§9.4 Елекронний парамагнітний резонанс

Коли атом з магнітним моментом, відмінним від нуля, помістити в магнітне поле, то кожен енергетичний рівень цього атома розщеплюється.

З розщепленням енергетичних рівнів у магнітному полі, зумовленому наявні­стю в електронів, а також в ядерних частинок магнітних моментів, пов'язане яви­ще магнітного резонансу, яке відіграє велику роль у сучасних методах досліджен­ня будови і властивостей речовини.

Магнітним резонансом називають вибіркове поглинання енергії змінного елек­тромагнітного поля речовиною, яка перебуває в постійному магнітному полі. Важ­ливим випадком резонансного поглинання є електронний парамагнітний резонанс, відкритий у 1944 році Є.К. Завойським.

Явище електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) полягає в поглинанні парамагнітною речовиною мікрохвильового радіовипромінювання за рахунок пе­реходів між підрівнями зееманівського розщеплення енергетичних рівнів.

Розщеплення енергетичних рівнів зумовлене дією постійного магнітного поля на магнітні моменти електронів, які визначають парамагнітні властивості речови­ни. У зовнішньому магнітному полі магнітні моменти атомів прагнуть орієнтува­тися вздовж поля. Водночас відбувається зееманівське розщеплення енергетич­них рівнів і перерозподіл за цими рівнями атомів. Виявляється що заселеність ато­мами підрівнів зеєманівського розщеплення не однакова. Існує переважна орієнтація магнітних моментів атомів уздовж напряму магнітного поля, що відповідає намаг­ніченому стану парамагнітної речовини. При накладанні на речовину змінного маг­нітного поля з частотою

v = = (9.5)

яка збігається з частотою переходу між підрівнями зеєманівського розщеп­лення, відбуватиметься резонанс поглинання електромагнітних хвиль.

Рисунок 3.24

Він зумовлений переважанням числа переходів з більш заселених нижніх енер­гетичних рівнів на менш заселені верхні рівні. Поглинання пропорційне числу по­глинаючих атомів в одиниці об'єму речовини. При індукції В=10³мТл резонансна частота v = 10¹¹ Гц, що відповідає радіодіапазону шкали електромагнітних хвиль ( = 3см).

Графік залежності поглинання електромагнітної енергії Е_погл від індукції магнітного поля В називають спектром ЕПР ( рис.3.24).

В медико-біологічних дослідженнях метод ЕПР використовують для виявлен­ня і дослідження вільних радикалів, фотохімічних процесів, зокрема фотосинтезу, канцерогенності деяких речовин. Якщо досліджувані об'єкти мають діамагнітні вла­стивості, то використовують парамагнітні мітки (радикали кисню), які зв'язуються з молекулами досліджуваного об'єкта. За спектрами ЕПР знаходять положення такої мітки в молекулі. Таким способом можна виявляти розташування різноманітних груп атомів, їх взаємодію і рух.

§ 9.5 Ядерний магнітний резонанс. Ямр-томографія

Ядерним магнітним резонансом (ЯМР) називають вибіркове поглинання елек­тромагнітних хвиль певної частоти речовиною у постійному магнітному полі, зу­мовлене переорієнтацією магнітних моментів ядер. ЯМР є окремим випадком явища магнітного резонансу, як і ЕПР, тому між ними існують певні аналогії.

Магнітні моменти ядер є сумою магнітних моментів нуклонів. Одиницею ви­мірювання магнітних моментів нуклонів є ядерний магнетон _я

_{я =} (9.6)

де e і т_р ~ заряд і маса протона.

Магнітний момент ядра у постійному магнітному полі може приймати лише дискретну орієнтацію. ЯМР відбувається на ядрах, які мають спін 1/2. Вони орієн­туються у напрямку поля або проти нього. Це означає, що енергії ядра будуть відповідати підрівні енергії, відстань між якими залежить від індукції магнітного поля В.

Отже, для даного типу ядер, що перебувають у різному оточенні, резонанс спо­стерігається при різних частотах, що і визначає хімічний зсув. Якщо ядра в молекулі екрановані по різному, то вони займають хімічно не еквівалентні положення.

Спектр ЯМР такої молекули містить стільки резонансних ліній, скільки хімічно не еквівалентних груп ядер даного типу є в молекулі. Інтенсивність кожної лінії про­порційна числу ядер в даній групі. Спектри твердих тіл ширші, ніж спектри рідини.

За числом і положенням спектральних ліній можна встановити структуру молекул. ЯМР спостерігають за допомогою радіоспектроскопів.

З усіх видів комп'ютерних томографів найперспективнішою є система, де використовується явище ядерного магнітного резонансу. Ця система дає змогу одержати зображення будь-яких перерізів людського організму.

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

Якщо ядра фосфору, фтору, водню та інших елементів, що містяться в організмі людини розглядати як "дзиґи", які обертаються навколо своєї осі, помістити в постій­не магнітне поле, то осі "дзиг" орієнтуються в напрямі ліній індукції поля: одні вздовж поля, інші - проти нього. Якщо перпендикулярно прикласти змінний висо­кочастотний сигнал (радіохвилі), то "ядерні дзиги" отримують енергію і оберта­ються навколо силових ліній магнітного поля на чітко визначеній резонансній час­тоті (звідси і назва - ядерний магнітний резонанс).

У певний момент вимикаємо струм, 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 відлуння. За значенням та швидкістю його спаду можна судити про властивості речовини: чим більша густина, тим швидше затухає відлуння.

Нехай об'єкт знаходиться у магнітному полі певної форми та індукції. Розгой­давши "ядерні дзиги", будемо реєструвати їх спінове відлуння. Обробивши на ЕОМ результати вимірювань, отримаємо просторовий розподіл концентрації ядер, а та­кож час, протягом якого заспокоюється спінове відлуння - ЯМР-томограму.

Вода - основна складова частина біологічних об'єктів, тому досліджуваним сигналом під час ЯМР-томографії є сигнал протонного магнітного резонансу мо­лекул води.

Частота ЯМР пропорційна індукції зовнішнього магнітного поля і тому, ство­рюючи градієнт поля у тканині, одержуємо спектр ЯМР, в якому інтенсивність сигналу за певної частоти буде характеризувати відносний вміст води у тій час­тині тканини, яка знаходиться в ділянці певного значення магнітного поля.

Досліджуваний біологічний об'єкт у магнітному полі розглядають із різних сторін. За одержаними проекціями, із використанням комп'ютера, отримують зоб­раження. У різних частинах зразка амплітуда ЯМР-сигналу різна , і це дає змогу досліджувати кожну точку біологічного об'єкта. Таким способом можна виявити розмір та положення пухлин в організмі. Тканинам пухлин властива більша намаг­ніченість, тому сигнал ЯМР води пухлини насичується легше, ніж сигнал нормаль­ної тканини. Такий метод дослідження можна використовувати для одержання зображень органів усередині грудної клітки або певних ділянок в ділянці черепа. Окрім дослідження протонного резонансу, у біологічних дослідженнях використовують спектроскопію ЯМР на інших ядрах: ¹³С, ³¹Р тощо.

Якщо ЯМР-томограф налаштувати на певну частоту радіовипромінювання та індукцію поля, то відреагують ядра певного типу атомів, наприклад, водню, фосфору. Можна дослідити і ядра інших елементів. Таким чином, ЯМР-томографія дає можливість досліджувати тонкі хімічні процеси в біотканинах людини. ЯМР-томографія має не лише великі діагностичні можливості, але й гарантує повну без­пеку для пацієнта. Це метод візуалізації та точних вимірювань внутрішніх струк­тур складних об'єктів без їх руйнування.

Розділ 10 Рентгенівське випромінювання променів