Kako izmjeriti sustav bez da ga se dotakne: magnetska rezonanca

Magnetska rezonanca našla je primjenu u medicini, kemiji, kvantnom računarstvu i mnogim drugim područjima. To je omogućilo radiolozima da zaviru u ljudsko tijelo kako bi im pomoglo u dijagnostici bolesti poput raka i mentalnih bolesti, a kemičarima je pomoglo da odrede 3D strukture složenih molekula poput proteina i lipida. Ali što je točno magnetska rezonanca? Kako radi? Drugim riječima, kako nam magneti daju detaljne informacije o nečemu, a da ih zapravo ne dodirujemo?

Uvećavanje

Ako zumiramo u subatomski svijet, primijetit ćemo da su čestice obično nabijene. Na primjer, protoni imaju naboj +1, elektroni imaju -1 naboj, muoni imaju -1 naboj itd. Nadalje, čestice imaju spin kvantni broj - oblik kutnog zamaha za čestice. Ovo nije spin koji smo upoznati u svakodnevnom životu, poput vrtnje košarke, već apstraktni opis koji se koristi u kvantnoj mehanici. Korisno je vizualizirati čestice kao predmete koji se vrte, no važno je napomenuti da ovo nije najtačniji opis. Međutim, za potrebe ovog pregleda možemo smatrati čestice kao da se zapravo vrte.

Spin kvantni broj može imati i pozitivne i negativne frakcijske vrijednosti. Radi pojednostavljenja, naboj na centrifugi govori u kojem se smjeru čestica vrti.

Dakle, sada imamo nabijenu česticu koja se vrti. Zašto je to relevantno? Pa, prema elektromagnetizmu (grana fizike koja se bavi magnetskim poljem, električnim poljem i svjetlošću) svako pomično ili mijenjanje električnog polja stvara magnetsko polje. U slučaju naše nabijene, vrteće se čestice, ona proizvodi vlastito magnetsko polje i zato ima magnetski trenutak! Stoga ovu česticu možemo smatrati stvarno malom šipkom.

U slučaju protona koji kao okret +1/2 i +1 nabija, on stvara magnetski trenutak od oko 1,4 x 10 ^ -26 J / T, izuzetno malene vrijednosti. Kao pojedinačna čestica ta je vrijednost zanemariva. Dakle, trebamo razmotriti cijeli sustav spinova (napomena: u MR terminologiji, "spinovi" su sinonim za "čestice").

MR eksperiment možemo pojednostaviti u tri koraka:

  1. Polarizacija
  2. uzbuđenost
  3. Opuštanje

Polarizacija

U nesmetanom uzorku svi magnetski momenti okreta bit će usmjereni u nasumičnim smjerovima, tako da ne postoji neto magnetski trenutak. Međutim, primijenimo li vanjsko, snažno magnetsko polje, nazvano B0, centrifuge će se poravnati bilo paralelno ili antiparalno s poljem. U slučaju protona, paralelni smjer je nešto niže energije od antiparalelnog smjera, tako da lagani višak protona orijentira sa poljem. To stvara mali ukupni magnetski trenutak ili skupno magnetiziranje uzorka u smjeru polja. Drugim riječima, ako uđete unutar snažnog magneta, imat ćete vlastitu magnetizaciju.

U magnetskoj rezonanci svi magnetski momenti zavrtanja se isključuju osim malog viška u paralelnom smjeru. Dakle, sve što se otkrije je od onog malog viška. Taj proces nazivamo pomoću kojeg se spinovi poravnavaju s magnetskim poljem kao polarizacija.

Jednom kad se nađe u vanjskom polju, zavrti se na nečem prilično izvanrednom: predoblikuje. Sjećate se posljednjeg kadra u Inceptionu? Treskanje vrha slično je vrtilu u magnetskom polju. Umjesto da ostanemo poravnati i stacionarno, centrifuga "luta" oko fluksnih linija magnetskog polja.

Ta se precesija događa vrlo specifičnom frekvencijom koja ovisi o jačini magnetskog polja, poznatom kao Larmor-ova frekvencija. Frekvencija Larmora ovisi i o giromagnetskom omjeru (ustima, znam) specifičnog vrtnje. Na primjer, proton, koji ima giromagnetski omjer oko 43 MHz / T, precesira brže od jezgre ugljik-13, koji ima omjer 11 MHz / T, pri istoj jakosti polja.

uzbuđenost

Zamislite da nekoga gurate na set za ljuljanje. Ako odgodite vrijeme, oni ne dobivaju puno visine, bez obzira na to koliko ste gurnuti. Ali, ako je svaki vaš pritisak na vrijeme, osoba može vrlo brzo steći visinu. Ako gurate u pravom trenutku, mogli bi se reći da ste u rezonanciji sa sustavom (magnetska rezonanca ... hmm, počinje se okupljati). Isto možemo učiniti sa okretima u magnetskom polju!

Kao osvježenje, okrećemo se u precjepljenju u vanjskom magnetskom polju i postoji velika magnetizacija u smjeru polja. Ako primijenimo okomito polje koje oscilira na istoj frekvenciji kao i Larmor-ova frekvencija, tada možemo „gurnuti“ spinove. U biti se primjenjuje perpendikularni radiofrekventni impuls, poznat kao B1 polje.

Ovaj proces guranja okretaja u okomitu XY ravninu poznat je kao pobuda. Ovisno o jačini polja B1 i koliko dugo pulsira, okretaji se mogu okretati pod bilo kojim kutom. Obično MR eksperimenti uključuju 90˚ B1 impulse kako bi se maksimizirala količina signala u ravnini XY.

Opuštanje

Okretanje u ravnini XY vrlo je nestabilno. Zamislite analogiju ljuljačke. Nakon što nekoga gurne visoko, ljuljaška se želi vratiti u ravnotežu, gdje je ljuljačka nepomična. Teško mi je vjerovati da će netko nastaviti dosezati istu visinu, a da ih nitko ne gura. U slučaju naših okretanja, oni će težiti svojim izvornim polarizacijama. Kad se nalazite u ravnini XY, vrti su visoko energični. Dakle, da bi se vratili u ravnotežu, oni moraju osloboditi tu energiju. To se oslobađa u obliku radija koji nosi istu frekvenciju kao i Larmor-ova frekvencija centrifuge. Kako spin oslobađa tu radiofrekvenciju, ona se vraća natrag u prvobitno stanje kroz proces poznat kao opuštanje. Postoje dva glavna oblika opuštanja: T1 (spin-rešetka) i T2 (spin-spin) opuštanje.

T1 opuštanje je proces kojim se skupno namagnetiziranje vraća na prvobitnu maksimalnu vrijednost. Zamislite to kao povećanje magnetizacije u z-osi. T2 opuštanje je proces kojim poprečna magnetizacija propada. Može se zamisliti kao gubitak magnetizacije u ravnini XY.

Budući da su signali osjetljivi samo u ravnini XY, ova dva procesa opuštanja stvaraju eksponencijalno propadajući signal poznat kao slobodni indukcijski raspad (FID).

To je signal koji je otkriven u pokusima MR.

Prijave

Tako se dobiva signal magnetske rezonance. Ali što se zapravo može učiniti s tim? U nastavku se razmatraju dvije primjene: magnetska rezonanca (MRI) i nuklearna magnetska rezonancija (NMR spektroskopija).

MR

Pokretačka snaga za snimanje na temelju MR pojavila se sredinom 1970-ih otkrićem da su različita tkiva imala različita vremena relaksacije T1 i T2. Stoga se tkiva mogu karakterizirati na temelju veličine MR signala nakon određenog vremenskog razdoblja. Da bi se maksimizirao signal u MRI, koriste se vodikove jezgre (protoni) u molekulama vode, jer su one najosjetljivije na MR osjetljive.

Postoje dvije glavne vrste MRI skeniranja: T1 i T2 prilagođene, što odgovara dvije različite vrste opuštanja. U oba slučaja, kriška tkiva pobudi se radiofrekvencijskim impulsom. Zatim se nakon nekog vremena odgode mjeri signal. Jačina tadašnjeg signala odgovara tome koliko svijetlo to područje treba biti na slici. U M1-ponderiranom MRI-ju signal se s vremenom eksponencijalno povećava. U T2 skandiranim skenovima signal se eksponencijalno smanjuje s vremenom. Način na koji se tkiva diferenciraju razlikuje se brzinom kojom se T1 ili T2 pojavljuju jer oni rezultiraju različitim veličinama signala u zadanom vremenskom kašnjenju.

Ovisno o težini slike, od iste kriške tkiva mogu se proizvesti dramatično različite slike!

Mnogo drugih ponderiranja prelaze T1 i T2 i mogu stvoriti slike osjetljive na samo specifična tkiva, a ignoriraju druge. To MRI čini snažnim medicinskim alatom za obradu slika, posebno uzimajući u obzir da koristi samo radio i magnetska polja bez opasnog ionizirajućeg zračenja.

NMR spektroskopija

NMR je izvorno razvijen kao alat za kemijsku analizu u kasnim četrdesetim i ranim pedesetima. U NMR spektroskopiji uzorci se analiziraju u odnosu na frekvencije koje ih čine. Sjećate se kako je Larmorova frekvencija ovisila o jakom magnetskom polju? Razumno je pretpostaviti da će, budući da je vanjsko magnetsko polje konstantno, sve frekvencije Larmora u uzorku biti iste. Međutim, to nije slučaj. Ako pogledamo molekulu, uočavamo da su jezgre okružene oblacima elektrona. Elektroni, koji imaju negativan i visok giromagnetski omjer, imaju tendenciju da se usmjere antiparalno u odnosu na primijenjeno B0 polje. Ti elektroni svojim suprotnim magnetskim momentima smanjuju lokalno magnetsko polje za obližnje jezgre. Time se smanjuju Larmor-ove frekvencije za te jezgre. To je poznato kao zaštita elektrona.

Stoga će za određenu molekulu s više MR aktivnih jezgara imati više Larmor-ovih frekvencija. Ove frekvencije mogu se analizirati da bi se utvrdila struktura molekule i sastav uzorka.

Različite frekvencije su zbrajane da formiraju slobodni signal propadanja indukcije koji smo primili u NMR eksperimentu. Taj signal vremenske domene možemo „razgraditi“ u sve frekvencije koje se sastoje od matematičke tehnike koja se naziva Fourierova transformacija. Ovo stvara spektar frekvencijske domene.

Ovdje svaki vrh spektra odgovara specifičnom magnetskom okruženju za MR aktivno jezgro po izboru. Na primjer, razmotrite H-NMR spektar za etanol:

Pa što?

Naravno, MR je zanimljiv. Ali koju vrijednost zapravo može dodati? Evo izmjenjivača igara: magnetska rezonanca omogućuje nam analizu i interakciju sa sustavom bez da na bilo koji način utječemo na njegov fizički sastav, strukturu i svojstva.

Zamislite da ste upravo otkrili način da modificirate protein kako biste pomogli izliječenju Alzheimerove bolesti. Zvuči prilično sjajno, zar ne? Poteškoća je u tome što morate znati koja je izvorna struktura i sastav proteina, kako ga je najbolje modificirati i kako potvrditi da je ono što ste modificirali ispravno. Kako to učiniti bez da izravno utječete na strukturni integritet ili molekularnu šminku proteina? Pa, u svakom koraku možete koristiti NMR spektroskopiju! Ovo je zapravo cijelo samo polje koje se naziva (predvidljivo) protein NMR spektroskopijom.

Ili, što ako želite koristiti jezgre u molekuli kao osnovu za kubite u kvantnom računalu? Čini se kao intuitivan pristup, posebno imajući u vidu koliko je lako skalirati. Da biste to učinili, morate osigurati da se kvantna svojstva sustava održavaju i da kbiti nisu fizički ugroženi. Zvuči kao dobar slučaj za NMR! Ne iznenađuje da se to naziva kvantno računanje NMR-a.

Jedna od najboljih i najpoznatijih primjena MR je MRI. Sumnjam da ću u tako kratkom paragrafu moći pravdati tehnologiji, ali ipak smatram sljedeće. Zamislite da imate problema sa svojim vidom. Otkrijete da su predmeti zamućeni i počinjete razvijati opću zbrku. Vaš liječnik preporučuje CT pretragu, ali ne vidi se tumor ili cerebralni edem (oteklina u mozgu). Budući da su vam u jednom skeniranju primili dozu od preko 500 rendgenskih snimaka prsa, vaš liječnik oklijeva primijeniti daljnje opasne mjere. No, on se sjeća da u MRI-u može koristiti različite ponderiranja za slikanje različitih tkiva i mjerenje moždane funkcije! Dakle, napravi nekoliko skeniranja i nakon analize slike angiografije magnetske rezonancije (koristi se za dobivanje slike svih krvnih žila u regiji) utvrdi da imate nakupljanje plaka u okcipitalnom režnju. Daje vam razrjeđivač krvi, a vi postajete zdravi ni u kojem trenutku.

U osnovi, kad god imate osjetljiv sustav s kojim želite raditi, a da pritom ne uzrokujete nikakve promjene, magnetska rezonanca je vaš najbolji alat.

Ključni odvodi

Magnetska rezonanca moćan je alat koji nam može dati korisne informacije o sustavu koristeći samo radio impulse i vanjski magnet. To nam omogućuje razumijevanje sustava bez da ga kompromitiramo na bilo koji način. Za ponovni izračun:

  • MR aktivne čestice se napune i imaju ne-nulto kvantni spin broj. Zbog toga se ponašaju poput sićušnih traka.
  • Osnovni MR eksperiment uključuje polarizacijske čestice s magnetskim poljem, uzbuđenje pomoću radiofrekventnih impulsa i relaksaciju T1 i T2.
  • MRI i NMR neke su od najpoznatijih i najkorisnijih primjena magnetske rezonancije i nastavljaju se svakodnevno koristiti.

Nismo se približili onome što možemo učiniti magnetskom rezonancom. Do sada se koristi kao više analitički alat. No nedavno je, MR pronašao slučajeve upotrebe u rastućim područjima poput kvantnog računanja i bežičnog punjenja.

Sa takvim potencijalom da narušimo velike industrije, tko zna kako ćemo ga koristiti niz put?