http: //www. cis. rit. edu/htbooks/nmr/ Ядерный магнитный

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 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 Массовое Число Ядерный номер (число нейтронов спин Пример протонов) четный четное I=0 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! 1 H 11 B 29 Si прибора 2 D 17 O Сигнал Магнитное поле, Тл

Гораздо более интересно, что Спектры ЯМР обладают тонкой структурой Эта структура 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 Часть поля, экранированная электронами Эффективное поле на протонах

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 - измеряется 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 протон H 0 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), Протон СН 3 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 ЯМР Условия резонанса n = 10 10 Гц n = 8 ∙ 108 Гц l = 3 см l = 40 см Относительная заселенность уровней 10 -3 10 -6 Времена релаксации - - - Т » 10 8 ¸ 10 5 с Т » 10 1 ¸ 10 с

Применение в медико- биологических исследованиях 1. Исследование структуры белков с помощью 1 Н- ЯМР высокого разрешения и Фурье- преобразований. 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. Обладает большей чувствительностью, чем 1 Н-ЯМР. 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: N- ацетиласпартат 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 ЯМР- томография)

МРТ

МРТ = ЯМР + томография • Регистрируют ЯМР-сигналы водорода, в основном воды, малых водородсодержащих молекул и подвижных водородсодержащих молекул (липидов). • Важное значение имеют времена релаксации (спин- решеточной 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.