Ядерный магнитный резонанс

ЯМР – избирательное поглощение веществом электромагнитного излучения, обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер, находящихся в постоянном магнитном поле. На явлении ЯМР основан метод изучения структуры и молекулярного движения в различных веществах, в т.ч. в биологических объектах.

Ядра атомов большинства химических элементов (за исключением ядер с четным числом протонов и нейтронов) обладают так называемым спином, т.е. моментом количества движения и обусловленным им постоянным магнитным моментом. При помещении в постоянное магнитное поле магнитный момент системы ядер, подобно вращающемуся волчку, выведенному из вертикального положения, движется по поверхности конуса вращения вокруг оси направления поля (прецессионное движение). Воздействие внешнего переменного электромагнитного излучения с данной частотой на ядра, находящиеся в постоянном магнитном поле, приводит к избирательному (резонансному) поглощению энергии электромагнитного излучения и появлению сигнала ЯМР. Разным ядрам соответствуют различные частоты резонанса. Для изучения биологических систем обычно используют ЯМР ядер водорода — протонов (протонный магнитный резонанс) и дейтерия углерода и др.

Применение ЯМР для исследований структур основано на том, что помимо внешнего магнитного поля на ядро в веществе действуют различные внутренние поля. Они приводят к сдвигу частоты резонанса, расщеплению на несколько или множество резонансных линий, т.е. к образованию спектра ЯМР, к изменению формы линий, времени релаксации. Изучение спектров ЯМР позволяет сделать вывод о химической и пространственной структуре различных веществ без проведения химического анализа.

UNIT 33 Scanning Tunnelling Microscopy

A quantum mechanical wave has a finite probability of tunnelling through an energy barrier even though this obstacle has a height that exceeds that of the wave's energy. In practice, however, the barrier width must be of near-atomic dimensions if the tunnelling current is to be measurable. In the early experimental demonstrations of quantum mechanical tunnelling, by Ivar Giaever around 1960, the barrier was typically a very thin layer of (insulating) oxide, on a metal surface, the sandwich being completed by a thin metallic film positioned on top of the oxide by vapour deposition. In the scanning tunnelling microscope (STM), invented by Gerd Binnig and Heinrich Rohrer, the barrier is simply empty space. This does not mean that the microscope can function only in high vacuum. On the contrary, because the two electrical conductors are separated by a distance comparable to an atomic diameter, there is simply not enough room for unwanted atoms to enter the space between those conductors. So whereas electron microscopes require the specimen to be in a vacuum, this is not the case with the scanning tunnelling microscope. It is even the case that biological surfaces can be studied while they are still in their natural element, that is to say surrounded by water.

The principle of operation is remarkably simple. A very sharp electrically-conducting tip is brought into such close proximity with the specimen that a tunnelling current is produced. The strength of this current is extremely sensitive to the distance of the tip to the specimen, so if it is arranged for the sharp probing tip to be moved in such a way that the tunnelling current is constant, its motions will in effect map out the contours of the specimen surface at atomic resolution. This obviously requires that the tip can be moved in a controlled fashion with atomic-level precision, and that can be done by exploiting the piezoelectric effect, in which the physical dimensions of a suitable crystal are changed by varying the voltage applied across its opposing faces. This type of adjustment is used to control the position of the tip in the two dimensions lying in the plane of the specimen surface, and also the dimension normal to that surface.