Использование ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в медицинских исследованиях

АО «МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ АСТАНА»

Кафедра информатики и математики с курсом медбиофизики 
 
 

Реферат

По медбиофизике 

Тема  «Использование ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в медицинских исследованиях» 
 

Работа выполнена студентом:

Факультет общей  медицины, стоматологии и фармации

Группа  
 

Работу проверил:                                            
 
 
 
 

Астана

2010 год 

План.

1. Введение.
2. Основная часть. ЭПР и ЯМР: физическая сущность и процессы, лежащие в основе этих явлений, применение в медико-биологических исследованиях.
1. Электронный парамагнитный резонанс.
1. Физическая сущность ЭПР.
2. Расщепление энергетических уровней. Эффект Зеемана.
3. Электронное расщепление. Сверхтонкое расщепление.
4. Спектрометры ЭПР: устройство и принцип работы.
5. Метод спинового зонда.
6. Применение спектров ЭПР в медико-биологических исследованиях.
2. Ядерный магнитный резонанс.
1. Физическая сущность ЯМР.
2. Спектры ЯМР.
3. Использование ЯМР в медико-биологических исследованиях: ЯМР-интроскопия (магнитно-резонансная томография).
3. Заключение. Значение медицинских методов исследования, основывающихся на ЭПР и ЯМР.

     I. Введение.

    У атома, помещенного в магнитное  поле, спонтанные переходы между подуровнями  одного и того же уровня маловероятны. Однако такие переходы осуществляются индуцировано под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой фотона, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом можно наблюдать поглощение энергии электромагнитного поля, которое называют магнитным резонансом. В зависимости от типа частиц – носителей магнитного момента – различают электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР). 

    II. Основная часть. ЭПР и ЯМР: физическая сущность и процессы, лежащие в основе этих явлений, применение в медико-биологических исследованиях.

    1. Электронный парамагнитный резонанс. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), это резонансное поглощение электромагнитной энергии в сантиметровом или миллиметровом диапазоне длин волн веществами, содержащими парамагнитные частицы. ЭПР — один из методов радиоспектроскопии. Вещество  называется  парамагнитным,  если  оно  не  имеет макроскопического  магнитного  момента  в  отсутствие  внешнего магнитного поля, но  приобретает его после  приложения поля, при этом величина  момента  зависит  от  поля,  а  сам  момент  направлен  в  ту  же сторону,  что  и  поле.  С  микроскопической  точки  зрения  парамагнетизм вещества обусловлен тем, что атомы, ионы или молекулы, входящие в это вещество,  обладают  постоянными магнитными  моментами,  случайно ориентированными  друг  относительно  друга в отсутствие  внешнего магнитного поля. Приложение постоянного магнитного поля приводит к направленному  изменению  их  ориентаций,  вызывающему  появление суммарного (макроскопического) магнитного момента.

    ЭПР открыт Е. К. Завойским в 1944 году. Начиная с 1922 в ряде работ высказывались соображения о возможности существования ЭПР. Попытка экспериментально обнаружить ЭПР была предпринята в середине 30-х годов нидерландским физиком К. Гортером. Однако ЭПР удалось наблюдать только благодаря радиоспектроскопическим методам, разработанным Завойским. ЭПР — частный случай магнитного резонанса.

    Физическая  сущность ЭПР. Суть явления электронного парамагнитного резонанса заключается в следующем. Если поместить свободный радикал с результирующим моментом количества движения J в магнитном поле с напряжённостью B₀, то для J, отличного от нуля, в магнитном поле снимается вырождение, и в результате взаимодействия с магнитным полем возникает 2J+1 уровней, положение которых описывается выражением: W = gβB₀M, (где М=+J, +J-1, …-J) и определяется Зеемановским взаимодействием магнитного поля с магнитным моментом J.

    Если  теперь к парамагнитному центру приложить электромагнитное поле с частотой ν, поляризованное в плоскости, перпендикулярной вектору магнитного поля B₀, то оно будет вызывать магнитные дипольные переходы, подчиняющиеся правилу отбора ΔМ=1. При совпадении энергии электронного перехода с энергией фотона электромагнитной волны будет происходить резонансное поглощение СВЧ излучения. Таким образом, условие резонанса определяются фундаментальным соотношением магнитного резонанса   hν = gβB₀.

    Расщепление энергетических уровней. Эффект Зеемана. В  отсутствие  внешнего  магнитного поля  магнитные  моменты  электронов ориентированы  случайным  образом,  и их  энергия практически не  отличается друг от друга (Е₀). При наложении внешнего магнитного  поля  магнитные моменты электронов  ориентируются в поле  в зависимости  от  величины  спинового магнитного  момент,  и их энергетический уровень расщепляется на два. Энергия  взаимодействия  магнитного момента  электрона  с  магнитным  полем выражается уравнением:

    E =

где - магнитный момент  электрона,  Н - напряженность магнитного  поля. Из уравнения коэффициента пропорциональности следует, что

    а энергия взаимодействия электрона  с внешним магнитным полем составит   

    Это уравнение  описывает эффект  Зеемана,  который можно выразить  следующими словами: энергетические уровни электронов, помещенных в магнитное поле, расщепляются в  этом  поле  в  зависимости  от  величины  спинового  магнитного  момента  и  интенсивности магнитного поля.

    Электронное расщепление. Сверхтонкое  расщепление. Большинство приложений, в том числе и медико-биологических, базируются на анализе группы линий (а не только синглентых) в спектре поглощения ЭПР. Наличие в спектре ЭПР группы близких линий условно называют расщеплением. Имеется два характерных типа расщепления для спектра ЭПР. Первое – электронное расщепление – возникает в тех случаях, когда молекула или атом обладают не одним, а несколькими электронами, вызывающими ЭПР. Второе – сверхтонкое расщепление – наблюдается при взаимодействии электронов с магнитным моментом ядра. Согласно классическим представлениям, электрон, обращающийся вокруг ядра, как и любая движущаяся по круговой орбите заряженная частица, имеет дипольный магнитный момент. Аналогично и в квантовой механике, орбитальный угловой момент электрона создаёт определённый магнитный момент. Взаимодействие этого магнитного момента с магнитным моментом ядра (обусловленным ядерным спином) приводит к сверхтонкому расщеплению (т. е. создаёт сверхтонкую структуру). Однако электрон также обладает спином, дающим вклад в его магнитный момент. Поэтому сверхтонкое расщепление имеется даже для термов с нулевым орбитальным моментом. Расстояние между подуровнями сверхтонкой структуры по порядку величины в 1000 раз меньше, чем между уровнями тонкой структуры (такой порядок величины по существу обусловлен отношением массы электрона к массе ядра).

    Спектрометры  ЭПР: устройство и  принцип работы. Устройство  радиоспектрометра  ЭПР  во  многом  напоминает  устройство спектрофотометра  для измерения  оптического поглощения в  видимой  и ультрафиолетовой частях спектра. Источником  излучения  в радиоспектрометре  является  клистрон, представляющий  из  себя  радиолампу, дающую  монохроматическое  излучение  в диапазоне  сантиметровых  волн.  Диафрагме спектрофотометра  в  радиоспектрометре соответствует  аттенюатор,  позволяющий дозировать мощность, падающую на образец. Кювета  с  образцом  в  радиоспектрометре находится в специальном блоке, называемом резонатором.  Резонатор представляет  собой параллелепипед,  имеющий цилиндрическую или прямоугольную полость в которой находится поглощающий образец.  Размеры резонатора  таковы,  что в нем образуется стоячая  волна.  Элементом  отсутствующем  в оптическом  спектрометре  является электромагнит,  создающий  постоянное магнитное  поле,  необходимое  для расщепления  энергетических  уровней электронов. Излучение,  прошедшее  измеряемый  образец,  в  радиоспектрометре  и  в спектрофотометре,  попадает  на  детектор,  затем  сигнал  детектора  усиливается  и регистрируется  на  самописце  или  компьютере.  Следует  отметить  еще  одно  отличие радиоспектрометра.  Оно  заключается  в  том,  что  излучение  радиодиапазона  передается  от источника к  образцу  и  далее к  детектору с  помощью специальных трубок  прямоугольного сечения,  называемых  волноводами.  Размеры  сечения  волноводов  определяются  длиной волны передаваемого излучения. Эта особенность  передачи радиоизлучения  по волноводам и определяет тот факт, что для регистрации спектра ЭПР в радиоспектрометре используется постоянная  частота  излучения,  а  условие  резонанса  достигается  изменением  величины магнитного поля. Еще  одной  важной  особенностью  радиоспектрометра  является  усиление  сигнала посредством  его модуляции высокочастотным переменным полем.  В результате  модуляции сигнала  происходит  его  дифференцирование  и  превращение  линии  поглощения  в  свою первую производную, являющуюся сигналом ЭПР.

    Метод спинового зонда. Спиновые зонды - индивидуальные парамагнитные химические вещества, применяемые для изучения различных молекулярных систем с помощью спектроскопии ЭПР. Характер изменения спектра ЭПР этих соединений позволяет получать уникальную информацию о взаимодействиях и динамике макромолекул и о свойствах различных молекулярных систем. Это метод исследования молекулярной подвижности и различных структурных превращений в конденсированных средах по спектрам электронного парамагнитного резонанса  стабильных радикалов (зондов), добавленных к исследуемому веществу. Если стабильные радикалы химически связаны с частицами исследуемой среды, их называют метками и говорят о методе спиновых (или парамагнитных) меток. В качестве зондов и меток используют главным образом нитроксильные радикалы, которые устойчивы в широком интервале температур (до 100-200○С), способны вступать в химические реакции без потери парамагнитных свойств, хорошо растворимы в водных и органических средах. Высокая чувствительность метода ЭПР позволяет вводить зонды (в жидком или парообразном состоянии) в малых количествах - от 0,001 до 0,01% по массе, что не вызывает изменения свойств исследуемых объектов. Метод спиновых зондов и меток применяется особенно широко для исследования синтетических полимеров и биологических объектов. При этом можно изучать общие закономерности динамики низкомолекулярных частиц в полимерах, когда спиновые зонды моделируют поведение различных добавок (пластификаторы, красители, стабилизаторы, инициаторы); получать информацию об изменении молекулярной подвижности при химической модификации и структурно-физических превращениях (старение, структурирование, пластификация, деформация); исследовать бинарные и многокомпонентные системы (сополимеры, наполненные и пластифицированные полимеры, композиты); изучать растворы полимеров, в частности влияние растворителя и температуры на их поведение; определять вращательную подвижность ферментов, структуру и пространств. расположение групп в активном центре фермента, конформацию белка при различных воздействиях, скорость ферментативного катализа; изучать мембранные препараты (например, определять микровязкость и степень упорядоченности липидов в мембране, исследовать липид-белковые взаимодействия, слияние мембран); изучать жидкокристаллические системы (степень упорядоченности в расположении молекул, фазовые переходы), ДНК, РНК, полинуклеотиды (структурные превращения под влиянием температуры и среды, взаимодействие ДНК с лигандами и интеркалирующими соединениями). Метод используют также в различных областях медицины для исследования механизма действия лекарственных препаратов, анализа изменений в клетках и тканях при различных заболеваниях, определении низких концентраций токсичных и биологически активных веществ в организме, изучения механизмов действия вирусов.

    Применение  спектров ЭПР в  медико-биологических  исследованиях. Метод ЭПР даёт уникальную информацию о парамагнитных центрах. Он однозначно различает примесные ионы, изоморфно входящие в решётку от микровключений. При этом получается полная информация о данном ионе в кристалле: валентность, координация, локальная симметрия, гибридизация электронов, сколько и в какие структурные положения электронов входит, ориентирование осей кристаллического поля в месте расположения этого иона, полная характеристика кристаллического поля и детальные сведения о химической связи. И, что очень важно, метод позволяет определить концентрацию парамагнитных центров в областях кристалла с разной структурой. С помощью метода ЭПР впервые были исследованы механизмы действия ионизирующих (радиоактивных) излучений на живые организмы. Изучая магнитное поле, мы выяснили, что живые организмы состоят в основном, из диамагнетиков. Т.е. эти вещества не будут поглощать электромагнитное излучение радиодиапазона, используемого в ЭПР. Под действие радиации происходит образование возбуждённых молекул, ионов и свободных радикалов, которые обладают парамагнитными свойствами. В результате для их качественного и количественного изучения возможно применение метода ЭПР. ЭПР широко используют для изучения фотохимических процессов, в частности фотосинтеза. Исследуют канцерогенную активность некоторых веществ. 

    2. Ядерный магнитный  резонанс. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) — резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер. Явление магнитного резонанса было открыто в 1945—1946 гг. двумя независимыми группами ученых. Вдохновителями этого были Ф. Блох и Э. Пёрселл.

    Физическая  сущность ЯМР. В основе явления ядерного магнитного резонанса лежат магнитные свойства атомных ядер, состоящих из нуклонов с полуцелым спином 1/2, 3/2, 5/2…. Ядра с чётными массовым и зарядовым числами (чётно-чётные ядра) не обладают магнитным моментом, в то время как для всех прочих ядер магнитный момент отличен от нуля. Таким образом, ядра обладают угловым моментом J=hI, связанным с магнитным моментом μ соотношением μ= J, где h — постоянная Планка,  I — спиновое квантовое число, — гиромагнитное отношение.

    Угловой момент и магнитный момент ядра квантованы, и собственные значения проекции и углового и магнитного моментов на ось z произвольно выбранной системы координат определяются соотношением:      J_Z= hµ_I, где µ_I — магнитное квантовое число собственного состояния ядра, его значения определяются спиновым квантовым числом ядра    µ_I=I, I-1, I-2, …, -I. то есть ядро может находиться в 2I+1 состояниях.