- Suština fenomena
Prije svega, treba napomenuti da iako naziv ovog fenomena sadrži riječ "nuklearni", NMR nema nikakve veze s nuklearnom fizikom i ni na koji način nije povezan s radioaktivnošću. Ako govorimo o strogom opisu, onda se ne može bez zakona kvantne mehanike. Prema ovim zakonima, energija interakcije magnetnog jezgra sa vanjskim magnetskim poljem može poprimiti samo nekoliko diskretnih vrijednosti. Ako su magnetna jezgra ozračena naizmjeničnim magnetnim poljem, čija frekvencija odgovara razlici između ovih diskretnih energetskih nivoa, izraženih u frekvencijskim jedinicama, tada magnetna jezgra počinju da se kreću s jednog nivoa na drugi, apsorbirajući pritom energiju naizmjeničnog polje. Ovo je fenomen magnetne rezonance. Ovo objašnjenje je formalno tačno, ali ne baš jasno. Postoji još jedno objašnjenje, bez kvantne mehanike. Magnetno jezgro se može zamisliti kao električno nabijena kugla koja rotira oko svoje ose (iako, strogo govoreći, to nije tako). Prema zakonima elektrodinamike, rotacija naboja dovodi do pojave magnetnog polja, odnosno magnetskog momenta jezgra, koje je usmjereno duž ose rotacije. Ako se ovaj magnetni moment smjesti u konstantno vanjsko polje, tada vektor ovog momenta počinje da precesira, odnosno rotira oko smjera vanjskog polja. Na isti način, os vrha precesira (rotira) oko vertikale ako nije odvijena strogo okomito, već pod određenim kutom. U ovom slučaju ulogu magnetskog polja igra sila gravitacije.
Frekvencija precesije je određena i svojstvima jezgra i jačinom magnetnog polja: što je polje jače, to je frekvencija veća. Zatim, ako, pored konstantnog vanjskog magnetskog polja, na jezgro djeluje i naizmjenično magnetsko polje, tada jezgro počinje interakciju s tim poljem - čini se da jače zamahuje jezgro, amplituda precesije se povećava, a jezgro apsorbuje energiju naizmeničnog polja. Međutim, to će se dogoditi samo pod uvjetom rezonancije, odnosno podudarnosti frekvencije precesije i frekvencije vanjskog naizmjeničnog polja. Ovo je slično klasičnom primjeru iz školske fizike - vojnici marširaju preko mosta. Ako se frekvencija koraka poklapa sa prirodnom frekvencijom mosta, tada se most sve više ljulja. Eksperimentalno, ovaj fenomen se manifestuje u zavisnosti apsorpcije naizmeničnog polja o njegovoj frekvenciji. U trenutku rezonancije, apsorpcija se naglo povećava, a najjednostavniji spektar magnetne rezonancije izgleda ovako:
- Fourier transformska spektroskopija
Prvi NMR spektrometri su radili upravo onako kako je gore opisano - uzorak je stavljen u konstantno magnetno polje, a na njega je kontinuirano primijenjeno radiofrekventno zračenje. Tada su ili frekvencija naizmjeničnog polja ili intenzitet konstantnog magnetnog polja glatko varirali. Apsorpcija energije naizmjeničnog polja bilježena je radiofrekvencijskim mostom, signal sa kojeg je izlazio na snimač ili osciloskop. Ali ovaj način snimanja signala se dugo nije koristio. U modernim NMR spektrometrima, spektar se snima pomoću impulsa. Magnetski momenti jezgara se pobuđuju kratkim snažnim impulsom, nakon čega se bilježi signal indukovan u RF zavojnici slobodno precesirajućim magnetskim momentima. Ovaj signal se postepeno smanjuje na nulu kako se magnetni momenti vraćaju u ravnotežu (ovaj proces se naziva magnetna relaksacija). NMR spektar se dobija iz ovog signala korišćenjem Fourierove transformacije. Ovo je standardni matematički postupak koji vam omogućava da razložite bilo koji signal na frekvencijske harmonike i tako dobijete frekvencijski spektar ovog signala. Ova metoda snimanja spektra omogućava vam da značajno smanjite razinu buke i mnogo brže provodite eksperimente.
Jedan uzbudljiv impuls za snimanje spektra je najjednostavniji NMR eksperiment. Međutim, u eksperimentu može biti mnogo takvih impulsa različitog trajanja, amplituda, sa različitim kašnjenjima između njih itd., ovisno o tome kakve manipulacije istraživač treba da izvrši sa sistemom nuklearnih magnetnih momenata. Međutim, gotovo sve ove impulsne sekvence završavaju na istom - snimanju signala slobodne precesije nakon čega slijedi Fourierova transformacija.
- Magnetne interakcije u materiji
Sama magnetna rezonanca ne bi ostala ništa više od zanimljivog fizičkog fenomena da nije bilo magnetskih interakcija jezgri međusobno i sa elektronskom ljuskom molekula. Ove interakcije utiču na rezonantne parametre, a uz njihovu pomoć, NMR metoda može pružiti različite informacije o svojstvima molekula – njihovoj orijentaciji, prostornoj strukturi (konformaciji), međumolekularnim interakcijama, hemijskoj razmeni, rotacionoj i translacionoj dinamici. Zahvaljujući tome, NMR je postao veoma moćan alat za proučavanje supstanci na molekularnom nivou, koji se široko koristi ne samo u fizici, već uglavnom u hemiji i molekularnoj biologiji. Primjer jedne takve interakcije je takozvani kemijski pomak. Njegova je suština sljedeća: elektronska ljuska molekula reagira na vanjsko magnetsko polje i pokušava ga ekranizirati - djelomično skriniranje magnetnog polja događa se u svim dijamagnetskim supstancama. To znači da će se magnetsko polje u molekuli razlikovati od vanjskog magnetskog polja za vrlo malu količinu, što se naziva kemijskim pomakom. Međutim, svojstva elektronske ljuske u različitim dijelovima molekule su različita, a kemijski pomak je također različit. Shodno tome, rezonantni uslovi za jezgra u različitim delovima molekula će se takođe razlikovati. Ovo omogućava razlikovanje hemijski neekvivalentnih jezgara u spektru. Na primjer, ako uzmemo spektar jezgara vodika (protona) čiste vode, tada će postojati samo jedna linija, budući da su oba protona u molekuli H 2 O potpuno ista. Ali za metil alkohol CH 3 OH već će postojati dvije linije u spektru (ako zanemarimo druge magnetske interakcije), budući da postoje dvije vrste protona - protoni metil grupe CH 3 i proton povezan s atomom kisika. Kako molekuli postaju složeniji, broj linija će se povećavati, a ako uzmemo tako veliku i složenu molekulu kao protein, onda će u ovom slučaju spektar izgledati otprilike ovako:
- Magnetna jezgra
NMR se može posmatrati na različitim jezgrama, ali se mora reći da nemaju sve jezgre magnetni moment. Često se dešava da neki izotopi imaju magnetni moment, ali drugi izotopi istog jezgra nemaju. Ukupno postoji više od stotinu izotopa različitih hemijskih elemenata koji imaju magnetna jezgra, ali u istraživanju se obično ne koristi više od 1520 magnetnih jezgara, sve ostalo je egzotika. Svako jezgro ima svoj karakterističan omjer magnetskog polja i frekvencije precesije, koji se naziva žiromagnetski omjer. Za sva jezgra ovi odnosi su poznati. Koristeći ih, možete odabrati frekvenciju na kojoj će se, pod datim magnetskim poljem, promatrati signal iz jezgara koji je potreban istraživaču.
Najvažnija jezgra za NMR su protoni. Najzastupljenije su u prirodi i imaju vrlo visoku osjetljivost. Jezgra ugljika, dušika i kisika vrlo su važna za hemiju i biologiju, ali naučnici nisu imali puno sreće s njima: najčešći izotopi ugljika i kisika, 12 C i 16 O, nemaju magnetni moment, prirodni izotop dušika 14 N ima trenutak, ali je iz više razloga vrlo nezgodan za eksperimente. Postoje izotopi 13 C, 15 N i 17 O koji su pogodni za NMR eksperimente, ali njihova prirodna zastupljenost je vrlo niska i njihova osjetljivost je vrlo niska u poređenju s protonima. Stoga se za NMR studije često pripremaju posebni uzorci obogaćeni izotopima, u kojima se prirodni izotop određenog jezgra zamjenjuje onim potrebnim za eksperimente. U većini slučajeva ova procedura je veoma teška i skupa, ali ponekad je jedina prilika da se dobiju potrebne informacije.
- Elektronska paramagnetna i kvadrupolna rezonancija
Govoreći o NMR-u, ne može se ne spomenuti još dva povezana fizička fenomena - elektronska paramagnetna rezonanca (EPR) i nuklearna kvadrupolna rezonanca (NQR). EPR je u suštini sličan NMR-u, razlika je u tome što se rezonancija opaža u magnetnim momentima ne atomskih jezgara, već elektronske ljuske atoma. EPR se može uočiti samo u onim molekulima ili hemijskim grupama čija elektronska ljuska sadrži takozvani nespareni elektron, tada ljuska ima magnetni moment različit od nule. Takve supstance se nazivaju paramagneti. EPR se, kao i NMR, također koristi za proučavanje različitih strukturnih i dinamičkih svojstava supstanci na molekularnom nivou, ali je njegov opseg upotrebe znatno uži. To je uglavnom zbog činjenice da većina molekula, posebno u živoj prirodi, ne sadrži nesparene elektrone. U nekim slučajevima možete koristiti takozvanu paramagnetnu sondu, odnosno kemijsku grupu s nesparenim elektronom koji se veže za molekul koji se proučava. Ali ovaj pristup ima očigledne nedostatke koji ograničavaju mogućnosti ove metode. Osim toga, EPR nema tako visoku spektralnu rezoluciju (tj. sposobnost razlikovanja jedne linije od druge u spektru) kao u NMR.
Najteže je objasniti prirodu NQR-a „na prstima“. Neka jezgra imaju ono što se naziva električni kvadrupolni moment. Ovaj trenutak karakterizira odstupanje raspodjele električnog naboja jezgra od sferne simetrije. Interakcija ovog trenutka s gradijentom električnog polja stvorenog kristalnom strukturom tvari dovodi do cijepanja energetskih nivoa jezgra. U ovom slučaju može se uočiti rezonancija na frekvenciji koja odgovara prijelazima između ovih nivoa. Za razliku od NMR i EPR, NQR ne zahtijeva eksterno magnetno polje, budući da se cijepanje nivoa događa bez njega. NQR se također koristi za proučavanje supstanci, ali je njegov opseg primjene čak i uži od EPR-a.
- Prednosti i nedostaci NMR
NMR je najmoćnija i najinformativnija metoda za proučavanje molekula. Strogo govoreći, ovo nije jedna metoda, to je veliki broj različitih vrsta eksperimenata, odnosno pulsnih sekvenci. Iako su svi bazirani na fenomenu NMR, svaki od ovih eksperimenata je dizajniran da dobije neke specifične specifične informacije. Broj ovih eksperimenata se mjeri u desetinama, ako ne i stotinama. Teoretski, NMR može, ako ne sve, onda gotovo sve što mogu sve druge eksperimentalne metode za proučavanje strukture i dinamike molekula, iako je u praksi to izvodljivo, naravno, ne uvijek. Jedna od glavnih prednosti NMR-a je to što su, s jedne strane, njegove prirodne sonde, odnosno magnetna jezgra, raspoređene po molekuli, a s druge strane, omogućava da se ta jezgra razlikuju jedna od druge i da se dobije prostorno selektivna podaci o svojstvima molekula. Gotovo sve druge metode daju informacije ili prosječne po cijelom molekulu ili samo o jednom njegovom dijelu.
NMR ima dva glavna nedostatka. Prvo, to je niska osjetljivost u odnosu na većinu drugih eksperimentalnih metoda (optička spektroskopija, fluorescencija, EPR, itd.). To dovodi do činjenice da se za prosječnu buku signal mora akumulirati dugo vremena. U nekim slučajevima, NMR eksperiment se može izvesti čak i nekoliko sedmica. Drugo, skupo je. NMR spektrometri su među najskupljim naučnim instrumentima, koštaju najmanje stotine hiljada dolara, a najskuplji spektrometri koštaju nekoliko miliona. Ne mogu sve laboratorije, posebno u Rusiji, priuštiti takvu naučnu opremu.
- Magneti za NMR spektrometre
Jedan od najvažnijih i najskupljih dijelova spektrometra je magnet, koji stvara konstantno magnetsko polje. Što je polje jače, veća je osetljivost i spektralna rezolucija, pa naučnici i inženjeri neprestano pokušavaju da polja postanu što veća. Magnetno polje stvara električna struja u solenoidu – što je struja jača, to je polje veće. Međutim, nemoguće je neograničeno povećavati struju pri vrlo velikoj struji, solenoidna žica će se jednostavno početi topiti. Zbog toga se jako dugo koriste supravodljivi magneti za NMR spektrometre visokog polja, odnosno magnete u kojima je solenoidna žica u supravodljivom stanju. U ovom slučaju, električni otpor žice je nula, a energija se ne oslobađa ni pri jednoj vrijednosti struje. Superprovodljivo stanje se može postići samo na vrlo niskim temperaturama, samo nekoliko stepeni Kelvina, na temperaturi tečnog helijuma. (Visokotemperaturna supravodljivost je još uvijek domen čisto fundamentalnih istraživanja.) Upravo s održavanjem tako niske temperature povezane su sve tehničke poteškoće u dizajnu i proizvodnji magneta, koje ih čine skupim. Superprovodljivi magnet izgrađen je na principu termos-matrjoške. Solenoid se nalazi u sredini, u vakuumskoj komori. Okružena je školjkom koja sadrži tečni helijum. Ova ljuska je okružena ljuskom tečnog azota kroz vakuumski sloj. Temperatura tečnog azota je minus 196 stepeni Celzijusa azot je potreban da bi se osiguralo da helijum isparava što je sporije moguće. Konačno, azotna ljuska je izolirana od sobne temperature vanjskim vakuumskim slojem. Takav sistem je sposoban da održava željenu temperaturu supravodljivog magneta veoma dugo, iako je za to potrebno redovno dodavanje tečnog azota i helija u magnet. Prednost takvih magneta, pored mogućnosti dobivanja velikih magnetnih polja, je i to što ne troše energiju: nakon pokretanja magneta struja teče kroz supravodljive žice gotovo bez gubitaka dugi niz godina.
- Tomografija
U konvencionalnim NMR spektrometrima pokušavaju da magnetsko polje učine što ujednačenijim, što je neophodno za poboljšanje spektralne rezolucije. Ali ako se magnetsko polje unutar uzorka, naprotiv, učini vrlo nehomogenim, to otvara fundamentalno nove mogućnosti za korištenje NMR. Nehomogenost polja stvaraju takozvani gradijentni namotaji, koji rade u tandemu sa glavnim magnetom. U ovom slučaju, veličina magnetnog polja u različitim dijelovima uzorka bit će različita, što znači da se NMR signal može posmatrati ne iz cijelog uzorka, kao u konvencionalnom spektrometru, već samo iz njegovog uskog sloja, za koji ispunjeni su uslovi rezonancije, tj. željeni odnos između magnetnog polja i frekvencije. Promjenom veličine magnetnog polja (ili, što je u suštini ista stvar, frekvencije posmatranja signala), možete promijeniti sloj koji će proizvoditi signal. Na ovaj način moguće je „skenirati“ uzorak kroz cijeli volumen i „vidjeti“ njegovu unutrašnju trodimenzionalnu strukturu bez uništavanja uzorka na bilo koji mehanički način. Do danas je razvijen veliki broj tehnika koje omogućavaju mjerenje različitih NMR parametara (spektralne karakteristike, vremena magnetske relaksacije, brzina samodifuzije i neke druge) sa prostornom rezolucijom unutar uzorka. Najzanimljivija i najvažnija, sa praktične tačke gledišta, primena NMR tomografije pronađena je u medicini. U ovom slučaju, "uzorak" koji se proučava je ljudsko tijelo. NMR snimanje je jedan od najefikasnijih i najsigurnijih (ali i skupih) dijagnostičkih alata u različitim oblastima medicine, od onkologije do akušerstva. Zanimljivo je da liječnici ne koriste riječ "nuklearna" u nazivu ove metode, jer je neki pacijenti povezuju s nuklearnim reakcijama i atomskom bombom.
- Istorija otkrića
Godinom otkrića NMR-a smatra se 1945., kada su Amerikanci Felix Bloch sa Stanforda i, nezavisno od njega, Edward Purcell i Robert Pound sa Harvarda prvi uočili NMR signal na protonima. Do tada se već mnogo znalo o prirodi nuklearnog magnetizma, sam NMR efekat je bio teoretski predviđen, a učinjeno je nekoliko pokušaja da se eksperimentalno posmatra. Važno je napomenuti da je godinu dana ranije u Sovjetskom Savezu, u Kazanu, EPR fenomen otkrio Evgeniy Zavoisky. Sada je dobro poznato da je Zavoisky posmatrao i NMR signal, to je bilo prije rata, 1941. godine. Međutim, on je imao na raspolaganju magnet lošeg kvaliteta sa lošom ujednačenošću polja, rezultati su bili slabo ponovljivi i stoga su ostali neobjavljeni. Da budemo pošteni, treba napomenuti da Zavoisky nije bio jedini koji je posmatrao NMR prije njegovog "zvaničnog" otkrića. Konkretno, američki fizičar Isidor Rabi (dobitnik Nobelove nagrade 1944. za svoje proučavanje magnetskih svojstava jezgara u atomskim i molekularnim snopovima) također je promatrao NMR kasnih 30-ih, ali ga je smatrao instrumentalnim artefaktom. Ovako ili onako, naša zemlja zadržava prioritet u eksperimentalnoj detekciji magnetne rezonance. Iako je sam Zavojski ubrzo nakon rata počeo da se bavi drugim problemima, njegovo otkriće je odigralo veliku ulogu u razvoju nauke u Kazanju. Kazanj i dalje ostaje jedan od vodećih svjetskih naučnih centara za EPR spektroskopiju.
- Nobelove nagrade za magnetnu rezonancu
U prvoj polovini 20. vijeka dodijeljeno je nekoliko Nobelovih nagrada naučnicima bez čijeg rada do otkrića NMR ne bi moglo doći. Među njima su Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Ali postojale su četiri Nobelove nagrade direktno vezane za NMR. Godine 1952. nagrada je dodijeljena Felixu Blochu i Edwardu Purcellu za otkriće nuklearne magnetne rezonancije. Ovo je jedina “NMR” Nobelova nagrada za fiziku. Godine 1991. nagradu za hemiju dobio je Švajcarac Richard Ernst, koji je radio na čuvenoj ETH u Cirihu. Dobio ga je za razvoj metoda višedimenzionalne NMR spektroskopije, koje su omogućile radikalno povećanje informacionog sadržaja NMR eksperimenata. Godine 2002. dobitnik je nagrade, takođe iz hemije, Kurt Wüthrich, koji je sa Ernstom radio u susednim zgradama iste Tehničke škole. Dobio je nagradu za razvoj metoda za određivanje trodimenzionalne strukture proteina u rastvoru. Ranije je jedina metoda za određivanje prostorne konformacije velikih biomakromolekula bila analiza difrakcije rendgenskih zraka. Konačno, 2003. godine, Amerikanac Paul Lauterbur i Englez Peter Mansfield dobili su medicinsku nagradu za izum NMR tomografije. Sovjetski otkrivač EPR-a, E.K. Zavoisky, nažalost, nije dobio Nobelovu nagradu.
Suština NMR fenomena može se ilustrovati na sljedeći način. Ako je jezgro s magnetnim momentom smješteno u jednolično polje 0 usmjereno duž ose z, tada je njegova energija (u odnosu na energiju u odsustvu polja) jednaka -mzH0, gdje je mz projekcija nuklearnog magneta momenta u pravcu polja.
Kao što je već napomenuto, jezgro može biti u 2I + 1 stanju. U nedostatku vanjskog polja 0, sva ova stanja imaju istu energiju. Ako najveću mjerljivu vrijednost komponente magnetskog momenta označimo sa m, tada se sve mjerljive vrijednosti komponente magnetskog momenta (u ovom slučaju mz) izražavaju u obliku mm, gdje je m kvantni broj koji može, kao npr. poznati, uzimaju vrijednosti
m=I,I–1,I–2,…,-(I+1),-I.
Budući da je udaljenost između energetskih nivoa koji odgovaraju svakom od 2I + 1 stanja jednaka mH0 / I, tada jezgro sa spinom I ima diskretne energetske nivoe:
MH0,-(I–1)/ImH0,…(I–1)/ImH0,mH0.
Cepanje energetskih nivoa u magnetnom polju može se nazvati nuklearnim Zeemanovim cepanjem, jer je slično cepljenju elektronskih nivoa u magnetskom polju (Zeeman-ov efekat). Zeemanovo razdvajanje za sistem sa I = 1 (sa tri nivoa energije).
NMR fenomen se sastoji od rezonantne apsorpcije elektromagnetne energije zbog magnetizma jezgara. To dovodi do očiglednog naziva fenomena: nuklearni - govorimo o sistemu jezgara, magnetni - mislimo samo na njihova magnetna svojstva, rezonancija - sama pojava je rezonantne prirode. Zaista, iz Borovih frekvencijskih pravila slijedi da je frekvencija n elektromagnetnog polja koje uzrokuje prijelaze između susjednih nivoa određena formulom:
hν=μH0/I, ili ν=μH0/hI.
Budući da su vektori ugaonog momenta (kutnog momenta) i magnetskog momenta paralelni, često je zgodno okarakterizirati magnetna svojstva jezgara vrijednošću g, određenom relacijom
gdje je γ žiromagnetski omjer, koji ima dimenziju radian*oersted-1*second-1 (rad*E-1*s-1). Uzimajući ovo u obzir, nalazimo
ν=γ0/2π. (3.2)
Dakle, frekvencija je proporcionalna primijenjenom polju.
Ako, kao tipičan primjer, uzmemo vrijednost $\gamma$ za proton jednaku 2,6753*104 rad/(E*s), a H0 = 10000 Oe, tada je rezonantna frekvencija
ν=42,577 (MHz)
Takva frekvencija se može generirati konvencionalnim radiotehničkim metodama.
NMR spektroskopiju karakteriše niz karakteristika koje je razlikuju od drugih analitičkih metoda. Otprilike polovina ($\sim$150) jezgara poznatih izotopa ima magnetne momente, ali se samo manjina sistematski koristi.
Prije pojave pulsnih spektrometara, većina studija je provedena korištenjem NMR fenomena na jezgrima vodonika (protona) 1H (protonska magnetna rezonanca - PMR) i fluora 19F. Ova jezgra imaju idealna svojstva za NMR spektroskopiju:
visok prirodni sadržaj “magnetnog” izotopa (1H 99,98%, 19F 100%); Za poređenje, može se spomenuti da je prirodni sadržaj “magnetnog” ugljičnog izotopa 13C 1,1%; veliki magnetni moment; spin I = 1/2.
Ovo određuje, prije svega, visoku osjetljivost metode pri detekciji signala iz gore navedenih jezgara. Osim toga, postoji teorijski striktno utemeljeno pravilo, prema kojem samo jezgra sa spinom jednakim ili većim od jedinice imaju električni kvadrupolni moment. Shodno tome, 1H i 19F NMR eksperimenti nisu komplikovani interakcijom nuklearnog kvadrupolnog momenta jezgra sa električnim okruženjem.
Uvođenje pulsnih NMR spektrometara u svakodnevnu praksu značajno je proširilo eksperimentalne mogućnosti ove vrste spektroskopije. Konkretno, snimanje 13C NMR spektra rastvora, najvažnijeg izotopa za hemiju, sada je praktično uobičajena procedura. Takođe je postalo uobičajeno detektovati signale iz jezgara, čiji je intenzitet NMR signala mnogo puta manji od intenziteta signala iz 1H, uključujući i čvrstu fazu.
NMR spektri visoke rezolucije obično se sastoje od uskih, dobro razlučenih linija (signala) koji odgovaraju magnetnim jezgrima u različitim hemijskim okruženjima. Intenzitet (površine) signala pri snimanju spektra proporcionalan je broju magnetnih jezgara u svakoj grupi, što omogućava provođenje kvantitativne analize pomoću NMR spektra bez preliminarne kalibracije.
Još jedna karakteristika NMR-a je uticaj procesa razmene u kojima učestvuju rezonantna jezgra na položaj i širinu rezonantnih signala. Stoga se priroda takvih procesa može proučavati iz NMR spektra. NMR linije u spektrima tekućina obično imaju širinu od 0,1 - 1 Hz (NMR visoke rezolucije), dok će ista jezgra proučavana u čvrstoj fazi dovesti do linija širine reda 1 * 104 Hz (dakle koncept NMR široke linije).
U NMR spektroskopiji visoke rezolucije postoje dva glavna izvora informacija o strukturi i dinamici molekula:
hemijski pomak; spin-spin interakcijske konstante.
U realnim uslovima, rezonirajuća jezgra, čiji se NMR signali detektuju, sastavni su deo atoma ili molekula. Kada se ispitivane supstance stave u magnetsko polje (0), javlja se dijamagnetski moment atoma (molekula), uzrokovan orbitalnim kretanjem elektrona. Ovo kretanje elektrona formira efektivne struje i, stoga, stvara sekundarno magnetno polje, proporcionalno u skladu sa Lenzovim zakonom polju 0 i suprotno usmereno. Ovo sekundarno polje djeluje na jezgro. Tako je lokalno polje na mjestu gdje se nalazi rezonantno jezgro lok = 0 (3.3)
gdje je σ bezdimenzionalna konstanta, nazvana konstanta ekranizacije i neovisna o 0, ali jako ovisi o kemijskom (elektronskom) okruženju; karakterizira smanjenje lok u odnosu na 0.
Vrijednost $\sigma$ varira od vrijednosti reda 10-5 za proton do vrijednosti reda reda 10-2 za teška jezgra. Uzimajući u obzir izraz za lok, imamo: ν=γΗ0(1−σ)/2π (3.4)
Efekt skrininga je smanjenje udaljenosti između nivoa nuklearne magnetske energije ili, drugim riječima, dovodi do konvergencije Zeemanovih nivoa. U ovom slučaju, kvanti energije koji uzrokuju prelaze između nivoa postaju manji i stoga se javlja rezonancija na nižim frekvencijama (vidi izraz (3.4)). Ako izvršimo eksperiment promjenom polja 0 dok ne dođe do rezonancije, tada bi primijenjena jačina polja trebala biti veća nego u slučaju kada jezgro nije zaštićeno.
Uticaj elektronskog oklopa na Zeemanove nivoe jezgra: a - neoklopljeni, b - oklopljeni
U velikoj većini NMR spektrometara, spektri se snimaju kada se polje mijenja s lijeva na desno, tako da bi signali (pikovi) najzaštićenijih jezgara trebali biti na desnoj strani spektra.
Pomak signala u zavisnosti od hemijskog okruženja, zbog razlika u konstantama skrininga, naziva se hemijski pomak.
Otkriće hemijskog pomaka prvi put je objavljeno u nekoliko publikacija između 1950. i 1951. godine. Među njima je potrebno istaknuti rad Arnolda, koji je dobio prvi spektar sa odvojenim linijama koje odgovaraju hemijski različitim pozicijama identičnih 1H jezgara u jednoj molekuli.
U ovom molekulu postoje tri vrste protona: tri protona metilne grupe CH3-, dva protona metilenske grupe -CH2- i jedan proton hidroksilne grupe -OH. Može se vidjeti da tri odvojena signala odgovaraju trima vrstama protona. Kako je intenzitet signala u omjeru 3:2:1, dekodiranje spektra (dodjela signala) nije teško.
Pošto se hemijski pomaci ne mogu izmeriti na apsolutnoj skali, odnosno u odnosu na jezgro lišeno svih svojih elektrona, signal referentnog jedinjenja se koristi kao referentna nula. Obično se vrijednosti kemijskog pomaka za bilo koje jezgre daju u obliku bezdimenzionalnog parametra δ, definiranog na sljedeći način:
δ=(H-Het)/Het*106, (3.6)
gdje je (H - Net) razlika u hemijskim pomacima za uzorak koji se proučava i standard, Net je apsolutna pozicija standardnog signala sa primijenjenim poljem (H0).
U realnim eksperimentalnim uslovima moguće je preciznije izmeriti frekvenciju, a ne polje, pa se $\delta$ obično nalazi iz izraza:
δ=(ν−νet)/ν0*106, (3.7)
gdje je (ν – νet) razlika u kemijskim pomacima za uzorak i standard, izražena u jedinicama frekvencije (Hz); NMR spektri se obično kalibriraju u ovim jedinicama.
Ne treba koristiti ν0 - radnu frekvenciju spektrometra (obično je fiksna), već frekvenciju νet, odnosno apsolutnu frekvenciju na kojoj se opaža rezonantni signal standarda. Međutim, greška koju donosi ovakva zamjena je vrlo mala, jer su ν0 i νet skoro jednaki (razlika je 10-5, odnosno po vrijednosti σ za proton). Budući da različiti NMR spektrometri rade na različitim frekvencijama ν0 (i stoga na različitim poljima H0), potreba da se δ izrazi u bezdimenzionalnim jedinicama je očigledna.
Jedinica hemijskog pomaka se uzima kao milioniti deo jačine polja ili rezonantne frekvencije. Spin-spin interakcija.
1951. - 1953., prilikom snimanja NMR spektra jednog broja tečnosti, otkriveno je da spektri nekih supstanci imaju više linija nego što sledi iz jednostavne procene broja neekvivalentnih jezgara. Jedan od prvih primjera je rezonancija na fluoru u molekulu POCl2F. Spektar 19F sastoji se od dvije linije jednakog intenziteta, iako postoji samo jedan atom fluora u molekulu. Molekuli drugih jedinjenja davali su simetrične multipletne signale (trojke, kvarteti, itd.).
Ova interakcija je posljedica mehanizma indirektne komunikacije kroz elektronsko okruženje. Nuklearni spin teži da orijentiše spinove elektrona koji okružuju dato jezgro. Oni, zauzvrat, orijentišu spinove drugih elektrona i, preko njih, spinove drugih jezgara. Energija spin-spin interakcije obično se izražava u hercima (to jest, Plankova konstanta se uzima kao jedinica energije, na osnovu činjenice da je E = hν). Jasno je da nema potrebe (za razliku od hemijskog pomaka) da se to izražava u relativnim jedinicama, pošto interakcija o kojoj se raspravlja, kao što je gore navedeno, ne zavisi od jačine spoljašnjeg polja. Veličina interakcije se može odrediti mjerenjem udaljenosti između komponenti odgovarajućeg multipleta.
Najjednostavniji primjer cijepanja zbog spin-spin sprege koji se može sresti je rezonantni spektar molekule koja sadrži dvije vrste magnetnih jezgri A i X. Jezgre A i X mogu predstavljati ili različite jezgre ili jezgre istog izotopa (npr. , 1H ) u slučaju kada su hemijski pomaci između njihovih rezonantnih signala veliki.
Spin echo metode.
U eksperimentima kada visokofrekventno polje 1 kontinuirano djeluje na uzorak koji se nalazi u jednoličnom magnetskom polju 0, postiže se stacionarno stanje u kojem se dvije suprotne tendencije međusobno kompenzuju. S jedne strane, pod uticajem visokofrekventnog polja 1, brojevi punjenja Zeemanovih nivoa imaju tendenciju da se izravnaju, što dovodi do demagnetizacije sistema, a sa druge strane, toplotno kretanje to sprečava i vraća Boltzmannovu distribuciju. .
Potpuno drugačiji nestacionarni procesi se uočavaju u slučajevima kada je visokofrekventno polje 1 uključeno na kratko. Praktična implementacija eksperimenata ove vrste je moguća, budući da su karakteristični vremenski parametri elektronske opreme mali u odnosu na vrijeme raspada Larmorove precesije T2.
Prvi put reakciju sistema na impulse visokofrekventnog polja uočio je Khan 1950. godine, kada je otkrio fenomen spin eha. Ovo otkriće označilo je početak razvoja pulsnih NMR metoda.
Djelovanje polja 1, koje se rotira na rezonantnoj frekvenciji, svodi se na odstupanje magnetizacije od inicijalnog ravnotežnog smjera, paralelno s poljem 0. Ako se polje uključi samo na kratko vrijeme, a zatim ponovo ugasi, tada ugao devijacije vektora magnetizacije zavisi od trajanja impulsa. Jednom kada je polje 1 uključeno, vektor magnetizacije će vršiti prethodnu fazu oko polja 0 sve dok njegove komponente okomite na polje 0 nestanu bilo zbog relaksacije ili drugih uzroka. Signal indukcije, koji se opaža nakon isključivanja visokofrekventnog polja 1, predstavlja slabljenje slobodne precesije, koje je prvi razmatrao Bloch.
Ako je jačina polja 1 velika, a trajanje impulsa tw toliko kratko da se procesi relaksacije mogu zanemariti tokom djelovanja impulsa, tada će se djelovanje polja 1 svesti na rotaciju vektora magnetizacije za ugao g1tw (g1 je ugaona brzina kojom polje 1 skreće vektor sa ose z ). Ako su veličine 1 i tw odabrane na način da je g1tw=1/2p, (3.8) tada će vektor nakon rotacije biti u xy ravni. Takvi impulsi se nazivaju impulsi od 900 okretaja (ili 900 impulsa). Oni impulsi za koje je g1tw=p nazivaju se rotacijski impulsi za 1800 (1800. impulsi).
Djelovanje posljednjih impulsa na vektor magnetizacije dovodi do promjene njegovog prvobitnog smjera u suprotnom. Djelovanje 900 impulsa može se bolje razumjeti ako ih posmatramo u koordinatnom sistemu koji rotira ugaonom brzinom jednakom frekvenciji polja 1. Ako je trajanje impulsa kratko, tako da konačni rezultat malo zavisi od veličine devijacije frekvencije polja 1 od rezonantne vrijednosti, tada će u takvim koordinatama sistema vektor magnetizacije M odmah nakon završetka impulsa biti usmjeren duž v ose.
Ako je konstantno polje 0 potpuno homogeno, tada je ponašanje vektora magnetizacije nakon završetka impulsa određeno samo procesima relaksacije. Stoga će komponenta vektora magnetizacije koja se nalazi u ravni okomitoj na polje 0 rotirati oko ovog smjera sa Larmorovom frekvencijom, dok će njena amplituda težiti nuli prema zakonu exp(-t/T2).
U slučaju kada se nehomogenost magnetnog polja H0 ne može zanemariti, slabljenje dolazi brže. Ovaj fenomen se može vizualizirati korištenjem niza dijagrama koji pokazuju položaj vektora na
magnetizacija u različitim dijelovima uzorka u određenim trenucima procesa raspada. Pretpostavimo da je uzorak podijeljen na nekoliko regija, a unutar svake regije magnetsko polje je jednolično, a magnetizacija karakterizira njegov vektor i. Prisutnost nehomogenosti magnetnog polja 0 će dovesti do činjenice da će umjesto precesije rezultirajućeg vektora magnetizacije sa određenom Larmorovom frekvencijom w0, doći do precesije skupa vektora magnetizacije sa frekvencijama raspoređenim prema određenom zakonu. .
Razmotrimo kretanje ovih vektora u koordinatnom sistemu koji rotira sa ugaonom brzinom koja je jednaka prosečnoj brzini Larmorove precesije koja odgovara određenoj prosečnoj vrednosti polja H0. Vektori i nazivaju se spin izohromati.
Međutim, zbog činjenice da imaju različite stope precesije, jer nalaze se u područjima uzorka s različitim vrijednostima polja 0, tada će se neke od njih rotirati brže, a neke sporije od koordinatnog sistema. Prema tome, u koordinatnom sistemu koji rotira određenom prosječnom ugaonom brzinom, spin izohromati će se raspršiti u „veneze“. Jer Prijemni kalem indukcionog sistema reaguje samo na vektorski zbir ovih momenata, tada se opaža slabljenje signala.
Khan je otkrio da uticaj drugog impulsa na sistem nakon vremenskog intervala τ nakon prvog dovodi do pojave eho signala nakon jednakog vremenskog perioda 2τ. Eho signal se opaža čak i ako signal slobodne precesije potpuno nestane u vremenu od 2τ.
1. U početku je sistem u termalnoj ravnoteži, a svi vektori magnetizacije su paralelni sa konstantnim poljem 0.
2. Pod uticajem visokofrekventnog polja usmerenog duž x΄ ose rotacionog koordinatnog sistema, vektori magnetizacije tokom prvog impulsa odstupaju od smera ose z u pravcu ose y΄.
3. Nakon završetka 900. impulsa, svi vektori magnetizacije se nalaze u ekvatorijalnoj ravni u pravcu y΄ ose (vektorski proizvod je u ovom slučaju vektor okomit na ravan z΄x΄). Ako je trajanje impulsa tω dovoljno kratko, tada se neće primijetiti relaksacija ili raspršivanje vektora magnetizacije u “venezator” povezan s nehomogenošću polja 0.
4. Neposredno nakon uključivanja visokofrekventnog polja H1, slobodna precesija opada, što dovodi do raspršivanja spin izohromata u „venezator“ koji se nalazi u ravni x΄y΄.
5. Nakon vremenskog perioda τ, sistem je podvrgnut 1800. impulsu trajanja 2tω. Kao rezultat djelovanja ovog impulsa, cijeli sistem vektora i rotira se za 1800 oko x΄ ose.
6. Na kraju drugog impulsa, svaki od vektora magnetizacije u rotirajućem koordinatnom sistemu nastavlja da se kreće u istom pravcu. Međutim, sada, nakon okretanja do 1800. godine, ovaj pokret ne dovodi do raspršivanja, već do savijanja "lepeze" vektora.
7. Nakon vremenskog intervala od 2τ nakon početka prvog impulsa, svi vektori magnetizacije koji se nalaze u ravni x΄y imat će isti smjer i stvarat će snažan rezultujući magnetni moment u negativnom smjeru y΄ ose. Ovo rezultira indukcijom signala koji se zove eho signal u prijemni kalem.
8. Nakon pojave eho signala, vektori magnetizacije se ponovo raspršuju u „lepezu“ i uočava se uobičajeno slabljenje slobodne precesije. Opadanje eho signala (počevši od vremena 2τ) po obliku se poklapa sa opadanjem signala slobodne indukcije nakon prvog 900. impulsa. Odmah nakon 1800. impulsa ne pojavljuje se slobodan indukcijski signal.
Oblik eho signala, kao i oblik signala slabljenja slobodne precesije, ovisi o zakonu vremena koji upravlja vektorom magnetizacije. Ako magnetno polje nije uniformno, koherentnost se brzo gubi i eho signal će biti uzak; njegova širina je reda (γΔΗ0)-1. Dakle, mehanizam spin eho eliminiše uobičajeni neželjeni uticaj nehomogenosti stacionarnog magnetnog polja.
Ako molekuli ostanu duže vrijeme u istim dijelovima uzorka, tada je amplituda eho signala određena samo relaksacionim procesima i stoga je proporcionalna exp(-2τ/T2). Međutim, u tekućinama i plinovima, procesi difuzije se ne mogu uvijek zanemariti. Zbog toga se zbog kretanja molekula u neuniformisanom magnetnom polju mijenja brzina disperzije nekih vektora magnetizacije u „ventilator“.
Kao rezultat toga, dolazi do dodatnog gubitka koherentnosti. U ovom slučaju ispada da amplituda eho signala ovisi o τ na sljedeći način:
exp[–2τ/T2 –k(2τ)3/3]. (3.9)
Za eho dobijene od nizova impulsa od 900 i 1800
k=1/4γ2GD , (3.10)
gdje je D konstanta difuzije;
G – prosječna vrijednost gradijenta magnetnog polja (dH0/dt) pros.
Ako je uslov ispunjen
12/γ2G2D<< T32, (3.11)
tada će glavnu ulogu u prigušenju spin eho signala imati procesi difuzije, a ne procesi relaksacije. Slične pojave su uočene za sve druge impulse, a ne samo za niz od 900 i 1800 impulsa. Ako se koristi niz od 900 impulsa, tada se nakon drugog impulsa pojavljuje signal opadanja slobodnog precesije, koji izostaje kada se koristi sekvenca od 900 i 1800 impulsa. To se događa zato što se nakon vremena τ, zbog djelovanja mehanizma relaksacije spin-rešetke, djelomično obnavlja magnetni moment usmjeren duž ose z. Ovaj proces se može okarakterizirati funkcijom:
f=1 – exp (–τ/T1). (3.12)
Kao rezultat, utjecaj drugog 900. impulsa dovodi do signala opadanja slobodne precesije, čija je amplituda f puta manja od amplitude prvog signala. U slučaju kada je drugi impuls 1800. impuls, ovaj obnavljajući magnetni moment će biti usmjeren u negativnom smjeru ose z i stoga je njegova projekcija na xy ravan nula.
Spin eho eksperimenti se mogu izvesti s velikim brojem impulsa. Postoje opšte metode izračunavanja. Pogodno za bilo koju sekvencu impulsa.
Ako uzorak sadrži jezgre različitih rezonantnih frekvencija i među njima se javlja spin-spin interakcija, tada nastaju komplikacije u spin eho slici. U ovom slučaju, zavisnost slabljenja amplitude spin eho signala od intervala između impulsa τ ne poštuje zakon (3.9), ali sadrži i neke članove koji osciliraju u vremenu. Pogledajmo sada kako se faza naizmjeničnog napona drugog impulsa može kontrolisati tako da u rotirajućem koordinatnom sistemu polje 1 ponovo bude usmjereno duž +x΄ ose, kao i kod prvog impulsa. Činjenica je da u takozvanoj koherentnoj opremi generator visoke frekvencije proizvodi stacionarni izmjenični napon, koji ulazi u pojačalo snage kroz ključno kolo.
Prekidačko kolo dozvoljava RF signalu (polje 1) da prođe, a on se samo pojačava tokom perioda kada se kola otvaraju impulsom gejta. Dakle, snažni radiofrekventni impulsi na izlazu pojačala vremenski se poklapaju sa stroboskopskim impulsima. Izlazni napon pojačivača se primjenjuje na kalem uzorka, u kojem se stvara radiofrekventno polje 1 ako je frekvencija generatora ω precizno podešena na rezonanciju, tj. ω=ω0, tada je faza ovog polja uvijek ista u koordinatnom sistemu koji rotira frekvencijom ω0.
NMR spektrometri.
NMR spektrometar mora sadržavati sljedeće osnovne elemente:
1) magnet koji stvara magnetno polje 0 polarizujući nuklearni spin-sistem;
2) predajnik koji stvara sondažno polje 1;
3) senzor kod kojeg se pod uticajem 0 i 1 u uzorku pojavljuje NMR signal;
4) prijemnik koji pojačava ovaj signal;
5) sistem za snimanje (rekorder, magnetni zapis, osciloskop i dr.);
6) uređaji za obradu informacija (integrator, višekanalni uređaj za skladištenje spektra);
7) sistem za stabilizaciju rezonantnih uslova;
8) sistem kontrole temperature uzorka;
9) predajnik koji stvara polje 2 za dvostruke rezonancije;
10) sistem za programiranje NMR registracije: za spin spektrometar – zamah polja 0 ili frekvencije n0 u datom intervalu sa potrebnom brzinom potrebnom za broj realizacija spektra; za pulsne spektrometre – izbor broja, amplitude i trajanja sondirajućih impulsa, vremena praćenja svake tačke i broja tačaka interferograma, vremena ponavljanja interferograma, broja ciklusa akumulacije interferograma;
11) sistemi za korekciju magnetnog polja. Ovaj šematski popis pokazuje da je moderni NMR spektrometar složen mjerni sistem.
Na osnovu svoje namjene, NMR spektrometri se dijele na instrumente visoke i niske rezolucije. Granica je ovdje proizvoljna i sve više se karakteristike NMR spektrometara visoke i niske rezolucije kombinuju u jedan univerzalni instrument. Tipičan uređaj niske rezolucije mora imati magnet koji pruža relativnu rezoluciju reda veličine 10-6 h-1, mogućnost snimanja NMR mnogih magnetnih jezgara u širokom temperaturnom rasponu, sučelje sa sistemom za obradu podataka i goniometar za fizička mjerenja kristala.
Da bi se osigurala visoka osjetljivost, koristi se modulacijski metod posmatranja signala: polje 0 (frekvencija n0) modulira se prema sinusoidnom zakonu; frekvencija nm i amplituda Am odabrani su iz razloga optimizacije osjetljivosti i izobličenja signala unesenih takvom modulacijom. Budući da vrijeme relaksacije spin-rešetke T1 u kristalima može doseći nekoliko sati, spektrometar niske rezolucije mora biti sposoban za snimanje NMR na ekstremno niskim nivoima radiofrekventnog polja 1 kako bi se izbjeglo zasićenje signala. Osetljivost metode modulacije zavisi od odnosa Am/d, a ovaj odnos za slabe signale mora biti izabran uporediv sa jedinicom. Ali tada dolazi do snažnog proširenja modulacije, što se mora uzeti u obzir prilikom obrade signala. Poteškoće se još više povećavaju ako NMR linija ima široke i uske komponente - s jednim snimanjem nemoguće je ispravno prenijeti omjer intenziteta ovih komponenti.
Nedavno su pulsne metode za snimanje širokih NMR linija u čvrstim tvarima postale sve popularnije, ali to predstavlja svoje poteškoće. Da bi se svi prijelazi u spin sistemu pobuđivali na isti način, potrebno je koristiti vrlo kratke impulse u trajanju od t i £ 1 μs; ovo zahtijeva moćne izvore oscilacija radio frekvencije. Osim toga, vremenski odziv spin sistema za široke linije (T2~10 μs) opada vrlo brzo; Da bi se proizveo dovoljan broj uzoraka u nekoliko mikrosekundi, potreban je analogno-digitalni pretvarač sa brzinom kanala od oko 0,1 μs.
Velike poteškoće nastaju zbog zvonjenja kola u senzoru i preopterećenja prijemnika nakon snažnog impulsa. Prednost pulsne tehnike je što se u jednom eksperimentu mogu odrediti svi parametri nuklearnog magnetizma u uzorku - momenti, oblik linije i vremena relaksacije. Prema Fourierovoj teoremi, velike frekvencije odgovaraju malim vremenima. Stoga se kreiraju pulsne metode za analizu pojava koje se javljaju u zanemarljivo kratkom vremenu nakon završetka pulsa. Oni povećavaju tačnost određivanja najvećih momenata NMR linije do n=14.
Za implementaciju pulsnog sužavanja (visoka rezolucija u čvrstom stanju), broj impulsnih kanala predajnika mora biti najmanje četiri. Snažni impulsi se generišu u modu pojačanja oscilacija koje stvara precizni master oscilator. Trajanje njegovog rada mora biti dovoljno dugo da bi se postigla potrebna tačnost u postavljanju frekvencije i faze radiofrekventnog punjenja impulsa. Osim toga, koherentnost spektrometra omogućava visokofrekventnu sinhronu detekciju radi poboljšanja osjetljivosti.
Zajedno sa sinhronom detekcijom, veoma se koristi akumulacija signala pomoću višekanalnih uređaja za skladištenje podataka. Stabilnost NMR spektrometara osigurava dugoročnu nedvosmislenu korespondenciju svakog spektralnog intervala Dn broju kanala za skladištenje uređaja za skladištenje.
Spektrometri visoke rezolucije, na osnovu metode pronalaženja rezonantnih uslova, dijele se na stacionarne i pulsne spektrometre. U stacionarnim spektrometrima, rezonancija se nalazi promjenom (sweepingom) jednog od parametara (n ili 0) dok se drugi fiksira. U pulsnim spektrometrima, pri konstantnom vanjskom polju 0, uzorak se ozrači kratkim visokofrekventnim impulsom u trajanju t frekvencijom n, tj. frekvencijski spektar, čija je glavna snaga u opsegu n±1/t. U ovom opsegu, svi odgovarajući NMR prelazi su pobuđeni, dajući odgovor - signal raspada slobodne indukcije. Fourierova transformacija ovog signala daje uobičajeni NMR spektar.
Spektrometri koji rade u stacionarnom režimu sastoje se od sljedećih glavnih komponenti:
Magnet koji stvara vrlo ujednačeno polje;
Senzor signala koji sadrži ispitni uzorak i prijemni kalem;
Jedinica za skeniranje koja vam omogućava da promijenite glavno magnetsko polje u malim granicama prema određenom zakonu;
Generator radio frekvencije koji radi u rasponu brojila;
RF prijemnik i pojačalo;
Osciloskop i potenciometar za snimanje za posmatranje i snimanje spektra.
Dovoljno brza rotacija uzorka omogućava da se efikasno oslobodimo uticaja gradijenta magnetnog polja 0. Ova okolnost, u vezi sa kontinuiranim povećanjem korišćenih vrednosti od 0, dovodi do toga da je postignuta relativna rezolucija, mjereno kao odnos DN/0, gdje je DN uočena nehomogenost magnetnog polja, nalazi se u intervalu 10-9 – 10-10. Linije mjerene u desetinkama i stotim dijelovima herca, čija je širina određena dužinom vremena relaksacije u tekućini (10-20 s), dovode do značajnih poteškoća. Stoga može potrajati nekoliko sati da se spektar jednom završi. Ovo postavlja veoma visoke zahtjeve pred sistem za stabilizaciju rezonantnih uslova, koji se obično izvodi pomoću NMR-a (pomoću dodatnog uzorka - eksterna stabilizacija ili korištenjem jedne od linija uzorka koji se proučava - unutrašnja stabilizacija). Najuspješniji rezultati se postižu kombinacijom unutrašnje i vanjske stabilizacije.
NMR spektroskopija je metoda nedestruktivne analize. Moderna pulsna NMR Fourierova spektroskopija omogućava analizu na 80 mag. jezgra. NMR spektroskopija je jedna od glavnih. Phys.-Chem. metode analize, njegovi podaci se koriste za nedvosmislenu identifikaciju kao intervali. hemijski proizvodi r-cije, i cilj u-u. Pored strukturnih zadataka i količina. analiza, NMR spektroskopija donosi informacije o konformacionim ravnotežama, difuziji atoma i molekula u čvrstim materijama, unutrašnjim. kretanja, vodikove veze i asocijacije u tečnostima, keto-enol tautomerizam, metalo- i prototropija, red i raspodela jedinica u polimernim lancima, adsorpcija supstanci, elektronska struktura ionskih kristala, tečnih kristala itd. NMR spektroskopija je izvor informacija o strukturi biopolimera, uključujući proteinske molekule u rastvorima, uporedivim po pouzdanosti sa podacima rendgenske difrakcijske analize. 80-ih godina Počelo je naglo uvođenje metoda NMR spektroskopije i tomografije u medicinu za dijagnostiku složenih bolesti i za medicinski pregled stanovništva.
Broj i položaj linija u NMR spektru nedvosmisleno karakteriziraju sve frakcije sirove nafte, sintetičke. guma, plastika, škriljci, ugalj, lijekovi, lijekovi, hemijski proizvodi. i farmaceutski prom-sti, itd.
Intenzitet i širina NMR linije vode ili ulja omogućavaju precizno mjerenje sadržaja vlage i ulja u sjemenu i sigurnosti zrna. Prilikom odstupanja od signala vode, moguće je snimiti sadržaj glutena u svakom zrnu, što, kao i analiza sadržaja ulja, omogućava ubrzanu poljoprivrednu selekciju. usevi
Upotreba sve jačih magneta. polja (do 14 T u serijskim uređajima i do 19 T u eksperimentalnim instalacijama) pruža mogućnost potpunog određivanja strukture proteinskih molekula u rastvorima, ekspresne analize biol. tečnosti (koncentracije endogenih metabolita u krvi, urinu, limfi, cerebrospinalnoj tečnosti), kontrola kvaliteta novih polimernih materijala. U ovom slučaju se koriste brojne varijante multikvantne i višedimenzionalne Fourierove spektroskopije. tehnike.
Fenomen NMR otkrili su F. Bloch i E. Purcell (1946), za šta su dobili Nobelovu nagradu (1952).
Fenomen nuklearne magnetne rezonancije može se koristiti ne samo u fizici i hemiji, već iu medicini: ljudsko tijelo je skup istih organskih i neorganskih molekula.
Da bi se posmatrao ovaj fenomen, objekat se stavlja u konstantno magnetno polje i izlaže radiofrekvencijskim i gradijentnim magnetnim poljima. U zavojnici induktora koja okružuje predmet koji se proučava nastaje naizmjenična elektromotorna sila (EMF), čiji amplitudno-frekventni spektar i karakteristike vremenskih prijelaza nose informaciju o prostornoj gustoći rezonirajućih atomskih jezgara, kao i drugim parametrima specifičnim samo za nuklearna magnetna rezonanca. Kompjuterskom obradom ovih informacija dobija se trodimenzionalna slika koja karakteriše gustinu hemijski ekvivalentnih jezgara, vremena relaksacije nuklearne magnetne rezonance, raspodelu brzina protoka tečnosti, difuziju molekula i biohemijske metaboličke procese u živim tkivima.
Suština NMR introskopije (ili magnetne rezonancije) je, u stvari, implementacija posebne vrste kvantitativne analize amplitude signala nuklearne magnetne rezonance. U konvencionalnoj NMR spektroskopiji nastoji se postići najbolja moguća rezolucija spektralnih linija. Da bi se to postiglo, magnetni sistemi su podešeni na takav način da stvore najbolju moguću uniformnost polja unutar uzorka. U metodama NMR introskopije, naprotiv, stvoreno magnetno polje je očigledno neujednačeno. Tada postoji razlog za očekivati da frekvencija nuklearne magnetne rezonancije u svakoj tački uzorka ima svoju vrijednost, različitu od vrijednosti u drugim dijelovima. Postavljanjem bilo kojeg koda za gradacije amplitude NMR signala (svjetlina ili boja na ekranu monitora), možete dobiti konvencionalnu sliku (tomogram) dijelova unutrašnje strukture objekta.
NMR introskopija i NMR tomografija prvi su izumljeni u svijetu 1960. godine od strane V. A. Ivanova. Nestručni stručnjak je odbio prijavu pronalaska (metoda i uređaja) „...zbog očigledne beskorisnosti predloženog rješenja“, pa je autorsko pravo za to izdato tek nakon više od 10 godina. Dakle, zvanično je priznato da autor NMR tomografije nije tim dole navedenih nobelovaca, već ruski naučnik. Uprkos ovoj pravnoj činjenici, Nobelova nagrada za NMR tomografiju nije dodeljena V. A. Ivanovu
Za precizno proučavanje spektra, takvi jednostavni uređaji kao što je uski prorez koji ograničava svjetlosni snop i prizma više nisu dovoljni. Potrebni su instrumenti koji daju jasan spektar, odnosno instrumenti koji dobro razdvajaju talase različitih dužina i ne dozvoljavaju da se pojedini delovi spektra preklapaju. Takvi uređaji se nazivaju spektralni uređaji. Najčešće je glavni dio spektralnog aparata prizma ili difrakcijska rešetka.
ELEKTRONSKA PARAMAGNETSKA REZONANCA
Suština metode
Suština fenomena elektronske paramagnetne rezonancije je rezonantna apsorpcija elektromagnetnog zračenja od strane nesparenih elektrona. Elektron ima spin i pripadajući magnetni moment.
Ako slobodni radikal sa rezultujućim ugaonim momentom J smjestimo u magnetsko polje jačine B 0 , tada se za J različit od nule uklanja degeneracija u magnetskom polju, a kao rezultat interakcije s magnetnim poljem, 2J+1 nastaju nivoi čiji je položaj opisan izrazom: W =gβB 0 M, (gdje je M = +J, +J-1, …-J) i određen je Zeemanovom interakcijom magnetnog polja sa magnetnim momentom J. Cepanje energetskih nivoa elektrona prikazano je na slici.
Energetski nivoi i dozvoljeni prijelazi za atom s nuklearnim spinom 1 u konstantnom (A) i naizmjeničnom (B) polju.
Ako sada primijenimo elektromagnetno polje frekvencije ν, polarizirano u ravnini okomitoj na vektor magnetskog polja B 0 , na paramagnetski centar, onda će to uzrokovati magnetne dipolne prijelaze koji se povinuju pravilu selekcije ΔM = 1. Kada energija elektronski prijelaz poklapa se s energijom fotoelektromagnetnog vala, doći će do rezonantne reakcije apsorpcije mikrovalnog zračenja. Dakle, stanje rezonancije je određeno osnovnom relacijom magnetne rezonancije
Apsorpcija energije mikrotalasnog polja se posmatra ako postoji razlika u populaciji između nivoa.
U termalnoj ravnoteži postoji mala razlika u populacijama Zeemanovih nivoa, određena Boltzmannovom raspodjelom = exp(gβB 0 /kT). U takvom sistemu, kada su tranzicije pobuđene, vrlo brzo bi trebalo da dođe do jednakosti populacija energetskih podnivoa i apsorpcije mikrotalasnog polja treba da nestane. Međutim, u stvarnosti postoji mnogo različitih mehanizama interakcije, kao rezultat kojih se elektron ne-radijativno vraća u prvobitno stanje. Efekat konstantnog intenziteta apsorpcije sa povećanjem snage nastaje zbog elektrona koji nemaju vremena da se opuste, a naziva se zasićenje. Zasićenje se javlja pri velikoj snazi mikrovalnog zračenja i može značajno iskriviti rezultate mjerenja koncentracije centara EPR metodom.
Vrijednost metode
EPR metoda daje jedinstvene informacije o paramagnetnim centrima. On jasno razlikuje ione nečistoća koji su izomorfno uključeni u rešetku od mikroinkluzija. U ovom slučaju se dobijaju potpune informacije o datom ionu u kristalu: valencija, koordinacija, lokalna simetrija, hibridizacija elektrona, koliko i u kojim strukturnim položajima elektrona je uključen, orijentacija osa kristalnog polja na lokacija ovog jona, kompletna karakteristika kristalnog polja i detaljne informacije o hemijskoj vezi. I, što je vrlo važno, metoda vam omogućava da odredite koncentraciju paramagnetnih centara u područjima kristala s različitim strukturama.
Ali EPR spektar nije samo karakteristika jona u kristalu, već i samog kristala, karakteristike distribucije elektronske gustine, kristalnog polja, jonske kovalencije u kristalu, i konačno, jednostavno dijagnostička karakteristika kristala. mineral, budući da svaki ion u svakom mineralu ima svoje jedinstvene parametre. U ovom slučaju, paramagnetski centar je neka vrsta sonde, koja daje spektroskopske i strukturne karakteristike svog mikrookruženja.
Ovo svojstvo se koristi u tzv. metoda spinskih oznaka i sondi, zasnovana na uvođenju stabilnog paramagnetnog centra u sistem koji se proučava. Kao takav paramagnetski centar, u pravilu se koristi nitroksilni radikal, karakteriziran anizotropnim g I A tenzori.
NMR spektroskopija
Spektroskopija nuklearne magnetne rezonance, NMR spektroskopija- spektroskopska metoda za proučavanje hemijskih objekata primenom fenomena nuklearne magnetne rezonancije. Najvažnije za hemiju i praktične primene su spektroskopija protonske magnetne rezonance (PMR spektroskopija), kao i NMR spektroskopija na ugljeniku-13 (13 C NMR spektroskopija), fluoru-19 (infracrvena spektroskopija, NMR otkriva informacije o molekularnoj strukturi hemikalija Međutim, pruža potpuniju informaciju od IS, omogućavajući proučavanje dinamičkih procesa u uzorku - da se odredi konstanta brzine hemijskih reakcija i veličina energetskih barijera za intramolekularnu rotaciju. Ove karakteristike čine NMR spektroskopiju pogodnim alatom za teorijske organske hemije i biološke analize.
Osnovna NMR tehnika
Uzorak supstance za NMR stavlja se u staklenu cev tankog zida (ampulu). Kada se stavi u magnetsko polje, NMR aktivna jezgra (kao što je 1 H ili 13 C) apsorbuju elektromagnetnu energiju. Rezonantna frekvencija, energija apsorpcije i intenzitet emitovanog signala proporcionalni su jačini magnetnog polja. Dakle, u polju od 21 Tesla, proton rezonira na frekvenciji od 900 MHz.
Hemijski pomak
U zavisnosti od lokalnog elektronskog okruženja, različiti protoni u molekulu rezoniraju na neznatno različitim frekvencijama. Budući da su i ovaj pomak frekvencije i osnovna rezonantna frekvencija direktno proporcionalni jačini magnetskog polja, ovaj pomak se pretvara u bezdimenzionalnu količinu neovisnu o magnetskom polju poznatu kao kemijski pomak. Hemijski pomak se definira kao relativna promjena u odnosu na neke referentne uzorke. Frekvencijski pomak je izuzetno mali u poređenju sa glavnom NMR frekvencijom. Tipični pomak frekvencije je 100 Hz, dok je osnovna NMR frekvencija reda veličine 100 MHz. Stoga se hemijski pomak često izražava u dijelovima na milion (ppm). Da bi se otkrila tako mala frekvencijska razlika, primijenjeno magnetsko polje mora biti konstantno unutar volumena uzorka.
Pošto hemijski pomak zavisi od hemijske strukture supstance, koristi se za dobijanje strukturnih informacija o molekulima u uzorku. Na primjer, spektar za etanol (CH 3 CH 2 OH) daje 3 karakteristična signala, odnosno 3 hemijska pomaka: jedan za CH 3 grupu, drugi za CH 2 grupu i zadnji za OH. Tipični pomak za CH 3 grupu je približno 1 ppm, za CH 2 grupu vezanu za OH-4 ppm i OH je približno 2-3 ppm.
Zbog molekularnog kretanja na sobnoj temperaturi, signali 3 metil protona se usrednjavaju tokom NMR procesa, koji traje samo nekoliko milisekundi. Ovi protoni degeneriraju i formiraju pikove pri istom kemijskom pomaku. Softver vam omogućava da analizirate veličinu pikova kako biste razumjeli koliko protona doprinosi tim vrhovima.
Spin-spin interakcija
Najkorisnije informacije za određivanje strukture u jednodimenzionalnom NMR spektru daje takozvana spin-spin interakcija između aktivnih NMR jezgara. Ova interakcija je rezultat prijelaza između različitih spinskih stanja jezgara u kemijskim molekulima, što rezultira cijepanjem NMR signala. Ovo razdvajanje može biti jednostavno ili složeno i, kao posljedica toga, može biti ili lako za tumačenje ili može biti zbunjujuće za eksperimentatora.
Ovo vezivanje pruža detaljne informacije o vezama atoma u molekulu.
Interakcija drugog reda (jaka)
Jednostavno spin-spin spajanje pretpostavlja da je konstanta spajanja mala u poređenju s razlikom u kemijskim pomacima između signala. Ako se razlika pomaka smanji (ili se konstanta interakcije poveća), intenzitet multipleta uzorka postaje izobličen i postaje teže analizirati (posebno ako sistem sadrži više od 2 spina). Međutim, u NMR spektrometrima velike snage izobličenje je obično umjereno i to omogućava da se povezani pikovi lako interpretiraju.
Efekti drugog reda se smanjuju kako se frekvencijska razlika između multipleta povećava, tako da visokofrekventni NMR spektar pokazuje manje izobličenja od niskofrekventnog spektra.
Primjena NMR spektroskopije u proučavanju proteina
Većina najnovijih inovacija u NMR spektroskopiji napravljena je u takozvanoj NMR spektroskopiji proteina, koja postaje veoma važna tehnika u modernoj biologiji i medicini. Opšti cilj je dobiti trodimenzionalnu strukturu proteina u visokoj rezoluciji, slično slikama dobijenim rendgenskom kristalografijom. Zbog prisustva više atoma u proteinskoj molekuli u poređenju sa jednostavnim organskim jedinjenjem, osnovni 1D spektar je prepun signala koji se preklapaju, što onemogućava direktnu analizu spektra. Stoga su razvijene višedimenzionalne tehnike za rješavanje ovog problema.
Da bi se poboljšali rezultati ovih eksperimenata, koristi se metoda označenog atoma, koristeći 13 C ili 15 N. Na taj način postaje moguće dobiti 3D spektar uzorka proteina, što je predstavljalo proboj u modernoj farmaciji. Nedavno su postale široko rasprostranjene tehnike (koje imaju i prednosti i nedostatke) za dobijanje 4D spektra i spektra većih dimenzija, zasnovane na metodama nelinearnog uzorkovanja uz naknadnu restauraciju slobodnog indukcionog raspadnog signala upotrebom posebnih matematičkih tehnika.
Književnost
- Gunther X. Uvod u kurs NMR spektroskopije. - Per. sa engleskog - M., 1984.
Wikimedia fondacija.
2010.
Pogledajte šta je “NMR spektroskopija” u drugim rječnicima:
Slika ljudskog mozga na medicinskom NMR tomografu Nuklearna magnetna rezonanca (NMR) rezonantna apsorpcija elektromagnetne energije supstancom koja sadrži jezgra sa spinom različitom od nule u vanjskom magnetskom polju, uzrokovana preorijentacijom... ... Wikipedia
NMR spektroskopija
NMR spektroskopija
spektroskopija magnetne rezonance- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. atitikmenys: engl. NMR...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
spektroskopija nuklearne magnetne rezonance- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopija; spektroskopija nuklearne magnetne rezonance vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. spektroskopija nuklearne… Fizikos terminų žodynas
Magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. atitikmenys: engl. NMR...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
nuklearna rezonantna spektroskopija- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopija; spektroskopija nuklearne magnetne rezonance vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. spektroskopija nuklearne… Fizikos terminų žodynas
Skup istraživačkih metoda. u VA prema spektru apsorpcije njihovih atoma, jona i molekula. mag. radio talasi. Zračenje uključuje elektronske paramagnetske metode. rezonancija (EPR), nuklearno magnetska. rezonancija (NMR), ciklotronska rezonancija, itd... Prirodne nauke. Encyclopedic Dictionary
Slika ljudskog mozga na medicinskom NMR tomografu Nuklearna magnetna rezonanca (NMR) rezonantna apsorpcija ili emisija elektromagnetne energije od strane supstance koja sadrži jezgra sa spinom različitom od nule u vanjskom magnetskom polju, na frekvenciji ν ... ... Wikipedia
Metoda NMR spektroskopije zasniva se na magnetskim svojstvima jezgara. Jezgra atoma nose pozitivan naboj i rotiraju oko svoje ose. Rotacija naboja dovodi do pojave magnetnog dipola.
Ugaoni moment rotacije, koji se može opisati spinskim kvantnim brojem (I). Numerička vrijednost spin kvantnog broja jednaka je zbiru spin kvantnih brojeva protona i neutrona uključenih u jezgro.
Spin kvantni broj može uzeti vrijednost
Ako je broj nukleona paran, tada je vrijednost I = 0, ili cijeli broj. To su jezgra C 12, H 2, N 14, takva jezgra ne apsorbuju radiofrekventno zračenje i ne proizvode signale u NMR spektroskopiji.
I = ± 1 / 2 H 1 , P 31 , F 19 - apsorbuju radiofrekventno zračenje i proizvode signal NMR spektra.
I = ± 1 1/2 CL 35, Br 79 - nesimetrična raspodela naelektrisanja po površini jezgra. Što dovodi do pojave kvadropolnog momenta. Takva jezgra se ne proučavaju NMR spektroskopijom.
PMR - spektroskopija
Numerička vrijednost I (I = ±1/2) određuje broj mogućih orijentacija jezgra u vanjskom magnetskom polju u skladu sa formulom:
Iz ove formule je jasno da je broj orijentacija 2.
Da bi se izvršio prijelaz protona koji se nalazi na nižem nivou na viši, potrebno mu je dati energiju jednaku razlici u energiji ovih nivoa, odnosno ozračiti zračenjem strogo određene čistoće. Razlika u nivoima energije (ΔΕ) zavisi od veličine nametnutog magnetnog polja (H 0) i magnetne prirode jezgara, opisane magnetnim momentom (μ). Ova vrijednost se određuje rotacijom:
, Gdje
h – Plankova konstanta
Magnituda vanjskog magnetnog polja
γ – koeficijent proporcionalnosti, nazvan žiromagnetski odnos, određuje odnos između spinskog kvantnog broja I i magnetnog momenta μ.
– osnovna NMR jednačina, povezuje veličinu vanjskog magnetskog polja, magnetsku prirodu jezgara i čistoću zračenja pri kojoj dolazi do apsorpcije energije zračenja i jezgra se kreću između nivoa.
Iz gornjeg zapisa jasno je da za iste jezgre, protone, postoji stroga veza između vrijednosti H 0 i μ.
Tako, na primjer, da bi se protonska jezgra u vanjskom magnetskom polju od 14000 Gausa pomaknula na viši magnetni nivo, potrebno ih je ozračiti frekvencijom od 60 MHz, ako je do 23000 Gausa, zatim zračenjem sa frekvencijom od; 100 MHz će biti potrebno.
Dakle, iz navedenog proizilazi da bi glavni dijelovi NMR spektrometra trebali biti moćni magnet i izvor radiofrekventnog zračenja.
Supstanca za analizu se stavlja u ampulu od posebne vrste stakla debljine 5 mm. Ampulu postavljamo u procjep magneta, radi ravnomjernije raspodjele magnetnog polja unutar ampule, rotira oko svoje ose, uz pomoć zavojnice zračenje se generira kontinuirano radiofrekventnim zračenjem. Frekvencija ovog zračenja varira u malom opsegu. U nekom trenutku, kada frekvencija tačno odgovara jednadžbi NMR spektroskopije, uočava se apsorpcija energije zračenja i protoni preorijentišu svoj spin - ovu apsorpciju energije prijemni kalem bilježi kao uski vrh.
U nekim modelima spektrometara μ=const, au malim prolazima vrijednost H 0 se mijenja. Za registraciju spektra potrebno je 0,4 ml supstance ako je čvrsta supstanca otopljena u odgovarajućem rastvoru, potrebno je uzeti 10-50 ml/g supstance.
Za dobivanje visokokvalitetnog spektra potrebno je koristiti otopine s koncentracijom od 10-20%. Granica NMR osjetljivosti odgovara 5%.
Da bi se povećala osjetljivost korištenjem kompjutera, koristi se mnogo sati akumulacije signala, dok se korisni signal povećava u intenzitetu.
U daljem usavršavanju tehnike NMR spektrodistribucije počela je upotreba Fourier-ove konverzije signala. U ovom slučaju uzorak nije zračen zračenjem sa sporo promjenjivom frekvencijom, već zračenjem koje povezuje sve frekvencije u jedan paket. U tom slučaju se apsorbira zračenje jedne frekvencije, a protoni prelaze na gornji energetski nivo, zatim se kratki impuls isključuje i nakon toga pobuđeni protoni počinju da gube apsorbiranu energiju i prelaze na niži nivo. Ovaj energetski fenomen sistem bilježi kao niz milisekundnih impulsa koji opadaju tokom vremena.
Idealno otapalo je supstanca koja ne sadrži protone, odnosno ugljik tetrahlorid i ugljik sumpor, ali se neke tvari u tim otopinama ne otapaju, pa su sva otapala u čijim molekulama atomi lakog izotopa H1 zamijenjena atomima. teškog izotopa deuterijuma. Frekvencija izotopa mora odgovarati 99%.
CDCl 3 – deuterijum
Deuterijum ne proizvodi signal u NMR spektru. Daljnji razvoj metode bila je upotreba računara velike brzine i dalja konverzija signala. U ovom slučaju, umjesto posljednjeg skeniranja frekvencije zračenja, na uzorak se superponira trenutno zračenje koje sadrži sve moguće frekvencije. U ovom slučaju, sva jezgra se trenutno pobuđuju i njihovi spinovi se preorijentišu. Nakon što se zračenje isključi, jezgra počinju da oslobađaju energiju i prelaze na niži energetski nivo. Ovaj nalet energije traje nekoliko sekundi i sastoji se od niza mikrosekundnih impulsa, koje snima sistem u obliku viljuške.
