Ydinmagneettinen resonanssitekniikka

käsite

NMR tarkoittaa, että ytimien ydinmagneettiset momentit eivät ole nolla, ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta ydinspin energiatasot Zeemanin halkaisu (Zeeman Splitting), resonanssiabsorptio fyysiset prosessit tietyn taajuuden RF-säteilystä.

NMR-signaali on suuren joukon ytimien panoksen summa.

stimuloitu emissio ja stimuloitu absorption todennäköisyys samalle henkilölle, lisäksi RF-kentän nettovaikutus populaation vertikaalisen tason eron määräämän luvun siirtymäkohdassa.

kehityshistoria

NMR taiteen historia

1930-luvulla fyysikko Isidor jälkeen Rabi löysi atomiytimiä magneettikentän suunnassa magneettikentässä oli kohdistettu rinnakkain eteenpäin tai taaksepäin järjestyksessä, radioaalto on sovellettu, suunta spin ytimien inversio tapahtuu. Tämä on varhaisin tunnettu ihmisen ydin, jossa on magneettikenttä ja sovellettu RF-kenttävuorovaikutus. Tämän tutkimuksen ansiosta Rabbi voitti fysiikan Nobelin vuonna 1944.

1946 vuotta Bloch ja Purcell kaksi amerikkalaista tiedemiestä havaitsivat, että kun magneettikentässä on pariton määrä nukleonien (mukaan lukien protonit ja neutronit) ytimiä, RF-kentässä käytetään uudelleen tiettyä taajuutta, ilmiö tapahtuu ytimet absorboivat RF-energiakenttää, joka on ihmisten alkuymmärrys ydinmagneettisen resonanssin ilmiöstä. Tästä syystä he molemmat voittivat vuoden 1950 fysiikan Nobelin.

toimii

NMR:n perusperiaate on: ytimellä on spin-liike, jatkuva magneettikenttä, spin-ytimet pyörivät ulkoisen magneettikentän ympäri heilahduksena, jota kutsutaan precessioksi (presessio). Tietty precessiotaajuus, joka on verrannollinen käytettyyn magneettikentän voimakkuuteen. Koska sähkömagneettinen aalto perustuu kiinteään taajuuteen, plus ja säätämällä ulkoisen magneettikentän voimakkuutta, samalla taajuudella olevien sähkömagneettisten aaltojen precessiotaajuus. Tässä precessio ytimet resonanssi sähkömagneettisten aaltojen, kutsutaan ydinmagneettinen resonanssi. Ydinmagneettinen resonanssi, energiaa absorboiva sähkömagneettisten aaltojen ydin, absorptiokäyrä tallennetaan Ydinmagneettinen resonanssispektri (NMR-spektri). Molekyylissä olevien ytimien erilaisena kemiallisena ympäristönä sillä on erilainen resonanssitaajuus, mikä johtaa erilaiseen resonanssispektriin. Tämä spektri voidaan tallentaa ja määrittää atomien lukumäärän suhteellinen asema molekyylissä, joka suorittaa analyysin ja molekyylipainon kvantitatiivisen määrityksen sekä orgaanisten yhdisteiden rakenneanalyysin.

Kohdehaara

NMR Tutkimuskohteita on kaksi päähaaraa: NMR-spektroskopia (ydinmagneettinen resonanssispektroskopia) ja magneettikuvaus < / b> (Magnetic Resonance Imaging, kutsutaan MRI:ksi). NMR-spektroskopia perustuu siirtymäteoreettiseen kemiaan, joka on kehitetty pääasiassa aineen kemiallisen koostumuksen ja molekyylirakenteen määrittämiseen. MRI syntyi vuonna 1973, mikä on tuhoamaton mittaustekniikka, jonka avulla kuvaa voidaan saada useiden aineiden sisäinen konfiguraatio. Koska saatavilla on runsaasti tietoa MRI, joten laaja valikoima sovelluksia, kuten analyyttinen kemia, biotieteet, materiaalien testaus, öljyn etsintä ja vesivarojen etsintä ja niin edelleen.

Kaikessa tässä monisovelluksessa viime vuosien nopeimmin kasvavasta biotieteiden soveltamisesta on tullut NMR-tekniikoiden tutkimuksen painopiste. Mukaan epätäydellisiä tilastoja, 1985-2001 ja julkaisi 602 asiakirjaa "Science" ja MRI liittyvät, 80% biotieteitä.

tutkimus ja siihen liittyvät tulokset

Todettiin sen jälkeen kun magneettiresonanssiilmiö tuotti pian käytännön käyttöä, kemistit Vetyatomin hyödyntäminen ympäröivän magneettikentän molekyylirakenteessa syntyi, kehitettiin NMR-spektroskopia on käytetään analysoimaan molekyylirakennetta ajan mittaan, ydinmagneettisen resonanssispektroskopian teknologian kehitystä, alkuperäisestä yksiulotteisesta vedyn kehityksen spektristä 13C-spektriin, kaksiulotteisen ydinmagneettisen resonanssin spektroskopian ja muun korkean spektrin ydinmagneettisen resonanssin analyyttinen molekyylikapasiteetti Rakenne on myös kasvamassa, 1990-luvulle tulleen ihmiset jopa kehittävät ydinmagneettista resonanssia luottavat tietoihin määrittääkseen proteiinimolekyyliteknologian tertiaarisen rakenteen, mikä mahdollistaa proteiiniliuosvaiheen molekyylirakenteen tarkan määrittämisen.

Toisaalta lääketieteen tutkijat ovat havainneet, että vesimolekyylien vetyatomit voivat olla ydinmagneettinen resonanssiilmiö, jonka avulla voidaan saada tietoa jakaantumaan vesimolekyylien sisällä, jolloin saadaan tarkkoja sisäisiä kehon rakenteita. joka perustuu 1969 Medical Southern New York State University Medical Centeriin Ann 博士达马迪 erottaa teoria mittaamalla NMR-relaksaatioaika onnistuneet syöpäsolut hiirillä, joilla on normaali kudossolujen pinta-ala, uusi Damadian inspiroima teknologiafyysikko Stony Brookissa. New Yorkin osavaltion yliopisto Paul Lauter Burr kehitettiin vuonna 1973 ydinmagneettiseen resonanssiilmiöön perustuvasta kuvantamisesta (MRI), ja hänen laitteensa sovellus kartoittaa onnistuneesti elävät simpukat kuvan sisäisen rakenteen. Laut Burrin jälkeen MRI-teknologia kypsyy, yhä laajemmat sovellukset, on tullut rutiininomaiseksi lääketieteelliseksi testausmenetelmäksi, jota käytetään laajalti Parkinsonin taudissa, multippeliskleroosissa ja muissa aivo- ja selkärangan vaurioissa sekä syövän hoidossa ja diagnosoinnissa. Vuonna 2003 Paul Lauter Burr ja Nottinghamin yliopiston professori Peter Mansfield, koska heidän panoksensa teknisiin näkökohtiin magneettikuvauksen voitti Nobelin fysiologian tai lääketieteen, kun vuonna.

1970-luvun lopulta lähtien, koska tietokone ja NMR teoreettisessa ja teknisessä parantamisessa, NMR sekä leveys, syvyys ovat saavuttaneet huomattavaa kehitystä, siitä on tullut fysiikan, kemian, biologian, lääketieteen ja maatieteen tutkimuksen keskeisiä kokeellisia keinoja.

sovellukset biologisessa tutkimuksessa

H, C, P jne. biofilmin sisältämien ydinmagneettisten spinien ollessa nollasta poikkeava, kun ulkoinen magneettikenttä ja RF-kenttä ovat vuorovaikutuksessa ja kun resonanssiolosuhteet täyttyy, absorboituneen energian rf-kentän siirtymät tapahtuvat spin-tason välillä, mikä on ydinmagneettisen resonanssin (NMR) perusperiaatteet. Koska NMR-tekniikka voi olla vesipitoisen näytteen ainetta rikkomaton mittaus, jolloin havainnointi voidaan suorittaa lähes fysiologisissa olosuhteissa, ja kattava tutkimusbiofilmi H, C ja P voidaan tarjota erityisesti atomin tai ryhmän dynaamisuuden tasolta. molekyylien informaatiorakenne ja liike on tehokas työkalu biofilmin rakenteen tutkimiseen.

Biofilm koostuu pääasiassa proteiineista ja lipideistä, monimutkainen rakenne, fosfolipidiliposomit pystyivät osoittamaan monia ominaisuuksia biofilmin rakenne on ihanteellinen malli biologisten kalvojen. Fosfolipidiliposomit ensisijaisesti geelifaasin ja nestefaasin läsnäololle, faasi, molekyylien paikallinen liike geelissä on hidasta, molekyylien väliset ja molekyylinsisäiset dipolivuorovaikutukset eivät ole tehokkaasti keskiarvoisia, NMR-spektri on erittäin laaja, antaa hyvin vähän tietoa; ja nestekidefaasissa molekyylin liike on rajoitettu paikallisesti vähentynyt, nopeampi liike, niin että NMR-spektri kapea, saadaan korkearesoluutioinen NMR-spektroskopia.

NMR-tekniikoita biofilmien tutkimuksessa käytetään laajalti. H-, C- ja P-NMR-spektreillä voidaan tunnistaa fosfolipidilajeja. Likviditeetti voi fosfolipidikaksoiskerroksen muodostua eri puolilla mitattua aikaa rentoutumisprosessin avulla. Vetymolekyylin eri asentoja valittu deuteroitu fosfolipidi, juoksevuus voidaan tutkia fosfolipidirasva-asyyliketjuja menetelmällä ja kvadrupolijakamalla H P kemiallisen siirtymän anisotropia, konformaatio ja vuorovaikutukset muiden fosfolipidipolaarisen ryhmän molekyylien kanssa (proteiinit, lääkkeet ja metalli-ionit), P-kemiallisen siirtymän anisotropiamenetelmät voivat tutkia fosfolipidien polymorfismia. Viime vuosina NMR-tekniikoiden kehityksen myötä kaksiulotteisia (2D) ja korkearesoluutioisia solid-state-NMR-tekniikoita on käytetty myös biofilmitutkimuksessa, ja niistä on tullut erittäin tärkeä työkalu. Kemiallisen sidoksen muodostaminen käyttämällä korrelaatiospektroskopiaa (esim. COSY jne.) voi olla fosfolipidejä tai fosfolipidi-monikomponenttia sekoitettuna kunkin linjan kotijärjestelmäryhmän muihin molekyyleihin. Korrelaatiospektroskopialla (esim. NOESY jne.) muodostettu tila voi tarjota suoraa tietoa ryhmien välisestä etäisyydestä, lipidikalvorakenteista ja tehokkaista työkaluista vuorovaikutuksen tutkimiseen muiden molekyylien kanssa. Tekniikka ei vain korkean resoluution kiinteän olomuodon nestekidenäyttö fosfolipidien tutkimusta, mutta myös fosfolipidi geeli tilassa.

tietyntyyppiselle magneettisydämelle, millä magneettikentillä voi olla eri suuntaus. Protoneille sillä voi olla kaksi suuntausta, eli yhdensuuntainen ja vastasuuntainen staattisen magneettikentän kanssa, edellinen kuuluu alempaan energiatilaan, joka kuuluu korkeaenergiseen tilaan. Jos lisätään radiotaajuuskenttä kohtisuoraan staattiseen magneettikenttään nähden, kun ytimien radiotaajuuskentän Larmor-taajuus (ydinmagneettiset momentit precessiotaajuuden kentän suunnassa) on yhtä suuri, alemmassa energiatilassa ydin absorboi radiotaajuusenergiaa, siirtyminen korkean energian tilaan. RF-kentän poistamisen jälkeen ytimet korkeaenergiseen tilaan palaavat alemman energian tilan rentoutumisprosessiin, jolloin voidaan havaita NMR-signaali. Rentoutumisprosessi, niitä on kaksi, yksi on spin - hilarelaksaatio, tätä prosessia edustaa Tl; toinen on spin - spin -relaksaatio, jota edustaa T2. T1 on kuvattu spin-järjestelmä siirtää energiansa energiaa absorboivaan ympäristöön, joka on palautettu vakaaseen tilaan, T2 sisäinen energia spinjärjestelmän kytkemisen aikana, ei muutosta spinjärjestelmän kokonaisenergiassa. Molekyylin urheiluun liittyvä rentoutumisaika rentoutumisaikaa mittaamalla, juoksevuutta voidaan tutkia eri biofilmin osissa.

C- ja P-biofilmin kemiallinen siirtymäanisotropia ja sillä on paljon liikettä. Ns. kemiallisen siirtymän anisotropia viittaa staattisen magneettikentän suuntaan, jossa ydin muuttuu, ytimen resonanssitaajuuden (eli kemiallisen siirtymän) muutos tapahtuu, koska I = elektronitiheysjakauma ytimen ympärillä on pallosymmetrinen, joten jos staattisen magneettikentän suunta muuttuu, ydin muuttuu tehollisen tunnistuskentän mukana eri muodoissa, jotka eroavat liikkeestä, jolloin keskimääräisen orientaation kemiallinen siirtymä on erilainen. P voidaan tutkia kemiallisen siirtymän anisotropialla fosfolipidit pleomorfiset; lisäksi olla myös anisotrooppinen fosfolipidimolekyylien I = H 1 (quadrupoli splitting) spektrien ja tasaisesti jakautuneiden avaruudellisen orientaatioinformaation kanssa.

2D NMR:n pääpiste eroaa tavanomaisesta yksiulotteisesta (1D) NMR:stä siinä, että 1D NMR viittaa vain yhteen muuttuvaan taajuuteen, absorptiohuipun intensiteetti piirrettiin muuttuvalla taajuudella; edustaa kahta taajuudesta riippumatonta 2D NMR TECHNIQUES -tekniikkaa, se on kahden piirretyn taajuusmuuttujan absorptiohuippuintensiteetti. 2D NMR-kokeet on yleensä jaettu neljään alueeseen, eli ajanjaksoon ennen kehitysjaksoa (T1), sekoitusvaiheeseen (ei voi) ja detektiojaksoon (t2). Magnetointivektorin valmistelu sopivan alkutilasarjan saavuttamiseksi, jota seuraa magnetointivektorin evoluutio, koherentti siirto tapahtuu spinjärjestelmässä sekoittamisen aikana ja lopuksi signaali havaitaan ilmaisujaksossa. Peräkkäin toistetut syklit t1 kumulatiivinen muutos ja lopuksi tuloksena saadut kaksi Fourier-muunnosdataa: 2D NMR TEKNIIKKA: saamiseksi. 2D NMR TECHNIQUES perustettu voidaan jakaa kemiallisella sidoksella ja kahdella spatiaalisella korrelaatiospektrillä, kahden tyyppiset 2D NMR TECHNIQUES -linjat ovat erittäin tärkeitä kodin kannalta, jotka biofilmit molekyylikonformaatiotutkimukset ovat myös erittäin tehokkaita.

Yhteenvetona ydinmagneettisen resonanssianalyysin soveltaminen biologiseen tutkimukseen pääasiassa seuraavissa asioissa:

• biologisten makromolekyylien kolmiulotteinen määritys liuoksen tilarakenteessa;

• biologisten makromolekyylien analyysi liuostilan molekyylidynamiikassa;

• ja proteiinien vuorovaikutustutkimukset entsyymien ja vastaavien toimintamekanismeja;

• rakenne selvitettiin ja siirrettiin kiinteät kalvoproteiinit ja fibriinin ominaisuudet;

• proteiinikohteista Lääkkeiden seulonta- ja suunnittelupiste;

• biomolekyylin toiminnallinen aktiivisuus fysiologisen ja metabolisen tilan in vivo tutkimus.

NMR-kehitys

NMR-kehitys 2000-luvulla seuraavilla alueilla:

• lisää magneettikentän voimakkuutta magneetit: NMR-spektrometrin odotetaan olevan suurempi kuin 1 GHz 2000-luvulla tulee olemaan, tutkii biologisten makromolekyylien rakennetta suuren läpimurto.

• Kolmiulotteisen ydinmagneettisen resonanssin (3D-NMR) kehittäminen : Biologisten makromolekyylien rakenteen avulla NMR-spektrianalyysissä NMR-tekniikka tarjoaa numeron ja rakenneinformaation monimutkaisuus kasvaa eksponentiaalisesti. Vuorovaikutus makromolekyylien kolmiulotteisen konformaation ja pienten molekyylien (pienet molekyylit tai pienet ja Analyysi) ja vastaavien välillä, kaksiulotteinen NMR (2D-NMR) on tullut voimattomaksi, ja siksi molekyylimallinnuksen kehittämiseen NOE:tä hyödyntäen. molekyylin protonin välinen etäisyystieto, joka on tarkoitettu kolmiulotteisen rakenteen laskemiseen.

• kiinteä NMR ja NMR-kuvaustekniikat : tämä biotiede, biolääketiede ja materiaalitiede ovat ratkaisevan tärkeitä, se on läpimurto molekyylirakenteen piirteet ja dynamiikan tutkimus.