Примеры практического использования ЯМР

Явление магнитного резонанса используется для обнаружения и измерения электрических и магнитных взаимодействий электронов и ядер в макроскопических количествах вещества. Это явление обусловлено парамагнитной ориентацией электронов и ядер внешним полем и их ларморовской прецессией относительно направления внешнего поля. Частота ларморовской прецессии пропорциональна напряженности магнитного поля, приложенного в области нахождения прецессирующего электрона или ядра. Когда соседние частицы дают вклад в локальное магнитное поле, он измеряется по сдвигу частоты прецессии. Дополнительный сдвиг частоты прецессии может произойти также за счет неоднородных электрических полей, создаваемых соседними частицами.

В качестве примера практической реализации ЯМР для целей измерения рассмотрим конструкцию высокочувствительного датчика для измерения магнитной индукции слабого магнитного поля.

Устройство содержит катушку индуктивности, которая в качестве сердечника содержит ампулу с газообразным веществом. Магнитные моменты ядер вещества, внесенного в магнитное поле, ориентируются по направлению его магнитной индукции прецессируя с частотой:

. (1.11)

Через некоторое время при совпадении векторов намагниченности и внешнего поля вещество приобретает стационарную намагниченность.

В данном методе образец подвергается радиочастотному облучению неизменной частоты, в то время как сила магнитного поля изменяется, поэтому его еще называют методом постоянного поля.

Рис. 1.10 Схематическое изображение установки для эксперимента по магнитному резонансу. Резонанс достигается в радиочастотном диапазоне. Катушка (а) и резонатор (б) присоединяются к источникам переменного поля и измерителям потери мощности.

Исследуемый образец помещается внутрь радиочастотной катушки или микроволнового резонатора, расположенных между полюсами магнита. Крайне высокая точность настройки установки и ее чувствительность при определении поглощаемой мощности – главное преимущество метода магнитного резонанса. В стандартной экспериментальной методике частота колебаний ω поперечного поля поддерживается постоянной и резонанс достигается с помощью изменения напряженности поля , что приводит к медленному изменению частоты прецессии . На экране осциллографа при этом можно наблюдать компоненту M, колеблющуюся либо в противофазе с управляющим поперечным полем (т.е. поглощаемую мощность), либо в фазе с ним (рис. 1.11).

Рис. 1.11 Сигналы магнитного резонанса протона в жидком водороде, отражающие зависимость от величины индукции магнитного поля для поглощаемой средой мощностью излучения (а) и магнитного момента М частицы (б).

На применении ЯМР основан принцип работы приборов для стабилизации и точнейших измерений параметров магнитного поля, а также для анализа смесей по их изотопному составу. Например, сильный сигнал ЯМР наблюдается в присутствии ядер изотопа углерод-13, что предопределило применение ЯМР и его разновидности - ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) в исследовании углеводородов, особенно природных (нефть).

В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения. Ядра с нецелым спином могут вступать во взаимодействие с внешним магнитным полем, переходя в результате на другие энергетические уровни. Энергия этих уровней строго квантована и зависит от природы ядра, его электронного окружения, различных внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Влияние электронной оболочки на ЯМР проявляется, в частности, следующим образом. Внешнее магнитное поле, в которое помещен исследуемый образец, действует на электроны атомов или молекул образца. В случае диамагнитного образца в электронных оболочках его атомов внешним полем индуцируются такие токи, которые создают вторичное магнитное поле, направленное в сторону, противоположную внешнему полю. Это вторичное поле также действует на ядро атома. Складываясь с внешним полем, оно уменьшает действие последнего на ядро.

При магнитной индукции поля (В) равной 1 Тл резонансное поглощение наступает при частоте Гц. Спектр поглощения тем шире, чем больше вязкость и меньше молекулярная подвижность. Линии ЯМР значительно уже, чем при ЭПР. Спектр смещается за счет взаимодействия ядерного магнитного момента с электронным. Поэтому ЯМР характеризует структуру и строение вещества. Практическая реализация эффекта основана на резком возрастании поглощения энергии электромагнитной волны в системах атомных ядер при внешнем магнитном поле. Рабочая частота находится в пределах 200 МГц. Спектр поглощения тем шире, чем больше вязкость и меньше молекулярная подвижность. Линии спектра значительно уже, чем в электромагнитном резонансе, поэтому его используют для исследования строений молекул и изотопного анализа.

Явление ядерного магнитного резонанса применяют в физике, химии, в медицине (организм человека — это совокупность все тех же органических и неорганических молекул). Чтобы наблюдать это явление, объект помещают в постоянное магнитное поле и подвергают действию радиочастотных и градиентных магнитных полей. В катушке индуктивности, окружающей исследуемый объект, возникает переменная электродвижущая сила (ЭДС), амплитудно-частотный спектр которой и переходные во времени характеристики несут информацию о пространственной плотности резонирующих атомных ядер, а также о других параметрах, специфических только для ядерного магнитного резонанса. После обработки на ЭВМ эта информация переходит в ЯМР - изображение, которое характеризует плотность химически эквивалентных ядер, времена релаксации ядерного магнитного резонанса, распределение скоростей потока жидкости, диффузию молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.

Классификации рецепторов

Понятие «нечеткой логики»

Конструктивные особенности и основные характеристики микроэлектромеханических устройств

Эволюционное моделирование

Вернуться в оглавление: Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении