Ядерный Магнитный Резонанс (ЯМР): Ядерный Магнитный Резонанс (ЯМР):

Разговор Разговор начначаастотустоту с с некоторыминекоторыми Атомными Ядрами Атомными Ядрами

Что такое “резонанс”?

В каких случаях он "ядерный" и "магнитный" ?

И какая от ЯМР польза?

Сергей Смирнов, Western Washington University, Bellingham, USA

2

Отто Штерн (Otto Stern): Физика, 1943 За открытие магнитного момента у протона

Исидор Айзек Раби (Isidor Isaac Rabi): Физика, 1944 за резонансный метод измерений магнитных свойств атомных ядер

Феликс Блох и Эдвард Миллс Пёрселл(Felix Bloch, Edward Mills Purcell): Физика, 1952За развитие … методов точных ядерных магнитных измерений

Ричард Эрнст (Richard R. Ernst): Химия, 1991За вклад в развитие ЯМР высокого разрешения

Курт Вютрих (Kurt Wüthrich): Химия, 2002За разработку применения ЯМР-спектроскопии для определения 3-D структуры биологических макромолекул в растворе

Пол Лотербур и Питер Мэнсфилд(Paul C. Lauterbur, Peter Mansfield): Физиология и Медицина, 2003

За изобретение метода магнитно-резонансной томографии

3

РезонансРезонанс: индуцированные синхронизированные Колебания: индуцированные синхронизированные Колебания

Резонанс с ветром разрушает мостЭлектромеханический осциллятор

Николы Тесла

Что с чем резонируетЧто с чем резонирует ??

Чем отличается звукиЧем отличается звуки самой тонкой струны самой тонкой струны

(1-й) от звуков самой толстой (6-й)(1-й) от звуков самой толстой (6-й) ??

4

http://www.mtholyoke.edu/~menunez/ResearchPage/charisse_NMR2.jpg

ЯМРЯМР выглядит таквыглядит так

Магнит

Спектрометр

Кадры, освоившие технику,

решают всё! ©

Ядерный Магнитный Момент (Spin)

5

- Что делает стрелка ядерного спина в магнитном поле- Что делает стрелка ядерного спина в магнитном поле ??- - ““Всё-таки она вертитсяВсё-таки она вертится” © (” © (с частотойс частотой ω ω ~ B0 ))

По

сто

янно

е

Ма

гни

тное

По

ле

B0

ω

В основе эффекта ЯМР лежит взаимодействие

ядерного магнитного момента (спина) с магнитным полем.

6

ЯМР ЭкспериментЯМР Эксперимент

Равновесие РЧ Возбуждение

E −½

E +½

E −½

E +½

РЧ B0

B0

ЯМР Спектр

ω

Время

ЯМР Сигнал

Частота

ЯМР Сигнал:Переменное магнитное поле индуцирует электрический ток в катушке

7

1H ЯМР спектр

8 6 4 2 0 ppm

HH

H H

CC

O

N

H

C

H

C1

Cζ

OH

CH3 H2

H1 H2

H1 H2

C2

C2C2

H3

Частота Источник: BMRB

стандарт

Что показывает ЯМР СпектрЧто показывает ЯМР Спектр

Тирозин (аминокислота)

У каждого атома своя резонансная частота.

Почти как у музыкальных нот.

8

Какая от ЯМР Какая от ЯМР пользапольза??

“Все больше и больше химики, биологи и врачи применяют ЯМР …” Ричард Эрнст, Нобелевская Лекция, 1992

“…компании начали видеть возможности [ЯМР в медицине]. ... через десять лет на рынок начали поступать коммерческие установки [томографы] способные вместить человека.”Пол Лотербур, Нобелевская Лекция, 2003

9

Определение химической структуры Определение химической структуры ценныхценных био-активных веществ био-активных веществ

1H ЯМР спектр CH3CH2OH

http://www.muhlenberg.edu/depts/chemistry/chem201woh/1hethanol.html

10

ЯМРЯМР полезных напитков полезных напитков

http

://w

ww

.rsc

.org

/che

mis

tryw

orld

/New

s/20

10/M

ay/2

7051

001.

asp

Однажды российские и американскиеучёные предложили....

"Мы пойдём другим путём!",

воскликнули французские учёные

11

Интенсивность сигналов показывает уровень метаболитов пациента.

МетаболомикаМетаболомика: : Анализ химических преобразований ключевых компонентов метаболизма.

Метаболомный 1H ЯМР (700 МГц) анализ мочи здорового человека, все важные сигналы обозначены.

http://physiolgenomics.physiology.org/content/29/2/99.full

МетаболомикаМетаболомика: : Анализ химических преобразований ключевых компонентов метаболизма.

Пото-жировые? Да, пото-жировые!

Даёшь пото-жировые!

"Федеральная Экспертная Служба“ ©

Даёшь ЯМР спектрометр в каждый сериал про полицию!Голливуд должен брать пример

с мультика "Пин-код" ("Ja, ja! Das is fantastisch!")

13

ЯМР и разработка лекарствЯМР и разработка лекарств

Дэвид Джэймс Крэйк (David James Craik):

“Мы применяем ЯМР для определения структуры белков используемых в фармацевтике и сельском хозяйстве.…Примеры таких белков включают, например, конотоксины (conotoxins), компоненты яда морских улиток и циклотиды (cyclotides), сверх-стабильные закольцованные белки [австралийских] растений и грибов.”

http://www.imb.uq.edu.au/index.html?page=11695

www.amazon.com

14

http://elementy.ru/lib/431024

Меняющееся в пространстве поле:

Сигналы ядер в разных точках

имеют разные частоты.

Спектр ↔ координаты ядер.

Однородное магнитное поле:

Единственный ЯМР-сигнал.

Магнито-РезонанснаМагнито-Резонансная я ТомографияТомография: : ω ω ~ B0 ~ координата x

- Что делает стрелка ядерного спина в магнитном поле- Что делает стрелка ядерного спина в магнитном поле ??- - ““Всё-таки она вертитсяВсё-таки она вертится” © (” © (с частотойс частотой ω ω ~ B0 ))

15

“Мы начали заниматься темой магнито-резонансной томографии в 1972 году.”Питер Мэнсфилд, Нобелевская Лекция, 2003

http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/magnetacademy/mri/images/mri-scanner.jpg

Магнито-резонансный Томограф разрез

Пациент

Стол для пациента

Радио-частотнаяКатушка

Градиентные катушки

Магнит

Сканер 1H2OПочему детектируем сигнал только от одного вида молекул (H2O)?

Почему бы не снять сигнал и с белков/жиров/углеводов одновременно с водой?

16

МРТ:МРТ: информативный метод исследования и диагностики заболеваний центральной нервной системы, костно-мышечной и суставной систем человека.

МРТ головного мозга

http://www.klinikantm.ru/mri/

Магнитно-Резонансная Томография (МРТ)Магнитно-Резонансная Томография (МРТ)

http

://w

ww

.rad

iolo

gyin

fo.c

a/de

faul

t.asp

x?pa

ge=

50&

lang

=en

-us

1H2O

17

http://www.mobclinic.ru/peredvizhnoy-magnitno-rezonansnyy-tomograf.html

Мобильная Магнитно-Резонансная ТомографияМобильная Магнитно-Резонансная Томография

18

http://tywkiwdbi.blogspot.com/2012/02/mri-stand-for-magnetic-resonance.html

Вот как бывает...Вот как бывает...

У него был короткоствол, но всё сложилось так, а не иначе ©:

Пистолет полицейского выдернуло из кобуры магнитным полем установки. Пистолет ударился о магнит, произошёл выстрел.

Пожарный с пожарным баком за спиной был затянут внутрь томографа во время тушения пожара. Спасли чудом.

Пациентам с ферромагнитными (стальными и т.п.) хирургическими вставками делать МРТ опасно.

19

Sci-fi today: “Sci-fi today: “ЯМР и МРТ на чипе"ЯМР и МРТ на чипе"

Поверхностные микрокатушки диаметром 20 мкм: 50-кратный рост чувствительности в поле зрения 1 мм2

http://www.bruker-biospin.com/coil_on_a_chip.html?&L=9http://www.nist.gov/pml/div688/nmr_021908.cfm

Прототип микрочипа с миниатюрным магнитометром в протоковой камере

2008 г.

Спонсоры:ВМС, Мин.Энергетики, Агентство передовых оборонных исследований (DARPA) США

2012 г.

Мозг мыши, разрешение 5x5x5 мкм3

"Катушка-на-чипе“, Bruker BioSpin Co.

Следующая Нобелевская Премия за ЯМР:

Ралф Вайслэдер (Ralph Weissleder) ?

20

* Анализ нефтяных скважин: уровень влажности залежей, пористость стен скважины, и пр. Поверхностные ЯМР датчики опускаются прямо в скважину.

* Анализ состояния картин, икон и других прозиведений искусства Поверхностные ЯМР датчики малых размеров

* Проверка корпусов самолётов на основе композитных материалов (углепластиковое волокно и пр.): Боинг 777 (Dreamliner), истребители 5-го поколения и пр. Поверхностные ЯМР датчики (большие)

Поверхностные ЯМР/МРТ датчикиПоверхностные ЯМР/МРТ датчики

21

Спасибо!Спасибо!

22

ЯМР и МРТ в Магнитном Поле ЗемлиЯМР и МРТ в Магнитном Поле Земли

Terranova plug-and-play МРТМРТ: 3 : 3 кГцкГц

http://www.magritek.com/products-terranova-specs

23

МРТ:МРТ: информативный метод исследования и диагностики заболеваний центральной нервной системы, костно-мышечной и суставной систем человека.

МРТ головного мозга

http://www.klinikantm.ru/mri/

Магнитно-Резонансная Томография (МРТ)Магнитно-Резонансная Томография (МРТ)

http

://w

ww

.rad

iolo

gyin

fo.c

a/de

faul

t.asp

x?pa

ge=

50&

lang

=en

-us

Почему Почему этоэто

чёрное чёрное ??

1H2O

24

http://tywkiwdbi.blogspot.com/2012/02/mri-stand-for-magnetic-resonance.html

С некоторыми видами татуировок в МРТ - ни ногой! ©

Но почему?

25

““МетаболомикаМетаболомика” полезных напитков” полезных напитков

"Мы пойдём другим путём!",

сказали французские учёные

Почему нет ЯМР датчика для мониторинга коньяков в

бутылках?

26

Otto Stern, USA: NP in Physics, 1943 “for his… discovery of the magnetic moment of the proton”

Isidor Isaac Rabi, USA: NP in Physics, 1944 “for … resonance method for recording the magnetic properties of … nuclei”

Felix Bloch and Edward Mills Purcell, USA: NP in Physics, 1952“for development of … methods for nuclear magnetic measurements”

Richard R. Ernst, Switzerland: NP in Chemistry, 1991“for … development of … high resolution (FT) NMR spectroscopy”

Kurt Wüthrich, Switzerland: NP in Chemistry, 2002“for methodology to determine the 3D structure of bio-molecules by NMR”

Paul C. Lauterbur, USA and Sir Peter Mansfield, UK: NP in Physiology or Medicine, 2003 "for their discoveries concerning magnetic resonance imaging"

27

Преобразование ФурьеПреобразование Фурье

Пр. Фурье

ω Резонансная

Частота

Время, t

Нужны ДОБРОВОЛЬЦЫ !

28

Что показывает ЯМР СигналЧто показывает ЯМР Сигнал

ЯМР Сигнал:Переменное магнитное поле индуцирует электрический ток в катушке

Сильный сигнал:Много материала

Слабый сигнал:Мало материала

Быстро-затухающий сигнал:Сильное взаимодействие со средой(Быстрая релаксация)

Медленно-затухающий сигнал:Слабое взаимодействие со средой(Медленная релаксация)

29

Гармонический Осциллятор: Гармонический Осциллятор:

Возвращающая Сила ~ СмещениеВозвращающая Сила ~ Смещение

2-й Закон Ньютона:

Сила ~ Ускорение

Ө << 1

sin(Ө) ≈ Ө

LӨ

g

g*Ө

Где-же здесьГде-же здесь ““резонансрезонанс”” ?? Lg

ω

Сила ~ − Ө(t) ~ d2Ө(t) / dt2 ~ Ускорение

Ө(t) = Ө0 • cos(ω•t)

МАЯТНИК

30

МРТ Египетских МумийМРТ Египетских Мумий

Внешний вид фараона

восстановлен с помощью МРТ

МРТ изображения могут быть

получены без разрушения мумий.

http://www.flickr.com/photos/rbieber/264518177/http://www.mediadesk.uzh.ch/articles/2007/

durchbruch-in-der-mumienforschung-an-der-universitaet-zuerich_en.html

31

Ядерный Магнетизм и Спиновые СостоянияЯдерный Магнетизм и Спиновые Состояния

Постоянное Магнитное Поле

E −½

Ядра со спином ½ (1H, 15N, 13C, 31P и др.) ведут себя именно так

E +½

Ядерный Магнитный Момент (Spin)

B0

E ~ B0 ~ ω

B0

Резонансная Частота

600 хорошо,а 700 лучше!

32

Сила ~ − Ө(t) ~ d2Ө(t) / dt2 ~ Ускорение

Ө(t) = Ө0 • cos(ω•t)

Ө << 1

sin(Ө) ≈ Ө

LӨ

g

g*Ө

ω Резонансная

Частота

Время, t

Сигнал, Ө(t)

Пр. Фурье

Спектр, I(ω)

Резонансная Частота (Резонансная Частота (ω) ) ↔↔ Свойства Системы ( Свойства Системы (L))

Lg

ω

МАЯТНИК