NMR a „bábuk”, vagy tíz alapvető tényeket mágneses magrezonancia - Troitsky Variant -
Először is, meg kell jegyezni, hogy bár a cím Erre a jelenségre a „nukleáris” a nukleáris fizika NMR semmi köze, és semmi köze a radioaktivitás. Ha beszélünk a szigorú előírás, hogy nem a kvantummechanika törvényei nem lehet csinálni. Szerint ezek a törvények, az energia közötti kölcsönhatás mágneses mag és a külső mágneses mező feltételezi, hogy csak néhány diszkrét értékek. Ha a mágneses mag besugárzására egy váltakozó mágneses mezőt, amelynek frekvenciája megegyezik a különbség a diszkrét energiaszinteket kifejezve gyakorisága egységekben, a mágneses magok elkezdenek mozogni az egyik szintről a másikra, ily módon elnyelheti az energia a váltakozó teret. Ez a jelenség a mágneses rezonancia. Ez a magyarázat technikailag korrekt, de nem nagyon intuitív. Van egy másik magyarázat nélkül, a kvantummechanika. A mágneses mag is képviselteti magát egy elektromosan töltött labda, forgó tengelye körül (bár szigorúan véve nem). Törvényei szerint az elektrodinamika, a díj forgatás ad okot, hogy a mágneses mező, azaz a a nukleáris mágneses nyomaték, amely arra irányul, a forgási tengely mentén. Ha a mágneses momentum, hogy egy állandó külső térben, a vektor ezen a ponton kezd előrehalad, azaz körbeforgathassák külső tér irányába. Hasonlóképpen elôbb (forog) a függőleges tengely körül whirligig ha nem szétcsavar függőlegesen, hanem egy bizonyos szögben. Ebben az esetben a szerepre, amelyet a mágneses térerősség a gravitáció.
A precessziós frekvencia határozza meg a tulajdonságait a mag és a mágneses térerősség az erősebb a területen, annál nagyobb a frekvencia. Aztán, ha a mellett egy állandó mágneses tér a mag hatással lesz a váltakozó mágneses tér, a mag elkezd kölcsönhatásba ezen a területen - ez erősebb, mint hinták mag precesszió amplitúdó növekszik, és a mag elnyeli az energiát, a váltakozó teret. Azonban ez csak akkor történik meg, amikor a rezonancia feltétel, azaz koincidenciafrekvencia és a precessziós frekvenciája külső váltakozó teret. Úgy néz ki, mint egy klasszikus példája az iskola fizika - menetelő katonák a hídon. Ha a pályán frekvencia egybeesik a természetes rezgési frekvencia a híd, a híd rázzuk erősebb és erősebb. Ez a jelenség nyilvánul meg a felszívódását a váltakozó mező frekvenciáját. Abban az időben a rezonancia abszorpció meredeken emelkedik, és a legegyszerűbb spektrum ez így néz ki:
Először NMR spektrométer pontosan úgy működik, mint a fent leírt, a mintát helyeztünk egy állandó mágneses mező, és azt szállított folyamatosan rádiófrekvenciás sugárzás. Ezután változtatható simán vagy AC erőtér frekvenciájának, vagy intenzitását az állandó mágneses mezőre. váltakozó mező energiaelnyelő rögzített RF hidat, a jelet, amelynek a kimenete egy felvevő vagy oszcilloszkóppal. De ez a módja a felvétel a jel már nem áll fenn. A modern NMR-spektrométerekkel rögzített spektrum impulzusok alkalmazásával. A mágneses pillanatok izgatott sejtmagok rövid, erőteljes impulzus, ami után a felvett jel által indukált a rádiófrekvenciás tekerccsel szabadon precesszáló mágneses pillanatok. Ez a jel fokozatosan nullára csökken, ha a mágneses pillanatok visszatér az egyensúlyi állapot (a folyamat néven ismert mágneses relaxáció). NMR-spektruma ettől a jelet Fourier-transzformáció. Ez egy szabványos matematikai eljárás, amely lehetővé teszi, hogy feküdt ki semmilyen jele frekvenciájú harmonikusok, és így kapjuk a frekvenciaspektrum a jel. Ez a spektrum rögzítési eljárás lehetővé teszi, hogy jelentősen csökkenti a zajszintet, és olyan kísérleteket végezni sokkal gyorsabb.
Egy izgalmas impulzus a felvétel a spektrum - ez a legegyszerűbb NMR kísérletben. Azonban az ilyen impulzusok különböző időtartamú, amplitúdók eltérő késleltetések közöttük, stb A kísérletben lehet sok, attól függően, hogy mit kell manipulálni a kutató, hogy végezzen a rendszer a nukleáris mágneses pillanatok. Mindazonáltal szinte az összes ilyen pulzusszekvenciák végén ugyanaz - a felvétel a szabad precesszió jelet, majd Fourier transzformáció.
3. Mágneses kölcsönhatás kérdése
Önmagában a mágneses rezonancia maradna más, mint egy fizikai jelenség mókás, ha nem a mágneses kölcsönhatás a magok egymással és az elektronikus shell a molekula. Ezek a kölcsönhatások befolyásolják a rezonancia paraméterek és használja őket, hogy NMR kaphatunk különböző információkat molekuláris tulajdonságok - az orientáció, térszerkezet (konformáció), intermolekuláris kölcsönhatások, kémiai csere, rotációs és transzlációs dinamikáját. Emiatt NMR vált egy nagyon hatékony eszköz anyagok kutatási molekuláris szinten, amely széles körben használják nem csak a fizika, de főleg a kémiában és a molekuláris biológia. Példaként egy ilyen kölcsönhatás eredményezhet egy úgynevezett kémiai eltolódás. Ennek lényege a következő: az elektron héj a molekula reagál a külső mágneses mező, és megpróbálja megvédeni őt - részleges szűrés a mágneses tér jön létre minden diamágneses anyagokat. Ez azt jelenti, hogy a mágneses mező a molekulában más lesz a külső mágneses mező egy nagyon kis mennyiségű, amely az úgynevezett kémiai eltolódás. Azonban, a tulajdonságait az elektron héj különböző részein a molekula különböző, és a kémiai eltolódást is más. Ennek megfelelően, a rezonancia feltétel a magok különböző részein a molekula is más. Ez lehetővé teszi, hogy megkülönböztesse a spektrum kémiailag nem ekvivalens magok. Például, ha vesszük a tartományban a hidrogén atommag (protonok) tiszta víz, akkor nem lesz csak egy sort, mivel a két proton a molekulában a H2 O teljesen azonosak. De CH 3OH a spektrum lesz két sor metil-alkohol (ha figyelmen kívül hagyjuk a másik mágneses kölcsönhatások), mivel a kétféle proton - proton a metil csoport CH3 proton kötött oxigénatom. Ahogy a komplexitás a molekulák növeli a sorok számát, és ha veszünk egy ilyen nagy és összetett molekula, mint a fehérje, ebben az esetben a spektrum fog kinézni:
NMR figyelhető meg különböző magvak, de meg kell mondani, hogy nem minden atommag mágneses momentummal. Gyakran előfordul, hogy egyes izotóp mágneses momentuma, a másik izotópjai ugyanazon mag - nem. Összesen több mint száz különböző izotópjainak kémiai elemek a mágneses mag, de a vizsgálatok általánosan használt nem több, mint 1520 a mágneses magok, minden mást -ekzotika. Minden egyes mag saját jellemző értéket a mágneses mező és az előrehaladásának frekvenciájára, úgynevezett giromágneses aránya. Minden magok ezek a kapcsolatok nem ismertek. Rájuk kiválaszthatja a frekvenciát, amelynél egy adott mágneses mező, lesz egy jel a megfelelő kutató magok.
5. Electron rezonancia és kvadrupol
Apropó NMR, lehetetlen nem beszélve a másik két kapcsolódó fizikai jelenségek - elektron paramágneses rezonancia (EPR) és nukleáris kvadrupol rezonancia (OKJ). EPR alapvetően hasonló az NMR, a különbség abban a tényben rejlik, hogy a rezonancia figyelhető meg a mágneses pillanatok nem atommagok és az elektron héj egy atom. EPR figyelhető csak azok a molekulák, vagy olyan kémiai csoportok, elektron héj, amely egy úgynevezett párosítatlan elektront, mivel a héj nem nulla mágneses pillanatban. Ezek az anyagok az úgynevezett paramágneses. EPR például NMR, is alkalmazható vizsgálatok különböző szerkezeti és dinamikus tulajdonságai anyagok molekuláris szinten, de az alkalmazási terület lényegében. Ez főként annak a ténynek, hogy a legtöbb molekulák, különösen a természetben, nem tartalmaz párosítatlan elektront. Egyes esetekben, akkor az úgynevezett paramágneses próba, vagyis kémiai csoport egy párosítatlan elektront, amely kötődik a molekula vizsgált. De ez a megközelítés nyilvánvaló hátrányai, amelyek korlátozzák a lehetséges ezt a módszert. Ezen túlmenően, az EPR olyan nagy spektrális felbontású (azaz lehetséges, hogy megkülönböztessük az egyik vonalat a másiktól spektrum), az NMR-spektrum.
Magyarázza meg a „ujj” természet OKJ legnehezebb. Néhány atommag egy úgynevezett elektromos kvadrupol pillanatban. Ez a pont jelenti a szórása elosztó elektromos töltés a nucleus gömbszimmetrikus. A kölcsönhatás ezúttal a gradiens az elektromos mező által létrehozott kristályos anyag szerkezetének vezet felosztása az energia szintjét a sejtmagban. Ebben az esetben is megfigyelhető rezonancia frekvenciával megfelelő átmenetek között ezek a szintek. Ellentétben az NMR és EPR, nincs szükség egy külső mágneses mező az NQR például szint hasító történik nélküle. NQR is használják a tanulmány anyagok, de alkalmazási köre még mindig keskenyebb, mint az ESR.
6. Előnyök és hátrányok NMR
NMR - a legerősebb és informatív módszer molekuláris kutatás. Szigorúan véve ez nem egy módszer, amely a nagy számú különböző típusú kísérletek, azaz impulzus szekvenciák. Bár ezek mind alapuló jelenség NMR, de minden ilyen kísérletet úgy tervezték, hogy egy adott konkrét információk. Ezek a kísérletek mért több tíz, ha nem több száz. NMR elméletileg ha nem az összes, szinte mindent tud az összes többi kísérleti módszerek tanulmányozására szerkezetét és dinamikáját molekulák, bár a gyakorlatban meg lehet csinálni, persze, nem mindig. Az egyik fő előnye az NMR az, hogy egyrészt, a természetes próbák, azaz mágneses magok szét az egész molekula, és másrészt, hogy lehetővé teszi, hogy különbséget ezek a magok egymástól és fogadni térben szelektív tulajdonságait molekulák adatok. Szinte minden más módszer a tájékoztatás, illetve átlaga a teljes molekulához, vagy éppen bármelyik részét.
NMR fő hátránya két. Először is, ez az alacsony érzékenység, mint a legtöbb más kísérleti módszereket (optikai spektroszkópiai, fluoreszcencia, EPR, stb). Ez vezet az a tény, hogy átlagosan a zajt kell felhalmozni sokáig. Egyes esetekben, az NMR kísérletet végezhetjük még egy pár hétig. Másodszor, a magas költségek. NMR spektrométer - az egyik legdrágább tudományos eszközök, értéküket mérik legalább százezer dollárt, és a legdrágább spektrométerek több millió. Nem minden laboratórium, különösen Magyarországon, engedheti meg magának, hogy ilyen tudományos berendezések.
A szupravezető mágnes keretében
7. Mágnesek NMR spektrométer,
Az egyik legfontosabb és drága alkatrészek a spektrométer - mágnesként generál statikus mágneses mező. Minél erősebb a területen, annál nagyobb érzékenység és spektrális felbontású, így a tudósok és mérnökök folyamatosan próbálják minél magas területen lehetséges. A mágneses mező által generált elektromos áram a tekercsben - minél erősebb a jelenlegi, annál nagyobb a területen. Ugyanakkor végtelenül növeli az áram erőssége nem lehet, nagyon nagy áram szolenoid vezeték elkezd olvadni. Ezért sokáig a nagy területen NMR spektrométer használni szupravezető mágnesek, azaz mágnesek, amelyben a mágnesszelep vezeték a szupravezető állapotban. Ebben az esetben az elektromos ellenállás a drót nulla, és az energia kibocsátás nem fordulhat elő az áramerősséget. A szupravezető állapotban lehet beszerezni csak nagyon alacsony hőmérsékleten, a csak néhány Kelvin fok, - az a hőmérséklet a folyékony hélium. (Magas hőmérsékletű szupravezetés - még mindig a sok tisztán alapkutatási.) Ez a fenntartása alacsony hőmérsékleten, és csatlakozik a technikai kihívások tervezése és gyártása mágnesek, ami okozhatja a magas költség. A szupravezető mágnes épül elve termosz fészkelő babák. A mágnesszelep található a központban, a vákuumkamrában. Ezt veszi körül egy shell tartalmazó folyékony hélium. Ez shell keresztül a vákuum réteg körül van véve egy shell folyékony nitrogén. folyékony nitrogén hőmérsékletén - mínusz 196 Celsius fok, nitrogénre van szükség, hogy elpárologjon a hélium a lehető leglassabban. Végül, salétromsav köpeny szigetelve a szobahőmérséklet a külső vákuum réteg. Egy ilyen rendszer képes a kívánt hőmérséklet fenntartásához a szupravezető mágnes hosszú ideig, bár szükséges, hogy rendszeresen öntsük a mágnes folyékony nitrogénnel és a hélium. Az előnye az ilyen mágnesek mellett a lehetőséget, hogy magas mágneses mezők és abban is, hogy ők nem fogyasztanak energiát: megkezdése után mágnes áram fut át a szupravezető huzalok gyakorlatilag veszteség nélkül sok éven át.
A hagyományos NMR spektrométer, mágneses mező próbál tenni, amennyire csak lehetséges egységes, meg kell javítani a spektrális felbontás. De ha a mágneses tér belsejében a mintában, éppen ellenkezőleg, egy nagyon heterogén, akkor új lehetőségeket nyit az NMR alkalmazásával. Inhomogenitása területén létrehozott úgynevezett gradiens tekercseket összedolgozni a fő mágnessel. Ebben az esetben, a mágneses térerősség különböző részein a minta más lesz, és ez azt jelenti, hogy az NMR-jel figyelhető nem csak a mintából, mint egy közönséges spektrométer, hanem csupán annak szűk réteg, amely megfigyelt rezonáns állapotok, azaz a kívánt arányt a mágneses mező és a frekvencia. Változtatásával a nagysága a mágneses mező (vagy, ami lényegében azonos jelmegfigyelési frekvencia) lehet változtatni réteget ad, hogy egy jelet. Így „scan” a minta az egész, és hogy „lássa” a belső háromdimenziós szerkezet elpusztítása nélkül a mintát mechanikus módon. A mai napig, a nagyszámú technikák mérésére alkalmas különböző paraméterek NMR (spektrális jellemzőit, a mágneses relaxációs időt, az önálló diffúziós sebességgel, és mások) a térbeli felbontást a mintában. A legérdekesebb és legfontosabb a gyakorlati szempontból, használata MRI talált a gyógyászatban. Ebben az esetben a vizsgálat alatt „minta” az emberi test. MRI az egyik leghatásosabb és legbiztonságosabb (de drágább) diagnosztikai eszközöket a különböző területeken az orvostudomány, a rák és a szülészet. Érdekes megjegyezni, hogy a címe ennek a módszernek az orvosok nem használják a „nukleáris”, mert néhány betegnél ez jár a nukleáris reakciók és atombombák.
10. A mágneses rezonancia mező Nobel