Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

Экспериментальные основы ЯМР спектроскопии были заложены более 50 лет назад американцами Блохом и Парселлом. Эта работа в1952 году была удостоена Нобелевской премии.

Известно, что многие атомные ядра имеют собственный момент количества движения (спин), обусловленный их вращением. Поскольку ядра имеют электрический заряд, то спину соответствует кольцевой ток, протекающий вокруг оси вращения и создающий слабое магнитное поле. Следовательно, каждое ядро с ненулевым спином имеет собственный магнитный момент, т. е. является магнитным диполем. Такие ядра могут проявлять эффект ЯМР.

Стационарный метод ямр. В общем случае магнитные диполи ядер ориентированы хаотически.

Рис. Ферромагнитный образец в однородном магнитном поле

В присутствии внешнего поля магнитные моменты ядер с ненулевым спином ориентируются вдоль направления поля. В образце образуется результирующий магнитный момент, направленный вдоль . Вектор можно заставить прецессировать вокруг направления поля подобно падающему волчку (гироскопу).

Это достигается наложением второго поля высокой частоты (обычно радиочастоты) в направлении, перпендикулярном полю .

Рис. Прецессия вектора результирующего магнитного момента образца, находящегося в постоянном и высокочастотном переменном поле

Дополнительное поле может быть создано окружающей образец катушкой, соединенной с радиочастотным генератором. Вектор отклоняется от направления Z и прецессирует вокруг него лишь при условии воздействия поля , частота которого w совпадает с естественной (ларморовой) частотой w₀ ядер. Резонансная частота связана с напряженностью постоянного поля соотношением:

,

где - гиромагнитное отношение (отношение магнитного момента М_l частицы к ее механическому моменту количества движения mvR).

Угол прецессии непрерывно изменяется. Путем подбора частоты поля можно настроиться на данный, интересующий нас тип ядер и наблюдать соответствующий им сигнал ЯМР. Сигнал ЯМР можно снимать либо с той же высокочастотной катушки, либо с дополнительной измерительной обмотки. В зависимости от пространственного расположения ядер (атомов) в молекулах анализируемого вещества, характера их взаимодействия вид сигнала изменяется. С помощью ЭВМ из сигнала извлекается необходимая информация о структуре молекул вещества.

Импульсный метод ямр. В импульсном методе ЯМР сигнал ЯМР наблюдается не в процессе подачи радиочастотной энергии поля , а с момента отключения импульса радиочастотного поля . В зависимости от мощности и длительности импульса высокочастотного поля можно достичь любого угла процессии вектора М. Частота процессии при этом, естественно, равна , так как определяется природой ядер и полем .

Сразу же после прекращения действия высокочастотного поля вектор постепенно возвращается в исходное положение, параллельное оси z. Приемная катушка при импульсном методе ЯМР принимает сигнал, обусловленный возвращением прецессирующего вектора в положение, параллельное оси Z.

Рис. Характер изменения сигнала, обусловленного возвращением прецессирующего вектора в положение, параллельное оси Z.

Представленный на рисунке сигнал затем с помощью Фурье-преобразования (математической операции, преобразующей зависимость амплитуды сигнала от времени в ее зависимость от частоты) трансформируется в вид сигнала, полученного и при стационарном методе ЯМР.

Зависимость амплитуды сигнала ЯМР от частоты

ямр- интроскопия. С помощью ЯМР можно получать изображения поперечных сечений (срезов) различных объектов. Это – ЯМР интроскопия. Приборы для ЯМР интроскопии весьма дорогостоящие и нашли пока применение только в медицине, в частности в онкологии. Методы формирования ЯМР изображения требуют пространственного кодирования сигналов ЯМР. Основой является импульсный метод ЯМР. Для примера рассмотрим методику получения изображений двух различных по размерам пробирок с водой.

а) б)

Рис. Последовательность получения сигнала ЯМР импульсным методом (а) и при наложении на объект, кроме постоянного поля , линейного градиента G постоянного поля (б)

На рисунке а) представлена последовательность получения сигнала ЯМР импульсным методом (описано выше). Если же на объект кроме однородного постоянного поля наложить линейный градиент G постоянного поля (на рисунке б не показано), то разные точки объекта будут находиться в поле различной напряженности и их резонансные частоты будут отличаться. Спад амплитуды сигнала будет иным, чем при импульсном методе ЯМР (двугорбая кривая). После Фурье-преобразования появляется сигнал ЯМР, отражающий форму образца.

Рис. Получение изображения объекта по проекциям

При формировании изображения по проекциям градиент напряженности поля вращается для получения моментальных снимков образцов под различными углами. Из большого количества сигналов ЭВМ может построить изображение поперечных сечений образцов.