Явление ЯМР и магнитно-резонансная спектроскопия

Явление магнитного резонанса состоит в поглощении электромагнитного излучения в радиочастотном диапазоне ядрами, находящимися в постоянном магнитном поле. Этой способностью обладают ядра, имеющие собственный магнитный момент, или спин. К таким ядрам относятся 1H, 31P, 13C, входящие в состав молекул биологических систем.

Магнитное ядро, помещенное в постоянное магнитное поле, приобретает дискретный набор разрешенных энергетических состояний. Для ядер со спином 1/2 (например 1H) таких состояний два. Разность энергий между этими энергетическими состояниями пропорциональна напряженности постоянного магнитного поля B0:

ΔE = γhB0 ,

где h — постоянная Планка, ΔE — разность энергий между магнитными уровнями, γ — гиромагнитное отношение (определяется строением ядра); h * 2nv = ΔE , где v — частота переходов между энергетическими уровнями, или резонансная частота. Отсюда:

v = γB0/2п.

В магнитном поле с напряженностью B0 частоты, при которых происходит переход, имеют строго фиксированное значение, поэтому их называют частотами ядерного магнитного резонанса. ЯМР-частоты ядер лежат в пределах радиодиапазона. Из-за низких энергий радиочастотное излучение считается биологически безопасным.

В постоянном магнитном поле B0 в тепловом равновесии большая часть ядер находится в нижнем из разрешенных энергетических состояний, создавая макроскопическую намагниченность образца, ориентированную по полю. Если ядра облучать частотой, равной резонансной, они поглотят энергию излучения и перейдут в верхнее энергетическое состояние, а вектор макроскопической намагниченности «отклонится» от своего первоначального положения. По прекращении внешнего воздействия ядра возвращаются на нижний энергетический уровень, испуская энергию на частоте резонанса. Это излучение вызывает э.д.с. в приемной катушке и детектируется как сигнал спада свободной индукции. Возвращение ядер в нижнее состояние, а вектора намагниченности в свое первоначальное положение называется релаксацией. Восстановление продольной составляющей вектора намагниченности называется спин-решеточной релаксацией и характеризуется временем спин-решеточной релаксации T1. Процесс релаксации в поперечном направлении называется спин-спиновой релаксацией и характеризуется временем Т2.

Ядро в составе молекулы испытывает действие локального магнитного поля, возникающего вследствие взаимодействия электронов химической связи с внешним магнитным полем. В результате происходит сдвиг частоты, зависящий от электронного окружения ядра. Этот сдвиг, называемый химическим сдвигом 5, является причиной возникновения ЯМР-спектра. В спектре частотные сдвиги резонансов ядер определяются химическим строением молекулы и являются специфической характеристикой для каждого из ее структурных фрагментов. Величины 5 малы по сравнению с резонансной частотой ядра и измеряются в миллионных долях. Значения δ отсчитываются от выбранного реперного сигнала. В 1H МР-спектрах это сигнал протонов воды (δ=4,7 ppm), в 31P МР-спектрах — сигнал фосфатной группы фосфокреатина (δ=0 ppm). В молекулах ядерные магнитные моменты взаимодействуют друг с другом. Взаимодействие ядерных спинов между атомами соседних групп разной химической структуры через электроны химических связей или между химически неэквивалентными атомами в составе одной группы приводит к расщеплению соответствующих сигналов на мультиплеты. Этот эффект, имеющий название «спин-спиновое взаимодействие», подчиняется строгим закономерностям, определяющим число линий в мультиплете и величину константы спин-спинового взаимодействия.

При исследовании метаболизма методом ЯМР величины δ, интенсивности сигналов, константы спин-спинового взаимодействия, мультиплетность сигнала позволяют установить химическую структуру отдельных метаболитов в тканевых экстрактах, а затем изучать их относительное содержание in vivo. Концентрации метаболитов in vivo определяют по интенсивности идентифицированных сигналов их молекулярных фрагментов, нормированной на интенсивность сигнала внутреннего концентрационного стандарта — соединения, концентрация которого известна и не изменяется в изучаемом процессе. Помимо идентификации эффекты спин-спинового взаимодействия используют в целях спектрального редактирования, поскольку они позволяют разделить сигналы с перекрывающимися химическими сдвигами. Релаксационные характеристики сигналов необходимо учитывать в импульсных последовательностях, использующихся как для локализации области интереса — объема ткани (вокселя), в котором исследуют метаболизм, так и для спектрального редактирования. К сожалению, воксель часто не может быть уменьшен до желаемых размеров из-за низкой чувствительности метода. Именно чувствительность является основным ограничением МРС. Даже используя поле с напряженностью 3Т, удовлетворительное соотношение сигнал/шум в 1H МР-спектрах (протоны имеют максимальную магнитную восприимчивость) за разумное время можно получить в объеме не менее 8 см3 и детектировать сигналы соединений, концентрации которых выше 1 мМ. В таких количествах в клетках присутствуют предшественники и конечные продукты метаболических путей.

MPC на протонах и гетероядрах позволяет исследовать разнообразные метаболические потоки. С помощью 1H MPC изучают метаболизм аминокислот, анаэробный метаболизм глюкозы, методом 31P MPC — энергетический обмен, методом 13C MPC — метаболизм глюкозы и лекарственных препаратов. На ядрах 23Na , 39K исследуют ионный транспорт, на ядрах 19F — метаболизм и фармакокинетику фторсодержащих лекарственных препаратов. В медицине по причинам, связанным с необходимостью быстро получить спектр с удовлетворительным отношением сигнал/ шум, используют 1H MPC и в значительно меньшей степени 31P МРС, поскольку чувствительность 31P MP составляет лишь 7% от чувствительности 1H MP.