальные зубы у новорожденных

Наблюдение ЯМР облегчается тем, что в большинстве веществ атомы не обладают постоянными магнитными моментами электронов атомных оболочек вследствие явления замораживания орбитального момента.

Резонансные частоты ЯМР в металлах выше, чем в диамагнетиках (найтовский сдвиг).

Химическая поляризация ядер

При протекании некоторых химических реакций в магнитном поле в спектрах ЯМР продуктов реакции обнаруживается либо аномально большое поглощение, либо радиоизлучение.

Этот факт свидетельствует о неравновесном заселении ядерных зеемановских уровней в молекулах продуктов реакции. Избыточная заселённость нижнего уровня сопровождается аномальным поглощением.

Инверсная заселённость (верхний уровень заселён больше нижнего) приводит к радиоизлучению. Данное явление называется химической поляризацией ядер.

Ларморовские частоты некоторых атомных ядер

ядро

Ларморовская частота в МГц при 0,5 Тесла

Ларморовская частота в МГц при 1 Тесла

Ларморовская частота в МГц при 7,05 Тесла

1H (Водород) 21,29 42,58 300.18
²D (Дейтерий) 3,27 6,53 46,08
13C (Углерод) 5,36 10,71 75,51
23Na (Натрий) 5,63 11,26 79.40
39K (Калий) 1,00 1,99

Частота для резонанса протонов находится в диапазоне коротких волн (длина волн около 7 м)4).

Применение ЯМР

Спектроскопия

Приборы

Сердцем спектрометра ЯМР является мощный магнит. В эксперименте, впервые осуществленном на практике Парселлом, образец, помещенный в стеклянную ампулу диаметром около 5 мм, заключается между полюсами сильного электромагнита.

Затем, для улучшения однородности магнитного поля, ампула начинает вращаться, а магнитное поле, действующее на неё, постепенно усиливают. В качестве источника излучения используется радиочастотный генератор высокой добротности.

Под действием усиливающегося магнитного поля начинают резонировать ядра, на которые настроен спектрометр. При этом экранированные ядра резонируют на частоте, чуть меньшей, чем ядра, лишенные электронных оболочек.

Поглощение энергии фиксируется радиочастотным мостом и затем записывается самописцем. Частоту увеличивают до тех пор, пока она не достигнет некого предела, выше которого резонанс невозможен.

Так как идущие от моста токи весьма малы, снятием одного спектра не ограничиваются, а делают несколько десятков проходов. Все полученные сигналы суммируются на итоговом графике, качество которого зависит от отношения сигнал/шум прибора.

В данном методе образец подвергается радиочастотному облучению неизменной частоты, в то время как сила магнитного поля изменяется, поэтому его ещё называют методом непрерывного облучения (CW, continous wave).

Традиционный метод ЯМР-спектроскопии имеет множество недостатков. Во-первых, он требует большого количества времени для построения каждого спектра. Во-вторых, он очень требователен к отсутствию внешних помех, и как правило, получаемые спектры имеют значительные шумы.

В-третьих, он непригоден для создания спектрометров высоких частот (300, 400, 500 и более МГц). Поэтому в современных приборах ЯМР используется метод так называемой импульсной спектроскопии (PW), основанной на фурье-преобразованиях полученного сигнала.

В настоящее время все ЯМР-спектрометры строятся на основе мощных сверхпроводящих магнитов с постоянной величиной магнитного поля.

В отличие от CW-метода, в импульсном варианте возбуждение ядер осуществляют не «постоянной волной», а с помощью короткого импульса, продолжительностью несколько микросекунд. Амплитуды частотных компонент импульса уменьшаются с увеличением расстояния от ν0.

Но так как желательно, чтобы все ядра облучались одинаково, необходимо использовать «жесткие импульсы», то есть короткие импульсы большой мощности. Продолжительность импульса выбирают так, чтобы ширина частотной полосы была больше ширины спектра на один-два порядка.

Мощность достигает нескольких тысяч ватт.

В результате импульсной спектроскопии получают не обычный спектр с видимыми пиками резонанса, а изображение затухающих резонансных колебаний, в котором смешаны все сигналы от всех резонирующих ядер — так называемый «спад свободной индукции» (FID, free induction decay). Для преобразования данного спектра используют математические методы, так называемое фурье-преобразование, по которому любая функция может быть представлена в виде суммы множества гармонических колебаний.

Спектры ЯМР

Спектр 1H 4-этоксибензальдегида. В слабом поле (синглет ~9,25 м д.) сигнал протона альдегидной группы, в сильном (триплет ~1,85-2 м д.) — протонов метила этоксильной группы.

Для качественного анализа c помощью ЯМР используют анализ спектров, основанный на таких замечательных свойствах данного метода:

  • сигналы ядер атомов, входящих в определенные функциональные группы, лежат в строго определенных участках спектра;
  • интегральная площадь, ограниченная пиком, строго пропорциональна количеству резонирующих атомов;
  • ядра, лежащие через 1—4 связи, способны давать мультиплетные сигналы в результате т. н. расщепления друг на друге.

Положение сигнала в спектрах ЯМР характеризуют химическим сдвигом их относительно эталонного сигнала. В качестве последнего в ЯМР 1Н и 13С применяют тетраметилсилан Si(CH3)4 (ТМС). Единицей химического сдвига является миллионная доля (м.д.) частоты прибора.

Если принять сигнал ТМС за 0, а смещение сигнала в слабое поле считать положительным химическим сдвигом, то мы получим так называемую шкалу δ. Если резонанс тетраметилсилана приравнять 10 м.д. и обратить знаки на противоположные, то результирующая шкала будет шкалой τ, практически не используемой в настоящее время.

Если спектр вещества слишком сложен для интерпретирования, можно воспользоваться квантовохимическими методами расчёта констант экранирования и на их основании соотнести сигналы.

ЯМР-интроскопия

Явление ядерного магнитного резонанса можно применять не только в физике и химии, но и 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.

Компьютерная обработка этой информации формирует объёмное 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.

Сущность ЯМР-интроскопии (или магнитно-резонансной томографии) состоит, по сути дела, в реализации особого рода количественного анализа по амплитуде сигнала ядерного магнитного резонанса.

В обычной ЯМР-спектроскопии стремятся реализовать, по возможности, наилучшее разрешение спектральных линий. Для этого магнитные системы регулируются таким образом, чтобы в пределах образца создать как можно лучшую однородность поля.

В методах ЯМР-интроскопии, напротив, магнитное поле создается заведомо неоднородным. Тогда есть основание ожидать, что частота ядерного магнитного резонанса в каждой точке образца имеет своё собственное значение, отличающееся от значений в других частях.

Задав какой-либо код для градаций амплитуды ЯМР-сигналов (яркость или цвет на экране монитора), можно получить условное изображение (томограмму) срезов внутренней структуры объекта.

Нобелевские премии

Нобелевская премия по физике за 1952 г. была присуждена Феликсу Блоху и Эдварду Миллс Парселлу «За развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия».

Нобелевская премия по химии за 1991 г. была присуждена Рихарду Эрнсту «За вклад в развитие методологии ядерной магнитной резонансной спектроскопии высокого разрешения».

Нобелевская премия по химии за 2002 г. (1/2 часть) была присуждена Курту Вютриху «За разработку применения ЯМР-спектроскопии для определения трёхмерной структуры биологических макромолекул в растворе».

Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2003 г. была присуждена Полу Лотербуру, Питеру Мэнсфилду «За изобретение метода магнитно-резонансной томографии».

Литература

  1. Абрагам А. Ядерный магнетизм. — М.: Издательство иностр. лит., 1963.

  2. Сликтер Ч. Основы теории магнитного резонанса. — М.: Мир, 1981.

  3. Эрнст Р., Боденхаузен Дж., Вокаун А. ЯМР в одном и двух измерениях: Пер. с англ. под ред. К. М. Салихова, М.: Мир, 1990.

  4. Гюнтер Х. Введение в курс спектроскопии ЯМР: Пер. с англ. — М.: Мир, 1984. — 478 с.

  5. Дероум А. Современные методы ЯМР для химических исследований.

  6. Калабин. Природная спектроскопия ЯМР природного органического сырья.

  7. Чижик В. И. Квантовая радиофизика. Магнитный резонанс и его приложения. — С-Петерб. ун-та, 2004 (2009), — 700с.

  8. Аминова Р. М. Квантовохимические методы вычисления констант ядерного магнитного экранирования — в журн. Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. 2002. № 6. С. 11.

  9. Габуда С. П., Плетнев Р. Н.,Федотов М. А. Ядерный магнитный резонанс в неорганической химии. — М: Наука, 1988. — 214 с.

  10. Габуда С. П., Ржавин А. Ф. Ядерный магнитный резонанс в кристаллогидратах и гидратированных белках. — Из-во: Наука. Новосибирск. 1978. —160с.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector