ЯМР с импульсным градиентом магнитного поля

Ме́тод ЯМР с и́мпульсным градие́нтом магни́тного по́ля (ЯМР ИГМП, Pulsed field gradient NMR, PFG NMR) — экспериментальный метод в ЯМР, позволяющий получить непосредственную информацию о перемещениях молекул в пространстве.

Данный метод является модификацией метода ЯМР с постоянным градиентом магнитного поля, который используется для изучения трансляционной подвижности низкомолекулярных соединений с большими коэффициентами самодиффузии. Ограничение по подвижности возникает из-за ограничения по величине постоянного градиента магнитного поля.

В импульсном режиме возможно создание существенно больших по амплитуде значений градиента магнитного поля.

Основы метода

При проведении экспериментов методом ЯМР ИГМП регистрируют потерю фазовой когерентности спинов, происходящую за счет их трансляционных перемещений в сильно неоднородном магнитном поле.

Для получения информации о диффузионных процессах анализируют диффузионное затухание, A($\overrightarrow{q}$,t), — зависимость амплитуды сигнала спинового эхо от параметров градиента магнитного поля $\overrightarrow{q}$ и времени t.

Величина $\overrightarrow{q}$ определяется выражением:

$\overrightarrow{q}$ = (2π)⁻¹γδ$\overrightarrow{g}$,

где γ — гиромагнитное отношение резонирующих ядер, $\overrightarrow{g}$ — амплитуда и δ длительность действия градиента магнитного поля.

Диффузионное затухание может быть представлено динамической корреляционной функцией Ван-Хова:

A($\overrightarrow{q}$,t) = ∫∫ρ(r)P_s(r, r', t)exp(i2πq(r'-r))drdr',

где ρ(r) — начальная плотность сигналов, P_s(r, r', t) — плотность вероятности обнаружения спина при радиус-векторе r' в момент времени t, если в начальный момент времени он находился при r.

Непосредственная связь плотности вероятности P_s(r, r', t) с диффузионным затуханием A($\overrightarrow{q}$,t) открывает широкие возможности данному методу.

Применение

В настоящее время метод ЯМР ИГМП широко используется для исследования трансляционной подвижности различных молекул и ионов. Метод позволяет выполнять прямое измерение коэффициентов диффузии и относительных долей диффундирующего вещества в различных фазах гетерогенных систем. С помощью метода ЯМР ИГМП можно исследовать пространственную структуру и проницаемость пористых сред и биологических клеток.

Недостатки метода

Необходимость использования ядер с большим (от нескольких миллисекунд и более) временем спин-решеточной релаксации, что затрудняет измерение коэффициентов диффузии ионов с ядрами, имеющими квадрупольный магнитный момент (такие как ²³Na, ¹³³Cs). Поэтому в исследованиях в основном применяется ЯМР на ядрах ¹H, ⁷Li, ¹⁹F, имеющих достаточно длительное время спин-спиновой релаксации.