Ядерний магнітний резонанс. Томографія

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.