Магнитный ядерный резонанс. Метод и спектроскопия
Явление магнитного ядерного резонанса было предсказано теоретически еще в 1940-х годах, однако экспериментально его удалось реализовать лишь спустя несколько лет. Это фундаментальное открытие позволило заглянуть вглубь материи и понять процессы на атомарном уровне.
История открытия явления ядерного магнитного резонанса
Впервые это явление наблюдал в 1938 году американский физик Исидор Раби в молекулярных пучках. За это открытие он был удостоен Нобелевской премии в 1944 году .
В 1946 году швейцарский физик Феликс Блох и американец Эдвард Миллс Парселл независимо друг от друга обнаружили ядерный магнитный резонанс в жидкостях и твердых телах. Это выдающееся достижение было отмечено Нобелевской премией по физике в 1952 году .
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.
Согласно ряду источников, метод ядерно-магнитного резонанса томографии был изобретен в СССР еще в 1960-х годах советским ученым В.А. Ивановым. Однако широкую известность этот метод получил лишь после того, как в 2003 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена британцу Полу Лотербери и американцу Питеру Мэнсфилду «за изобретение метода магнитно-резонансной томографии».
Физические основы метода ядерного магнитного резонанса
В основе явления ядерного магнитного резонанса лежат магнитные свойства атомных ядер с ненулевым спином (собственным вращательным моментом).
- Такое ядро можно представить как магнитный диполь, ориентация которого определяется внешним магнитным полем.
- При наложении переменного радиочастотного поля происходит переориентация магнитных моментов ядер, что и наблюдается как явление ЯМР.
- Частота резонансного излучения для каждого типа ядер строго определена и зависит от гиромагнитного отношения и напряженности внешнего поля.
С точки зрения квантовой механики, ЯМР объясняется переходами между энергетическими уровнями, возникающими при взаимодействии магнитных моментов ядер с внешним магнитным полем. Эти переходы и приводят к резонансному поглощению электромагнитного излучения.
Важную роль в явлении ЯМР играют также релаксационные процессы, описываемые постоянными T1 и T2. Они определяют скорость установления равновесия системы ядерных спинов с окружающей средой после снятия возбуждающего импульса.
Оборудование и методики проведения эксперимента по ЯМР
Метод ядерного магнитного резонанса реализуется на специальных установках, основными элементами которых являются:
- Постоянный магнит, создающий сильное однородное магнитное поле
- Генератор радиочастотного переменного магнитного поля
- Измерительная катушка индуктивности с исследуемым образцом
- Система регистрации и обработки сигнала ЯМР
Существует два основных режима возбуждения и регистрации сигналов ЯМР:
- Режим непрерывной развертки по частоте или напряженности магнитного поля
- Импульсный режим с короткими радиочастотными импульсами и регистрацией спада наведенного сигнала
В современных томографах для увеличения чувствительности и разрешения используется импульсный режим и математическая обработка данных методом быстрого преобразования Фурье.
Таким образом, метод ядерного магнитного резонанса позволяет получать подробную информацию о структуре исследуемых веществ и материалов на молекулярном и атомном уровне. Рассмотрим далее основные области его применения.
Применение метода ЯМР в химии и физике
Метод ядерного магнитного резонанса широко используется в химии для исследования структуры органических соединений. Анализируя химические сдвиги сигналов от разных протонов и ядер углерода, можно определить типы связей в молекуле и ее пространственную конфигурацию.
В физике с помощью ЯМР изучают свойства конденсированных сред – жидких и твердых веществ. Исследуются релаксационные характеристики, влияние межмолекулярных взаимодействий.
Анализ химических реакций методом ЯМР
Особенностью метода ядерного магнитного резонанса является возможность анализа химических реакций в реальном времени in situ . Это позволяет изучать кинетику и механизмы протекания реакций, идентифицировать промежуточные и конечные продукты.
Магнитно-резонансная томография в медицине
На основе метода ЯМР разработана технология магнитно-резонансной томографии – магнитно ядерный резонанс (МРТ). В медицине МРТ применяют для получения томографических срезов мягких тканей с высоким разрешением.
Спектроскопия ЯМР в аналитической химии
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса является одним из самых информативных методов качественного и количественного анализа органических соединений. По сравнению с хроматографией и масс-спектрометрией, этот метод обладает бóльшей селективностью и не требует предварительной пробоподготовки.
Перспективы развития методов ЯМР
В настоящее время ведутся работы по повышению чувствительности томографов, созданию аппаратов для магнитно-резонансной микроскопии с разрешением до единиц микрон. Разрабатываются методики спектроскопии для исследования обменных процессов в живых клетках и тканях организма.
Достижения метода ядерного магнитного резонанса
За прошедшие с момента открытия десятилетия метод ядерного магнитного резонанса превратился из научной любопытной идеи в мощный практический инструмент исследований в физике, химии и медицине.
- Разработаны сверхпроводящие магниты с напряженностью поля до 21 Тл, позволяющие значительно повысить чувствительность и разрешение.
- Созданы методы импульсной спектроскопии с компьютерной обработкой данных, ускоряющие получение спектров ЯМР в сотни раз.
- МРТ стала одним из основных методов медицинской диагностики благодаря возможности получения томограмм мягких тканей в любом сечении.
Нерешенные проблемы в области ЯМР
Несмотря на бурное развитие, метод ядерного магнитного резонанса до сих пор имеет ряд существенных ограничений:
- Высокая стоимость оборудования ограничивает доступность метода.
- Невозможность исследовать объекты, содержащие металлы и другие парамагнитные примеси, искажающие поле.
- Недостаточная чувствительность для исследования наноразмерных образцов и отдельных молекул.
Перспективы применения ЯМР в промышленности
Методы ЯМР находят все более широкое применение для контроля качества и безопасности продукции в пищевой и химической промышленности. Преимуществами являются высокая точность, неразрушающий характер анализа, возможность экспресс-оценки.
ЯМР в археологии и исследовании произведений искусства
Уникальные возможности метода ядерного магнитного резонанса используются также археологами для изучения древних артефактов, определения их возраста и места изготовления. В исследовании произведений искусства ЯМР помогает в атрибуции, выявлении подделок.