NMR spektroskopija
Spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije, NMR spektroskopija- spektroskopska metoda za proučavanje kemijskih objekata, koristeći fenomen nuklearne magnetske rezonancije. Najvažniji za kemiju i praktične aplikacije su spektroskopija protonske magnetske rezonancije (PMR spektroskopija), kao i NMR spektroskopija na ugljik-13 (13 C NMR spektroskopija), fluor-19 (infracrvena spektroskopija, NMR otkriva podatke o molekularna struktura kemijske tvari. Međutim, pruža potpunije informacije od IC-a, omogućujući vam proučavanje dinamičkih procesa u uzorku - određivanje konstanti brzine kemijske reakcije, veličina energetskih prepreka unutarmolekulskoj rotaciji. Ove značajke čine NMR spektroskopiju prikladnim alatom i za teoretske organska kemija, te za analizu bioloških objekata.
Osnovna NMR tehnika
Uzorak tvari za NMR stavlja se u staklenu cijev (ampulu) tankih stijenki. Kada se stavi u magnetsko polje, NMR aktivne jezgre (kao što su 1 H ili 13 C) apsorbiraju elektromagnetsku energiju. Rezonantna frekvencija, energija apsorpcije i intenzitet emitiranog signala proporcionalni su jakosti magnetskog polja. Dakle, u polju od 21 Tesla, proton rezonira na frekvenciji od 900 MHz.
Kemijski pomak
Ovisno o lokalnom elektroničkom okruženju, različiti protoni u molekuli rezoniraju na neznatno različitim frekvencijama. Budući da su i ovaj pomak frekvencije i osnovna rezonantna frekvencija izravno proporcionalni jakosti magnetskog polja, ovaj pomak se pretvara u bezdimenzionalnu veličinu neovisnu o magnetskom polju poznatu kao kemijski pomak. Kemijski pomak se definira kao relativna promjena u odnosu na neke referentne uzorke. Frekvencijski pomak je izuzetno mali u usporedbi s glavnom NMR frekvencijom. Tipični pomak frekvencije je 100 Hz, dok je osnovna NMR frekvencija reda veličine 100 MHz. Stoga se kemijski pomak često izražava u dijelovima na milijun (ppm). Kako bi se otkrila tako mala razlika frekvencija, primijenjeno magnetsko polje mora biti konstantno unutar volumena uzorka.
Budući da kemijski pomak ovisi o kemijska struktura tvari, koristi se za dobivanje strukturnih informacija o molekulama u uzorku. Na primjer, spektar za etanol (CH 3 CH 2 OH) daje 3 različita signala, odnosno 3 kemijska pomaka: jedan za CH 3 skupinu, drugi za CH 2 skupinu i posljednji za OH. Tipični pomak za CH 3 skupinu je približno 1 ppm, za CH 2 skupinu vezanu na OH-4 ppm, a OH je približno 2-3 ppm.
Zbog molekularnog gibanja na sobnoj temperaturi, signali 3 metil protona su prosječni tijekom NMR procesa, koji traje samo nekoliko milisekundi. Ovi protoni degeneriraju i formiraju vrhove pri istom kemijskom pomaku. Softver vam omogućuje analizu veličine vrhova kako biste razumjeli koliko protona doprinosi tim vrhovima.
Spin-spin interakcija
Najviše korisna informacija za određivanje strukture u jednodimenzionalnom NMR spektru daje takozvanu spin-spin interakciju između aktivnih NMR jezgri. Ova interakcija proizlazi iz prijelaza između različitih stanja spina jezgri u kemijskim molekulama, što rezultira razdvajanjem 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 vezanje daje detaljne informacije o vezama atoma u molekuli.
Interakcija drugog reda (jaka)
Jednostavna spin-spin sprega pretpostavlja da je konstanta sprege mala u usporedbi s razlikom u kemijskim pomacima između signala. Ako se razlika pomaka smanji (ili se konstanta interakcije poveća), intenzitet multipleta uzorka postaje iskrivljen i postaje ga teže analizirati (posebno ako sustav sadrži više od 2 spina). Međutim, u NMR spektrometrima velike snage izobličenje je obično umjereno i to omogućuje jednostavno tumačenje povezanih vrhova.
Učinci drugog reda smanjuju se kako se povećava frekvencijska razlika između multipleta, tako da visokofrekventni NMR spektar pokazuje manje izobličenja od niskofrekventnog spektra.
Primjena NMR spektroskopije u istraživanju proteina
Većina novijih inovacija u NMR spektroskopiji napravljena je u tzv. NMR spektroskopiji proteina, koja postaje vrlo važna tehnika u modernoj biologiji i medicini. Opći cilj je dobiti trodimenzionalnu strukturu proteina u visokoj rezoluciji, sličnu slikama dobivenim rendgenskom kristalografijom. Zbog prisutnosti više atoma u molekuli proteina u usporedbi s jednostavnim organskim spojem, osnovni 1D spektar prepun je signala koji se preklapaju, što onemogućuje izravnu analizu spektra. Stoga su razvijene višedimenzionalne tehnike za rješavanje ovog problema.
Kako bi se poboljšali rezultati ovih eksperimenata, koristi se metoda označenog atoma, uz korištenje 13 C ili 15 N. Na taj način postaje moguće dobiti 3D spektar uzorka proteina, što je postalo otkriće u modernoj farmaciji. Nedavno su postale široko rasprostranjene tehnike (koje imaju i prednosti i nedostatke) za dobivanje 4D spektra i spektara viših dimenzija, temeljene na nelinearnim metodama uzorkovanja s naknadnom restauracijom signala opadanja slobodne indukcije pomoću posebnih matematičkih tehnika.
Književnost
- Gunther X. Uvod u tečaj NMR spektroskopije. - Per. s engleskog - M., 1984.
Zaklada Wikimedia. 2010.
Pogledajte što je "NMR spektroskopija" u drugim rječnicima:
Spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije na jezgrama ugljika 13, 13C NMR spektroskopija jedna je od metoda NMR spektroskopije s jezgrama izotopa ugljika 13C. Jezgra 13C ima spin 1/2 u svom osnovnom stanju, njen sadržaj u prirodi... ... Wikipedia
Slika ljudskog mozga na medicinskom NMR tomografu Nuklearna magnetska rezonancija (NMR) rezonantna apsorpcija elektromagnetske energije tvari koja sadrži jezgre sa spinom različitim od nule u vanjskom magnetskom polju, uzrokovana preorijentacijom ... ... Wikipedia
NMR spektroskopija
NMR spektroskopija
spektroskopija magnetske rezonancije- 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 magnetske rezonancije- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopija; spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR spektroskopija, f rus. spektroskopija nuklearnih… 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
spektroskopija nuklearne rezonancije- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopija; spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR spektroskopija, f rus. spektroskopija nuklearnih… Fizikos terminų žodynas
Skup istraživačkih metoda. u VA prema apsorpcijskim spektrima njihovih atoma, iona i molekula. mag. Radio valovi. Zračenje uključuje elektronske paramagnetske metode. rezonancija (EPR), nuklearna magnetska. rezonancija (NMR), ciklotronska rezonancija itd... Prirodna znanost. enciklopedijski rječnik
Slika ljudskog mozga na medicinskom NMR tomografu Nuklearna magnetska rezonancija (NMR) rezonantna apsorpcija ili emisija elektromagnetske energije tvari koja sadrži jezgre sa spinom različitim od nule u vanjskom magnetskom polju, na frekvenciji ν ... ... Wikipedia
Spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije jedna je od najčešćih i vrlo osjetljivih metoda za određivanje strukture organskih spojeva, koja omogućuje dobivanje informacija ne samo o kvalitativnom i kvantitativnom sastavu, već i o položaju atoma jedni prema drugima. Različite NMR tehnike imaju brojne mogućnosti za određivanje kemijske strukture tvari, konfirmacijskih stanja molekula, učinaka međusobnog utjecaja i intramolekulskih transformacija.
Metoda nuklearne magnetske rezonancije ima niz karakterističnih značajki: za razliku od optičkih molekularnih spektara, apsorpcija elektromagnetskog zračenja od strane tvari događa se u jakom jednoličnom vanjskom magnetskom polju. Štoviše, da bi se provela NMR studija, eksperiment mora zadovoljiti niz uvjeta koji odražavaju opća načela NMR spektroskopije:
1) snimanje NMR spektara moguće je samo za atomske jezgre s vlastitim magnetskim momentom ili tzv. magnetske jezgre, u kojima je broj protona i neutrona takav da je maseni broj jezgri izotopa neparan. Sve jezgre s neparnim masenim brojem imaju spin I čija je vrijednost 1/2. Tako je za jezgre 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R vrijednost spina jednaka 1/2, za jezgre 7 Li, 23 Na, 39 K i 4 l R spin je jednak 3/2 . Jezgre s parnim masenim brojem ili uopće nemaju spin ako je nuklearni naboj paran ili imaju cjelobrojne vrijednosti spina ako je naboj neparan. Samo one jezgre čiji je spin I 0 mogu proizvesti NMR spektar.
Prisutnost spina povezana je s kruženjem atomskog naboja oko jezgre, stoga nastaje magnetski moment μ . Rotirajući naboj (na primjer, proton) s kutnom količinom gibanja J stvara magnetski moment μ=γ*J . Kutni nuklearni moment J i magnetski moment μ koji nastaju tijekom rotacije mogu se prikazati kao vektori. Njihov konstantni omjer naziva se žiromagnetski omjer γ. Upravo ta konstanta određuje rezonantnu frekvenciju jezgre (slika 1.1).
Slika 1.1 - Rotacijski naboj s kutnim momentom J stvara magnetski moment μ=γ*J.
2) NMR metoda ispituje apsorpciju ili emisiju energije pod neobičnim uvjetima formiranja spektra: za razliku od drugih spektralnih metoda. NMR spektar snima se iz tvari koja se nalazi u jakom jednoličnom magnetskom polju. Takve jezgre u vanjskom polju imaju različite vrijednosti potencijalne energije ovisno o nekoliko mogućih (kvantiziranih) kutova orijentacije vektora μ u odnosu na vektor jakosti vanjskog magnetskog polja H 0 . U nedostatku vanjskog magnetskog polja, magnetski momenti ili spinovi jezgri nemaju određenu orijentaciju. Ako se magnetske jezgre sa spinom 1/2 stave u magnetsko polje, tada će neki nuklearni spinovi biti paralelni s linijama magnetskog polja, a drugi dio antiparalelni. Ove dvije orijentacije više nisu energetski ekvivalentne i kaže se da su spinovi raspoređeni na dvije energetske razine.
Spinovi s magnetskim momentom usmjerenim duž polja +1/2 označeni su simbolom | α >, s orijentacijom antiparalelnom vanjskom polju -1/2 - simbol | β > (Slika 1.2) .
Slika 1.2 - Obrazovanje razine energije kada je primijenjeno vanjsko polje H 0.
1.2.1 NMR spektroskopija na 1 H jezgri Parametri PMR spektra.
Za dešifriranje podataka 1H NMR spektara i dodjeljivanje signala koriste se glavne karakteristike spektra: kemijski pomak, konstanta spin-spin interakcije, integrirani intenzitet signala, širina signala [57].
A) Kemijski pomak (C.C). H.S. ljestvica Kemijski pomak je udaljenost između ovog signala i signala referentne tvari, izražena u dijelovima na milijun jakosti vanjskog polja.
Tetrametilsilan [TMS, Si(CH 3) 4], koji sadrži 12 strukturno ekvivalentnih, visoko zaštićenih protona, najčešće se koristi kao standard za mjerenje kemijskih pomaka protona.
B) Konstanta spin-spin interakcije. U NMR spektrima visoka rezolucija opaža se cijepanje signala. Ovo cijepanje ili fina struktura u spektrima visoke rezolucije rezultat je spin-spin interakcija između magnetskih jezgri. Ova pojava, uz kemijski pomak, služi kao najvažniji izvor informacija o strukturi složenih organskih molekula i rasporedu elektronskog oblaka u njima. Ne ovisi o H 0, ali ovisi o elektronička struktura molekule. Signal magnetske jezgre u interakciji s drugom magnetskom jezgrom podijeljen je u nekoliko linija ovisno o broju spinskih stanja, tj. ovisi o spinovima jezgri I.
Udaljenost između ovih linija karakterizira energiju spin-spin sprege između jezgri i naziva se konstanta spin-spin sprege n J, gdje n-broj veza koje razdvajaju jezgre u interakciji.
Postoje direktne konstante J HH, geminalne konstante 2 J HH , vicinalne konstante 3 J HH i neke dugometne konstante 4 J HH , 5 J HH .
- geminalne konstante 2 J HH mogu biti i pozitivne i negativne i zauzimaju područje od -30 Hz do +40 Hz.
Vicinalne konstante 3 J HH zauzimaju područje 0 20 Hz; gotovo su uvijek pozitivni. Utvrđeno je da vicinalna interakcija u zasićenim sustavima jako ovisi o kutu između veza ugljik-vodik, odnosno o diedarskom kutu - (slika 1.3).
Slika 1.3 - Diedarski kut φ između veza ugljik-vodik.
Dugometna spin-spin interakcija (4 J HH , 5 J HH ) - interakcija dviju jezgri odvojenih s četiri ili više veza; konstante takve interakcije su obično od 0 do +3 Hz.
Tablica 1.1 – Konstante interakcije spin-spin
B) Integrirani intenzitet signala. Područje signala proporcionalno je broju magnetskih jezgri koje rezoniraju pri određenoj jakosti polja, tako da omjer površina signala daje relativni broj protona svake strukturne raznolikosti i naziva se integrirani intenzitet signala. Moderni spektrometri koriste posebne integratore, čija se očitanja bilježe u obliku krivulje, čija je visina koraka proporcionalna površini odgovarajućih signala.
D) Širina linija. Za karakterizaciju širine linija, uobičajeno je mjeriti širinu na udaljenosti od polovice visine od nulte linije spektra. Eksperimentalno promatrana širina linije sastoji se od prirodne širine linije, koja ovisi o strukturi i pokretljivosti, te proširenja zbog instrumentalnih razloga.
Uobičajena širina linije u PMR-u je 0,1-0,3 Hz, ali se može povećati zbog preklapanja susjednih prijelaza, koji se točno ne poklapaju, ali se ne razlučuju kao zasebne linije. Širenje je moguće u prisutnosti jezgri sa spinom većim od 1/2 i kemijskom izmjenom.
1.2.2 Primjena 1H NMR podataka za određivanje strukture organskih molekula.
Prilikom rješavanja niza problema strukturne analize, osim tablica empirijskih vrijednosti, Kh.S. Može biti korisno kvantificirati učinke susjednih supstituenata na Ch.S. prema pravilu aditivnosti efektivnih doprinosa probira. U ovom slučaju obično se uzimaju u obzir supstituenti koji nisu udaljeni više od 2-3 veze od danog protona, a izračun se vrši pomoću formule:
δ=δ 0 +ε i *δ i (3)
gdje je δ 0 kemijski pomak protona standardne skupine;
δi je doprinos screeninga od strane supstituenta.
1.3 NMR spektroskopija 13 C. Dobivanje i načini snimanja spektara.
Prvi izvještaji o opažanju 13 C NMR pojavili su se 1957. godine, ali je transformacija 13 C NMR spektroskopije u praktičnu metodu analitičkog istraživanja započela mnogo kasnije.
Magnetska rezonanca 13 C i 1 H imaju mnogo toga zajedničkog, ali postoje i značajne razlike. Najčešći izotop ugljika 12 C ima I=0. Izotop 13 C ima I=1/2, ali njegov prirodni sadržaj je 1,1%. To je zajedno s činjenicom da je žiromagnetski omjer jezgri 13 C 1/4 žiromagnetskog omjera za protone. Što smanjuje osjetljivost metode u eksperimentima promatranja 13 C NMR za 6000 puta u usporedbi s 1 H jezgrama.
a) bez potiskivanja spin-spin interakcije s protonima. 13C NMR spektri dobiveni u odsutnosti potpune supresije spin-spin rezonancije s protonima nazvani su spektri visoke rezolucije. Ovi spektri sadrže potpune informacije o 13 C - 1 H konstantama. U relativno jednostavnim molekulama, obje vrste konstanti - izravne i dugodometne - nalaze se prilično jednostavno. Dakle, 1 J (C-H) je 125 - 250 Hz, međutim, spin-spin interakcija se također može dogoditi s udaljenijim protonima s konstantama manjim od 20 Hz.
b) potpuno potiskivanje spin-spin interakcije s protonima. Prvi veći napredak u području 13 C NMR spektroskopije povezan je s korištenjem potpunog potiskivanja spin-spin interakcije s protonima. Korištenje potpune supresije spin-spin interakcije s protonima dovodi do spajanja multipleta uz stvaranje singletnih linija ako u molekuli nema drugih magnetskih jezgri, kao što su 19 F i 31 P.
c) nepotpuno potiskivanje spin-spin interakcije s protonima. Međutim, korištenje načina potpunog odvajanja od protona ima svoje nedostatke. Budući da su svi signali ugljika sada u obliku singleta, izgubljene su sve informacije o konstantama spin-spin interakcije 13 C- 1 H. Predlaže se metoda koja omogućuje djelomično obnavljanje informacija o izravnim konstantama spin-spin interakcije 13 C- 1 H i istovremeno zadržati veći dio prednosti širokopojasnog odvajanja. U tom će se slučaju pojaviti cijepanja u spektrima zbog izravnih konstanti spin-spin interakcije 13 C - 1 H. Ovaj postupak omogućuje otkrivanje signala neprotoniranih ugljikovih atoma, budući da potonji nemaju protone izravno povezane s 13 C i pojavljuju se u spektrima s nepotpunim odvajanjem od protona kao singleti.
d) stalna modulacija C-H interakcije, JMODCH spektar. Tradicionalni problem u 13C NMR spektroskopiji je određivanje broja protona povezanih sa svakim ugljikovim atomom, tj. stupnja protonacije ugljikovog atoma. Djelomično potiskivanje protonima omogućuje razrješenje signala ugljika od višestrukosti uzrokovane spin-spin interakcijskim konstantama dugog dometa i dobivanje cijepanja signala zbog izravnih 13 C-1 H konstanti sprezanja. Međutim, u slučaju snažno spregnutih spinskih sustava AB a preklapanje multipleta u OFFR modu otežava nedvosmisleno razlučivanje signala.
Spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije, NMR spektroskopija- spektroskopska metoda za proučavanje kemijskih objekata, koristeći fenomen nuklearne magnetske rezonancije. Fenomen NMR otkrili su 1946. američki fizičari F. Bloch i E. Purcell. Najvažnije za kemiju i praktičnu primjenu su spektroskopija protonske magnetske rezonancije (PMR spektroskopija), kao i NMR spektroskopija na ugljiku-13 ( 13 C NMR spektroskopija), fluoru-19 ( 19 F NMR spektroskopija), fosforu-31 ( 31 P NMR spektroskopija).Ako element ima neparan atomski broj ili izotop bilo kojeg (parnog parnog) elementa ima neparan maseni broj, jezgra takvog elementa ima spin različit od nule. Iz pobuđenog stanja u normalno stanje, jezgre se mogu vratiti, prenoseći energiju pobuđenja na okolnu "rešetku", što u ovom slučaju znači elektrone ili atome drugačijeg tipa od onih koji se proučavaju. Ovaj mehanizam prijenosa energije naziva se spin-rešetkasta relaksacija, a njegova se učinkovitost može karakterizirati konstantom T1, koja se naziva spin-rešetkasto vrijeme relaksacije.
Ove značajke čine NMR spektroskopiju prikladnim alatom kako u teorijskoj organskoj kemiji tako i za analizu bioloških objekata.
Osnovna NMR tehnika
Uzorak tvari za NMR stavlja se u staklenu cijev (ampulu) tankih stijenki. Kada se stavi u magnetsko polje, NMR aktivne jezgre (kao što su 1 H ili 13 C) apsorbiraju elektromagnetsku energiju. Rezonantna frekvencija, energija apsorpcije i intenzitet emitiranog signala proporcionalni su jakosti magnetskog polja. Dakle, u polju od 21 Tesla, proton rezonira na frekvenciji od 900 MHz.
Kemijski pomak
Ovisno o lokalnom elektroničkom okruženju, različiti protoni u molekuli rezoniraju na neznatno različitim frekvencijama. Budući da su i ovaj pomak frekvencije i osnovna rezonantna frekvencija izravno proporcionalni veličini indukcije magnetskog polja, ovaj pomak se pretvara u bezdimenzionalnu veličinu neovisnu o magnetskom polju, poznatu kao kemijski pomak. Kemijski pomak se definira kao relativna promjena u odnosu na neke referentne uzorke. Frekvencijski pomak je izuzetno mali u usporedbi s glavnom NMR frekvencijom. Tipični pomak frekvencije je 100 Hz, dok je osnovna NMR frekvencija reda veličine 100 MHz. Stoga se kemijski pomak često izražava u dijelovima na milijun (ppm). Kako bi se otkrila tako mala razlika frekvencija, primijenjeno magnetsko polje mora biti konstantno unutar volumena uzorka.
Budući da kemijski pomak ovisi o kemijskoj strukturi tvari, koristi se za dobivanje strukturnih informacija o molekulama u uzorku. Na primjer, spektar za etanol (CH 3 CH 2 OH) daje 3 različita signala, odnosno 3 kemijska pomaka: jedan za CH 3 skupinu, drugi za CH 2 skupinu i posljednji za OH. Tipični pomak za CH 3 skupinu je približno 1 ppm, za CH 2 skupinu vezanu na OH je 4 ppm, a za OH je približno 2-3 ppm.
Zbog molekularnog gibanja na sobnoj temperaturi, signali 3 metil protona su prosječni tijekom NMR procesa, koji traje samo nekoliko milisekundi. Ovi protoni degeneriraju i formiraju vrhove pri istom kemijskom pomaku. Softver vam omogućuje analizu veličine vrhova kako biste razumjeli koliko protona doprinosi tim vrhovima.
Spin-spin interakcija
Najkorisnije informacije za određivanje strukture u jednodimenzionalnom NMR spektru pružaju takozvane spin-spin interakcije između aktivnih NMR jezgri. Ova interakcija proizlazi iz prijelaza između različitih stanja spina jezgri u kemijskim molekulama, što rezultira razdvajanjem 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 vezanje daje detaljne informacije o vezama atoma u molekuli.
Interakcija drugog reda (jaka)
Jednostavna spin-spin sprega pretpostavlja da je konstanta sprege mala u usporedbi s razlikom u kemijskim pomacima između signala. Ako se razlika pomaka smanji (ili se konstanta interakcije poveća), intenzitet multipleta uzorka postaje iskrivljen i postaje ga teže analizirati (posebno ako sustav sadrži više od 2 spina). Međutim, u NMR spektrometrima velike snage izobličenje je obično umjereno i to omogućuje jednostavno tumačenje povezanih vrhova.
Učinci drugog reda smanjuju se kako se povećava frekvencijska razlika između multipleta, tako da visokofrekventni NMR spektar pokazuje manje izobličenja od niskofrekventnog spektra.
Primjena NMR spektroskopije u istraživanju proteina
Većina novijih inovacija u NMR spektroskopiji napravljena je u tzv. NMR spektroskopiji proteina, koja postaje vrlo važna tehnika u modernoj biologiji i medicini. Uobičajeni cilj je dobiti trodimenzionalne proteinske strukture visoke rezolucije, slične slikama dobivenim rendgenskom kristalografijom. Zbog prisutnosti više atoma u molekuli proteina u usporedbi s jednostavnim organskim spojem, osnovni 1H spektar prepun je signala koji se preklapaju, što izravnu analizu spektra čini nemogućom. Stoga su razvijene višedimenzionalne tehnike za rješavanje ovog problema.
Kako bi se poboljšali rezultati ovih eksperimenata, koristi se metoda označenog atoma pomoću 13 C ili 15 N. Na taj način postaje moguće dobiti 3D spektar uzorka proteina, što je postalo otkriće u modernoj farmaciji. Nedavno su se raširile tehnike (s prednostima i nedostacima) za dobivanje 4D spektra i spektara viših dimenzija, koje se temelje na nelinearnim metodama uzorkovanja s naknadnom restauracijom signala opadanja slobodne indukcije pomoću posebnih matematičkih tehnika.
Kvantitativna NMR analiza
U kvantitativnoj analizi otopina, područje vrha može se koristiti kao mjera koncentracije u metodi kalibracijske krivulje ili metodi dodavanja. Također su poznate metode u kojima stupnjevani graf odražava ovisnost o koncentraciji kemijskog pomaka. Korištenje NMR metode u anorganskoj analizi temelji se na činjenici da se u prisutnosti paramagnetskih tvari vrijeme nuklearne relaksacije ubrzava. Mjerenje brzine relaksacije može se izvesti na više metoda, a pouzdana i univerzalna je npr. pulsna inačica NMR metode ili, kako se obično naziva, spin echo metoda. Kod mjerenja ovom metodom, kratkotrajni radiofrekvencijski impulsi se primjenjuju na uzorak koji se proučava u magnetskom polju u određenim intervalima u području rezonantne apsorpcije. Signal spinske jeke pojavljuje se u prijemnoj zavojnici, čija je najveća amplituda povezana na vrijeme opuštanja jednostavnim odnosom. Za izvođenje konvencionalnih analitičkih određivanja nema potrebe za pronalaženjem apsolutnih vrijednosti stopa relaksacije. U tim slučajevima možemo se ograničiti na mjerenje neke veličine proporcionalne njima, na primjer, amplitude rezonantnog apsorpcijskog signala. Mjerenja amplitude mogu se izvesti pomoću jednostavne, pristupačnije opreme. Značajna prednost NMR metode je širok raspon vrijednosti mjerenog parametra. Koristeći postavku spinskog odjeka, vrijeme opuštanja može se odrediti od 0,00001 do 100 s. s pogreškom od 3...5%. To omogućuje određivanje koncentracije otopine u vrlo širokom rasponu od 1...2 do 0,000001...0000001 mol/l.Najčešće korištena analitička tehnika je metoda kalibracijskog grafikona.
Bit fenomena NMR može se ilustrirati na sljedeći način. Ako se jezgra s magnetskim momentom postavi u uniformno polje 0 usmjereno duž osi z, tada je njezina energija (u odnosu na energiju u odsutnosti polja) jednaka -mzH0, gdje je mz projekcija nuklearnog magnetskog polja. trenutku na smjer polja.
Kao što je već navedeno, jezgra može biti u 2I + 1 stanjima. U nedostatku vanjskog polja 0, sva ta stanja imaju istu energiju. Ako najveću mjerljivu vrijednost komponente magnetskog momenta označimo s m, tada se sve mjerljive vrijednosti komponente magnetskog momenta (u ovom slučaju mz) izražavaju u obliku mm, gdje je m kvantni broj, koji, kao što je poznato, može poprimiti vrijednosti
m=I,I–1,I–2,…,-(I+1),-I.
Budući da je udaljenost između energetskih razina koje odgovaraju svakom od stanja 2I + 1 jednaka mH0 / I, tada jezgra sa spinom I ima diskretne energetske razine:
MH0,-(I–1)/ImH0,…(I–1)/ImH0,mH0.
Cijepanje energetskih razina u magnetskom polju može se nazvati nuklearnim Zeemanovim cijepanjem, jer je slično cijepanju elektronskih razina u magnetskom polju (Zeemanov efekt). Zeemanovo cijepanje za sustav s I = 1 (s tri energetske razine).
Fenomen NMR sastoji se od rezonantne apsorpcije elektromagnetske energije zbog magnetizma jezgri. To dovodi do očitog naziva fenomena: nuklearni - govorimo o sustavu jezgri, magnetski - mislimo samo na njih magnetska svojstva, rezonancija - sama pojava je rezonantne prirode. Doista, iz Bohrovih frekvencijskih pravila slijedi da je frekvencija n elektromagnetsko polje, koji uzrokuje prijelaze između susjednih razina, određuje se formulom:
hν=μH0/I, odnosno ν=μH0/hI.
Budući da su vektori kutne količine gibanja (kutne količine gibanja) i magnetskog momenta paralelni, često je zgodno karakterizirati magnetska svojstva jezgri vrijednošću g, određenom relacijom
gdje je γ žiromagnetski omjer, koji ima dimenziju radijan*oersted-1*sekunda-1 (rad*E-1*s-1). Uzimajući to 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 se frekvencija može generirati konvencionalnim metodama radiotehnike.
NMR spektroskopiju karakterizira niz značajki koje je razlikuju od drugih analitičke metode. Otprilike polovica ($\sim$150) jezgri poznatih izotopa ima magnetske momente, ali samo se manjina sustavno koristi.
Prije pojave pulsirajućih spektrometara, većina studija provedena je korištenjem NMR fenomena na vodikovim jezgrama (protonima) 1H (protonska magnetska rezonancija - PMR) i fluoru 19F. Ove jezgre imaju idealna svojstva za NMR spektroskopiju:
visok prirodni sadržaj “magnetskog” izotopa (1H 99,98%, 19F 100%); Za usporedbu, može se spomenuti da je prirodni sadržaj "magnetskog" izotopa ugljika 13C 1,1%; veliki magnetski moment; spin I = 1/2.
To prije svega određuje visoku osjetljivost metode pri detektiranju signala iz gore navedenih jezgri. Osim toga, postoji teorijski strogo potkrijepljeno pravilo prema kojem električni kvadrupolni moment imaju samo jezgre sa spinom jednakim ili većim od jedinice. Posljedično, 1H i 19F NMR eksperimenti nisu komplicirani interakcijom nuklearnog kvadrupolnog momenta jezgre s električnim okruženjem.
Uvođenjem pulsirajućih NMR spektrometara u svakodnevnu praksu znatno su proširene eksperimentalne mogućnosti ove vrste spektroskopije. Konkretno, snimanje 13C NMR spektra otopina - najvažnijeg izotopa za kemiju - sada je gotovo uobičajen postupak. Također je postalo uobičajeno detektirati signale iz jezgri, čiji je intenzitet NMR signala višestruko manji od intenziteta signala iz 1H, uključujući i u čvrstoj fazi.
NMR spektri visoke rezolucije obično se sastoje od uskih, dobro razdvojenih linija (signala) koji odgovaraju magnetskim jezgrama u različitim kemijskim okruženjima. Intenziteti (površine) signala pri snimanju spektra proporcionalni su broju magnetskih jezgri u svakoj skupini, što omogućuje provođenje kvantitativna analiza iz NMR spektara bez prethodne kalibracije.
Druga značajka NMR je utjecaj procesa izmjene u kojima sudjeluju rezonantne jezgre na položaj i širinu rezonantnih signala. Stoga se priroda takvih procesa može proučavati iz NMR spektara. NMR linije u spektrima tekućina obično imaju širinu od 0,1 - 1 Hz (NMR visoke rezolucije), dok će iste jezgre proučavane u čvrstoj fazi dovesti do linija širine reda veličine 1 * 104 Hz (stoga koncept široke linije NMR ).
U NMR spektroskopiji visoke rezolucije postoje dva glavna izvora informacija o strukturi i dinamici molekula:
kemijski pomak; spin-spin interakcijske konstante.
U stvarnim uvjetima, rezonantne jezgre čiji se NMR signali detektiraju su sastavni dio atoma ili molekula. Kada se ispitivane tvari stave u magnetsko polje (0), nastaje dijamagnetski moment atoma (molekula), uzrokovan orbitalnim gibanjem elektrona. Ovo kretanje elektrona stvara efektivne struje i stoga stvara sekundarno magnetsko polje, proporcionalno u skladu s Lenzovim zakonom s poljem 0 i suprotno usmjereno. Ovo sekundarno polje djeluje na jezgru. Dakle, lokalno polje na mjestu gdje se nalazi rezonantna jezgra je lok = 0 (3.3)
gdje je σ bezdimenzionalna konstanta, koja se naziva konstantom probira i neovisna je o 0, ali jako ovisi o kemijskom (elektroničkom) okruženju; karakterizira smanjenje lok u usporedbi s 0.
Vrijednost $\sigma$ varira od vrijednosti reda 10-5 za proton do vrijednosti reda 10-2 za teške jezgre. Uzimajući u obzir izraz za lok, imamo: ν=γΗ0(1−σ)/2π (3.4)
Efekt screeninga je smanjenje udaljenosti između razina nuklearne magnetske energije ili, drugim riječima, dovodi do konvergencije Zeemanovih razina. U tom slučaju, kvanti energije koji uzrokuju prijelaze između razina postaju manji i stoga dolazi do rezonancije na nižim frekvencijama (vidi izraz (3.4)). Ako provodimo eksperiment mijenjajući polje 0 dok ne nastupi rezonancija, tada bi primijenjena jakost polja trebala biti veća nego u slučaju kada jezgra nije oklopljena.
Utjecaj elektroničke zaštite na Zeemanove razine jezgre: a - neoklopljena, b - oklopljena
U velikoj većini NMR spektrometara spektri se snimaju kada se polje mijenja slijeva na desno, tako da bi signali (vrhovi) najzaštićenijih jezgri trebali biti na desnoj strani spektra.
Pomak signala ovisno o kemijskom okruženju, zbog razlika u konstantama probira, naziva se kemijski pomak.
Otkriće kemijskog pomaka prvi je put objavljeno u nekoliko publikacija između 1950. i 1951. godine. Među njima valja istaknuti rad Arnolda, koji je dobio prvi spektar s zasebnim linijama koje odgovaraju kemijski različitim položajima identičnih jezgri 1H u jednoj molekuli.
U ovoj molekuli postoje tri vrste protona: tri protona metilne skupine CH3-, dva protona metilenske skupine -CH2- i jedan proton hidroksilne skupine -OH. Može se vidjeti da tri odvojena signala odgovaraju trima vrstama protona. Budući da je intenzitet signala u omjeru 3:2:1, dekodiranje spektra (dodjela signala) nije teško.
Budući da se kemijski pomaci ne mogu mjeriti na apsolutnoj ljestvici, to jest, u odnosu na jezgru bez svih elektrona, signal referentnog spoja koristi se kao referentna nula. Obično se vrijednosti kemijskog pomaka za bilo koju jezgru daju u obliku bezdimenzionalnog parametra δ, definiranog na sljedeći način:
δ=(H−Het)/Het*106, (3.6)
gdje je (H - Neto) razlika u kemijskim pomacima za uzorak koji se proučava i standard, Neto je apsolutni položaj standardnog signala s primijenjenim poljem (H0).
U stvarnim eksperimentalnim uvjetima moguće je točnije izmjeriti frekvenciju nego 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 biste trebali koristiti ν0 - radnu frekvenciju spektrometra (ona je obično fiksna), već frekvenciju νet, odnosno apsolutnu frekvenciju na kojoj se promatra rezonantni signal standarda. Međutim, pogreška koju donosi takva zamjena vrlo je mala, jer su ν0 i νet gotovo jednaki (razlika je 10-5, odnosno za vrijednost σ za proton). Budući da različiti NMR spektrometri rade na različitim frekvencijama ν0 (i, prema tome, na različitim poljima H0), očita je potreba da se δ izrazi u bezdimenzionalnim jedinicama.
Jedinica kemijskog pomaka je jedan milijunti dio jakosti polja ili rezonantne frekvencije. Spin-spin interakcija.
Godine 1951. - 1953., prilikom snimanja NMR spektara niza tekućina, otkriveno je da spektri nekih tvari imaju više linija nego što proizlazi iz jednostavne procjene broja neekvivalentnih jezgri. Jedan od prvih primjera je rezonancija na fluoru u molekuli POCl2F. Spektar 19F sastoji se od dvije linije jednakog intenziteta, iako je u molekuli samo jedan atom fluora. Molekule drugih spojeva davale su simetrične multipletne signale (triplete, kvartete itd.).
Ova interakcija je posljedica mehanizma neizravne komunikacije kroz elektroničko okruženje. Nuklearni spin nastoji usmjeriti spinove elektrona koji okružuju datu jezgru. Oni pak usmjeravaju spinove drugih elektrona i, preko njih, spinove drugih jezgri. Energija spin-spin interakcije obično se izražava u hercima (odnosno, Planckova konstanta se uzima kao jedinica energije, na temelju činjenice da je E = hν). Jasno je da nema potrebe (za razliku od kemijskog pomaka) izražavati ga u relativnim jedinicama, budući da interakcija o kojoj se raspravlja, kao što je gore navedeno, ne ovisi o jakosti vanjskog polja. Veličina interakcije može se odrediti mjerenjem udaljenosti između komponenti odgovarajućeg multipleta.
Najjednostavniji primjer cijepanja zbog spin-spin sprezanja koji se može susresti je rezonantni spektar molekule koja sadrži dvije vrste magnetskih jezgri A i X. Jezgre A i X mogu predstavljati različite jezgre ili jezgre istog izotopa (na primjer , 1H ) u slučaju kada su kemijski pomaci između njihovih rezonantnih signala veliki.
Metode spinskog odjeka.
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 kompenziraju. S jedne strane, pod utjecajem visokofrekventnog polja 1, brojevi punjenja Zeemanovih razina imaju tendenciju izravnavanja, što dovodi do demagnetizacije sustava, as druge strane, toplinsko gibanje to sprječava i vraća Boltzmannovu distribuciju .
Posve drugačiji nestacionarni procesi uočavaju se u slučajevima kada je visokofrekventno polje 1 kratkotrajno uključeno. Praktična provedba eksperimenata ove vrste je moguća, budući da su karakteristični vremenski parametri elektroničke opreme mali u usporedbi s vremenom raspadanja Larmorove precesije T2.
Po prvi put je reakciju sustava na impulse visokofrekventnog polja promatrao Khan 1950. godine, kada je otkrio fenomen spinskog eha. Ovo otkriće označilo je početak razvoja pulsne NMR metode.
Djelovanje polja 1, koje rotira na rezonantnoj frekvenciji, svodi se na odstupanje magnetizacije od početnog ravnotežnog smjera, paralelno s poljem 0. Ako se polje uključi samo na kratko vrijeme, a zatim ponovno isključi, tada kut odstupanja vektora magnetizacije ovisi o trajanju impulsa. Nakon što je polje 1 uključeno, vektor magnetizacije će precesirati oko polja 0 sve dok njegove komponente okomite na polje 0 ne nestanu bilo zbog relaksacije ili drugih uzroka. Indukcijski signal, koji se opaža nakon isključivanja visokofrekventnog polja 1, predstavlja slabljenje slobodne precesije, što je prvi razmatrao Bloch.
Ako je jakost polja 1 visoka, a trajanje impulsa tw toliko kratko da se tijekom djelovanja impulsa mogu zanemariti procesi relaksacije, tada će se djelovanje polja 1 svesti na rotaciju vektora magnetizacije za kut g1tw (g1 je kutna brzina kojom polje 1 otklanja vektor od osi z ). Ako su veličine 1 i tw odabrane tako da je g1tw=1/2p, (3.8) tada će vektor nakon rotacije biti u ravnini xy. Takvi se impulsi nazivaju 900 turn pulses (ili 900 pulses). 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 izvornog smjera u suprotno. Učinak 900 impulsa može se bolje razumjeti ako ih se promatra u koordinatnom sustavu koji rotira s kutna brzina, jednaka frekvenciji polja 1. Ako je trajanje impulsa kratko, tako da konačni rezultat malo ovisi o veličini odstupanja frekvencije polja 1 od rezonantne vrijednosti, tada u takvom koordinatnom sustavu vektor magnetizacije M neposredno nakon završetka impulsa bit će usmjeren duž v osi.
Ako je konstantno polje 0 potpuno homogeno, tada je ponašanje vektora magnetizacije nakon završetka impulsa određeno samo procesima relaksacije. Stoga će se komponenta vektora magnetizacije koja se nalazi u ravnini okomitoj na polje 0 okretati oko tog smjera s Larmorovom frekvencijom, dok će joj amplituda težiti nuli prema zakonu exp(-t/T2).
U slučaju kada se ne može zanemariti nehomogenost magnetskog polja H0, slabljenje dolazi brže. Ovaj se fenomen može vizualizirati pomoću niza dijagrama koji prikazuju položaj vektora na
magnetizacija u različitim dijelovima uzorka u određenim trenucima procesa raspada. Pretpostavimo da je uzorak podijeljen u nekoliko područja, a unutar svakog područja je magnetsko polje uniformno, a magnetizacija je karakterizirana svojim vektorom i. Prisutnost nehomogenosti magnetskog polja 0 će dovesti do činjenice da će umjesto precesije rezultirajućeg vektora magnetizacije s određenom Larmorovom frekvencijom w0 doći do precesije skupa vektora magnetizacije s frekvencijama raspoređenim prema određenom zakonu .
Promotrimo kretanje ovih vektora u koordinatnom sustavu koji rotira kutnom brzinom koja je jednaka prosječnoj brzini Larmorove precesije koja odgovara određenoj prosječnoj vrijednosti polja H0. Vektori i nazivaju se spinski izokromati.
Međutim, zbog činjenice da imaju različite brzine precesija, jer nalaze se u područjima uzorka s različitim vrijednostima polja 0, tada će se neki od njih okretati brže, a neki sporije od koordinatnog sustava. Stoga će se u koordinatnom sustavu koji rotira određenom prosječnom kutnom brzinom spinski izokromati raspršiti u "lepezu". Jer Prijemna zavojnica indukcijskog sustava reagira samo na vektorski zbroj tih momenata, tada se opaža slabljenje signala.
Khan je otkrio da utjecaj drugog impulsa na sustav nakon vremenskog intervala τ nakon prvog dovodi do pojave eho signala nakon jednakog vremenskog perioda 2τ. Eho signal se opaža čak i ako se signal slobodne precesije potpuno smanji unutar vremena od 2τ.
1. U početku je sustav in toplinska ravnoteža, a svi vektori magnetizacije su paralelni s konstantnim poljem 0.
2. Pod utjecajem visokofrekventnog polja usmjerenog duž x΄ osi rotirajućeg koordinatnog sustava, vektori magnetiziranja tijekom prvog impulsa odstupaju od smjera z osi u smjeru y΄ osi.
3. Nakon završetka 900. impulsa svi vektori magnetizacije nalaze se u ekvatorijalnoj ravnini u smjeru osi y΄ ( vektorski proizvod je vektor okomit u ovom slučaju na z΄x΄ ravninu). Ako je trajanje impulsa tω dovoljno kratko, tada se neće primijetiti opuštanje ili raspršenje vektora magnetizacije u "lepezu" povezanu s nehomogenošću polja 0.
4. Odmah nakon uključivanja visokofrekventnog polja H1 dolazi do opadanja slobodne precesije, što dovodi do raspršenja spinskih izokromata u “lepezu” koja se nalazi u x΄y΄ ravnini.
5. Nakon vremenskog perioda τ, sustav je izložen 1800. impulsu trajanja 2tω. Kao rezultat djelovanja tog impulsa, cijeli sustav vektora i rotira se za 1800 oko x΄ osi.
6. Na kraju drugog impulsa svaki od vektora magnetizacije u rotirajućem koordinatnom sustavu nastavlja se kretati u istom smjeru. Međutim, sada, nakon okretanja za 1800, to kretanje ne dovodi do raspršenja, već do savijanja "lepeze" vektora.
7. Nakon vremenskog intervala od 2τ nakon početka prvog impulsa, svi vektori magnetizacije koji se nalaze u x΄y ravnini imat će isti smjer i stvarat će snažan rezultirajući magnetski moment u negativnom smjeru y΄ osi. To rezultira indukcijom signala koji se naziva eho signal u prijamnoj zavojnici.
8. Nakon pojave eho signala, vektori magnetizacije ponovno se raspršuju u “lepezu”, te se opaža uobičajeno slabljenje slobodne precesije. Opadanje signala odjeka (počevši od vremena 2τ) po obliku se podudara s opadanjem signala slobodne indukcije nakon prvog 900. impulsa. Neposredno nakon 1800. impulsa ne pojavljuje se signal slobodne indukcije.
Oblik signala odjeka, kao i oblik signala slabljenja slobodne precesije, ovisi o vremenskom zakonu koji upravlja širenjem vektora magnetizacije. Ako magnetsko polje nije uniformno, koherencija se brzo gubi i signal odjeka će biti uzak; širina mu je reda veličine (γΔΗ0)-1. Dakle, mehanizam spinskog odjeka eliminira uobičajeni nepoželjni utjecaj nehomogenosti stacionarnog magnetskog polja.
Ako molekule ostanu dulje vrijeme u istim dijelovima uzorka, tada je amplituda eho signala određena samo procesima relaksacije i stoga je proporcionalna exp(-2τ/T2). Međutim, u tekućinama i plinovima procesi difuzije se ne mogu uvijek zanemariti. Stoga se zbog gibanja molekula u nejednolikom magnetskom polju mijenja brzina disperzije nekih vektora magnetizacije u „lepezu“.
Kao rezultat toga, dolazi do dodatnog gubitka koherencije. U ovom slučaju, amplituda eho signala ovisi o τ na sljedeći način:
exp[–2τ/T2 –k(2τ)3/3]. (3,9)
Za odjeke dobivene od 900 i 1800 nizova impulsa
k=1/4γ2GD , (3.10)
gdje je D konstanta difuzije;
G – prosječna vrijednost gradijenta magnetskog polja (dH0/dt) prosj.
Ako je uvjet ispunjen
12/γ2G2D<< T32, (3.11)
tada će glavnu ulogu u slabljenju signala spinskog odjeka imati procesi difuzije, a ne procesi relaksacije. Slični fenomeni uočeni su za sve druge impulse, a ne samo za niz od 900 i 1800 impulsa. Ako se koristi sekvenca od 900 impulsa, tada se nakon drugog impulsa pojavljuje signal opadanja slobodne precesije, kojeg nema kada se koristi sekvenca od 900 i 1800 impulsa. To se događa jer se nakon vremena τ, djelovanjem mehanizma spin-rešetke relaksacije, magnetski moment usmjeren duž osi z djelomično obnavlja. Ovaj se proces može okarakterizirati funkcijom:
f=1 – exp (–τ/T1). (3.12)
Kao rezultat, udar 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 povratni magnetski moment bit će usmjeren u negativnom smjeru osi z i stoga je njegova projekcija na ravninu xy nula.
Pokusi spinskog odjeka mogu se izvesti s velikim brojem impulsa. Postoje opće metode izračuna. Prikladno za bilo koju sekvencu impulsa.
Ako uzorak sadrži jezgre s različitim rezonantnim frekvencijama i između njih dolazi do spin-spin interakcije, tada nastaju komplikacije u slici spin-eha. U ovom slučaju, ovisnost slabljenja amplitude signala spinskog odjeka o intervalu između impulsa τ ne poštuje zakon (3.9), već također sadrži neke članove koji osciliraju u vremenu. Sada pogledajmo kako se može kontrolirati faza izmjeničnog napona drugog impulsa tako da u rotirajućem koordinatnom sustavu polje 1 opet bude usmjereno duž +x΄ osi, kao kod prvog impulsa. Činjenica je da u takozvanoj koherentnoj opremi generator visoke frekvencije stabilan proizvodi stacionarni izmjenični napon, koji ulazi u pojačalo snage kroz ključni krug.
Preklopni krug dopušta RF signalu (polje 1) da prođe, a on se pojačava samo tijekom vremenskog razdoblja u kojem su ovi krugovi otvoreni impulsom vrata. Dakle, snažni radiofrekvencijski impulsi na izlazu pojačala vremenski se podudaraju s stroboskopskim impulsima. Izlazni napon pojačala dovodi se na zavojnicu uzorka, u kojoj se stvara radiofrekvencijsko polje 1. Ako je frekvencija generatora ω precizno podešena na rezonanciju, tj. ω=ω0, tada je faza ovog polja uvijek ista u koordinatnom sustavu koji rotira frekvencijom ω0.
NMR spektrometri.
NMR spektrometar mora sadržavati sljedeće osnovne elemente:
1) magnet koji stvara magnetsko polje 0 polarizirajući nuklearni spin-sustav;
2) odašiljač koji stvara sondirajuće polje 1;
3) senzor u kojem se pod utjecajem 0 i 1 u uzorku pojavljuje NMR signal;
4) prijemnik koji pojačava ovaj signal;
5) sustav za snimanje (rekorder, magnetski zapis, osciloskop i dr.);
6) uređaji za obradu informacija (integrator, uređaj za pohranu višekanalnog spektra);
7) sustav za stabilizaciju rezonantnih uvjeta;
8) sustav kontrole temperature uzorka;
9) odašiljač stvara polje 2 za dvostruke rezonancije;
10) programski sustav za NMR registraciju: za spinski spektrometar – sweep polja 0 ili frekvencije n0 u zadanom intervalu sa potrebnom brzinom, zahtijevanom brojem realizacija spektra; za pulsne spektrometre – izbor broja, amplitude i trajanja sondirajućih impulsa, vrijeme praćenja svake točke i broj točaka interferograma, vrijeme ponavljanja interferograma, broj ciklusa akumulacije interferograma;
11) sustavi korekcije magnetskog polja. Ovaj shematski popis pokazuje da je moderni NMR spektrometar složen mjerni sustav.
NMR spektrometri se prema namjeni dijele na instrumente visoke i niske rezolucije. Granica je ovdje proizvoljna, a sve se češće karakteristike NMR spektrometra visoke i niske rezolucije kombiniraju u jednom univerzalnom instrumentu. Tipični uređaj niske rezolucije mora imati magnet koji osigurava relativnu rezoluciju reda veličine 10-6 h-1, mogućnost snimanja NMR mnogih magnetskih jezgri u širokom temperaturnom rasponu, sučelje sa sustavom za obradu podataka i goniometar za fizička mjerenja kristala.
Kako bi se osigurala visoka osjetljivost, koristi se modulacijska metoda promatranja signala: polje 0 (frekvencija n0) modulira se prema sinusoidnom zakonu; frekvencija nm i amplituda Am odabrane su iz razloga optimiziranja osjetljivosti i izobličenja signala koje donosi takva modulacija. Budući da vrijeme spin-rešetke relaksacije T1 u kristalima može doseći nekoliko sati, spektrometar niske rezolucije mora biti sposoban snimati NMR na ekstremno niskim razinama radiofrekvencijskog polja 1 kako bi se izbjeglo zasićenje signala. Osjetljivost metode modulacije ovisi o omjeru Am/d, a taj omjer za slabe signale mora biti odabran usporediv s jedinicom. Ali tada dolazi do jakog modulacijskog širenja, što se mora uzeti u obzir pri obradi signala. Poteškoće se još više povećavaju ako NMR linija ima široku i usku komponentu - jednim snimanjem nemoguće je ispravno prenijeti omjer intenziteta tih komponenti.
Nedavno su pulsne metode za snimanje širokih NMR linija u čvrstim tijelima postale sve popularnije, ali to predstavlja svoje poteškoće. Da bi se svi prijelazi u spinskom sustavu pobudili na isti način, potrebno je koristiti vrlo kratke impulse s trajanjem t i £ 1 μs; to zahtijeva snažne izvore radiofrekvencijskih oscilacija. Osim toga, vremenski odziv spin sustava za široke linije (T2~10 μs) opada vrlo brzo; Kako bi se proizveo dovoljan broj uzoraka u nekoliko mikrosekundi, potreban je analogno-digitalni pretvarač brzine kanala od oko 0,1 μs.
Velike poteškoće nastaju zbog zvonjenja kruga 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 stvaraju pulsne metode za analizu pojava koje se događaju u zanemarivo kratkom vremenu nakon završetka pulsa. Povećavaju točnost određivanja najviših momenata NMR linije do n=14.
Da bi se implementiralo sužavanje impulsa (visoka rezolucija u čvrstom tijelu), broj impulsnih kanala odašiljača mora biti najmanje četiri. Generiraju se snažni impulsi u načinu pojačanja oscilacija koje stvara precizni glavni oscilator. Trajanje njegovog rada mora biti dovoljno dugo da se postigne potrebna točnost podešavanja frekvencije i faze radiofrekvencijskog punjenja impulsa. Osim toga, koherencija spektrometra omogućuje visokofrekventnu sinkronu detekciju za poboljšanje osjetljivosti.
Zajedno sa sinkronom detekcijom, akumulacija signala pomoću višekanalnih uređaja za pohranu vrlo je široko korištena. Stabilnost NMR spektrometara osigurava dugoročnu nedvosmislenu podudarnost svakog spektralnog intervala Dn s brojem kanala za pohranu na uređaju za pohranu.
Spektrometri visoke rezolucije, na temelju metode pronalaženja uvjeta rezonancije, dijele se na stacionarne i pulsne spektrometre. U stacionarnim spektrometrima, rezonancija se nalazi promjenom (brisanjem) jednog od parametara (n ili 0) dok se drugi fiksira. U pulsnim spektrometrima, pri konstantnom vanjskom polju 0, uzorak se ozračuje kratkim visokofrekventnim impulsom trajanja t s frekvencijom n, tj. frekvencijski spektar, čija je glavna snaga u pojasu n±1/t. U ovom pojasu, svi odgovarajući NMR prijelazi su pobuđeni, dajući odgovor - signal opadanja slobodne indukcije. Fourierova transformacija ovog signala daje uobičajeni NMR spektar.
Spektrometri koji rade u stacionarnom načinu rada sastoje se od sljedećih glavnih komponenti:
Magnet koji stvara vrlo uniformno polje;
Senzor signala koji sadrži ispitni uzorak i prihvatnu zavojnicu;
Jedinica za skeniranje koja vam omogućuje promjenu glavnog magnetskog polja u malim granicama prema određenom zakonu;
Radiofrekvencijski generator koji radi u metarskom području;
RF prijemnik i pojačalo;
Osciloskop i potenciometar za snimanje za promatranje i snimanje spektra.
Dovoljno brza rotacija uzorka omogućuje učinkovito uklanjanje utjecaja gradijenata magnetskog polja 0. Ova okolnost, u vezi s kontinuiranim povećanjem korištenih vrijednosti 0, dovodi do činjenice da je postignuta relativna rezolucija, mjeren kao omjer DN/0, gdje je DN promatrana nehomogenost magnetskog polja, nalazi se u intervalu 10-9 – 10-10. Linije mjerene u desetinkama i stotinkama herca, čija je širina određena duljinom vremena relaksacije u tekućini (10–20 s), dovode do značajnih poteškoća. Stoga može potrajati nekoliko sati da se jednom dovrši spektar. To postavlja vrlo visoke zahtjeve pred sustav za stabilizaciju uvjeta rezonancije, koji se obično provodi pomoću NMR-a (upotrebom dodatnog uzorka - vanjska stabilizacija ili pomoću jedne od linija uzorka koji se proučava - unutarnja stabilizacija). Najuspješniji rezultati postižu se kombinacijom unutarnje i vanjske stabilizacije.
Cijepanje alila- ovisnost konstante spin-spin interakcije između protona u alilnim sustavima ( 4 J ) što uvelike ovisi o torzijskom kutu između ravnina koje tvore atomi HC 2 C 3 i C 1 C 2 C 3.
Annulens- ciklički konjugirani sustavi.
Atropne molekule- molekule spojeva koje ne proizvode prstenastu struju.
Vezni kut (θ) - kut između dviju veza na jednom ugljikovom atomu.
Susjedni interakcija - interakcija između jezgri koje su odvojene s tri veze.
Odvajanje izvan rezonancije(odvajanje izvan rezonancije) - omogućuje vam razlikovanje između signala CH 3, CH 2, CH skupina i kvaternarnog ugljikovog atoma. Za promatranje odvajanja izvan rezonancije koristi se frekvencija koja je blizu kemijskog pomaka, ali ne odgovara rezonantnoj frekvenciji signala. Ovo potiskivanje dovodi do smanjenja broja interakcija, do te mjere da se bilježe samo one izravne. J(C,H) interakcije.
Geminal interakcija - interakcija između jezgri koje su odvojene dvjema vezama.
Heteronuklearna korelacijska spektroskopija (HETCOR)- u ovim pokusima kemijski pomaci 1H spektra smješteni su na jednu os, dok su kemijski pomaci 13C smješteni na drugu os. HETCOR - heteronuklearna varijanta COSY-ja, koja koristi neizravne heteronuklearne spin-spin interakcije između 1 H i 13 C.
HMQC - HETeronuklearnoMultiQuantumPoveznica- registracija 1 N s odvajanjem od 13 C.
HSQC - HETeronuklearna multikvantna korelacija- HMQC opcija
COLOC - CORrelation Long (vrlo dugo)
HMBC (HETeronuclear MultiplBond Correlation)- varijanta HMQC eksperimenta za otkrivanje heteronuklearnih spin-spin interakcija velikog dometa. HMBC proizvodi veći omjer signala i šuma od HMQC eksperimenta.
Žiromagnetski omjer (γ ) - jedna od karakteristika magnetskih svojstava jezgre.
Homoalilna interakcija- interakcija preko 5 veza u alilnom sustavu.
Unaprijediti interakcija - interakcija između jezgri koje su odvojene s više od 3 karike (obično kroz 4-5 karika).
Senzor- uređaj koji omogućuje prijenos impulsa na uzorak i registraciju rezonantnih signala. Senzori su širokopojasni i selektivno podešeni. Ugrađuju se u aktivno područje magneta.
Diedralni (torzijski) kut- kut koji čine dvije ravnine između spojeva koji se razmatraju.
DvodimenzionalanJ- spektri. Dvodimenzionalnu J-spektroskopiju karakterizira prisutnost jedne koordinate frekvencije povezane sa SSV i druge koordinate povezane s kemijskim pomacima. Najrašireniji je konturni prikaz dvodimenzionalnih J-spektara u dvije međusobno okomite koordinate.
Dvodimenzionalna NMR spektroskopija - pokuse pomoću sekvenci impulsa, čime je moguće dobiti NMR spektar u prikazu u kojem je informacija raspoređena na dvije frekvencijske koordinate i obogaćena informacijama o međuovisnosti NMR parametara. Rezultat je kvadratni spektar s dvije ortogonalne osi i signalom koji ima maksimum u prikazu frekvencije u točki s koordinatama (, ), tj. na dijagonali.
Delta skala (δ -scale) - mjerilo u kojem se kemijski pomak TMS protona uzima kao nula.
Dijamagnetski pomak- pomak rezonantnog signala u područje slabog polja (velike vrijednosti δ ).
Dijatropne molekule- poništeno od 4 n+2 π elektrona, koji su prema Hückelovom pravilu aromatični.
Dublet - signal dviju jezgri u interakciji, koji je u 1H NMR spektru predstavljen dvjema linijama istog intenziteta.
Izokrone jezgre- jezgre koje imaju istu vrijednost kemijskog pomaka. Često su kemijski ekvivalentni, odnosno imaju isto kemijsko okruženje.
Integralni intenzitet signala(površina ispod krivulje) - izmjereno integratorom i prikazano u obliku stepenica čija je visina proporcionalna površini i prikazuje relativni broj protoni.
Pulsna spektroskopija - metoda pobude magnetskih jezgri - pomoću kratkih i snažnih (stotine kilovata) visokofrekventnih impulsa. Impuls nosive frekvencije ν o i trajanja t p stvara pobudni pojas u frekvencijskom području +1/t p. Ako je duljina impulsa nekoliko mikrosekundi, a ν o približno odgovara središtu područja frekvencije rezonancije za danu vrstu jezgri, tada će pojas pokriti cijeli raspon frekvencija, osiguravajući istovremenu ekscitaciju svih jezgri. Kao rezultat toga, bilježi se eksponencijalno opadajući sinusni val (ESW). Sadrži informacije i o frekvenciji, tj. zapravo o kemijskom pomaku i o obliku linije. Nama poznatiji oblik - spektar u frekvencijskom prikazu - dobiva se iz SIS-a pomoću matematičkog postupka koji se zove Fourierova transformacija.
Pulsirajući NMR- metoda pobuđivanja magnetskih jezgri pomoću kratkih i snažnih (stotine kilovata) visokofrekventnih impulsa. Za vrijeme pulsa sve jezgre istovremeno su pobuđeni, a zatim, nakon prestanka pulsa, jezgre se vraćaju (opuštaju) u svoje prvobitno osnovno stanje. Gubitak energije opuštanjem jezgri dovodi do pojave signala koji je zbroj signala svih jezgri i opisuje se velikim brojem prigušenih sinusne krivulje na vremenskoj skali, od kojih svaka odgovara određenoj rezonantnoj frekvenciji.
Konstanta spin-spin interakcije (SSIC)- kvantitativne karakteristike međudjelovanja različitih jezgri.
Korelacijska spektroskopija (COSY) - eksperimentirajte s dva pulsa od 90 o. U ovoj vrsti dvodimenzionalne spektroskopije, kemijski pomaci spinski spregnutih magnetskih jezgri su u korelaciji. Dvodimenzionalna COSY spektroskopija, pod određenim uvjetima, pomaže u otkrivanju prisutnosti vrlo malih konstanti koje su obično nevidljive u jednodimenzionalnim spektrima.
UDOBAN- pokusi u kojima se mijenja trajanje pulsa. To omogućuje smanjenje veličine dijagonalnih vrhova koji otežavaju identifikaciju obližnjih križnih vrhova (COSY45, COSY60).
DQF-COSY - dvostruki kvantizirani filtar - potiskuje singlete na dijagonali i njima odgovarajuće interferencije.
COSYLR (dugi rang)- COSY eksperiment, koji vam omogućuje određivanje dugotrajnih interakcija.
TOCSY - UkupnoPoveznicaSpektroskopija- način snimanja, koji vam omogućuje da dobijete unakrsne vrhove između svih okretaja sustava u spektru zasićenom signalima prijenosom magnetizacije kroz veze u strukturnom fragmentu koji se proučava. Najčešće se koristi za proučavanje biomolekula.
Larmorova frekvencija- frekvencija precesije u NMR.
Magnetski ekvivalentan su one jezgre koje imaju istu rezonantnu frekvenciju i zajedničku karakterističnu vrijednost konstante spin-spin interakcije s jezgrama bilo koje susjedne skupine.
Multikvantne koherencije- stanja superpozicije, kada su dva ili više spina ½ koji međusobno djeluju preorijentirani istovremeno.
Višedimenzionalni NMR- registracija NMR spektara s više od jedne frekvencijske skale.
Multiplet - signal jedne grupe koji se pojavljuje kao nekoliko linija.
Neizravna spinska interakcija - interakcija između jezgri, koja se unutar molekule prenosi kroz sustav veza i nije uprosječena tijekom brzog molekularnog gibanja.
Paramagnetske čestice - čestice koje sadrže nespareni elektron, koji ima vrlo veliki magnetski moment.
Paramagnetski pomak- pomak rezonantnog signala u područje jakog polja (velike vrijednosti δ ).
Paratropske molekule - poništen s brojem π elektrona jednakim 4 n.
Konstanta izravne spin-spin interakcije je konstanta koja karakterizira interakciju između jezgri koje su odvojene jednom vezom.
Izravna spin-spin interakcija- interakcija između jezgri, koja se prenosi kroz prostor.
Rezonantni signal - spektralna linija koja odgovara apsorpciji energije tijekom prijelaza između svojstvenih stanja uzrokovanih visokofrekventnim oscilatorom.
Procesi opuštanja - gubitak energije na gornjoj razini i povratak na nižu energetsku razinu zbog neradijacijskih procesa.
S viping- postupna promjena magnetskog polja, uslijed čega se postižu uvjeti rezonancije.
Spektri prvog reda- spektri u kojima je razlika kemijskih pomaka pojedinih skupina magnetski ekvivalentnih jezgri ν o znatno veća od konstante spin-spin interakcije J .
Spin-rešetkasta relaksacija - proces opuštanja (gubitak energije), čiji je mehanizam povezan s interakcijom s lokalnim elektromagnetskim poljima okoline.
Spin-spin opuštanje - proces relaksacije provodi se kao rezultat prijenosa energije s jedne pobuđene jezgre na drugu.
Spin-spin interakcija elektrona- interakcija koja proizlazi iz magnetske interakcije različitih jezgri, koja se može prenijeti preko elektrona kemijskih veza izravno nevezanih jezgri.
Spin sustav- ovo je skupina jezgri koje međusobno djeluju, ali ne djeluju s jezgrama koje nisu dio spinskog sustava.
Kemijski pomak - pomak signala jezgre koja se proučava u odnosu na signal jezgri standardne tvari.
Kemijski ekvivalentne jezgre- jezgre koje imaju istu rezonantnu frekvenciju i isti kemijski okoliš.
Šimi - u NMR spektroskopiji to je naziv za elektromagnetske zavojnice koje stvaraju magnetska polja niskog intenziteta, koja ispravljaju nehomogenosti u jakom magnetskom polju.
Širokopojasna razmjena(1 N širokopojasno odvajanje) - korištenje jakog zračenja, koje pokriva cijeli raspon kemijskih pomaka protona, kako bi se u potpunosti uklonile sve interakcije 13 C 1 H.
Zaštita - promjena položaja rezonantnog signala pod utjecajem induciranih magnetskih polja drugih jezgri.
Van der Waalsov učinak- učinak koji se javlja tijekom jake prostorne interakcije između protona i susjedne skupine i uzrokuje smanjenje sferne simetrije elektronske distribucije i povećanje paramagnetskog doprinosa učinku zaslona, što zauzvrat dovodi do pomaka signala u slabije polje.
Zeemanov učinak- cijepanje energetskih razina u magnetskom polju.
Efekt krova- povećanje intenziteta središnjih linija i smanjenje intenziteta udaljenih linija u multipletu.
Efekt magnetske anizotropije(tzv. stožac anizotropije) rezultat je izloženosti sekundarno induciranim magnetskim poljima.
Nuklearna kvadrupolna rezonancija (NQR) - promatrano za jezgre sa spinskim kvantnim brojem ja > 1/2 zbog nesferične raspodjele nuklearnog naboja. Takve jezgre mogu djelovati s gradijentima vanjskih električnih polja, posebice s gradijentima polja elektronskih ljuski molekule u kojoj se nalazi jezgra i imaju spinska stanja karakterizirana različitim energijama čak i u odsutnosti primijenjenog vanjskog magnetskog polja.
Nuklearni magneton Vrijednost nuklearnog magnetona izračunava se pomoću formule:
Nuklearna magnetska rezonancija(NMR) je fizički fenomen, koji se koristi za proučavanje svojstava molekula kada su atomske jezgre ozračene radio valovima u magnetskom polju.
Nuklearni faktor - omjer naboja jezgre i njezine mase.
