Метод ядерного магнiтного резонансу

Розглянемо основні принципи, що лежать в основі методу ядерного магнітного резонансу(ЯМР). Як вiдомо, ядра, що вмiщують непарну кiлькiсть нуклонiв (протонів і нейтронів), мають вiдмiннi вiд нуля спiновi i, вiдповiдно, магнiтнi моменти. Такi ядра є парамагнiтними частинками.

У зовнiшньому магнiтному полi система магнiтних ядер розпадається на декiлька пiдсистем, вiдповiдно до двох можливих орiєнтацiй ядерних магнiтних моментiв вiдносно напрямку зовнiшнього магнiтного поля.

Розглянемо окремий випадок ЯМР – протонний маг­нiт­ний резонанс (ПМР). В цьому разі магнiтний момент ядра дорiвнює

P_mя = g_я m_я J,

де J – спiнове квантове число ядра (для протона J = 1/2), m_я – ядерний магнетон, g_я – “жи-фактор” для ядра.

У зовнiшньому магнiтному полі система протонiв роз­па­дається на двi пiдсистеми (мал. 9.31) вiдповідно до двох можливих орiєнтацiй магнiтних моментiв ядер вiдносно зовнiшнього поля (можливi значення магнiтного спiнового числа m_j = +1/2, –1/2).

Мал. 9.31.Розщеплення енергетичного рівня протонів в зовнішньому магнітному полі.	Мал. 9.32.Механізм ви­никнення локального магнітного поля в місці знаходження резо­ную­чого ядра.

Умова резонансного поглинання енергiї системою протонiв має вигляд:

hv = g_я m_я В.

З наведеного вище можна було б зробити висновок, що при фiксованiй частотi високочастотного поля всi протони, що входять до складу молекул, будуть давати сигнал поглинання при одному i тому ж значеннi iндукцiї магнiтного поля В. Якби це й справдi було так, то метод ЯМР не мав би для хіміків та медикiв майже нiякої цiнностi. У реальнiй ситуацiї умова ядерного резонансного погли­нання має вигляд:

hv = g_яm_я (В + В_лок), (9.26)

де В_лок – додаткове локальне магнiтне поле, яке створюється у мiсцi знаходження резонуючого ядра оточуючими ядрами та електронами. Таким чином, В_лок визначається хiмiчною структурою молекули.

Однiєю з основних причин виникнення таких полiв є ефект дiамагнiтного екранування: зовнiшнє магнiтне поле iндукує електроннi струми в молекулi, якi викликають появу магнiтних полiв, спрямованих за правилом Ленца протилежно зовнішньому магнітному полю (мал. 9.32), тобто

В_лок = –sВ,

де s - стала екранування.

Таким чином, кожний протон знаходиться в деякому ефективному полi, яке характеризується iндукцiєю:

В_еф = В – sВ = В (1 – s). (9.27)

Вiдмiнностi в електронному екрануваннi протонiв, що входять до складу молекули, можуть бути зумовленi рiзною електронною густиною. Так, наприклад, протони, приєднанi до електронегативних груп i атомів (ОН, О, галогенам) або розмiщенi поблизу вiд них, екрануються слабкiше i дають сигнал ПМР при менших значеннях iндукцiї В зовнiшнього поля.

Спектри ПМР реєструють, як правило, типово при зна­чен­нях В = 1.4 Тл та n = 60 МГц (l = 5 м), що вiдповiдає радiохвильовому дiапазону.

Спектри ПМР рiдин складаються з порiвняно вузьких лiнiй, що вiдповiдають структурно-нееквiвалентним прото-нам, тобто протонам, що знаходяться в рiзних В_лок . Якщо протони, що входять до складу молекули, еквiвалентнi, то спостерiгається одна лiнiя поглинання (наприклад, для молекули Н₂О). У спектрi ПМР етанолу спостерiгаються три лiнiї, що вiдповiдають трьом групам структурно-еквiва­лентних протонiв – гiдроксильному (ОН), метиленовим (СН₂) та метильним (СН₃) (мал. 9.33).

Мал. 9.33. Спектр ПМР етанола.

Для одержання iнформацiї про дослiджувані молекули використовують чотири параметри спектра ПМР:

1. Iнтегральна iнтенсивнiсть лiнiї,яка визначається площею пiд кривою поглинання і пропорцiйна кiлькостi протонiв, якi знаходяться в даному хiмiчному оточеннi.

2. Положення лiнiї, або хiмiчний зсув,яке визначаєть­ся змiщенням лiнiї поглинання (D В) протонiв вiдносно лiнiї поглинання протонiв еталонної сполуки – тетраметiлсилану (ТМС). Величина хiмiчного зсуву вимірюється в безрозмiр­них одиницях, що називаються мiльйонними долями:

(м.д.), (9.28)

де В – значення iндукцiї магнітного поля для сигналу етало­на.

3. Ширина смуги,яка визначає, як i в методі ЕПР, характер молекулярного руху.

4. Спiн-спiнове розщеплення. При високiй розрiзню-вальній здатностi приладу лiнiї поглинання в спектрi етанолу розщеплюються на компоненти: СН₂ – на чотири, СН₃ – на три, ОН – на три (мал. 9.34). Таке розщеплення називається спiн-спiновим. Воно виникає внаслiдок збурен­ня системи ядерних спiнiв, для якої спостерiгається лiнiя поглинання, iншою спiновою системою. Можна показати, що система з n еквiвалентних протонiв розщеплює лiнiю iншої системи протонiв на (n + 1) компоненту.

Мал. 9.34. Спін-спінове розщеплення в спектрі ПМР етанола.

Таким чином, данi про iнтегральну iнтенсивнiсть, хiмiч­ний зсув та спiн-спiнове розщеплення дозволяють одержати iнформацiю про наявнiсть в молекулi тих чи iнших функцi­ональних груп та їх кiлькiсть, а також про їх взаємне розмi­щення. Тому спектри ЯМР є “вiдбитком пальцiв” молекули. Поряд з цим, метод ЯМР є в наш час одним з найбiльш перспективних для вивчення мiжмолекулярних взаємодiй в бiологiчних системах, оскiльки мiжмолекулярнi взаємодiї як електростатичної природи, так i донорно-акцепторного ха­рак­теру приводять до перерозподiлу електронних густин на взаємодiючих молекулах, i, вiдповiдно, до змiни умов екра­нування, що викликає змiну хiмiчного зсуву.

Як i ЕПР, метод ЯМР успiшно застосовується для дослiд­ження бiологiчних мембран, оскiльки аналiз ЯМР- спектрiв мембран дозволяє не тiльки визначити, скiльки тих чи iнших функцiональних груп вмiщує досліджуваний об’єкт, але й встановити по ширинi смуг поглинання сту­пiнь рухливостi вiдповiдних груп в мембранах.

В останнi роки, поряд з рентгенiвською томографiєю, набуває широкого застосовування метод ЯМР-томографiї, який забезпечує можливiсть вивчення рiзних частин макро­скопiчного об’єкту на основi вiдмiнностей сигналу ЯМР, зумовлених градiєнтами магнiтного поля в рiзних напрям­ках. Важливою перевагою ЯМР-томографiї є вiдсут­нiсть радiацiй­них пошкоджень та можливiсть одержати зобра­ження органiв всерединi черепа або грудної клiтини завдяки прозоростi повiтря i кiсткової тканини для радiохвиль. До більш детального розгляду сучасних методів комп’ютерної томографії ми ще повернемося в параграфі 10.6 наступного розділу.