ЯДЕРНИЙ МАГНІТНИЙ РЕЗОНАНС

Атоми, як відомо, складаються з ядра та елек-тронів, що обертаються навколо нього. Ядро несе позитивний заряд, кратний заряду протона, і має власний магнітний момент. Отже, ядро нагадує маленький магніт з певним магнітним моментом.

Ядерним магнітним резонансом називають вибіркове поглинання електромагнітних хвиль певної частоти речовиною в постійному магнітному полі, зумовлене переорієнтацією магнітних моментів ядер.

Між магнітним моментом і спіном ядра наявна така залежність:

ps=ysg,

де ps — магнітний момент; У — гіромагнітне відношення; s — спін ядра.

Ядра з парною кількістю нуклонів не мають спіну, магнітний момент їх дорівнює 0.

Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) може відбуватися на ядрах, які мають спін 1/2 ('#, 13С > l5N > 31Р > l9F та ін). У зовнішньому маг-нітному полі вони можуть перебувати у двох енергетичних станах, орієнтуючись у напрямі поля (ms =+1/2) або проти нього (mf=-l/2).

У постійному магнітному полі ядра обертаються навколо силових ліній поля. Це обертання називають прецесією. Воно характеризується певною частотою для різних типів ядер і залежить від напруженості магнітного поля.

Відстань між енергетичними рівнями залежить від магнітного моменту ядра, індукції магнітного поля і визначається так:

Під час дії високочастотного імпульсу, якщо його частота збігається з частотою прецесії ядер, ці ядра переходять у збуджений стан. Це і є явище ЯМР. Проте такі переходи ядер у збуджений стан з поглинанням енергії відбуваються до певного моменту, до насичення. Якщо припинити подачу високочастотного сигналу, то ядра атомів речо-вини зразка будуть повертатися на нижчий рівень, випромінюючи енергію. Зразок розміщений у котушці, вона сприймає енергію і перетворює її в електричний ЯМР-сигнал.

ЯМР-сигнал характеризується інтенсивністю і часом релаксації, тобто часом повернення збуджених ядер у початковий енергетичний стан. Тривалість релаксації залежить від типів енергетичної взаємодії ядер. Час спін-спінової ( Т2) релаксації характеризує швидкість встановлення рівноважного розподілу ядер у спіновій системі, а час спін-граткової релаксації (Тх) — швидкість встановлення системи ядерних спінів з іншими ступенями вільності (граткою) зразка. У рі-динах Тх і Т2 приблизно дорівнюють 1с, що відповідає ширині резонансної лінії - 1 Гц. Для твердих тіл Т2 менше, ніж Гг, і вимірюється у мс. Основними параметрами ЯМР є хімічний зсув та константа спін-спінової взаємодії.

Якщо атом перебуває в постійному магніт-ному полі, то його електронна оболонка взаємодіє із зовнішнім полем Во. Тоді виникає додаткове магнітне поле В протилежного напряму:

де а не залежить від Во, але залежить від електронного оточення і називається сталою екранування. Внаслідок екранування на ядро діє локальне поле:

Втк=В0-аВ0=В0(1-(т).

Екранування ядер зумовлює зближення рівнів енергії, і для резонансу потрібне сильніше поле (з більшою індукцією), ніж для неекранованого ядра.

У зразках завжди є декілька груп ядер одного ізотопа, однак вони є складовими молекул однієї або різних речовин і тому мають різні сталі екранування. Ці групи ядер дають смуги в різних ділянках ЯМР-спектра.

Зміщення ЯМР-сигналу залежно від хімічного оточення, зумовлене різними сталими екрануван-ня, називається хімічним зсувом. Цей параметр вимірюється в герцах і залежить від індукції магнітного поля. На практиці використовують не абсолютні значення хімічного зсуву, а його відносне значення (відносна зміна індукції поля або частоти): можна одержати також, використовуючи значення спін-спінових взаємодій ядер. Це явище зумовлене магнітною взаємодією хімічно нееквівалентних ядер, яка відбувається через електронні хмарки атомних зв'язків і зумовлює додаткове розщеп-лення сигналів у спектрі, але швидко згасає із збільшенням відстані між підрівнями.

Інтенсивність ЯМР-сигналів, значення хімічного зсуву, півширина та площа смуги визначаються магнітними й електронними властивостями самих ядер і властивостями атомів, груп атомів та молекул, які оточують ці ядра. Тому, очевидно, існує тісний зв'язок між структурою речовини та ЯМР-спектром, який можна використовувати для дослідження цієї структури.

За значенням хімічного зсуву ядер можна оцінити характер розподілу електронної густини молекул.

Інформацію про структуру органічних сполук Генератор створює поле з індукцією, а перпендикулярне поле Во створене постійним магнітом. За умови, що v = v0, відбувається резонансне поглинання, внаслідок чого в контурі спадає напруга. Спад напруги реєструється детектором, підсилюється і подається на осцилограф. Поле з індукцією ВІ змінюється на 1СГ3 Тл з частотою від 50 Гц до 1 кГц. Таку саму частоту має горизонтальна розгортка осцилографа. На екрані одержуємо смугу поглинання.

ЯМР-ТОМОГРАФІЯ

З усіх видів комп'ютерних томографів найбільш перспективною є система, у якій використовується ядерний магнітний резонанс. Ця система дає змогу одержати зображення будь-яких перерізів органів людського організму.

Для розуміння принципу дії ЯМР-томографа ще раз коротко пригадаємо суть ЯМР.

Ядра фосфору, фтору, водню та інших еле-ментів, що містяться в організмі людини, подібні до дзиги, яка обертається навколо своєї осі. Цю властивість елементарних частинок та атомів називають спіном. Якщо зразок розмістити в постійному магнітному полі, то осі "дзиг" орієнтуються в напрямі ліній індукції поля: одні — вздовж поля, інші — проти нього. Якщо перпен-дикулярно подати змінний високочастотний сигнал (радіохвилі), то ядерні дзиги отримають енергію й обертатимуться навколо силових ліній магнітного поля на чітко визначеній резонансній частоті (звідси і назва — ядерний магнітний резонанс).

У певний момент вимикаємо генератор, який створював радіовипромінювання, і дія його на ядра припиняється. Однак ядра за інерцією ще деякий час продовжують прецесію. Поступово цей рух послаблюється, але весь час кажуть, що "звучить" спінове ехо. За інтенсивністю цього еха та швидкістю його згасання можна судити про властивості речовини: чим більша густина, тим швидше згасає ехо.

Нехай об'єкт перебуває в магнітному полі певної форми