- •Гомельский государственный медицинский университет
- •Лекция 26
- •Время 90 минут
- •Оптические методы исследования и воздействие излучением оптического диапазона на биологические объекты. Элементы физики атомов и молекул.
- •1 Минута Введение
- •Вопрос 1. 9 минут Теоретические основы устройства и работы оптического квантового генератора (лазера).
- •Вопрос 2. 5 минут. Классификация лазеров.
- •Вопрос 3. 5 минут. Гелий-неоновый лазер.
- •Вопрос 4. 5 минут. Рубиновый лазер.
- •Вопрос 5. 5 минут. Молекулярный лазер на двуокиси углерода (co2-лазер).
- •Вопрос 6. 9 минут.
- •Вопрос 7. 9 минут.
- •Вопрос 8. 9 минут. Безопасность при эксплуатации лазерных установок.
- •Вопрос 9. 13 минут. Свободные радикалы в биологических системах. Основные типы, физико-химические свойства и методы обнаружения свободных радикадов
- •Вопрос 10. 5 минут. Электронный парамагнитный резонанс (эпр). Применение эпр-спектроскопии в биологии и медицине
- •Вопрос 11. 5 минут. Ядерный магнитный резонанс (ямр) и его медико-биолгические применения
- •Вопрос 12. 5 минут.
- •Ответы на вопросы
Вопрос 11. 5 минут. Ядерный магнитный резонанс (ямр) и его медико-биолгические применения
Ядерным магнитным резонансом (ЯМР) называют избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.
ЯМР наблюдается при выполнении условия (для свободных атомных ядер):
h = gя я В,
где gя - ядерный множитель Ланде, я - ядерный магнетон Бора.
ЯМР представляет собой весьма чувствительный метод; в ходе измерений образец не разрушается, а необходимые его количества очень малы. С помощью ЯМР исследуют самые разные процессы и определяют самые разные величины, например:
- кинетику роста кристаллов в растворах или, напротив, кинетику их растворения;
- процессы полимеризации, например, синтетических смол;
- процессы гидратации и дегидратации, определение содержания воды в различных веществах при данных условиях;
- определение содержания свободных радикалов (кинетика горения, анализ выхлопных газов);
- исследование вязкости смазочных материалов.
Этот метод применяется при контроле за пищевыми продуктами (определение содержания воды в продуктах, отношения содержания твердых ингредиентов к жидким в жирах и маргаринах, содержания ненасыщенных компонентов в жирах, установление причин порчи продуктов и поиски новых консервантов).
С его помощью исследуют структурированность внутриклеточной воды (в раковых клетках она меньше, чем в нормальных), пытаясь создать на этой основе эффективные методы диагностики определенных заболеваний. ЯМР применяют для определения содержания масла в зернах масличных культур (анализ, не разрушающий образцы), что позволяет отбирать лучшие зерна и увеличивает рентабельность производства масла. Этот метод находит применение при стереохимических исследованиях, помогая установить механизм некоторых реакций.
ЭПР и ЯМР.
При помещении атома в магнитное поле каждый его энергетический уровень расщепляется на (2I + 1) подуровней.
Расщепление энергетических уровней приводит и к расщеплению спектральных линий атомов, помещенных в магнитное поле. Это явление называют эффектом Зеемана.
У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Но такие переходы могут осуществляться индуцированно под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой кванта, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом наблюдается 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). ЭПР был открыт в 1944 году Е.К.Забойским. Он имеет место в вещества, содержащих парамагнитные частицы: молекулы, атомы, ионы, радикалы, обладающие магнитным моментом, обусловленным электронами. Возникающее при этом явление Зеемана объясняют расщеплением электронных уровней.
ЯМР был открыт в 1946 году Блохом и Парселом. Так как величина магнитного момента ядер приблизительно в тысячу раз меньше моментов электронных оболочек, то и частоты, отвечающие ядерному резонансу, будут в тысячу раз меньше по сравнению с частотами ЭПР.
Б Н
При помощи ЯМР можно изучать строение молекул, их конформацию, распределение электронной плотности, слабые межмолекулярные взаимодействия (комплексообразование, сольватация, водородные связи), заторможенное внутреннее вращение, таутомерное равновесие, а иногда и кинетику реакций. Обычно снимают спектры жидкостей или растворов, иногда газов.
Спектрометр ЯМР (ЭПР). В зазор между полюсами электромагнита, создающего однородное постоянное поле высокой напряженности, помещают ампулу с образцом. Ампула окружена катушкой, в которую пропущен переменный ток для создания радиочастотного электромагнитного поля. Далее теоретически безразлично, будем ли мы плавно изменять частоту этого электромагнитного поля , оставляя постоянной напряженность магнитного поля Ho, либо, напротив, изменять Ho при постоянной . Имеются приборы, основанные на обоих принципах. Если изменяют Ho, то при некотором значении Ho происходит поглощение энергии образцом, причем сила тока в катушке падает. Это изменение усиливается и передается на самописец или осциллограф.
А
- ампула с
образцом
М
- магнит
Г
- генератор
У
- усилитель
О
- осциллограф
С
- самописец
О
М
М
С
Применения ЭПР - обнаружение и исследование свободных радикалов (например, концентрацию их в воздушной среде), для изучения фотохимических процессов (фотосинтеза), для изучения биологических молекул методом спин-меток и др.