Risonanza magnetica nucleare. Applicazioni NMR

La risonanza magnetica nucleare (NMR) è una spettroscopia nucleare, ampiamente utilizzata in tutte le scienze fisiche e l'industria. используется большой магнит. In NMR, un grande magnete viene utilizzato per sondare le proprietà di spin intrinseche dei nuclei atomici . ). Come ogni spettroscopia, per creare una transizione tra i livelli di energia (risonanza), utilizza la radiazione elettromagnetica (onde di radiofrequenza nella banda VHF ). In chimica, l'NMR aiuta a determinare la struttura di piccole molecole. применение в магнитно-резонансной La risonanza magnetica nucleare in medicina ha trovato applicazione nella risonanza magnetica tomografia (RM).

scoperta

Гарвардского университета Перселем , Фунтом и Торри , а также Блохом , Хансеном и Паккардом из Стэнфорда. La NMR fu scoperta nel 1946 dagli scienziati di Purcell , Pound e Torrey presso l'Università di Harvard, nonché da Bloch , Hansen e Packard di Stanford. Hanno notato che i nuclei 1H e ³¹ P (protone e fosforo-31) sono in grado di assorbire energia a radiofrequenza quando esposti a un campo magnetico, la cui forza è specifica per ogni atomo. Quando assorbiti, hanno cominciato a risuonare, ogni elemento alla sua frequenza. Questa osservazione permesso di condurre un'analisi dettagliata della struttura della molecola. применение в кинетических и структурных исследованиях твердых тел, жидкостей и газов, в результате чего было присуждено 6 Нобелевских премий. Da allora, NMR ha trovato applicazione negli studi cinetici e strutturali di solidi, liquidi e gas, con il risultato che sono stati assegnati 6 premi Nobel.

Spin e proprietà magnetiche

Il nucleo è costituito da particelle elementari chiamate neutroni e protoni. Hanno il loro momento angolare, chiamato spin. Come gli elettroni, lo spin di un nucleo può essere descritto dai numeri quantici I e in un campo magnetico m. числом протонов и нейтронов имеют нулевой спин, а все остальные – ненулевой. I nuclei atomici con un numero pari di protoni e neutroni hanno zero spin e tutti gli altri hanno una rotazione diversa da zero. Inoltre, le molecole con spin non zero hanno un momento magnetico μ = γ I , dove γ è il rapporto giromagnetico, una costante di proporzionalità tra il momento di dipolo magnetico e quello angolare, che è diverso per ogni atomo.

Il momento magnetico del nucleo lo fa comportare come un piccolo magnete. In assenza di un campo magnetico esterno, ciascun magnete è orientato in modo casuale. Durante l'esperimento NMR, il campione viene posto nel campo magnetico esterno B ₀ , che fa sì che i magneti a barra a bassa energia si allineino nella direzione B ₀ , e da quella alta nella direzione opposta. Quando ciò accade, l'orientamento dello spin dei magneti cambia. Per comprendere questo concetto piuttosto astratto, si dovrebbero considerare i livelli di energia del nucleo durante un esperimento NMR.

Livelli di energia

Per lo spin flip, è necessario un numero intero di quanti. Per ogni m c'è 2m + 1 livelli di energia. Per un nucleo con uno spin di 1/2, solo 2 sono bassi, occupati da spin allineati con B ₀ e alti, occupati da spin diretti contro B ₀ . = -mℏγВ ₀ , где m – магнитное квантовое число, в этом случае +/- 1/2. Ogni livello di energia è determinato dall'espressione E = -mℏγB ₀ , dove m è il numero quantico magnetico, in questo caso +/- 1/2. I livelli di energia per m> 1/2, noti come nuclei quadrupolici, sono più complessi.

La differenza di energia dei livelli è: ΔE = ℏγВ ₀ , dove ℏ è la costante di Planck.

отсутствии уровни вырождаются. Come si può vedere, la forza del campo magnetico è di grande importanza, poiché in sua assenza i livelli degenerano.

Transizioni di potenza

Affinché la risonanza magnetica nucleare si verifichi, è necessario capovolgere una rotazione tra i livelli di energia. La differenza di energia tra due stati corrisponde all'energia. radiazione elettromagnetica che fa sì che il nucleo cambi i suoi livelli di energia. В ₀ имеет порядок 1 Тесла ( Т ), а γ – 10 ⁷ . Per la maggior parte degli spettrometri NMR, B ₀ è dell'ordine di 1 Tesla ( T ), e γ è 10 ⁷ . Di conseguenza, la radiazione elettromagnetica richiesta è dell'ordine di 10 ⁷ Hz. = hν. L'energia del fotone è rappresentata dalla formula E = hν. Pertanto, la frequenza richiesta per l'assorbimento è: ν = γВ ₀ / 2π.

Schermatura nucleare

La fisica NMR si basa sul concetto di schermatura nucleare, che consente di determinare la struttura di una sostanza. вызывает небольшие изменения энергетических уровней. Ogni atomo è circondato da elettroni che ruotano attorno al nucleo e agiscono sul suo campo magnetico, che a sua volta causa piccoli cambiamenti nei livelli di energia. Questo è chiamato schermatura. I kernel che sperimentano diversi campi magnetici associati alle interazioni degli elettroni locali sono chiamati inequivalenti. новый пик в спектре ЯМР. Cambiare i livelli di energia per lo spin flip richiede una frequenza diversa, che crea un nuovo picco nello spettro NMR. анализа сигнала ЯМР с помощью преобразования Фурье. La schermatura consente la determinazione strutturale delle molecole analizzando il segnale NMR usando la trasformata di Fourier. Il risultato è uno spettro costituito da una serie di picchi, ognuno dei quali corrisponde a un diverso ambiente chimico. L'area di picco è direttamente proporzionale al numero di core. ЯМР-взаимодействий , по-разному изменяющих спектр. Informazioni dettagliate sulla struttura sono estratte dalle interazioni NMR che modificano lo spettro in modi diversi.

relax

стабильные после возбуждения до более высоких энергетических уровней состояния. Il rilassamento si riferisce al fenomeno del ritorno dei nuclei al loro stato termodinamicamente stabile dopo l'eccitazione a livelli di energia più elevati. при переходе с более низкого уровня к более высокому. Questo rilascia l'energia assorbita durante la transizione da un livello inferiore a un livello superiore. Questo è un processo piuttosto complicato che si svolge in tempi diversi. типами релаксации являются спин-решеточная и спин-спиновая. I due tipi più comuni di rilassamento sono spin-reticolo e spin-spin.

Per comprendere il rilassamento, è necessario considerare l'intero campione. намагниченность вдоль оси Z. Их спины также когерентны и позволяют обнаружить сигнал. Se i nuclei sono posti in un campo magnetico esterno, creeranno una magnetizzazione di massa lungo l'asse Z. I loro spin sono anche coerenti e in grado di rilevare il segnale. намагниченность от оси Z в плоскость XY, где она и проявляется. NMR sposta la magnetizzazione di massa dall'asse Z al piano XY, dove appare.

релаксация характеризуется временем T ₁ , необходимым для восстановления 37 % объемной намагниченности вдоль оси Z. Чем эффективнее процесс релаксации, тем меньше T ₁ . Il rilassamento spin-reticolo è caratterizzato dal tempo T ₁ , necessario per il recupero del 37 % della magnetizzazione di massa lungo l'asse Z. Quanto più efficace è il processo di rilassamento, tanto meno T ₁ . телах, поскольку движение между молекулами ограничено, время релаксации велико. Nei solidi , poiché il movimento tra le molecole è limitato, il tempo di rilassamento è ampio. Le misurazioni sono di solito effettuate con metodi a impulsi.

Il rilassamento spin-spin è caratterizzato dal tempo di perdita della coerenza reciproca T ₂ . Potrebbe essere inferiore o uguale a T ₁ .

Risonanza magnetica nucleare e sua applicazione

это медицина и химия, однако каждый день разрабатываются новые сферы его применения. Le due aree principali in cui l'NMR ha dimostrato di essere estremamente importante sono la medicina e la chimica, ma nuove aree della sua applicazione vengono sviluppate ogni giorno.

, используемым для изучения функций и структуры человеческого тела. La risonanza magnetica nucleare, meglio conosciuta come risonanza magnetica (MRI), è un importante strumento diagnostico medico utilizzato per studiare le funzioni e la struttura del corpo umano. Permette di ottenere immagini dettagliate di qualsiasi organo, in particolare tessuti molli, in tutti i possibili piani. Utilizzato nelle aree della visualizzazione cardiovascolare, neurologica, muscolo-scheletrica e oncologica. A differenza del computer alternativo, la risonanza magnetica non utilizza radiazioni ionizzanti, quindi è completamente sicura.

La risonanza magnetica può rilevare piccoli cambiamenti nel tempo. можно использовать для выявления структурных аномалий, возникающих в ходе болезни, а также того, как они влияют на последующее развитие и как их прогрессирование коррелирует с психическими и эмоциональными аспектами расстройства. L'introscopia NMR può essere utilizzata per identificare anomalie strutturali che si verificano nel corso della malattia, come influenzano lo sviluppo successivo e come la loro progressione è in correlazione con gli aspetti mentali ed emotivi del disturbo. содержимого. Poiché la risonanza magnetica esegue scansioni scarse per l'osso, si ottengono immagini eccellenti di contenuti intracranici e intravertebrali .

Principi di utilizzo della risonanza magnetica nucleare nella diagnostica

Durante la procedura di risonanza magnetica, il paziente giace all'interno di un massiccio magnete cilindrico cavo ed è esposto a un campo magnetico potente e stabile. Diversi atomi nella parte scansionata del corpo risuonano a diverse frequenze del campo. La risonanza magnetica viene utilizzata principalmente per rilevare le vibrazioni degli atomi di idrogeno, che contengono un nucleo di protone rotante con un piccolo campo magnetico. Con la risonanza magnetica, il campo magnetico di sfondo allinea tutti gli atomi di idrogeno nel tessuto. Il secondo campo magnetico, il cui orientamento è diverso dallo sfondo, si accende e si spegne molte volte al secondo. частоте атомы резонируют и выстраиваются в линию со вторым полем. A una certa frequenza, gli atomi risuonano e si allineano con il secondo campo. Quando si spegne, gli atomi tornano, allineati con lo sfondo. Questo produce un segnale che può essere ricevuto e convertito in un'immagine.

яркое изображение, а с малым его содержанием или отсутствием (например, кости) выглядят темными . I tessuti con una grande quantità di idrogeno, presente nel corpo umano nella composizione dell'acqua, creano un'immagine luminosa e con un basso contenuto o assenza (ad esempio, le ossa) appaiono scuri . , который пациенты принимают перед процедурой. La luminosità della risonanza magnetica è potenziata da un mezzo di contrasto, come la gadodiamide , che i pazienti assumono prima della procedura. относительно ограниченной. Sebbene questi agenti possano migliorare la qualità dell'immagine, la procedura rimane relativamente limitata nella sua sensibilità. Sono in fase di sviluppo metodi per aumentare la sensibilità della risonanza magnetica. формы водорода с уникальными свойствами молекулярного спина, который очень чувствителен к магнитным полям. Il più promettente è l'uso del paraidrogeno - una forma di idrogeno con le proprietà uniche dello spin molecolare, che è molto sensibile ai campi magnetici.

Migliorare le caratteristiche del campo magnetico utilizzate nella risonanza magnetica ha portato allo sviluppo di tecniche di imaging altamente sensibili, come la diffusione e la risonanza magnetica funzionale, progettate per mostrare proprietà tissutali molto specifiche. , называемая магнитно-резонансной ангиографией, используется для получения изображения движения крови. Inoltre, una forma unica di tecnologia MRI , chiamata angiografia a risonanza magnetica, viene utilizzata per acquisire immagini del movimento del sangue. Permette di visualizzare arterie e vene senza la necessità di aghi, cateteri o agenti di contrasto. Come con la risonanza magnetica, questi metodi hanno contribuito a rivoluzionare la ricerca e la diagnostica biomedica.

голограммы, служащие для определения точной локализации повреждений. Tecnologie informatiche avanzate hanno consentito ai radiologi di sezioni digitali ottenute dagli scanner MRI di creare ologrammi tridimensionali , che vengono utilizzati per determinare l'esatta posizione del danno. La tomografia è particolarmente utile quando si esaminano il cervello e il midollo spinale, così come gli organi pelvici, come la vescica e l'osso spugnoso. лечение. Il metodo consente di determinare rapidamente e chiaramente l'entità del danno tumorale e di valutare il potenziale danno da un ictus, consentendo ai medici di prescrivere un trattamento appropriato in modo tempestivo. , необходимость вводить контрастное вещество в сустав для визуализации хряща или повреждение связок, а также миелографию , инъекцию контрастного вещества в позвоночный канал для визуализации нарушений спинного мозга или межпозвонкового диска. La risonanza magnetica ha spostato l' artrografia , la necessità di iniettare un agente di contrasto nell'articolazione per visualizzare la cartilagine o il danno ai legamenti, così come la mielografia , l'iniezione di un mezzo di contrasto nel canale spinale per visualizzare i disturbi del midollo spinale o del disco intervertebrale.

Applicazione di chimica

In molti laboratori oggi, la risonanza magnetica nucleare viene utilizzata per determinare le strutture di importanti composti chimici e biologici. Negli spettri NMR, diversi picchi forniscono informazioni sullo specifico ambiente chimico e sui legami tra gli atomi. изотопами, используемыми для обнаружения сигналов магнитного резонанса, являются ¹ H и ¹³ C, но подходит и множество других, таких как ² H, ³ He , ¹⁵ N, ¹⁹ F и т. д. Gli isotopi più comuni utilizzati per rilevare i segnali di risonanza magnetica sono ¹ H e ¹³ C, ma molti altri sono adatti, come ² H, ³ He , ¹⁵ N, ¹⁹ F, ecc.

La moderna spettroscopia NMR ha trovato ampia applicazione nei sistemi biomolecolari e svolge un ruolo importante nella biologia strutturale. . Con lo sviluppo di metodologie e strumenti, l'NMR è diventato uno dei metodi spettroscopici più potenti e universali per l'analisi delle biomacromolecole, che ci consente di caratterizzare i loro complessi fino a 100 kDa . на атомном уровне. Insieme alla cristallografia a raggi X, questa è una delle due principali tecnologie per determinare la loro struttura a livello atomico. Inoltre, NMR fornisce informazioni uniche e importanti su funzioni proteiche che svolge un ruolo cruciale nello sviluppo di farmaci. приведены ниже. Alcune delle applicazioni della spettroscopia NMR sono fornite di seguito.

• условиях или имитирующих мембрану средах. Questo è l'unico metodo per determinare la struttura atomica delle biomacromolecole in soluzioni acquose in condizioni prossime alle imitazioni fisiologiche o di membrana.
• Dinamica molecolare. . Questo è il metodo più potente per la determinazione quantitativa delle proprietà dinamiche delle biomacromolecole .
• Squirrel pieghevole. является наиболее мощным инструментом для определения остаточных структур развернутых белков и посредников сворачивания. La spettroscopia NMR è lo strumento più potente per determinare le strutture residue di proteine ​​non piegate e mediatori pieghevoli.
• Stato di ionizzazione . Il metodo è efficace nel determinare le proprietà chimiche di gruppi funzionali in biomacromolecole, come gli stati di ionizzazione di gruppi ionizzabili di siti attivi di enzimi .
• La risonanza magnetica nucleare consente di studiare interazioni funzionali deboli tra macrobiomolecole (ad esempio, con costanti di dissociazione nell'intervallo micromolare e millimolare), che non possono essere eseguite con altri metodi.
• Idratazione delle proteine взаимодействия с биомакромолекулами. NMR è uno strumento per rilevare l'acqua interna e la sua interazione con biomacromolecole.
• водородных связей . Questo è un metodo unico di rilevamento diretto dell'interazione dei legami idrogeno .
• Screening e sviluppo di farmaci. In particolare, il metodo della risonanza magnetica nucleare è particolarmente utile nell'individuare farmaci e determinare le conformazioni di composti associati ad enzimi, recettori e altre proteine.
• Proteina di membrana nativa. в среде нативной мембраны, в том числе со связанными лигандами. L'NMR allo stato solido ha il potenziale di determinare le strutture atomiche dei domini delle proteine ​​di membrana nell'ambiente della membrana nativa, compresi quelli con ligandi legati.
• Analisi metabolica
• Analisi chimica Identificazione chimica e analisi conformazionale di prodotti chimici sintetici e naturali.
• Scienza dei materiali. Un potente strumento nello studio della chimica e della fisica dei polimeri.

Altri usi

медициной и химией. La risonanza magnetica nucleare e il suo uso non si limitano alla medicina e alla chimica. Il metodo si è dimostrato molto utile in altre aree, come i test ambientali, l'industria petrolifera, il controllo dei processi, l'NMR del campo terrestre e i magnetometri. I test non distruttivi consentono di risparmiare su costosi campioni biologici che possono essere riutilizzati se sono necessari più test. La risonanza magnetica nucleare in geologia viene utilizzata per misurare la porosità delle rocce e la permeabilità dei fluidi sotterranei. I magnetometri sono utilizzati per misurare vari campi magnetici.