ЯМР для «чайников», или Десять основных фактов о ядерном магнитном резонансе

1.Суть явле­ния

Преж­де все­го надо заме­тить, что хотя в назва­нии это­го явле­ния при­сут­ству­ет сло­во «ядер­ный», к ядер­ной физи­ке ЯМР ника­ко­го отно­ше­ния не име­ет и с радио­ак­тив­но­стью никак не свя­зан. Если гово­рить о стро­гом опи­са­нии, то без зако­нов кван­то­вой меха­ни­ки никак не обой­тись. Соглас­но этим зако­нам, энер­гия вза­и­мо­дей­ствия маг­нит­но­го ядра с внеш­ним маг­нит­ным полем может при­ни­мать толь­ко несколь­ко дис­крет­ных зна­че­ний. Если облу­чать маг­нит­ные ядра пере­мен­ным маг­нит­ным полем, часто­та кото­ро­го соот­вет­ству­ет раз­ни­це меж­ду эти­ми дис­крет­ны­ми энер­ге­ти­че­ски­ми уров­ня­ми, выра­жен­ной в частот­ных еди­ни­цах, то маг­нит­ные ядра начи­на­ют пере­хо­дить с одно­го уров­ня на дру­гой, при этом погло­щая энер­гию пере­мен­но­го поля. В этом и состо­ит явле­ние маг­нит­но­го резо­нан­са. Это объ­яс­не­ние фор­маль­но пра­виль­ное, но не очень нагляд­ное. Есть дру­гое объ­яс­не­ние, без кван­то­вой меха­ни­ки. Маг­нит­ное ядро мож­но пред­ста­вить как элек­три­че­ски заря­жен­ный шарик, вра­ща­ю­щий­ся вокруг сво­ей оси (хотя, стро­го гово­ря, это не так). Соглас­но зако­нам элек­тро­ди­на­ми­ки, вра­ще­ние заря­да при­во­дит к появ­ле­нию маг­нит­но­го поля, т.е. маг­нит­но­го момен­та ядра, кото­рый направ­лен вдоль оси вра­ще­ния. Если этот маг­нит­ный момент поме­стить в посто­ян­ное внеш­нее поле, то век­тор это­го момен­та начи­на­ет пре­цес­си­ро­вать, т.е. вра­щать­ся вокруг направ­ле­ния внеш­не­го поля. Таким же обра­зом пре­цес­си­ру­ет (вра­ща­ет­ся) вокруг вер­ти­ка­ли ось юлы, если ее рас­кру­тить не стро­го вер­ти­каль­но, а под неко­то­рым углом. В этом слу­чае роль маг­нит­но­го поля игра­ет сила гра­ви­та­ции.

­

Часто­та пре­цес­сии опре­де­ля­ет­ся как свой­ства­ми ядра, так и силой маг­нит­но­го поля: чем силь­нее поле, тем выше часто­та. Затем, если кро­ме посто­ян­но­го внеш­не­го маг­нит­но­го поля на ядро будет воз­дей­ство­вать пере­мен­ное маг­нит­ное поле, то ядро начи­на­ет вза­и­мо­дей­ство­вать с этим полем – оно как бы силь­нее рас­ка­чи­ва­ет ядро, ампли­ту­да пре­цес­сии уве­ли­чи­ва­ет­ся, и ядро погло­ща­ет энер­гию пере­мен­но­го поля. Одна­ко это будет про­ис­хо­дить толь­ко при усло­вии резо­нан­са, т.е. сов­па­де­ния часто­ты пре­цес­сии и часто­ты внеш­не­го пере­мен­но­го поля. Это похо­же на клас­си­че­ский при­мер из школь­ной физи­ки – мар­ши­ру­ю­щие по мосту сол­да­ты. Если часто­та шага сов­па­да­ет с часто­той соб­ствен­ных коле­ба­ний моста, то мост рас­ка­чи­ва­ет­ся всё силь­нее и силь­нее. Экс­пе­ри­мен­таль­но это явле­ние про­яв­ля­ет­ся в зави­си­мо­сти погло­ще­ния пере­мен­но­го поля от его часто­ты. В момент резо­нан­са погло­ще­ние рез­ко воз­рас­та­ет, а про­стей­ший спектр маг­нит­но­го резо­нан­са выгля­дит вот так:

­

 

 

 

 

 

 

 

2. Фурье-спек­тро­ско­пия

Пер­вые ЯМР-спек­тро­мет­ры рабо­та­ли имен­но так, как опи­са­но выше-обра­зец поме­щал­ся в посто­ян­ное маг­нит­ное поле, и на него непре­рыв­но пода­ва­лось радио­ча­стот­ное излу­че­ние. Затем плав­но меня­лась либо часто­та пере­мен­но­го поля, либо напря­жен­ность посто­ян­но­го маг­нит­но­го поля. Погло­ще­ние энер­гии пере­мен­но­го поля реги­стри­ро­ва­лось радио­ча­стот­ным мостом, сиг­нал от кото­ро­го выво­дил­ся на само­пи­сец или осцил­ло­граф. Но этот спо­соб реги­стра­ции сиг­на­ла уже дав­но не при­ме­ня­ет­ся. В совре­мен­ных ЯМР-спек­тро­мет­рах спектр запи­сы­ва­ет­ся с помо­щью импуль­сов. Маг­нит­ные момен­ты ядер воз­буж­да­ют­ся корот­ким мощ­ным импуль­сом, после кото­ро­го реги­стри­ру­ет­ся сиг­нал, наво­ди­мый в РЧ-катуш­ке сво­бод­но пре­цес­си­ру­ю­щи­ми маг­нит­ны­ми момен­та­ми. Этот сиг­нал посте­пен­но спа­да­ет к нулю по мере воз­вра­ще­ния маг­нит­ных момен­тов в состо­я­ние рав­но­ве­сия (этот про­цесс назы­ва­ет­ся маг­нит­ной релак­са­ци­ей). Спектр ЯМР полу­ча­ет­ся из это­го сиг­на­ла с помо­щью Фурье-пре­об­ра­зо­ва­ния. Это стан­дарт­ная мате­ма­ти­че­ская про­це­ду­ра, поз­во­ля­ю­щая рас­кла­ды­вать любой сиг­нал на частот­ные гар­мо­ни­ки и таким обра­зом полу­чать частот­ный спектр это­го сиг­на­ла. Этот спо­соб запи­си спек­тра поз­во­ля­ет зна­чи­тель­но пони­зить уро­вень шумов и про­во­дить экс­пе­ри­мен­ты намно­го быст­рее.

­

Один воз­буж­да­ю­щий импульс для запи­си спек­тра – это самый про­стей­ший ЯМР-экс­пе­ри­мент. Одна­ко таких импуль­сов, раз­ной дли­тель­но­сти, ампли­ту­ды, с раз­ны­ми задерж­ка­ми меж­ду ними и т.п., в экс­пе­ри­мен­те может быть мно­го, в зави­си­мо­сти от того, какие имен­но мани­пу­ля­ции иссле­до­ва­те­лю надо про­ве­сти с систе­мой ядер­ных маг­нит­ных момен­тов. Тем не менее, прак­ти­че­ски все эти импульс­ные после­до­ва­тель­но­сти окан­чи­ва­ют­ся одним и тем же – запи­сью сиг­на­ла сво­бод­ной пре­цес­сии с после­ду­ю­щим Фурье-пре­об­ра­зо­ва­ни­ем.

3. Маг­нит­ные вза­и­мо­дей­ствия в веще­стве

Сам по себе маг­нит­ный резо­нанс остал­ся бы не более чем занят­ным физи­че­ским явле­ни­ем, если бы не маг­нит­ные вза­и­мо­дей­ствия ядер друг с дру­гом и с элек­трон­ной обо­лоч­кой моле­ку­лы. Эти вза­и­мо­дей­ствия вли­я­ют на пара­мет­ры резо­нан­са, и с их помо­щью мето­дом ЯМР мож­но полу­чать раз­но­об­раз­ную инфор­ма­цию о свой­ствах моле­кул – их ори­ен­та­ции, про­стран­ствен­ной струк­ту­ре (кон­фор­ма­ции), меж­мо­ле­ку­ляр­ных вза­и­мо­дей­стви­ях, хими­че­ском обмене, вра­ща­тель­ной и транс­ля­ци­он­ной дина­ми­ке. Бла­го­да­ря это­му ЯМР пре­вра­тил­ся в очень мощ­ный инстру­мент иссле­до­ва­ния веществ на моле­ку­ляр­ном уровне, кото­рый широ­ко при­ме­ня­ет­ся не толь­ко в физи­ке, но глав­ным обра­зом в химии и моле­ку­ляр­ной био­ло­гии. В каче­стве при­ме­ра одно­го из таких вза­и­мо­дей­ствий мож­но при­ве­сти так назы­ва­е­мый хими­че­ский сдвиг. Суть его в сле­ду­ю­щем: элек­трон­ная обо­лоч­ка моле­ку­лы откли­ка­ет­ся на внеш­нее маг­нит­ное поле и ста­ра­ет­ся его экра­ни­ро­вать – частич­ное экра­ни­ро­ва­ние маг­нит­но­го поля про­ис­хо­дит во всех диа­маг­нит­ных веще­ствах. Это озна­ча­ет, что маг­нит­ное поле в моле­ку­ле будет отли­чать­ся от внеш­не­го маг­нит­но­го поля на очень неболь­шую вели­чи­ну, кото­рая и назы­ва­ет­ся хими­че­ским сдви­гом. Одна­ко свой­ства элек­трон­ной обо­лоч­ки в раз­ных частях моле­ку­лы раз­ные, и хими­че­ский сдвиг тоже раз­ный. Соот­вет­ствен­но, усло­вия резо­нан­са для ядер в раз­ных частях моле­ку­лы тоже будут отли­чать­ся. Это поз­во­ля­ет раз­ли­чать в спек­тре хими­че­ски неэк­ви­ва­лент­ные ядра. Напри­мер, если мы возь­мем спектр ядер водо­ро­да (про­то­нов) чистой воды, то в нем будет толь­ко одна линия, посколь­ку оба про­то­на в моле­ку­ле H2O совер­шен­но оди­на­ко­вы. Но для мети­ло­во­го спир­та СН3ОН в спек­тре будет уже две линии (если пре­не­бречь дру­ги­ми маг­нит­ны­ми вза­и­мо­дей­стви­я­ми), посколь­ку тут есть два типа про­то­нов – про­то­ны метиль­ной груп­пы СН3 и про­тон, свя­зан­ный с ато­мом кис­ло­ро­да. По мере услож­не­ния моле­кул чис­ло линий будет уве­ли­чи­вать­ся, и если мы возь­мем такую боль­шую и слож­ную моле­ку­лу, как белок, то в этом слу­чае спектр будет выгля­деть при­мер­но так:

­

 

 

 

 

 

 

 

4. Маг­нит­ные ядра

ЯМР мож­но наблю­дать на раз­ных ядрах, но надо ска­зать, что дале­ко не все ядра име­ют маг­нит­ный момент. Часто быва­ет так, что неко­то­рые изо­то­пы име­ют маг­нит­ный момент, а дру­гие изо­то­пы того же само­го ядра – нет. Все­го суще­ству­ет более сот­ни изо­то­пов раз­лич­ных хими­че­ских эле­мен­тов, име­ю­щих маг­нит­ные ядра, одна­ко в иссле­до­ва­ни­ях обыч­но исполь­зу­ет­ся не более 1520 маг­нит­ных ядер, всё осталь­ное -экзо­ти­ка. Для каж­до­го ядра есть свое харак­тер­ное соот­но­ше­ние маг­нит­но­го поля и часто­ты пре­цес­сии, назы­ва­е­мое гиро­маг­нит­ным отно­ше­ни­ем. Для всех ядер эти отно­ше­ния извест­ны. По ним мож­но подо­брать часто­ту, на кото­рой при дан­ном маг­нит­ном поле будет наблю­дать­ся сиг­нал от нуж­ных иссле­до­ва­те­лю ядер.

Самые важ­ные для ЯМР ядра – это про­то­ны. Их боль­ше все­го в при­ро­де, и они име­ют очень высо­кую чув­стви­тель­ность. Для химии и био­ло­гии очень важ­ны ядра угле­ро­да, азо­та и кис­ло­ро­да, но с ними уче­ным не очень повез­ло: наи­бо­лее рас­про­стра­нен­ные изо­то­пы угле­ро­да и кис­ло­ро­да, 12С и 16О, маг­нит­но­го момен­та не име­ют, у при­род­но­го изо­то­па азо­та 14N момент есть, но он по ряду при­чин для экс­пе­ри­мен­тов очень неудо­бен. Есть изо­то­пы 13С, 15N и 17О, кото­рые под­хо­дят для ЯМР-экс­пе­ри­мен­тов, но их при­род­ное содер­жа­ние очень низ­кое, а чув­стви­тель­ность очень малень­кая по срав­не­нию с про­то­на­ми. Поэто­му часто для ЯМР-иссле­до­ва­ний гото­вят спе­ци­аль­ные изо­топ­но-обо­га­щен­ные образ­цы, в кото­рых при­род­ный изо­топ того или ино­го ядра заме­щен на тот, кото­рый нужен для экс­пе­ри­мен­тов. В боль­шин­стве слу­ча­ев эта про­це­ду­ра весь­ма непро­стая и неде­ше­вая, но ино­гда это един­ствен­ная воз­мож­ность полу­чить необ­хо­ди­мую инфор­ма­цию.

5. Элек­трон­ный пара­маг­нит­ный и квад­ру­поль­ный резо­нанс

Гово­ря про ЯМР, нель­зя не упо­мя­нуть о двух дру­гих род­ствен­ных физи­че­ских явле­ни­ях – элек­трон­ном пара­маг­нит­ном резо­нан­се (ЭПР) и ядер­ном квад­ру­поль­ном резо­нан­се (ЯКР). ЭПР по сво­ей сути подо­бен ЯМР, раз­ни­ца заклю­ча­ет­ся в том, что резо­нанс наблю­да­ет­ся на маг­нит­ных момен­тах не атом­ных ядер, а элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма. ЭПР может наблю­дать­ся толь­ко в тех моле­ку­лах или хими­че­ских груп­пах, элек­трон­ная обо­лоч­ка кото­рых содер­жит так назы­ва­е­мый неспа­рен­ный элек­трон, тогда обо­лоч­ка име­ет нену­ле­вой маг­нит­ный момент. Такие веще­ства назы­ва­ют­ся пара­маг­не­ти­ка­ми. ЭПР, как и ЯМР, так­же при­ме­ня­ет­ся для иссле­до­ва­ний раз­лич­ных струк­тур­но-дина­ми­че­ских свойств веществ на моле­ку­ляр­ном уровне, но его область исполь­зо­ва­ния суще­ствен­но уже. Это свя­за­но в основ­ном с тем, что боль­шин­ство моле­кул, осо­бен­но в живой при­ро­де, не содер­жит неспа­рен­ных элек­тро­нов. В неко­то­рых слу­ча­ях мож­но исполь­зо­вать так назы­ва­е­мый пара­маг­нит­ный зонд, т.е. хими­че­скую груп­пу с неспа­рен­ным элек­тро­ном, кото­рая свя­зы­ва­ет­ся с иссле­ду­е­мой моле­ку­лой. Но такой под­ход име­ет оче­вид­ные недо­стат­ки, кото­рые огра­ни­чи­ва­ют воз­мож­но­сти это­го мето­да. Кро­ме того, в ЭПР нет тако­го высо­ко­го спек­траль­но­го раз­ре­ше­ния (т.е. воз­мож­но­сти отли­чить в спек­тре одну линию от дру­гой), как в ЯМР.

Объ­яс­нить «на паль­цах» при­ро­ду ЯКР труд­нее все­го. Неко­то­рые ядра обла­да­ют так назы­ва­е­мым элек­три­че­ским квад­ру­поль­ным момен­том. Этот момент харак­те­ри­зу­ет откло­не­ние рас­пре­де­ле­ния элек­три­че­ско­го заря­да ядра от сфе­ри­че­ской сим­мет­рии. Вза­и­мо­дей­ствие это­го момен­та с гра­ди­ен­том элек­три­че­ско­го поля, созда­ва­е­мо­го кри­стал­ли­че­ской струк­ту­рой веще­ства, при­во­дит к рас­щеп­ле­нию энер­ге­ти­че­ских уров­ней ядра. В этом слу­чае мож­но наблю­дать резо­нанс на часто­те, соот­вет­ству­ю­щей пере­хо­дам меж­ду эти­ми уров­ня­ми. В отли­чие от ЯМР и ЭПР, для ЯКР не нуж­но внеш­не­го маг­нит­но­го поля, посколь­ку рас­щеп­ле­ние уров­ней про­ис­хо­дит без него. ЯКР так­же исполь­зу­ет­ся для иссле­до­ва­ния веществ, но область его при­ме­не­ния еще уже, чем у ЭПР.

6. Пре­иму­ще­ства и недо­стат­ки ЯМР

ЯМР – самый мощ­ный и инфор­ма­тив­ный метод иссле­до­ва­ния моле­кул. Стро­го гово­ря, это не один метод, это боль­шое чис­ло раз­но­об­раз­ных типов экс­пе­ри­мен­тов, т.е. импульс­ных после­до­ва­тель­но­стей. Хотя все они осно­ва­ны на явле­нии ЯМР, но каж­дый из этих экс­пе­ри­мен­тов пред­на­зна­чен для полу­че­ния какой-то кон­крет­ной спе­ци­фи­че­ской инфор­ма­ции. Чис­ло этих экс­пе­ри­мен­тов изме­ря­ет­ся мно­ги­ми десят­ка­ми, если не сот­ня­ми. Тео­ре­ти­че­ски ЯМР может если не всё, то почти всё, что могут все осталь­ные экс­пе­ри­мен­таль­ные мето­ды иссле­до­ва­ния струк­ту­ры и дина­ми­ки моле­кул, хотя прак­ти­че­ски это выпол­ни­мо, конеч­но, дале­ко не все­гда. Одно из основ­ных досто­инств ЯМР в том, что, с одной сто­ро­ны, его при­род­ные зон­ды, т.е. маг­нит­ные ядра, рас­пре­де­ле­ны по всей моле­ку­ле, а с дру­гой сто­ро­ны, он поз­во­ля­ет отли­чить эти ядра друг от дру­га и полу­чать про­стран­ствен­но-селек­тив­ные дан­ные о свой­ствах моле­ку­лы. Почти все осталь­ные мето­ды дают инфор­ма­цию либо усред­нен­ную по всей моле­ку­ле, либо толь­ко о какой-то одной ее части.

Основ­ных недо­стат­ков у ЯМР два. Во-пер­вых, это низ­кая чув­стви­тель­ность по срав­не­нию с боль­шин­ством дру­гих экс­пе­ри­мен­таль­ных мето­дов (опти­че­ская спек­тро­ско­пия, флю­о­рес­цен­ция, ЭПР и т.п.). Это при­во­дит к тому, что для усред­не­ния шумов сиг­нал нуж­но накап­ли­вать дол­гое вре­мя. В неко­то­рых слу­ча­ях ЯМР-экс­пе­ри­мент может про­во­дить­ся в тече­ние даже несколь­ких недель. Во-вто­рых, это его доро­го­виз­на. ЯМР-спек­тро­мет­ры – одни из самых доро­гих науч­ных при­бо­ров, их сто­и­мость изме­ря­ет­ся как мини­мум сот­ня­ми тысяч дол­ла­ров, а самые доро­гие спек­тро­мет­ры сто­ят несколь­ко мил­ли­о­нов. Дале­ко не все лабо­ра­то­рии, осо­бен­но в Рос­сии, могут поз­во­лить себе иметь такое науч­ное обо­ру­до­ва­ние.

Сверхпроводящий магнит в разрезе
Сверх­про­во­дя­щий маг­нит в раз­ре­зе

7. Маг­ни­ты для ЯМР-спек­тро­мет­ров

Одна из самых важ­ных и доро­гих частей спек­тро­мет­ра – маг­нит, созда­ю­щий посто­ян­ное маг­нит­ное поле. Чем силь­нее поле, тем выше чув­стви­тель­ность и спек­траль­ное раз­ре­ше­ние, поэто­му уче­ные и инже­не­ры посто­ян­но пыта­ют­ся полу­чить как мож­но более высо­кие поля. Маг­нит­ное поле созда­ет­ся элек­три­че­ским током в соле­но­и­де – чем силь­нее ток, тем боль­ше поле. Одна­ко бес­ко­неч­но уве­ли­чи­вать силу тока    нель­зя, при очень боль­шом токе про­вод соле­но­и­да про­сто нач­нет пла­вить­ся. Поэто­му уже очень дав­но для высо­ко­поль­ных ЯМР-спек­тро­мет­ров исполь­зу­ют­ся сверх­про­во­дя­щие маг­ни­ты, т.е. маг­ни­ты, в кото­рых про­вод соле­но­и­да нахо­дит­ся в сверх­про­во­дя­щем состо­я­нии. В этом слу­чае элек­три­че­ское сопро­тив­ле­ние про­во­да рав­но нулю,и выде­ле­ния энер­гии не про­ис­хо­дит при любой вели­чине тока. Сверх­про­во­дя­щее состо­я­ние мож­но полу­чить толь­ко при очень низ­ких тем­пе­ра­ту­рах, все­го несколь­ких гра­ду­сов Кель­ви­на, – это тем­пе­ра­ту­ра жид­ко­го гелия. (Высо­ко­тем­пе­ра­тур­ная сверх­про­во­ди­мость – до сих пор удел толь­ко чисто фун­да­мен­таль­ных иссле­до­ва­ний.) Имен­но с под­дер­жа­ни­ем такой низ­кой тем­пе­ра­ту­ры и свя­за­ны все тех­ни­че­ские слож­но­сти кон­стру­и­ро­ва­ния и про­из­вод­ства маг­ни­тов, кото­рые обу­слав­ли­ва­ют их доро­го­виз­ну. Сверх­про­во­дя­щий маг­нит постро­ен по прин­ци­пу тер­мо­са-мат­реш­ки. Соле­но­ид нахо­дит­ся в цен­тре, в ваку­ум­ной каме­ре. Его окру­жа­ет обо­лоч­ка, в кото­рой нахо­дит­ся жид­кий гелий. Эта обо­лоч­ка через ваку­ум­ную про­слой­ку окру­же­на обо­лоч­кой из жид­ко­го азо­та. Тем­пе­ра­ту­ра жид­ко­го азо­та – минус 196 гра­ду­сов по Цель­сию, азот нужен для того, что­бы гелий испа­рял­ся как мож­но мед­лен­нее. Нако­нец, азот­ная обо­лоч­ка изо­ли­ру­ет­ся от ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ры внеш­ней ваку­ум­ной про­слой­кой. Такая систе­ма спо­соб­на сохра­нять нуж­ную тем­пе­ра­ту­ру сверх­про­во­дя­ще­го маг­ни­та очень дол­го, хотя для это­го нуж­но регу­ляр­но под­ли­вать в маг­нит жид­кие азот и гелий. Пре­иму­ще­ство таких маг­ни­тов кро­ме воз­мож­но­сти полу­чать высо­кие маг­нит­ные поля так­же и в том, что они не потреб­ля­ют энер­гии: после запус­ка маг­ни­та ток бега­ет по сверх­про­во­дя­щим про­во­дам прак­ти­че­ски без каких-либо потерь в тече­ние мно­гих лет.

­

8. Томо­гра­фия

В обыч­ных ЯМР-спек­тро­мет­рах маг­нит­ное поле ста­ра­ют­ся сде­лать как мож­но более одно­род­ным, это нуж­но для улуч­ше­ния спек­траль­но­го раз­ре­ше­ния. Но если маг­нит­ное поле внут­ри образ­ца, наобо­рот, сде­лать очень неод­но­род­ным, это откры­ва­ет прин­ци­пи­аль­но новые воз­мож­но­сти для исполь­зо­ва­ния ЯМР. Неод­но­род­ность поля созда­ет­ся так назы­ва­е­мы­ми гра­ди­ент­ны­ми катуш­ка­ми, кото­рые рабо­та­ют в паре с основ­ным маг­ни­том. В этом слу­чае вели­чи­на маг­нит­но­го поля в раз­ных частях образ­ца будет раз­ная, а это зна­чит, что сиг­нал ЯМР мож­но наблю­дать не от все­го образ­ца, как в обыч­ном спек­тро­мет­ре, а толь­ко от его узко­го слоя, для кото­ро­го соблю­да­ют­ся резо­нанс­ные усло­вия, т.е. нуж­ное соот­но­ше­ние маг­нит­но­го поля и часто­ты. Меняя вели­чи­ну маг­нит­но­го поля (или, что по сути то же самое, часто­ту наблю­де­ния сиг­на­ла), мож­но менять слой, кото­рый будет давать сиг­нал. Таким обра­зом мож­но «про­ска­ни­ро­вать» обра­зец по все­му объ­е­му и «уви­деть» его внут­рен­нюю трех­мер­ную струк­ту­ру, не раз­ру­шая обра­зец каким-либо меха­ни­че­ским спо­со­бом. К насто­я­ще­му вре­ме­ни раз­ра­бо­та­но боль­шое чис­ло мето­дик, поз­во­ля­ю­щих изме­рять раз­лич­ные пара­мет­ры ЯМР (спек­траль­ные харак­те­ри­сти­ки, вре­ме­на маг­нит­ной релак­са­ции, ско­рость само­диф­фу­зии и неко­то­рые дру­гие) с про­стран­ствен­ным раз­ре­ше­ни­ем внут­ри образ­ца. Самое инте­рес­ное и важ­ное, с прак­ти­че­ской точ­ки зре­ния, при­ме­не­ние ЯМР-томо­гра­фии нашлось в меди­цине. В этом слу­чае иссле­ду­е­мым «образ­цом» явля­ет­ся чело­ве­че­ское тело. ЯМР-томо­гра­фия явля­ет­ся одним из самых эффек­тив­ных и без­опас­ных (но так­же и доро­гих) диа­гно­сти­че­ских средств в раз­лич­ных обла­стях меди­ци­ны, от онко­ло­гии до аку­шер­ства. Любо­пыт­но заме­тить, что в назва­нии это­го мето­да меди­ки не упо­треб­ля­ют сло­во «ядер­ный», пото­му что неко­то­рые паци­ен­ты свя­зы­ва­ют его с ядер­ны­ми реак­ци­я­ми и атом­ной бом­бой.

Е.К. Завойский
Е.К. Завой­ский

9. Исто­рия откры­тия

 Годом откры­тия ЯМР счи­та­ет­ся 1945-й, когда аме­ри­кан­цы Феликс Блох из Стэн­фор­да и неза­ви­си­мо от него Эдвард Пар­селл и Роберт Паунд из Гар­вар­да впер­вые наблю­да­ли сиг­нал ЯМР на про­то­нах. К тому вре­ме­ни уже было мно­го извест­но о при­ро­де ядер­но­го маг­не­тиз­ма, сам эффект ЯМР был тео­ре­ти­че­ски пред­ска­зан, и было сде­ла­но несколь­ко попы­ток его экс­пе­ри­мен­таль­но­го наблю­де­ния. Важ­но отме­тить, что годом рань­ше в Совет­ском Сою­зе, в Каза­ни, Евге­ни­ем Завой­ским было откры­то явле­ние ЭПР. Сей­час уже хоро­шо извест­но, что Завой­ский так­же наблю­дал и сиг­нал ЯМР, это было перед вой­ной, в 1941 году. Одна­ко в его рас­по­ря­же­нии был маг­нит низ­ко­го каче­ства с пло­хой одно­род­но­стью поля, резуль­та­ты были пло­хо вос­про­из­во­ди­мы­ми и пото­му так и оста­лись неопуб­ли­ко­ван­ны­ми. Спра­вед­ли­во­сти ради надо заме­тить, что Завой­ский был не един­ствен­ным, кто наблю­дал ЯМР до его «офи­ци­аль­но­го» откры­тия. В част­но­сти, аме­ри­кан­ский физик Иси­дор Раби (лау­ре­ат Нобе­лев­ской пре­мии 1944 года за иссле­до­ва­ние маг­нит­ных свойств ядер в атом­ных и моле­ку­ляр­ных пуч­ках) в кон­це 30-х годов так­же наблю­дал ЯМР, но счел это аппа­ра­тур­ным арте­фак­том. Так или ина­че, но за нашей стра­ной оста­ет­ся при­о­ри­тет в экс­пе­ри­мен­таль­ном обна­ру­же­нии маг­нит­но­го резо­нан­са. Хотя сам Завой­ский вско­ре после вой­ны стал зани­мать­ся дру­ги­ми про­бле­ма­ми, его откры­тие для раз­ви­тия нау­ки в Каза­ни сыг­ра­ло огром­ную роль. Казань до сих пор оста­ет­ся одним из веду­щих миро­вых науч­ных цен­тров по ЭПР-спек­тро­ско­пии.

10. Нобе­лев­ские пре­мии в обла­сти маг­нит­но­го резо­нан­са

В пер­вой поло­вине XX века было при­суж­де­но несколь­ко Нобе­лев­ских пре­мий уче­ным, без работ кото­рых откры­тие ЯМР не мог­ло бы состо­ять­ся. Сре­ди них мож­но назвать Пете­ра Зее­ма­на, Отто Штер­на, Иси­до­ра Раби, Вольф­ган­га Пау­ли. Но непо­сред­ствен­но свя­зан­ных с ЯМР Нобе­лев­ских пре­мий было четы­ре. В 1952 году пре­мию полу­чи­ли Феликс Блох и Эдвард Пар­селл за откры­тие ЯМР. Это един­ствен­ная «ЯМР-ная» Нобе­лев­ская пре­мия по физи­ке. В 1991 году пре­мию по химии полу­чил швей­ца­рец Ричард Эрнст, рабо­тав­ший в зна­ме­ни­той Швей­цар­ской выс­шей тех­ни­че­ской шко­ле в Цюри­хе. Он был удо­сто­ен ее за раз­ви­тие мето­дов мно­го­мер­ной ЯМР-спек­тро­ско­пии, кото­рые поз­во­ли­ли кар­ди­наль­но уве­ли­чить инфор­ма­тив­ность ЯМР-экс­пе­ри­мен­тов. В 2002 году лау­ре­а­том пре­мии, так­же по химии, стал Курт Вютрих, рабо­тав­ший с Эрн­стом в сосед­них зда­ни­ях в той же Тех­ни­че­ской шко­ле. Он полу­чил пре­мию за раз­ра­бот­ку мето­дов опре­де­ле­ния трех­мер­ной струк­ту­ры бел­ков в рас­тво­ре. До это­го един­ствен­ным мето­дом, поз­во­ля­ю­щим опре­де­лять про­стран­ствен­ную кон­фор­ма­цию боль­ших био­мак­ро­мо­ле­кул, был толь­ко рент­ге­но­струк­тур­ный ана­лиз. Нако­нец, в 2003 году пре­мию по меди­цине за изоб­ре­те­ние ЯМР-томо­гра­фии полу­чи­ли аме­ри­ка­нец Поль Лау­тер­бур и англи­ча­нин Петер Манс­филд. Совет­ский пер­во­от­кры­ва­тель ЭПР Е.К.Завойский Нобе­лев­ской пре­мии, увы, не полу­чил. 

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
14 Цепочка комментария
0 Ответы по цепочке
1 Подписки
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
7 Авторы комментариев
Владимир КоростелёвЭдуардАленаВладНиколай Анисимов Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
Уведомление о
Максим Дубинный
Максим Дубинный

Алек­сей, буду сей­час при­ди­рать­ся. Как-то не очень рас­кры­та тема, в чем, соб­ствен­но, поль­за ЯМР. Про про­стран­ствен­ную струк­ту­ру бел­ков – это хоро­шо, но доста­точ­но посмот­реть коли­че­ство про­стран­ствен­ных струк­тур в и сра­зу ста­но­вит­ся понят­но, что ЯМР за рент­ге­ном по коли­че­ству решен­ных про­стран­ствен­ных струк­тур угнать­ся не может. Рент­ге­ном быст­рее, рент­ге­ном мож­но решать струк­ту­ры очень боль­ших моле­кул, недо­ступ­ных для ЯМР, рент­ген не тре­бу­ет «руч­ной рабо­ты» со спек­тра­ми. Пре­иму­ществ у ЯМР в струк­тур­ной био­ло­гии два: (1) моле­ку­ла нахо­дит­ся в есте­ствен­ном, вод­ном окру­же­нии, а не в кри­стал­ле, а может быть даже и в живой клет­ке (есть и такие рабо­ты); (2) если с моле­ку­лой про­ис­хо­дят какие-то изме­не­ния: что-то где-то бол­та­ет­ся, пере­клю­ча­ет­ся, свя­зы­ва­ет­ся, моди­фи­ци­ру­ет­ся, то это обя­за­тель­но будет вид­но… Подробнее »

Максим Дубинный
Максим Дубинный

Алек­сей, буду сей­час при­ди­рать­ся. Как-то не очень рас­кры­та тема, в чем, соб­ствен­но, поль­за ЯМР. Про про­стран­ствен­ную струк­ту­ру бел­ков – это хоро­шо, но доста­точ­но посмот­реть коли­че­ство про­стран­ствен­ных струк­тур в бан­ке дан­ных PDB и сра­зу ста­но­вит­ся понят­но, что ЯМР за рент­ге­ном по коли­че­ству решен­ных про­стран­ствен­ных струк­тур угнать­ся не может. Рент­ге­ном быст­рее, рент­ге­ном мож­но решать струк­ту­ры очень боль­ших моле­кул, недо­ступ­ных для ЯМР, рент­ген не тре­бу­ет «руч­ной рабо­ты» со спек­тра­ми. Пре­иму­ществ у ЯМР в струк­тур­ной био­ло­гии два: (1) моле­ку­ла нахо­дит­ся в есте­ствен­ном, вод­ном окру­же­нии, а не в кри­стал­ле, а может быть даже и в живой клет­ке (есть и такие рабо­ты); (2) если с моле­ку­лой про­ис­хо­дят какие-то изме­не­ния: что-то где-то бол­та­ет­ся, пере­клю­ча­ет­ся, свя­зы­ва­ет­ся, моди­фи­ци­ру­ет­ся, то это обя­за­тель­но… Подробнее »

А. Крушельницкий
А. Крушельницкий

В подоб­ном тек­сте невоз­мож­но, да я и не ста­вил себе такой цели, рас­ска­зать о всех аспек­тах при­ме­не­ния ЯМР для раз­ных задач. Кро­ме того, о чем Вы пише­те, есть мас­са неохва­чен­ных тем, кото­рые могут быть крайне инте­рес­ны. Каж­дый спе­ци­а­лист уви­дит здесь мас­су недо­рас­ска­зан­ных дета­лей о сво­ей обла­сти иссле­до­ва­ний. Но эта ста­тья вооб­ще не для спе­ци­а­ли­стов. Ее цель совсем дру­гая – рас­ска­зать про ЯМР в общих чер­тах, «с чем это едят» любо­зна­тель­ным людям, кото­рые толь­ко слы­ша­ли сло­во, но пло­хо пред­став­ля­ют себе, что это такое. Для более подроб­но­го опи­са­ния, даже на науч­но-попу­ляр­ном уровне, нуж­на не газет­ная ста­тья, а книж­ка.

Максим Дубинный
Максим Дубинный

Согла­сен :) Тема с кни­гой весь­ма акту­аль­на, с совет­ских вре­мен на рус­ском про ЯМР никто не пишет.

Николай Анисимов
Николай Анисимов

Исто­ри­че­ские аспек­ты изло­же­ны с иска­же­ни­я­ми. Зачем здесь фан­та­зи­ро­вать? Раби вовсе свя­зы­вал то, что он наблю­дал, с арте­фак­та­ми. Он реаль­но реги­стри­ро­вал ЯМР, прав­да, не в кон­ден­си­ро­ван­ной сре­де, а в моле­ку­ляр­ных пуч­ках. Попыт­ки наблю­дать ЯМР в кон­ден­си­ро­ван­ной сре­де пред­при­ни­ма­лись еще в кон­це 30-хх, напр., Гор­те­ром. Завой­ский так­же пытал­ся в 1941г. это сде­лать. Это дей­стви­тель­но, «хоро­шо извест­но». Но из его же запи­сей сле­ду­ет, что то, что сиг­наль­ные всплес­ки, кото­рые он наблю­дал, ско­рее все­го, свя­за­ны с аппа­ра­тур­ны­ми арте­фак­та­ми. А что каса­ет­ся «офи­ци­аль­но­го откры­тия», то непо­нят­но о чем идет речь. Нобе­лев­ская пре­мия была вру­че­на Бло­ху и Пер­сел­лу не за откры­тие ЯМР, а за «раз­ви­тие мето­дов, кото­рые при­ве­ли к выда­ю­щим­ся откры­ти­ям». Откры­тие ЯМР слиш­ком рас­тя­ну­то по вре­ме­ни и. вооб­ще,… Подробнее »

Николай Анисимов
Николай Анисимов

В тек­сте мое­го ком­мен­та­рия ока­за­лись опе­чат­ки. Самая суще­ствен­ная «Раби вовсе свя­зы­вал…». Надо, конеч­но, пони­мать «Раби вовсе не свя­зы­вал…». Осталь­ное не меня­ет смыс­ла ком­мен­та­рия.

А. Крушельницкий
А. Крушельницкий

Про Раби мож­но узнать, напри­мер, на этой стра­ни­це – http://www.isbe.man.ac.uk/personal/dellard/dje/history_mri/history%20of%20mri.htm Что каса­ет­ся Завой­ско­го, то я окон­чил ту самую кафед­ру, где он открыл ЭПР и узнал про его наблю­де­ние ЯМР еще будучи сту­ден­том от сотруд­ни­ков КГУ (сей­час КФУ), кото­рые зна­ли о его рабо­те в Каза­ни очень деталь­но. Ну а про откры­тие маг­нит­но­го резо­нан­са всем миром – так кто же с этим спо­рит? Я как раз об этом и напи­сал, и в ста­тье сло­во «офи­ци­аль­ное» (откры­тие), если заме­ти­ли, сто­ит в кавыч­ках. Тем не менее, имен­но в 45-м году про­изо­шел каче­ствен­ный ска­чок в этой обла­сти, и имен­но эту дату миро­вое науч­ное сооб­ще­ство свя­зы­ва­ет с откры­ти­ем ЯМР. Кста­ти, в 1995 году еже­год­ная кон­фе­рен­ция ENC (одна из самых пред­ста­ви­тель­ных кон­фе­рен­ций… Подробнее »

Николай Анисимов
Николай Анисимов

Вос­по­ми­на­ния, леген­ды, сето­ва­ния на то, что нас обо­шли с Нобе­лев­ской пре­ми­ей… Все это хоро­шо для вос­пи­та­ния моло­до­го поко­ле­ния и, вооб­ще, для внут­рен­не­го потреб­ле­ния. Но недо­ста­точ­но для обос­но­ва­ния заяв­ки на Нобе­лев­скую пре­мию. Нуж­ны доку­мен­ты – дан­ные, кар­тин­ки, на худой конец, запис­ки само­го уче­но­го. Но, как я уже отме­чал, из запи­сей само­го Завой­ско­го вовсе не сле­ду­ет, что он полу­чил вос­про­из­во­ди­мые резуль­та­ты по реги­стра­ции сиг­на­лов ЯМР. А пред­ме­том любой есте­ствен­ной нау­ки могут быть лишь вос­про­из­во­ди­мые явле­ния. Да и вооб­ще, нау­ка раз­ви­ва­ет­ся за счет здо­ро­во­го скеп­ти­циз­ма, а не за счет веры. Вера не долж­на быть сле­пой. Вот мне, напри­мер, насчет его вкла­да в ЭПР тоже не все ясно. Его рабо­та… Подробнее »

Николай Анисимов
Николай Анисимов

Мой ком­мен­та­рий – это поже­ла­ние полу­чить доку­мен­таль­ное обос­но­ва­ние для Ваше­го утвер­жде­ния о том, что «Так или ина­че, но за нашей стра­ной оста­ет­ся при­о­ри­тет в экс­пе­ри­мен­таль­ном обна­ру­же­нии маг­нит­но­го резо­нан­са.» Я пола­гаю, что я не един­ствен­ный, кто хотел бы это­го.

Влад
Влад

«Самые важ­ные для ЯМР ядра — это про­то­ны»).

Алена
Алена

Здрав­ствуй­те! А как вы счи­та­е­те, полу­чит­ся ли раз­ре­шить мето­дом ЯМР белок-димер по 1482 ами­но­кис­ло­ты в каж­дой субъ­еди­ни­це, весь ком­плекс пред­по­ло­жи­тель­но раз­ме­ром 160×110×70 анг­стрем?

Максим Дубинный
Максим Дубинный

Нет. Слиш­ком мно­го ами­но­кис­лот, слиш­ком мно­го сиг­на­лов в спек­тре, слиш­ком боль­шая мас­са, слиш­ком мед­лен­но он в рас­тво­ре вра­ща­ет­ся. Даль­ше при­мер­но 300–400 а.о. мето­дом ЯМР никто в здра­вом уме не поле­зет ловить струк­тур­ную инфор­ма­цию.

Эдуард
Эдуард

А мож­но ли наблю­дать ЯМР в домаш­них усло­ви­ях? Доста­точ­но ли для это­го будет гене­ра­то­ра сиг­на­лов до 20 МГц и осцил­ло­гра­фа?

Владимир Коростелёв
Владимир Коростелёв

Поле маг­ни­та очень неод­но­род­но на самом деле. Соб­ствен­но из-за это­го у Завой­ско­го были труд­но­сти с вос­про­из­во­ди­мо­стью экс­пе­ри­мен­тов. Для повы­ше­ния одно­род­но­сти поля исполь­зу­ют про­це­ду­ру шим­ми­ро­ва­ния. При­чём вооб­ще раз­де­ля­ют актив­ное и пас­сив­ное шим­ми­ро­ва­ние. Пас­сив­ное уже ред­ко исполь­зу­ет­ся, а в актив­ном шим­ми­ро­ва­нии суще­ству­ет три мето­да – шим­ми­ро­ва­ние вруч­ную, опти­ми­за­ция лок-сиг­на­ла и гра­ди­ент­ное шим­ми­ро­ва­ние. Два послед­них явля­ют­ся авто­ма­ти­че­ски­ми мето­да­ми. Мне дове­лось раз­ра­ба­ты­вать для Varian Inc метод трёх­мер­но­го авто­ма­ти­че­ско­го шим­ми­ро­ва­ния https://arxiv.org/abs/0803.0259 кото­рый вхо­дит в стан­дарт­ный пакет VnmrJ. Это уже совре­мен­ный метод кото­рый поз­во­ля­ет минут за 30–40 с нуле­вых шимов („cold magnet”) настро­ить одно­род­ность поля до зна­че­ний преду­смот­рен­ных тех­ни­че­ской спе­ци­фи­ка­ци­ей для экс­пе­ри­мен­таль­но­го ЯМР высо­ко­го раз­ре­ше­ния.

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: