MAGNETIC RESONANCE
resonant (selective) absorption ng radio frequency radiation ng ilang mga atomic particle na inilagay sa isang pare-parehong magnetic field. Karamihan sa mga elementarya na particle, tulad ng mga tuktok, ay umiikot sa kanilang sariling axis. Kung ang isang particle ay may electric charge, pagkatapos ay kapag ito ay umiikot, isang magnetic field ang lumitaw, i.e. ito ay kumikilos tulad ng isang maliit na magnet. Kapag ang magnet na ito ay nakikipag-ugnayan sa isang panlabas na magnetic field, nangyayari ang mga phenomena na ginagawang posible na makakuha ng impormasyon tungkol sa nuclei, atoms o molecules, na kinabibilangan ng elementarya na particle na ito. Ang magnetic resonance method ay isang unibersal na tool sa pananaliksik na ginagamit sa magkakaibang larangan ng agham gaya ng biology, chemistry, geology at physics. Mayroong dalawang pangunahing uri ng magnetic resonance: electron paramagnetic resonance at nuclear magnetic resonance.
Tingnan din
MAGNET AT MAGNETIC PROPERTIES NG SUBSTANCE;
MGA ELEMENTARYONG PARTIKULO.
Electron paramagnetic resonance (EPR). Ang EPR ay natuklasan noong 1944 ng Russian physicist na si E.K. Zavoisky. Ang mga electron sa mga substance ay kumikilos tulad ng microscopic magnet. Sa iba't ibang mga sangkap, ang mga ito ay reoriented sa iba't ibang paraan kung ang sangkap ay inilagay sa isang pare-pareho ang panlabas na magnetic field at nakalantad sa isang field ng frequency ng radyo. Ang pagbabalik ng mga electron sa kanilang orihinal na oryentasyon ay sinamahan ng isang radio frequency signal na nagdadala ng impormasyon tungkol sa mga katangian ng mga electron at kanilang kapaligiran. Ang pamamaraang ito, na isa sa mga uri ng spectroscopy, ay ginagamit sa pag-aaral ng kristal na istraktura ng mga elemento, ang kimika ng mga buhay na selula, mga bono ng kemikal sa mga sangkap, atbp.
Tingnan din HANAY ; SPECTROSCOPY.
Nuclear magnetic resonance (NMR). Natuklasan ang NMR noong 1946 ng mga Amerikanong pisiko na sina E. Purcell at F. Bloch. Nagtatrabaho nang nakapag-iisa sa isa't isa, nakahanap sila ng isang paraan ng matunog na "tuning" sa mga magnetic field ng natural na pag-ikot ng nuclei ng ilang mga atomo, tulad ng hydrogen at isa sa mga isotopes ng carbon. Kapag ang isang sample na naglalaman ng naturang nuclei ay inilagay sa isang malakas na magnetic field, ang kanilang mga nuclear moments ay "line up" tulad ng iron filings malapit sa isang permanenteng magnet. Ang pangkalahatang oryentasyong ito ay maaaring maabala ng isang RF signal. Kapag ang signal ay naka-off, ang nuclear moments ay bumalik sa kanilang orihinal na estado, at ang bilis ng naturang pagbawi ay depende sa kanilang estado ng enerhiya, ang uri ng nakapaligid na nuclei, at ilang iba pang mga kadahilanan. Ang paglipat ay sinamahan ng paglabas ng isang signal ng dalas ng radyo. Ang signal ay ipinapadala sa isang computer na nagpoproseso nito. Sa ganitong paraan (ang paraan ng computed NMR tomography), maaaring makuha ang mga imahe. (Kapag binago ang panlabas magnetic field ang epekto ng isang three-dimensional na imahe ay nakakamit sa maliliit na hakbang.) Ang paraan ng NMR ay nagbibigay ng mataas na kaibahan ng iba't ibang malambot na tisyu sa larawan, na napakahalaga para sa pagtukoy ng mga may sakit na selula laban sa background ng mga malulusog. Ang NMR tomography ay itinuturing na mas ligtas kaysa sa X-ray, dahil hindi ito nagdudulot ng anumang pagkasira o pangangati ng tissue.
(tingnan din ang X-RAY RADIATION). Ginagawang posible din ng NMR na pag-aralan ang mga buhay na selula nang hindi nakakagambala sa kanilang mahahalagang aktibidad. Samakatuwid, dapat asahan na ang paggamit ng NMR sa klinikal na gamot lalawak. Tingnan din ang SURGERY.
Collier Encyclopedia. - Open Society. 2000 .
Tingnan kung ano ang "MAGNETIC RESONANCE" sa ibang mga diksyunaryo:
hinirang. pagsipsip ng isang sangkap. magn. mga alon ng isang tiyak na dalas w, dahil sa isang pagbabago sa oryentasyon ng magnetic. sandali ng mga particle ng matter (electrons, at. nuclei). Enerhiya mga antas ng isang particle na may magnetic sandali m, sa ext. magn. patlang H…… Pisikal na Encyclopedia
hinirang. pagsipsip sa vom el. magn. tinukoy ng mga alon. frequency w, dahil sa isang pagbabago sa oryentasyon ng magnetic. sandali h c in va (el bago, at. nuclei). Enerhiya mga antas h tsy, na may magnet. sandali m, sa ext. magn. Ang field H ay nahahati sa magnetic. ... ... Pisikal na Encyclopedia
magnetic resonance- — [Ya.N. Luginsky, M.S. Fezi Zhilinskaya, Yu.S. Kabirov. English Russian Dictionary of Electrical Engineering at Power Engineering, Moscow, 1999] Mga paksa sa electrical engineering, mga pangunahing konsepto EN magnetic resonance ... Handbook ng Teknikal na Tagasalin
Selective absorption ng isang substance ng electromagnetic waves ng isang tiyak na wavelength, dahil sa pagbabago sa oryentasyon ng magnetic moments ng mga electron o atomic nuclei. Mga antas ng enerhiya ng isang particle na may magnetic moment (Tingnan ... ... Great Soviet Encyclopedia
hinirang. pagsipsip ng email magn. radiation ng isang tiyak na dalas na may PTO na matatagpuan sa panlabas. magn. patlang. Dahil sa mga transition sa pagitan ng magnetic mga sublevel ng parehong antas ng enerhiya ng atom, nucleus, at iba pang mga quantum system. Naib. mahahalagang halimbawa ng gayong mga resonance ... ... Likas na agham. encyclopedic Dictionary
magnetic resonance- pumipili ng pagsipsip ng isang sangkap ng mga electromagnetic wave ng isang tiyak na dalas, dahil sa isang pagbabago sa oryentasyon ng mga magnetic na sandali ng mga particle ng sangkap; Tingnan din ang: Resonance nuclear magnetic resonance (NMR) ... Encyclopedic Dictionary of Metallurgy
magnetic resonance- magnetinis rezonansas statusas T sritis chemija apibrėžtis Tam tikro dažnio elektromagnetinių bangų atrankioji sugertis medžiagoje. atitikmenys: engl. magnetic resonance. magnetic resonance... Chemijos terminų aiskinamasis žodynas
- (NMR), piling pagsipsip ng email. magn. enerhiya sa vom dahil sa nuclear paramagnetism. Ang NMR ay isa sa mga pamamaraan ng radiospectroscopy; ito ay sinusunod kapag ang mutually perpendicular magnetic field ay kumikilos sa sample na pinag-aaralan. mga patlang: malakas na pare-pareho ang H0 ... Pisikal na Encyclopedia
Larawan ng utak ng tao sa isang medikal na NMR tomograph Nuclear magnetic resonance (NMR) resonant absorption o emission ng electromagnetic energy ng isang substance na naglalaman ng nuclei na may non-zero spin sa isang external magnetic field, sa frequency ν ... ... Wikipedia
- (NAM), selective absorption ng acoustic energy. vibrations (phonons), dahil sa reorientation ng magnetic. sandali sa. mga core sa tv. katawan na inilagay sa isang permanenteng magnet. patlang. Para sa karamihan ng nuclei, ang resonant absorption ay sinusunod sa ultrasonic region ... ... Pisikal na Encyclopedia
Mga libro
- Magnetic Resonance sa Chemistry at Medicine, R. Freeman. Ang monograph ng kilalang siyentipiko sa larangan ng NMR spectroscopy na si R. Freeman ay pinagsasama ang visibility ng pagsasaalang-alang ng mga pangunahing prinsipyo ng magnetic resonance sa kimika at medisina (biology) na may mataas na…
Nuclear magnetic resonance
VK. Mga uwak
Irkutsk State Technical University
PANIMULA
Hanggang kamakailan lamang, ang aming mga ideya tungkol sa istruktura ng mga atomo at molekula ay batay sa mga pag-aaral gamit ang mga optical spectroscopy na pamamaraan. Kaugnay ng pagpapabuti parang multo na pamamaraan, na nag-advance sa larangan ng spectroscopic measurements sa hanay ng ultrahigh (humigit-kumulang 10^ 3 - 10^ 6 MHz; microradio waves) at mataas na frequency (humigit-kumulang 10^ (-2) - 10^ 2 MHz; radio waves), mga bagong source ng impormasyon tungkol sa istraktura ng bagay ay lumitaw. Sa panahon ng pagsipsip at paglabas ng radiation sa saklaw ng dalas na ito, ang parehong pangunahing proseso ay nangyayari tulad ng sa iba pang mga hanay ng electromagnetic spectrum, ibig sabihin, kapag lumilipat mula sa isang antas ng enerhiya patungo sa isa pa, ang sistema ay sumisipsip o naglalabas ng isang dami ng enerhiya.
Ang pagkakaiba ng enerhiya sa pagitan ng mga antas at enerhiya ng quanta na kalahok sa mga prosesong ito ay humigit-kumulang 10^(-7) eV para sa rehiyon ng frequency ng radyo at humigit-kumulang 10^(-4) eV para sa mga frequency ng microwave. Sa dalawang uri ng radio spectroscopy, ibig sabihin, nuclear magnetic resonance (NMR) at nuclear quadrupole resonance (NQR) spectroscopy, ang pagkakaiba sa mga antas ng enerhiya ay nauugnay sa iba't ibang oryentasyon, ayon sa pagkakabanggit, ng magnetic dipole moments ng nuclei sa isang inilapat na magnetic field. at electric quadrupole moments ng nuclei sa molecular electric fields, kung ang huli ay hindi spherically symmetrical.
Ang pagkakaroon ng nuclear moments ay unang natuklasan sa pag-aaral ng hyperfine structure elektronikong spectra ilang mga atom na gumagamit ng mataas na resolution optical spectrometers.
Sa ilalim ng impluwensya ng isang panlabas na magnetic field, ang mga magnetic na sandali ng nuclei ay nakatuon sa isang tiyak na paraan, at nagiging posible na obserbahan ang mga paglipat sa pagitan ng mga antas ng enerhiya ng nukleyar na nauugnay sa iba't ibang mga oryentasyong ito: mga paglipat na nangyayari sa ilalim ng pagkilos ng radiation ng isang tiyak. dalas. Ang quantization ng mga antas ng enerhiya ng nucleus ay isang direktang bunga ng quantum nature ng angular momentum ng nucleus na tumatanggap ng 2 ako+ 1 na halaga. Iikot quantum number(spin) Maaari akong maging anumang multiple ng 1/2; ang pinakamataas na kilalang halaga ako(> 7) nagtataglay ng Lu. Ang pinakamalaking masusukat na halaga ng angular momentum ( pinakamataas na halaga projection ng sandali sa napiling direksyon) ay katumbas ng i ћ , saan ћ = h /2 π , a h ay pare-pareho ni Planck.
Mga halaga ako imposibleng mahulaan ang partikular na nuclei, ngunit napagmasdan na ang mga isotopes kung saan ang parehong mass number at atomic number ay mayroon pa ring ako= 0, at ang mga isotopes na may kakaibang mga numero ng masa ay may mga half-integer na spin. Ang ganitong sitwasyon, kapag ang mga bilang ng mga proton at neutron sa nucleus ay pantay at pantay ( ako= 0) ay maaaring ituring bilang isang estado na may "kumpletong pagpapares", katulad ng kumpletong pagpapares ng mga electron sa isang diamagnetic na molekula.
Sa pagtatapos ng 1945, dalawang grupo ng mga Amerikanong pisiko sa pangunguna nina F. Bloch (Stanford University) at E.M. Purcell (Harvard University) ang unang nakatanggap ng nuclear magnetic resonance signal. Naobserbahan ni Bloch ang resonant absorption ng mga proton sa tubig, at si Purcell ay matagumpay sa pagtuklas ng nuclear resonance ng mga proton sa paraffin. Para sa pagtuklas na ito, iginawad sila ng Nobel Prize noong 1952.
Ang kakanyahan ng NMR phenomenon at ang mga natatanging tampok nito ay nakabalangkas sa ibaba.
HIGH RESOLUTION NMR SPECTROSCOPY
Ang kakanyahan ng hindi pangkaraniwang bagay ng NMR
Ang kakanyahan ng kababalaghan ng NMR ay maaaring ilarawan bilang mga sumusunod. Kung ang isang nucleus na may magnetic moment ay inilagay sa isang pare-parehong field H 0 , na nakadirekta sa z axis, pagkatapos ang enerhiya nito (na may paggalang sa enerhiya sa kawalan ng isang field) ay katumbas ng μ z H 0, saan μ z, ay ang projection ng nuclear magnetic moment sa direksyon ng field.
Tulad ng nabanggit na, ang nucleus ay matatagpuan sa 2 ako+ 1 estado. Sa kawalan ng panlabas na larangan H 0 lahat ng mga estadong ito ay may parehong enerhiya. Kung tinutukoy natin ang pinakamalaking nasusukat na halaga ng bahagi ng magnetic moment sa pamamagitan ng μ , pagkatapos ang lahat ng masusukat na halaga ng bahagi ng magnetic moment (sa kasong ito μ z,) ay ipinahayag bilang m, saan m ay ang quantum number, na, gaya ng nalalaman, ay maaaring kunin ang mga halaga
m= ako, ako- 1,ako- 2...-(ako- 1),-ako.
Dahil ang distansya sa pagitan ng mga antas ng enerhiya na tumutugma sa bawat isa sa 2 ako+ 1 estado, katumbas m H 0 /ako, pagkatapos ay ang nucleus na may spin ako ay may mga discrete energy level
- μ H0,-(I-1)μ z H 0 /Ako,..., (I-1)μ z H 0 /ako, μ H0.
Ang paghahati ng mga antas ng enerhiya sa isang magnetic field ay maaaring tawaging nuclear Zeeman splitting, dahil ito ay katulad ng paghahati ng mga electronic na antas sa isang magnetic field (ang Zeeman effect). Ang paghahati ni Zeeman ay inilalarawan sa fig. 1 para sa system na may ako= 1 (na may tatlong antas ng enerhiya).
kanin. 1. Paghati ni Zeeman ng mga antas ng nuclear energy sa isang magnetic field.
Ang NMR phenomenon ay binubuo sa resonant absorption ng electromagnetic energy dahil sa magnetism ng nuclei. Ito ay nagpapahiwatig ng halatang pangalan ng hindi pangkaraniwang bagay: nuclear - pinag-uusapan natin ang tungkol sa isang sistema ng nuclei, magnetic - ang ibig nating sabihin ay ang kanilang mga magnetic properties, resonance - ang phenomenon mismo ay resonant sa kalikasan. Sa katunayan, ito ay sumusunod mula sa mga tuntunin ng dalas ni Bohr na ang dalas ν electromagnetic field, na nagiging sanhi ng mga paglipat sa pagitan ng mga kalapit na antas, ay tinutukoy ng formula
,
(1)
Dahil ang mga vectors ng momentum (angular momentum) at magnetic momentum ay parallel, ito ay madalas na maginhawa upang makilala ang mga magnetic na katangian ng nuclei sa pamamagitan ng halaga γ na tinukoy ng kaugnayan.
, (2)
saan Ang γ ay ang gyromagnetic ratio na may sukat na radian * oersted^(- 1) * second^(- 1) (rad * E^(- 1) * s*(- 1) ) o radian/(oersted * second) (rad / (E * s)). Sa pag-iisip na ito, nahanap namin
, (3)
Kaya, ang dalas ay proporsyonal sa inilapat na larangan.
Kung, bilang isang karaniwang halimbawa, kinukuha natin ang halaga ng γ para sa isang proton, katumbas ng 2.6753 * 10: 4 rad / (E * s), at H 0 \u003d 10,000 Oe, pagkatapos ay ang resonant frequency
Ang ganitong dalas ay maaaring mabuo ng mga tradisyonal na pamamaraan ng radyo.
Ang NMR spectroscopy ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang bilang ng mga tampok na nakikilala ito mula sa iba pang mga analytical na pamamaraan. Humigit-kumulang kalahati (~150) ng nuclei ng mga kilalang isotopes ang may mga magnetic moment, ngunit minorya lamang sa mga ito ang sistematikong ginagamit.
Bago ang pagdating ng pulsed spectrometers, karamihan sa mga pag-aaral ay isinagawa gamit ang NMR phenomenon sa hydrogen nuclei (protons) 1 H (proton magnetic resonance - PMR) at fluorine 19 F. Ang mga nuclei na ito ay may mga katangiang mainam para sa NMR spectroscopy:
Ang mataas na likas na kasaganaan ng "magnetic" isotope ( 1H 99.98%, 19 F 100%); para sa paghahambing, maaari itong banggitin na ang likas na kasaganaan ng "magnetic" isotope ng carbon 13 C ay 1.1%;
Malaking magnetic moment;
Iikot ako = 1/2.
Pangunahing responsable ito para sa mataas na sensitivity ng pamamaraan sa pag-detect ng mga signal mula sa nuclei na binanggit sa itaas. Bilang karagdagan, mayroong isang mahigpit na theoretically justified na tuntunin ayon sa kung saan ang nuclei lamang na may spin na katumbas o mas malaki kaysa sa unity ang may electric quadrupole moment. Samakatuwid, ang mga eksperimento sa NMR 1H at 19 Ang F ay hindi kumplikado sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan ng nuclear quadrupole moment ng nucleus sa electric environment. Ang isang malaking bilang ng mga gawa ay nakatuon sa resonance sa iba pa (bukod sa 1H at 19 F) mga butil tulad ng 13 C, 31 P, 11 B, 17 O sa likidong bahagi (katulad ng sa nuclei 1 1H at 19F).
Pagpapatupad ng NMR pulse spectrometers sa araw-araw na pagsasanay makabuluhang pinalawak ang mga posibilidad na pang-eksperimento ng ganitong uri ng spectroscopy. Sa partikular, ang pag-record ng NMR spectra 13 Ang mga solusyon sa C - ang pinakamahalagang isotope para sa kimika - ay isa na ngayong pamilyar na pamamaraan. Ang pagtuklas ng mga signal mula sa nuclei, ang intensity ng mga signal ng NMR na kung saan ay maraming beses na mas mababa kaysa sa intensity ng mga signal mula sa 1 H, kasama sa solid phase.
Ang high-resolution na NMR spectra ay karaniwang binubuo ng makitid, mahusay na nalutas na mga linya (mga signal) na tumutugma sa magnetic nuclei sa iba't ibang kemikal na kapaligiran. Ang mga intensity (lugar) ng mga signal sa panahon ng pag-record ng spectra ay proporsyonal sa bilang ng magnetic nuclei sa bawat pangkat, na ginagawang posible na magsagawa ng isang quantitative analysis gamit ang NMR spectra nang walang paunang pagkakalibrate.
Ang isa pang tampok ng NMR ay ang impluwensya ng mga proseso ng palitan, kung saan lumahok ang resonating nuclei, sa posisyon at lapad ng mga resonant na signal. Kaya, ang NMR spectra ay maaaring magamit upang pag-aralan ang likas na katangian ng mga naturang proseso. Ang mga linya ng NMR sa liquid spectra ay karaniwang may lapad na 0.1 - 1 Hz (high-resolution na NMR), habang ang parehong nuclei na napagmasdan sa solid phase ay magdudulot ng paglitaw ng mga linyang may lapad ng pagkakasunud-sunod na 1 * 10^ 4 Hz ( kaya ang konsepto ng malawak na linya ng NMR).
Sa high-resolution na NMR spectroscopy, mayroong dalawang pangunahing mapagkukunan ng impormasyon tungkol sa istraktura at dinamika ng mga molekula:
Paglipat ng kemikal;
Mga pare-parehong interaksyon ng spin-spin.
pagbabago ng kemikal
Sa ilalim ng tunay na mga kondisyon, ang resonant nuclei na ang mga signal ng NMR ay nakita mahalaga bahagi mga atomo o molekula. Kapag ang mga sangkap ng pagsubok ay inilagay sa isang magnetic field ( H 0 ) mayroong isang diamagnetic na sandali ng mga atomo (mga molekula), dahil sa orbital na paggalaw ng mga electron. Ang paggalaw na ito ng mga electron ay bumubuo ng mga mabisang alon at, samakatuwid, ay lumilikha ng pangalawang magnetic field na proporsyonal, alinsunod sa batas ni Lenz, sa field. H 0 at kabaligtaran ng direksyon. Ang pangalawang field na ito ay kumikilos sa nucleus. Kaya, ang lokal na larangan sa lugar kung saan matatagpuan ang resonating nucleus,
,
(4)
saan Ang σ ay isang walang sukat na pare-pareho, na tinatawag na screening constant at independiyente ng H 0 , ngunit malakas na umaasa sa kemikal (electronic) na kapaligiran; nailalarawan nito ang pagbaba Hlok kumpara sa H 0 .
Halaga Ang σ ay nag-iiba mula sa isang halaga ng pagkakasunud-sunod ng 10^(- 5) para sa isang proton hanggang sa mga halaga ng pagkakasunud-sunod ng 10^(- 2) para sa mabigat na nuclei. Isinasaalang-alang ang expression para sa Hlok meron kami
,
(5)
Epekto ng screening ay upang bawasan ang distansya sa pagitan ng mga antas ng nuclear magnetic energy o, sa madaling salita, humahantong sa convergence ng mga antas ng Zeeman (Larawan 2). Sa kasong ito, ang dami ng enerhiya na nagdudulot ng mga paglipat sa pagitan ng mga antas ay nagiging mas maliit at, dahil dito, ang resonance ay nangyayari sa mas mababang mga frequency (tingnan ang expression (5)). Kung magsasagawa tayo ng eksperimento sa pamamagitan ng pagpapalit ng field H 0 hanggang sa mangyari ang resonance, ang inilapat na lakas ng field ay dapat na malaki kumpara sa kaso kapag ang core ay hindi shielded.
kanin. Fig. 2. Epekto ng electron screening sa mga antas ng Zeeman ng nucleus: (a) hindi na-screen, (b) na-screen.
Sa karamihan ng mga spectrometer ng NMR, ang spectra ay naitala kapag ang field ay nagbabago mula kaliwa pakanan, kaya ang mga signal (mga taluktok) ng pinaka may kalasag na nuclei ay dapat nasa kanang bahagi ng spectrum.
Ang paglilipat ng signal depende sa kemikal na kapaligiran, dahil sa pagkakaiba sa mga constant ng screening, ay tinatawag na chemical shift.
Sa unang pagkakataon, ang mga mensahe tungkol sa pagtuklas ng isang pagbabago sa kemikal ay lumitaw sa ilang mga publikasyon noong 1950-1951. Kabilang sa mga ito, kinakailangang isa-isa ang gawain ni Arnold et al. (1951), na nakakuha ng unang spectrum na may magkahiwalay na linya na tumutugma sa mga kemikal na magkakaibang posisyon ng magkaparehong nuclei. 1 H sa isang molekula. Ito ay tungkol tungkol sa ethyl alcohol CH 3 CH 2 OH, karaniwang spectrum ng NMR 1 H kung saan sa mababang resolution ay ipinapakita sa fig. 3.
kanin. 3. Mababang-resolution na proton resonance spectrum ng likidong ethyl alcohol.
Mayroong tatlong uri ng mga proton sa molekula na ito: tatlong proton ng methyl group na CH 3 –, dalawang proton ng pangkat ng methylene –CH 2 – at isang proton ng hydroxyl group –OH. Makikita na ang tatlong magkahiwalay na signal ay tumutugma sa tatlong uri ng mga proton. Dahil ang intensity ng mga signal ay nasa ratio na 3: 2: 1, ang pag-decode ng spectrum (pagtatalaga ng mga signal) ay hindi mahirap.
Dahil ang mga pagbabago sa kemikal ay hindi masusukat sa isang ganap na sukat, iyon ay, nauugnay sa isang nucleus na wala sa lahat ng mga electron nito, ang signal ng isang reference compound ay ginagamit bilang isang conditional zero. Karaniwan, ang mga chemical shift value para sa anumang nuclei ay ibinibigay bilang walang sukat na parameter 8 na tinukoy bilang mga sumusunod:
,
(6)
saan H- sumbrero ay ang pagkakaiba sa mga pagbabagong kemikal para sa sample ng pagsubok at ang pamantayan, sumbrero ay ang ganap na posisyon ng reference signal sa inilapat na field H 0 .
Sa ilalim ng tunay na mga kundisyong pang-eksperimento, posibleng sukatin ang dalas nang mas tumpak kaysa sa field, kaya karaniwang matatagpuan ang δ mula sa expression
,
(7)
saan ν - sa sahig ay ang pagkakaiba sa pagitan ng mga pagbabagong kemikal para sa sample at ang pamantayan, na ipinahayag sa mga yunit ng dalas (Hz); Ang NMR spectra ay karaniwang naka-calibrate sa mga yunit na ito.
Sa mahigpit na pagsasalita, dapat gamitin ng isa ν 0 ay ang operating frequency ng spectrometer (ito ay karaniwang naayos), at ang dalas sa sahig, iyon ay, ang ganap na dalas kung saan ang resonant signal ng reference ay sinusunod. Gayunpaman, ang error na ipinakilala ng naturang kapalit ay napakaliit, dahil ν 0 at sa sahig halos pantay (ang pagkakaiba ay 10 ^ (-5), iyon ay, ayon sa halaga σ para sa isang proton). Dahil ang iba't ibang NMR spectrometer ay gumagana sa iba't ibang mga frequency ν 0 (at, dahil dito, para sa iba't ibang larangan H 0 ), ito ay malinaw na ang expression δ sa mga unit na walang sukat.
Ang unit ng chemical shift ay isang milyon ng field strength o resonant frequency (ppm). Sa banyagang panitikan, ang pagbawas na ito ay tumutugma sa ppm (parts per million). Para sa karamihan ng mga nuclei na bumubuo ng mga diamagnetic compound, ang hanay ng mga kemikal na pagbabago ng kanilang mga signal ay daan-daan at libu-libong ppm, na umaabot sa 20,000 ppm. sa kaso ng NMR 59
Co (kobalt). Sa spectra 1
Ang mga signal ng H proton ng karamihan sa mga compound ay nasa hanay na 0 – 10 ppm.
Pakikipag-ugnayan ng spin-spin
Noong 1951-1953, nang itala ang NMR spectra ng isang bilang ng mga likido, napag-alaman na mayroong higit pang mga linya sa spectra ng ilang mga sangkap kaysa sa mga sumusunod mula sa isang simpleng pagtatantya ng bilang ng walang katumbas na nuclei. Ang isa sa mga unang halimbawa ay ang resonance sa fluorine sa molekula ng POCl 2 F. Spectrum 19 Ang F ay binubuo ng dalawang linya ng pantay na intensity, bagama't mayroon lamang isang fluorine atom sa molekula (Larawan 4). Ang mga molekula ng iba pang mga compound ay nagbigay ng simetriko multiplet signal (triplets, quartets, atbp.).
Ang isa pang mahalagang kadahilanan na natagpuan sa naturang spectra ay ang distansya sa pagitan ng mga linya, na sinusukat sa sukat ng dalas, ay hindi nakasalalay sa inilapat na larangan. H 0 , sa halip na maging proporsyonal dito, tulad ng nararapat kung ang multiplicity ay nagmumula sa isang pagkakaiba sa mga constant ng screening.
kanin. 4. Doublet sa resonance spectrum sa fluorine nuclei sa POCl molecule 2F
Sina Ramsey at Purcell noong 1952 ang unang nagpaliwanag sa pakikipag-ugnayang ito sa pamamagitan ng pagpapakita na ito ay dahil sa isang hindi direktang mekanismo ng pagkabit sa pamamagitan ng elektronikong kapaligiran. Ang nuclear spin ay may posibilidad na i-orient ang mga spin ng mga electron na nakapalibot sa ibinigay na nucleus. Ang mga iyon naman, ay nag-orient sa mga spin ng iba pang mga electron at sa pamamagitan ng mga ito - ang mga spins ng ibang nuclei. Ang enerhiya ng interaksyon ng spin-spin ay karaniwang ipinahayag sa hertz (iyon ay, ang Planck constant ay kinuha bilang isang yunit ng enerhiya, batay sa katotohanan na E=h ν ). Malinaw na walang pangangailangan (hindi katulad ng pagbabago ng kemikal) na ipahayag ito sa mga kamag-anak na yunit, dahil ang tinalakay na pakikipag-ugnayan, tulad ng nabanggit sa itaas, ay hindi nakasalalay sa lakas ng panlabas na larangan. Ang magnitude ng pakikipag-ugnayan ay maaaring matukoy sa pamamagitan ng pagsukat ng distansya sa pagitan ng mga bahagi ng kaukulang multiplet.
Ang pinakasimpleng halimbawa ng paghahati dahil sa spin-spin coupling na maaaring makaharap ay ang resonance spectrum ng isang molekula na naglalaman ng dalawang uri ng magnetic nuclei A at X. Ang nuclei A at X ay maaaring magkaibang nuclei o nuclei ng parehong isotope (para sa halimbawa, 1 H) kapag ang mga kemikal ay nagbabago sa pagitan ng kanilang mga resonant signal ay malaki.
kanin. 5. View ng NMR spectrum ng isang system na binubuo ng magnetic nuclei A at X na may spin Ako = 1/2 kapag natugunan ang kondisyon δ AX > J AX .
Sa fig. Ipinapakita ng 5 kung ano ang hitsura ng spectrum ng NMR kung ang parehong nuclei, i.e. A at X, ay may spin 1/2. Ang distansya sa pagitan ng mga bahagi sa bawat doublet ay tinatawag na spin-spin coupling constant at karaniwang tinutukoy bilang J (Hz); sa kasong ito ito ay ang pare-parehong J AH.
Ang paglitaw ng mga doublets ay dahil sa katotohanan na ang bawat nucleus ay naghahati sa mga linya ng resonance ng kalapit na nucleus sa 2I+1 sangkap. Ang mga pagkakaiba sa enerhiya sa pagitan ng iba't ibang mga estado ng pag-ikot ay napakaliit na, sa thermal equilibrium, ang mga probabilidad ng mga estado na ito, alinsunod sa pamamahagi ng Boltzmann, ay naging halos pantay. Dahil dito, ang mga intensity ng lahat ng linya ng multiplet na nagreresulta mula sa pakikipag-ugnayan sa isang nucleus ay magiging pantay. Sa kaso kung saan mayroon n katumbas na nuclei (iyon ay, pantay na may kalasag, kaya ang kanilang mga signal ay may parehong chemical shift), ang resonant signal ng kalapit na nucleus ay nahahati sa 2nI + 1 mga linya.
KONGKLUSYON
Sa lalong madaling panahon pagkatapos ng pagtuklas ng kababalaghan ng NMR sa condensed matter, naging malinaw na ang NMR ay magiging batayan ng isang makapangyarihang paraan para sa pag-aaral ng istraktura ng bagay at mga katangian nito. Sa katunayan, kapag nag-aaral ng NMR spectra, ginagamit namin bilang isang resonant system ng nuclei na sobrang sensitibo sa magnetic na kapaligiran. Ang mga lokal na magnetic field na malapit sa resonating nucleus ay nakasalalay sa intra- at intermolecular effect, na tumutukoy sa halaga ng ganitong uri ng spectroscopy para sa pag-aaral ng istraktura at pag-uugali ng maraming-electron (molecular) system.
Sa kasalukuyan, mahirap ituro ang isang larangan ng natural na agham kung saan hindi ginagamit ang NMR sa ilang lawak. Ang mga pamamaraan ng NMR spectroscopy ay malawakang ginagamit sa kimika, molekular na pisika, biology, agronomy, gamot, sa pag-aaral ng mga likas na pormasyon (mika, amber, semi-mahalagang mga bato, sunugin na mineral at iba pang mineral na hilaw na materyales), iyon ay, sa mga pang-agham na lugar kung saan ang istraktura ng isang sangkap, ang molekular na istraktura nito , ang likas na katangian ng mga bono ng kemikal, ang intermolecular na pakikipag-ugnayan ay pinag-aralan at iba't ibang anyo panloob na paggalaw.
Ang mga pamamaraan ng NMR ay lalong ginagamit upang pag-aralan ang mga teknolohikal na proseso sa mga laboratoryo ng pabrika, gayundin upang kontrolin at kontrolin ang takbo ng mga prosesong ito sa iba't ibang teknolohiyang komunikasyon nang direkta sa produksyon. Ipinakita ng pananaliksik sa nakalipas na limampung taon na ang mga pamamaraan ng magnetic resonance ay maaaring makakita ng mga kaguluhan sa kurso ng mga biological na proseso sa pinakamaagang yugto. Ang mga pag-install para sa pag-aaral ng buong katawan ng tao sa pamamagitan ng mga pamamaraan ng magnetic resonance (mga pamamaraan ng NMR tomography) ay binuo at ginagawa.
Tulad ng para sa mga bansang CIS, at higit sa lahat Russia, ang mga pamamaraan ng magnetic resonance (lalo na ang NMR) ay nakakuha na ngayon ng matatag na lugar sa mga laboratoryo ng pananaliksik ng mga estadong ito. Sa iba't ibang mga lungsod (Moscow, Novosibirsk, Kazan, Tallinn, St. Petersburg, Irkutsk, Rostov-on-Don, atbp.), Ang mga siyentipikong paaralan ay bumangon sa paggamit ng mga pamamaraang ito na may sariling mga orihinal na problema at diskarte sa kanilang solusyon.
1. Popl J., Schneider W., Bernstein G. High resolution nuclear magnetic resonance spectra. M.: IL, 1962. 292 p.
2. Kerrington A., McLechlan E. Magnetic resonance at aplikasyon nito sa kimika. M.: Mir, 1970. 447 p.
3. Bovi F.A. Mataas na resolution NMR ng macromolecules Moscow: Chemistry, 1977. 455 p.
4. Heberlen W., Mehring M. Mataas na resolusyon ng NMR sa mga solido. M.: Mir, 1980. 504 p.
5. Slikter Ch. Mga Batayan ng teorya ng magnetic resonance. M.: Mir, 1981. 448 p.
6. Ionin B.I., Ershov B.A., Koltsov A.I. NMR spectroscopy sa organic chemistry. L.: Chemistry, 1983. 269 p.
7. Voronov V.K. Mga paraan ng paramagnetic additives sa NMR spectroscopy. Novosibirsk: Nauka, 1989. 168 p.
8. Ernst R., Bodenhausen J., Vokaun A. NMR sa isa at dalawang dimensyon. M.: Mir, 1990. 709 p.
9. Deroum E. Mga modernong pamamaraan ng NMR para sa pananaliksik sa kemikal. M.: Mir, 1992. 401 p.
10. Voronov V.K., Sagdeev R.Z. Mga pangunahing kaalaman ng magnetic resonance. Irkutsk: Vost.-Sib. aklat. publishing house, 1995.352 p.
Ang terminong "magnetic resonance" ay tumutukoy sa selective (resonant) na pagsipsip ng enerhiya ng isang alternating electromagnetic field ng isang electronic o nuclear subsystem ng isang substance na napapailalim sa isang pare-parehong magnetic field. Ang mekanismo ng pagsipsip ay nauugnay sa mga quantum transition sa mga subsystem na ito sa pagitan ng mga discrete energy level na nangyayari sa pagkakaroon ng magnetic field.
Ang mga magnetic resonance ay karaniwang nahahati sa limang uri: 1) cyclotron resonance (CR); 2) electron paramagnetic resonance (EPR); 3) nuclear magnetic resonance (NMR); 4) electronic ferromagnetic resonance; 5) electronic antiferromagnetic resonance.
Cyclotron resonance. Sa CR, ang selektibong pagsipsip ng electromagnetic field na enerhiya ay sinusunod sa mga semiconductors at metal sa isang pare-parehong magnetic field, dahil sa quantum transition ng mga electron sa pagitan ng mga antas ng enerhiya ng Landau. Ang quasi-continuous na spectrum ng enerhiya ng mga conduction electron sa isang panlabas na magnetic field ay nahahati sa mga ganoong antas na magkapantay.
Ang kakanyahan ng pisikal na mekanismo ng CR ay maaari ding maunawaan sa loob ng balangkas ng klasikal na teorya. Ang isang libreng electron ay gumagalaw sa isang pare-parehong magnetic field (nakadirekta sa kahabaan ng axis) kasama ang isang spiral trajectory sa paligid ng mga magnetic induction na linya na may dalas ng cyclotron
kung saan at, ayon sa pagkakabanggit, ang magnitude ng singil at ang epektibong masa ng elektron. I-on natin ngayon ang field ng radio frequency na may frequency at may vector na patayo sa (halimbawa, kasama ang axis ). Kung ang electron ay nasa tamang yugto para sa helix na paggalaw nito, dahil ang rotational frequency nito ay tumutugma sa panlabas na field, ito ay bibilis at ang helix ay lalawak. Ang acceleration ng isang electron ay nangangahulugan ng pagtaas ng enerhiya nito, na nangyayari dahil sa paglipat nito mula sa field ng radio frequency. Kaya, ang resonant absorption ay posible sa ilalim ng mga sumusunod na kondisyon:
ang dalas ng panlabas na electromagnetic field, ang enerhiya na kung saan ay hinihigop, ay dapat na nag-tutugma sa dalas ng cyclotron ng mga electron;
ang vector ng lakas ng electric field ng electromagnetic wave ay dapat na may bahaging normal sa direksyon ng pare-pareho ang magnetic field;
ang ibig sabihin ng libreng landas ng mga electron sa isang kristal ay dapat lumampas sa panahon ng cyclotron oscillations.
Ang paraan ng CR ay ginagamit upang matukoy ang epektibong masa ng mga carrier sa semiconductors. Mula sa kalahating lapad ng linya ng CR, matutukoy ng isa ang katangian ng mga oras ng scattering at, sa gayon, matukoy ang kadaliang mapakilos ng carrier. Ang lugar ng linya ay maaaring gamitin upang matukoy ang konsentrasyon ng mga carrier ng singil sa sample.
Electron paramagnetic resonance. Ang EPR phenomenon ay binubuo sa resonant absorption ng electromagnetic field energy sa paramagnetic sample na inilagay sa isang pare-parehong magnetic field, normal sa magnetic vector ng electromagnetic field. Ang pisikal na kakanyahan ng kababalaghan ay ang mga sumusunod.
Ang magnetic moment ng isang atom na may hindi magkapares na mga electron ay tinutukoy ng expression (5.35). Sa isang magnetic field, ang mga antas ng enerhiya ng isang atom, dahil sa pakikipag-ugnayan ng magnetic moment sa magnetic field, ay nahahati sa mga sublevel na may enerhiya.
nasaan ang magnetic quantum number ng atom at kinukuha ang halaga
Makikita mula sa (5.52) na ang bilang ng mga sublevel ay , at ang distansya sa pagitan ng mga sublevel ay
Atomic transition mula sa mababa hanggang sa mas mataas mataas na antas maaaring mangyari sa ilalim ng impluwensya ng isang panlabas na electromagnetic field. Ayon sa mga tuntunin ng quantum mechanical selection, ang mga pinapayagang transition ay yaong kung saan ang magnetic quantum number ay nagbabago ng isa, iyon ay, . Samakatuwid, ang dami ng enerhiya ng naturang field ay dapat na katumbas ng distansya sa pagitan ng mga sublevel
Ang kaugnayan (5.55) ay ang kondisyon ng EPR. Ang isang alternating magnetic field ng resonant frequency na may parehong probabilidad ay magdudulot ng mga transition mula sa mas mababang mga magnetic sublevel patungo sa mga nasa itaas (absorption) at vice versa (radiation). Sa isang estado ng thermodynamic equilibrium, ang ugnayan sa pagitan ng mga populasyon at dalawang magkalapit na antas ay tinutukoy ng batas ng Boltzmann
Ito ay makikita mula sa (5.56) na nagsasaad na may mas mababang enerhiya ay may mas malaking populasyon (). Samakatuwid, ang bilang ng mga atom na sumisipsip ng electromagnetic field quanta sa ilalim ng mga kundisyong ito ay mananaig sa bilang ng mga naglalabas na atom; bilang isang resulta, ang sistema ay sumisipsip ng enerhiya ng electromagnetic field, na humahantong sa isang pagtaas sa . Gayunpaman, dahil sa pakikipag-ugnayan sa sala-sala, ang hinihigop na enerhiya sa anyo ng init ay inililipat sa sala-sala, at kadalasan ay napakabilis na, sa mga frequency na ginamit, ang ratio ay napakaliit na naiiba mula sa halaga ng ekwilibriyo nito (5.56).
Ang mga EPR frequency ay maaaring matukoy mula sa (5.55). Ang pagpapalit sa halaga at pagbibilang (pure spin moment), nakukuha namin ang resonant frequency
Mula sa (5.57) makikita na sa mga patlang mula hanggang 1 T, ang mga resonant na frequency ay nasa hanay ng Hz, iyon ay, sa mga rehiyon ng radio frequency at microwave.
Ang kondisyon ng resonance (5.55) ay nalalapat sa mga nakahiwalay na atom na may mga magnetic moment. Gayunpaman, ito ay nananatiling wasto para sa isang sistema ng mga atomo, kung ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga magnetic moment ay napakaliit. Ang ganitong sistema ay isang paramagnetic na kristal, kung saan ang mga magnetic atom ay matatagpuan sa malalaking distansya mula sa isa't isa.
Ang EPR phenomenon ay hinulaang noong 1923. Ya.G. Dorfman at natuklasan sa eksperimento noong 1944. E.K.Zavoisky. Sa kasalukuyan, ang EPR ay ginagamit bilang isa sa pinakamakapangyarihang pamamaraan para sa pag-aaral ng mga solido. Batay sa interpretasyon ng EPR spectra, ang impormasyon ay nakuha sa mga depekto, impurities sa solids at electronic na istraktura, sa mga mekanismo mga reaksiyong kemikal atbp. Ang mga paramagnetic amplifier at generator ay itinayo batay sa EPR phenomenon.
Nuclear magnetic resonance. Ang mabibigat na elementarya na mga particle ay mga proton at neutron (nucleon), at, dahil dito, ang atomic nuclei na binuo mula sa mga ito ay may sariling mga magnetic moment, na nagsisilbing pinagmumulan ng nuclear magnetism. Ang papel ng elementarya na magnetic moment, sa pamamagitan ng pagkakatulad sa electron, ay nilalaro dito ng Bohr nuclear magneton
Ang atomic nucleus ay may magnetic moment
kung saan ang factor ng nucleus, ay ang spin number ng nucleus, na kumukuha ng half-integer at integer na mga halaga:
0, 1/2, 1, 3/2, 2, ... . (5.60)
Projection ng nuclear magnetic moment sa axis z ng isang arbitraryong piniling sistema ng coordinate ay tinutukoy ng kaugnayan
Dito, ang magnetic quantum number, kapag kilala, ay kumukuha ng mga halaga:
Sa kawalan ng isang panlabas na magnetic field, ang lahat ng mga estado na may iba't ibang mga estado ay may parehong enerhiya, at samakatuwid ay bumababa. Ang isang atomic nucleus na may non-zero magnetic moment na inilagay sa isang external constant magnetic field ay nakakaranas ng spatial quantization, at ang -fold degenerate level nito ay nahahati sa isang Zeeman multiplet, ang mga level nito ay may mga enerhiya.
Kung pagkatapos nito ang nucleus ay apektado ng isang alternating field, ang dami ng enerhiya nito katumbas ng distansya sa pagitan ng mga antas (5.63)
pagkatapos ay mayroong isang matunog na pagsipsip ng enerhiya ng atomic nuclei, na tinatawag na nuclear paramagnetic resonance o simpleng nuclear magnetic resonance.
Dahil sa ang katunayan na mas maliit, ang NMR resonant frequency ay kapansin-pansing mas mababa kaysa sa EPR frequency. Kaya ang NMR sa mga patlang ng pagkakasunud-sunod ng 1 T ay sinusunod sa rehiyon ng dalas ng radyo.
Ang NMR bilang isang paraan para sa pag-aaral ng nuclei, atoms at molecules ay nakatanggap ng iba't ibang aplikasyon sa physics, chemistry, biology, medisina, teknolohiya, lalo na, para sa pagsukat ng lakas ng magnetic field.
Ang tradisyunal na paraan ng NMR spectroscopy ay may maraming disadvantages. Una, nangangailangan ng maraming oras upang mabuo ang bawat spectrum. Pangalawa, ito ay masyadong mapili tungkol sa kawalan ng panlabas na panghihimasok, at, bilang isang patakaran, ang nagresultang spectra ay may makabuluhang ingay. Pangatlo, hindi ito angkop para sa paglikha ng mga high-frequency spectrometer. Samakatuwid, sa modernong mga instrumento ng NMR, ang tinatawag na pulsed spectroscopy na paraan ay ginagamit, batay sa Fourier transform ng natanggap na signal.
Sa kasalukuyan, ang lahat ng NMR spectrometer ay binuo batay sa makapangyarihang superconducting magnet na may pare-pareho ang halaga magnetic field.
Ang kakanyahan ng NMR introscopy (o magnetic resonance imaging) ay ang pagpapatupad ng isang espesyal na uri quantitative analysis sa pamamagitan ng amplitude ng nuclear magnetic resonance signal. Sa mga pamamaraan ng NMR introscopy, ang magnetic field ay nilikha ng isang sadyang hindi homogenous na field. Pagkatapos ay may dahilan upang asahan na ang dalas ng nuclear magnetic resonance sa bawat punto ng sample ay may sariling halaga, na naiiba sa mga halaga sa ibang mga bahagi. Sa pamamagitan ng pagtukoy ng anumang code para sa mga gradasyon ng amplitude ng signal ng NMR (liwanag o kulay sa screen ng monitor), makakakuha ang isa ng isang kondisyong imahe (tomogram) ng mga seksyon ng panloob na istraktura ng bagay.
Ferro- at antiferromagnetic resonance. Ang pisikal na kakanyahan ng ferromagnetic resonance ay nakasalalay sa katotohanan na sa ilalim ng pagkilos ng isang panlabas na magnetic field, pag-magnetize ng isang ferromagnet sa saturation, ang kabuuang magnetic moment ng sample ay nagsisimula sa precess sa paligid ng field na ito na may Larmor frequency depende sa field. Kung ang isang high-frequency na electromagnetic field na patayo sa ay inilapat sa naturang sample at ang dalas nito ay binago, pagkatapos ay sa , magaganap ang resonant absorption ng field energy. Ang pagsipsip sa kasong ito ay ilang mga order ng magnitude na mas mataas kaysa sa paramagnetic resonance, dahil ang magnetic susceptibility, at, dahil dito, ang magnetic moment of saturation, ay mas mataas sa kanila kaysa sa paramagnets.
Mga tampok ng resonance phenomena sa ferro - at ang mga antiferromagnets ay pangunahing tinutukoy ng katotohanan na sa mga naturang sangkap ang isa ay hindi nakikitungo sa mga nakahiwalay na atomo o medyo mahina ang pakikipag-ugnayan ng mga ion ng mga ordinaryong paramagnetic na katawan, ngunit sa isang kumplikadong sistema ng mga malakas na nakikipag-ugnayan na mga electron. Ang pakikipag-ugnayan ng exchange (electrostatic) ay lumilikha ng isang malaking resulta ng magnetization, at kasama nito ang isang malaking panloob na magnetic field, na makabuluhang nagbabago sa mga kondisyon ng resonance (5.55).
Ang ferromagnetic resonance ay naiiba sa EPR dahil ang pagsipsip ng enerhiya sa kasong ito ay maraming mga order ng magnitude na mas malakas at ang kondisyon ng resonance (relasyon sa pagitan ng resonant frequency ng alternating field at ang magnitude ng constant magnetic field) ay nakadepende nang malaki sa hugis ng mga sample. .
Maraming mga microwave device ang nakabatay sa phenomenon ng ferromagnetic resonance: resonant valves at filters, paramagnetic amplifiers, power limiters at delay lines.
Antiferromagnetic resonance ( elektroniko magnetic resonance sa antiferromagnets) - ang kababalaghan ng isang medyo malaking pumipili na tugon ng magnetic system ng isang antiferromagnet sa pagkilos ng isang electromagnetic field na may dalas (10-1000 GHz) na malapit sa natural na mga frequency ng precession ng magnetization vectors ng magnetic sublattices ng sistema. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay sinamahan ng isang malakas na pagsipsip ng enerhiya ng electromagnetic field.
Mula sa quantum point of view, a antiferromagnetic resonance ay maaaring ituring bilang isang matunog na pagbabagong-anyo ng electromagnetic field photons sa magnons na may wave vector.
Upang obserbahan a antiferromagnetic resonance ginagamit ang mga radio spectrometer, katulad ng ginamit sa pag-aaral ng EPR, ngunit pinapayagan ang mga sukat sa mataas (hanggang 1000 GHz) na mga frequency at sa malakas (hanggang 1 MG) na magnetic field. Ang pinaka-promising ay ang mga spectrometer kung saan ang dalas, sa halip na ang magnetic field, ay na-scan. Optical na pamamaraan para sa pagtuklas ng a antiferromagnetic resonance.
Nuclear magnetic resonance
nuclear magnetic resonance
Nuclear magnetic resonance (NMR) - resonant absorption ng electromagnetic waves sa pamamagitan ng atomic nuclei, na nangyayari kapag nagbabago ang oryentasyon ng mga vectors ng kanilang sariling mga sandali ng momentum (spins). Ang NMR ay nangyayari sa mga sample na inilagay sa isang malakas na constant magnetic field, habang sabay-sabay na inilalantad ang mga ito sa isang mahina na alternating electromagnetic field ng radio frequency range (ang mga linya ng puwersa ng alternating field ay dapat na patayo sa mga linya ng puwersa pare-pareho ang larangan). Para sa hydrogen nuclei (protons) sa isang palaging magnetic field na may lakas na 10 4 oersted, ang resonance ay nangyayari sa isang radio wave frequency na 42.58 MHz. Para sa iba pang mga nuclei sa magnetic field ng 103-104 oersted NMR ay sinusunod sa frequency range na 1-10 MHz. Ang NMR ay malawakang ginagamit sa pisika, kimika at biochemistry upang pag-aralan ang istruktura ng mga solido at kumplikadong molekula. Sa gamot, gamit ang NMR na may resolusyon na 0.5-1 mm, ang isang spatial na imahe ng mga panloob na organo ng isang tao ay nakuha.
Isaalang-alang natin ang kababalaghan ng NMR sa halimbawa ng pinakasimpleng nucleus - hydrogen. Ang hydrogen nucleus ay isang proton, na may tiyak na halaga ng sarili nitong mekanikal na sandali ng momentum (spin). Alinsunod sa quantum mechanics, ang proton spin vector ay maaari lamang magkaroon ng dalawang magkasalungat na direksyon sa kalawakan, na karaniwang tinutukoy ng mga salitang "pataas" at "pababa". Ang proton ay mayroon ding magnetic moment, ang direksyon ng vector na mahigpit na nakatali sa direksyon ng spin vector. Samakatuwid, ang vector ng magnetic moment ng proton ay maaaring idirekta alinman sa "pataas" o "pababa". Kaya, ang proton ay maaaring katawanin bilang isang microscopic magnet na may dalawang posibleng oryentasyon sa espasyo. Kung ilalagay mo ang isang proton sa isang panlabas na pare-parehong magnetic field, kung gayon ang enerhiya ng proton sa larangang ito ay depende sa kung saan nakadirekta ang magnetic moment nito. Ang enerhiya ng isang proton ay magiging mas malaki kung ang magnetic moment nito (at spin) ay nakadirekta sa direksyon na kabaligtaran sa field. Tukuyin natin ang enerhiyang ito bilang E ↓ . Kung ang magnetic moment (spin) ng proton ay nakadirekta sa parehong direksyon tulad ng field, kung gayon ang enerhiya ng proton, denoted E, ay magiging mas kaunti (E<
E ↓).
Пусть протон оказался именно в этом последнем состоянии. Если теперь протону
добавить энергию Δ Е =
E ↓ − E ,
то он сможет скачком перейти в состояние с большей энергией, в котором его
спин будет направлен против поля. Добавить энергию протону можно, “облучая”
его квантами электромагнитных волн с частотой ω, определяемой соотношением
ΔЕ = ћω.
Lumipat tayo mula sa isang proton patungo sa isang macroscopic sample ng hydrogen na naglalaman ng malaking bilang ng mga proton. Magiging ganito ang sitwasyon. Sa sample, dahil sa pag-average ng mga random na oryentasyon ng mga spin, humigit-kumulang pantay na bilang ng mga proton, kapag inilapat ang isang pare-parehong panlabas na magnetic field, ay lilitaw na may kaugnayan sa field na ito na may mga spin na nakadirekta "pataas" at "pababa". Ang pag-iilaw ng isang sample na may mga electromagnetic wave na may dalas na ω = (E ↓ − E )/ћ ay magdudulot ng "napakalaking" spin flip (magnetic moments) ng mga proton, bilang isang resulta kung saan ang lahat ng mga proton ng sample ay magiging isang estado. na may mga spin na nakadirekta laban sa field. Ang ganitong napakalaking pagbabago sa oryentasyon ng mga proton ay sasamahan ng isang matalim (malagong) pagsipsip ng quanta (at enerhiya) ng nag-iilaw na electromagnetic field. Ito ay NMR. Ang NMR ay maaari lamang maobserbahan sa mga sample na may malaking bilang ng nuclei (10 16) gamit ang mga espesyal na pamamaraan at napakasensitibong mga instrumento.
- Ang kakanyahan ng kababalaghan
Una sa lahat, dapat tandaan na kahit na ang salitang "nuklear" ay naroroon sa pangalan ng hindi pangkaraniwang bagay na ito, ang NMR ay walang kinalaman sa nuclear physics at walang kinalaman sa radioactivity. Kung pinag-uusapan natin ang isang mahigpit na paglalarawan, kung gayon hindi magagawa ng isang tao nang wala ang mga batas ng quantum mechanics. Ayon sa mga batas na ito, ang enerhiya ng pakikipag-ugnayan ng isang magnetic core na may panlabas na magnetic field ay maaari lamang tumagal ng ilang discrete value. Kung ang magnetic nuclei ay na-irradiated ng isang alternating magnetic field, ang dalas nito ay tumutugma sa pagkakaiba sa pagitan ng mga discrete energy level na ito, na ipinahayag sa frequency units, kung gayon ang magnetic nuclei ay magsisimulang lumipat mula sa isang antas patungo sa isa pa, habang sinisipsip ang enerhiya ng alternating. patlang. Ito ang phenomenon ng magnetic resonance. Ang paliwanag na ito ay pormal na tama, ngunit hindi masyadong malinaw. May isa pang paliwanag, walang quantum mechanics. Ang magnetic core ay maaaring isipin bilang isang electrically charged na bola na umiikot sa paligid ng axis nito (bagaman, mahigpit na nagsasalita, hindi ito ang kaso). Ayon sa mga batas ng electrodynamics, ang pag-ikot ng isang singil ay humahantong sa hitsura ng isang magnetic field, i.e., ang magnetic moment ng nucleus, na nakadirekta sa kahabaan ng axis ng pag-ikot. Kung ang magnetic moment na ito ay inilagay sa isang pare-parehong panlabas na patlang, pagkatapos ay ang vector ng sandaling ito ay nagsisimula sa precess, ibig sabihin, i-rotate sa paligid ng direksyon ng panlabas na field. Sa parehong paraan, ang umiikot na axis ng gulong ay nauuna (umiikot) sa paligid ng patayo, kung ito ay hindi nababalot nang mahigpit na patayo, ngunit sa isang tiyak na anggulo. Sa kasong ito, ang papel ng magnetic field ay nilalaro ng gravitational force.
Ang dalas ng precession ay tinutukoy pareho ng mga katangian ng nucleus at ng lakas ng magnetic field: mas malakas ang field, mas mataas ang frequency. Pagkatapos, kung, bilang karagdagan sa isang pare-parehong panlabas na magnetic field, ang isang alternating magnetic field ay kumikilos sa nucleus, kung gayon ang nucleus ay nagsisimulang makipag-ugnayan sa patlang na ito - ito, tulad ng dati, ay ini-swing ang nucleus nang mas malakas, ang precession amplitude ay tumataas, at ang nucleus ay sumisipsip ng enerhiya ng alternating field. Gayunpaman, ito ay magaganap lamang sa ilalim ng kondisyon ng resonance, ibig sabihin, ang pagkakataon ng dalas ng precession at ang dalas ng panlabas na alternating field. Mukhang isang klasikong halimbawa mula sa high school physics - mga sundalong nagmamartsa sa isang tulay. Kung ang dalas ng hakbang ay tumutugma sa natural na dalas ng tulay, kung gayon ang tulay ay umuugoy nang higit pa. Sa eksperimento, ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay nagpapakita ng sarili sa pagtitiwala sa pagsipsip ng isang alternating field sa dalas nito. Sa sandali ng resonance, ang pagsipsip ay tumataas nang husto, at ang pinakasimpleng magnetic resonance spectrum ay ganito ang hitsura:
- Fourier spectroscopy
Ang unang NMR spectrometer ay gumana nang eksakto tulad ng inilarawan sa itaas - ang sample ay inilagay sa isang pare-pareho ang magnetic field, at ang RF radiation ay patuloy na inilapat dito. Pagkatapos ang alinman sa dalas ng alternating field o ang intensity ng pare-pareho ang magnetic field ay nagbago nang maayos. Ang pagsipsip ng enerhiya ng alternating field ay naitala ng isang tulay ng dalas ng radyo, ang signal kung saan ay output sa isang recorder o isang oscilloscope. Ngunit ang pamamaraang ito ng pagpaparehistro ng signal ay hindi ginagamit sa loob ng mahabang panahon. Sa modernong NMR spectrometer, ang spectrum ay naitala gamit ang mga pulso. Ang mga magnetic moment ng nuclei ay nasasabik sa pamamagitan ng isang maikling malakas na pulso, pagkatapos ay ang isang signal ay naitala, na kung saan ay sapilitan sa RF coil sa pamamagitan ng malayang precessing magnetic moments. Ang signal na ito ay unti-unting bumababa sa zero habang ang mga magnetic moment ay bumalik sa equilibrium (ang prosesong ito ay tinatawag na magnetic relaxation). Ang NMR spectrum ay nakuha mula sa signal na ito gamit ang Fourier transform. Ito ay isang karaniwang pamamaraan sa matematika na nagbibigay-daan sa iyong mabulok ang anumang signal sa mga frequency harmonic at sa gayon ay makuha ang frequency spectrum ng signal na ito. Ang pamamaraang ito ng pagtatala ng spectrum ay nagbibigay-daan sa iyo na makabuluhang bawasan ang antas ng ingay at magsagawa ng mga eksperimento nang mas mabilis.
Ang isang pulso ng paggulo upang maitala ang spectrum ay ang pinakasimpleng eksperimento sa NMR. Gayunpaman, maaaring mayroong maraming ganoong mga pulso, na may iba't ibang tagal, amplitude, na may iba't ibang mga pagkaantala sa pagitan ng mga ito, atbp., sa eksperimento, depende sa kung anong uri ng mga manipulasyon ang kailangang gawin ng mananaliksik sa sistema ng mga nuclear magnetic moments. Gayunpaman, halos lahat ng mga sequence ng pulso ay nagtatapos sa parehong bagay - nagre-record ng isang libreng precession signal na sinusundan ng isang Fourier transform.
- Magnetic na pakikipag-ugnayan sa bagay
Sa kanyang sarili, ang magnetic resonance ay mananatiling walang iba kundi isang kawili-wiling pisikal na kababalaghan, kung ito ay hindi para sa mga magnetic na pakikipag-ugnayan ng nuclei sa isa't isa at sa electron shell ng molekula. Ang mga pakikipag-ugnayan na ito ay nakakaapekto sa mga parameter ng resonance, at sa kanilang tulong, ang paraan ng NMR ay maaaring magamit upang makakuha ng iba't ibang impormasyon tungkol sa mga katangian ng mga molekula - ang kanilang oryentasyon, spatial na istraktura (conformation), intermolecular na pakikipag-ugnayan, pagpapalitan ng kemikal, rotational at translational dynamics. Dahil dito, ang NMR ay naging isang napakalakas na tool para sa pag-aaral ng mga sangkap sa antas ng molekular, na malawakang ginagamit hindi lamang sa pisika, ngunit higit sa lahat sa kimika at molecular biology. Ang isang halimbawa ng isa sa mga pakikipag-ugnayan na ito ay ang tinatawag na chemical shift. Ang kakanyahan nito ay ang mga sumusunod: ang electron shell ng molekula ay tumutugon sa isang panlabas na magnetic field at sinusubukang protektahan ito - ang bahagyang shielding ng magnetic field ay nangyayari sa lahat ng mga diamagnetic na sangkap. Nangangahulugan ito na ang magnetic field sa molekula ay mag-iiba mula sa panlabas na magnetic field sa pamamagitan ng napakaliit na halaga, na tinatawag na chemical shift. Gayunpaman, ang mga katangian ng shell ng elektron sa iba't ibang parte iba ang mga molekula, at iba rin ang pagbabago ng kemikal. Alinsunod dito, ang mga kondisyon ng resonance para sa nuclei sa iba't ibang bahagi ng molekula ay magkakaiba din. Ginagawa nitong posible na makilala ang chemically nonequivalent na nuclei sa spectrum. Halimbawa, kung kukunin natin ang spectrum ng hydrogen nuclei (protons) ng purong tubig, magkakaroon lamang ng isang linya sa loob nito, dahil ang parehong mga proton sa molekula ng H 2 O ay eksaktong pareho. Ngunit para sa methyl alcohol CH 3 OH magkakaroon na ng dalawang linya sa spectrum (kung pabayaan natin ang iba magnetic na pakikipag-ugnayan), dahil mayroong dalawang uri ng mga proton - ang mga proton ng pangkat ng methyl CH 3 at ang proton na nauugnay sa atom ng oxygen. Habang ang mga molekula ay nagiging mas kumplikado, ang bilang ng mga linya ay tataas, at kung kukuha tayo ng isang malaki at kumplikadong molekula bilang isang protina, kung gayon sa kasong ito ang spectrum ay magiging ganito:
- Mga magnetic core
Maaaring maobserbahan ang NMR sa iba't ibang nuclei, ngunit dapat sabihin na hindi lahat ng nuclei ay may magnetic moment. Madalas na nangyayari na ang ilang isotopes ay may magnetic moment, habang ang ibang isotopes ng parehong nucleus ay wala. Sa kabuuan, mayroong higit sa isang daang isotopes ng iba't ibang mga elemento ng kemikal pagkakaroon ng magnetic nuclei, gayunpaman, hindi hihigit sa 1520 magnetic nuclei ang karaniwang ginagamit sa pananaliksik, lahat ng iba ay kakaiba. Ang bawat nucleus ay may sariling katangian na ratio ng magnetic field at ang precession frequency, na tinatawag na gyromagnetic ratio. Para sa lahat ng nuclei ang mga ratio na ito ay kilala. Gamit ang mga ito, maaaring piliin ng isa ang dalas kung saan, para sa isang ibinigay na magnetic field, ang isang senyas mula sa nuclei na kailangan ng mananaliksik ay mapapansin.
Ang pinakamahalagang nuclei para sa NMR ay mga proton. Ang mga ito ay pinaka-sagana sa kalikasan, at mayroon silang napakataas na sensitivity. Para sa kimika at biology, ang nuclei ng carbon, nitrogen at oxygen ay napakahalaga, ngunit ang mga siyentipiko ay hindi masyadong mapalad sa kanila: ang pinakakaraniwang isotopes ng carbon at oxygen, 12 C at 16 O, ay walang magnetic moment, ang natural. Ang nitrogen isotope 14 N ay may isang sandali, ngunit ito ay para sa ilang mga kadahilanan na ito ay napaka-inconvenient para sa mga eksperimento. Mayroong 13 C, 15 N at 17 O isotopes na angkop para sa mga eksperimento sa NMR, ngunit ang kanilang likas na kasaganaan ay napakababa at ang sensitivity ay napakababa kumpara sa mga proton. Samakatuwid, ang mga espesyal na isotopically enriched na sample ay kadalasang inihahanda para sa mga pag-aaral ng NMR, kung saan ang natural na isotope ng isa o ibang nucleus ay pinapalitan ng kailangan para sa mga eksperimento. Sa karamihan ng mga kaso, ang pamamaraang ito ay napakahirap at mahal, ngunit kung minsan ito ang tanging paraan upang makuha ang kinakailangang impormasyon.
- Electron paramagnetic at quadrupole resonance
Sa pagsasalita tungkol sa NMR, hindi mabibigo ang isa na banggitin ang dalawa pang nauugnay na pisikal na phenomena - electron paramagnetic resonance (EPR) at nuclear quadrupole resonance (NQR). Ang EPR ay mahalagang katulad ng NMR, ang pagkakaiba ay nakasalalay sa katotohanan na ang resonance ay sinusunod sa mga magnetic na sandali hindi ng atomic nuclei, ngunit ng electron shell ng atom. Ang EPR ay maaaring maobserbahan lamang sa mga molekula o grupo ng kemikal na ang shell ng elektron ay naglalaman ng tinatawag na hindi magkapares na elektron, pagkatapos ang shell ay may non-zero magnetic moment. Ang mga naturang sangkap ay tinatawag na paramagnets. Ang EPR, tulad ng NMR, ay ginagamit din upang pag-aralan ang iba't ibang istruktura at dinamikong mga katangian ng mga sangkap sa antas ng molekular, ngunit ang saklaw nito ay mas makitid. Ito ay higit sa lahat dahil sa ang katunayan na ang karamihan sa mga molekula, lalo na sa buhay na kalikasan, ay hindi naglalaman ng mga hindi magkapares na mga electron. Sa ilang mga kaso, maaaring gamitin ang isang tinatawag na paramagnetic probe, i.e. pangkat ng kemikal na may isang hindi pares na elektron na nagbubuklod sa molekula na pinag-aaralan. Ngunit ang diskarte na ito ay may malinaw na mga disbentaha na naglilimita sa mga posibilidad ng pamamaraang ito. Bilang karagdagan, sa EPR ay walang ganoong mataas na spectral na resolusyon (ibig sabihin, ang kakayahang makilala ang isang linya mula sa isa pa sa spectrum) tulad ng sa NMR.
Pinakamahirap ipaliwanag ang kalikasan ng NQR "sa mga daliri". Ang ilang nuclei ay may tinatawag na electric quadrupole moment. Ang sandaling ito ay nagpapakilala sa paglihis ng pamamahagi ng electric charge ng nucleus mula sa spherical symmetry. Ang pakikipag-ugnayan ng sandaling ito sa gradient ng electric field na nilikha ng mala-kristal na istraktura ng sangkap ay humahantong sa paghahati ng mga antas ng enerhiya ng nucleus. Sa kasong ito, ang resonance ay maaaring maobserbahan sa dalas na tumutugma sa mga paglipat sa pagitan ng mga antas na ito. Hindi tulad ng NMR at EPR, ang NQR ay hindi nangangailangan ng isang panlabas na magnetic field, dahil ang paghahati ng antas ay nangyayari nang wala ito. Ginagamit din ang NQR sa pag-aaral ng mga substance, ngunit mas makitid pa ang saklaw nito kaysa sa EPR.
- Mga kalamangan at kawalan ng NMR
Ang NMR ay ang pinakamakapangyarihan at nagbibigay-kaalaman na paraan para sa pag-aaral ng mga molekula. Sa mahigpit na pagsasalita, hindi ito isang paraan, ngunit isang malaking bilang ng iba't ibang uri ng mga eksperimento, ibig sabihin, mga pagkakasunud-sunod ng pulso. Bagama't lahat sila ay batay sa NMR phenomenon, ngunit ang bawat isa sa mga eksperimentong ito ay idinisenyo upang makakuha ng ilang partikular na partikular na impormasyon. Ang bilang ng mga eksperimentong ito ay sinusukat ng maraming sampu, kung hindi daan-daan. Sa teorya, ang NMR ay maaaring, kung hindi lahat, kung gayon halos lahat ng lahat ng iba pang mga eksperimentong pamamaraan para sa pag-aaral ng istraktura at dinamika ng mga molekula ay maaaring, bagaman sa pagsasagawa ito ay, siyempre, malayo sa palaging magagawa. Ang isa sa mga pangunahing bentahe ng NMR ay, sa isang banda, ang mga natural na probes nito, i.e., magnetic nuclei, ay ipinamamahagi sa buong molekula, at, sa kabilang banda, ginagawang posible na makilala ang mga nuclei na ito mula sa bawat isa at makakuha ng spatially selective data sa mga katangian ng molecule. Halos lahat ng iba pang mga pamamaraan ay nagbibigay ng impormasyon na na-average sa buong molekula, o halos isa lamang sa mga bahagi nito.
Mayroong dalawang pangunahing kawalan ng NMR. Una, ito ay mababang sensitivity kumpara sa karamihan ng iba pa mga eksperimentong pamamaraan(optical spectroscopy, fluorescence, EPR, atbp.). Ito ay humahantong sa katotohanan na upang maging average ang ingay, ang signal ay dapat na maipon sa mahabang panahon. Sa ilang mga kaso, ang eksperimento sa NMR ay maaaring isagawa kahit ilang linggo. Pangalawa, mataas ang halaga nito. Ang mga NMR spectrometer ay kabilang sa mga pinakamahal na instrumentong pang-agham, na nagkakahalaga ng hindi bababa sa daan-daang libong dolyar, na may pinakamamahal na spectrometer na nagkakahalaga ng ilang milyon. Hindi lahat ng mga laboratoryo, lalo na sa Russia, ay kayang magkaroon ng ganitong kagamitang pang-agham.
- Magnet para sa NMR spectrometers
Ang isa sa pinakamahalaga at mamahaling bahagi ng spectrometer ay ang magnet, na lumilikha ng pare-parehong magnetic field. Kung mas malakas ang field, mas mataas ang sensitivity at spectral resolution, kaya patuloy na sinusubukan ng mga siyentipiko at inhinyero na makuha ang pinakamataas na posibleng field. Ang magnetic field ay nilikha electric shock sa isang solenoid - mas malakas ang kasalukuyang, mas malaki ang field. Gayunpaman, imposibleng dagdagan ang kasalukuyang walang katiyakan; sa isang napakataas na kasalukuyang, ang solenoid wire ay magsisimulang matunaw. Samakatuwid, ang mga superconducting magnet, ibig sabihin, ang mga magnet kung saan ang solenoid wire ay nasa superconducting state, ay ginamit nang napakahabang panahon para sa high-field NMR spectrometers. Sa kasong ito, ang electrical resistance ng wire ay zero, at walang enerhiya na inilabas sa anumang kasalukuyang halaga. Ang estado ng superconducting ay maaari lamang makuha sa napakababang temperatura, ilang degrees Kelvin lamang - ito ang temperatura ng likidong helium. (Ang mataas na temperatura na superconductivity ay isang bagay lamang ng purong pangunahing pananaliksik.) Ito ay sa pagpapanatili ng gayong mababang temperatura na ang lahat ng mga teknikal na paghihirap sa disenyo at produksyon ng mga magnet ay konektado, na nagiging sanhi ng kanilang mataas na gastos. Ang superconducting magnet ay binuo sa prinsipyo ng isang thermos matryoshka. Ang solenoid ay nasa gitna, sa silid ng vacuum. Napapaligiran ito ng isang shell na naglalaman ng likidong helium. Ang shell na ito ay napapalibutan ng isang shell ng liquid nitrogen sa pamamagitan ng vacuum layer. Ang temperatura ng likidong nitrogen ay minus 196 degrees Celsius, kailangan ang nitrogen upang ang helium ay sumingaw nang mabagal hangga't maaari. Sa wakas, ang nitrogen shell ay nakahiwalay sa temperatura ng silid ng isang panlabas na layer ng vacuum. Ang ganitong sistema ay maaaring mapanatili ang nais na temperatura ng superconducting magnet sa napakatagal na panahon, bagaman nangangailangan ito ng regular na pagbuhos ng likidong nitrogen at helium sa magnet. Ang bentahe ng naturang mga magnet, bilang karagdagan sa kakayahang makakuha ng mataas na magnetic field, ay hindi rin sila kumonsumo ng enerhiya: pagkatapos ng pagsisimula ng magnet, ang kasalukuyang ay tumatakbo sa pamamagitan ng mga superconducting wire na halos walang pagkawala sa loob ng maraming taon.
- Tomography
Sa maginoo na spectrometer ng NMR, sinusubukan nilang gawin ang magnetic field bilang pare-pareho hangga't maaari, ito ay kinakailangan upang mapabuti ang spectral resolution. Ngunit kung ang magnetic field sa loob ng sample, sa kabaligtaran, ay ginawang napaka-inhomogeneous, ito ay nagbubukas sa panimula ng mga bagong posibilidad para sa paggamit ng NMR. Ang inhomogeneity ng field ay nilikha ng tinatawag na gradient coils, na ipinares sa pangunahing magnet. Sa kasong ito, ang magnitude ng magnetic field sa iba't ibang bahagi ng sample ay magkakaiba, na nangangahulugan na ang signal ng NMR ay maaaring maobserbahan hindi mula sa buong sample, tulad ng sa isang maginoo spectrometer, ngunit mula lamang sa makitid na layer nito, kung saan Ang mga kondisyon ng resonance ay natutugunan, ibig sabihin, ang nais na ratio ng magnetic field at dalas. Sa pamamagitan ng pagbabago ng magnitude ng magnetic field (o, na kung saan ay mahalagang ang parehong bagay, ang dalas ng pagmamasid sa signal), maaari mong baguhin ang layer na magbibigay ng signal. Kaya, posibleng "i-scan" ang sample sa kabuuan ng volume nito at "tingnan" ang panloob na three-dimensional na istraktura nito nang hindi sinisira ang sample sa anumang mekanikal na paraan. Sa ngayon, ang isang malaking bilang ng mga diskarte ay binuo na ginagawang posible upang masukat ang iba't ibang mga parameter ng NMR (spectral na katangian, magnetic relaxation time, self-diffusion rate, at ilang iba pa) na may spatial na resolusyon sa loob ng isang sample. Ang pinaka-kawili-wili at mahalaga, mula sa isang praktikal na punto ng view, ang paggamit ng NMR tomography ay natagpuan sa gamot. Sa kasong ito, ang "sample" na sinusuri ay ang katawan ng tao. Ang NMR imaging ay isa sa pinaka-epektibo at ligtas (ngunit mahal din) na mga diagnostic tool sa iba't ibang larangan ng medisina, mula sa oncology hanggang sa obstetrics. Nakakagulat na tandaan na ang mga doktor ay hindi gumagamit ng salitang "nuklear" sa pangalan ng pamamaraang ito, dahil ang ilang mga pasyente ay iniuugnay ito sa mga reaksyong nuklear at ang atomic bomb.
- Kasaysayan ng pagtuklas
Ang taon ng pagkatuklas ng NMR ay itinuturing na 1945, nang ang mga Amerikanong si Felix Bloch mula sa Stanford at independiyenteng Edward Parcell at Robert Pound mula sa Harvard ay unang naobserbahan ang signal ng NMR sa mga proton. Sa oras na iyon, marami na ang nalalaman tungkol sa likas na katangian ng nuclear magnetism, ang epekto ng NMR mismo ay hinulaang ayon sa teorya, at ilang mga pagtatangka ang ginawa upang obserbahan ito nang eksperimental. Mahalagang tandaan na isang taon na mas maaga sa Unyong Sobyet, sa Kazan, ang EPR phenomenon ay natuklasan ni Evgeny Zavoisky. Alam na ngayon na naobserbahan din ni Zavoisky ang signal ng NMR, ito ay bago ang digmaan, noong 1941. Gayunpaman, mayroon siyang mahinang kalidad ng magnet na may mahinang pagkakapareho sa larangan sa kanyang pagtatapon, ang mga resulta ay hindi maganda ang maaaring kopyahin at samakatuwid ay nanatiling hindi nai-publish. In fairness, dapat tandaan na hindi lang si Zavoisky ang naka-observe sa NMR bago ang "opisyal" na pagtuklas nito. Sa partikular, ang American physicist na si Isidore Rabi (nagwagi ng Nobel Prize noong 1944 para sa pag-aaral ng magnetic properties ng nuclei sa atomic at molecular beams) ay naobserbahan din ang NMR noong huling bahagi ng 1930s, ngunit itinuturing itong isang instrumental na artifact. Isang paraan o iba pa, ngunit ang ating bansa ay nananatiling priyoridad sa pang-eksperimentong pagtuklas ng magnetic resonance. Bagaman si Zavoisky mismo sa lalong madaling panahon pagkatapos ng digmaan ay nagsimulang harapin ang iba pang mga problema, ang kanyang pagtuklas para sa pag-unlad ng agham sa Kazan ay may malaking papel. Ang Kazan ay isa pa rin sa nangungunang mga sentro ng pananaliksik sa mundo para sa EPR spectroscopy.
- Mga Premyong Nobel sa Magnetic Resonance
Sa unang kalahati ng ika-20 siglo, maraming mga Nobel Prize ang iginawad sa mga siyentipiko kung wala ang kanilang trabaho ang pagtuklas ng NMR ay hindi maaaring mangyari. Kabilang sa mga ito ay sina Peter Szeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Ngunit mayroong apat na Nobel Prize na direktang nauugnay sa NMR. Noong 1952, natanggap nina Felix Bloch at Edward Purcell ang premyo para sa pagtuklas ng NMR. Ito ang tanging "NMR" Nobel Prize sa pisika. Noong 1991, ang Swiss na si Richard Ernst, na nagtrabaho sa sikat na ETH Zurich, ay nanalo ng Chemistry Prize. Siya ay iginawad para sa pagbuo ng mga multidimensional na pamamaraan ng spectroscopy ng NMR, na naging posible upang radikal na madagdagan ang nilalaman ng impormasyon ng mga eksperimento sa NMR. Noong 2002, ang nagwagi ng premyo, din sa chemistry, ay si Kurt Wüthrich, na nagtrabaho kasama si Ernst sa kalapit na mga gusali sa parehong Technical School. Natanggap niya ang award para sa pagbuo ng mga pamamaraan para sa pagtukoy ng tatlong-dimensional na istraktura ng mga protina sa solusyon. Bago ito, ang tanging paraan na nagpapahintulot sa pagtukoy ng spatial conformation ng malalaking biomacromolecules ay X-ray diffraction analysis lamang. Sa wakas, noong 2003, ang American Paul Lauterbur at ang Englishman na si Peter Mansfield ay nakatanggap ng Medical Prize para sa pag-imbento ng NMR imaging. Ang natuklasan ng Sobyet ng EPR E.K. Zavoisky, sayang, ay hindi nakatanggap ng Nobel Prize.