Ядерный магнитный резонанс

1. Ядерный Магнитный Резонанс

2. Принцип метода ЯМР

Во многом аналогичен принципу метода ЭПР. Заключается в
поглощении электромагнитного излучения ядрами атомов, имеющими
ненулевой магнитный момент, при их помещении в магнитное поле.
-½gNbNH
E
E = hn
DE = 2mH=gNbNH
H
+½gNbNH
g Nb NH
= hn
Явление ЯМР открыто Блохом в 1945 году. В 1952 г. это открытие
отмечено Нобелевской премией.

3. Как определить величину магнитного момента ядра?

Число протонов
(порядковый номер)
четный
Массовое число
(число протонов +
число нейтронов)
четное
Число нейтронов
(массовое число –
порядковый номер)
четное
четный
нечетное
нечетное
нечетный
нечетное
четное
нечетный
четное
нечетное
Спиновое
квантовое
число
I=0
I = 1/2
I=
1/
2
I=1
Пример
12 C
6
16 O
8
13 С
6
1 H
1
15 N
7
14 N
7
2 D
1
Ядро атома будет иметь ненулевой магнитный момент, в том случае,
если число протонов или число нейтронов (или оба), будут нечетные.

4. Энергия ядра в магнитном поле

h
PN I
2
mN
eN
*
PN
2mN
eN h
mN * I *
4 mN
E mN * H
mN – магнитный момент ядра
PN - механический момент ядра
I - спиновое квантовое число ядра
eN - заряд протона
mN – масса протона
- гиромагнитное отношение
bN - ядерный магнетон Бора
eN h
bN
4 mN
mN * I * b N
E * I * b N * H

5. Количественные различия между ЭПР и ЯМР

eh
b
4 m
hn gb H
N m
N m
e
2m H
kT
T1 2T2
T
2T1T2
be
1833
bN
mN
1833
me
ЯМР : n 8 *108 Гц
40 см
ЭПР :n 10 Гц
3 см
10
ЭПР :
N m N m
N m N m
10
3
ЯМР :
N m N m
N m N m
10 6
ЭПР :Т 10 8 10 5 с ЯМР :Т 10 1 10 с

6. Свойства спектров ЯМР

1. Интенсивность сигнала.
Пропорциональна концентрации
магнитных ядер в образце.
2. Химический сдвиг. Зависит от
степени экранировки ядер
электронами. Измеряется в
миллионных долях (м.д.).
3. Спин-спиновое расщепление линий. Зависит от количества
магнитных ядер в непосредственной близости от поглощающего
ядра. Это свойство спектра в некоторой степени аналогично
сверхтонкой структуре в спектрах ЭПР.
4. Ширина линии. Как и в ЭПР спектроскопии определяется
временем релаксации ядер, которое в свою очередь зависит от
взаимосвязей ядер и электронов.

7. Химический сдвиг

CH3CH2Cl
d
Электроны, прецессируя
вокруг вектора внешнего
магнитного поля, создают
дополнительное магнитный
момент:
H'=s*H0
H' – дополнительный
магнитный момент,
H0 – вектор внешнего
магнитного поля,
s - константа экранирования
d
Hэфф = H0 - H' = H0 – sH0 = H0(1-s)
Химический сдвиг измеряется в относительных единицах,
называемых «миллионными долями» (“ppm”) и вычисляется как:
d = Dn/n0 *106 = DH/H0 *106

8. Влияние растворителя на величину химического сдвига

9. Спин-спиновое расщепление линий

Взаимодействие магнитных
ядер друг с другом приводит
к расщеплению линий. Расстояние между линиями
характеризуется константой
спин-спинового взаимодействия J.
Сигнал метильных протонов
(CH3) расщеплен на 3 пика
(1:2:1), т.к. в соседней
метиленовой группе есть 2
эквивалентных протона.
Сигнал метиленовых протонов (CH2) расщеплен на 4 пика (1:3:3:1), т.к.
в соседней метильной группе есть 3 эквивалентных протона.

10. Блок-схема спектрометра ЯМР

магнит
образец
блок
магнита
управление
магнитом
усилитель
сигнала
блок
управления
индуцирующие
катушки
детектирующие
катушки
блок
детектора
и
усиления

11. Устройство магнита ЯМР спектрометра

12. Спектр ЯМР 13С олеиновой кислоты

180.58
130.03
129.74
34.18
31.99
29.73
Inten
sity
221
353
377
377
304
765
29.65
29.40
696
853
29.14
1000
27.24
608
24.73
22.74
14.12
368
333
333
d, ppm
n=15.09 МГц
Atom
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18

13. Спектр ЯМР 1H олеиновой кислоты

Atom
d, ppm
A
B
C
D
E
11.00
5.35
5.33
2.33
2.00
F
G
J
1.63
1.45 to 1.23
0.88
n=89.56 МГц

14. Спектр ЯМР 1H олеиновой кислоты

Atom
A
B
C
D
E
F
G
J
d, ppm
5.34
2.34
2.01
1.63
1.35
1.31
1.27
0.88
n=399.65 MHz

15. Применение в медико-биологических исследованиях

Применение в медикобиологических исследованиях
1. Исследование структуры белков с помощью 1Н-ЯМР
высокого разрешения и Фурье-преобразований.
2. Изучение свойств свободной и связанной воды
помощью импульсного 1Н-ЯМР.
3. 13С-ЯМР спектроскопия применяется для изучения
белков, нуклеиновых кислот и других биологически
важных соединений. Обладает большей
чувствительностью, чем 1Н-ЯМР.
4. 31Р-ЯМР спектроскопия часто применяется для
исследования структуры и функций фосфолипидов.

16. Рекомендуемая литература:

Книги:
• Керрингтон Э. и МакЛечлан Д. Магнитный резонанс
в химии. Издательство «Наука», 1972 г.
• Кантор Л.Р. и Шиммел П.Р. Методы биологической
физики. Издательство «Мир», 1983.
Веб-сайт:
http://www.cis.rit.edu/htbooks/nmr

17. Магнитная Резонансная Томография

18. История открытия МРТ

1946
Явление ЯМР: Блох и Пурсел.
1952
Нобелевская премия: Блох и Пурсел
1960
Развитие ЯМР как аналитического метода
1972
1-мерная Томография
1973
Основы МРТ - Лаутербур
1975
МРТ с применением Фурье - Эрнст
1980
3х-мерная МРТ - Эдельштейн
1986
МРТ с использованием Спинового эха
1988
МРТ- ангиография - Дюмулин
2003
Лаутербур и Мансфилд - Нобелевская премия

19. Физические основы МРТ

M0
H0
=
В отсутствие поля Внешнее магнитное поле
приведит к разделению ядер
на 2 группы в соответствии с
распределением Больцмана
Результирующий
ядерный магнитный
момент является
причиной появления
макроскопической
намагниченности

20. Принцип метода МРТ

M0
M0
M0
H0
В отсутствие внешнего
электромагнитного поля
900
электромагнитный
импульс (H1)
1800
электромагнитный
импульс (H1)
В результате воздействия электромагнитного импульса вектор
намагниченности отклоняется от равновесного состояния

21. T1-релаксация (продольная)

M0
z
1
y
x
MZ
M0
MZ=M0(1-e-1)
при t=T1
0,5
0
M0
0
50
Время, c
Интервал времени за который вектор MZ возвращается в
исходное состояние называется временем спин-решеточной
релаксации (T1). Уравнение, описывающее зависимость
вектора MZ от времени выглядит следующим образом:
Mz = Mo ( 1 - e-t/T1 )
100

22.

T2-релаксация (поперечная)
z
z
y
x
M0
M0
z
M0
y
y
x
x
M0
M xy0
1
Интервал времени за который величина
намагниченности MXY возвращается в
равновесное состояние называется
временем спин-спиновой релаксации T2.
MXY = MXY0*e-t/T2
M xy
0,8
Mxy=Mxy0/e
при t=T2
0,6
0,4
0,2
0
0
50
Время, c
100

23. T2-релаксация (поперечная)

Процессы релаксации
Время спин-решеточной релаксации – Т1
Время спин-спиновой релаксации - Т2

24. Значения времени T2 для нормальных и патологически измененных тканей мозга человека

Измерение пространственного
распределения сигнала ЯМР
Объект с несколькими центрами в однородном
магнитном поле дает одиночный сигнал ЯМР

25. Процессы релаксации

Обнаружение сигнала ЯМР в
градиенте магнитного поля

26.

Круговые проекции градиента
магнитного поля
Круговая проекция магнитного поля дает 2х-мерное
изображение изучаемых объектов

27. Время спин-спиновой релаксации T2в нормальных и патологически изменённых тканях мозга

Спад Свободной Индукции
Электромагнитный импульс (RF) вызывает появление сигнала
свободной индукции, который затем исчезает в результате
процессов релаксации (free induction decay или FID).

28. Измерение пространственного распределения сигнала ЯМР

Принцип преобразования Фурье
Преобразование Фурье операция, в результате которой
зависимость сигнала от времени
превращается в его зависимость
от частоты.
f( ) const* f(t)cos( ω t)dt
0

29. Обнаружение сигнала ЯМР в градиенте магнитного поля

Типы МРТ изображений
(ро) - взешенное по протонной плотности
Т1 – взвешенное по времени Т1
Т2 – взвешенное по времени Т2

30. Круговые проекции градиента магнитного поля

Метод восстановления насыщения
M0
M0
M0
M0
y
x
90o ЭМ импульс
T1-релаксация
90o ЭМ импульс
Время повтора (TR)
Вектор намагниченности M0 может быть отклонен на 90o с помощью
ЭМ импульса. За время повтора (TR) система релаксирует и вектор M0
возвращается в равновесное состояние.

31. Спад Свободной Индукции

ССИ
Применение метода восстановления
насыщения для измерения времени T1
100
80
60
40
20
0
TR=2000
0
500
1000
1500
2000
TR=500
TR (s)
Измерение сигнала
свободной индукции (ССИ)
у тканей с различными
значениями времени T1
TR=100
кровь
мышцы жир

32. Принцип преобразования Фурье

МРТ изображение тканей головного мозга,
полученное методом восстановления
насыщения
Серое вещество
Белое вещество
СМЖ
Адипозная ткань
Мышцы
Менингеальная об.

33. Типы МРТ изображений

Метод восстановления
инвертированного сигнала
M0
M0
M0
y
x
180o ЭМ импульс
M0
T1 релаксация
90o ЭМ импульс
Время инверсии (TI)
Вектор намагниченности M0 может быть отклонен на 180o с помощью
ЭМ импульса. За время инверсии (TI) система релаксирует и вектор M0
возвращается в равновесное состояние. Чтобы измерить величину
вектора прикладывают второй 90o импульс.

34. Метод восстановления насыщения

Изображения, полученные методом
восстановления инвертированного
сигнала
TR = 1000 ms
TI = 50 ms
TR = 1000 ms
TI = 250 ms
TR = 1000 ms
TI = 750 ms

35. Применение метода восстановления насыщения для измерения времени T1

Метод Спинового Эха
M0
M0
M0
y
x
90o импульс
T1 релаксация
180o импульс 180o импульс
½ времени эхо
Система подвергается воздействию 90o импульса. После чего
через некоторый интервал времени следует 180o импульс.
Это приводит к появлению эха. Затем следует второй 180o
импульс, который создает дополнительное эхо.

36. МРТ изображение тканей головного мозга, полученное методом восстановления насыщения

Принцип метода Спинового Эха
90o импульс
Расфазировка
180o импульс
Восстановление
фазы
Эхо
90o
180o
180o
T2
За 90o импульсом следует
процесс релаксации,
вызывающий расфазировку
системы. Воздействие 180o
импульса изменяет
направление процесса
расфазировки, что приводит
к восстановлению исходной
фазы у всех элементов
системы (время эхо).
Из амплитуды сигнала
спинового эха может быть
получена величина T2

37. Метод восстановления инвертированного сигнала

Изображения, полученные
методом спинового эха
TR = 250 ms
TE = 20 ms
TR = 750 ms
TE = 20 ms
TR = 2000 ms
TE = 20 ms

38. Изображения, полученные методом восстановления инвертированного сигнала

Изображения позвоночника и
нижних конечностей

39. Метод Спинового Эха

Формулы контрастирующих
веществ

40. Принцип метода Спинового Эха

Магнитно-Резонансный Томограф
Общая схема томографа
Внешний вид томографа

41. Изображения, полученные методом спинового эха

Катушки для МРТ исследования
головы и кисти

42. Изображения позвоночника и нижних конечностей

Рекомендуемая литература:
Книги:
• Ринк П.А. Магнитный резонанс в медицине.
Издательство «Blackwell», 1993 г.
Веб-сайт:
http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri