Выступление в научном кафе "Эврика" 17 сентября 2013 г. Арт-клуб НИИ КуДА, новосибирский Академгородок.

1. Ядерный Магнитный Резонанс (ЯМР):Ядерный Магнитный Резонанс (ЯМР):
РазговорРазговор начначаастотустоту сс некоторыминекоторыми Атомными ЯдрамиАтомными Ядрами
Что такое “резонанс”?
В каких случаях он "ядерный" и "магнитный" ?
И какая от ЯМР польза?
Сергей Смирнов,
Western Washington University, Bellingham, USA

2. 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, 1952
За развитие … методов точных ядерных магнитных измерений
Ричард Эрнст (Richard R. Ernst): Химия, 1991
За вклад в развитие ЯМР высокого разрешения
Курт Вютрих (Kurt Wüthrich): Химия, 2002
За 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. 3
РезонансРезонанс: индуцированные синхронизированные Колебания: индуцированные синхронизированные Колебания
Резонанс с ветром разрушает мост
Электромеханический осциллятор
Николы Тесла
Что с чем резонируетЧто с чем резонирует ??
Чем отличается звукиЧем отличается звуки самой тонкой струнысамой тонкой струны
(1-й) от звуков самой толстой (6-й)(1-й) от звуков самой толстой (6-й) ??

4. 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. 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 ωω ~ B0 ))
Постоянное
МагнитноеПоле
B0
ω
В основе эффекта ЯМР лежит взаимодействие
ядерного магнитного момента (спина) с магнитным полем.

6. 6
ЯМР ЭкспериментЯМР Эксперимент
Равновесие РЧ Возбуждение
E−½
E+½
E−½
E+½
РЧB0
B0
ЯМР Спектр
ω
Время
ЯМР Сигнал
Частота
ЯМР Сигнал:
Переменное магнитное поле индуцирует электрический ток в катушке

7. 7
1
H ЯМР спектр
8 6 4 2 0 ppm
Hα
Hβ
Hδ
Hε
Cα
C
O
N
H
Cγ
Hα
Cδ1
Cζ
OH
Cβ
Hβ3
Hβ2
Hδ1 Hδ2
Hε1 Hε2
Cδ2
Cε2
Cε2
Hβ3
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. 8
Какая от ЯМРКакая 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. 9
Определение химической структурыОпределение химической структуры
ценныхценных био-активных веществбио-активных веществ
1
H ЯМР спектр CH3CH2OH
http://www.muhlenberg.edu/depts/chemistry/chem201woh/1hethanol.html

10. 10
ЯМРЯМР полезных напитковполезных напитков
http://www.rsc.org/chemistryworld/News/2010/May/27051001.aspОднажды российские и американские
учёные предложили....
"Мы пойдём другим путём!",
воскликнули французские учёные

11. 11
Интенсивность сигналов показывает уровень метаболитов пациента.
МетаболомикаМетаболомика:: Анализ химических преобразований
ключевых компонентов метаболизма.
Метаболомный 1
H ЯМР (700 МГц) анализ мочи здорового человека,
все важные сигналы обозначены.
http://physiolgenomics.physiology.org/content/29/2/99.full

12. 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. 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. 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-Резонанснаяя ТомографияТомография:: ωω ~ 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 ωω ~ B0 ))

15. 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-частотная
Катушка
Градиентные катушки
Магнит
Сканер 1
H2O
Почему детектируем сигнал только от одного вида молекул (H2O)?
Почему бы не снять сигнал и с белков/жиров/углеводов одновременно с водой?

16. 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://www.radiologyinfo.ca/default.aspx?page=50&lang=en-us
1
H2O

17. 17
http://www.mobclinic.ru/peredvizhnoy-magnitno-rezonansnyy-tomograf.html
Мобильная Магнитно-Резонансная ТомографияМобильная Магнитно-Резонансная Томография

18. 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. 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. 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. 21
Спасибо!Спасибо!

22. 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. 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://www.radiologyinfo.ca/default.aspx?page=50&lang=en-us
ПочемуПочему этоэто
чёрноечёрное ??
1
H2O

24. 24
http://tywkiwdbi.blogspot.com/2012/02/mri-stand-for-magnetic-resonance.html
С некоторыми видами татуировок
в МРТ - ни ногой! ©
Но почему?

25. 25
““МетаболомикаМетаболомика” полезных напитков” полезных напитков
"Мы пойдём другим путём!",
сказали французские учёные
Почему нет ЯМР датчика
для мониторинга коньяков в
бутылках?

26. 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. 27
Преобразование ФурьеПреобразование Фурье
Пр. Фурье
ω
Резонансная
Частота
Время, t
Нужны ДОБРОВОЛЬЦЫ !

28. 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. 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”” ?? L
g
ω =
Сила ~ − Ө(t) ~ d2
Ө(t) / dt2
~ Ускорение
Ө(t) = Ө0 • cos(ω•t)
МАЯТНИК

30. 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. 31
Ядерный Магнетизм и Спиновые СостоянияЯдерный Магнетизм и Спиновые Состояния
Постоянное
Магнитное Поле
E−½
Ядра со спином ½ (1
H, 15
N, 13
C, 31
P 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. 32
Сила ~ − Ө(t) ~ d2
Ө(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))
L
g
ω =
МАЯТНИК