В даний час найбільш унікальним і інформативним методом вивчення структури і властивостей речовин є метод ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Суть методу полягає в явище резонансного поглинання ядрами з спіном 1 / 2, що знаходяться в магнітному полі Але (спінової системою), енергії радіочастотного поля Н1, з подальшим вивільненням цієї енергії після припинення дії поля Н1.
Перебуваючи у полі Але спінова система створює макроскопічну намагніченість М спрямовану вздовж цього поля. Якщо вплинувши на таку систему зовнішнім змінним магнітним полем Н1, перпендикулярним полю Але, то макроскопічна намагніченість буде повертатися навколо поля Н1. Якщо за час дії поля Н1 М повертається на 90 градусів, то такий імпульс називається 90 градусним, якщо поворот здійснюється на 180 градусів-це 180 градусний імпульс. Після припинення дії поля Н1 спінова система виявляється в нерівноважному стані. Відновлення до рівноважного стану характеризуються процесами релаксації, з характеристичними часом Т1-часом спін-граткової (поздовжньої) релаксації, Т2-часом спін-спінової (поперечної) релаксації.
Побудова спектрометрів ЯМР таке, що в них реєструється сигнал наведений у приймально-передавальної котушці, вісь якої перпендикулярна полю Але, компонентою макроскопічної намагніченості моху, що лежить в площині ху, перпендикулярної полю Але. Інтенсивність А цього сигналу пропорційна величині моху. Після 90 градусного імпульсу величина А, в процесі релаксації, змінюється від максимального значення до нуля. Це технологія називається спадом вільної індукції (CIS).
Для вимірювання часу спін-спінової релаксації Хан запропонував на спінову систему впливати імпульсної послідовністю 90-t-180 (послідовність Хана). У момент часу 2t після початку 90 градусного імпульсу формується, так зване, спінове луна (рис.1).
Малюнок 1.
Залежність амплітуди спінового відлуння від інтервалу t в послідовності Хана описується виразом:
А (t) = AО exp (-2t/T2) (1)
AО - початкова амплітуда ССІ; А (t) амплітуда спінового відлуння, t-інтервал часу між 90-гр. і 180-гр. імпульсами.
Метод Хана дозволяє визначити значення Т2 тільки в тому випадку, коли за час 2t молекули не переміщаються. Проте, як відомо, молекули в рідині знаходяться в стані безперервного теплового руху. Такий рух молекул називається самодифузії і характеризується коефіцієнтом самодифузії D, який чисельно дорівнює середньоквадратичному зміщення яке відчуває молекула за час дифузії td:
D = / 6td (2)
Тому, реально з урахуванням релаксаційного і дифузійного вкладів, амплітуда луна буде описуватися виразом:
А (t) = Ao exp (-2t/T2) exp [- (2 / 3) g2g2t3D] (3)
де: g - гіромагнетне ставлення; g - градієнт зовнішнього магнітного поля;
D - коефіцієнт самодифузії,
Для зменшення впливу самодифузії Карр і Парселл модифікували послідовність Хана в багатоімпульсному послідовність 90-t-180-2t-180-2t-180-..., (послідовність Карра-Парселла). Ця послідовність дозволяє одержати серію відлуння, які формуються в проміжках між 180 градусними імпульсами. Огинаюча відлуння в послідовності Карра-Парселла представляє собою релаксаційні згасання і описується виразом:
А (t) = Ao exp (-t/T2) exp [- (2 / 3) g2g2t2Dt] (4)
де А (t)-амплітуда луна в момент часу t.
З виразу (4) видно, що вибираючи t досить малим експоненціальним множником, що враховує вплив самодифузії, можна знехтувати. У цьому випадку обвідна луна буде визначатися тільки лише процесами спін-спінової релаксації і описуватися виразом:
А (t) / Ао = ехр (-t/Т2) (5)
Логаріфміруя останній вираз отримаємо:
ln [A (t) / Ао] = - t/Т2 (6).
Якщо Ао / А (t) = е - основи натурального логарифма, то ln (Ао / А (t)) = 1. Тоді по нахилу залежності ln (А (t) / Ао) = f (t) легко визначити час Т2, оскільки, в цьому випадку, Tе = Т2, де Tе-час, протягом якого амплітуда луна зменшується в е раз (рис. 2а).
Як було зазначено вище, амплітуда спінового відлуння в методі Хана визначається як часом спін-спінової релаксації Т2, так і коефіцієнтом самодифузії D. Тому цей метод може бути використаний для вимірювання коефіцієнта самодифузії. З виразу (3) бачимо, що амплітуда луна залежить від градієнта зовнішнього магнітного поля g і від часу t між 90 і 180 градусними імпульсами.
Експериментальне вимірювання коефіцієнта самодифузії полягає в отриманні дифузійного загасання спінового відлуння. Для цього зафіксувавши найбільш зручний інтервал t, і залишаючи його постійним, отримують загасання спінового відлуння в залежності від величини градієнта магнітного поля g. Згідно зі слів (3) відношення амплітуд спінового відлуння при різних градієнтах магнітного поля визначиться:
А (g) / A (Gо) = ехр [-2 / 3 g2 (g2-gо2) t3D] (7)
де А (g) - амплітуда луна при градієнті g, А (Gо) - амплітуда луна при природному градієнті Gо.
Логаріфміруя вираз (7), і вважаючи величину природного градієнта go