NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY) dr Marcin Lipowczan

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY) dr Marcin Lipowczan"

Kinga Stefańska
8 lat temu
Przeglądów:

1 NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY) dr Marcin Lipowczan

2 Spis zagadnień Fizyczne podstawy zjawiska NMR Parametry widma NMR Procesy relaksacji jądrowej Metody obrazowania

3 Fizyczne podstawy NMR Proton, neutron, elektron posiadają spin ½ Spin jądra jest wypadkową spinów cząstek składających się na jądro NMR 1945 (Purcell, Bloch, Horward, Stanford) Nagroda Nobla 1952 r. Moment magnetyczny jądra µ 0 W technikach NMR znaczenie mają spiny niesparowanych cząstek jąder atomowych NMR może być uzyskany jedynie dla izotopów, których abundancja jest wystarczająco duża do detekcji

Moment magnetyczny jądra µ 0 W technikach NMR znaczenie mają spiny niesparowanych cząstek jąder

4 Fizyczne podstawy NMR elektron w polu magnetycznym bąk w polu grawitacyjnym (ω = γ B 0 częstość Larmora) Elektron 2 momenty pędu: Orbitalny (ruch po orbicie) Spinowy (ruch wokół własnej osi) Ładunek w ruchu => pole magnetyczne Spin (wynika z mechaniki kwantowej)

pędu: Orbitalny (ruch po orbicie) Spinowy (ruch wokół własnej

5 Fizyczne podstawy NMR Cząsteczka posiadająca spin oddziałuje z polem magnetycznym H = µ B = gµ SzB = hγb Jądra posiadające spin większy od ½ w zewnętrznym polu magnetycznym mają więcej niż dwa poziomów energetycznych Dla spinu S = n/2, otrzymujemy następujące poziomy energetyczne: E = - {-n/2, (-n+2)/2,..., n/2} g µ B Prawdopodobieństwa obsadzeń poziomów energetycznych są następujące: N = e -E/kT Moment magnetyczny makroskopowy różnica obsadzeń poszczególnych poziomów energetycznych (ruch precesyjny w obecności pola magnetycznego B)

poziomy energetyczne: E = - {-n/2, (-n+2)/2,.

6 Fizyczne podstawy NMR (kwantowo) Proton (jądro wodoru) w zewnętrznym polu magnetycznym spin ustawia się równolegle do pola magnetycznego na dwa możliwe sposoby (dwa możliwe poziomy energetyczne protonu o różnicy energii E= 1/2g µ B- (-1/2)g µ B=g µ B) Dzięki absorbcji energii fali elektromagnetycznej E = hν, proton może przejść z jednego stanu do drugiego

poziomy energetyczne protonu o różnicy energii E= 1/2g µ B- (-1/2)g µ B=g µ B) Dzięki

7 Fizyczne podstawy NMR H = µ B; gdzie Dla jądra: µ = g j µ I, j µ j = eh 4πm p - magneton jądrowy Dla elektronu: µ = gµ S, B µ B = eh 4πm e - magneton Bohra

8 Fizyczne podstawy NMR Opis rezonansu dla S = ½ Próbka znajduje się w stałym polu magnetycznym (rzędu Tesli) i jest poddawana impulsowi świetlnemu (częstości radiowe, dla wodoru 42 MHz) Gdy gµb = hν, to następuje pochłonięcie rezonansowe fotonu (makroskopowo namagnesowanie próbki M) Impuls przestaje działać => powrót próbki do stanu początkowego (oddanie energii). Powoduje to wyindukowanie prądu w cewce odbiorczej Sygnał w cewce odbiorczej zawiera komplet informacji o właściwościach rezonansowych jąder Czas powrotu do stanu początkowego = czas relaksacji

próbki M) Impuls przestaje działać => powrót próbki do stanu początkowego (oddanie energii).

9 Opis rezonansu w ujęciu klasycznym Rezonans magnetyczny polega na zmianie wartości spinu jądrowego między dwoma skwantowanymi poziomami energetycznymi o różnicy energii E = g µ B. Energia jest pochłaniana lub emitowana w postaci fali γ elektromagnetycznej o częstotliwości ν = B ω = γ B 2 π Częstotliwość rezonansowa zależy od rodzaju jądra (γ) i od indukcji pola magnetycznego (B) Dla protonów w polu magnetycznym o indukcji 1.4 T częstotliwość rezonansowa wynosi 60 MHz. Przejście pomiędzy dwoma stanami spinowymi indukowane jest przez działanie zmiennego pola magnetycznego o γ częstotliwości ν = B 2π

Energia jest pochłaniana lub emitowana w postaci fali γ elektromagnetycznej o częstotliwości ν = B ω = γ B 2 π Częstotliwość rezonansowa zależy od

12 Opis rezonansu w ujęciu klasycznym Próbka znajduje się w stałym polu magnetycznym (rzędu Tesli) i jest poddawana impulsowi świetlnemu (częstości radiowe, dla wodoru 42 MHz) gµb = hν <=> ω = γb, ω częstość Larmora Próbka poddana jest rezonansowemu impulsowi radiowemu RF. Wektor magnetyzacji zaczyna wykonywać ruch precesyjny wokół wypadkowego pola magnetycznego prostopadłego do pola B

γb, ω częstość Larmora Próbka poddana jest rezonansowemu impulsowi radiowemu RF.

13 Opis rezonansu w ujęciu klasycznym Po wyłączeniu impulsu radiowego następuje relaksacja układu (odrost wektora magnetyzacji równolegle do pola B) Magnetyzacja podłużna M L wraca do stanu początkowego w odpowiednim czasie cykl wektora magnetyzacji

magnetyzacji równolegle do pola B) Magnetyzacja podłużna M L

14 Opis rezonansu w ujęciu klasycznym Magnetyzacja poprzeczna cykl wektora magnetyzacji poprzecznej Sygnał FID jest odbierany przez cewkę odbiorczą i zawiera pełną informację o badanej próbce

15 Metody obrazowania MRI (Magnetic Resonance Imaging)

17 Powierzchnia integralna jest proporcjonalna do liczby wzbudzonych jąder ν ν ν δ = ν s wzorca 6 wzorca 10 [ ppm] B

18 Pierwsze zastosowanie: badanie struktury prostych związków organicznych Obecnie podstawowe narzędzie analizy chemicznej Angiografia na podstawie różnic amplitudy między spinami w ruchu i spoczynku

19 Przesunięcie chemiczne Częstości rezonansowe są różne dla jąder różnego typu Częstości rezonansowe są różne dla jąder tego samego typu (przesunięcie chemiczne względne zmniejszenie częstości rezonansowej jest rzędu 10-5 dla protonu) Kiedy atom zostanie umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym, jego elektrony zaczynają krążyć wokół kierunku pola. Wypadkowe pole magnetyczne w pobliżu jądra atomu jest nieco mniejsze od pola zewnętrznego

10-5 dla protonu) Kiedy atom zostanie umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym, jego elektrony zaczynają

20 Przesunięcie chemiczne Zakresy absorpcji protonów w związkach organicznych

21 Sprzężenie spinowo-spinowe Rozszczepienie sygnału (dublet, tryplet, kwartet) zależne od liczby sąsiadujących jąder paramagnetycznych n (n + 1) Oddziaływanie pomiędzy dwoma molekułami H J =J 1,2 S 1z S 2z J odległość między pikami w multiplecie B 0 = 4,7 T ν = 200 MHz ν ν δ = ν s wzorca 6 wzorca 10 [ ppm] Wzorzec obojętny chemicznie, singlet, z dala od innych sygnałów (0 na skali). Dla protonów - tetrametylosilan (CH 3 ) 4 Si, (TMS)

22 Metody obrazowania MRI (Magnetic Resonance Imaging) Mierzone wartości sygnału rezonansowego są zwykle wartościami średnimi próbki. Są to wyniki nieinteresujące dla dużych ciał biologicznych Dzielimy badany obiekt na skończoną ilość elementów poprzez nadanie warunku rezonansu ściśle określonej objętości elementarnej (gradienty pola magnetycznego)

23 MRI Procedurę wykonujemy wielokrotnie pod różnymi kątami Rekonstruujemy obraz za pomocą standardowego algorytmu rekonstrukcji Dwuwymiarowa transformacja Fouriera Trójwymiarowa transformacja Fouriera Przykładowe wartości czasów relaksacji dla tkanek

24 Przykłady zastosowań

Podobne dokumenty

ν 1 = γ B 0 Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego h S = I(I+1)

ν 1 = γ B 0 Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego h S = I(I+1) h S = I(I+) gdzie: I kwantowa liczba spinowa jądra I = 0, ½,, /,, 5/,... itd gdzie: = γ S γ współczynnik żyromagnetyczny moment magnetyczny brak spinu I = 0 spin sferyczny I = _ spin elipsoidalny I =,,,...