Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и его медико- биолгические применения.

Ядерным магнитным резонансом (ЯМР) называют избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.

ЯМР наблюдается при выполнении условия (для свободных атомных ядер):

hn = g_я m_я В,

где g_я - ядерный множитель Ланде, m_я - ядерный магнетон Бора.

ЯМР представляет собой весьма чувствительный метод; в ходе измерений образец не разрушается, а необходимые его количества очень малы. С помощью ЯМР исследуют самые разные процессы и определяют самые разные величины, например:

- кинетику роста кристаллов в растворах или, напротив, кинетику их растворения;

- процессы полимеризации, например, синтетических смол;

- процессы гидратации и дегидратации, определение содержания воды в различных веществах при данных условиях;

- определение содержания свободных радикалов (кинетика горения, анализ выхлопных газов);

- исследование вязкости смазочных материалов.

Этот метод применяется при контроле за пищевыми продуктами (определение содержания воды в продуктах, отношения содержания твердых ингредиентов к жидким в жирах и маргаринах, содержания ненасыщенных компонентов в жирах, установление причин порчи продуктов и поиски новых консервантов).

С его помощью исследуют структурированность внутриклеточной воды (в раковых клетках она меньше, чем в нормальных), пытаясь создать на этой основе эффективные методы диагностики определенных заболеваний. ЯМР применяют для определения содержания масла в зернах масличных культур (анализ, не разрушающий образцы), что позволяет отбирать лучшие зерна и увеличивает рентабельность производства масла. Этот метод находит применение при стереохимических исследованиях, помогая установить механизм некоторых реакций.

ЭПР и ЯМР.

При помещении атома в магнитное поле каждый его энергетический уровень расщепляется на (2I + 1) подуровней.

Расщепление энергетических уровней приводит и к расщеплению спектральных линий атомов, помещенных в магнитное поле. Это явление называют эффектом Зеемана.

У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Но такие переходы могут осуществляться индуцированно под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой кванта, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом наблюдается поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом.

В зависимости от типа частиц - носителей магнитного момента - различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР). ЭПР был открыт в 1944 году Е.К.Забойским. Он имеет место в вещества, содержащих парамагнитные части-

цы: молекулы, атомы, ионы, радикалы, обладающие магнитным моментом, обусловленным электронами. Возникающее при этом явление Зеемана объясняют расщеплением электронных уровней.

ЯМР был открыт в 1946 году Блохом и Парселом. Так как величина магнитного момента ядер приблизительно в тысячу раз меньше моментов электронных оболочек, то и частоты, отвечающие ядерному резонансу, будут в тысячу раз меньше по сравнению с частотами ЭПР.

_Б × Н

При помощи ЯМР можно изучать строение молекул, их конформацию, распределение электронной плотности, слабые межмолекулярные взаимодействия (комплексообразование, сольватация, водородные связи),заторможенное внутреннее вращение, таутомерное равновесие, а иногда и кинетику реакций. Обычно снимают спектры жидкостей или растворов, иногда газов.

Спектрометр ЯМР (ЭПР). В зазор между полюсами электромагнита, создающего однородное постоянное поле высокой напряженности, помещают ампулу с образцом. Ампула окружена катушкой, в которую пропущен переменный ток для создания радиочастотного электромагнитного поля. Далее теоретически безразлично, будем ли мы плавно изменять частоту этого электромагнитного поля n, оставляя постоянной напряженность магнитного поля H_o, либо, напротив, изменять H_o при постоянной n. Имеются приборы, основанные на обоих принципах. Если изменяют Ho, то при некотором значении Ho происходит поглощение энергии образцом, причем сила тока в катушке падает.

Это изменение усиливается и передается на самописец или осциллограф.

А- ампула с образцом

М – магнит Г – генератор

У – усилитель

О – осциллограф С - самописец

Применения ЭПР - обнаружение и исследование свободных радикалов (например, концентрацию их в воздушной среде), для изучения фотохимических процессов (фотосинтеза), для изучения биологических молекул методом спин-меток и др.

ЯМР - томография.

Картину пространственного расположения отдельных видов молекул в организме получают методом ЯМР-томографии (интроскопии). В его основе лежит создание с помощью последовательно приложенных градиентов магнитного поля по различным направлениям такого распределения магнитного поля, чтобы в данный момент различным элементам объема в пределах изучаемого сечения соответствовали слои, определенные для их местоположения частоты резонанса. Изменение градиентов во времени и обработка результатов изменений с помощью ЭВМ позволяют получить пространственную картину распределения молекул, содержащих, например, атомы водорода или фосфора (при наблюдениях магнитного резонанса от протонов или ядер фосфора) в пределах изучаемого сечения.

Достоинством метода ЯМР-томографии является его высокая чувствительность в изображении мягких тканей, а также высокая разрешающая способность, вплоть до долей миллиметра. В отличие от рентгеновской томографии ЯМР-томография позволяет получить изображение исследуемого объекта в любом сечении.

На этой основе могут быть реконструированы объемные изображения отдельных органов.