ЯМР спектроскопия
Спектроскопия с ядрено-магнитен резонанс, ЯМР спектроскопия- спектроскопичен метод за изследване на химически обекти, използващ явлението ядрено-магнитен резонанс. Най-важното за химията и практически приложенияса протонна магнитно-резонансна спектроскопия (PMR спектроскопия), както и NMR спектроскопия на въглерод-13 (13 C NMR спектроскопия), флуор-19 (инфрачервена спектроскопия, NMR разкрива информация за молекулярна структура химически вещества. Въпреки това, той предоставя по-пълна информация от IC, което ви позволява да изучавате динамични процеси в проба - определяне на константите на скоростта химична реакция, големината на енергийните бариери пред вътрешномолекулното въртене. Тези характеристики правят ЯМР спектроскопията удобен инструмент както за теоретични органична химия, и за анализ на 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 различните 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 химичното изместване зависи от химическа структуравещества, той се използва за получаване на структурна информация за молекулите в пробата. Например, спектърът за етанол (CH 3 CH 2 OH) дава 3 отличителни сигнала, тоест 3 химични измествания: едно за CH 3 групата, второ за CH 2 групата и последното 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
Повечето полезна информацияза определяне на структурата в едномерен ЯМР спектър дава така нареченото спин-спин 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, като следствие, може да бъде или 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 в рентгеновата 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 тагирания 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:
Спектроскопия с ядрено-магнитен резонанс върху въглеродни ядра 13, 13C NMR спектроскопия е един от методите на NMR спектроскопия, използващ ядра на въглеродния изотоп 13C. Ядрото 13C има въртене 1/2 в основното си състояние, съдържанието му в природата... ... Wikipedia
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: engl. 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: engl. 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. радио вълни. Радиацията включва електронни парамагнитни методи. резонанс (EPR), ядрено-магнитни. резонанс (ЯМР), циклотронен резонанс и др. Естествени науки. 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
Спектроскопията с ядрено-магнитен резонанс е един от най-разпространените и много чувствителни методи за определяне на структурата на органичните съединения, позволявайки да се получи информация не само за качествения и количествения състав, но и за местоположението на атомите един спрямо друг. Различните NMR техники имат много възможности за определяне на химическата структура на веществата, състояния на потвърждение на молекулите, ефекти на взаимно влияние и вътрешномолекулни трансформации.
Методът на ядрено-магнитния резонанс има редица отличителни черти: за разлика от оптичните молекулни спектри, абсорбцията на електромагнитно излъчване от веществото се извършва в силно равномерно външно магнитно поле. Освен това, за провеждане на ЯМР изследване, експериментът трябва да отговаря на редица условия, отразяващи общите принципи на ЯМР спектроскопията:
1) записването на NMR спектри е възможно само за атомни ядрасъс собствен магнитен момент или така наречените магнитни ядра, в които броят на протоните и неутроните е такъв, че масовият брой на изотопните ядра е нечетен. Всички ядра с нечетно масово число имат спин I, чиято стойност е 1/2. Така че за ядра 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R стойността на въртене е равна на 1/2, за ядра 7 Li, 23 Na, 39 K и 4 l R спинът е равен на 3/2 . Ядрата с четен масов номер или изобщо нямат спин, ако ядреният заряд е четен, или имат цели стойности на спин, ако зарядът е нечетен. Само онези ядра, чийто спин е I 0, могат да произведат ЯМР спектър.
Наличието на спин е свързано с циркулацията на атомния заряд около ядрото, следователно възниква магнитен момент μ . Въртящ се заряд (например протон) с ъглов момент J създава магнитен момент μ=γ*J . Ъгловият ядрен момент J и магнитният момент μ, възникващи по време на въртене, могат да бъдат представени като вектори. Тяхното постоянно отношение се нарича жиромагнитно отношение γ. Именно тази константа определя резонансната честота на сърцевината (фиг. 1.1).
Фигура 1.1 - Въртящ се заряд с ъглов момент J създава магнитен момент μ=γ*J.
2) ЯМР методът изследва абсорбцията или излъчването на енергия при необичайни условия на формиране на спектъра: за разлика от други спектрални методи. ЯМР спектърът се записва от вещество, намиращо се в силно равномерно магнитно поле. Такива ядра във външно поле имат различни стойности на потенциална енергия в зависимост от няколко възможни (квантувани) ъгли на ориентация на вектора μ спрямо вектора на силата на външното магнитно поле H 0 . При липса на външно магнитно поле, магнитните моменти или спинове на ядрата нямат определена ориентация. Ако магнитни ядра със спин 1/2 се поставят в магнитно поле, тогава някои от ядрените спинове ще бъдат разположени успоредно на линиите на магнитното поле, другата част антипаралелно. Тези две ориентации вече не са енергийно еквивалентни и се казва, че завъртанията са разпределени на две енергийни нива.
Завъртанията с магнитен момент, ориентиран по полето +1/2, се обозначават със символа | α >, с ориентация, антипаралелна на външното поле -1/2 - символ | β > (фиг. 1.2) .
Фигура 1.2 – Образование енергийни нивакогато е приложено външно поле H 0.
1.2.1 ЯМР спектроскопия на 1 Н ядра Параметри на PMR спектрите.
За дешифриране на данните от 1H NMR спектрите и присвояване на сигнали се използват основните характеристики на спектрите: химично отместване, константа на спин-спин взаимодействие, интегриран интензитет на сигнала, ширина на сигнала [57].
A) Химично изместване (C.C). скала H.S Химичното отместване е разстоянието между този сигнал и сигнала на референтното вещество, изразено в части на милион от силата на външното поле.
Тетраметилсилан [TMS, Si(CH 3) 4], съдържащ 12 структурно еквивалентни, силно екранирани протони, най-често се използва като стандарт за измерване на химичните отмествания на протоните.
B) Константа на спин-спиново взаимодействие. В ЯМР спектри с висока резолюциясе наблюдава разделяне на сигнала. Това разделяне или фина структура в спектрите с висока разделителна способност е резултат от спин-спин взаимодействия между магнитните ядра. Това явление, заедно с химическото изместване, служи като най-важният източник на информация за структурата на сложните органични молекули и разпределението на електронния облак в тях. Не зависи от H 0, но зависи от електронна структурамолекули. Сигналът на магнитно ядро, взаимодействащо с друго магнитно ядро, се разделя на няколко линии в зависимост от броя на спиновите състояния, т.е. зависи от спиновете на ядрото I.
Разстоянието между тези линии характеризира спин-спиновата свързваща енергия между ядрата и се нарича спин-спинова константа на свързване n J, където н- броят на връзките, които разделят взаимодействащите ядра.
Има директни константи J HH, геминални константи 2 J HH , вицинални константи 3 J HH и някои константи за дълъг обхват 4 J HH , 5 J HH .
- геминалните константи 2 J HH могат да бъдат както положителни, така и отрицателни и заемат диапазона от -30 Hz до +40 Hz.
Вициналните константи 3 J HH заемат диапазона 0 20 Hz; почти винаги са положителни. Установено е, че вициналното взаимодействие в наситени системи много силно зависи от ъгъла между въглерод-водородните връзки, т.е. от двустенния ъгъл - (фиг. 1.3).
Фигура 1.3 - Двустенен ъгъл φ между въглерод-водородни връзки.
Спин-спин взаимодействие на дълги разстояния (4 J HH , 5 J HH ) - взаимодействие на две ядра, разделени с четири или повече връзки; константите на такова взаимодействие обикновено са от 0 до +3 Hz.
Таблица 1.1 – Константи на спин-спин взаимодействие
B) Интегриран интензитет на сигнала. Площта на сигналите е пропорционална на броя на магнитните ядра, резониращи при дадена сила на полето, така че съотношението на площите на сигналите дава относително числопротони от всяка структурна разновидност и се нарича интегриран интензитет на сигнала. Съвременните спектрометри използват специални интегратори, чиито показания се записват под формата на крива, чиято височина на стъпките е пропорционална на площта на съответните сигнали.
Г) Ширина на линиите. За да се характеризира ширината на линиите, е обичайно да се измерва ширината на разстояние половината от височината от нулевата линия на спектъра. Експериментално наблюдаваната ширина на линията се състои от естествената ширина на линията, която зависи от структурата и подвижността, и разширяването поради инструментални причини
Обичайната ширина на линията в PMR е 0,1-0,3 Hz, но може да се увеличи поради припокриването на съседни преходи, които не съвпадат точно, но не се разрешават като отделни линии. Разширяването е възможно при наличие на ядра със спин по-голям от 1/2 и химичен обмен.
1.2.2 Приложение на 1Н NMR данни за определяне на структурата на органични молекули.
При решаването на редица проблеми на структурния анализ, в допълнение към таблиците с емпирични стойности, Kh.S. Може да е полезно да се определят количествено ефектите на съседните заместители върху Ch.S. съгласно правилото за адитивност на ефективните скринингови вноски. В този случай обикновено се вземат предвид заместители, които са отдалечени от даден протон на не повече от 2-3 връзки, и изчислението се извършва по формулата:
δ=δ 0 +ε i *δ i (3)
където δ 0 е химическото изместване на протоните от стандартната група;
δi е приносът на скрининга от заместителя.
1.3 ЯМР спектроскопия 13 С. Получаване и режими на запис на спектри.
Първите съобщения за наблюдение на 13 C NMR се появяват през 1957 г., но превръщането на 13 C NMR спектроскопията в практически използван метод за аналитични изследвания започва много по-късно.
Магнитният резонанс 13 C и 1 H имат много общи неща, но има и значителни разлики. Най-често срещаният въглероден изотоп 12 C има I=0. Изотопът 13 C има I=1/2, но естественото му съдържание е 1,1%. Това е заедно с факта, че жиромагнитното съотношение на 13 C ядрата е 1/4 от жиромагнитното съотношение за протоните. Което намалява чувствителността на метода при експерименти за наблюдение на 13C NMR с 6000 пъти в сравнение с 1H ядра.
а) без потискане на спин-спиновото взаимодействие с протоните. 13C NMR спектри, получени при липса на пълно потискане на спин-спин резонанс с протони, се наричат спектри с висока разделителна способност. Тези спектри съдържат пълна информация за 13 C - 1 H константите. В сравнително прости молекули и двата вида константи - директни и далечни - се намират доста просто. Така че 1 J (C-H) е 125 - 250 Hz, обаче, спин-спин взаимодействие може да възникне и с по-отдалечени протони с константи под 20 Hz.
б) пълно потискане на спин-спиновото взаимодействие с протоните. Първият голям напредък в областта на 13 C NMR спектроскопията е свързан с използването на пълно потискане на спин-спиновото взаимодействие с протоните. Използването на пълно потискане на спин-спиновото взаимодействие с протони води до сливане на мултиплети с образуването на синглетни линии, ако в молекулата няма други магнитни ядра, като 19 F и 31 P.
в) непълно потискане на спин-спиновото взаимодействие с протоните. Използването на режима на пълно отделяне от протоните обаче има своите недостатъци. Тъй като сега всички въглеродни сигнали са под формата на синглети, цялата информация за константите на спин-спин взаимодействие 13 C- 1 H се губи.Предложен е метод, който прави възможно частичното възстановяване на информацията за директните константи на спин-спин взаимодействие 13 C- 1 H и в същото време запазват по-голяма част от предимствата на широколентовото отделяне. В този случай в спектрите ще се появят разцепвания, дължащи се на директните константи на спин-спиновото взаимодействие 13 C - 1 H. Тази процедура позволява да се открият сигнали от непротонирани въглеродни атоми, тъй като последните нямат протони, директно свързани с 13 C и се появяват в спектрите с непълно отделяне от протоните като синглети.
г) постоянна модулация C-H взаимодействия, JMODCH спектър. Традиционен проблем в 13C NMR спектроскопията е определянето на броя на протоните, свързани с всеки въглероден атом, т.е. степента на протониране на въглеродния атом. Частичното потискане от протони прави възможно разрешаването на въглеродния сигнал от множествеността, причинена от константите на спин-спин взаимодействие на дълги разстояния, и получаване на разделяне на сигнала поради директни константи на свързване 13 C-1 H. Въпреки това, в случай на силно свързани спинови системи AB и припокриването на мултиплети в режим OFFR затруднява недвусмислената разделителна способност на сигналите.
Спектроскопия с ядрено-магнитен резонанс, ЯМР спектроскопия- спектроскопичен метод за изследване на химически обекти, използващ явлението ядрено-магнитен резонанс. Феноменът ЯМР е открит през 1946 г. от американските физици Ф. Блок и Е. Пърсел. Най-важните за химията и практическите приложения са спектроскопията на протонния магнитен резонанс (PMR спектроскопия), както и ЯМР спектроскопията на въглерод-13 ( 13 C ЯМР спектроскопия), флуор-19 ( 19 F ЯМР спектроскопия), фосфор-31 ( 31 P ЯМР спектроскопия). Ако даден елемент има нечетен атомен номер или изотоп на всеки (четен четен) елемент има нечетно масово число, ядрото на такъв елемент има спин, различен от нула. От възбудено състояние в нормално състояние ядрата могат да се върнат, прехвърляйки енергията на възбуждане към околната „решетка“, което в този случай означава електрони или атоми от различен тип от тези, които се изследват. Този механизъм за пренос на енергия се нарича спин-решеткова релаксация и неговата ефективност може да се характеризира с константа T1, наречена време на спин-решеткова релаксация.
Тези характеристики правят ЯМР спектроскопията удобен инструмент както в теоретичната органична химия, така и за анализ на 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. И така, в поле от 21 тесла протонът резонира с честота 900 MHz.
Химическа промяна
В зависимост от локалната електронна среда различните протони в една молекула резонират на малко по-различни честоти. Тъй като и това честотно изместване, и основната резонансна честота са право пропорционални на големината на индукцията 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 дадено вещество, то се използва за получаване на структурна информация за молекулите в пробата. Например, спектърът за етанол (CH 3 CH 2 OH) дава 3 отличителни сигнала, тоест 3 химични измествания: едно за CH 3 групата, второ за CH 2 групата и последното за OH. Типичното изместване за СН3 група е приблизително 1 ppm, за СН2 група, прикрепена към ОН е 4 ppm, а за ОН 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, като следствие, може да бъде или 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. Обща цел е да се получат триизмерни протеинови структури с висока разделителна способност, подобни на изображенията, получени при рентгенова кристалография. Поради наличието на повече атоми в протеинова молекула в сравнение с обикновено органично съединение, основният 1H 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 да се подобрят резултатите от тези експерименти, се използва методът на етикетирания атом, като се използва 13 C или 15 N. По този начин става възможно да се получи 3D спектър на протеинова проба, което се превърна в пробив в съвременната фармацевтика. Напоследък са широко разпространени техники (с предимства 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.
Количествен ЯМР анализ
При количествен анализ на разтвори площта на пика може да се използва като мярка за концентрация в метода на калибровъчната диаграма или метода на добавяне. Известни са и методи, при които градуирана графика отразява зависимостта на химичното изместване от концентрацията. Използването на метода ЯМР в неорганичния анализ се основава на факта, че в присъствието на парамагнитни вещества времето за ядрена релаксация се ускорява. Измерването на скоростта на релаксация може да се извърши по няколко метода.Надежден и универсален е например импулсният вариант на ЯМР метода или, както обикновено се нарича, методът на спиновото ехо. При измерване с помощта на този метод, краткотрайни радиочестотни импулси се прилагат към изследваната проба в магнитно поле на определени интервали в областта на резонансно поглъщане.В приемната бобина се появява спинов ехо сигнал, чиято максимална амплитуда е свързана до времето за релаксация чрез проста връзка. За извършване на конвенционални аналитични определяния не е необходимо да се намират абсолютните стойности на скоростите на релаксация. В тези случаи можем да се ограничим до измерване на някакво пропорционално на тях количество, например амплитудата на резонансния абсорбционен сигнал. Измерванията на амплитудата могат да се извършват с помощта на просто, по-достъпно оборудване. Съществено предимство на ЯМР метода е широкият диапазон от стойности на измервания параметър. Използвайки настройката на спиновото ехо, времето за релаксация може да се определи от 0,00001 до 100 s. с грешка от 3...5%. Това дава възможност да се определи концентрацията на разтвор в много широк диапазон от 1...2 до 0,000001...0000001 mol / l. Най-често използваната аналитична техника е методът на калибровъчната графика.
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, която, както е известно, може да приема стойностите
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 разцепване 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 име на явлението: ядрен - говорим за система от ядра, магнитен - имаме предвид само тях магнитни свойства, резонанс - самото явление е от резонансен характер. Наистина, от честотните правила на Бор следва, че честотата n електромагнитно поле, предизвикващ преходи между съседни нива, се определя по 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 известните изотопи имат магнитни моменти, но само малка част от тях се използват систематично.
Преди появата на импулсните спектрометри, повечето изследвания бяха проведени с помощта 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 обичайно да се откриват 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 (областите) на сигналите при запис на спектри са пропорционални на броя на магнитните ядра във всяка група, което прави възможно извършването количествен анализот ЯМР 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.
При реални условия резониращите ядра, чиито NMR сигнали се откриват, са интегрална частатоми 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 химическото изместване 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 типа магнитни ядра А и X. Ядрата А и X могат да представляват 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. Ефектът от 900 импулса може да се разбере по-добре, като се разгледат 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 координатна система 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 имат различни скоростипрецесия, 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 топлинно равновесиеи 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΄ ( векторен продукте вектор, перпендикулярен в този случай на равнината z΄x΄). 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 изложена 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 тези вериги се отварят от импулса на вратата. По този начин мощните радиочестотни импулси на изхода на усилвателя съвпадат по време 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 поле 0 или честота n0 в зададен 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 физични измервания на кристали.
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 най-малко 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.
Наред със синхронното откриване много широко се използва натрупването на сигнал с помощта на многоканални устройства за съхранение. 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.
Алилово разцепване- пристрастяване константи на спин-спин взаимодействие между протони в алилни системи ( 4 Дж ), което до голяма степен зависи от ъгъла на усукване между равнините, образувани от атомите HC 2 C 3 и C 1 C 2 C 3.
Annulens- циклични спрегнати системи.
Атропични молекули- молекули на съединения, които не произвеждат пръстенен ток.
Ъгъл на свързване (θ) - ъгълът между две връзки на един въглероден атом.
Вицинален взаимодействие -взаимодействие между ядра, които са разделени от три връзки.
Извънрезонансно отделяне(изключено резонансно отделяне) - ви позволява да правите разлика между сигналите на СН3, СН2, СН групите и кватернерния въглероден атом. За да се наблюдава извънрезонансно отделяне, се използва честота, която е близка до химическото изместване, но не съответства на резонансната честота на сигнала. Това потискане води до намаляване на броя на взаимодействията до такава степен, че се записват само преките. Дж(C,H) взаимодействия.
Геминален взаимодействие -взаимодействие между ядра, които са разделени от две връзки.
Хетеронуклеарна корелационна спектроскопия (HETCOR)- в тези експерименти химичните отмествания на 1H спектрите са поставени на едната ос, докато 13C химическите отмествания са поставени на другата ос. HETCOR - хетеронуклеарен вариант на COSY, който използва индиректни хетероядрени спин-спин взаимодействия между 1 H и 13 C.
HMQC - HETeronuclearМултиКвантКорелация- регистрация 1 N с отделяне от 13 C.
HSQC - HETeronuclear MultiQuantum Correlation- HMQC опция
COLOC - Дълга корелация (много дълга)
HMBC (HETeronuclear MultiplBond Correlation)- вариант на експеримента HMQC за откриване на далечни хетероядрени спин-спин взаимодействия. HMBC произвежда по-високо съотношение сигнал/шум от експеримента HMQC.
Жиромагнитно отношение (γ ) - една от характеристиките на магнитните свойства на ядрото.
Хомоалилно взаимодействие- взаимодействие чрез 5 връзки в алиловата система.
По-нататък взаимодействие -взаимодействие между ядра, които са разделени с повече от 3 връзки (обикновено чрез 4-5 връзки).
Сензор- устройство, което осигурява предаване на импулси към пробата и регистриране на резонансни сигнали. Сензорите са широколентови и селективно настроени. Те са инсталирани в активната област на магнита.
Двустенен (усукващ) ъгъл- ъгълът, образуван от две равнини между разглежданите връзки.
ДвуизмеренДж-спектри.Двуизмерната J-спектроскопия се характеризира с наличието на една честотна координата, свързана със SSV, и втора координата, свързана с химически отмествания. Най-разпространено е контурното представяне на двумерни J-спектри в две взаимно перпендикулярни координати.
Двуизмерна ЯМР спектроскопия -експерименти, използващи импулсни последователности, което прави възможно получаването на ЯМР спектъра в представяне, в което информацията е разпределена върху две честотни координати и е обогатена с информация за взаимозависимостта на ЯМР параметрите. Резултатът е квадратен спектър с две ортогонални оси и сигнал, който има максимум в честотното представяне в точката с координати (, ), т.е., по диагонала.
Делта скала (δ -scale) - скала, в която химическото отместване на TMS протоните се приема за нула.
Диамагнитно изместване- изместване на резонансния сигнал към областта на слабото поле (големи стойности δ ).
Диатропни молекули- отменен от 4 н+2 π електрони, които според правилото на Хюкел са ароматни.
Дублет - сигнал на две взаимодействащи ядра, който е представен в 1H NMR спектъра от две линии с еднакъв интензитет.
Изохронни ядра- ядра с еднаква стойност на химическо отместване. Често те са химически еквивалентни, тоест имат една и съща химическа среда.
Интегрален интензитет на сигнала(площ под кривата) - измерена с интегратор и показана под формата на стъпки, чиято височина е пропорционална на площта и показва относително числопротони.
Импулсна спектроскопия -метод за възбуждане на магнитни ядра - с помощта на кратки и мощни (стотици киловати) високочестотни импулси. Импулс с носеща честота ν o и продължителност t p създава лента на възбуждане в честотния диапазон +1/t p. Ако дължината на импулса е няколко микросекунди и ν o приблизително съответства на центъра на резонансната честотна област за даден тип ядра, тогава лентата ще покрие целия честотен диапазон, осигурявайки едновременно възбуждане на всички ядра. В резултат на това се записва експоненциално затихваща синусоида (ESW). Той съдържа информация както за честотата, т.е. всъщност за химичното изместване, така и за формата на линията. По-познатата за нас форма - спектърът в честотното представяне - се получава от SIS с помощта на математическа процедура, наречена трансформация на Фурие.
Импулсен ЯМР- метод за възбуждане на магнитни ядра с помощта на кратки и мощни (стотици киловати) високочестотни импулси. По време на пулса всички ядра едновременно се възбуждат и след спиране на импулса ядрата се връщат (отпускат) в първоначалното си основно състояние. Загубата на енергия от релаксиращите ядра води до появата на сигнал, който е сбор от сигнали от всички ядра и се описва от голям брой затихнали синусоидални кривипо времева скала, всяка от които съответства на определена резонансна честота.
Константа на спин-спин взаимодействие (SSIC)- количествени характеристики на взаимодействието на различните ядра.
Корелационна спектроскопия (COSY) -експериментирайте с два 90 o импулса. В този тип двуизмерна спектроскопия химичните отмествания на спиново свързаните магнитни ядра са корелирани. Двумерната COSY спектроскопия, при определени условия, помага да се разкрие наличието на много малки константи, които обикновено са невидими в едномерните спектри.
УЮТЕН- експерименти, при които се променя продължителността на импулса. Това прави възможно намаляването на размера на диагоналните пикове, които затрудняват идентифицирането на близки кръстосани пикове (COSY45, COSY60).
DQF-COSY - двойно квантован филтър -потиска синглетите по диагонала и съответните им смущения.
COSYLR (дълъг ранг)- COSY експеримент, който ви позволява да определяте взаимодействия на дълги разстояния.
TOCSY - Обща сумаКорелацияСпектроскопия- режим на снимане, който ви позволява да получите кръстосани пикове между всички завъртания на системата в спектър, наситен със сигнали, чрез прехвърляне на намагнитване чрез връзки в изследвания структурен фрагмент. Най-често се използва за изследване на биомолекули.
Честота на Лармор- честота на прецесия в ЯМР.
Магнитно еквивалентенса тези ядра, които имат еднаква резонансна честота и обща характерна стойност на константата на спин-спин взаимодействие с ядрата на всяка съседна група.
Многоквантови кохерентности- състояния на суперпозиция, когато два или повече взаимодействащи спина ½ се преориентират едновременно.
Многомерен ЯМР- регистриране на ЯМР спектри с повече от една честотна скала.
Мултиплет - сигнал на една група, който се появява като няколко реда.
Непряко спиново взаимодействие - взаимодействие между ядрата, което се предава вътре в молекулата чрез система от връзки и не се усреднява по време на бързо молекулно движение.
Парамагнитни частици - частици, съдържащи несдвоен електрон, който има много голям магнитен момент.
Парамагнитно изместване- изместване на резонансния сигнал към областта на силно поле (големи стойности δ ).
Паратропни молекули -отменен с броя на π електроните, равен на 4 н.
Константата на директното спин-спин взаимодействие еконстанта, характеризираща взаимодействието между ядрата, които са разделени от една връзка.
Директно спин-спин взаимодействие- взаимодействие между ядрата, което се предава през пространството.
Резонансен сигнал -спектрална линия, съответстваща на поглъщането на енергия по време на прехода между собствените състояния, причинени от високочестотен осцилатор.
Релаксационни процеси - загуба на енергия на горното ниво и връщане на долното енергийно ниво поради нерадиационни процеси.
СЪС viping- постепенно изменение на магнитното поле, в резултат на което се постигат резонансни условия.
Спектри от първи ред- спектри, в които разликата в химичните отмествания на отделните групи магнитно еквивалентни ядра ν означително по-голяма от константата на спин-спин взаимодействие Дж .
Спин-решеткова релаксация - процесът на релаксация (загуба на енергия), чийто механизъм е свързан с взаимодействието с локалните електромагнитни полета на околната среда.
Спин-спин релаксация - процесът на релаксация се осъществява в резултат на прехвърляне на енергия от едно възбудено ядро към друго.
Спин-спин взаимодействие на електрони- взаимодействие в резултат на магнитното взаимодействие на различни ядра, което може да се предава чрез електрони на химични връзки на директно несвързани ядра.
Спин система- това е група от ядра, които взаимодействат помежду си, но не взаимодействат с ядра, които не са част от спиновата система.
Химическа промяна -изместване на сигнала на изследваното ядро спрямо сигнала на ядрата на стандартното вещество.
Химически еквивалентни ядра- ядра, които имат еднаква резонансна честота и еднаква химическа среда.
Шими - в ЯМР спектроскопията това е името на електромагнитните намотки, които създават магнитни полета с нисък интензитет, които коригират нехомогенностите в силно магнитно поле.
Широколентов обмен(1 N широколентово отделяне) - използването на силно облъчване, което обхваща целия диапазон от протонни химични измествания, за да се премахнат напълно всички 13C1H взаимодействия.
Екраниране - промяна в позицията на резонансния сигнал под въздействието на индуцирани магнитни полета на други ядра.
Ван дер Ваалсов ефект- ефект, който възниква по време на силно пространствено взаимодействие между протон и съседна група и причинява намаляване на сферичната симетрия на електронното разпределение и увеличаване на парамагнитния принос към екраниращия ефект, което от своя страна води до изместване на сигнала към по-слабо поле.
ефект на Зееман- разделяне на енергийни нива в магнитно поле.
Ефект на покрива- увеличаване на интензитета на централните линии и намаляване на интензитета на далечните линии в мултиплета.
Ефект на магнитна анизотропия(т.нар. конус на анизотропия) е резултат от излагане на вторично индуцирани магнитни полета.
Ядрен квадруполен резонанс (ЯКР) -наблюдавано за ядра със спиново квантово число аз > 1/2 поради несферичното разпределение на ядрения заряд. Такива ядра могат да взаимодействат с градиенти на външни електрически полета, особено с градиенти на полета на електронните обвивки на молекулата, в която се намира ядрото, и имат спинови състояния, характеризиращи се с различни енергии дори при липса на приложено външно магнитно поле.
Ядрен магнетонСтойността на ядрения магнетон се изчислява по формулата:
Ядрено-магнитен резонанс(ЯМР) е физическо явление, използван за изследване на свойствата на молекулите, когато атомните ядра се облъчват с радиовълни в магнитно поле.
Ядрен фактор - отношението на заряда на ядрото към неговата маса.
