Электронный осциллограф 13 страница

ЭПР широко используют для изучения фотохимических про­цессов, в частности фотосинтеза. Исследуют канцерогенную ак­тивность некоторых веществ.

С санитарно-гигиенической целью метод ЭПР используют для определения концентрации радикалов в воздушной среде.

Сравнительно недавно специально для изучения биологических молекул был предложен метод спин-меток, сущность которого со­стоит в том, что с молекулой исследуемого объекта связывается парамагнитное соединение с хорошо известной структурой. По спектрам ЭПР находят положение такой спин-метки в молекуле. Вводя метки в различные части молекул, можно установить распо­ложение различных групп атомов, их взаимодействия, изучать природу и ориентацию химических связей и обнаруживать моле­кулярное движение. Присоединение к молекуле не одной, а не­скольких спин-меток, например двух, позволяет получить сведе­ния о расстояниях меченых групп и их взаимной ориентации.

Используются также и спиновые зонды — парамагнитные час­тицы, которые нековалентно связаны с молекулами. Изменение ЭПР-спектра спиновых зондов дает информацию о состоянии ок­ружающих его молекул. На рис. 25.7 показаны ЭПР-спектры нитроксильного радикала, который в качестве спинового зонда помещен в глицерин. С увеличением температуры уменьшается вязкость глицерина, и это изменяет вид спектра ЭПР. Таким об­разом, по форме спектра ЭПР можно определить микровязкость — вязкость ближайшего окружения спинового зонда. Так, в част­ности, удается определить микровязкость липидного слоя мемб­ран (см. § 11.2).

В целом исследования биологических объектов методом ЭПР имеют широкую область применений.

§ 25.3. Ядерный магнитный резонанс. ЯМР-интроскопия (магнито-резонансная томография)

Ядерный магнитный резонанс не относится к разделу физики атомов и молекул, однако рассматривается в одной главе с ЭПР как явление магнитного резонанса.

Магнитный момент ядер суммируется из магнитных моментов нуклонов. Обычно этот момент выражают в ядерных магнетонах (m_я); m_я = 5,05 • 10^-27А • м². Магнитный момент протона прибли­женно равен р_mp = 2,79m_я, а нейтрона р_тп = -1,91m_я. Знак «-» оз­начает, что магнитный момент нейтрона ориентирован противо­положно спину.

Приведем магнитные моменты р_тя некоторых ядер, выражен­ные в ядерных магнетонах.

Таблица 32

Магнитный момент ядра, помещенного в магнитное поле, мо­жет принимать лишь дискретную ориентацию. Это означает, что энергии ядра будут соответствовать подуровни, расстояние между которыми зависит от индукции магнитного поля.

Если в этих условиях на ядро воздействовать электромагнит­ным полем, то можно вызвать переходы между подуровнями. Чтобы осуществить эти переходы, а также поглощение энергии электромагнитного поля, необходимо выполнение условия, ана­логичного (25.9):

где g_я — ядерный множитель Ланде.

Избирательное поглощение электромагнитных волн опре­деленной частоты веществом в постоянном магнитном по­ле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер, называют ядерным магнитным резонансом.

ЯМР можно наблюдать при выполнении условия (25.10) лишь для свободных атомных ядер. Экспериментальные значения резо­нансных частот ядер, находящихся в атомах и молекулах, не со­ответствуют (25.10). При этом происходит «химический сдвиг», который возникает в результате влияния локального (местного) магнитного поля, создаваемого внутри атома электронными тока­ми i индуцированными внешним магнитным полем. В результате такого «диамагнитного эффекта» возникает дополнительное маг­нитное поле, индукция которого пропорциональна индукции внешнего магнитного поля, но противоположна ему по направле­нию. Поэтому полное эффективное магнитное поле, действующее на ядро, характеризуется индукцией

где s — постоянная экранирования, по порядку величины равная 10^-6 и зависящая от электронного окружения ядер.

Отсюда следует, что для данного типа ядер, находящихся в различных окружениях (разные молекулы или разные, не экви­валентные места одной и той же молекулы), резонанс наблюдает­ся при различных частотах. Это и определяет химический сдвиг. Он зависит от природы химической связи, электронного строения молекул, концентрации данного вещества, типа растворителя, температуры и т. д.

Если два или несколько ядер в молекуле экранированы по-раз­ному, т. е. ядра в молекуле занимают химически не эквивалентные положения, то они имеют различный химический сдвиг. Спектр ЯМР такой молекулы содержит столько резонансных ли­ний, сколько химически не эквивалентных групп ядер данного типа в ней имеется. Интенсивность каждой линии пропорци­ональна числу ядер в данной группе.

В спектрах ЯМР различают два типа линий по их ширине. Спектры твердых тел имеют большую ширину, и эту об­ласть применения ЯМР называют ЯМР широких линий. В жидкостях наблюда­ют узкие линии, и это называют ЯМР высокого разрешения.

На рис. 25.8 изображены кривые ядер­ного магнитного резонанса для твердых тел (а) и жидкостей (б). Острота пика в жидкостях обусловлена следующим. Каж­дое ядро взаимодействует со своими сосе­дями. Так как ориентация ядерных маг­нитных моментов, окружающих ядро дан­ного типа, изменяется от точки к точке в веществе, то полное магнитное поле, действующее на различные однотипные ядра, также изменяется. Это означает, что для всей совокупности ядер область резонанса долж­на представлять собой широкую линию. Однако из-за быстрых пе­ремещений молекул в жидкости локальные магнитные поля не­долговечны. Это приводит к тому, что ядра жидкости находятся под воздействием одного и того же среднего поля, поэтому линия резонанса является резкой.

Для химических соединений, в которых наблюдается ЯМР ядер, занимающих химически эквивалентные места в молекуле, наблюдается одиночная линия. Соединения более сложного стро­ения дают спектры из многих линий.

По химическому сдвигу, числу и положению спектральных линий можно установить структуру молекул.

Химики и биохимики широко используют метод ЯМР для ис­следования структуры от простейших молекул неорганических веществ до сложнейших молекул живых объектов, а также при решении многих задач, связанных с протеканием химических ре­акций, изучением структур исходных веществ и получающихся в результате реакций продуктов. Одним из преимуществ этого ана­лиза является то, что он не разрушает объектов исследования, как это происходит, например, при химическом анализе.

Очень интересные возможности для медицины может дать опре­деление параметров спектра ЯМР во многих точках образца. Посте­пенно, послойно проходя весь образец (сканируя), можно получить полное представление о пространственном распределении молекул, содержащих, например, атомы водорода или фосфора (при магнит­ном резонансе от протонов или ядер фосфора соответственно).

Все это осуществляется без разрушения образца, и поэтому можно проводить исследование на живых объектах. Такой метод называют ЯМР-интроскопией (об интроскопии см. § 19.8) или магнито-резонансной томографией (МРТ).Он позволяет разли­чать кости, сосуды, нормальные ткани и ткани со злокачествен­ной патологией. ЯМР-интроскопия позволяет различать изобра­жение мягких тканей, например, отличает изображение серого вещества мозга от белого, опухолевых клеток от здоровых, при этом минимальные размеры патологических «включений» могут составлять доли миллиметра. Можно ожидать, что ЯМР-интрос­копия станет эффективным методом диагностики заболеваний, которые связаны с изменением состояний органов и тканей.

Частота электромагнитных волн, вызывающих переходы меж­ду энергетическими состояниями при ЭПР и ЯМР, соответствует радиодиапазону. Поэтому оба этих явления относятся к радио­спектроскопии.

РАЗДЕЛ 8

Ионизирующие излучения. Основы дозиметрии

Ионизирующим излучением называют потоки частиц и электромагнитных квантов, взаимодей­ствие которых со средой приводит к ионизации ее атомов и моле­кул. Ионизирующим излучением являются рентгеновское и g-излучения, потоки a-частиц, электронов, позитронов, протонов, нейт­ронов.

В разделе описываются как источники ионизирующего излу­чения (рентгеновские трубки, радионуклиды¹, ускорители), так и физические вопросы применения этого излучения для медицин­ских целей.

Медикам и биологам несомненно интересны и такие вопросы, как взаимодействие ионизирующего излучения с веществом и элементы дозиметрии ионизирующего излучения.

¹ Нуклиды — атомы, ядра которых отличаются по своему составу, т. е. содержат различные количества протонов или нейтронов либо и тех и других частиц. В ряде случаев этот термин относят к общему названию атомных ядер. Радионуклиды — нуклиды, способные к радиоактивному распаду.

ГЛАВА 26