Published in: الفيزياء

الرنين المغناطيسي النووي – ما هي أسسه وأهمُّ تطبيقاته؟

Author د. هالة وتار

Published on: 5 أكتوبر، 2023

د. هالة وتار

تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

ما هو الرنين المغناطيسي النووي؟

الرنين المغناطيسي النووي (Nuclear magnetic resonance (NMR))، وهو ظاهرةٌ يتمُّ خلالها امتصاص النوى الموضوعة ضمن مجالٍ مغناطيسيٍّ شديد، لطاقات الأمواج الراديوية.

1- الرنين: رصد ظاهرة الرنين (التجاوب) للأنوية بتطبيق مجالٍ مغناطيسي.

2- مغناطيسي: التحكُّم في الحركات النووية عن طريق المجالات المغناطيسية المُطبقة.

3- نووي: تسجيل ظاهرة الرنين المغناطيسي في نُوى الذرات.

تاريخ الرنين المغناطيسي النووي

– في عام 1933 تمَّ تسجيل العزوم المغناطيسية النووية، والمعروفة بالسبين النووي من خلال مراقبة انحراف شعاع ذرة الهيدروجين.

– في عام 1946 لاحظ بلوخ وبورسيل ظاهرة الرنين المغناطيسي النووي لأول مرة، واختبرت في السوائل والمواد الصلبة.

– في عام 1955 طور جهاز مطيافية الرنين المغناطيسي النووي لدراسة عمليات التمثيل الغذائي.

– في عام 1980 بدأ تطبيق التصوير بالرنين المغناطيسي النووي على مرضى الأورام.

– في عام 2002 طُوّر جهاز مطيافية الرنين المغناطيسي النووي لاستخدامه في التحليل الكيميائي، ولاسيما تحليل بنية البوليميرات البيولوجية. ^{[1] [2]}

ما هي أسس الرنين المغناطيسي النووي؟

تتكون النواة من بروتونات ونيترونات، ولكل بروتون أو نيترون عزمٌ زاويٌّ مداريٌّ ناتجٌ عن الحركة المدارية داخل النواة، بالإضافة إلى عزمٍ سبيني ناتج عن دوران البروتون أو النيوترون حول محوره الذاتي الذي يمرُّ بمركز ثقلهما (الحركة المِغزلية). تمتلك النوى عزوماً مغناطيسيةً ناتجةً من العزوم الزاوية الناتجة عن حركة البروتونات داخل النواة، وتلك الحركة التي تولد الجزء المداري من العزم المغناطيسي، وأيضاً من العزوم السبينية (الذاتية) المغناطيسية للبروتون والنيترون.

ما هي أهمُّ الأسس التي استندت عليها فيزياء الرنين المغناطيسي النووي؟

1- تنتج ظاهرة الرنين المغناطيسي النووي في نوى الذرات التي تمتلك عدداً فردياً من البروتونات أو النيوترونات، ونظراً لامتلاك تلك النوى عزماً زاوياً وعزماً مغناطيسياً سبينياً، وأكثر الأنوية المستخدمة في هذه التقنيات هي نواة ذرة الهيدروجين، والتي تحتوي على بروتونٍ واحد.

2- الحركة المِغزلية للبروتون تجعله كمغناطيسٍ له قطبان شمالي وجنوبي.

3- عند وضع نوى هذه العناصر بين قطبي مجالٍ مغناطيسي خارجي قوي، تكتسب البروتونات حركةً دورانيةً (حركةً مِغزليةً)، ولهذه الحركة تردّدٌ معينٌ يختلف باختلاف قوة المجال المغناطيسي الخارجي المُطبق، وينتج عن ذلك انفصالٌ في سويات الطاقة الخاصة بالحركة المغزلية لهذه النوى، إلى مستويين طاقيين:

– مستوى طاقي منخفض حيث يكون اتجاه العزم المغناطيسي الناشئ عن الحركة المِغزلية نفس اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي.

– مستوى طاقي مرتفع حيث يكون اتجاه العزم المغناطيسي الناشئ عن الحركة المِغزلية معاكساً لاتجاه المجال المغناطيسي الخارجي.

4- بما أن الحالة ذات المستوى الطاقي المنخفض أكثر ثباتاً، لذلك يجب إثارة النوى، وذلك بتطبيق أمواجٍ راديويةٍ بتردداتٍ مختلفة، فعندما تمتصُّ أنوية الذرات طاقات الأمواج الراديوية تثار النوى إلى سويةٍ طاقية أعلى، وينتج عن ذلك تغير في الحركة المغزلية للنواة، وعندما يتوافق التردد الراديوي المُطبق مع تردد المغناطيس النووي المتحرك، وينتج ما يُسمّى الامتصاص الانتقائي (رنين)، وتفقد النوى غير المستقرة طاقتها، وتعود إلى وضع الاتزان، وتُدعى هذه العملية (الاسترخاء). إشارة الرنين هي الخسارة في الطاقة.

5- قياس الطاقة المُنبعثة ضمن الجهاز، وتسجيل إشارات الرنين، وبمعالجة الإشارات بالحاسوب يتمُّ تحويلها إلى صور، وهذا ما يُدعى بمطيافية الرنين المغناطيسي النووي. ^[3]

ما هي مطيافية الرنين المغناطيسي النووي؟

تستند أسس مطيافية الرنين المغناطيسي النووي على دراسة تفاعل الإشعاع الكهرطيسي مع المادة، حيث تستخدم خصائص الرنين لبعض النوى الذرية لدراسة خصائص المادة الكيميائية، والبيولوجية، والفيزيائية. يجب أن تحتوي المواد التي يمكن تحليلها بواسطة مطيافية الرنين المغناطيسي النووي على عناصر ذات خصائص مغناطيسية، مثل:

الهيدروجين -1، والكربون -13، والفلور -9، والتي تحتوي نوى ذراتها على عددٍ فرديٍّ من البروتونات أو النيوترونات. بينما النوى التي تمتلك عدداً زوجياً من البروتونات والنيوترونات، مثل: الأوكسجين – 16، والكربون -12، فليس لها طيوف مغناطيسية نووية. ^[2]

ما هي أهم تطبيقاته؟

1- يُستخدم في الكيمياء الحيوية للتحقُّق من خصائص الجزيئات العضوية.

2- في تحليل المواد كيميائياً، والكشف عن الشوائب.

3- لمعرفة مكونات مادةٍ ما.

4- من أهمّ تطبيقاته هو التصوير بالرنين المغناطيسي لتشخيص أورام الدماغ.

5- لدراسة تفاعلات الجزيئات مع بعضها.

6- لتعيين بنية الجزيئات البسيطة، والجزيئات ذات البنية المعقدة، مثل: جزيئات الحمض النووي DNA.

7- دراسة ظاهرة الانتشار في المحاليل، والمواد الصلبة. ^[1]