- Същността на явлението
На първо място, трябва да се отбележи, че въпреки че името на това явление съдържа думата „ядрен“, ЯМР няма нищо общо с ядрената физика и по никакъв начин не е свързан с радиоактивността. Ако говорим за строго описание, тогава няма начин да се направи без законите на квантовата механика. Съгласно тези закони енергията на взаимодействие на магнитното ядро с външно магнитно поле може да приеме само няколко дискретни стойности. Ако магнитните ядра се облъчват с променливо магнитно поле, чиято честота съответства на разликата между тези дискретни енергийни нива, изразена в честотни единици, тогава магнитните ядра започват да се движат от едно ниво на друго, като същевременно поглъщат енергията на променливото поле. поле. Това е явлението магнитен резонанс. Това обяснение е формално правилно, но не много ясно. Има и друго обяснение, без квантовата механика. Магнитното ядро може да си представим като електрически заредена топка, въртяща се около оста си (въпреки че, строго погледнато, това не е така). Съгласно законите на електродинамиката, въртенето на заряд води до появата на магнитно поле, т.е. магнитният момент на ядрото, който е насочен по оста на въртене. Ако този магнитен момент се постави в постоянно външно поле, тогава векторът на този момент започва да прецесира, т.е. да се върти около посоката на външното поле. По същия начин оста на върха се прецесира (върти) около вертикалата, ако не е усукана строго вертикално, а под определен ъгъл. В този случай ролята на магнитното поле се играе от силата на гравитацията.
Честотата на прецесията се определя както от свойствата на ядрото, така и от силата на магнитното поле: колкото по-силно е полето, толкова по-висока е честотата. Тогава, ако в допълнение към постоянно външно магнитно поле, ядрото е засегнато от променливо магнитно поле, тогава ядрото започва да взаимодейства с това поле - изглежда, че люлее ядрото по-силно, амплитудата на прецесията се увеличава и ядрото абсорбира енергията на променливото поле. Това обаче ще се случи само при условие на резонанс, т.е. съвпадение на честотата на прецесията и честотата на външното променливо поле. Това е подобно на класическия пример от училищната физика - войници, маршируващи през мост. Ако честотата на стъпката съвпада с естествената честота на моста, тогава мостът се люлее все повече и повече. Експериментално това явление се проявява в зависимостта на абсорбцията на променливо поле от неговата честота. В момента на резонанс абсорбцията се увеличава рязко и най-простият магнитен резонансен спектър изглежда така:
- Спектроскопия с трансформация на Фурие
Първите ЯМР спектрометри работеха точно както е описано по-горе - пробата се поставяше в постоянно магнитно поле и към нея непрекъснато се прилагаше радиочестотно лъчение. Тогава или честотата на променливото поле, или интензитетът на постоянното магнитно поле се променят плавно. Поглъщането на енергията на променливото поле се записва от радиочестотен мост, сигналът от който се извежда към записващо устройство или осцилоскоп. Но този метод за запис на сигнал не се използва дълго време. В съвременните ЯМР спектрометри спектърът се записва с помощта на импулси. Магнитните моменти на ядрата се възбуждат с кратък мощен импулс, след което се записва сигналът, индуциран в радиочестотната намотка от свободно прецесиращите магнитни моменти. Този сигнал постепенно намалява до нула, докато магнитните моменти се връщат към равновесие (този процес се нарича магнитна релаксация). ЯМР спектърът се получава от този сигнал чрез преобразуване на Фурие. Това е стандартна математическа процедура, която ви позволява да разложите всеки сигнал на честотни хармоници и по този начин да получите честотния спектър на този сигнал. Този метод за запис на спектъра ви позволява значително да намалите нивото на шума и да провеждате експерименти много по-бързо.
Един вълнуващ импулс за запис на спектър е най-простият ЯМР експеримент. Въпреки това, в един експеримент може да има много такива импулси с различна продължителност, амплитуда, с различни забавяния между тях и т.н., в зависимост от това какви манипулации трябва да извърши изследователят със системата от ядрени магнитни моменти. Въпреки това, почти всички от тези импулсни последователности завършват с едно и също нещо - запис на свободен прецесионен сигнал, последван от трансформация на Фурие.
- Магнитни взаимодействия в материята
Самият магнитен резонанс би останал нищо повече от интересно физическо явление, ако не бяха магнитните взаимодействия на ядрата едно с друго и с електронната обвивка на молекулата. Тези взаимодействия влияят на резонансните параметри и с тяхна помощ методът ЯМР може да предостави разнообразна информация за свойствата на молекулите – тяхната ориентация, пространствена структура (конформация), междумолекулни взаимодействия, химичен обмен, ротационна и транслационна динамика. Благодарение на това ЯМР се превърна в много мощен инструмент за изследване на веществата на молекулярно ниво, който се използва широко не само във физиката, но главно в химията и молекулярната биология. Пример за едно такова взаимодействие е така нареченото химическо изместване. Същността му е следната: електронната обвивка на молекулата реагира на външно магнитно поле и се опитва да го екранира - частично екраниране на магнитното поле се среща във всички диамагнитни вещества. Това означава, че магнитното поле в молекулата ще се различава от външното магнитно поле с много малко количество, което се нарича химическо изместване. Свойствата на електронната обвивка в различните части на молекулата обаче са различни и химическото изместване също е различно. Съответно, резонансните условия за ядрата в различните части на молекулата също ще се различават. Това прави възможно разграничаването на химически нееквивалентни ядра в спектъра. Например, ако вземем спектъра на водородните ядра (протони) на чиста вода, тогава ще има само една линия, тъй като и двата протона в молекулата на H 2 O са абсолютно еднакви. Но за метиловия алкохол CH 3 OH вече ще има две линии в спектъра (ако пренебрегнем други магнитни взаимодействия), тъй като има два вида протони - протоните на метиловата група CH 3 и протона, свързан с кислородния атом. Тъй като молекулите стават по-сложни, броят на линиите ще се увеличи и ако вземем такава голяма и сложна молекула като протеин, тогава в този случай спектърът ще изглежда така:
- Магнитопроводи
ЯМР може да се наблюдава на различни ядра, но трябва да се каже, че не всички ядра имат магнитен момент. Често се случва някои изотопи да имат магнитен момент, но други изотопи на същото ядро не. Общо има повече от сто изотопа на различни химични елементи, които имат магнитни ядра, но в изследванията обикновено се използват не повече от 1520 магнитни ядра, всичко останало е екзотика. Всяко ядро има собствено характерно съотношение на магнитното поле и честотата на прецесията, наречено жиромагнитно съотношение. За всички ядра тези отношения са известни. Използвайки ги, можете да изберете честотата, при която при дадено магнитно поле ще се наблюдава сигнал от ядрата, необходими на изследователя.
Най-важните ядра за ЯМР са протоните. Те са най-разпространени в природата и имат много висока чувствителност. Ядрата на въглерода, азота и кислорода са много важни за химията и биологията, но учените не са имали много късмет с тях: най-често срещаните изотопи на въглерода и кислорода, 12 C и 16 O, нямат магнитен момент, естественият изотопът на азота 14 N има момент, но поради редица причини е много неудобен за експерименти. Има изотопи 13 C, 15 N и 17 O, които са подходящи за ЯМР експерименти, но тяхното естествено изобилие е много ниско и тяхната чувствителност е много ниска в сравнение с протоните. Поради това за ЯМР изследванията често се приготвят специални обогатени с изотопи проби, в които естественият изотоп на определено ядро се заменя с този, необходим за експериментите. В повечето случаи тази процедура е много трудна и скъпа, но понякога е единствената възможност за получаване на необходимата информация.
- Електронен парамагнитен и квадруполен резонанс
Говорейки за ЯМР, не може да не споменем още две свързани физични явления - електронен парамагнитен резонанс (EPR) и ядрен квадруполен резонанс (NQR). EPR е по същество подобен на NMR, разликата е, че резонансът се наблюдава при магнитните моменти не на атомните ядра, а на електронната обвивка на атома. EPR може да се наблюдава само в тези молекули или химични групи, чиято електронна обвивка съдържа така наречения несдвоен електрон, тогава обвивката има ненулев магнитен момент. Такива вещества се наричат парамагнетици. EPR, подобно на NMR, също се използва за изследване на различни структурни и динамични свойства на вещества на молекулярно ниво, но обхватът му на използване е значително по-тесен. Това се дължи главно на факта, че повечето молекули, особено в живата природа, не съдържат несдвоени електрони. В някои случаи можете да използвате така наречената парамагнитна сонда, тоест химическа група с несдвоен електрон, който се свързва с изследваната молекула. Но този подход има очевидни недостатъци, които ограничават възможностите на този метод. В допълнение, EPR няма толкова висока спектрална разделителна способност (т.е. способността да се разграничи една линия от друга в спектъра), както при ЯМР.
Най-трудно е да се обясни природата на ЯКР „на пръсти“. Някои ядра имат това, което се нарича електрически квадруполен момент. Този момент характеризира отклонението на разпределението на електрическия заряд на ядрото от сферичната симетрия. Взаимодействието на този момент с градиента на електрическото поле, създадено от кристалната структура на веществото, води до разделяне на енергийните нива на ядрото. В този случай може да се наблюдава резонанс при честота, съответстваща на преходите между тези нива. За разлика от NMR и EPR, NQR не изисква външно магнитно поле, тъй като разделянето на нивата се случва без него. NQR също се използва за изследване на вещества, но обхватът му на приложение е още по-тесен от този на EPR.
- Предимства и недостатъци на ЯМР
ЯМР е най-мощният и информативен метод за изследване на молекули. Строго погледнато, това не е един метод, а голям брой различни видове експерименти, т.е. импулсни последователности. Въпреки че всички те се основават на явлението ЯМР, всеки от тези експерименти е предназначен да получи някаква специфична информация. Броят на тези експерименти се измерва в много десетки, ако не и стотици. Теоретично ЯМР може, ако не всичко, то почти всичко, което всички други експериментални методи за изследване на структурата и динамиката на молекулите могат, въпреки че на практика това е осъществимо, разбира се, не винаги. Едно от основните предимства на ЯМР е, че от една страна неговите естествени сонди, т.е. магнитните ядра, са разпределени в цялата молекула, а от друга страна, позволява да се разграничат тези ядра едно от друго и да се получат пространствено селективни данни за свойствата на молекулата. Почти всички други методи предоставят информация или осреднена за цялата молекула, или само за една част от нея.
ЯМР има два основни недостатъка. Първо, това е ниска чувствителност в сравнение с повечето други експериментални методи (оптична спектроскопия, флуоресценция, EPR и др.). Това води до факта, че за да се осредни шумът, сигналът трябва да се натрупва дълго време. В някои случаи ЯМР експеримент може да се проведе дори за няколко седмици. На второ място, това е скъпо. ЯМР спектрометрите са сред най-скъпите научни инструменти, струващи поне стотици хиляди долари, а най-скъпите спектрометри струват няколко милиона. Не всички лаборатории, особено в Русия, могат да си позволят да имат такова научно оборудване.
- Магнити за ЯМР спектрометри
Една от най-важните и скъпи части на спектрометъра е магнитът, който създава постоянно магнитно поле. Колкото по-силно е полето, толкова по-висока е чувствителността и спектралната разделителна способност, така че учените и инженерите непрекъснато се опитват да получат възможно най-високи полета. Магнитното поле се създава от електрическия ток в соленоида - колкото по-силен е токът, толкова по-голямо е полето. Невъзможно е обаче да увеличите тока за неопределено време; при много голям ток проводникът на соленоида просто ще започне да се топи. Следователно, от много дълго време, свръхпроводящите магнити са били използвани за спектрометри за ЯМР с високо поле, т.е. магнити, в които соленоидният проводник е в свръхпроводящо състояние. В този случай електрическото съпротивление на проводника е нула и не се отделя енергия при никаква стойност на тока. Свръхпроводящото състояние може да се постигне само при много ниски температури, само няколко градуса по Келвин, температурата на течния хелий. (Високотемпературната свръхпроводимост все още е област на чисто фундаментални изследвания.) Именно с поддържането на такава ниска температура са свързани всички технически трудности при проектирането и производството на магнитите, които ги правят скъпи. Свръхпроводящият магнит е изграден на принципа на термос-матрьошка. Соленоидът се намира в центъра, във вакуумната камера. Той е заобиколен от обвивка, съдържаща течен хелий. Тази обвивка е заобиколена от обвивка от течен азот през вакуумен слой. Температурата на течния азот е минус 196 градуса по Целзий; азотът е необходим, за да се гарантира, че хелият се изпарява възможно най-бавно. Накрая, азотната обвивка е изолирана от стайна температура чрез външен вакуумен слой. Такава система е в състояние да поддържа желаната температура на свръхпроводящ магнит за много дълго време, въпреки че това изисква редовно добавяне на течен азот и хелий към магнита. Предимството на такива магнити, в допълнение към възможността за получаване на силни магнитни полета, е също така, че те не консумират енергия: след стартиране на магнита, токът преминава през свръхпроводящи проводници без почти никакви загуби в продължение на много години.
- Томография
В конвенционалните NMR спектрометри те се опитват да направят магнитното поле възможно най-равномерно, това е необходимо за подобряване на спектралната разделителна способност. Но ако магнитното поле вътре в пробата, напротив, се направи много нехомогенно, това отваря фундаментално нови възможности за използването на ЯМР. Нееднородността на полето се създава от така наречените градиентни намотки, които работят в тандем с основния магнит. В този случай големината на магнитното поле в различните части на пробата ще бъде различна, което означава, че ЯМР сигналът може да се наблюдава не от цялата проба, както в конвенционален спектрометър, а само от нейния тесен слой, за който условията за резонанс са изпълнени, т.е. желаната връзка между магнитното поле и честотата. Чрез промяна на големината на магнитното поле (или, което по същество е същото, честотата на наблюдение на сигнала), можете да промените слоя, който ще генерира сигнала. По този начин е възможно да се „сканира“ пробата в целия й обем и да се „види“ нейната вътрешна триизмерна структура, без да се унищожи пробата по механичен начин. Към днешна дата са разработени голям брой техники, които правят възможно измерването на различни ЯМР параметри (спектрални характеристики, времена на магнитна релаксация, скорост на самодифузия и някои други) с пространствена разделителна способност вътре в пробата. Най-интересното и важно от практическа гледна точка приложение на ЯМР томографията е намерено в медицината. В този случай "образецът", който се изследва, е човешкото тяло. ЯМР изобразяването е един от най-ефективните и безопасни (но и скъпи) диагностични инструменти в различни области на медицината, от онкологията до акушерството. Интересно е да се отбележи, че лекарите не използват думата „ядрен” в името на този метод, тъй като някои пациенти го свързват с ядрените реакции и атомната бомба.
- История на откритието
За година на откриване на ЯМР се счита 1945 г., когато американците Феликс Блок от Станфорд и независимо от него Едуард Пърсел и Робърт Паунд от Харвард за първи път наблюдават ЯМР сигнал върху протони. По това време вече се знаеше много за природата на ядрения магнетизъм, самият ЯМР ефект беше теоретично предсказан и бяха направени няколко опита да се наблюдава експериментално. Важно е да се отбележи, че година по-рано в Съветския съюз, в Казан, феноменът EPR е открит от Евгений Завойски. Вече е добре известно, че Завойски също е наблюдавал ЯМР сигнала, това е било преди войната, през 1941 г. Той обаче имаше на разположение нискокачествен магнит с лоша еднородност на полето; резултатите бяха слабо възпроизводими и затова останаха непубликувани. За да бъдем честни, трябва да се отбележи, че Завойски не е единственият, който е наблюдавал ЯМР преди неговото „официално“ откритие. По-специално, американският физик Исидор Раби (носител на Нобелова награда през 1944 г. за изследването си на магнитните свойства на ядрата в атомни и молекулярни лъчи) също наблюдава ЯМР в края на 30-те години, но го смята за инструментален артефакт. По един или друг начин страната ни запазва приоритет в експерименталното откриване на магнитен резонанс. Въпреки че самият Завойски започва да се занимава с други проблеми скоро след войната, откритието му изиграва огромна роля в развитието на науката в Казан. Казан все още остава един от водещите световни научни центрове за EPR спектроскопия.
- Нобелови награди за магнитен резонанс
През първата половина на 20-ти век бяха присъдени няколко Нобелови награди на учени, без чиято работа откриването на ЯМР не би могло да се осъществи. Сред тях са Петер Зееман, Ото Щерн, Изидор Раби, Волфганг Паули. Но имаше четири Нобелови награди, пряко свързани с ЯМР. През 1952 г. наградата е присъдена на Феликс Блок и Едуард Пърсел за откриването на ядрено-магнитния резонанс. Това е единствената Нобелова награда за ЯМР по физика. През 1991 г. наградата по химия получава швейцарецът Ричард Ернст, който е работил в прочутия ETH в Цюрих. Присъдена му е за разработването на многомерни методи за ЯМР спектроскопия, които позволяват радикално увеличаване на информационното съдържание на ЯМР експериментите. През 2002 г. носител на наградата, също по химия, беше Курт Вютрих, който работеше с Ернст в съседни сгради на същото техническо училище. Той получи наградата за разработване на методи за определяне на триизмерната структура на протеини в разтвор. Преди това единственият метод за определяне на пространствената конформация на големи биомакромолекули беше рентгеновият дифракционен анализ. И накрая, през 2003 г. американецът Пол Лаутербър и англичанинът Питър Мансфийлд получиха наградата за медицина за изобретяването на ЯМР томографията. Съветският откривател на ЕПР Е. К. Завойски, уви, не получи Нобелова награда.
Същността на явлението ЯМР може да се илюстрира по следния начин. Ако ядро с магнитен момент се постави в еднородно поле 0, насочено по оста z, тогава неговата енергия (спрямо енергията в отсъствие на поле) е равна на -mzH0, където mz е проекцията на ядрения магнитен момент върху посоката на полето.
Както вече беше отбелязано, ядрото може да бъде в 2I + 1 състояния. При липса на външно поле 0 всички тези състояния имат еднаква енергия. Ако означим най-голямата измерима стойност на компонента на магнитния момент с m, тогава всички измерими стойности на компонента на магнитния момент (в този случай mz) се изразяват във формата mm, където m е квантово число, което може, както е известни, приемат стойности
m=I,I–1,I–2,…,-(I+1),-I.
Тъй като разстоянието между енергийните нива, съответстващи на всяко от състоянията 2I + 1, е равно на mH0 / I, тогава ядрото със спин I има дискретни енергийни нива:
MH0,-(I–1)/ImH0,…(I–1)/ImH0,mH0.
Разделянето на енергийните нива в магнитно поле може да се нарече ядрено разделяне на Zeeman, тъй като е подобно на разделянето на електронни нива в магнитно поле (ефект на Zeeman). Зееманово разделяне за система с I = 1 (с три енергийни нива).
Феноменът ЯМР се състои от резонансно поглъщане на електромагнитна енергия, дължащо се на магнетизма на ядрата. Това води до очевидното наименование на явлението: ядрен - говорим за система от ядра, магнитен - имаме предвид само техните магнитни свойства, резонанс - самото явление има резонансен характер. Наистина, от честотните правила на Бор следва, че честотата n на електромагнитното поле, причиняващо преходи между съседни нива, се определя от формулата:
hν=μH0/I, или ν=μH0/hI.
Тъй като векторите на ъгловия импулс (ъгловият момент) и магнитния момент са успоредни, често е удобно да се характеризират магнитните свойства на ядрата чрез стойността g, определена от съотношението
където γ е жиромагнитното съотношение, което има размерността радиан*ерстед-1*секунда-1 (rad*E-1*s-1). Като вземем това предвид, намираме
ν=γ0/2π. (3.2)
По този начин честотата е пропорционална на приложеното поле.
Ако като типичен пример вземем стойността $\gamma$ за протон, равна на 2,6753*104 rad/(E*s), и H0 = 10000 Oe, тогава резонансната честота
ν=42,577 (MHz)
Такава честота може да се генерира чрез конвенционални радиотехнически методи.
ЯМР спектроскопията се характеризира с редица характеристики, които я отличават от другите аналитични методи. Около половината ($\sim$150) от ядрата на известни изотопи имат магнитни моменти, но само малка част от тях се използват систематично.
Преди появата на импулсните спектрометри, повечето изследвания бяха проведени с използване на ЯМР явления върху водородни ядра (протони) 1H (протонен магнитен резонанс - PMR) и флуор 19F. Тези ядра имат идеални свойства за ЯМР спектроскопия:
високо естествено съдържание на „магнитен” изотоп (1H 99,98%, 19F 100%); За сравнение може да се спомене, че естественото съдържание на „магнитния“ въглероден изотоп 13C е 1,1%; голям магнитен момент; въртене I = 1/2.
Това определя, на първо място, високата чувствителност на метода при откриване на сигнали от горните ядра. Освен това съществува теоретично строго обосновано правило, според което електрически квадруполен момент имат само ядра със спин, равен или по-голям от единица. Следователно експериментите с 1H и 19F NMR не се усложняват от взаимодействието на ядрения квадруполен момент на ядрото с електрическата среда.
Въвеждането на импулсни ЯМР спектрометри в ежедневната практика значително разшири експерименталните възможности на този вид спектроскопия. По-специално, записването на 13C NMR спектри на разтвори, най-важният изотоп за химията, сега е почти обичайна процедура. Стана също обичайно да се детектират сигнали от ядра, чийто интензитет на ЯМР сигналите е многократно по-нисък от интензитета на сигналите от 1Н, включително в твърдата фаза.
ЯМР спектрите с висока разделителна способност обикновено се състоят от тесни, добре разделени линии (сигнали), съответстващи на магнитни ядра в различни химически среди. Интензитетите (площите) на сигналите при запис на спектрите са пропорционални на броя на магнитните ядра във всяка група, което прави възможно провеждането на количествен анализ с помощта на NMR спектри без предварително калибриране.
Друга особеност на ЯМР е влиянието на обменните процеси, в които участват резониращи ядра, върху позицията и ширината на резонансните сигнали. По този начин природата на такива процеси може да бъде изследвана от ЯМР спектрите. ЯМР линиите в спектрите на течности обикновено имат ширина от 0,1 - 1 Hz (ЯМР с висока разделителна способност), докато същите изследвани ядра в твърдата фаза ще доведат до линии с ширина от порядъка на 1 * 104 Hz (следователно концепцията за ЯМР с широка линия).
В ЯМР спектроскопията с висока разделителна способност има два основни източника на информация за структурата и динамиката на молекулите:
химическо изместване; константи на спин-спин взаимодействие.
В реални условия резониращите ядра, чиито NMR сигнали се откриват, са неразделна част от атоми или молекули. Когато изследваните вещества се поставят в магнитно поле (0), възниква диамагнитен момент на атоми (молекули), причинен от орбиталното движение на електроните. Това движение на електрони образува ефективни токове и следователно създава вторично магнитно поле, пропорционално в съответствие със закона на Ленц на полето 0 и противоположно насочено. Това вторично поле действа върху ядрото. По този начин локалното поле на мястото, където се намира резонансното ядро, е lok = 0 (3.3)
където σ е безразмерна константа, наречена екранираща константа и независима от 0, но силно зависима от химическата (електронна) среда; характеризира намаляване на lok в сравнение с 0.
Стойността на $\sigma$ варира от стойност от порядъка на 10-5 за протон до стойност от порядъка на 10-2 за тежки ядра. Като вземем предвид израза за lok, имаме: ν=γΗ0(1−σ)/2π (3.4)
Ефектът на скрининга е да намали разстоянието между нивата на ядрено-магнитната енергия или, с други думи, води до сближаване на нивата на Zeeman. В този случай енергийните кванти, причиняващи преходи между нивата, стават по-малки и следователно възниква резонанс при по-ниски честоти (виж израз (3.4)). Ако проведем експеримент, като променим полето 0 до възникване на резонанс, тогава силата на приложеното поле трябва да бъде по-голяма, отколкото в случая, когато сърцевината не е екранирана.
Влиянието на електронното екраниране върху нивата на Zeeman на ядрото: a - неекранирано, b - екранирано
В по-голямата част от ЯМР спектрометрите спектрите се записват, когато полето се променя отляво надясно, така че сигналите (пиковете) на най-екранираните ядра трябва да са от дясната страна на спектъра.
Изместването на сигнала в зависимост от химическата среда, дължащо се на разликите в екраниращите константи, се нарича химическо изместване.
Откриването на химическата промяна е съобщено за първи път в няколко публикации между 1950 и 1951 г. Сред тях е необходимо да се подчертае работата на Арнолд, който получи първия спектър с отделни линии, съответстващи на химически различни позиции на идентични 1H ядра в една молекула.
В тази молекула има три вида протони: три протона от метиловата група CH3-, два протона от метиленовата група -CH2- и един протон от хидроксилната група -OH. Може да се види, че три отделни сигнала съответстват на три вида протони. Тъй като интензитетът на сигнала е в съотношение 3: 2: 1, декодирането на спектъра (присвояването на сигнала) не е трудно.
Тъй като химическите отмествания не могат да бъдат измерени в абсолютна скала, тоест спрямо ядро, лишено от всичките си електрони, сигналът на референтното съединение се използва като референтна нула. Обикновено стойностите на химичното отместване за всяко ядро се дават под формата на безразмерен параметър δ, дефиниран както следва:
δ=(H−Het)/Het*106, (3.6)
където (H - Net) е разликата в химичните отмествания за изследваната проба и стандарта, Net е абсолютната позиция на стандартния сигнал с приложено поле (H0).
В реални експериментални условия е възможно да се измери по-точно честотата, отколкото полето, така че $\delta$ обикновено се намира от израза:
δ=(ν−νet)/ν0*106, (3.7)
където (ν – νet) е разликата в химичните отмествания за пробата и стандарта, изразена в честотни единици (Hz); ЯМР спектрите обикновено се калибрират в тези единици.
Трябва да използвате не ν0 - работната честота на спектрометъра (тя обикновено е фиксирана), а честотата νet, тоест абсолютната честота, при която се наблюдава резонансният сигнал на стандарта. Въпреки това, грешката, въведена от такава замяна, е много малка, тъй като ν0 и νet са почти равни (разликата е 10-5, тоест със стойността на σ за протон). Тъй като различните ЯМР спектрометри работят при различни честоти ν0 (и следователно при различни полета H0), необходимостта от изразяване на δ в безразмерни единици е очевидна.
Единицата химическо изместване се приема за една милионна от силата на полето или резонансната честота. Спин-спин взаимодействие.
През 1951 - 1953 г. при записване на ЯМР спектрите на редица течности беше открито, че спектрите на някои вещества имат повече линии, отколкото следва от простата оценка на броя на нееквивалентните ядра. Един от първите примери е резонансът на флуора в молекулата POCl2F. Спектърът на 19F се състои от две линии с еднакъв интензитет, въпреки че в молекулата има само един флуорен атом. Молекулите на други съединения дават симетрични мултиплетни сигнали (триплети, квартети и т.н.).
Това взаимодействие се дължи на механизма на индиректна комуникация чрез електронната среда. Ядреният спин има тенденция да ориентира спиновете на електроните около дадено ядро. Те от своя страна ориентират спиновете на други електрони и чрез тях спиновете на други ядра. Енергията на спин-спиновото взаимодействие обикновено се изразява в херци (т.е. константата на Планк се приема като единица енергия въз основа на факта, че E = hν). Ясно е, че няма нужда (за разлика от химическото изместване) да се изразява в относителни единици, тъй като обсъжданото взаимодействие, както беше отбелязано по-горе, не зависи от силата на външното поле. Големината на взаимодействието може да се определи чрез измерване на разстоянието между компонентите на съответния мултиплет.
Най-простият пример за разделяне поради спин-спиново свързване, който може да се срещне, е резонансният спектър на молекула, съдържаща два вида магнитни ядра А и X. Ядрата А и X могат да представляват или различни ядра, или ядра от един и същ изотоп (напр. , 1H ) в случая, когато химичните отмествания между техните резонансни сигнали са големи.
Методи на спин ехо.
При експерименти, когато високочестотно поле 1 непрекъснато действа върху образец, разположен в еднородно магнитно поле 0, се постига стационарно състояние, при което две противоположни тенденции се компенсират взаимно. От една страна, под въздействието на високочестотно поле 1, числата на запълване на нивата на Zeeman са склонни да се изравнят, което води до демагнетизиране на системата, а от друга страна, топлинното движение предотвратява това и възстановява разпределението на Болцман .
Съвсем различни нестационарни процеси се наблюдават в случаите, когато високочестотното поле 1 е включено за кратко време. Практическото прилагане на експерименти от този вид е възможно, тъй като характерните времеви параметри на електронното оборудване са малки в сравнение с времето на затихване на Ларморовата прецесия Т2.
За първи път реакцията на система към импулси на високочестотно поле е наблюдавана от Хан през 1950 г., когато той открива явлението спиново ехо. Това откритие бележи началото на разработването на импулсни ЯМР методи.
Действието на поле 1, въртящо се с резонансна честота, се свежда до отклонението на намагнитването от първоначалната посока на равновесие, успоредно на поле 0. Ако полето се включи само за кратък период от време и след това се изключи отново, тогава ъгълът на отклонение на вектора на намагнитване зависи от продължителността на импулса. След като поле 1 е включено, векторът на намагнитване ще прецесира около поле 0, докато неговите компоненти, перпендикулярни на поле 0, изчезнат поради релаксация или други причини. Индукционният сигнал, който се наблюдава след изключване на високочестотното поле 1, представлява затихването на свободната прецесия, разгледано за първи път от Bloch.
Ако силата на полето 1 е висока и продължителността на импулса tw е толкова малка, че процесите на релаксация могат да бъдат пренебрегнати по време на действието на импулса, тогава действието на полето 1 ще се сведе до завъртане на вектора на намагнитване под ъгъл g1tw (g1 е ъгловата скорост, с която поле 1 отклонява вектора от оста z). Ако величините 1 и tw са избрани по такъв начин, че g1tw=1/2p, (3.8), тогава векторът след въртене ще бъде в равнината xy. Такива импулси се наричат 900 оборотни импулси (или 900 импулса). Тези импулси, за които g1tw=p се наричат ротационни импулси с 1800 (1800-ни импулси).
Действието на последните импулси върху вектора на намагнитване води до промяна на първоначалната му посока към обратната. Действието на 900 импулса може да се разбере по-добре, като се разглеждат в координатна система, въртяща се с ъглова скорост, равна на честотата на поле 1. Ако продължителността на импулса е малка, така че крайният резултат зависи малко от големината на отклонението на честотата на поле 1 от резонансната стойност, тогава в такава система координати векторът на намагнитване M веднага след края на импулса ще бъде насочен по оста v.
Ако постоянното поле 0 е напълно хомогенно, тогава поведението на вектора на намагнитване след края на импулса се определя само от процеси на релаксация. Следователно компонентът на вектора на намагнитване, разположен в равнината, перпендикулярна на полето 0, ще се върти около тази посока с честотата на Лармор, докато амплитудата му ще клони към нула според закона exp(-t/T2).
В случай, че нееднородността на магнитното поле H0 не може да бъде пренебрегната, затихването настъпва по-бързо. Това явление може да се визуализира с помощта на поредица от диаграми, показващи позицията на вектора върху
намагнитване в различни части на пробата в определени моменти от процеса на разпадане. Да приемем, че пробата е разделена на няколко области и във всяка област магнитното поле е равномерно, а намагнитването се характеризира с неговия вектор i. Наличието на нехомогенност на магнитното поле 0 ще доведе до факта, че вместо прецесията на резултантния вектор на намагнитване с определена честота на Лармор w0, ще има прецесия на набор от вектори на намагнитване с честоти, разпределени по определен закон .
Нека разгледаме движението на тези вектори в координатна система, въртяща се с ъглова скорост, равна на средната скорост на прецесията на Лармор, съответстваща на определена средна стойност на полето H0. Векторите i се наричат спинови изохромати.
Въпреки това, поради факта, че те имат различни нива на прецесия, т.к са в области на извадката с различни стойности на полето 0, тогава някои от тях ще се въртят по-бързо, а някои ще се въртят по-бавно от координатната система. Следователно, в координатна система, въртяща се с определена средна ъглова скорост, спиновите изохромати ще се разпръснат във „ветрило“. защото Приемащата намотка на индукционната система реагира само на векторната сума на тези моменти, след което се наблюдава затихване на сигнала.
Хан установи, че въздействието на втори импулс върху системата след интервал от време τ след първия води до появата на ехо сигнал след равен период от време 2τ. Наблюдава се ехо сигнал, дори ако сигналът на свободната прецесия напълно се разпадне за време от 2τ.
1. Първоначално системата е в термично равновесие и всички вектори на намагнитване са успоредни на постоянното поле 0.
2. Под въздействието на високочестотно поле, насочено по оста x΄ на въртящата се координатна система, векторите на намагнитване по време на първия импулс се отклоняват от посоката на оста z към посоката на оста y΄.
3. След края на 900-ия импулс всички вектори на намагнитване са разположени в екваториалната равнина по посока на оста y΄ (векторното произведение е вектор, перпендикулярен на равнината z΄x΄ в този случай). Ако продължителността на импулса tω е достатъчно кратка, тогава няма да се наблюдава релаксация или разсейване на векторите на намагнитване във „вентилатор“, свързан с нехомогенността на полето 0.
4. Веднага след включване на високочестотното поле H1 свободната прецесия се разпада, което води до разсейване на спиновите изохромати във „ветрило“, разположено в равнината x΄y΄.
5. След период от време τ, системата е подложена на 1800-ен импулс с продължителност 2tω. В резултат на действието на този импулс цялата система от вектори i се завърта на 1800 около оста x΄.
6. В края на втория импулс всеки от векторите на намагнитване във въртящата се координатна система продължава да се движи в същата посока. Сега обаче, след завъртане с 1800, това движение води не до разпръскване, а до сгъване на „ветрило“ от вектори.
7. След интервал от време от 2τ след началото на първия импулс, всички вектори на намагнитване, разположени в равнината x΄y, ще имат една и съща посока и ще създадат силен резултатен магнитен момент в отрицателната посока на оста y΄. Това води до индуциране на сигнал, наречен ехо сигнал в приемащата намотка.
8. След появата на ехо сигнала, векторите на намагнитване отново се разпръскват във „ветрило“ и се наблюдава обичайното затихване на свободната прецесия. Затихването на ехо сигнала (започвайки от време 2τ) съвпада по форма със затихването на сигнала на свободната индукция след първия 900-ти импулс. Веднага след 1800-ия импулс не се появява сигнал за свободна индукция.
Формата на ехо сигнала, подобно на формата на сигнала за затихване на свободната прецесия, зависи от закона за времето, който управлява раздуването на вектора на намагнитване. Ако магнитното поле не е еднородно, тогава кохерентността се губи бързо и ехо сигналът ще бъде тесен; ширината му е от порядъка на (γΔΗ0)-1. По този начин механизмът на спиновото ехо елиминира обичайното нежелано влияние на нехомогенността на стационарно магнитно поле.
Ако молекулите останат дълго време в едни и същи части на пробата, тогава амплитудата на ехо сигнала се определя само от процеси на релаксация и следователно е пропорционална на exp(-2τ/T2). В течностите и газовете обаче процесите на дифузия не винаги могат да бъдат пренебрегнати. Следователно, поради движението на молекулите в неравномерно магнитно поле, скоростта на дисперсия на някои вектори на намагнитване във „вентилатор“ се променя.
В резултат на това възниква известна допълнителна загуба на кохерентност. В този случай амплитудата на ехо сигнала се оказва, че зависи от τ, както следва:
exp[–2τ/T2 –k(2τ)3/3]. (3,9)
За ехо, получено от 900 и 1800 импулсни серии
k=1/4γ2GD , (3.10)
където D е константата на дифузия;
G – средна стойност на градиента на магнитното поле (dH0/dt) ср.
Ако условието е изпълнено
12/γ2G2D<< T32, (3.11)
тогава основната роля в затихването на сигналите на спиновото ехо ще се играе от процесите на дифузия, а не от процесите на релаксация. Подобни явления се наблюдават за всякакви други импулси, а не само за последователност от 900 и 1800 импулса. Ако се използва последователност от 900 импулса, след втория импулс се появява сигнал за затихване на свободната прецесия, който липсва при използване на последователност от 900 и 1800 импулса. Това се случва, защото след време τ, поради действието на спин-решетъчния релаксационен механизъм, магнитният момент, насочен по оста z, се възстановява частично. Този процес може да се характеризира с функцията:
f=1 – ехр (–τ/T1). (3.12)
В резултат въздействието на втория 900-ти импулс води до свободен прецесионен затихващ сигнал, чиято амплитуда е f пъти по-малка от амплитудата на първия сигнал. В случай, че вторият импулс е 1800-ен импулс, този възстановяващ магнитен момент ще бъде насочен в отрицателната посока на оста z и следователно неговата проекция върху равнината xy е нула.
Експериментите със спиново ехо могат да се извършват с голям брой импулси. Има общи методи за изчисление. Подходящ за всяка импулсна последователност.
Ако пробата съдържа ядра с различни резонансни честоти и между тях възниква спин-спин взаимодействие, тогава възникват усложнения в картината на спиновото ехо. В този случай зависимостта на затихването на амплитудата на сигнала на спиновото ехо от интервала между импулсите τ не се подчинява на закона (3.9), но също така съдържа някои членове, които осцилират във времето. Сега да разгледаме как може да се контролира фазата на променливото напрежение на втория импулс, така че във въртящата се координатна система поле 1 отново да е насочено по оста +x΄, както при първия импулс. Факт е, че в така нареченото кохерентно оборудване високочестотно стабилен генератор произвежда стационарно променливо напрежение, което влиза в усилвателя на мощността през ключова верига.
Превключващата верига позволява на RF сигнала (Поле 1) да премине и той се усилва само през периода от време, през който веригите са отворени от импулса на вратата. По този начин мощните радиочестотни импулси на изхода на усилвателя съвпадат във времето със стробиращите импулси. Изходното напрежение на усилвателя се прилага към пробната намотка, в която се създава радиочестотно поле 1, ако честотата на генератора ω е точно настроена на резонанс, т.е. ω=ω0, тогава фазата на това поле е винаги една и съща в координатна система, въртяща се с честота ω0.
ЯМР спектрометри.
ЯМР спектрометърът трябва да съдържа следните основни елементи:
1) магнит, който създава магнитно поле 0, поляризиращо ядрената спинова система;
2) предавател, създаващ поле за сондиране 1;
3) сензор, в който под въздействието на 0 и 1 в пробата се появява ЯМР сигнал;
4) приемник, който усилва този сигнал;
5) записваща система (записващо устройство, магнитен запис, осцилоскоп и др.);
6) устройства за обработка на информация (интегратор, устройство за съхранение на многоканален спектър);
7) система за стабилизиране на резонансни условия;
8) система за контрол на температурата на пробата;
9) предавател, създаващ поле 2 за двойни резонанси;
10) програмна система за регистриране на ЯМР: за спинов спектрометър – размах на полето 0 или честота n0 в даден интервал с необходимата скорост, изисквана от броя на спектралните реализации; за импулсни спектрометри – избор на броя, амплитудата и продължителността на сондиращите импулси, времето за проследяване на всяка точка и броя на интерферограмните точки, времето за повторение на интерферограмата, броя на циклите на натрупване на интерферограмата;
11) системи за корекция на магнитното поле. Този схематичен списък показва, че съвременният NMR спектрометър е сложна измервателна система.
Въз основа на тяхното предназначение ЯМР спектрометрите се разделят на инструменти с висока и ниска разделителна способност. Границата тук е произволна и все повече характеристиките на ЯМР спектрометрите с висока и ниска разделителна способност се комбинират в един универсален инструмент. Типично устройство с ниска разделителна способност трябва да има магнит, осигуряващ относителна разделителна способност от порядъка на 10-6 h-1, възможност за запис на ЯМР на много магнитни ядра в широк температурен диапазон, интерфейс със система за обработка на данни и гониометър за кристални физически измервания.
За осигуряване на висока чувствителност се използва модулационен метод за наблюдение на сигнала: поле 0 (честота n0) се модулира по синусоидален закон; честотата nm и амплитудата Am са избрани от съображения за оптимизиране на чувствителността и изкривяването на сигнала, въведено от такава модулация. Тъй като времето за релаксация на спин-решетката T1 в кристалите може да достигне няколко часа, спектрометърът с ниска разделителна способност трябва да може да записва ЯМР при изключително ниски нива на радиочестотно поле 1, за да се избегне насищане на сигнала. Чувствителността на метода на модулация зависи от съотношението Am/d и това съотношение за слаби сигнали трябва да бъде избрано сравнимо с единица. Но тогава се получава силно модулационно разширяване, което трябва да се вземе предвид при обработката на сигнали. Трудностите се увеличават още повече, ако ЯМР линията има широки и тесни компоненти - с един запис е невъзможно да се предаде правилно съотношението на интензитетите на тези компоненти.
Напоследък импулсните методи за записване на широки ЯМР линии в твърди вещества стават все по-популярни, но това създава свои собствени трудности. За да се възбудят всички преходи в спиновата система по един и същи начин, е необходимо да се използват много къси импулси с продължителност t и £ 1 μs; това изисква мощни източници на радиочестотни трептения. В допълнение, времевият отговор на спиновата система за широки линии (T2~10 μs) намалява много бързо; За да се произведат достатъчен брой проби за няколко микросекунди, е необходим аналогово-цифров преобразувател със скорост от около 0,1 μs канал.
Големи затруднения възникват поради звънене на веригата в сензора и претоварване на приемника след мощен импулс. Предимството на импулсната техника е, че в един експеримент могат да се определят всички параметри на ядрения магнетизъм в дадена проба - моменти, форма на линията и времена на релаксация. Според теоремата на Фурие големите честоти съответстват на малки времена. Поради това се създават импулсни методи за анализ на явления, които се случват за пренебрежимо кратко време след края на импулса. Те повишават точността на определяне на най-високите моменти на ЯМР линията до n=14.
За да се приложи стесняване на импулса (висока разделителна способност в твърдо тяло), броят на импулсните канали на предавателя трябва да бъде поне четири. Генерират се мощни импулси в режим на усилване на трептенията, създадени от прецизен главен осцилатор. Продължителността на работата му трябва да е достатъчно голяма, за да се постигне необходимата точност при настройка на честотата и фазата на радиочестотното запълване на импулсите. В допълнение, кохерентността на спектрометъра позволява високочестотно синхронно откриване за подобряване на чувствителността.
Заедно със синхронното откриване, натрупването на сигнал с помощта на многоканални устройства за съхранение е много широко използвано. Стабилността на ЯМР спектрометрите осигурява дългосрочно недвусмислено съответствие на всеки спектрален интервал Dn с номера на канала за съхранение на устройството за съхранение.
Спектрометрите с висока разделителна способност, базирани на метода за намиране на резонансни условия, се разделят на стационарни и импулсни спектрометри. В стационарните спектрометри резонансът се открива чрез промяна (почистване) на един от параметрите (n или 0), докато другият се фиксира. В импулсните спектрометри при постоянно външно поле 0 пробата се облъчва с кратък високочестотен импулс с продължителност t с честота n, т.е. честотен спектър, чиято основна мощност е в лентата n±1/t. В тази лента всички съответни ЯМР преходи се възбуждат, давайки отговор - сигнал за затихване на свободната индукция. Трансформацията на Фурие на този сигнал дава обичайния NMR спектър.
Спектрометрите, работещи в стационарен режим, се състоят от следните основни компоненти:
Магнит, който създава много равномерно поле;
Сигнален сензор, съдържащ тестовата проба и приемаща намотка;
Сканиращо устройство, което ви позволява да променяте основното магнитно поле в малки граници според определен закон;
Радиочестотен генератор, работещ в метров диапазон;
RF приемник и усилвател;
Осцилоскоп и записващ потенциометър за наблюдение и запис на спектри.
Достатъчно бързото въртене на пробата позволява ефективно да се отървете от влиянието на градиентите на магнитното поле 0. Това обстоятелство, във връзка с непрекъснатото увеличаване на използваните стойности на 0, води до факта, че постигнатата относителна разделителна способност, измерено като отношение DН/0, където DН е наблюдаваната нееднородност на магнитното поле, е в интервал 10-9 – 10-10. Линиите, измерени в десети и стотни от херца, чиято ширина се определя от продължителността на времето за релаксация в течността (10–20 s), водят до значителни затруднения. Следователно може да отнеме няколко часа, за да завършите спектъра еднократно. Това поставя много високи изисквания към системата за стабилизиране на резонансните условия, което обикновено се извършва с помощта на ЯМР (с помощта на допълнителна проба - външна стабилизация или с помощта на една от линиите на изследваната проба - вътрешна стабилизация). Най-успешни резултати се получават чрез комбиниране на вътрешна и външна стабилизация.
ЯМР спектроскопията е метод за анализ без разрушаване. Модерен импулсната NMR спектроскопия на Фурие позволява анализ при 80 mag. ядра. ЯМР спектроскопията е една от основните. Phys.-Chem. методи за анализ, неговите данни се използват за недвусмислена идентификация като интервали. химически продукти r-ции и цел в-в. В допълнение към структурните задания и количествата. анализ, NMR спектроскопията носи информация за конформационни равновесия, дифузия на атоми и молекули в твърди вещества, вътрешни. движения, водородни връзки и асоцииране в течности, кето-енолна тавтомерия, метало- и прототропия, ред и разпределение на звената в полимерни вериги, адсорбция на вещества, електронна структура на йонни кристали, течни кристали и др. ЯМР спектроскопията е източник на информация върху структурата на биополимери, включително протеинови молекули в разтвори, сравними по надеждност с данните от рентгеновия дифракционен анализ. През 80-те години Започва бързото навлизане в медицината на методите ЯМР спектроскопия и томография за диагностика на сложни заболявания и за диспансеризация на населението.
Броят и позицията на линиите в ЯМР спектрите недвусмислено характеризират всички фракции на суров нефт, синтетичен. каучук, пластмаси, шисти, въглища, лекарства, лекарства, химически продукти. и фармацевтични бал-сти и др.
Интензитетът и ширината на NMR линията на водата или маслото позволяват точното измерване на съдържанието на влага и масло в семената и безопасността на зърното. При разстройване от водни сигнали е възможно да се запише съдържанието на глутен във всяко зърно, което, подобно на анализа на съдържанието на масло, позволява ускорена земеделска селекция. култури
Използването на все по-силни магнити. полета (до 14 T в серийни устройства и до 19 T в експериментални инсталации) осигурява възможност за пълно определяне на структурата на протеиновите молекули в разтвори, експресен анализ на биол. течности (концентрации на ендогенни метаболити в кръв, урина, лимфа, цереброспинална течност), контрол на качеството на нови полимерни материали. В този случай се използват многобройни варианти на многоквантова и многомерна спектроскопия на Фурие. техники.
Феноменът ЯМР е открит от Ф. Блок и Е. Пърсел (1946 г.), за което са удостоени с Нобелова награда (1952 г.).
Явлението ядрено-магнитен резонанс може да се използва не само във физиката и химията, но и в медицината: човешкото тяло е съвкупност от едни и същи органични и неорганични молекули.
За да се наблюдава това явление, обект се поставя в постоянно магнитно поле и се излага на радиочестотни и градиентни магнитни полета. В бобината на индуктора, заобикаляща изследвания обект, възниква променлива електродвижеща сила (ЕМС), чийто амплитудно-честотен спектър и преходни във времето характеристики носят информация за пространствената плътност на резониращите атомни ядра, както и други параметри, специфични само за ядрено-магнитен резонанс. Компютърната обработка на тази информация генерира триизмерно изображение, което характеризира плътността на химически еквивалентните ядра, времената на релаксация на ядрено-магнитния резонанс, разпределението на скоростите на флуидния поток, дифузията на молекулите и биохимичните метаболитни процеси в живите тъкани.
Същността на ЯМР интроскопията (или магнитно-резонансната томография) всъщност е извършването на специален вид количествен анализ на амплитудата на сигнала от ядрено-магнитен резонанс. При конвенционалната ЯМР спектроскопия човек се стреми да постигне възможно най-добрата разделителна способност на спектралните линии. За да се постигне това, магнитните системи се настройват по такъв начин, че да създадат възможно най-добрата еднородност на полето в пробата. При методите на ЯМР интроскопия, напротив, създаденото магнитно поле е очевидно нееднородно. Тогава има основание да се очаква, че честотата на ядрено-магнитния резонанс във всяка точка на пробата има своя собствена стойност, различна от стойностите в други части. Чрез задаване на произволен код за градациите на амплитудата на ЯМР сигналите (яркост или цвят на екрана на монитора), можете да получите конвенционално изображение (томограма) на секции от вътрешната структура на обекта.
ЯМР интроскопията и ЯМР томографията са изобретени за първи път в света през 1960 г. от В. А. Иванов. Некомпетентен експерт отхвърли заявката за изобретение (метод и устройство) „... поради очевидната безполезност на предложеното решение“, така че авторското свидетелство за това беше издадено едва след повече от 10 години. Така официално се признава, че авторът на ЯМР томографията не е екипът от изброените по-долу нобелови лауреати, а руски учен. Въпреки този юридически факт, Нобеловата награда е присъдена за ЯМР томографията не на В. А. Спектрал
За точно изследване на спектрите вече не са достатъчни такива прости устройства като тесен процеп, ограничаващ светлинния лъч, и призма. Необходими са инструменти, които осигуряват ясен спектър, т.е. инструменти, които добре разделят вълните с различна дължина и не позволяват отделни части от спектъра да се припокриват. Такива устройства се наричат спектрални устройства. Най-често основната част от спектралния апарат е призма или дифракционна решетка.
ЕЛЕКТРОНЕН ПАРАМАГНИТЕН РЕЗОНАНС
Същността на метода
Същността на явлението електронен парамагнитен резонанс е резонансното поглъщане на електромагнитно излъчване от несдвоени електрони. Електронът има спин и свързан магнитен момент.
Ако поставим свободен радикал с произтичащ ъглов импулс J в магнитно поле със сила B 0 , тогава за J различно от нула, дегенерацията в магнитното поле се премахва и в резултат на взаимодействие с магнитното поле, 2J+1 възникват нива, чиято позиция се описва с израза: W =gβB 0 M, (където M = +J, +J-1, …-J) и се определя от Zeeman взаимодействието на магнитното поле с магнитния момент J. Разделянето на енергийните нива на електроните е показано на фигурата.
Енергийни нива и разрешени преходи за атом с ядрен спин 1 в постоянно (A) и променливо (B) поле.
Ако сега приложим електромагнитно поле с честота ν, поляризирано в равнина, перпендикулярна на вектора на магнитното поле B 0, към парамагнитния център, тогава това ще предизвика магнитни диполни преходи, които се подчиняват на правилото за избор ΔM = 1. Когато енергията на електронният преход съвпада с енергията на фотоелектромагнитната вълна, ще настъпи резонансна реакция поглъщане на микровълново лъчение. По този начин условието за резонанс се определя от основната връзка на магнитния резонанс
Поглъщането на енергията на микровълновото поле се наблюдава, ако има разлика в населението между нивата.
При термично равновесие има малка разлика в популациите на нивата на Zeeman, определени от разпределението на Болцман = exp(gβB 0 /kT). В такава система, когато преходите са възбудени, равенството на популациите на енергийните поднива трябва много бързо да настъпи и абсорбцията на микровълновото поле трябва да изчезне. В действителност обаче съществуват много различни механизми на взаимодействие, в резултат на които електронът нерадиационно се връща в първоначалното си състояние. Ефектът на постоянен интензитет на поглъщане с нарастваща мощност възниква поради електрони, които нямат време да се отпуснат, и се нарича насищане. Насищането се появява при висока мощност на микровълново излъчване и може значително да изкриви резултатите от измерването на концентрацията на центрове по метода EPR.
Стойност на метода
Методът EPR предоставя уникална информация за парамагнитните центрове. Той ясно разграничава примесните йони, изоморфно включени в решетката, от микровключванията. В този случай се получава пълна информация за даден йон в кристала: валентност, координация, локална симетрия, хибридизация на електрони, колко и в какви структурни позиции на електроните е включен, ориентацията на осите на кристалното поле при местоположението на този йон, пълна характеристика на кристалното поле и подробна информация за химическата връзка. И което е много важно, методът ви позволява да определите концентрацията на парамагнитни центрове в области на кристала с различна структура.
Но EPR спектърът не е само характеристика на йон в кристал, но и на самия кристал, характеристики на разпределението на електронната плътност, кристално поле, йонност-ковалентност в кристал и накрая, просто диагностична характеристика на минерал, тъй като всеки йон във всеки минерал има свои собствени уникални параметри. В този случай парамагнитният център е вид сонда, осигуряваща спектроскопични и структурни характеристики на своята микросреда.
Това свойство се използва в т.нар. методът на спиновите етикети и сонди, базиран на въвеждането на стабилен парамагнитен център в изследваната система. Като такъв парамагнитен център, като правило, се използва нитроксилен радикал, характеризиращ се с анизотропност жИ Атензори.
ЯМР спектроскопия
Спектроскопия с ядрено-магнитен резонанс, ЯМР спектроскопия- спектроскопичен метод за изследване на химически обекти, използващ явлението ядрено-магнитен резонанс. Най-важните за химията и практическите приложения са спектроскопията на протонния магнитен резонанс (PMR спектроскопия), както и NMR спектроскопията на въглерод-13 ( 13 C NMR спектроскопия), флуор-19 (инфрачервена спектроскопия, NMR разкрива информация за молекулната структура на химикалите Въпреки това, той предоставя по-пълна информация от IS, позволявайки да се изследват динамични процеси в проба - да се определят константите на скоростта на химичните реакции и големината на енергийните бариери пред вътрешномолекулното въртене. Тези характеристики правят ЯМР спектроскопията удобен инструмент както за теоретични органични химия и биологични обекти.
Основна ЯМР техника
Проба от вещество за ЯМР се поставя в тънкостенна стъклена тръба (ампула). Когато се постави в магнитно поле, NMR активните ядра (като 1 H или 13 C) абсорбират електромагнитна енергия. Резонансната честота, енергията на поглъщане и интензитетът на излъчвания сигнал са пропорционални на силата на магнитното поле. Така че в поле от 21 тесла протонът резонира с честота 900 MHz.
Химическа промяна
В зависимост от локалната електронна среда, различни протони в една молекула резонират на малко по-различни честоти. Тъй като и това честотно изместване, и основната резонансна честота са правопропорционални на силата на магнитното поле, това изместване се преобразува в безразмерна величина, независима от магнитното поле, известна като химическо изместване. Химичното изместване се определя като относителна промяна спрямо някои референтни проби. Изместването на честотата е изключително малко в сравнение с основната честота на ЯМР. Типичното изместване на честотата е 100 Hz, докато основната NMR честота е от порядъка на 100 MHz. По този начин химичното изместване често се изразява в части на милион (ppm). За да се открие такава малка честотна разлика, приложеното магнитно поле трябва да бъде постоянно в обема на пробата.
Тъй като химическото изместване зависи от химическата структура на веществото, то се използва за получаване на структурна информация за молекулите в пробата. Например спектърът за етанол (CH3CH2OH) дава 3 отличителни сигнала, тоест 3 химични измествания: едно за CH3 групата, второ за CH2 групата и последно за OH. Типичното изместване за СН3 група е приблизително 1 ppm, за СН2 група, прикрепена към OH - 4 ppm и OH е приблизително 2-3 ppm.
Благодарение на молекулярното движение при стайна температура, сигналите на 3-те метилови протона се осредняват по време на NMR процеса, който продължава само няколко милисекунди. Тези протони се израждат и образуват пикове при същото химично изместване. Софтуерът ви позволява да анализирате размера на пиковете, за да разберете колко протони допринасят за тези пикове.
Спин-спин взаимодействие
Най-полезната информация за определяне на структурата в едномерен ЯМР спектър се предоставя от така нареченото спин-спиново взаимодействие между активните ЯМР ядра. Това взаимодействие е резултат от преходи между различни спинови състояния на ядра в химически молекули, което води до разделяне на ЯМР сигналите. Това разделяне може да бъде просто или сложно и в резултат на това може да бъде лесно за тълкуване или може да бъде объркващо за експериментатора.
Това свързване предоставя подробна информация за връзките на атомите в молекулата.
Взаимодействие от втори ред (силно)
Обикновено спин-спин свързване предполага, че константата на свързване е малка в сравнение с разликата в химичните отмествания между сигналите. Ако разликата в изместването намалее (или константата на взаимодействие се увеличи), интензитетът на мултиплетите на пробата се изкривява и става по-трудно за анализ (особено ако системата съдържа повече от 2 завъртания). Въпреки това, при мощните NMR спектрометри изкривяването обикновено е умерено и това позволява свързаните пикове да бъдат лесно интерпретирани.
Ефектите от втори ред намаляват с увеличаване на честотната разлика между мултиплетите, така че високочестотният NMR спектър показва по-малко изкривяване от нискочестотния спектър.
Приложение на ЯМР спектроскопията за изследване на протеини
Повечето от последните иновации в ЯМР спектроскопията са направени в така наречената ЯМР спектроскопия на протеини, която се превръща в много важна техника в съвременната биология и медицина. Общата цел е да се получи триизмерната структура на протеин с висока разделителна способност, подобна на изображенията, получени при рентгенова кристалография. Поради наличието на повече атоми в протеинова молекула в сравнение с обикновено органично съединение, основният 1D спектър е претъпкан с припокриващи се сигнали, което прави директния анализ на спектъра невъзможен. Следователно са разработени многоизмерни техники за решаване на този проблем.
За подобряване на резултатите от тези експерименти се използва методът на етикетирания атом, като се използва 13 C или 15 N. По този начин става възможно получаването на 3D спектър на протеинова проба, което се превърна в пробив в съвременната фармацевтика. Напоследък са широко разпространени техники (които имат както предимства, така и недостатъци) за получаване на 4D спектри и спектри с по-високи измерения, базирани на нелинейни методи за вземане на проби с последващо възстановяване на сигнала на затихване на свободната индукция с помощта на специални математически техники.
Литература
- Гюнтер X.Въведение в курса по ЯМР спектроскопия. - пер. от английски - М., 1984.
Фондация Уикимедия.
2010 г.
Вижте какво е "ЯМР спектроскопия" в други речници:
Изображение на човешки мозък върху медицински ЯМР томограф Ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) резонансно поглъщане на електромагнитна енергия от вещество, съдържащо ядра с ненулев спин във външно магнитно поле, причинено от преориентация... ... Wikipedia
ЯМР спектроскопия
ЯМР спектроскопия
магнитно-резонансна спектроскопия- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija и метрология apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. атитикменис: англ. ЯМР... ... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
ядрено-магнитна резонансна спектроскопия- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: англ. ЯМР спектроскопия; ядрено-магнитна резонансна спектроскопия vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; ЯМР спектроскопия, ф рус. спектроскопия на ядрени… Fizikos terminų žodynas
Magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija и метрология apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. атитикменис: англ. ЯМР... ... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
ядрено-резонансна спектроскопия- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: англ. ЯМР спектроскопия; ядрено-магнитна резонансна спектроскопия vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; ЯМР спектроскопия, ф рус. спектроскопия на ядрени… Fizikos terminų žodynas
Набор от методи за изследване. във VA според спектрите на поглъщане на техните атоми, йони и молекули. маг. радиовълни. Радиацията включва електронни парамагнитни методи. резонанс (EPR), ядрено-магнитни. резонанс (ЯМР), циклотронен резонанс и др. Естествена наука. Енциклопедичен речник
Изображение на човешки мозък върху медицински NMR томограф Ядрено-магнитен резонанс (NMR) резонансно поглъщане или излъчване на електромагнитна енергия от вещество, съдържащо ядра с ненулево въртене във външно магнитно поле, при честота ν ... ... Wikipedia
Методът на ЯМР спектроскопията се основава на магнитните свойства на ядрата. Ядрата на атомите носят положителен заряд и се въртят около оста си. Въртенето на заряда води до появата на магнитен дипол.
Ъгловият импулс на въртене, който може да се опише чрез спиновото квантово число (I). Числената стойност на спиновото квантово число е равна на сумата от спиновите квантови числа на протоните и неутроните, включени в ядрото.
Квантовото число на спина може да приеме стойността
Ако броят на нуклоните е четен, тогава стойността I = 0 или цяло число. Това са ядрата C 12, H 2, N 14; такива ядра не абсорбират радиочестотно лъчение и не произвеждат сигнали при ЯМР спектроскопия.
I = ± 1 / 2 H 1, P 31, F 19 - абсорбират радиочестотно лъчение и произвеждат сигнал от ЯМР спектъра.
I = ± 1 1/2 CL 35, Br 79 - несиметрично разпределение на заряда по повърхността на ядрото. Което води до появата на квадрополен момент. Такива ядра не се изследват чрез ЯМР спектроскопия.
PMR - спектроскопия
Числената стойност на I (I = ±1/2) определя броя на възможните ориентации на ядрото във външно магнитно поле в съответствие с формулата:
От тази формула става ясно, че броят на ориентациите е 2.
За да се осъществи преходът на протон, разположен на по-ниско ниво, към по-високо, трябва да му се даде енергия, равна на разликата в енергията на тези нива, т.е. да се облъчи с лъчение със строго определена чистота. Разликата в енергийните нива (ΔΕ) зависи от големината на наложеното магнитно поле (H 0) и магнитната природа на ядрата, описана от магнитния момент (μ). Тази стойност се определя чрез ротация:
, Къде
h – константата на Планк
Големината на външното магнитно поле
γ – коефициентът на пропорционалност, наречен жиромагнитно отношение, определя връзката между спиновото квантово число I и магнитния момент μ.
– основно ЯМР уравнение, той свързва величината на външното магнитно поле, магнитната природа на ядрата и чистотата на радиацията, при която се получава абсорбцията на радиационна енергия и ядрата се движат между нивата.
От горния запис става ясно, че за едни и същи ядра, протони, има строга зависимост между стойността на H 0 и μ.
Така например, за да могат протонните ядра във външно магнитно поле от 14000 Gauss да се преместят на по-високо магнитно ниво, те трябва да бъдат облъчени с честота от 60 MHz; ако до 23000 Gauss, тогава радиация с честота от Ще са необходими 100 MHz.
По този начин от горното следва, че основните части на ЯМР спектрометъра трябва да бъдат мощен магнит и източник на радиочестотно излъчване.
Анализиращото вещество се поставя в ампула от специални видове стъкло с дебелина 5 mm. Поставяме ампулата в пролуката на магнит, за по-равномерно разпределение на магнитното поле вътре в ампулата, тя се върти около оста си, с помощта на намотка излъчването се генерира непрекъснато от радиочестотно излъчване. Честотата на това излъчване варира в малък диапазон. В даден момент от времето, когато честотата точно съответства на уравнението на NMR спектроскопията, се наблюдава поглъщане на радиационна енергия и протоните преориентират своя спин - това поглъщане на енергия се записва от приемащата намотка като тесен пик.
При някои модели спектрометри μ=const, а в малки коридори стойността на H 0 се променя. За регистриране на спектъра са необходими 0,4 ml от веществото, ако твърдо вещество се разтваря в подходящ разтвор, е необходимо да се вземат 10-50 ml/g от веществото.
За да се получи висококачествен спектър, е необходимо да се използват разтвори с концентрация 10–20%. Границата на NMR чувствителност съответства на 5%.
За да се увеличи чувствителността с помощта на компютър, се използват много часове натрупване на сигнал, докато полезният сигнал се увеличава по интензитет.
В по-нататъшното усъвършенстване на техниката за спектроразпределение на ЯМР започна използването на преобразуване на сигнала на Фурие. В този случай пробата не се облъчва с лъчение с бавно променяща се честота, а с лъчение, свързващо всички честоти в един пакет. В този случай се абсорбира лъчение с една честота и протоните преминават към горното енергийно ниво, след което краткият импулс се изключва и след това възбудените протони започват да губят погълнатата енергия и се преместват към долното ниво. Този енергиен феномен се записва от системата като поредица от милисекунди импулси, които затихват с времето.
Идеалният разтворител е вещество, което не съдържа протони, тоест въглероден тетрахлорид и въглеродна сяра, но някои вещества не се разтварят в тези разтвори, така че всички разтворители, в молекулите на които атомите на лекия изотоп H1 са заменени с атоми от тежкия изотоп деутерий се използват. Изотопната честота трябва да съответства на 99%.
СDCl 3 – деутерий
Деутерият не произвежда сигнал в ЯМР спектрите. По-нататъшно развитие на метода беше използването на високоскоростен компютър и по-нататъшното преобразуване на сигнала. В този случай, вместо последното сканиране на честотата на излъчване, върху пробата се наслагва моментно излъчване, съдържащо всички възможни честоти. В този случай всички ядра моментално се възбуждат и спиновете им се преориентират. След като радиацията бъде изключена, ядрата започват да освобождават енергия и преминават към по-ниско енергийно ниво. Този изблик на енергия продължава няколко секунди и се състои от поредица от микросекундни импулси, които се записват от записващата система под формата на вилица.
