7.3.4. Метод ядерного магнітного резонансу

Розглянемо основні принципи, що лежать в основі методу ядерного магнітного резонансу (ЯМР), який був відкритий у 1946 році Ф.Блохом і Е.Парселлом. Ядра, що вміщують непарну кількість нуклонів (протонів і нейтронів), мають відмінні від нуля спінові і відповідно магнітні моменти. Такі ядра є парамагнітними частинками.

У зовнішньому магнітному полі система магнітних ядер розпадається на кілька підсистем, відповідно до двох можливих орієнтацій ядерних магнітних моментів відносно напрямку зовнішнього магнітного поля.

Розглянемо окремий випадок ЯМР - протонний маг­нітний резонанс (ПМР). В цьому разі магнітний момент ядра можна записати так:

де .- спінове квантове число ядра (для протона- ядерний магнетон;- "жи-фактор" для ядра.

У зовнішньому магнітному полі система протонів роз­падається на дві підсистеми (рис. 7.31) відповідно до двох можливих орієнтацій магнітних моментів ядер щодо зовнішнього поля (можливі значення магнітного спінового числі

Рис. 7.10. Розщеплення енергетичного Рис. 7.11. Механізм ви-

рівня протонів у зовнішньому магнітному никнення локального

полі. магнітного поля в місці

знаходження резоную­чого ядра.

Умова резонансного поглинання енергії системою протонів має такий вигляд:

З наведеного вище можна було б зробити висновок, що при фіксованій частоті високочастотного поля всі протони, що входять до складу молекул, будуть давати сигнал поглинання при одному і тому самому значенні індукції магнітного поляЯкби це й справді було так, то метод ЯМР не мав би для хіміків та медиків майже ніякої цінності. У реальній ситуації умова ядерного резонансного погли­нання має такий вигляд:

(7.22)

де - додаткове локальне магнітне поле, яке створюється у місці знаходження резонуючого ядра оточуючими ядрами та електронами. Таким чином,визначається хімічною структурою молекули.

Однією з основних причин виникнення таких полів є ефект діамагнітного екранування: зовнішнє магнітне поле індукує електронні струми в молекулі, які викликають появу магнітних полів, спрямованих за правилом Ленца протилежно зовнішньому магнітному полю , тобто

де - стала екранування.

Таким чином, кожний протон знаходиться в деякому ефективному полі, яке характеризується індукцією:

(7.23)

Відмінності в електронному екрануванні протонів, що входять до складу молекули, можуть бути зумовлені різною електронною густиною. Так, наприклад, протони, приєднані до електронегативних груп і атомівгалогенам) або розміщені поблизу від них, екрануються слабкіше і дають сигнал ПМР при менших значеннях індукції В зовнішнього поля.

Спектри ПМР рідин складаються з порівняно вузьких ліній, що відповідають структурно-нееквівалентним прото­нам, тобто протонам, що знаходяться в різнихЯкщо протони, що входять до складу молекули, еквівалентні, то спостерігається одна лінія поглинання (наприклад, для молекулиУ спектрі ПМР етанолу спостерігаються три лінії, що відповідають трьом групам структурно-еквіва­лентних протонів - гідроксильномуметиленовимта метальним(рис. 7.12).

Рис. 7.12. Спектр ПМР етанола.

Для одержання інформації про досліджувані молекули використовують чотири параметри спектра ПМР:

1. Інтегральна інтенсивність лінії, що визначається площею під кривою поглинання і пропорційна кількості протонів, які знаходяться в даному хімічному оточенні.

2. Положення лінії, або хімічний зсув, яке визначаєть­ся зміщенням лінії поглинання протонів щодо лінії поглинання протонів еталонної сполуки - тетраметілсилану (ТМС). Величина хімічного зсуву вимірюється в безрозмір­них одиницях, що називаються мільйонними частками:

(7.24)

де - значення індукції магнітного поля для сигналу ета­лона.

3. Ширина смуги, яка визначає, як і в методі ЕПР, характер молекулярного руху.

4. Спін-спінове розщеплення. При високій розрізню-вальній здатності приладу лінії поглинання в спектрі етанолу розщеплюються на компоненти: - на чотири,- на три,- на три. Таке розщеплення називається спін-спіновим. Воно виникає внаслідок збурен­ня системи ядерних спінів, для якої спостерігається лінія поглинання, іншою спіновою системою. Можна показати, що система зеквівалентних протонів розщеплює лінію іншої системи протонів накомпоненту.

Рис. 7.13. Спін-спінове розщеплення в спектрі ПМР етанола.

Таким чином, дані про інтегральну інтенсивність, хіміч­ний зсув та спін-спінове розщеплення дають змогу одержати інформацію про наявність в молекулі певних функціональних груп та їх кількість, а також про їх взаємне розміщення. Тому спектри ЯМР є "відбитком пальців" молекули. Поряд з цим, метод ЯМР є нині одним з найбільш перспективних для вивчення міжмолекулярних взаємодій в біологічних системах, оскільки міжмолекулярні взаємодії як електростатичної природи, так і донорно-акцепторного ха­рактеру спричинюють перерозподіл електронних густин на взаємодіючих молекулах і відповідно зміни умов екра­нування, що викликає зміну хімічного зсуву.

Як і ЕПР, метод ЯМР успішно застосовується для дослідження біологічних мембран, оскільки аналіз ЯМР-спектрів мембран дає змогу не тільки визначити, скільки певних функціональних груп вміщує досліджуваний об'єкт, а й встановити по ширині смуг поглинання ступінь рухливості відповідних груп в мембранах.

В останні роки, поряд з рентгенівською томографією, набуває широкого застосовування метод ЯМР-томографії, який забезпечує можливість вивчення різних частин макро­скопічного об'єкта на підставі відмінностей сигналу ЯМР, зумовлених градієнтами магнітного поля в різних напрям­ках. Важливою перевагою ЯМР-томографії є відсутність радіаційних пошкоджень та можливість одержати зобра­ження органів всередині черепа або грудної клітки завдяки прозорості повітря і кісткової тканини для радіохвиль.