SPEKTROSKOPIA NMR JAKO NARZĘDZIE 

BADAŃ CHEMIKA, BIOLOGA I LEKARZA 

C

oraz częściej lekarze kierują pacjentów na badania „rezonan­

sem magnetycznym”. Podobnie jak kiedyś słowo rentgen 

przyjęło się jako nazwa badania, tak teraz rezonans oznacza 

potoczną nazwę nowej metody obrazowania opartej na zjawisku 

magnetycznego rezonansu jądrowego (w skrócie NMR – Nuclear 

Magnetic Resonance). Innymi słowy – jeśli lekarz mówi: „należy 

wykonać rezonans” oznacza to, że pacjent winien poddać się ba­

daniu wykonanym za pomocą urządzenia zwanego tomografem 

rezonansu magnetycznego (MR), w wyniku którego zobaczyć 

można wnętrze jego organizmu. 

Na czym polega zjawisko NMR? Ponad 60 lat temu do­

świadczalnie pokazano, że przez naświetlanie promieniowaniem 

elektromagnetycznym o częstości 
ω = γB

0

 próbki umieszczonej 

w stałym polu magnetycznym B

0 

i zawierającej jądra paramagne­

tyczne, można wywołać przejścia 

między tzw. poziomami zeema-

nowskimi tych jąder. Niestety 

ścisły i krótki opis tego zjawiska 

nie jest możliwy, ponieważ może 

ono być opisane tylko na gruncie 

fizyki kwantowej. A zatem, jak 

to w takich przypadkach bywa, 

rozważmy dalej tylko możliwości 

jego zastosowań. 

W pierwszych latach po od­

kryciu fizycy użyli NMR jako 

metody pomiarów momentów 

magnetycznych i współczynni­

ków żyromagnetycznych jąder. 

Wykorzystano też ją do kon-

 Schemat tomografu MR 

strukcji bardzo czułych magnetometrów czyli przyrządów do 
pomiarów pola magnetycznego. Wkrótce, a szczególnie po po­
jawieniu się magnesów nadprzewodzących, rozwinięto technikę 
spektroskopii wysokiej zdolności rozdzielczej NMR pozwalającą 
na otrzymywanie widm związków chemicznych, złożonych 
z linii pochodzących od różnych grup jąder rezonansowych. 
Dzięki temu chemicy otrzymali narzędzie określania struktury 
wielu molekuł. Najlepszym przykładem jego wykorzystania stało 
się potwierdzenie równoważności atomów węgla w cząsteczce 
fullerenu C60, dla której otrzymano widmo w postaci pojedynczej 
linii. Wynik ten świadczył o doskonałej symetrii atomów węgla 
tej cząsteczki. 

Od zarania badań NMR wiadomo było, że spektroskopia NMR 

ma wielkie możliwości wykorzystania w biologii i medycynie. 
Dlatego jej dalszy rozwój zwrócił się właśnie w tym kierunku. 
Szerokie zastosowania NMR w wynikają z faktu, że najbardziej 
„rezonansowe” jest wszechobecne w materii biologicznej jądro 
wodoru

 1

H (czyli proton). Przykładowo: widma wodorowe wyso­

kiej zdolności rozdzielczej roztworu białka pozwalają na identyfi­
kację rozpuszczonej makromolekuły. Przy zastosowaniu technik 
spektroskopii dwuwymiarowej z wykorzystaniem tzw. efektu 

Overhausera możliwe jest poznanie struktury przestrzennej i oce­
na dynamiki ruchów molekularnych drobiny. Trzeba podkreślić, 
że jest to, jak dotąd, jedyna metoda pozwalająca na odtworzenie 
struktury makromolekuł biologicznych w roztworze. 

Bardzo ważną zaletą spektroskopii NMR jest fakt, że jest 

ona metodą całkowicie nieinwazyjną, czyli że nawet bardzo 
delikatna próbka nie ulega zniszczeniu podczas badania, 
a więc może nią być żywy organizm (żywy człowiek)! 

Najbardziej precyzyjnym pomiarem w fizyce jest pomiar czę­

stości, którego dokonuje się już z dokładnością 10

-14

. I właśnie na 

pomiarze częstości opiera się zjawisko NMR. Jak już wcześniej 
wspomniano, częstość rezonansu próbki zależy od wielkości 

pola magnetycznego B

0

, w któ­

rym została ona umieszczona. 
W przypadku, w którym pole jest 
niejednorodne (poprzez dodanie 
tzw. gradientu pola) i zmienia się 

w określony sposób od jednego 
do drugiego elementu przestrzeni 
(w fachowym żargonie nazywa 
się on voxelem), dla każdego 
z voxeli częstość rezonansowa 
jest inna. Częstość ta może być, 
jak wspomniano wyżej, mierzona 
bardzo precyzyjnie. Innymi sło­
wy: od każdego voxela możliwa 
jest rejestracja oddzielnego sy­
gnału (lub widma) NMR. Natęże­
nie sygnału zależy m.in. od ilości 
protonów w voxelu, co stanowi 
podstawę otrzymywania obrazów 
tomograficznych wnętrza badanej 

próbki (patrz rysunek). Ideę tę po raz pierwszy przedstawił na zor­
ganizowanej w Krakowie w IF UJ w sierpniu 1973 roku konferencji 

I Specialized Colloque AMPERE

 zaproszony przez prof. Jacka 

Hennela – młody naukowiec z Uniwersytetu Nottingham Sir 
Peter Mansfield, obdarowany za te badania przez królową bry­
tyjską tytułem szlacheckim, późniejszy laureat Nagrody Nobla. 
Tak więc jest w tym odkryciu mały „akcent polski”. W chwili 
obecnej metoda obrazowania nazwana tomografią rezonansu 
magnetycznego (albo MR Imaging) zawędrowała „pod strze­
chy” i pomaga lekarzom na diagnozowanie różnych chorób 
w licznych szpitalach na całym świecie. W krakowskich szpita­
lach i klinikach pracują co najmniej trzy tomografy rezonansu 
magnetycznego, w Polsce jest ich kilkanaście. Z wyjątkiem płuc 
możliwe jest doskonałe nieinwazyjne obrazowanie wszystkich 
części naszego ciała, przy czym najbardziej cenne są obrazy 
mózgu. Mózg jest słabo różnicowany za pomocą badań rentge-
nograficznych, zaś obrazy tomograficzne MR dają możliwość 
pokazania wielu jego szczegółów. 

Coroczne konferencje International Society for Magnetic 

Resonance in Medicine

 gromadzą tysiące specjalistów z całego 

świata, zaś liczba prezentowanych w tym roku w Miami na 

28 

ALMA MATER 

Florydzie referatów i komunikatów posterowych wynosiła aż 
2830! W Polsce aktywnie działa Polskie Towarzystwo Rezonansu 
w Medycynie organizując swoje zjazdy co trzy lata. Na konferen­
cjach tych spotykają się fizycy, chemicy, biolodzy oraz lekarze. 
Za osiągnięcia w dziedzinie NMR przyznano już 5 Nagród Nobla 
w trzech dziedzinach. W dziedzinie fizyki otrzymali je: Isidor 
Isaac Rabi (w 1944 roku za rezonansową metodę poznawania ma­
gnetycznych własności jąder atomowych), Felix Bloch i Edward 
Mills Purcell (w 1952 roku za wkład do rozwoju nowych precyzyj­
nych metod pomiarów magnetyzmu jądrowego i związane z tym 
odkrycia), w dziedzinie chemii Richard R. Ernst (w 1991 r. za jego 
wkład do metodologii spektroskopii NMR wysokiej zdolności 
rozdzielczej) i Kurt Wüthrich (w 2002 r. za rozwój spektrosko­
pii NMR w określaniu trójwymiarowej struktury makromolekuł 
biologicznych w roztworze) oraz w dziedzinie medycyny Paul C. 
Lauterbur i Sir Peter Mansfield (2003 r. za ich odkrycia dotyczące 
metod obrazowania magnetyczno-rezonansowego). 

Oprócz działań komercyjnych, które obecnie zostały przejęte 

przez znane firmy budujące tomografy MR, nadal przez fizy­
ków prowadzone są prace czysto badawcze z dziedziny NMR. 
Dotyczą one opracowań teoretycznych oraz wprowadzania ulep­
szeń w badaniach spektroskopowych. Najnowsze osiągnięcia 
w dziedzinie zastosowań to badania spektroskopowe wykony-

wane in vivo, pozwalające na śledzenie procesów metabolicz­
nych w wybranym voxelu żywego człowieka. Spektroskopia ta 
oparta jest często na innych niż wodór jądrach rezonansowych 
takich jak: fosfor

  3 1

P, węgiel

 13

C oraz fluor

  1 9

F. Pozwala to 

na otrzymywanie selektywnych informacji m.in. o działaniu 
leków. Dalsze zastosowanie to funkcjonalne badania mózgu, 
oparte na metodzie BOLD (Blood Oxygen Level Dependent), 
pozwalające zlokalizować partie mózgu odpowiedzialne np. za 
ruch palcami lub używanie obcego języka - często są to badania 
komplementarne z tomografią PET (Positron Emission Tomo-
graphy). Jednakże obecnie najbardziej obiecujące wydaje się 
zastosowanie metod NMR do badań komórek macierzystych. 
Odpowiednio oznakowane magnetycznie mogą być one, np. po 
wstrzyknięciu do organizmu, śledzone za pomocą tomografu 
MR. Obserwacje te są niezwykle cenne w perspektywie zastoso­
wań tych komórek do reparacji uszkodzonych (np. przez zawał 
serca lub nowotwór) narządów. 

Historia rozwoju NMR jest znakomitym przykładem roli 

fizyki w naszym życiu - gdyby nie metody wymyślone przez 
fizyków do obserwacji momentów magnetycznych jąder, 
nie byłoby przecież nowoczesnych metod diagnostycznych 
w medycynie... 

Barbara Blicharska 

j

 _i j j _i j j j 

-i-i

 j j 

J J J J J J J . 

FIZYKA APLAUZU 

M

echanizmy znane w fizyce mogą pojawić się tam, gdzie 

wydawałoby się, że nie ma dla nich miejsca. Zjawisko 

kolektywnego aplauzu zdaje się leżeć raczej w intencjonalnej 

sferze działalności ludzkiej i nie podlega „biernym prawom 

fizyki”. Oczywiście to, czy ja będę klaskać, zależy tylko ode 

mnie, ale to, czy uda mi się klaskać rytmicznie z moim sąsia­

dem w sali koncertowej lub z całą widownią, zależy od tego, 

czy uda nam się spełnić warunki, o których dowiedzieć się 

można analizując ruch układów 

sprzężonych. 

Rytmiczny aplauz to zjawisko 

spotykane m.in. w salach koncer­

towych, kiedy po wyjątkowym 

koncercie publiczność pragnie 

razem wyra zić uznanie dla arty­

stów. Ważną cechą aplauzu syn­

chronicznego jest to, że nie po­

jawia się on od samego początku 

owacji – zawsze poprzedzony jest 

pewną fazą niesynchronicznych 

oklasków. W przypadku bardzo 

rozentuzjazmowanej publicz­

ności synchroniczny aplauz nie 

trwa długo. Okazuje się, że wi­

downia szybko gubi rytm, jednak 

po pewnym czasie może na nowo powrócić do rytmicznej 

owacji. 

Klaskanie synchroniczne 

Przypomnieliśmy już podstawowe fakty związane 

z rytmicznym aplauzem, spróbujmy teraz odpowiedzieć na 
pytanie, jakie warunki należy spełnić, aby wi dzowie zsyn­
chronizowali owację. W tym celu odwołamy się do analizy 
ruchu układu sprzężonych ze sobą rotatorów. Każdy rotator 
scharakteryzowany jest częstością, z jaką kręci się swobod­
nie w odizolowaniu od reszty rotatorów (rotator najłatwiej 
wyobrazić sobie jako obracającą się karuzelę, tyle tylko, 

że aby karuzela była rotatorem, 
musiałaby się obracać zawsze 
z tą samą częstością). Załóżmy, 
że zbiór rotatorów składa się 
z podobnych do siebie, ale nie 
takich samych rotatorów - często­
ści ruchu swobodnego rotatorów 
nieznacznie różnią się od siebie. 
Może my wyliczyć średnią wartość 
częstości zbioru rotatorów oraz 
określić szerokość przedziału 
częstości a, w którym zawierają 
się częstości rozważanego zbioru 
rota torów. Kuramoto i Nishikawa

1 

przebadali ruch układu rotatorów 
w przypadku, gdy między rotatora-
mi pojawia się oddziaływanie, któ­

rego siła scharakteryzowana jest pewnym współczynnikiem 
K.

 Okazuje się, że aby nastąpił kolektywny ruch rotatorów, 

ALMA MATER 

29