http www cis rit edu htbooks nmr Ядерный магнитный резонанс

http: //www. cis. rit. edu/htbooks/nmr/ Ядерный магнитный резонанс Е. В. Проскурнина, ФФМ МГУ, 2005

Теория метода

Идея метода ЯМР (1945, Нобелевская премия 1952) Ядра атомов, помещенные в магнитное поле, поглощают электромагнитное излучение радиочастотного диапазона Аналогична идее ЭПР: Неспаренные электроны, помещенные в магнитное поле, поглощают электромагнитное излучение радиочастотного диапазона

Эффект Зеемана В отсутствие внешнего магнитного поля все механические и магнитные спиновые моменты протона H ориентированы случайным образом В присутствии внешнего магнитного поля они могут быть ориентированы только в две стороны: вдоль поля и против него.

Расщепление энергетических уровней в магнитном поле (эффект Зеемана) E E 0 H H Расщепление поля дает возможность ядерных переходов между уровнями

Условие резонанса Ядерный магнетон почти в 2000 раз меньше магнетона Бора!

Ядра должны иметь магнитный момент! Определение I Порядковый номер (число протонов) Массовое число Число нейтронов Ядерный спин четный четное I=0 Пример 12 C 16 O четный нечетное I = 1 /2 13 С нечетный нечетное I = 1 /2 1 H 31 P нечетный четное нечетное I=1 14 N 2 D

Спектры ЯМР

Принцип получения спектра • При фиксированной частоте меняют магнитное поле, • Регистрируют зависимость поглощения от величины поля, • Спектр, в отличие от ЭПР, интегральный.

Спектр поглощения воды в ампуле из боросиликатного стекла (спектр низкого разрешения) Качественный и количественый анализ! Сигнал прибора 1 H 11 B 29 Si 2 D Магнитное поле, Тл 17 O

Гораздо более интересно, что Спектры ЯМР обладают тонкой Эта структурой зависит от окружения ядер Этот эффект виден в спектрометрах высокого разрешения

Параметры спектра ЯМР • 1. Химический сдвиг (ось Х, анализ структуры молекулы), • 2. Интенсивность линий пропорциональна числу ядер (ось Y, количественный анализ), • 3. Сверхтонкое расщепление сигнала (анализ структуры молекулы) • 4. Ширина линии. Как и в ЭПР определяется временем релаксации ядер, которое в свою очередь зависит от взаимосвязей ядер и электронов.

Экранирование магнитного поля • Экранирование постоянного магнитного поля происходит за счет шунтирования магнитного потока магнитными материалами с высокой магнитной проницаемостью, например железом. дерево Al Fe

Откуда берется несколько линий водорода? CH 3 CH 2 Cl 2 разных по своим электронным оболочкам типа атомов Н Электроны по-разному экранируют ядра протонов, уменьшая эффективное магнитное поле на ядрах

В результате двум видам протонов соответствуют в спектре две линии

Математически сдвиг поля описывается константой экранирования σ Исходное поле Эффективное поле на протонах Часть поля, экранированная электронами

По оси абсцисс в спектре ЯМР откладывают константу экранирования, умноженную на миллион – химический сдвиг δ Умножение на 106 проводят для удобства, поскольку величина константы экранирования составляет миллионные доли от приложенного поля. Химический сдвиг - безразмерная величина - определяется в миллионных долях

Где «ноль» в спектре ЯМР? Теоретически химический сдвиг, равный нулю, имеет изолированный протон (нет экранирования электронами). Практически такой сигнал получить нельзя. Выбрали вещество, химический сдвиг которого принят равным нулю – тетраметилсилан. Сигнал ТМС – это «ноль» в спектрах ЯМР.

Тонкая структура (спин-спиновое взаимодействие)

Определяется взаимодействиями соседних ядер • Рассчитать соотношение компонент для спектра ЯМР метильной группы в дихлорэтане. CH 3 CHCl 2

Решение H 0 протон Соседний протон группы CHCl 2 имеет собственный магнитный момент который ориентирован во внешнем магнитном поле (Ho) в двух направлениях (вдоль и против поля)

Будучи маленьким магнитом, этот протон создает свое поле (+Hp или –Hp) и меняет величину приложенного поля Н 0 Теперь на протоны СН 3 действует поле (H 0 + Hp) и (H 0 - Hp), H 0 + Hp H 0 - Hp

В результате, сигнал ЯМР группы СН 3 будет состоять из двух полос

Два соседних протона Магнитное поле вокруг метильной группы теперь может иметь следующие значения: H 0 + Hp = H 0 + 2 Hp H 0 + Hp - Hp = H 0 - Hp + Hp = H 0 - 2 Hp

Ориентация протонов Нeff Интенсивность Н 0+2 НР 1 Н 0 2 Н 0 -2 НР 1

Спин-спиновое расщепление линий Сигнал метильных протонов (CH 3) расщеплен на 3 пика (1: 2: 1), т. к. В соседней метиленовой группе есть 2 эквивалентных протона. Сигнал метиленовых протонов (CH 2) расщеплен на 4 пика (1: 3: 3: 1), т. к. В соседней метильной группе есть 3 эквивалентных протона.

Сравнение ЭПР и ЯМР ЭПР Условия резонанса Относительная заселенность уровней n = 10 10 Гц l = 3 см 10 -3 ЯМР n = 8 ∙ 108 Гц l = 40 см 10 -6 Времена релаксации Т » 10 8 ¸ 10 5 с Т » 10 1 ¸ 10 с

Применение в медикобиологических исследованиях 1. Исследование структуры белков с помощью 1 НЯМР высокого разрешения и Фурьепреобразований. 2. Изучение свойств свободной и связанной воды помощью импульсного 1 Н-ЯМР. 3. 13 С-ЯМР спектроскопия применяется для изучения белков, нуклеиновых кислот и других биологически важных соединений. 4. 31 Р-ЯМР спектроскопия применяется для исследования структуры и функций фосфолипидов.

ПМР-спектр белого вещества мозга Тот же спектр без подавления сигнала воды N-ацетиласпартат (NAА), глютамат и амид альфа-аминоглутаровой кислоты (Glx), креатин и фосфорокреатин (Cr), холин (Cho), и мио-инозитол (ml).

N-ацетиласпартат Предполагается, что в больших опухолях развивается недостаточность ферментной системы, участвующей в ацетилировании аспартата. При менингиоме в протонных спектрах выявлено значительное снижение уровня N-ацетиласпартата. Оптимистично оцениваются возможности протонной МРС в дифференциальной диагностике доброкачественных и злокачественных опухолей головного мозга: Nацетиласпартат не обнаруживается в клетках злокачественных опухолей. Однако в доброкачественных содержится в количествах, сравнимых с содержанием в нормальных тканях.

Креатинфосфат – макроэргическое соединение наряду с АТФ, Интенсивность обновления богатых энергией фосфорных соединений в головном мозге очень велика. Поэтому содержание АТФ и креатинфосфата в мозговой ткани характеризуется значительным постоянством. На обмене макроэргов сильно сказываются возбуждение и наркоз. В состоянии наркоза наблюдается угнетение дыхания; содержание аденозинтрифосфата (АТФ) и креатинфосфата повышено, а уровень неорганического фосфата снижен. Следовательно, сокращается потребление мозгом соединений богатых энергией. При раздражении интенсивность дыхания усиливается в 2 - 4 раза; уровень АТФ и креатинфосфата снижается, а количество неорганического фосфата увеличивается.

Этот сигнал наиболее вероятно представляет общее количество запаса холина в мозге, включая ацетилхолин нейромедиатора, фосфохолин и, возможно, мембранный фосфатидил-холин.

Сигнал инозитола на ЯМР спектрограмме относится к фосфотидилинозитам. Уменьшение интенсивности этого пика следует, по-видимому, ожидать при заболеваниях нервной системы, связанных с недостатком фосфора. Сравнивая содержания фосфолипидов в опухолях мозга и в нормальном мозге, многие исследователи показали, что опухоли содержат от 1/3 до 1/2 нормальной концентрации фосфолипидов. Отмечено возрастание концентрации фосфоромиоинозитола с возрастом обследованных здоровых добровольцев.

Молочная кислота (лактат) является конечным продуктом анаэробного гликолиза. Мозговая ткань способна к довольно интенсивному анаэробному гликолизу. Накопление молочной кислоты наблюдается при гипоксии и ишемии. При возобновлении запасов кислорода молочная кислота окисляется в пировиноградную кислоту. Опухолевые ткани отличаются очень высокой интенсивностью гликолиза даже в аэробных условиях. Следовательно, содержание лактата в опухолях должно быть повышено. В этом смысле ЯМР может стать очень чувствительным методом определения внутриклеточного уровня р. Н, знание которого так необходимо для терапии опухолей.

13 С-ЯМР спектр ликвора Молочная кислота Глюкоза

Магнито-резонансная томография (ранее ЯМРтомография)

МРТ

МРТ = ЯМР + томография • Регистрируют ЯМР-сигналы водорода, в основном воды, малых водородсодержащих молекул и подвижных водородсодержащих молекул (липидов). • Важное значение имеют времена релаксации (спинрешеточной и спин-спиновой). Они обеспечивают основные виды контраста. • Времена релаксации зависят от окружения молекул.

Назначение томографии – получение послойного изображения внутренней структуры объекта исследования и реконструкция объема • Главный принцип: получать четкие изображения в тонком слое. • Создают градиент магнитного поля. • При облучении радиочастотами условия резонанса создаются только в тонком слое

МРТ – лучевая диагностика • Преимущества по сравнению с рентгеновской (компьютерной) томографией: • 1. Используют радиоволны, к которым не применяют понятие лучевой нагрузки, повышается безопасность исследования. 2. Много регистрируемых параметров, обширная информация. 3. Большая разрешающая способность – можно увидеть объекты размером в доли миллиметра. 4. Позволяет получать изображения поперечных и продольных слоев. • • Недостатки: 1. Необходимость создания магнитного поля большой напряженности, что требует огромных энергозатрат и средств. 2. Низкая чувствительность метода ЯМР-томографии, что требует увеличения времени просвечивания. Это приводит к появлению искажений картинки от дыхательных движений (что особенно снижает эффективность исследования легких, исследовании сердца). 3. Невозможность надежного выявления камней, кальцификатов, некоторых видов патологии костных структур. 4. Невозможность обследования некоторых больных, например с клаустрофобией, искусственными водителями ритма, крупными металлическими имплантатами.