Явление магнитного резонанса используется для обнаружения и измерения электрических и магнитных взаимодействий электронов и ядер в макроскопических количествах вещества. Это явление обусловлено парамагнитной ориентацией электронного и ядерного токов внешн

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:

. (5.7)

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. 5.8 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 B₀, что приводит к медленному изменению частоты прецессии γB₀. На экране осциллографа при этом можно наблюдать компоненту M, колеблющуюся либо в противофазе с управляющим поперечным полем В₁cos ωt (т.е. поглощаемую мощность), либо в фазе с ним (рис. 5.9).

Рис. 5.9 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.

Сущность магнитнорезонансной томографии (или ЯМР - интроскопии) состоит, по сути дела, в реализации особого рода количественного анализа по амплитуде сигнала ядерного магнитного резонанса.

Принцип работы магниторезонансного томографа заключается в следующем. Сильное постоянное магнитное поле, создаваемое цилиндрическим магнитом, выстраивает хаотически ориентированные спины ядер атомов водорода в теле пациента вдоль единого направления, подобно тому, как железные опилки выстраиваются вдоль невидимых линий поля вблизи магнита. Когда через камеру-трубу томографа проходит специально возбуждаемый — зондирующий — радиочастотный импульс, магнитное поле импульса, хотя и слабое, все же на какое-то время слегка отклоняет выстроившиеся спины от заданного направления. Они начинают колебаться, прецессировать, вокруг направления сильного поля постоянного магнита. Ядра атомов при этом резонируют, то есть тоже испускают слабый радиосигнал, который можно регистрировать чувствительными детекторами. Когда зондирующий радиочастотный импульс выключается, спины возвращаются в упорядоченное состояние и генерируемый ядрами сигнал затухает. По времени этого затухания и другим характеристикам сигнала, обрабатываемым компьютером, можно судить о химическом составе и биологических свойствах тканей. Для каждой точки изображения на экране собираются и усредняются данные от резонирующих водородных ядер (протонов) в исследуемом внутреннем органе, при этом каждому полученному значению присваивается свой цвет. В результате, области с различной плотностью протонов и, соответственно, неоднородные по составу тканей оказываются отмеченными разными цветами.

В отличие от рентгеновского обследования ЯМР-метод абсолютно безвреден и гарантирует намного лучший контраст между разными типами тканей, что позволяет легко различать здоровые и пораженные участки. ЯМР-томография особенно успешно применяется при диагностике патологий центральной нервной системы и костно-мышечного аппарата, а также для распознавания опухолей на фоне здоровых тканей.

В обычной ЯМР - спектроскопии стремятся реализовать, по возможности, наилучшее разрешение спектральных линий. Для этого магнитные системы регулируются таким образом, чтобы в пределах образца создать как можно лучшую однородность поля. В методах ЯМР - интроскопии, напротив, магнитное поле создается заведомо неоднородным. Тогда есть основание ожидать, что частота ядерного магнитного резонанса в каждой точке образца имеет свое собственное значение, отличающееся от значений в других частях. Задав какой-либо код для градаций амплитуды ЯМР - сигналов (яркость или цвет на экране монитора), можно получить условное изображение (томограмму) срезов внутренней структуры объекта.

Традиционный метод ЯМР - спектроскопии имеет множество недостатков. Во-первых, он требует большого количества времени для построения каждого спектра. Во-вторых, он очень требователен к отсутствию внешних помех, и, как правило, получаемые спектры имеют значительные шумы. В-третьих, он непригоден для создания спектрометров высоких частот (300, 400, 500 и более МГц). Поэтому в современных приборах ЯМР используется метод так называемой импульсной спектроскопии, основанной на фурье-преобразованиях полученного сигнала. В настоящее время все ЯМР-спектрометры строятся на основе мощных сверхпроводящих магнитов с постоянной величиной магнитного поля.