الرنين المغناطيسي النووي. مجالات تطبيق الرنين المغناطيسي النووي. الرنين المغناطيسي النووي للدمى، أو عشر حقائق أساسية عن الرنين المغناطيسي النووي ظاهرة الرنين المغناطيسي النووي
تُظهر نفس النوى الذرية في بيئات مختلفة في الجزيء إشارات الرنين المغناطيسي النووي المختلفة. إن الفرق بين إشارة الرنين المغناطيسي النووي هذه وإشارة المادة القياسية يجعل من الممكن تحديد ما يسمى بالتحول الكيميائي، والذي يتم تحديده من خلال التركيب الكيميائي للمادة قيد الدراسة. تمتلك تقنيات الرنين المغناطيسي النووي العديد من الإمكانيات لتحديد التركيب الكيميائي للمواد، والتوافقات الجزيئية، وتأثيرات التأثير المتبادل، والتحولات داخل الجزيئات.
يوتيوب الموسوعي
-
1 / 5
تعتمد ظاهرة الرنين المغناطيسي النووي على الخواص المغناطيسية للنواة الذرية التي تتكون من نويات ذات دوران نصف صحيح 1/2، 3/2، 5/2…. النوى ذات الكتلة والشحنة الزوجية (النوى الزوجية) لا تمتلك عزمًا مغناطيسيًا.
يتم تحديد كمية الزخم الزاوي والعزم المغناطيسي للنواة، ويتم تحديد القيم الذاتية لإسقاط كل من اللحظات الزاوية والمغناطيسية على المحور z لنظام إحداثيات تم اختياره بشكل تعسفي من خلال العلاقة
J ض = ℏ μ I (\displaystyle J_(z)=\hbar \mu _(I))و μ z = γ ℏ μ I (\displaystyle \mu _(z)=\gamma \hbar \mu _(I)),أين μ أنا (\displaystyle \mu _(I))- العدد المغناطيسي الكمي للحالة الذاتية للنواة، ويتم تحديد قيمه بواسطة العدد الكمي المغزلي للنواة
μ أنا = أنا , أنا − 1 , أنا − 2 , . . . , − أنا (\displaystyle \mu _(I)=I,I-1,I-2,...,-I),وهذا هو، يمكن أن يكون موجودا في النواة 2 أنا + 1 (\displaystyle 2I+1)تنص على.
لذلك، بالنسبة للبروتون (أو نواة أخرى مع أنا = 1/2- 13 C، 19 F، 31 P، وما إلى ذلك) لا يمكن أن يكون إلا في حالتين
μ z = ± γ ℏ I = ± ℏ / 2 (\displaystyle \mu _(z)=\pm \gamma \hbar I=\pm \hbar /2),يمكن تمثيل مثل هذا النواة على أنها ثنائي القطب المغناطيسي، حيث يمكن توجيه المكون z بالتوازي أو عكس الاتجاه الموجب للمحور z لنظام الإحداثيات التعسفي.
وتجدر الإشارة إلى أنه في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي، تختلف جميع الحالات μ ض (\displaystyle \mu _(z))لديهم نفس الطاقة، أي أنهم منحطون. تتم إزالة الانحطاط في مجال مغناطيسي خارجي، ويتناسب الانقسام النسبي لحالة الانحطاط مع حجم المجال المغناطيسي الخارجي والعزم المغناطيسي للحالة وبالنسبة للنواة ذات العدد الكمي المغزلي أنافي مجال مغناطيسي خارجي يظهر النظام منه 2ط+1مستويات الطاقة − μ ض ب 0 , − أنا − 1 أنا ب 0 , . . . , I − 1 I B 0 , μ z B 0 (\displaystyle -\mu _(z)B_(0),-(\frac (I-1)(I))B_(0),...,(\ فارك (I-1)(I))B_(0)،\mu _(z)B_(0))أي أن الرنين المغناطيسي النووي له نفس طبيعة تأثير زيمان المتمثل في تقسيم المستويات الإلكترونية في المجال المغناطيسي.
في أبسط الحالات، بالنسبة لنواة ذات دوران c أنا = 1/2- على سبيل المثال، بالنسبة للبروتون، الانقسام
δ E = ± μ z B 0 (\displaystyle \delta E=\pm \mu _(z)B_(0))وفرق الطاقة في حالات الدوران
Δ E = 2 μ z B 0 (\displaystyle \Delta E=2\mu _(z)B_(0))يتم تسهيل ملاحظة الرنين المغناطيسي النووي من خلال حقيقة أن ذرات معظم المواد لا تحتوي على لحظات مغناطيسية دائمة لإلكترونات الأغلفة الذرية بسبب ظاهرة تجميد العزم المداري.
ترددات الرنين المغناطيسي النووي في المعادن أعلى منها في المواد المغناطيسية (تحول الفارس).
الاستقطاب الكيميائي للنوى
عندما تحدث بعض التفاعلات الكيميائية في مجال مغناطيسي، يتم الكشف عن امتصاص كبير بشكل غير طبيعي أو انبعاث راديوي في أطياف الرنين المغناطيسي النووي لنواتج التفاعل. تشير هذه الحقيقة إلى عدم توازن مستويات زيمان النووية في جزيئات نواتج التفاعل. ويصاحب العدد المفرط من السكان في المستوى الأدنى امتصاص غير طبيعي. يؤدي عدد السكان المقلوب (المستوى العلوي أكثر سكانًا من المستوى الأدنى) إلى انبعاث راديوي. وتسمى هذه الظاهرة الاستقطاب الكيميائي للنواة.
ترددات لارمور لبعض النوى الذرية
جوهر تردد لارمور بالميجاهرتز عند 0.5 تسلا تردد لارمور بالميجاهرتز عند 1 تسلا تردد لارمور بالميجاهرتز عند 7.05 تسلا 1 ح (هيدروجين) 21,29 42,58 300.18 ²D (الديوتيريوم) 3,27 6,53 46,08 13 ج (كربون) 5,36 10,71 75,51 23 نا (الصوديوم) 5,63 11,26 79.40 39 ك (البوتاسيوم) 1,00 1,99 يقع تردد رنين البروتون في نطاق الطول الموجي القصير (الطول الموجي حوالي 7 أمتار).
تطبيقات الرنين المغناطيسي النووي
التحليل الطيفي
الأجهزة
قلب مطياف الرنين المغناطيسي النووي هو مغناطيس قوي. في تجربة تم إجراؤها عمليًا لأول مرة بواسطة بورسيل، تم وضع عينة في أمبولة زجاجية يبلغ قطرها حوالي 5 مم بين قطبي مغناطيس كهربائي قوي. بعد ذلك، لتحسين تجانس المجال المغناطيسي، تبدأ الأمبولة بالتدوير، ويتم تعزيز المجال المغناطيسي الذي يعمل عليها تدريجياً. يتم استخدام مولد تردد راديوي عالي الجودة كمصدر للإشعاع. تحت تأثير المجال المغناطيسي المتزايد، تبدأ النوى التي تم ضبط المطياف عليها بالرنين. في هذه الحالة، يتردد صدى النوى المحمية بتردد أقل قليلاً من النوى الخالية من الأغلفة الإلكترونية. يتم اكتشاف امتصاص الطاقة بواسطة جسر تردد راديوي ثم يتم تسجيله بواسطة جهاز تسجيل. ويزداد التردد حتى يصل إلى حد معين يكون الرنين فوقه مستحيلا.
نظرًا لأن التيارات القادمة من الجسر صغيرة جدًا، فإنها لا تقتصر على أخذ طيف واحد، بل تقوم بعدة عشرات من التمريرات. يتم تلخيص جميع الإشارات المستقبلة في الرسم البياني النهائي، الذي تعتمد جودته على نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الجهاز.
في هذه الطريقة، يتم تعريض العينة لإشعاع ترددات راديوية ذات تردد ثابت، بينما تتغير قوة المجال المغناطيسي، لذلك تسمى أيضًا طريقة التشعيع بالموجة المستمرة (CW).
الطريقة التقليدية للتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي لها عيوب عديدة. أولاً، يتطلب إنشاء كل طيف قدرًا كبيرًا من الوقت. ثانيا، يتطلب الأمر للغاية عدم وجود تدخل خارجي، وكقاعدة عامة، فإن الأطياف الناتجة لها ضوضاء كبيرة. ثالثا، إنه غير مناسب لإنشاء مطياف عالي التردد (300، 400، 500 وأكثر ميغاهيرتز). لذلك، تستخدم أدوات الرنين المغناطيسي النووي الحديثة طريقة ما يسمى التحليل الطيفي النبضي (PW)، استنادًا إلى تحويلات فورييه للإشارة المستقبلة. حاليًا، جميع أجهزة قياس الطيف بالرنين المغناطيسي النووي مبنية على أساس مغناطيسات قوية فائقة التوصيل ذات مجال مغناطيسي ثابت.
على عكس طريقة CW، في النسخة النبضية، يتم إثارة النوى ليس من خلال "موجة ثابتة"، ولكن بمساعدة نبضة قصيرة تدوم عدة ميكروثانية. تتناقص اتساع مكونات تردد النبضة مع زيادة المسافة من ν 0 . ولكن بما أنه من المرغوب فيه أن يتم تشعيع جميع النوى بالتساوي، فمن الضروري استخدام "نبضات صلبة"، أي نبضات قصيرة ذات طاقة عالية. يتم اختيار مدة النبضة بحيث يكون عرض نطاق التردد أكبر بأمر أو أمرين من عرض الطيف. تصل الطاقة إلى عدة آلاف واط.
نتيجة للتحليل الطيفي النبضي، لا يتم الحصول على الطيف المعتاد مع قمم الرنين المرئية، ولكن صورة لتذبذبات الرنين المخمد، حيث يتم خلط جميع الإشارات الصادرة عن جميع النوى الرنانة - ما يسمى "اضمحلال الحث الحر" (FID، free الاضمحلال التعريفي). لتحويل هذا الطيف، يتم استخدام الأساليب الرياضية، ما يسمى بتحويل فورييه، والذي يمكن من خلاله تمثيل أي دالة كمجموع مجموعة من التذبذبات التوافقية.
أطياف الرنين المغناطيسي النووي
للتحليل النوعي باستخدام الرنين المغناطيسي النووي، يتم استخدام تحليل الأطياف، استنادا إلى الخصائص الرائعة التالية لهذه الطريقة:
- الإشارات الصادرة من نوى الذرات التي تنتمي إلى مجموعات وظيفية معينة تكمن في مناطق محددة بدقة من الطيف؛
- المساحة المتكاملة التي تحددها الذروة تتناسب بشكل صارم مع عدد الذرات الرنانة؛
- النوى الموجودة خلال 1-4 روابط قادرة على إنتاج إشارات متعددة نتيجة لما يسمى. الانقسام على بعضها البعض.
يتميز موضع الإشارة في أطياف الرنين المغناطيسي النووي بتحولها الكيميائي بالنسبة للإشارة المرجعية. يتم استخدام رباعي ميثيل سيلان Si(CH 3) 4 (TMS) باعتباره الأخير في 1 H و13 C NMR. وحدة التحول الكيميائي هي جزء في المليون (جزء في المليون) من تردد الجهاز. إذا أخذنا إشارة TMS على أنها 0، ويعتبر تحول الإشارة إلى مجال ضعيف تحولًا كيميائيًا إيجابيًا، فإننا نحصل على ما يسمى بمقياس δ. إذا كان رنين رباعي ميثيل سيلان يساوي 10 جزء في المليون. وعكس العلامات، فسيكون المقياس الناتج هو المقياس τ، والذي لا يستخدم عمليا في الوقت الحاضر. إذا كان طيف المادة معقدًا جدًا بحيث لا يمكن تفسيره، فيمكنك استخدام الطرق الكيميائية الكمومية لحساب ثوابت الفحص وربط الإشارات بناءً عليها.
تنظير الرنين المغناطيسي النووي
يمكن استخدام ظاهرة الرنين المغناطيسي النووي ليس فقط في الفيزياء والكيمياء، ولكن أيضًا في الطب: جسم الإنسان عبارة عن مجموعة من نفس الجزيئات العضوية وغير العضوية.
ولملاحظة هذه الظاهرة، يتم وضع جسم ما في مجال مغناطيسي ثابت وتعريضه للترددات الراديوية والمجالات المغناطيسية المتدرجة. في ملف الحث المحيط بالجسم قيد الدراسة، تنشأ قوة دافعة كهربائية متناوبة (EMF)، يحمل طيف تردد السعة وخصائصها العابرة للوقت معلومات حول الكثافة المكانية للنوى الذرية الرنانة، بالإضافة إلى معلمات أخرى خاصة فقط بـ الرنين المغناطيسي النووي. وتولد المعالجة الحاسوبية لهذه المعلومات صورة ثلاثية الأبعاد تميز كثافة النوى المتكافئة كيميائيا، وأوقات استرخاء الرنين المغناطيسي النووي، وتوزيع معدلات تدفق السوائل، وانتشار الجزيئات، وعمليات التمثيل الغذائي الكيميائي الحيوي في الأنسجة الحية.
محتوى المقال
الرنين المغناطيسي،الامتصاص الرنان (الانتقائي) لإشعاع التردد الراديوي بواسطة جزيئات ذرية معينة موضوعة في مجال مغناطيسي ثابت. معظم الجسيمات الأولية، مثل القمم، تدور حول محورها. إذا كان للجسيم شحنة كهربائية، فعندما يدور ينشأ مجال مغناطيسي، أي. يتصرف مثل مغناطيس صغير. عندما يتفاعل هذا المغناطيس مع مجال مغناطيسي خارجي، تحدث ظواهر تجعل من الممكن الحصول على معلومات حول النوى أو الذرات أو الجزيئات التي تحتوي على هذا الجسيم الأولي. تعد طريقة الرنين المغناطيسي أداة بحث عالمية تستخدم في مجالات العلوم المتنوعة مثل الأحياء والكيمياء والجيولوجيا والفيزياء. هناك نوعان رئيسيان من الرنين المغناطيسي: الرنين المغناطيسي الإلكتروني والرنين المغناطيسي النووي.
الرنين المغنطيسي الإلكتروني (EPR).
الرنين المغناطيسي النووي (NMR).
تم اكتشاف الرنين المغناطيسي النووي في عام 1946 من قبل الفيزيائيين الأمريكيين إي بورسيل وإف بلوخ. ومن خلال العمل بشكل مستقل عن بعضها البعض، وجدوا طريقة "لضبط" الدوران الداخلي لنواة بعض الذرات، على سبيل المثال الهيدروجين وأحد نظائر الكربون، في المجالات المغناطيسية. عندما يتم وضع عينة تحتوي على هذه النوى في مجال مغناطيسي قوي، فإن عزومها النووية "تصطف" مثل برادة الحديد بالقرب من المغناطيس الدائم. يمكن تعطيل هذا الاتجاه العام بواسطة إشارة التردد اللاسلكي. عندما يتم إيقاف الإشارة، تعود اللحظات النووية إلى حالتها الأصلية، وتعتمد سرعة هذه الاستعادة على حالة الطاقة الخاصة بها، ونوع النوى المحيطة بها وعدد من العوامل الأخرى. ويرافق الانتقال انبعاث إشارة تردد الراديو. يتم إرسال الإشارة إلى جهاز كمبيوتر يقوم بمعالجتها. وبهذه الطريقة (طريقة التصوير المقطعي المغناطيسي النووي المحوسب) يمكن الحصول على الصور. (عندما يتم تغيير المجال المغناطيسي الخارجي في خطوات صغيرة، يتم تحقيق تأثير الصورة ثلاثية الأبعاد.) توفر طريقة الرنين المغناطيسي النووي تباينًا عاليًا للأنسجة الرخوة المختلفة في الصورة، وهو أمر مهم للغاية لتحديد الخلايا المريضة مقابل الخلايا السليمة. يعتبر التصوير بالرنين المغناطيسي النووي أكثر أمانًا من الأشعة السينية، لأنه لا يسبب تدمير الأنسجة أو تهيجها
- جوهر هذه الظاهرة
بادئ ذي بدء، تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن اسم هذه الظاهرة يحتوي على كلمة "نووية"، إلا أن الرنين المغناطيسي النووي لا علاقة له بالفيزياء النووية ولا يرتبط بأي حال من الأحوال بالنشاط الإشعاعي. إذا تحدثنا عن وصف صارم، فلا توجد طريقة للاستغناء عن قوانين ميكانيكا الكم. وفقا لهذه القوانين، فإن طاقة تفاعل النواة المغناطيسية مع مجال مغناطيسي خارجي يمكن أن تأخذ فقط عدد قليل من القيم المنفصلة. إذا تم تشعيع النوى المغناطيسية بمجال مغناطيسي متناوب، يتوافق تردده مع الفرق بين مستويات الطاقة المنفصلة هذه، معبرًا عنها بوحدات التردد، فإن النوى المغناطيسية تبدأ في التحرك من مستوى إلى آخر، مع امتصاص طاقة المجال المتردد مجال. وهذه هي ظاهرة الرنين المغناطيسي. وهذا التفسير صحيح من الناحية الشكلية، ولكنه ليس واضحًا تمامًا. هناك تفسير آخر، بدون ميكانيكا الكم. يمكن تخيل النواة المغناطيسية على أنها كرة مشحونة كهربائيًا تدور حول محورها (على الرغم من أن الأمر ليس كذلك بالمعنى الدقيق للكلمة). وفقا لقوانين الديناميكا الكهربائية، فإن دوران الشحنة يؤدي إلى ظهور مجال مغناطيسي، أي العزم المغناطيسي للنواة، والذي يتم توجيهه على طول محور الدوران. إذا تم وضع هذه اللحظة المغناطيسية في مجال خارجي ثابت، فإن متجه هذه اللحظة يبدأ في التحرك، أي الدوران حول اتجاه المجال الخارجي. وبنفس الطريقة، فإن محور التقدم العلوي (يدور) حول الوضع الرأسي، إذا لم يتم فكه رأسياً بشكل صارم، ولكن بزاوية معينة. في هذه الحالة، يتم لعب دور المجال المغناطيسي بواسطة قوة الجاذبية.
يتم تحديد تردد المبادرة من خلال خصائص النواة وقوة المجال المغناطيسي: كلما كان المجال أقوى، زاد التردد. بعد ذلك، إذا تأثر النواة بحقل مغناطيسي متناوب، بالإضافة إلى المجال المغناطيسي الخارجي الثابت، فإن النواة تبدأ في التفاعل مع هذا المجال - يبدو أنها تتأرجح النواة بقوة أكبر، وتزداد سعة المبادرة، ويزداد اللب يمتص طاقة المجال المتناوب. ومع ذلك، فإن هذا لن يحدث إلا في ظل حالة الرنين، أي تزامن تردد المبادرة مع تردد المجال الخارجي المتناوب. وهذا مشابه للمثال الكلاسيكي من مدرسة الفيزياء - الجنود يسيرون عبر الجسر. إذا تزامن تردد الخطوة مع التردد الطبيعي للجسر، فإن الجسر يتأرجح أكثر فأكثر. تجريبيا، تتجلى هذه الظاهرة في اعتماد امتصاص المجال المتناوب على تردده. في لحظة الرنين، يزداد الامتصاص بشكل حاد، ويبدو أبسط طيف الرنين المغناطيسي كما يلي:
- تحويل فورييه الطيفي
عملت أجهزة قياس الطيف بالرنين المغناطيسي النووي الأولى تمامًا كما هو موضح أعلاه - حيث تم وضع العينة في مجال مغناطيسي ثابت، وتم تطبيق إشعاع التردد الراديوي عليها بشكل مستمر. ثم يتغير تردد المجال المتناوب أو شدة المجال المغناطيسي الثابت بسلاسة. تم تسجيل امتصاص طاقة المجال المتناوب بواسطة جسر تردد راديوي، حيث تم إخراج الإشارة منه إلى مسجل أو راسم الذبذبات. لكن طريقة تسجيل الإشارات هذه لم يتم استخدامها لفترة طويلة. في مطياف الرنين المغناطيسي النووي الحديث، يتم تسجيل الطيف باستخدام النبضات. يتم إثارة اللحظات المغناطيسية للنواة بواسطة نبضة قوية قصيرة، وبعد ذلك يتم تسجيل الإشارة المستحثة في ملف التردد اللاسلكي بواسطة اللحظات المغناطيسية التي تتقدم بحرية. تتناقص هذه الإشارة تدريجيًا إلى الصفر مع عودة العزوم المغناطيسية إلى التوازن (وتسمى هذه العملية بالاسترخاء المغناطيسي). يتم الحصول على طيف الرنين المغناطيسي النووي من هذه الإشارة باستخدام تحويل فورييه. هذا إجراء رياضي قياسي يسمح لك بتحليل أي إشارة إلى توافقيات تردد وبالتالي الحصول على طيف التردد لهذه الإشارة. تتيح لك طريقة تسجيل الطيف هذه تقليل مستوى الضوضاء بشكل كبير وإجراء التجارب بشكل أسرع.
إحدى النبضات المثيرة لتسجيل الطيف هي أبسط تجربة للرنين المغناطيسي النووي. ومع ذلك، يمكن أن يكون هناك العديد من هذه النبضات ذات فترات وسعات مختلفة، مع تأخيرات مختلفة بينها، وما إلى ذلك، في التجربة، اعتمادًا على نوع التلاعب الذي يحتاج الباحث إلى تنفيذه باستخدام نظام اللحظات المغناطيسية النووية. ومع ذلك، فإن كل تسلسلات النبض هذه تقريبًا تنتهي بنفس الشيء - تسجيل إشارة مبادرة حرة يتبعها تحويل فورييه.
- التفاعلات المغناطيسية في المادة
لن يظل الرنين المغناطيسي في حد ذاته أكثر من مجرد ظاهرة فيزيائية مثيرة للاهتمام لولا التفاعلات المغناطيسية للنوى مع بعضها البعض ومع الغلاف الإلكتروني للجزيء. تؤثر هذه التفاعلات على معلمات الرنين، وبمساعدتها، يمكن لطريقة الرنين المغناطيسي النووي توفير مجموعة متنوعة من المعلومات حول خصائص الجزيئات - اتجاهها، وبنيتها المكانية (التشكل)، والتفاعلات بين الجزيئات، والتبادل الكيميائي، وديناميكيات الدوران والانتقال. بفضل هذا، أصبح الرنين المغناطيسي النووي أداة قوية للغاية لدراسة المواد على المستوى الجزيئي، والتي تستخدم على نطاق واسع ليس فقط في الفيزياء، ولكن بشكل رئيسي في الكيمياء والبيولوجيا الجزيئية. مثال على أحد هذه التفاعلات هو ما يسمى بالتحول الكيميائي. جوهرها كما يلي: يستجيب الغلاف الإلكتروني للجزيء لمجال مغناطيسي خارجي ويحاول فحصه - يحدث الفحص الجزئي للمجال المغناطيسي في جميع المواد المغناطيسية. وهذا يعني أن المجال المغناطيسي في الجزيء سيختلف عن المجال المغناطيسي الخارجي بمقدار صغير جداً، وهو ما يسمى التحول الكيميائي. ومع ذلك، فإن خصائص الغلاف الإلكتروني في أجزاء مختلفة من الجزيء مختلفة، كما أن التحول الكيميائي مختلف أيضًا. وبناءً على ذلك، فإن ظروف الرنين للنوى في أجزاء مختلفة من الجزيء ستختلف أيضًا. وهذا يجعل من الممكن التمييز بين النوى غير المتكافئة كيميائيا في الطيف. على سبيل المثال، إذا أخذنا طيف نوى الهيدروجين (البروتونات) من الماء النقي، فسيكون هناك خط واحد فقط، لأن كلا البروتونين في جزيء H 2 O متماثلان تمامًا. ولكن بالنسبة لكحول الميثيل CH 3 OH سيكون هناك بالفعل سطرين في الطيف (إذا أهملنا التفاعلات المغناطيسية الأخرى)، حيث يوجد نوعان من البروتونات - بروتونات مجموعة الميثيل CH 3 والبروتون المرتبط بذرة الأكسجين. عندما تصبح الجزيئات أكثر تعقيدًا، سيزداد عدد الخطوط، وإذا أخذنا مثل هذا الجزيء الكبير والمعقد كبروتين، فسيبدو الطيف في هذه الحالة كما يلي:
- النوى المغناطيسية
يمكن ملاحظة الرنين المغناطيسي النووي على نوى مختلفة، ولكن يجب القول أنه ليس كل النوى لها عزم مغناطيسي. غالبًا ما يحدث أن يكون لبعض النظائر عزم مغناطيسي، لكن النظائر الأخرى لنفس النواة لا تمتلك ذلك. في المجموع، هناك أكثر من مائة نظائر من العناصر الكيميائية المختلفة التي لها نوى مغناطيسية، ولكن في البحث عادة لا يتم استخدام أكثر من 1520 نواة مغناطيسية، وكل شيء آخر غريب. كل نواة لها نسبة مميزة خاصة بها من المجال المغناطيسي وتردد المبادرة، تسمى النسبة المغناطيسية الجيروسكوبية. لجميع النوى هذه العلاقات معروفة. باستخدامها، يمكنك تحديد التردد الذي سيتم من خلاله، تحت مجال مغناطيسي معين، ملاحظة الإشارة من النوى التي يحتاجها الباحث.
أهم نوى الرنين المغناطيسي النووي هي البروتونات. وهي الأكثر وفرة في الطبيعة، ولديها حساسية عالية جدًا. تعتبر نوى الكربون والنيتروجين والأكسجين مهمة جدًا للكيمياء والبيولوجيا، لكن العلماء لم يحالفهم الحظ كثيرًا: النظائر الأكثر شيوعًا للكربون والأكسجين، 12C و16O، ليس لها عزم مغناطيسي، الطبيعي يمتلك نظير النيتروجين 14 N عزمًا، ولكنه غير مناسب جدًا للتجارب لعدة أسباب. هناك نظائر 13C و15N و17O مناسبة لتجارب الرنين المغناطيسي النووي، لكن وفرتها الطبيعية منخفضة جدًا وحساسيتها منخفضة جدًا مقارنة بالبروتونات. ولذلك، غالبًا ما يتم إعداد عينات خاصة غنية بالنظائر لدراسات الرنين المغناطيسي النووي، حيث يتم استبدال النظير الطبيعي لنواة معينة بالنظائر اللازمة للتجارب. في معظم الحالات، يكون هذا الإجراء صعبًا ومكلفًا للغاية، ولكنه في بعض الأحيان يكون الفرصة الوحيدة للحصول على المعلومات اللازمة.
- الرنين المغناطيسي والرباعي للإلكترون
عند الحديث عن الرنين المغناطيسي النووي، من المستحيل ألا نذكر ظاهرتين فيزيائيتين أخريين مرتبطتين - الرنين المغنطيسي الإلكتروني (EPR) والرنين الرباعي النووي (NQR). يشبه EPR بشكل أساسي الرنين المغناطيسي النووي، والفرق هو أن الرنين يتم ملاحظته في اللحظات المغناطيسية ليس للنواة الذرية، ولكن للقذيفة الإلكترونية للذرة. لا يمكن ملاحظة EPR إلا في تلك الجزيئات أو المجموعات الكيميائية التي يحتوي غلافها الإلكتروني على ما يسمى بالإلكترون غير المقترن، ثم يكون للغلاف عزم مغناطيسي غير صفري. وتسمى هذه المواد بارامغناطيسية. يستخدم EPR، مثل الرنين المغناطيسي النووي، أيضًا لدراسة الخصائص الهيكلية والديناميكية المختلفة للمواد على المستوى الجزيئي، ولكن نطاق استخدامه أضيق بشكل ملحوظ. ويرجع ذلك أساسًا إلى حقيقة أن معظم الجزيئات، خاصة في الطبيعة الحية، لا تحتوي على إلكترونات غير متزاوجة. في بعض الحالات، يمكنك استخدام ما يسمى بالمسبار البارامغناطيسي، أي مجموعة كيميائية تحتوي على إلكترون غير مزدوج يرتبط بالجزيء قيد الدراسة. لكن هذا النهج له عيوب واضحة تحد من إمكانيات هذه الطريقة. بالإضافة إلى ذلك، لا يتمتع EPR بالدقة الطيفية العالية (أي القدرة على تمييز خط من آخر في الطيف) كما هو الحال في الرنين المغناطيسي النووي.
من الصعب جدًا شرح طبيعة NQR "على الأصابع". تمتلك بعض النوى ما يسمى بالعزم الكهربائي الرباعي. تميز هذه اللحظة انحراف توزيع الشحنة الكهربائية للنواة عن التماثل الكروي. إن تفاعل هذه اللحظة مع تدرج المجال الكهربائي الناتج عن التركيب البلوري للمادة يؤدي إلى انقسام مستويات الطاقة في النواة. في هذه الحالة، يمكن ملاحظة الرنين على تردد يتوافق مع التحولات بين هذه المستويات. على عكس NMR وEPR، لا يتطلب NQR مجالًا مغناطيسيًا خارجيًا، حيث يحدث تقسيم المستوى بدونه. يستخدم NQR أيضًا لدراسة المواد، ولكن نطاق تطبيقه أضيق من نطاق EPR.
- مزايا وعيوب الرنين المغناطيسي النووي
الرنين المغناطيسي النووي هو الطريقة الأقوى والأكثر إفادة لدراسة الجزيئات. بالمعنى الدقيق للكلمة، هذه ليست طريقة واحدة، بل هي عدد كبير من أنواع مختلفة من التجارب، أي تسلسل النبض. على الرغم من أن جميعها تعتمد على ظاهرة الرنين المغناطيسي النووي، إلا أن كل تجربة من هذه التجارب مصممة للحصول على بعض المعلومات المحددة. ويقاس عدد هذه التجارب بالعشرات، إن لم يكن بالمئات. من الناحية النظرية، يمكن للرنين المغناطيسي النووي، إن لم يكن كل شيء، كل ما تستطيعه جميع الطرق التجريبية الأخرى لدراسة بنية وديناميكيات الجزيئات، على الرغم من أن هذا ممكن في الممارسة العملية، بالطبع، ليس دائمًا. ومن المزايا الرئيسية للرنين المغناطيسي النووي أنه من ناحية، فإن مجساته الطبيعية، أي النوى المغناطيسية، موزعة في جميع أنحاء الجزيء، ومن ناحية أخرى، فإنه يسمح للمرء بتمييز هذه النوى عن بعضها البعض والحصول على بيانات انتقائية مكانية على خصائص الجزيء. توفر جميع الطرق الأخرى تقريبًا معلومات إما متوسطًا على الجزيء بأكمله أو عن جزء واحد منه فقط.
الرنين المغناطيسي النووي له عيبان رئيسيان. أولاً، إنها حساسية منخفضة مقارنة بمعظم الطرق التجريبية الأخرى (التحليل الطيفي البصري، الفلورسنت، EPR، وما إلى ذلك). وهذا يؤدي إلى حقيقة أنه من أجل تقليل الضوضاء، يجب تجميع الإشارة لفترة طويلة. في بعض الحالات، يمكن إجراء تجربة الرنين المغناطيسي النووي لعدة أسابيع. ثانيا، أنها مكلفة. تعد أجهزة قياس الطيف بالرنين المغناطيسي النووي من بين أغلى الأدوات العلمية، حيث تكلف ما لا يقل عن مئات الآلاف من الدولارات، وأغلى أجهزة قياس الطيف تكلف عدة ملايين. لا تستطيع جميع المختبرات، وخاصة في روسيا، الحصول على مثل هذه المعدات العلمية.
- مغناطيس لمطياف الرنين المغناطيسي النووي
أحد أهم وأغلى أجزاء جهاز قياس الطيف هو المغناطيس، الذي يخلق مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا. كلما كان المجال أقوى، زادت الحساسية والدقة الطيفية، لذلك يحاول العلماء والمهندسون باستمرار رفع الحقول إلى أعلى مستوى ممكن. يتم إنشاء المجال المغناطيسي بواسطة التيار الكهربائي في الملف اللولبي - كلما كان التيار أقوى، كان المجال أكبر. ومع ذلك، من المستحيل زيادة التيار إلى أجل غير مسمى، مع تيار مرتفع للغاية، سيبدأ سلك الملف اللولبي ببساطة في الذوبان. لذلك، لفترة طويلة جدًا، استخدمت مطياف الرنين المغناطيسي النووي عالي المجال مغناطيسات فائقة التوصيل، أي المغناطيسات التي يكون فيها سلك الملف اللولبي في حالة فائقة التوصيل. في هذه الحالة، تكون المقاومة الكهربائية للسلك صفرًا، ولا يتم إطلاق أي طاقة عند أي قيمة تيار. لا يمكن تحقيق حالة التوصيل الفائق إلا عند درجات حرارة منخفضة جدًا، فقط بضع درجات كلفن، وهي درجة حرارة الهيليوم السائل. (لا تزال الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية مجالًا للأبحاث الأساسية البحتة). إن الحفاظ على درجة حرارة منخفضة كهذه ترتبط بجميع الصعوبات التقنية في تصميم وإنتاج المغناطيس، مما يجعلها باهظة الثمن. تم بناء المغناطيس فائق التوصيل على مبدأ الترمس ماتريوشكا. يقع الملف اللولبي في المركز، في غرفة الفراغ. وهو محاط بقشرة تحتوي على الهيليوم السائل. هذه القشرة محاطة بقشرة من النيتروجين السائل من خلال طبقة مفرغة. تبلغ درجة حرارة النيتروجين السائل 196 درجة مئوية تحت الصفر، والنيتروجين ضروري لضمان تبخر الهيليوم ببطء قدر الإمكان. وأخيرًا، يتم عزل غلاف النيتروجين عن درجة حرارة الغرفة بواسطة طبقة مفرغة خارجية. مثل هذا النظام قادر على الحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة للمغناطيس فائق التوصيل لفترة طويلة جدًا، على الرغم من أن هذا يتطلب إضافة النيتروجين السائل والهيليوم بانتظام إلى المغناطيس. ميزة هذه المغناطيسات، بالإضافة إلى القدرة على الحصول على مجالات مغناطيسية عالية، هي أيضًا أنها لا تستهلك الطاقة: بعد بدء تشغيل المغناطيس، يمر التيار عبر أسلاك فائقة التوصيل دون أي خسائر تقريبًا لسنوات عديدة.
- الأشعة المقطعية
في مطياف الرنين المغناطيسي النووي التقليدي، يحاولون جعل المجال المغناطيسي موحدًا قدر الإمكان، وهذا ضروري لتحسين الدقة الطيفية. ولكن إذا كان المجال المغناطيسي داخل العينة، على العكس من ذلك، غير متجانس للغاية، فإن هذا يفتح إمكانيات جديدة بشكل أساسي لاستخدام الرنين المغناطيسي النووي. يتم إنشاء عدم تجانس المجال من خلال ما يسمى بالملفات المتدرجة، والتي تعمل جنبًا إلى جنب مع المغناطيس الرئيسي. في هذه الحالة، سيكون حجم المجال المغناطيسي في أجزاء مختلفة من العينة مختلفًا، مما يعني أنه لا يمكن ملاحظة إشارة الرنين المغناطيسي النووي من العينة بأكملها، كما هو الحال في مقياس الطيف التقليدي، ولكن فقط من طبقتها الضيقة، والتي من أجلها استيفاء شروط الرنين، أي العلاقة المطلوبة بين المجال المغناطيسي والتردد. من خلال تغيير حجم المجال المغناطيسي (أو، وهو في الأساس نفس الشيء، تردد مراقبة الإشارة)، يمكنك تغيير الطبقة التي ستنتج الإشارة. وبهذه الطريقة، من الممكن "مسح" العينة بكامل حجمها و"رؤية" بنيتها الداخلية ثلاثية الأبعاد دون تدمير العينة بأي طريقة ميكانيكية. حتى الآن، تم تطوير عدد كبير من التقنيات التي تتيح قياس معلمات الرنين المغناطيسي النووي المختلفة (الخصائص الطيفية، وأوقات الاسترخاء المغناطيسي، ومعدل الانتشار الذاتي وبعض الخصائص الأخرى) مع الدقة المكانية داخل العينة. الأكثر إثارة للاهتمام والأكثر أهمية، من الناحية العملية، هو أن تطبيق التصوير المقطعي بالرنين المغناطيسي النووي تم العثور عليه في الطب. وفي هذه الحالة، فإن "العينة" التي تتم دراستها هي جسم الإنسان. يعد التصوير بالرنين المغناطيسي النووي أحد أكثر أدوات التشخيص فعالية وأمانًا (ولكنه أيضًا مكلف) في مختلف مجالات الطب، بدءًا من الأورام وحتى طب التوليد. ومن المثير للاهتمام أن الأطباء لا يستخدمون كلمة “نووي” باسم هذه الطريقة، لأن بعض المرضى يربطونها بالتفاعلات النووية والقنبلة الذرية.
- تاريخ الاكتشاف
يعتبر عام اكتشاف الرنين المغناطيسي النووي هو عام 1945، عندما لاحظ الأمريكيون فيليكس بلوخ من جامعة ستانفورد، وبشكل مستقل عنه، إدوارد بورسيل وروبرت باوند من جامعة هارفارد، لأول مرة إشارة الرنين المغناطيسي النووي على البروتونات. بحلول ذلك الوقت، كان الكثير معروفًا بالفعل عن طبيعة المغناطيسية النووية، وكان قد تم التنبؤ بتأثير الرنين المغناطيسي النووي نفسه من الناحية النظرية، وتم إجراء عدة محاولات لمراقبته تجريبيًا. من المهم أن نلاحظ أنه قبل عام في الاتحاد السوفيتي، في كازان، تم اكتشاف ظاهرة EPR من قبل إيفجيني زافويسكي. ومن المعروف الآن أن زافويسكي لاحظ أيضًا إشارة الرنين المغناطيسي النووي، وكان ذلك قبل الحرب، في عام 1941. ومع ذلك، كان تحت تصرفه مغناطيسًا منخفض الجودة ذو انتظام مجال رديء؛ وكانت النتائج قابلة للتكرار بشكل سيئ، وبالتالي ظلت غير منشورة. ولكي نكون منصفين، تجدر الإشارة إلى أن زافويسكي لم يكن الوحيد الذي لاحظ الرنين المغناطيسي النووي قبل اكتشافه "الرسمي". على وجه الخصوص، لاحظ الفيزيائي الأمريكي إيسيدور رابي (الحائز على جائزة نوبل عام 1944 لدراسته عن الخواص المغناطيسية للنوى في الحزم الذرية والجزيئية) الرنين المغناطيسي النووي في أواخر الثلاثينيات، لكنه اعتبره قطعة أثرية مفيدة. بطريقة أو بأخرى، تحتفظ بلادنا بالأولوية في الكشف التجريبي عن الرنين المغناطيسي. على الرغم من أن زافويسكي نفسه بدأ في التعامل مع مشاكل أخرى بعد فترة وجيزة من الحرب، إلا أن اكتشافه لعب دورًا كبيرًا في تطور العلوم في قازان. لا تزال قازان واحدة من المراكز العلمية الرائدة في العالم في مجال التحليل الطيفي EPR.
- جوائز نوبل في الرنين المغناطيسي
في النصف الأول من القرن العشرين، مُنحت العديد من جوائز نوبل لعلماء لم يكن من الممكن أن يتم اكتشاف الرنين المغناطيسي النووي لولا أعمالهم. ومن بينهم بيتر زيمان وأوتو ستيرن وإيزيدور رابي وولفجانج باولي. ولكن كانت هناك أربع جوائز نوبل مرتبطة مباشرة بالرنين المغناطيسي النووي. وفي عام 1952، مُنحت الجائزة إلى فيليكس بلوخ وإدوارد بورسيل لاكتشافهما الرنين المغناطيسي النووي. وهذه هي جائزة نوبل "NMR" الوحيدة في الفيزياء. وفي عام 1991، حصل السويسري ريتشارد إرنست، الذي كان يعمل في المعهد التقني الفدرالي العالي الشهير في زيوريخ، على الجائزة في الكيمياء. تم منحه لتطوير طرق التحليل الطيفي للرنين المغناطيسي النووي متعدد الأبعاد، مما جعل من الممكن زيادة محتوى المعلومات في تجارب الرنين المغناطيسي النووي بشكل جذري. وفي عام 2002، كان الفائز بالجائزة، في الكيمياء أيضًا، هو كورت ووتريخ، الذي عمل مع إرنست في المباني المجاورة في نفس المدرسة التقنية. حصل على الجائزة لتطوير طرق تحديد البنية ثلاثية الأبعاد للبروتينات في المحلول. في السابق، كانت الطريقة الوحيدة لتحديد التشكل المكاني للجزيئات الحيوية الكبيرة هي تحليل حيود الأشعة السينية. وأخيرا، في عام 2003، حصل الأمريكي بول لوتربور والإنجليزي بيتر مانسفيلد على الجائزة الطبية لاختراع التصوير المقطعي بالرنين المغناطيسي النووي. للأسف، لم يحصل المكتشف السوفيتي لـ EPR، E. K. Zavoisky، على جائزة نوبل.
الرنين المغناطيسي
الامتصاص الرنان (الانتقائي) لإشعاع التردد الراديوي بواسطة جزيئات ذرية معينة موضوعة في مجال مغناطيسي ثابت. معظم الجسيمات الأولية، مثل القمم، تدور حول محورها. إذا كان للجسيم شحنة كهربائية، فعندما يدور ينشأ مجال مغناطيسي، أي. يتصرف مثل مغناطيس صغير. عندما يتفاعل هذا المغناطيس مع مجال مغناطيسي خارجي، تحدث ظواهر تجعل من الممكن الحصول على معلومات حول النوى أو الذرات أو الجزيئات التي تحتوي على هذا الجسيم الأولي. تعد طريقة الرنين المغناطيسي أداة بحث عالمية تستخدم في مجالات العلوم المتنوعة مثل الأحياء والكيمياء والجيولوجيا والفيزياء. هناك نوعان رئيسيان من الرنين المغناطيسي: الرنين المغناطيسي الإلكتروني والرنين المغناطيسي النووي.
أنظر أيضا
المغناطيس والخصائص المغناطيسية للمادة؛
الجسيمات الأولية.
الرنين المغنطيسي الإلكتروني (EPR).تم اكتشاف EPR في عام 1944 من قبل الفيزيائي الروسي إي كيه زافويسكي. تتصرف الإلكترونات الموجودة في المواد مثل المغناطيسات المجهرية. في المواد المختلفة، يتم إعادة توجيهها بطرق مختلفة إذا تم وضع المادة في مجال مغناطيسي خارجي ثابت وتعرضت لمجال تردد راديوي. تكون عودة الإلكترونات إلى اتجاهها الأصلي مصحوبة بإشارة تردد راديوي تحمل معلومات حول خصائص الإلكترونات وبيئتها. تُستخدم هذه الطريقة، وهي نوع من التحليل الطيفي، لدراسة التركيب البلوري للعناصر، وكيمياء الخلايا الحية، والروابط الكيميائية في المواد، وما إلى ذلك.
أنظر أيضايتراوح ؛ التحليل الطيفي.
الرنين المغناطيسي النووي (NMR).تم اكتشاف الرنين المغناطيسي النووي في عام 1946 من قبل الفيزيائيين الأمريكيين إي بورسيل وإف بلوخ. ومن خلال العمل بشكل مستقل عن بعضها البعض، وجدوا طريقة "لضبط" الدوران الداخلي لنواة بعض الذرات، على سبيل المثال الهيدروجين وأحد نظائر الكربون، في المجالات المغناطيسية. عندما يتم وضع عينة تحتوي على هذه النوى في مجال مغناطيسي قوي، فإن عزومها النووية "تصطف" مثل برادة الحديد بالقرب من المغناطيس الدائم. يمكن تعطيل هذا الاتجاه العام بواسطة إشارة التردد اللاسلكي. عندما يتم إيقاف الإشارة، تعود اللحظات النووية إلى حالتها الأصلية، وتعتمد سرعة هذه الاستعادة على حالة الطاقة الخاصة بها، ونوع النوى المحيطة بها وعدد من العوامل الأخرى. ويرافق الانتقال انبعاث إشارة تردد الراديو. يتم إرسال الإشارة إلى جهاز كمبيوتر يقوم بمعالجتها. وبهذه الطريقة (طريقة التصوير المقطعي المغناطيسي النووي المحوسب) يمكن الحصول على الصور. (عندما يتم تغيير المجال المغناطيسي الخارجي في خطوات صغيرة، يتم تحقيق تأثير الصورة ثلاثية الأبعاد.) توفر طريقة الرنين المغناطيسي النووي تباينًا عاليًا للأنسجة الرخوة المختلفة في الصورة، وهو أمر مهم للغاية لتحديد الخلايا المريضة مقابل الخلايا السليمة. يعتبر التصوير بالرنين المغناطيسي النووي أكثر أمانًا من الأشعة السينية، لأنه لا يسبب تدمير الأنسجة أو تهيجها
(انظر أيضًا الأشعة السينية). يسمح الرنين المغناطيسي النووي أيضًا بدراسة الخلايا الحية دون الإخلال بوظائفها الحيوية. ولذلك، ينبغي لنا أن نتوقع زيادة استخدام الرنين المغناطيسي النووي في الطب السريري. انظر أيضًا الجراحة.موسوعة كولير. - المجتمع المفتوح. 2000 .
ترى ما هو "الرنين المغناطيسي" في القواميس الأخرى:
انتخب امتصاص مادة للكهرباء. ماج. موجات ذات تردد معين w، بسبب التغير في اتجاه المجال المغناطيسي. لحظات من جزيئات المادة (الإلكترونات، في. النوى). طاقة مستويات الجسيمات ذات المغناطيس لحظة م، في تحويلة. ماج. المجال ح... ... الموسوعة الفيزيائية
انتخب الامتصاص في el. ماج. موجات محددة التردد w، بسبب تغير الاتجاه المغناطيسي. لحظات h c في va (el new، at. nuclei). طاقة مستويات الشاي الذي يحتوي على المغناطيس لحظة م، في تحويلة. ماج. يتم تقسيم المجال H إلى المغناطيسي ... ... الموسوعة الفيزيائية
الرنين المغناطيسي- - [Ya.N.Luginsky، M.S.Fezi Zhilinskaya، Yu.S.Kabirov. القاموس الإنجليزي الروسي للهندسة الكهربائية وهندسة الطاقة، موسكو، 1999] موضوعات الهندسة الكهربائية، المفاهيم الأساسية EN الرنين المغناطيسي ... دليل المترجم الفني
الامتصاص الانتقائي لمادة ما لموجات كهرومغناطيسية ذات طول موجي معين، ناجم عن تغير في اتجاه العزوم المغناطيسية للإلكترونات أو النوى الذرية. مستويات الطاقة لجسيم ذو عزم مغناطيسي (انظر... ... الموسوعة السوفيتية الكبرى
انتخب امتصاص الكهرباء ماج. إشعاع بتردد معين من الخارج. ماج. مجال. بسبب التحولات بين المغناطيسي مستويات فرعية من نفس مستوى الطاقة للذرة والنواة والأنظمة الكمومية الأخرى. نائب. أمثلة مهمة على مثل هذه الأصداء ... ... علم الطبيعة. القاموس الموسوعي
الرنين المغناطيسي- الامتصاص الانتقائي للمادة للموجات الكهرومغناطيسية ذات تردد معين، الناجم عن تغير في اتجاه العزوم المغناطيسية لجزيئات المادة؛ أنظر أيضا: الرنين المغناطيسي النووي الرنين (NMR) ... القاموس الموسوعي للمعادن
الرنين المغناطيسي- حالات المغناطيسية المؤثرة على المواد الكيميائية التي تحتوي على مواد كيميائية كهرومغناطيسية رائعة تجذب وسائل العلاج. السمات: الإنجليزية. روس الرنين المغناطيسي. الرنين المغناطيسي... تنتهي الكيمياء بحياة جديدة
- (NMR) الامتصاص الانتقائي للكهرباء. ماج. الطاقة في الهواء بسبب المغناطيسية النووية. الرنين المغناطيسي النووي (NMR) هي إحدى طرق التحليل الطيفي الراديوي، والتي يتم ملاحظتها عندما تؤثر المغناطيسات المتعامدة بشكل متبادل على العينة قيد الدراسة. الحقول: ثابت قوي H0 ... الموسوعة الفيزيائية
صورة لدماغ بشري على التصوير المقطعي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) الطبي امتصاص الرنين المغناطيسي النووي (NMR) أو انبعاث الطاقة الكهرومغناطيسية بواسطة مادة تحتوي على نوى ذات دوران غير صفري في مجال مغناطيسي خارجي، بتردد ν ... ... ويكيبيديا
- (NMR) الامتصاص الانتقائي للطاقة الصوتية. الاهتزازات (الفونونات)، بسبب إعادة توجيه المجال المغناطيسي. لحظات عند. النوى في التلفزيون جسم موضوع في مجال مغناطيسي ثابت . مجال. بالنسبة لمعظم النوى، يتم ملاحظة امتصاص الرنين في منطقة الموجات فوق الصوتية... ... الموسوعة الفيزيائية
كتب
- الرنين المغناطيسي في الكيمياء والطب، ر. فريمان، دراسة العالم الشهير في مجال التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي ر. فريمان يجمع بين الفحص البصري للمبادئ الأساسية للرنين المغناطيسي في الكيمياء والطب (علم الأحياء) مع… الفئة: فيزياء الناشر: كراسند, الشركة المصنعة: كراسند,
- يقدم الرنين المغناطيسي النووي في الكيمياء غير العضوية والكيمياء التنسيقية، M. A. Fedotov، دراسة إمكانيات طريقة الرنين المغناطيسي النووي (NMR) في دراسة المواد غير العضوية. تعتبر سمات ظاهرة الرنين المغناطيسي النووي في الطور السائل وتقنيات القياس...
1.1. من تاريخ التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي.
حتى وقت قريب، كان فهمنا لبنية الذرات والجزيئات يعتمد على الدراسات التي تستخدم التحليل الطيفي البصري. فيما يتعلق بتحسين الأساليب الطيفية، التي طورت مجال القياسات الطيفية في نطاق الترددات العالية جدًا (حوالي 10 3 - 10 6 ميجا هرتز؛ موجات الراديو الدقيقة) والترددات العالية (حوالي 10 - 2 - 10 2 ميجا هرتز؛ الراديو) موجات)، ظهرت مصادر جديدة للمعلومات حول بنية المادة. عند امتصاص وإصدار الإشعاع في هذا النطاق الترددي، تحدث نفس العملية الأساسية كما في النطاقات الأخرى من الطيف الكهرومغناطيسي، وهي أنه عند الانتقال من مستوى طاقة إلى آخر، يمتص النظام أو يصدر كمية من الطاقة.
يبلغ الفرق في مستويات الطاقة وطاقة الكمات المشاركة في هذه العمليات حوالي 10 -7 فولت لمنطقة الترددات الراديوية وحوالي 10 -4 فولت لمنطقة الترددات الفائقة.
تم اكتشاف وجود العزوم النووية لأول مرة من خلال دراسة البنية فائقة الدقة للأطياف الإلكترونية لذرات معينة باستخدام مقاييس الطيف الضوئية عالية الدقة.قادت البنية فائقة الدقة للأطياف الذرية باولي في عام 1924 إلى فكرة أن بعض النوى لها زخم زاوي (زخم زاوي)، وبالتالي، عزم مغناطيسي يتفاعل مع الإلكترونات المدارية الذرية. تم تأكيد هذه الفرضية لاحقًا من خلال القياسات الطيفية، والتي مكنت من تحديد قيم العزوم الزاوية والمغناطيسية للعديد من النوى.
تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي، تتجه العزوم المغناطيسية للنوى بطريقة معينة، ويصبح من الممكن ملاحظة التحولات بين مستويات الطاقة النووية المرتبطة بهذه التوجهات المختلفة: التحولات التي تحدث تحت تأثير إشعاع ذي تردد معين . إن تكميم مستويات الطاقة النووية هو نتيجة مباشرة للطبيعة الكمومية للزخم الزاوي للنواة التي تأخذ 2 أنا+ 1 القيم. العدد الكمي المغزلي (اللف المغزلي) أنايمكن أن تأخذ أي قيمة تكون من مضاعفات 1/2؛ 176 71 لو لديه أعلى قيمة معروفة (≥7). أكبر قيمة قابلة للقياس للزخم الزاوي (أكبر قيمة لإسقاط اللحظة على الاتجاه المحدد) تساوي Iħ، حيث ħ=h/2π، وh هو ثابت بلانك.
قيم أنالا يمكن التنبؤ بنواة محددة، ولكن لوحظ أن النظائر التي يكون فيها العدد الكتلي والعدد الذري متساويين أنا= 0، والنظائر ذات الأعداد الكتلية الفردية لها قيم دوران نصف عدد صحيح. هذا هو الوضع الذي تكون فيه أعداد البروتونات والنيوترونات في النواة متساوية ومتساوية ( أنا= 0)، يمكن اعتبارها حالة ذات "اقتران كامل"، مشابه للاقتران الكامل للإلكترونات في جزيء مغناطيسي.في عام 1921 أظهر ستيرن وجيرلاخ بطريقة الشعاع الذري أن القيم القابلة للقياس للعزم المغناطيسي للذرة تكون منفصلة وفقًا للتكميم المكاني للذرة في مجال مغناطيسي غير متجانس. في التجارب اللاحقة، من خلال تمرير شعاع من جزيئات الهيدروجين عبر مجال مغناطيسي ثابت، كان من الممكن قياس العزم المغناطيسي الصغير لنواة الهيدروجين. كان التطوير الإضافي للطريقة يتمثل في تعرض الشعاع لمجال مغناطيسي إضافي يتأرجح بتردد يتم عنده إحداث التحولات بين مستويات الطاقة النووية المقابلة للقيم الكمومية للحظة المغناطيسية النووية.
إذا كان عدد الدوران النووي هو I، فإن النواة لديها (2I+1) مستويات طاقة متباعدة بشكل متساو؛ في مجال مغناطيسي ثابت القوة H، المسافة بين أعلى وأدنى هذه المستويات هي 2mH، حيث m هي القيمة القصوى القابلة للقياس للعزم المغناطيسي للنواة. ومن ثم، فإن المسافة بين المستويات المجاورة تساوي mH/I، وتردد المجال المغناطيسي المتذبذب، الذي يمكن أن يسبب التحولات بين هذه المستويات، يساوي mH/Ih.
في تجربة الحزمة الجزيئية، تصل تلك الجزيئات التي لا تتغير طاقتها إلى الكاشف. يتم تحديد التردد الذي تحدث عنده انتقالات الرنين بين المستويات عن طريق تغيير (مسح) التردد بشكل تسلسلي في نطاق معين. عند تردد معين يحدث انخفاض مفاجئ في عدد الجزيئات التي تصل إلى الكاشف.
تم إجراء أول عمليات رصد ناجحة للرنين المغناطيسي النووي من هذا النوع باستخدام مجالات مغناطيسية رئيسية تبلغ عدة كيلو أورستد، وهو ما يتوافق مع ترددات المجال المغناطيسي المتذبذب في المدى 10 5 -10 8 هرتز. يمكن أن يحدث تبادل الطاقة الرنانة ليس فقط في الحزم الجزيئية؛ يمكن ملاحظتها في جميع حالات المادة.
في عام 1936 حاول هورنر اكتشاف رنين نوى Li 7 في فلوريد الليثيوم ونواة H 1 في شب البوتاسيوم. محاولة أخرى فاشلة قام بها جورتنر وبروهر في عام 1942. كان من المفترض أن يتم تسجيل امتصاص الطاقة عالية التردد عند الرنين في هذه التجارب باستخدام طريقة قياس السعرات الحرارية وعن طريق التشتت الشاذ، على التوالي. وكان السبب الرئيسي لفشل هذه التجارب هو اختيار الأشياء غير المناسبة. فقط في نهاية عام 1945، تم تشكيل مجموعتين من الفيزيائيين الأمريكيين بقيادة ف. بلوخ وإ.م. كان بورسيل أول من حصل على إشارات الرنين المغناطيسي النووي. لاحظ بلوخ امتصاص الرنين على البروتونات في الماء، ونجح بورسيل في اكتشاف الرنين النووي على البروتونات في البارافين. لهذا الاكتشاف حصلوا على جائزة نوبل في عام 1952.
1.2. التطبيقات التكنولوجية للرنين المغناطيسي النووي (المزايا الرئيسية لطريقة الرنين المغناطيسي النووي).
إن طريقة الرنين المغناطيسي النووي، رغم أنها تسمى طريقة الرنين المغناطيسي النووي، لا علاقة لها بالفيزياء النووية، التي كما هو معروف تدرس عمليات التحول النووي، أي. العمليات الإشعاعية. وفي هذه الحالة فإن الطاقة المغناطيسية (وظاهرة الرنين المغناطيسي النووي تحدث عندما توضع العينة قيد الدراسة في مجال مغناطيسي ثابت) لا تأثيراتعلى الخواص الديناميكية الحرارية للمادة، لأن إنها عدة مرات (أو بالأحرى عدة أوامر من حيث الحجم) أقل من خاصية الطاقة الحرارية للعمليات التي تحدث في ظل الظروف العادية، بما في ذلك العمليات البيولوجية.
المزايا الرئيسية لطريقة الرنين المغناطيسي النووي.
- دقة عالية - تشغيل عشرةأوامر ذات حجم أكبر من التحليل الطيفي البصري.
فرصة للقيادة كميالمحاسبة (العد) من النوى الرنانة. وهذا يفتح الفرص للتحليل الكمي للمادة.
ويعتمد أطياف الرنين المغناطيسي النووي على طبيعة العمليات التي تحدث في المادة قيد الدراسة. ولذلك، يمكن دراسة هذه العمليات باستخدام الطريقة المشار إليها. علاوة على ذلك، فقد تبين أنه يمكن الوصول إليه مؤقتيمتد المقياس على نطاق واسع جدًا - من عدة ساعات إلى أجزاء صغيرة من الثانية.
تتيح المعدات الإلكترونية وأجهزة الكمبيوتر الحديثة الحصول على المعلمات التي تميز هذه الظاهرة مريحللباحثين ومستخدمي نموذج طريقة الرنين المغناطيسي النووي. هذا الظرف مهم بشكل خاص عندما يتعلق الأمر بالاستخدام العملي للبيانات التجريبية.
الميزة الرئيسية للرنين المغناطيسي النووي مقارنة بالأنواع الأخرى من التحليل الطيفي هي القدرة على تحويل وتعديل الدوران النووي الهاملتوني حسب رغبة المجرب، عمليا دون أي قيود، وضبطه حسب المتطلبات الخاصة للمشكلة التي يتم حلها. نظرًا للتعقيد الكبير لنمط الخطوط التي لم يتم حلها بشكل كامل، لا يمكن فك رموز العديد من أطياف الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية. ومع ذلك، في الرنين المغناطيسي النووي، فإن تحويل الهاملتوني بحيث يمكن تحليل الطيف بالتفصيل يسمح بتبسيط الأطياف المعقدة في كثير من الحالات.
إن السهولة التي يمكن بها تحويل السبين النووي الهاملتوني ترجع إلى أسباب معينة. ونظرًا لأن التفاعلات النووية ضعيفة، فمن الممكن إدخال اضطرابات قوية كافية لقمع التفاعلات غير المرغوب فيها. في التحليل الطيفي البصري، تتمتع التفاعلات المقابلة بطاقة أعلى بكثير، وتكون مثل هذه التحولات مستحيلة تقريبًا.
يلعب تعديل السبين هاميلتون دورًا مهمًا في العديد من تطبيقات التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي أحادي البعد. حاليًا، من الشائع تبسيط الأطياف أو زيادة محتوى معلوماتها باستخدام فصل الدوران، أو المتوسط المتماسك عن طريق تسلسل النبضات المتعددة، أو دوران العينة، أو التوجه الجزئي في المذيبات البلورية السائلة.
عند الحديث عن مزايا أجهزة الرنين المغناطيسي النووي، من الضروري الانطلاق من الإمكانيات الحقيقية في اقتناء وتشغيل مطياف الرنين المغناطيسي النووي. وفي هذا الصدد تجدر الإشارة إلى ما يلي.
يمكن تنفيذ واجبات المشغل عند العمل على أجهزة قياس الطيف هذه عن طريق: أيبشر. ولكن الصيانة والإصلاح في حد ذاته يتطلب عاليمؤهلات.
إجراء تجارب الرنين المغناطيسي النووي على النحو التالي. يتم وضع العينة قيد الدراسة في مجال مغناطيسي ثابت، والذي يتم إنشاؤه بواسطة مغناطيس دائم، أو في أغلب الأحيان، مغناطيس كهربائي.
في هذه الحالة، يتم تطبيق إشعاع التردد الراديوي، عادة في نطاق العداد، على العينة. يتم اكتشاف الرنين بواسطة أجهزة راديو إلكترونية مناسبة، تتم معالجتها بواسطتها وإصدارها على شكل مخطط طيفي، يمكن تسجيله على راسم الذبذبات أو المسجل، على شكل سلسلة من الأرقام والجداول التي يتم الحصول عليها باستخدام جهاز الطباعة. يمكن أيضًا إدخال إشارة الرنين الناتجة في عملية تكنولوجية معينة للتحكم في هذه العملية أو الدورة.
عادة، إذا كنا نتحدث عن دراسة المركبات الأحادية على نوى الهيدروجين بوزن جزيئي يصل إلى عدة مئات من الوحدات في ظل ظروف ثابتة (وتتم دراسة غالبية هذه المواد)، فيجب أن تكون كتلة العينة قيد الدراسة من عدة مليجرامات إلى مائة ملليغرام. عادة ما يتم إذابة العينة في مذيب أو آخر، ويكون حجم المحلول 0.7¸1 مم3. عند اكتشاف إشارات الرنين المغناطيسي النووي من نوى أخرى غير H1، يمكن أن تصل كتلة العينة إلى جرامين. إذا كانت المادة قيد الدراسة سائلة، فمن الطبيعي أنه ليس من الضروري تحضير محلول في هذه الحالة - كل هذا يتوقف على أهداف التجربة.