Радиоспектроскопия. ЭПР. ЯМР. ЯМР-томография.

Индуцированные излучения также могут возникать при переходе электронов между энергетическими подуровнями, а также микрочастицами ядер (протонами, нейтронами) между их энергетическим уровнями. Для того чтобы осуществить такие переходы, необходимо:

1. создать в атомах эти энергетические подуровни;

2. вызвать переход микрочастиц с нижних энергетических подуровней на высшие подуровни.

С высших подуровней микрочастицы могут переходить в основное состояние самопроизвольно с излучением энергии, количество которой равно разности энергии между подуровнями. Однако индуцированный переход будет сопровождаться более мощным излучением, поскольку излучаемые фотоны одинаково направлены и их излучение происходит одновременно. Поэтому возможен следующий шаг:

3. вызвать обратный переход микрочастиц на основной энергетический уровень.

Энергетические подуровни электронов в атомах получают помещением их в постоянное магнитное поле. При этом происходит, так называемое, расщепление Зеемана. Расщепляются на подуровни энергетические уровни только тех электронов, которые обладают собственным магнитным моментом. Разность энергий между подуровнями: , где множитель Ланде (для каждого вида атомов свой), магнетон Бора (), магнитная индукция внешнего магнитного поля.

Переход электронов с основного подуровня в обычном состоянии маловероятен. Для того чтобы он произошёл, на атом с расщёплёнными подуровнями действуют переменным электромагнитным полем радиодиапазона, направленным перпендикулярно по отношению к постоянному магнитному полю. Такой диапазон частот обусловлен величиной разности энергий между подуровнями. Он находится в радиодиапазоне. Причём для каждого вида атомов эта частота имеет своё значение. Оно должно совпадать с частотой энергии перехода и потому называется резонансной частотой. Таким образом:

То же, что было выше сказано про электроны характерно и для микрочастиц ядра. Разница состоит в том, что именно микрочастицы ядра должны обладать собственным магнитным моментом (это бывает в ядрах с нечётным числом протонов, нейтронов или протонов и нейтронов. Ядра с чётным числом протонов и нейтронов магнитным моментом не обладают), разность энергий между подуровнями вычисляется по формуле: , эта разность значительно меньше, чем разность для электронов, соответственно частота переменного электромагнитного поля, которое будет вызывать переходы между подуровнями, хотя и находится в радиодиапазоне, но меньше по величине (для протонов около 43 МГц).

Указанные явления для электронов и ядер называются соответственно:

Электронный парамагнитный резонанс – явление избирательного (резонансного) поглощения атомами парамагнетиков, электроны которых обладают собственным магнитным моментом и находящимися в постоянном магнитном поле энергии переменного электромагнитного поля радиочастотного диапазона.

Ядерный магнитный резонанс – явление избирательного (резонансного) поглощения атомами, ядра которых обладают собственным магнитным моментом, находящимися в постоянном магнитном поле энергии переменного электромагнитного поля радиочастотного диапазона.

Указанные процессы (связанные с вынужденными переходами микрочастиц между энергетическими уровнями, вызванными электромагнитным излучением радиодиапазона) рассматриваются в области физики, называемой радиоспектроскопией.

Для того чтобы осуществить радиоспектроскопию используют радиоспектрометр. Исследуемое вещество помещают между полюсами постоянного магнита (достигают расщепление уровней на подуровни). Затем действуют переменным электромагнитным полем радиодиапазона, плавно изменяя его частоту. Регистрируют интенсивность прошедшего через вещество переменного электромагнитного излучения радиодиапазона, прошедшего через вещество. На резонансной частоте интенсивность такого излучения падает, поскольку эти волны поглощаются, обеспечивая переход электрона на высший подуровень.

Резонансная частота зависит, прежде всего, от вида атомов, из которого состоит вещество, а также от количества и вида атомов, с которым данный атом связан в сложное соединение, поскольку атомы в веществе взаимодействуют между собой электрическими и магнитными полями. Поэтому с помощью радиоспектроскопии по спектрам поглощения радиоволн можно исследовать качественно и количественно химический состав веществ. В частности, метод электронного парамагнитного резонанса и ядерного магнитного резонанса сыграл большую роль в изучении химического состава и биофизических особенностей нативных биомембран, поскольку для этого мембрану не надо разрушать, а достаточно ввести парамагнитную метку в состав белков и липидов.

С помощью метода ЭПР впервые были исследованы механизмы действия ионизирующих (радиоактивных) излучений на живые организмы. Изучая магнитное поле, мы с Вами выяснили, что живые организмы состоят в основном, из диамагнетиков. Т.е. эти вещества не будут поглощать электромагнитное излучение радиодиапазона, используемого в ЭПР. Под действие радиации происходит образование возбуждённых молекул, ионов и свободных радикалов, которые обладают парамагнитными свойствами. В результате для их качественного и количественного изучения возможно применение метода ЭПР.

Особое значение приобрёл метод ЯМР в медицине. В 1952 г. Пёрсел и Блох получили Нобелевскую премию по медицине, создав первый ЯМР - томограф. ЯМР томография - это неинвазивный диагностический метод исследования внутреннего состояния организма, основанный на явлении ядерного магнитного резонанса. Основным сигналом при этом является, в основном, протонный резонанс молекул воды, содержание которой в организме наиболее велико. Также диагностическим признаком является время угасания сигнала в результате процессов релаксации. В последние годы предложено метод называть просто магнитно-резонансной томографией, чтобы не травмировать психику пациента словом «ядерный».

Суть метода такая же, как в ЯМР-радиоспектроскопии. Тело пациента помещают в постоянное магнитное поле (расщепление энергетических подуровней). Действуют переменным электромагнитным излучением (вынужденный переход протонов ядер на высшие энергетические уровни). Но отличие в том, что анализируют спектры излучения, которые возникают при переходе из высших энергетических уровней на низшие, причём, чтобы получить мощный сигнал излучения направление постоянного поля меняют на противоположное. В таком случае протонами синхронно излучается энергия перехода, что способствует формированию более мощного сигнала.

В различных тканях содержание воды неодинаково. Поэтому и сигнал, который будет регистрироваться от них, будет различным по интенсивности. Так, воздух и твердые ткани не дают ЯМР-сигнала (потому кости, лёгкие, просвет кишечника и др. будут выглядеть на томограммах тёмными), а мягкие ткани в зависимости от содержания воды – более или менее светлыми. Это позволяет получать контрастные изображения структуры внутренних органов.

В ЯМР томографии получают изображения поперечных сечений тела человека с заданным шагом измерений. Чтобы сформировать изображение одного поперечного сечения производят накопление ЯМР сигналов от данного слоя, полученных под различными углами по отношению к излучателю-приёмнику ЭМ волн. Затем соответствующие компьютерные программы интегрируют их, формируя одно изображение. В результате такой метод обладает высокой разрешающей способностью.

Достоинства: 1). неинвазивный; 2). безопасный, т.к. не применяется радиоактивное излучение. Поэтому можно многократно исследовать состояние детей и других возрастных групп, а также беременных, наблюдая динамику состояния во времени или выздоровления в процессе терапии. 3). высокая разрешающая способность (особенно при использовании контрастных веществ).

Недостатки: 1. нельзя применять, если в организме находятся ферромагнетики (в т.ч. кардиостимуляторы, хирургические зажимы, металлические пломбы), что может исказить ЯМР-сигналы или вызвать нарушения состояния пациента.