Kjernemagnetisk resonans

Kjernemagnetisk resonans ( NMR ) er et fysisk fenomen basert på de kvantemekaniske egenskapene til atomkjerner . NMR refererer også til familien av vitenskapelige metoder som utforsker dette fenomenet for å studere molekyler (NMR-spektroskopi), makromolekyler (biomolekylær NMR), så vel som hele vev og organismer ( magnetisk resonansavbildning ).

Alle kjerner som har et oddetall protoner + nøytroner har et iboende magnetisk moment og vinkelmoment , med andre ord har de et spinn > 0. De mest brukte kjernene i NMR er protium ( 1 H , den mest sensitive isotopen i NMR etter det ustabile tritium, 3H ), 13C og 15N , selv om kjerneisotopene til mange andre grunnstoffer ( 2H , 10B , 11B , 15N , 17O , 19F , 23Na , 29 Si, 31 P , 115 Cd , 115 Ct ) brukes også.

NMR utnytter det faktum at atomkjerner (for eksempel innenfor et molekyl ) resonerer med en frekvens som er direkte proporsjonal med styrken til et utøvd magnetfelt , i henhold til Larmor-presesjonsfrekvensligningen, for deretter å forstyrre denne innrettingen med bruk av en vekslende magnetfelt, med ortogonal orientering. Den vitenskapelige litteraturen frem til 2008 inkluderer spektre i et bredt spekter av magnetiske felt, fra 100 nT til  20 T. Høyere magnetiske felt er ofte foretrukket siden de korrelerer med økt signalfølsomhet, selv om magnetiske felt som genererer "ikke-ioniserende" stråling brukes til magnetisk resonansavbildning i medisin . Det er mange andre metoder for å øke det observerte signalet. Økningen i magnetfeltet resulterer også i en høyere spektral oppløsning, hvis detaljer er beskrevet av det kjemiske skiftet og Zeeman-effekten .

NMR-fenomenet brukes også i lavfelt-NMR, bakkefelt-NMR og noen typer magnetometre.

Historikk

Discovery

Kjernemagnetisk resonans ble beskrevet og målt i molekylære stråler av Isidor Isaac Rabi i 1938 . [ 1 ] Åtte år senere, i 1946 , foredlet Félix Bloch og Edward Mills Purcell teknikken som ble brukt i væsker og faste stoffer, som de delte Nobelprisen i fysikk for i 1952 . [ 2 ]

Purcell hadde jobbet med utviklingen av radar og dens anvendelser under andre verdenskrig ved Radiation Laboratory ved Massachusetts Institute of Technology . Arbeidet hans under det prosjektet handlet om å produsere og oppdage radiofrekvensenergi , og på absorpsjon av slik RF-energi av materie, før hans medoppdagelse av NMR.

De innså at magnetisk aktive kjerner, som 1 H ( protium ) og 31 P, kunne absorbere RF- energi når de ble plassert i et magnetfelt med en bestemt styrke, og dermed identifisere kjernene. Ulike atomkjerner i et molekyl resonerer ved forskjellige radiofrekvenser for samme magnetiske feltstyrke. Å observere slike magnetiske resonansfrekvenser til kjernene som er tilstede i et molekyl, lar den trente brukeren oppdage kjemisk, strukturell, romlig og dynamisk informasjon om molekylene.

Utviklingen av kjernemagnetisk resonans som en teknikk for analytisk kjemi og biokjemi ble parallelt med utviklingen av elektromagnetisk teknologi og dens introduksjon til sivil bruk.

Fysisk prinsipp

Atomspinn

Hadronene (mer spesifikt baryoner ) som utgjør atomkjernen ( nøytroner og protoner ) , har den iboende kvantemekaniske egenskapen til spinn . Spinnet til en kjerne bestemmes av spinnkvantetallet I. Hvis det kombinerte antallet protoner og nøytroner i en gitt isotop er partall, så er I = 0, dvs. det er ingen generell spinn; akkurat som elektroner parer seg i atomorbitaler , så parer nøytroner og protoner seg i partall (som også er spinn½-partikler) for å gi et samlet spinn = 0.

Et spinn som ikke er null, I , er assosiert med et magnetisk moment som ikke er null , μ:

hvor γ er den gyromagnetiske konstanten. Denne konstanten indikerer signalintensiteten til hver isotop som brukes i NMR. Bortsett fra ved atomisk desintegrasjon, oppnås ikke kjernen som er separert fra elektronene, elektronene som kretser rundt kjernen kjennetegnes av de fire kvantetallene, kvantemekanikk forklarer det


Spinn vinkelmomentverdier

Vinkelmomentet assosiert med kjernefysisk spinn er kvantisert . Dette betyr at både størrelsen og orienteringen av vinkelmomentet er kvantisert (det vil si at jeg bare kan ta på meg verdier i et begrenset intervall). Det tilknyttede kvantetallet er kjent som det magnetiske kvantetallet, m , og kan ta heltallsverdier fra + I til -I . Derfor, for enhver kjerne, er det totalt 2 I +1 tilstander med vinkelmomentum.

Z - komponenten til vinkelmomentvektoren, Iz er derfor:

hvor er den reduserte Planck-konstanten .

Z - komponenten til det magnetiske momentet er ganske enkelt:

Spinnoppførsel i et magnetfelt

Tenk på en kjerne som har et spinn på ½, for eksempel 1 H, 13 C eller 19 F. Denne kjernen har to mulige spinntilstander: m = ½ eller m = -½ (også kalt 'opp' og 'ned', eller henholdsvis α og β). Energiene til disse to tilstandene er degenerert – noe som betyr at de er de samme. Derfor vil populasjonene av disse to tilstandene (dvs. antall atomer i de to tilstandene) være omtrent like under forhold med termisk likevekt.

Men ved å sette denne kjernen under et magnetfelt , vil samspillet mellom det kjernemagnetiske momentet og det ytre magnetfeltet føre til at de to spinntilstandene ikke lenger har samme energi. Energien til det magnetiske momentet μ under påvirkning av magnetfeltet B 0 (hovedmagnetfeltet) er gitt av det negative prikkproduktet til vektorene:

Der magnetfeltet har blitt orientert langs + z -aksen (etter konvensjon).

Derfor:

Som et resultat av dette har de forskjellige kjernespinntilstandene forskjellige energier i et magnetfelt ≠ 0. Med andre ord kan vi si at de to spinntilstandene til et spinn ½ har blitt justert enten med eller mot magnetfeltet. Hvis γ er positiv (som er sant for de fleste isotoper), så er m = ½ i lavenergitilstand.

Energiforskjellen mellom de to tilstandene er gitt av ligningen:

og denne forskjellen oversetter seg til et lite flertall av spinn i lavenergitilstanden.

Resonans oppstår når denne energiforskjellen eksiteres av elektromagnetisk stråling med samme frekvens. Energien til et foton er , hvor er dets frekvens. Derfor vil absorpsjon skje når:

Disse frekvensene tilsvarer vanligvis radiofrekvensområdet til det elektromagnetiske spekteret.

Kjernefysisk skjerming

Det ser ut til at alle kjerner av samme nuklid (og derfor samme γ) resonerer med samme frekvens. Det er ikke slik det er. Den viktigste forstyrrelsen i frekvenser for NMR-applikasjoner er "skjermingseffekten" som utøves av omgivende elektroner. Generelt reduserer denne elektroniske skjermingen magnetfeltet til kjernen (som bestemmer NMR-frekvensen), fordi de justeres i motsatt retning av Bo. Som et resultat reduseres energigapet og frekvensen som kreves for å nå resonans reduseres også. Dette NMR-frekvensskiftet, sterkt påvirket av kjemiske grupper, er kjent som et kjemisk skift, og forklarer hvorfor NMR er en direkte sonde av kjemisk struktur. Hvis en kjerne er mer skjermet, vil den bli forskjøvet 'oppover' (lavere kjemisk skift), og hvis den er mer uskjermet, vil den bli forskjøvet 'lavfelt' (høyere kjemisk skift). [ 3 ]

Med mindre den lokale symmetrien er spesielt høy, avhenger screeningseffekten av molekylets orientering i forhold til det ytre feltet. I faststoff-NMR er " magisk vinkelspinning " nødvendig for å fjerne denne orienteringsavhengigheten. Dette er ikke nødvendig i konvensjonell NMR siden den raske og uordnede bevegelsen av molekyler i løsning sprer den anisotrope komponenten av det kjemiske skiftet.

Digitalisering ved bruk av Fourier-transformasjon

Den naturlige gjenopprettingen av retningen og følelsen av spinnene når radiofrekvensen ikke lenger brukes, vil generere utslipp som et resultat av energifrigjøringen, som vil bli fanget opp av mottakerantennen til skanneren . Disse utslippene må være i samsvar med Dim-Phase , som er kompileringen av alle disse utslippene prinsippet om magnetisk resonans.

Når all datautvinning er fullført, vil de bli behandlet i frekvensdomenet ved å bruke Fourier-transformasjonen , som vil lette rekonstruksjonen av det endelige bildet på skjermen. Variasjonsfrekvensen til et signal i rommet kalles "K", det vil si at dataene som er kompilert i domenet til romlige frekvenser kalles K-rom .

Hensikten med å skape dette rommet er å kunne anvende Fouriers matematiske lover , som gjør det mulig å identifisere opprinnelsesstedet for utslippene på et gitt tidspunkt og dermed opprinnelsesstedet.

NMR-spektroskopi

NMR-spektroskopi er en av hovedteknikkene som brukes for å få fysisk, kjemisk, elektronisk og strukturell informasjon om molekyler. Det er en kraftig rekke metoder som gir informasjon om topologi, dynamikk og tredimensjonal struktur til molekyler i løsning og i fast tilstand. Også i årene 1998-2001 var kjernemagnetisk resonans en av de mest brukte teknikkene for å implementere noen prinsipper for kvantedatamaskiner. [ 4 ]

MR-spektroskopi måler aktiviteten til metabolitter under kognitiv prosessering. NAA (N-Acetyl Aspartate) topper kan spores i forhold til aktivering av et område av hjernen under oppgaven som kreves. Selv om det indirekte korrelerer med disse prosessene, har visse metabolske mønstre blitt funnet, for eksempel en reduksjon i NAA-topper i Hippocampus, relatert til et hukommelsesunderskudd, og en reduksjon i NAA-topper i temporalappen, relatert til epilepsi.

Mest vanlige applikasjoner

Magnetisk resonans benytter seg av resonansegenskapene ved å bruke radiofrekvenser til atomkjerner eller dipoler mellom de justerte feltene til prøven, og gjør det mulig å studere den strukturelle eller kjemiske informasjonen til en prøve. MR brukes også innen kvantedatamaskinforskning . Dens hyppigste bruksområder er knyttet til feltene medisin , biokjemi og organisk kjemi . Det er vanlig å kalle "magnetic resonance imaging" enheten som får magnetiske resonansbilder ( MRI , eller MRI for forkortelsen på engelsk av Magnetic Resonance Imaging ). [ referanse nødvendig ]

Søknad i medisin

Magnetisk resonansavbildning er en teknikk som brukes til å diagnostisere sykdommer ved å få bilder av kroppen. Selv om det ikke er noen skadelig effekt på pasienten , anbefales ikke bruken til gravide kvinner, med mindre bruken er avgjørende.

På grunn av sin størrelse og teknologi , kombinerer maskinen som brukes i magnetisk resonansavbildning fordelene med utstyr med høyt magnetfelt og åpent utstyr. Dermed oppnås større definisjon og høyere kvalitet på bildet, og pasienten får en lavere følelse av klaustrofobi og har også større komfort. Varigheten av testen avhenger ikke av alvorlighetsgraden av tilstanden , men avhenger snarere av regionen som skal studeres. [ referanse nødvendig ]

leteutvikling

Før resonansen starter vil helsepersonellet avgjøre om det kan gjøres ved å fylle ut et spørreskjema . Personlige eiendeler vil bli deponert i en hytte . Helsepersonellet vil angi posisjonen som skal legges på bordet. Noen antenner er plassert rundt området av kroppen som skal undersøkes , en enhet hvis formål er å forbedre kvaliteten på bildene. Til slutt vil bordet gli inn i magneten og skanningen vil begynne. [ referanse nødvendig ]

Eksamensutvikling

Under undersøkelsen vil magneten produsere støy med forskjellig intensitet , noe som til og med kan være ubehagelig, men før undersøkelsen starter, kan helsepersonellet sørge for ørepropper eller hodetelefoner for å redusere støyen. Disse støyene er et produkt av å få bildene. For å få bilder av høyeste kvalitet er det viktig å forbli statisk, puste rolig og følge instruksjonene fra helsepersonell. Avhengig av hvilken del av kroppen som skal undersøkes, må du holde pusten i noen sekunder. [ referanse nødvendig ]

Magneten i seg selv (les selve magnetfeltet) kan ikke generere lyder siden det menneskelige hørselsapparatet er ufølsomt for nevnte fysiske fenomen.

Hvis det er støy, vil disse være produktet av mekaniske vibrasjoner av ferromagnetiske stykker eller deler som nås av magnetfeltet mens det varierer (se magnetostriksjon ) for å registrere responsen til atomkjernene i vevene som studeres. Hvis slik variasjon (modulasjon) ikke eksisterte og de mellomliggende feltene var statiske, kunne den dynamiske oppførselen til atomkjernene ikke registreres og følgelig kunne ikke de søkte dataene oppnås.

Bivirkninger

I forhold til bruken i medisin, krever studien noen ganger injeksjon av legemidler basert på et kjemisk element kjent som gadolinium . Årsaken er at gadolinium fungerer som et kontrastmiddel som forbedrer kvaliteten på MR-bildet. Det kjemiske elementet er tidligere behandlet, binder det til chelatorer , for å tillate dets eliminering av organismen og for å redusere dets høye toksisitet. Gadolinium er ansvarlig for en alvorlig sykdom kjent som nefrogen systemisk fibrose , en patologi som hovedsakelig rammer personer med nyresvikt, årsaken ser ut til å være at stoffet akkumuleres i store doser i kroppen til disse menneskene. Et annet bekymringsfullt faktum har nylig blitt oppdaget: gadolinium akkumuleres også i betydelige mengder i forskjellige vev hos personer med normal nyrefunksjon. [ referanse nødvendig ]

Se også

Referanser

  1. ↑ II Rabi, JR Zacharias, S. Millman, P. Kusch (1938). "En ny metode for å måle kjernemagnetisk øyeblikk". Physical Review 53 :318 . doi : 10.1103/PhysRev.53.318 .  
  2. ^ Filler, Aaron (2009). "Historien, utviklingen og virkningen av databehandling i nevrologisk diagnose og nevrokirurgi: CT, MR og DTI." Naturens forutgående . doi : 10.1038/npre.2009.3267.5 . 
  3. ^ "Introduksjon til NMR-spektroskopi" . Arkivert fra originalen 23. april 2009 . Hentet 3. mai 2009 . 
  4. ↑ Det er en gjennomgang av prestasjonene i disse årene, de grunnleggende vanskelighetene og noen alternativer i: Jones, JA (2001). " Kvanteberegning og kjernemagnetisk resonans ". PhysChemComm 11. _ _ doi : 10.1039/b103231n . s.1-8 . 

Bibliografi

Eksterne lenker

Gjennomgang

Animasjoner og simuleringer

Programvare

Video

Wiki