ЯМР-спектроскопія
Спектроскопія ядерного магнітного резонансу, ЯМР-спектроскопія- Спектроскопічний метод дослідження хімічних об'єктів, що використовує явище ядерного магнітного резонансу. Найбільш важливими для хімії та практичних застосуваньє спектроскопія протонного магнітного резонансу (ПМР-спектроскопія), а також спектроскопія ЯМР на ядрах вуглецю-13 ( 13 C ЯМР-спектроскопія), фтору-19 (інфрачервоної спектроскопії, ЯМР виявляє інформацію про молекулярну будову хімічних речовин. Однак він забезпечує більш повну інформацію, ніж ІС, дозволяючи вивчати динамічні процеси у зразку - визначати константи швидкості хімічних реакційвеличину енергетичних бар'єрів внутрішньомолекулярного обертання Ці особливості роблять ЯМР-спектроскопію зручним засобом як теоретичної органічної хімії, так аналізу біологічних об'єктів.
Базова ЯМР техніка
Зразок речовини для ЯМР міститься в тонкостінну скляну трубку (ампулу). Коли її поміщають у магнітне поле, ЯМР активні ядра (такі як H або 13 C) поглинають електромагнітну енергію. Резонансна частота, енергія абсорбції та інтенсивність випущеного сигналу пропорційні силі магнітного поля. Так, у полі в 21 Тесла, протон резонує при частоті 900 МГц.
Хімічний зсув
Залежно від місцевого електронного оточення різні протони в молекулі резонують на злегка відмінних частотах. Оскільки і це зміщення частоти і основна резонансна частота прямо пропорційні силі магнітного поля, це зміщення перетворюється на незалежну від магнітного поля безрозмірну величину відому як хімічний зсув. Хімічний зрушення визначається як відносна зміна щодо деяких еталонних зразків. Частотний зсув екстремально малий у порівнянні з основною частотою ЯМР. Типовий зсув частоти дорівнює 100 Гц, тоді як базова частота ЯМР має порядок 100 МГц. Таким чином, хімічний зсув часто виражається в частинах на мільйон (ppm). Для того, щоб виявити таку невелику відмінність частоти, прикладене магнітне поле має бути постійним всередині обсягу зразка.
Оскільки хімічний зсув залежить від хімічної будовиречовини, він застосовується для отримання структурної інформації про молекули у зразку. Наприклад, спектр для етанолу (CH 3 CH 2 OH) дає 3 відмінних сигналу, тобто 3 хімічних зсуву: один для групи CH 3 другий для СН 2 -групи і останній для OH. Типовий зсув для CH 3 -групи приблизно дорівнює 1 ppm, для CH 2 -групи приєднаної до OH-4 ppm та OH приблизно 2-3 ppm.
Через молекулярний рух при кімнатній температурі сигнали 3 метилових протонів усереднюються протягом ЯМР процесу, який триває лише кілька мілісекунд. Ці протони вироджуються і формують піки у тому ж хімічному зрушенні. Програмне забезпечення дозволяє проаналізувати розмір піків для того, щоб зрозуміти, як багато протонів дає внесок у ці піки.
Спін-спінова взаємодія
Найбільш корисну інформаціюдля визначення структури в одновимірному ЯМР-спектрі дає так звану спін-спінову взаємодію між активними ЯМР ядрами. Ця взаємодія виникає в результаті переходів між різними спіновими станами ядер у хімічних молекулах, що призводить до розщеплення сигналів ЯМР. Це розщеплення може бути простим і складним і, як наслідок, його просто інтерпретувати, або воно може заплутати експериментатора.
Це зв'язування забезпечує детальну інформацію про зв'язки атомів молекули.
Взаємодія другого порядку (сильна)
Просте спін-спінова взаємодія передбачає, що константа взаємодії мала порівняно з різницею в хімічних зрушеннях між сигналами. Якщо різниця зрушень зменшується (або константа взаємодії збільшується), інтенсивність мультиплетів зразків спотворюється, стає складнішою для аналізу (особливо якщо система містить понад 2 спини). Однак у потужних ЯМР-спектрометрах спотворення зазвичай помірні і це дозволяє легко інтерпретувати пов'язані піки.
Ефекти другого порядку зменшуються зі збільшенням різниці частоти між мультиплетами, тому високочастотний ЯМР спектр показує менше спотворення ніж низькочастотний спектр.
Додаток ЯМР спектроскопії до дослідження білків
Більшість останніх інновацій в ЯМР спектроскопії зроблено в так званій ЯМР спектроскопії білків, яка стає дуже важливою технікою в сучасній біології та медицині. Загальним завданням є отримання 3-мірної структури білка у високій роздільній здатності, подібно до зображень, що отримуються в рентгенівській кристалографії. Через присутність більшої кількості атомів у білковій молекулі в порівнянні з простим органічним з'єднанням, базовий 1 D спектр переповнений сигналами, що перекриваються, тому прямий аналіз спектру стає неможливим. Тому було розроблено багатовимірні техніки, щоб вирішити цю проблему.
Щоб поліпшити результати цих експериментів застосовують метод мічених атомів, використовуючи 13 або 15 N. Таким чином стає можливим отримати 3D-спектр білкового зразка, що стало проривом у сучасній фармацевтиці. Останнім часом набувають поширення методики (мають як переваги так і недоліки) отримання 4D-спектрів та спектрів більшої розмірності, засновані на методах нелінійного семплювання з подальшим відновленням сигналу спаду вільної індукції за допомогою спеціальних математичних методик.
Література
- Ґюнтер X.Введення у курс спектроскопії ЯМР. - пров. з англ. – М., 1984.
Wikimedia Foundation. 2010 .
Дивитись що таке "ЯМР-спектроскопія" в інших словниках:
Спектроскопія ядерного магнітного резонансу на ядрах вуглецю 13, 13C ЯМР спектроскопія один із методів ЯМР спектроскопії, що використовує ядра ізотопу вуглецю 13C. Ядро 13C має в основному стан спін 1/2, його вміст у природі.
Зображення мозку людини на медичному ЯМР томографі Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) резонансне поглинання електромагнітної енергії речовиною, що містить ядра з ненульовим спином у зовнішньому магнітному полі, зумовлене переорієнтацією… Вікіпедія
спектроскопія ЯМР
спектроскопія ЯМР
спектроскопія магнітного резонансу- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio brandu atitikmenys: англ. NMR… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
спектроскопія ядерного магнітного резонансу- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. NMR spectroscopy; nuclear magnetic resonance spectroscopy vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. спектроскопія ядерного … Fizikos terminų žodynas
Magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio brandu. atitikmenys: англ. NMR… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
ядерно-резонансна спектроскопія- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. NMR spectroscopy; nuclear magnetic resonance spectroscopy vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. спектроскопія ядерного … Fizikos terminų žodynas
Сукупність методів ісл. у ва за спектрами поглинання їх атомами, іонами та молекулами ел. магн. хвиль радіодіапазону. До Р. відносяться методи електронного парамагнію. резонансу (ЕПР), ядерного магн. резонансу (ЯМР), циклотронного резонансу та ін. Природознавство. Енциклопедичний словник
Зображення мозку людини на медичному ЯМР томографі Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) резонансне поглинання або випромінювання електромагнітної енергії речовиною, яка містить ядра з ненульовим спином у зовнішньому магнітному полі, на частоті ν… … Вікіпедія
Спектроскопія ядерного магнітного резонансу один із найпоширеніших і дуже чутливих методів для визначення структури органічних сполук, що дозволяє отримувати інформацію не тільки про якісний та кількісний склад, але й розташування атомів відносно один одного. У різних методиках ЯМР є багато можливостей визначення хімічної будови речовин, конфірмаційних станів молекул, ефектів взаємного впливу, внутрішньомолекулярних перетворень.
Метод ядерного магнітного резонансу має низку відмінних рис: на відміну оптичних молекулярних спектрів поглинання електромагнітного випромінювання речовиною відбувається у сильному однорідному зовнішньому магнітному полі . Причому щодо дослідження ЯМР експеримент має відповідати ряду умов, що відбивають загальні принципи ЯМР - спектроскопии:
1) запис ЯМР - спектрів можливий тільки для атомних ядер з власним магнітним моментом або так званих магнітних ядер, у яких число протонів і нейтронів таке, що масове число ядер ізотопів є непарним. Усі ядра з непарним масовим числом мають спін I, значення якого дорівнює 1/2. Так для ядер 1 H, 13 С, l 5 N, 19 F, 31 Р значення спина дорівнює 1/2, для ядер 7 Li, 23 Na, 39 К і 4 l R - спин дорівнює 3/2. Ядра з парним масовим числом або взагалі не мають спина, якщо заряд ядра парний, або мають цілі значення спина, якщо заряд непарний. Давати спектр ЯМР можуть ті ядра, спин яких I 0 .
Наявність спини пов'язана з циркуляцією атомного заряду навколо ядра, отже, виникає магнітний момент μ . Заряд, що обертається (наприклад, протон) з кутовим моментом J створює магнітний момент μ=γ*J . Виникає при обертанні кутовий ядерний момент J і магнітний моментом можуть бути представлені у вигляді векторів. Їхнє постійне відношення називається гіромагнітним ставленням γ. Саме ця константа визначає резонансну частоту ядра (рис. 1.1).
Рисунок 1.1 - Заряд, що обертається, суглобовим моментом J створює магнітний момент μ=γ*J .
2) метод ЯМР досліджує поглинання чи випромінювання енергії у незвичайних умовах формування спектра: на відміну від інших спектральних методів. Спектр ЯМР записують з речовини, що знаходиться в сильному однорідному магнітному полі. Такі ядра у зовнішньому полі мають різні значення потенційної енергії залежно від кількох можливих (квантованих) кутів орієнтації вектора щодо вектора напруженості зовнішнього магнітного поля H 0 . У відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти чи спини ядер немає певної орієнтації. Якщо магнітні ядра зі спином 1/2 помістити в магнітне поле, частина ядерних спинів розташується паралельно магнітним силовим лініям, інша частина антипаралельно. Ці дві орієнтації енергетично вже не еквівалентні та кажуть, що спини розподілені на двох енергетичних рівнях.
Спини з орієнтацією магнітного моменту на полю +1/2 позначаються символом | α >, з орієнтацією антипаралельно зовнішньому полю -1/2 – символом | β > (Рис. 1.2) .
Малюнок 1.2 - Освіта енергетичних рівнівпри накладенні зовнішнього поля Н0.
1.2.1 Спектроскопія ЯМР на ядрах Н. Параметри спектрів ПМР.
Для розшифровки даних спектрів ЯМР 1 Н і віднесення сигналів є основні характеристики спектрів: хімічний зсув, константа спин - спинової взаємодії, інтегральна інтенсивність сигналу, ширина сигналу [57].
А) Хімічний зсув (ХС). Шкала Х.С. Хімічний зсув-відстань між цим сигналом та сигналом еталонної речовини, виражене в мільйонних частках величини напруженості зовнішнього поля.
Як еталон для вимірювання хімічних зрушень протонів найчастіше використовують тетраметилсилан [ТМС, Si(CH 3) 4 ], що містить 12 структурно еквівалентних сильно екранованих протонів.
Б) Константа спін-спінової взаємодії. У спектрах ЯМР високого дозволуспостерігається розщеплення сигналів. Таке розщеплення або тонка структура в спектрах високої роздільної здатності виникає в результаті спінової взаємодії між магнітними ядрами. Це, поряд з хімічним зрушенням, служить найважливішим джерелом інформації про будову складних органічних молекул і розподіл у них електронної хмари. Воно залежить від Н 0 , але залежить від електронної будовимолекули. Сигнал магнітного ядра, що взаємодіє з іншим магнітним ядром, розщеплюється на кілька ліній залежно від кількості спинових станів, тобто. залежить від спинів ядер I.
Відстань між цими лініями характеризує енергію спін-спінового зв'язку між ядрами і зветься константи спін-спінового зв'язку n J, де n-число зв'язків, якими відокремлені взаємодіючі ядра.
Розрізняють прямі константи J HH , гемінальні константи 2 J HH , вицинальні константи 3 J HH та деякі далекі константи 4 J HH , 5 J HH.
- гемінальні константи 2 J HH можуть бути як позитивними, і негативними і займають діапазон від -30Гц до +40 Гц.
Віцинальні константи 3 J HH займають діапазон 0 20 Гц; вони майже завжди позитивні. Встановлено, що вицинальна взаємодія в насичених системах дуже залежить від кута між вуглець-водневими зв'язками, тобто від діедрального кута - (рис. 1.3).
Рисунок 1.3 - Діедральний кут між вуглеводневими зв'язками .
Дальня спін-спінова взаємодія (4 J HH , 5 J HH ) - взаємодія двох ядер, розділених чотирма чи більшою кількістю зв'язків; константи такої взаємодії зазвичай становлять від 0 до +3 Гц.
Таблиця 1.1 - Константи спін-спінової взаємодії
В) Інтегральна інтенсивність сигналу. Площа сигналів пропорційна числу магнітних ядер, що резонують при даній напруженості поля, так що відношення площ сигналів дає відносне число протонів кожного структурного різновиду і називається інтегральною інтенсивністю сигналу. На сучасних спектрометрах використовуються спеціальні інтегратори, показання яких реєструються у вигляді кривої, висота сходів якої пропорційна площі відповідних сигналів.
г) Ширина ліній. Для характеристики ширини ліній прийнято вимірювати ширину з відривом половини висоти від нульової лінії спектра. Ширина лінії, що експериментально спостерігається, складається з природної ширини лінії, що залежить від будови і рухливості, і розширення, обумовленого апаратурними причинами
Звичайна ширина ліній ПМР 0,1-0,3 Гц, проте вона може збільшуватися внаслідок перекриття сусідніх переходів, які точно не збігаються, але і не дозволяються у вигляді окремих ліній. Поширення можливе за наявності ядер зі спином більше 1/2 і хімічний обмін.
1.2.2 Застосування даних ЯМР 1 Н встановлення структури органічних молекул.
При вирішенні низки завдань структурного аналізу, крім таблиць емпіричних значень Х.С. може бути корисною кількісна оцінка впливів сусідніх заступників на Х.С. за правилом адитивності ефективних вкладів екранування. При цьому зазвичай враховуються заступники, віддалені від даного протона не більше ніж на 2-3 зв'язки, та розрахунок виробляють за формулою:
δ=δ 0 +ε i *δ i (3)
де 0 -хімічний зсув протонів стандартної групи;
δ i-внесок екранування заступником.
1.3 Спектроскопія ЯМР 13 С. Отримання та режими зйомки спектрів.
Перші повідомлення про спостереження ЯМР 13 З з'явилися в 1957 р. однак перетворення спектроскопії ЯМР 13 С практично використовується метод аналітичного дослідження стало набагато пізніше .
Магнітний резонанс 13 С та 1 Н мають багато спільного, однак є й суттєві відмінності. Найбільш поширений ізотоп вуглецю 12 має I=0. Ізотоп 13 має I=1/2, однак його природний вміст становить 1,1%. Це поряд із тим фактом, що гіромагнітне відношення ядер 13 С становить 1/4 від гіромагнітного відношення для протонів. Що зменшує чутливість методу в експериментах зі спостереження ЯМР 13 С у 6000 разів у порівнянні з ядрами 1 Н.
а) без придушення спін-спінової взаємодії з протонами. Спектри ЯМР 13 С, отримані без повного придушення спін-спинового резонансу з протонами, були названі спектрами високої роздільної здатності. Ці спектри містять повну інформацію про константи 13С-1Н. У відносно простих молекулах обидва типи констант - прямі та дальні - виявляється досить просто. Так 1 J (С-Н) становить 125 - 250 Гц, проте спін-спінова взаємодія може відбуватися і з більш віддаленими протонами з константами менше 20 Гц.
б) повне придушення спін-спінової взаємодії з протонами. Перший серйозний прогрес у галузі спектроскопії ЯМР 13 З пов'язаний із застосуванням повного придушення спін-спінової взаємодії з протонами. Застосування повного придушення спін-спінової взаємодії з протонами призводить до злиття мультиплетів з утворенням синглетних ліній, якщо молекули відсутні інші магнітні ядра такі, як 19 F і 31 Р.
в) неповне придушення спін-спінової взаємодії з протонами. Проте використання режиму повної розв'язки від протонів має недоліки. Оскільки всі сигнали вуглецю мають тепер вид синглетів, то втрачається вся інформація про константи спін-спінової взаємодії 13 C-1 H. Запропоновано спосіб, який дозволяє частково відновити інформацію про прямі константи спін-спінової взаємодії 13 С-1 Н і при цьому зберегти велику частина переваг широкосмугової розв'язки. В цьому випадку в спектрах будуть проявлятися розщеплення, зумовлені прямими константами спін-спінової взаємодії 13 С-1 Н. Ця процедура дозволяє виявити сигнали від непротонованих атомів вуглецю, оскільки останні не мають безпосередньо пов'язаних з 13 С протонів і виявляються в спектрах при неповній розв'язці від протонів як синглети.
г) модуляція константи С-Н взаємодії, спектр JMODCH. Традиційною проблемою в спектроскопії ЯМР 13 є визначення числа протонів, пов'язаних з кожним атомом вуглецю, тобто ступеня протонування атома вуглецю . Часткове придушення по протонах дозволяє дозволити сигнал вуглецю від мультиплетності викликаної далекими константами спін-спінової взаємодії і отримати розщеплення сигналу обумовлене прямими КССВ 13 С-1 Н. Однак у разі сильно пов'язаних спінових систем АВ і накладання мультиплетів в режимі OFFR робить однозначне дозвіл сигналів.
Спектроскопія ядерного магнітного резонансу, ЯМР-спектроскопія- Спектроскопічний метод дослідження хімічних об'єктів, що використовує явище ядерного магнітного резонансу. Явище ЯМР відкрили 1946 року американські фізики Ф. Блох та Е.Персел. Найбільш важливими для хімії та практичних застосувань є спектроскопія протонного магнітного резонансу (ПМР-спектроскопія), а також спектроскопія ЯМР на ядрах вуглецю-13 (13 C ЯМР-спектроскопія), фтору-19 (19 F ЯМР-спектроскопія), фос 31 P ЯМР-спектроскопія). Якщо елемент має непарний порядковий номер або ізотоп будь-якого (навіть парного) елемента має непарне масове число, ядро такого елемента має спином, відмінним від нуля. Зі збудженого стану в нормальний, ядра можуть повертатися, передаючи енергію збудження навколишньому середовищу-«решітці», під якою в даному випадку розуміються електрони або атоми іншого сорту, ніж досліджувані. Цей механізм передачі енергії називають спін-решітковою релаксацією, його ефективність може бути охарактеризована постійною T1, званою часом спін-решіткової релаксації.
Ці особливості роблять ЯМР-спектроскопію зручним засобом як теоретичної органічної хімії, так аналізу біологічних об'єктів .
Базова ЯМР техніка
Зразок речовини для ЯМР міститься в тонкостінну скляну трубку (ампулу). Коли її поміщають у магнітне поле, ЯМР активні ядра (такі як H або 13 C) поглинають електромагнітну енергію. Резонансна частота, енергія абсорбції та інтенсивність випущеного сигналу пропорційні силі магнітного поля. Так, у полі 21 Тесла протон резонує при частоті 900 МГц.
Хімічний зсув
Залежно від локального електронного оточення різні протони в молекулі резонують на частотах, що злегка відрізняються. Оскільки це зміщення частоти, і основна резонансна частота прямо пропорційні величині індукції магнітного поля, це зміщення перетворюється на незалежну від магнітного поля безрозмірну величину, відому як хімічний зсув. Хімічний зрушення визначається як відносна зміна щодо деяких еталонних зразків. Частотний зсув екстремально малий у порівнянні з основною частотою ЯМР. Типовий зсув частоти дорівнює 100 Гц, тоді як базова частота ЯМР має порядок 100 МГц. Таким чином, хімічне зрушення часто виявляється у частинах на мільйон (ppm). Для того щоб виявити таку невелику відмінність частоти, прикладене магнітне поле має бути постійним усередині об'єму зразка.
Так як хімічний зсув залежить від хімічної будови речовини, він застосовується для отримання структурної інформації про молекули у зразку. Наприклад, спектр для етанолу (CH 3 CH 2 OH) дає 3 відмінних сигналу, тобто 3 хімічних зсуву: один для групи CH 3 другий для СН 2 -групи і останній для OH. Типовий зсув для CH 3 -групи приблизно дорівнює 1 ppm, для CH 2 -групи приєднаної до OH - 4 ppm та OH приблизно 2-3 ppm.
Через молекулярний рух при кімнатній температурі сигнали 3 метилових протонів усереднюються протягом ЯМР процесу, який триває лише кілька мілісекунд. Ці протони вироджуються і формують піки у тому ж хімічному зрушенні. Програмне забезпечення дозволяє проаналізувати розмір піків для того, щоб зрозуміти, як багато протонів дає внесок у ці піки.
Спін-спінова взаємодія
Найбільш корисну інформацію визначення структури в одновимірному ЯМР-спектрі дає так зване спін-спінове взаємодія між активними ЯМР ядрами. Ця взаємодія виникає в результаті переходів між різними спіновими станами ядер у хімічних молекулах, що призводить до розщеплення сигналів ЯМР. Це розщеплення може бути простим і складним і, як наслідок, його просто інтерпретувати, або воно може заплутати експериментатора.
Це зв'язування забезпечує детальну інформацію про зв'язки атомів молекули.
Взаємодія другого порядку (сильна)
Просте спін-спінова взаємодія передбачає, що константа взаємодії мала порівняно з різницею в хімічних зрушеннях між сигналами. Якщо різниця зрушень зменшується (або константа взаємодії збільшується), інтенсивність мультиплетів зразків спотворюється, стає складнішою для аналізу (особливо якщо система містить понад 2 спини). Однак у потужних ЯМР-спектрометрах спотворення зазвичай помірні і це дозволяє легко інтерпретувати пов'язані піки.
Ефекти другого порядку зменшуються зі збільшенням різниці частоти між мультиплетами, тому високочастотний спектр ЯМР показує менше спотворення, ніж низькочастотний спектр.
Додаток ЯМР спектроскопії до дослідження білків
Більшість останніх інновацій в ЯМР спектроскопії зроблено в так званій ЯМР спектроскопії білків, яка стає дуже важливою технікою в сучасній біології та медицині. Загальним завданням є отримання 3-мірної структури білка у високій роздільній здатності, подібно до зображень, що отримуються в рентгенівській кристалографії. З-за присутності більшого числа атомів у білковій молекулі порівняно з простою органічною сполукою, базовий 1 H спектр переповнений сигналами, що перекриваються, тому прямий аналіз спектра стає неможливим. Тому було розроблено багатовимірні техніки, щоб вирішити цю проблему.
Щоб поліпшити результати цих експериментів, застосовують метод мічених атомів, використовуючи 13 або 15 N. Таким чином стає можливим отримати 3D-спектр білкового зразка, що стало проривом у сучасній фармацевтиці. Останнім часом набувають поширення методики (що мають як переваги, так і недоліки) отримання 4D-спектрів та спектрів більшої розмірності, засновані на методах нелінійного семплювання з подальшим відновленням сигналу спаду вільної індукції за допомогою спеціальних математичних методик.
Кількісний аналіз методом ЯМР
При кількісному аналізі розчинів площа піку може бути використана як міра концентрації у методі градуювального графіка або методі добавок. Відомі також методики, у яких градуйований графік відбиває концентраційну залежність хімічного зсуву. Застосування методу ЯМР у неорганічному аналізі полягає в тому, що у присутності парамагнітних речовин відбувається прискорення часу ядерної релаксації. Вимірювання швидкості релаксації може бути виконано декількома методами. Надійним та універсальним є, наприклад, імпульсний варіант методу ЯМР, або, як його зазвичай називають, метод спінової луни. При вимірюваннях з цього методу на досліджуваний зразок в магнітному полі через певні проміжки часу накладають короткочасні радіочастотні імпульси в області резонансного поглинання. Для проведення звичайних аналітичних визначень немає необхідності знаходити абсолютні значення швидкостей релаксації. У цих випадках можна обмежитися вимірюванням будь-якої пропорційної їм величини, наприклад, амплітуди резонансного сигналу поглинання. Вимірювання амплітуди може бути виконано на простій, доступнішій апаратурі. Істотною перевагою методу ЯМР є широкий інтервал значень параметра, що вимірюється. За допомогою установки спінової луни можна визначати час релаксації від 0,00001 до 100 с. з похибкою 3...5%. Це дозволяє визначати концентрацію розчину в дуже широкому інтервалі від 1...2 до 0,000001...0000001 моль/л. Найчастіше використовуваним аналітичним прийомом є метод градуювального графіка.
Сутність явища ЯМР можна проілюструвати в такий спосіб. Якщо ядро, що володіє магнітним моментом, поміщене в однорідне поле 0 , спрямоване по осі z, то його енергія (стосовно енергії за відсутності поля) дорівнює -mzH0, де mz-проекція ядерного магнітного моменту на напрямок поля.
Як зазначалося, ядро може бути у 2I + 1 станах. За відсутності зовнішнього поля 0 усі ці стани мають однакову енергію. Якщо позначити найбільше значення компоненти магнітного моменту через m, то всі вимірні значення компоненти магнітного моменту (в даному випадку mz) виражаються у вигляді mm, де m - квантове число, яке може приймати, як відомо, значення
m=I,I–1,I–2,…,-(I+1),-I.
Оскільки відстань між рівнями енергії, що відповідають кожному з 2I + 1 станів, дорівнює mH0/I, то ядро зі спином I має дискретні рівні енергії:
MH0,-(I–1)/ImH0,…(I–1)/ImH0,mH0.
Розщеплення рівнів енергії магнітному полі можна назвати ядерним зеемановским розщепленням, оскільки воно аналогічне розщепленню електронних рівнів магнітному полі (ефект Зеемана). Зееманівське розщеплення для системи з I = 1 (з трьома рівнями енергії).
Явище ЯМР полягає у резонансному поглинанні електромагнітної енергії, зумовленому магнетизмом ядер. Звідси випливає очевидна назва явища: ядерний - йдеться про систему ядер, магнітний - маються на увазі лише їх магнітні властивості, резонанс - саме явище має резонансний характер. Справді, з правил частот Бору випливає, що частота n електромагнітного поля, що викликає переходи між сусідніми рівнями, визначається за формулою:
hν=μH0/I, або ν=μH0/hI.
Оскільки вектори моменту кількості руху (кутового моменту) та магнітного моменту паралельні, то часто зручно характеризувати магнітні властивості ядер величиною g, яка визначається співвідношенням
де γ - гіромагнітне відношення, що має розмірність радіан*ерстед-1*секунда-1 (рад*Е-1*с-1). З огляду на це знайдемо
ν=γ0/2π. (3.2)
Таким чином, частота пропорційна доданому полю.
Якщо як типовий приклад взяти значення $\gamma$для протона, що дорівнює 2,6753*104 рад/(Е*с), і H0 = 10000 Е, то резонансна частота
ν=42.577 (МГц)
Така частота може бути генерована стандартними радіотехнічними способами.
Спектроскопія ЯМР характеризується низкою особливостей, що виділяють її серед інших аналітичних методів. Близько половини ($\sim$150) ядер відомих ізотопів мають магнітні моменти, проте менша частина їх систематично використовується.
До появи спектрометрів, що працюють в імпульсному режимі, більшість досліджень виконували з використанням явища ЯМР на ядрах водню (протонах) 1H (протонний магнітний резонанс - ПМР) та фтору 19F. Ці ядра мають ідеальні для спектроскопії ЯМР властивості:
високий природний вміст "магнітного" ізотопу (1H 99,98%, 19F 100%); для порівняння можна згадати, що природний вміст "магнітного" ізотопу вуглецю 13C становить 1,1%; великий магнітний момент; спин I = 1/2.
Це зумовлює, насамперед, високу чутливість методу при детектуванні сигналів від зазначених вище ядер. Крім того, існує теоретично суворо обґрунтоване правило, згідно з яким тільки ядра зі спином, рівним або великим одиниці, мають електричний квадрупольний момент. Отже, експерименти з ЯМР 1H і 19F не ускладнюються взаємодією ядерного квадрупольного моменту ядра з електричним оточенням.
Використання імпульсних спектрометрів ЯМР у повсякденну практику значно розширило експериментальні можливості цього виду спектроскопії. Зокрема, запис спектрів ЯМР 13C розчинів – найважливішого для хімії ізотопу – тепер є фактично звичною процедурою. Звичайним явищем стало також детектування сигналів від ядер, інтенсивність сигналів ЯМР яких набагато менше інтенсивності для сигналів від 1H, в тому числі і в твердій фазі.
Спектри ЯМР високої роздільної здатності зазвичай складаються з вузьких, добре дозволених ліній (сигналів), що відповідають магнітним ядрам у різному хімічному оточенні. Інтенсивності (площі) сигналів під час запису спектрів пропорційні числу магнітних ядер у кожному угрупованні, що дозволяє проводити кількісний аналіз за спектрами ЯМР без попереднього калібрування.
Ще одна особливість ЯМР – вплив обмінних процесів, у яких беруть участь резонуючі ядра, на положення та ширину резонансних сигналів. Отже, за спектрами ЯМР можна вивчати природу таких процесів. Лінії ЯМР у спектрах рідин зазвичай мають ширину 0,1 - 1 Гц (ЯМР високої роздільної здатності), тоді як ті ж самі ядра, що досліджуються в твердій фазі, будуть обумовлювати появу ліній шириною порядку 1*104 Гц (звідси поняття ЯМР широких ліній) ).
У спектроскопії ЯМР високого дозволу є два основних джерела інформації про будову та динаміку молекул:
хімічне зрушення; константи спін-спінової взаємодії.
В реальних умовах резонирующие ядра, сигнали ЯМР яких детектуються, є складовоюатомів чи молекул. При приміщенні досліджуваних речовин у магнітне поле (0) виникає діамагнітний момент атомів (молекул), зумовлений орбітальним рухом електронів. Цей рух електронів утворює ефективні струми і, отже, створює вторинне магнітне поле, пропорційне відповідно до закону Ленца полю 0 і спрямоване протилежно. Це вторинне поле діє на ядро. Таким чином, локальне поле в тому місці, де знаходиться резонуючі ядро, лок=0 (3.3)
де σ- безрозмірна постійна, звана постійної екранування і не залежить від 0, але сильно залежить від хімічного (електронного) оточення; вона характеризує зменшення лок проти 0 .
Розмір $\sigma$змінюється від значення порядку 10-5 для протона до значень порядку 10-2 для важких ядер. З урахуванням виразу для лок маємо: ν=γΗ0(1−σ)/2π (3.4)
Ефект екранування полягає у зменшенні відстані між рівнями ядерної магнітної енергії або, іншими словами, призводить до зближення зееманівських рівнів. При цьому кванти енергії, що викликають переходи між рівнями, стають меншими і, отже, резонанс настає при менших частотах (див. вираз (3.4)). Якщо проводити експеримент, змінюючи поле 0 до тих пір, поки не настане резонанс, то напруженість прикладеного поля повинна мати більшу величину порівняно з випадком, коли ядро не екрановане.
Вплив електронного екранування на зееманівські рівні ядра: а – неекранованого, б – екранованого
У переважній більшості спектрометрів ЯМР запис спектрів здійснюється при зміні поля ліворуч, тому сигнали (піки) найбільш екранованих ядер повинні знаходитися в правій частині спектра.
Зміщення сигналу залежно від хімічного оточення, зумовлене різницею у константах екранування, називається хімічним зсувом.
Вперше повідомлення про відкриття хімічного зсуву з'явилися у кількох публікаціях 1950 – 1951 років. Серед них необхідно виділити роботу Арнольда, який отримав перший спектр з окремими лініями, що відповідають хімічно різним положенням однакових ядер 1H в одній молекулі.
У цій молекулі три типи протонів: три протони метильної групи CH3-, два протони метиленової групи -CH2-і один протон гідроксильної групи -OH. Видно, що три окремі сигнали відповідають трьом типам протонів. Оскільки інтенсивність сигналів перебуває у співвідношенні 3: 2: 1, то розшифровка діапазону (віднесення сигналів) не становить труднощів.
Оскільки хімічні зрушення не можна вимірювати в абсолютній шкалі, тобто щодо ядра, позбавленого всіх його електронів, то умовним нулем використовується сигнал еталонного з'єднання. Зазвичай значення хімічного зсуву для будь-яких ядер наводяться у вигляді безрозмірного параметра, що визначається наступним чином:
δ=(H−Hет)/Hэт*106, (3.6)
де (Н - Нет) - є різниця хімічних зрушень для досліджуваного зразка та зразка, Нет - абсолютне положення сигналу стандарту при прикладеному полі (Н0).
У реальних умовах експерименту більш точно можна виміряти частоту, а не поле, тому $\delta$ зазвичай знаходять із виразу:
δ=(ν−νет)/ν0*106, (3.7)
де (ν - νет) - є різниця хімічних зрушень для зразка та еталона, виражена в одиницях частоти (Гц); у цих одиницях зазвичай проводиться калібрування спектрів ЯМР.
Слід користуватися не ν0 - робочою частотою спектрометра (вона зазвичай фіксована), а частотою νет, тобто абсолютної частотою, де спостерігається резонансний сигнал еталона. Однак помилка, що вноситься при такій заміні, дуже мала, так як ν0 і νет майже рівні (відмінність становить 10-5, тобто на величину σ для протона). Оскільки різні спектрометри ЯМР працюють на різних частотах ν0 (і, отже, при різних полях Н0), очевидна необхідність вираження у безрозмірних одиницях.
За одиницю хімічного зсуву приймається мільйонна частка напруженості поля чи резонансної частоти. Спін-спінова взаємодія.
У 1951 - 1953 роках під час запису спектрів ЯМР низки рідин виявилося, що у спектрах деяких речовин більше ліній, ніж це з простої оцінки кількості нееквівалентних ядер. Один із перших прикладів - це резонанс на фторі в молекулі POCl2F. Спектр 19F складається з двох ліній рівної інтенсивності, хоча молекулі є тільки один атом фтору. Молекули інших сполук давали симетричні мультиплетні сигнали (триплети, квартети тощо).
Ця взаємодія обумовлена механізмом непрямого зв'язку через електронне оточення. Ядерний спин прагне орієнтувати спини електронів, що оточують це ядро. Ті, своєю чергою, орієнтують спини інших електронів і них - спини інших ядер. Енергія спін-спінової взаємодії зазвичай виявляється у герцах (тобто постійну планку приймають за одиницю енергії, виходячи з того, що Е = hν). Зрозуміло, що немає необхідності (на відміну від хімічного зсуву) виражати її у відносних одиницях, тому що обговорювана взаємодія, як зазначалося вище, не залежить від напруженості зовнішнього поля. Величину взаємодії можна визначити, вимірюючи відстань між компонентами відповідного мультиплет.
Найпростішим прикладом розщеплення через спін-спіновий зв'язок, з яким можна зустрітися, є резонансний спектр молекули, що містить два сорти магнітних ядер А і Х. Ядра А і Х можуть являти собою як різні ядра, так і ядра одного ізотопу (наприклад, 1H ) у разі, коли хімічні зрушення між їх резонансними сигналами великі.
Методи спінової луни.
В експериментах, коли високочастотне поле 1 безперервно діє на зразок, що знаходиться в однорідному магнітному полі 0, досягається стаціонарний стан, при якому взаємно компенсовані дві протилежні тенденції. З одного боку, під впливом високочастотного поля 1 числа заповнення зеемановских рівнів прагнуть вирівнятися, що зумовлює розмагнічування системи, з другого боку, тепловий рух перешкоджає цьому і відновлює больцманівський розподіл.
Зовсім інші процеси, що не встановилися, спостерігаються в тих випадках, коли високочастотне поле 1 включається на короткий час. Практичне здійснення подібних експериментів можливе, оскільки характерні тимчасові параметри електронної апаратури малі в порівнянні з часом згасання ларморової прецесії Т2.
Вперше реакцію системи на імпульси високочастотного поля спостерігав Хан у 1950 р., відкривши явище – спинове луна. Це відкриття започаткувало розвиток імпульсних методів ЯМР.
Дія поля 1, що обертається з резонансною частотою, зводиться до відхилення намагніченості від початкового рівноважного напрямку, паралельного полю 0. Якщо поле включають лише на короткий проміжок часу, а потім знову відключають, то кут відхилення намагніченості вектора залежить від тривалості імпульсу. Після включення поля 1 вектор намагніченості буде прецесувати навколо поля 0 до тих пір, поки його компоненти, перпендикулярні полю 0 не зникнуть або за рахунок релаксації, або за рахунок інших причин. Індукційний сигнал, який спостерігають після вимкнення високочастотного поля 1, являє собою загасання вільної прецесії, розглянуте вперше Блохом.
Якщо напруженість поля 1 велика, а тривалість імпульсу tw настільки мала, що протягом дії імпульсу релаксаційними процесами можна знехтувати, то дія поля 1 зведеться до повороту вектора намагніченості на кут g1tw (g1-кутова швидкість, з якою поле 1 відхиляє вектор від осі z ). Якщо величини 1 і tw обрані таким чином, що g1tw=1/2p (3.8) то вектор після повороту опиниться в площині ху. Такі імпульси називають імпульсами повороту на 900 (або 900-ві імпульси). Ті імпульси, котрим g1tw=p, називаються імпульсами повороту на 1800 (1800-ние імпульси).
Дія останніх імпульсів на вектор намагніченості призводить до зміни його початкового напрямку протилежне. Дія 900-их імпульсів можна краще зрозуміти, розглядаючи їх у системі координат, що обертається з кутовою швидкістю, що дорівнює частоті поля 1. Якщо тривалість імпульсу мала, так що остаточний результат мало залежить від величини відхилення частоти поля 1 від резонансного значення, то в такій системі координат вектор намагніченості М відразу після закінчення дії імпульсу буде направлений по осі v.
Якщо постійне поле 0 однорідне, то поведінка вектора намагніченості після закінчення дії імпульсу визначається тільки процесами релаксації. Тому компонент вектора намагніченості, розташована в площині, перпендикулярній полю 0, буде обертатися навколо цього напрямку з ларморовой частотою, в той час як її амплітуда буде прагнути до нуля за законом exp(-t/T2).
У разі, коли неоднорідність магнітного поля Н0 не можна знехтувати, згасання відбувається швидше. Це явище можна наочно за допомогою низки діаграм, що показують положення вектора на-
магніченості у різних частинах зразка у певні моменти процесу згасання. Припустимо, що зразок розділений на кілька областей, а в межах кожної області магнітне поле однорідне, і характеризується намагніченість своїм вектором i. Наявність неоднорідності магнітного поля 0 призведе до того, що замість прецесії результуючого вектора намагніченості з певною ларморової частотою w0 відбуватиметься прецесія набору векторів намагніченості з частотами, розподіленими за деяким законом.
Розглянемо рух цих векторів у системі координат, що обертається з кутовою швидкістю, що дорівнює середній швидкості ларморової прецесії, що відповідає деякому середньому значенню поля Н0. Вектори i називають спіновими ізохроматами.
Однак через те, що вони мають різні швидкостіпрецесії, т.к. знаходяться в областях зразка з різними значеннями поля 0, деякі з них будуть обертатися швидше, а деякі - повільніше системи координат. Тому в системі координат, що обертається з деякою середньою кутовою швидкістю, спінові ізохромати розсипатимуться у “віяло”. Т.к. приймальна котушка індукційної системи реагує лише на векторну суму цих моментів, то спостерігається згасання сигналу.
Хан виявив, що вплив на систему другого імпульсу через проміжок часу після першого призводить до появи через рівний проміжок часу 2 ехо-сигналу. Ехо-сигнал спостерігається навіть у тому випадку, коли за час 2τ відбудеться повне згасання сигналу вільної прецесії.
1. Спочатку система знаходиться в тепловій рівновазіі всі вектори намагніченості паралельні постійному полю 0.
2. Під впливом високочастотного поля, спрямованого по осі х поворотної системи координат, вектори намагніченості за час першого імпульсу відхиляються від напрямку осі z до напрямку осі у.
3. Після закінчення 900-го імпульсу всі вектори намагніченості розташовані в екваторіальній площині в напрямку осі у ( векторний витвірє вектор, перпендикулярний у даному випадку площині zx). Якщо тривалість імпульсу tω досить мала, то ніякої релаксації або розсипання векторів намагніченості у "віяло", пов'язаного з неоднорідністю поля 0, не буде спостерігатися.
4. Відразу ж після включення високочастотного поля Н1 відбувається загасання вільної прецесії, що призводить до розсипання спінових ізохроматів у "віяло", розташоване в площині х'у.
5. через проміжок часу на систему діє 1800-ний імпульс тривалістю 2tω. В результаті дії цього імпульсу вся система векторів i повертається на 1800 навколо осі х.
6. Після закінчення другого імпульсу кожен з векторів намагніченості в системі координат, що обертається, продовжує рухатися в попередньому напрямку. Однак тепер, після повороту на 1800, цей рух призводить не до розсипання, а до складання "віяла" векторів.
7. Через проміжок часу 2τ після початку першого імпульсу всі вектори намагніченості, що знаходяться в площині х, будуть мати один і той же напрям і створять сильний результуючий магнітний момент в негативному напрямку осі у. Це призводить до наведення в приймальні котушці сигналу, званого ехо-сигналом.
8. Після появи ехо-сигналу вектори намагніченості знову розсипаються у "віяло", і спостерігається звичайне згасання вільної прецесії. Згасання сигналу луна (починаючи з часу 2τ) збігається формою із загасанням сигналу вільної індукції після першого 900-го імпульсу. Відразу за 1800-м імпульсом ніякого сигналу вільної індукції не виникає.
Форма ехо-сигналу, як і форма сигналу загасання вільної прецесії, залежить від тимчасового закону, якому підпорядковується розсипання в "віяло" вектора намагніченості. Якщо магнітне поле неоднорідне, то когерентність втрачається швидко та ехо-сигнал буде вузьким; ширина його порядку (γΔΗ0)-1. Т.ч., механізм спінової ехи виключає звичайний небажаний вплив неоднорідності стаціонарного магнітного поля.
Якщо молекули залишаються тривалий час в тих самих частинах зразка, то амплітуда ехо-сигналу визначається тільки процесами релаксації і, отже, пропорційна ехр(-2τ/Т2). Однак у рідинах та газах процесами дифузії можна нехтувати не завжди. Тому, внаслідок пересування молекул у неоднорідному магнітному полі, швидкість розсипання у "віяло" деяких векторів намагніченості змінюється.
Внаслідок цього відбувається деяка додаткова втрата когерентності. У цьому випадку амплітуда ехо-сигналу виявляється залежною від τ наступним чином:
ехр[-2τ/T2-k(2τ)3/3]. (3.9)
Для ехо-сигналів, отриманих для послідовності 900- та 1800-них імпульсів
k=1/4γ2GD , (3.10)
де D - Константа дифузії;
G – середнє значення градієнта магнітного поля (dH0/dt)пор.
Якщо виконується умова
12/γ2G2D<< T32, (3.11)
то головну роль у загасанні сигналів спінової луни відіграватимуть процеси дифузії, а не релаксаційні процеси. Аналогічні явища спостерігаються і для будь-яких інших імпульсів, а не тільки для послідовності 900 і 1800 імпульсів. Якщо застосовується послідовність 900-них імпульсів, то після другого імпульсу з'являється сигнал загасання вільної прецесії, який відсутній при застосуванні послідовності 900- і 1800 імпульсів. Це відбувається тому, що після часу τ, внаслідок дії механізму спін-решіткової релаксації, магнітний момент, спрямований по осі z, частково відновлюється. Цей процес можна охарактеризувати функцією:
f=1 – exp (-τ/T1). (3.12)
Внаслідок цього вплив другого 900-го імпульсу призводить до сигналу згасання вільної прецесії, амплітуда якого менше амплітуди першого сигналу f раз. У тому випадку, коли другим імпульсом є 1800-ний імпульс, цей магнітний момент, що відновлює, буде направлений в негативному напрямку осі z і, отже, проекція його на площину ху дорівнює нулю.
Експерименти по спиновому еху можна проводити з великою кількістю імпульсів. Існують загальні методи розрахунків. Придатні для будь-якої послідовності імпульсів.
Якщо у зразку присутні ядра з різними резонансними частотами і між ними здійснюється спін-спінова взаємодія, то виникають ускладнення картини спінової луни. У цьому випадку залежність загасання амплітуди сигналу спінової ехи від інтервалу між імпульсами τ не підпорядковується закону (3.9), а містить також деякі осцилюючі в часі члени. Тепер зупинимося на тому, як можна керувати фазою змінної напруги другого імпульсу так, щоб у системі координат, що обертається, поле 1 було знову спрямовано вздовж осі +х, як і при першому імпульсі. Справа в тому, що в так званій когерентній апаратурі високостабільний за частотою генератор видає стаціонарну змінну напругу, яка надходить в підсилювач потужності через ключову схему.
Ключова схема пропускає радіочастотний сигнал (поле 1), і він посилюється лише протягом проміжку часу, коли ці схеми відкриваються стробуючого імпульсу. Т.ч., потужні радіочастотні імпульси на виході підсилювача у часі збігаються з стробуючі імпульси. Вихідна напруга підсилювача прикладається до котушки із зразком, в якій створюється радіочастотне поле 1. Якщо частота генератора точно налаштована в резонанс, тобто. ω=ω0, то фаза цього поля завжди одна і та ж у системі координат, що обертається з частотою ω0.
Спектрометри ЯМР.
Спектрометр ЯМР повинен містити такі основні елементи:
1) магніт, що створює поляризуючу ядерну спину – систему магнітне поле 0;
2) передавач, який створює зондувальне поле 1;
3) датчик, в якому під впливом 0 та 1 у зразку виникає сигнал ЯМР;
4) приймач, що посилює цей сигнал;
5) систему реєстрації (самописець, магнітний запис, осцилоскоп тощо);
6) пристрої обробки інформації (інтегратор, багатоканальний накопичувач спектрів);
7) систему стабілізації резонансних умов;
8) систему термостатування зразка;
9) передавач, який створює поле 2 для подвійних резонансів;
10) систему програмування реєстрації ЯМР: для спін-спектрометра – розгортку поля 0 або частоти n0 у заданому інтервалі з необхідною швидкістю, необхідною кількістю реалізацій спектра; для імпульсних спектрометрів – вибір числа, амплітуди та тривалостей зондувальних імпульсів, часу відстеження кожної точки та числа точок інтерферограми, часу повторення інтерферограми, числа циклів накопичення інтерферограми;
11) системи корекції магнітного поля. Це схематичне перерахування показує, що сучасний ЯМР-спектрометр – складна вимірювальна система.
За призначенням ЯМР - спектрометри ділять на прилади високої та низької роздільної здатності. Кордон тут умовний, і все частіше характеристики ЯМР - спектрометрів високої та низької роздільної здатності поєднують в одному універсальному приладі. Типовий прилад низької роздільної здатності повинен мати магніт, що забезпечує відносну роздільну здатність порядку 10-6 год-1, можливість реєстрації ЯМР багатьох магнітних ядер у широкому інтервалі температур, сполучення із системою обробки даних, гоніометр для кристалофізичних вимірювань.
Для забезпечення високої чутливості застосовується метод модуляції спостереження сигналу: поле 0 (частота n0) модулюється за синусоїдальним законом; частота nm і амплітуда Аm вибираються з міркувань оптимізації чутливості та внесених такою модуляцією спотворень сигналу. Оскільки в кристалах час спін-решіткової релаксації Т1 може досягати кількох годин, спектрометр низької роздільної здатності повинен забезпечувати реєстрацію ЯМР при виключно малих рівнях радіочастотного поля 1, щоб уникнути насичення сигналу. Чутливість модуляційного методу залежить від відношення Аm/d, причому це відношення для слабких сигналів доводиться вибирати порівнянним із одиницею. Але тоді виникає сильне модуляційне розширення, яке необхідно враховувати під час обробки сигналів. Труднощі ще більше зростають, якщо лінія ЯМР має широку та вузьку компоненти – при одноразовому записі неможливо правильно передати відношення інтенсивностей цих компонентів.
Останнім часом набувають все більшої популярності імпульсні методи реєстрації широких ліній ЯМР у твердих тілах, проте тут виникають свої труднощі. Щоб однаково порушити всі переходи в спиновій системі, необхідно застосовувати дуже короткі імпульси тривалістю tі£1 мкс; це потребує потужних джерел радіочастотних коливань. Крім того, тимчасовий відгук спинової системи для широких ліній (Т2~10 мкс) згасає дуже швидко; щоб за кілька мікросекунд зробити достатню кількість відліків, необхідний аналого-цифровий перетворювач зі швидкодією близько 0,1 мкс канал.
Великі труднощі виникають через дзвін контуру в датчику і навантаження приймача після потужного імпульсу. Перевагою імпульсної техніки і те, що у одному експерименті можна визначити всі параметри ядерного магнетизму у зразку – моменти, форма лінії і часи релаксації. За теоремою Фур'є, великі частоти відповідають малим часом. Тому створюються імпульсні методи для аналізу явищ, що відбуваються через мізерний час після закінчення імпульсу. Вони підвищують точність визначення найвищих моментів лінії ЯМР до n=14.
Для реалізації імпульсного звуження (високої роздільної здатності у твердому тілі) число імпульсних каналів передавача має бути не менше чотирьох. Потужні імпульси формуються в режимі посилення коливань, створюваних точним генератором, що задає. Тривалість його роботи має бути досить великою для реалізації необхідної точності налаштування частоти та фази радіочастотного заповнення імпульсів. Крім того, когерентність спектрометра забезпечує можливість синхронного детектування високої частоти для підвищення чутливості.
Поряд із синхронним детектуванням дуже широко застосовується накопичення сигналів за допомогою багатоканальних накопичувачів. Стабільність ЯМР – спектрометрів забезпечує довготривалу однозначну відповідність кожного спектрального інтервалу Dn номеру каналу пам'яті накопичувача.
Спектрометри високої роздільної здатності за способом знаходження умов резонансу поділяються на стаціонарні та імпульсні спектрометри. У стаціонарних спектрометрах резонанс перебуває зміною (розгорткою) однієї з параметрів (n чи 0) при фіксуванні іншого. У імпульсних спектрометрах при постійному зовнішньому полі зразок 0 опромінюють коротким високочастотним імпульсом тривалістю t з частотою n, тобто. спектр частот, основна потужність якого знаходиться в смузі n±1/t. У цій смузі збуджуються всі відповідні переходи ЯМР, що дають відгук сигнал спаду вільної індукції. Фур'є - перетворення цього сигналу дає стандартний діапазон ЯМР.
Спектрометри, що працюють у стаціонарному режимі, складаються з наступних основних вузлів:
Магніт, що створює однорідне поле;
Датчик сигналів, що містить досліджуваний зразок та приймальну котушку;
Блок розгортки, що дозволяє змінювати у невеликих межах основне магнітне поле за певним законом;
Радіочастотний генератор, що працює у метровому діапазоні;
Радіочастотний приймач та підсилювач;
Осцилограф і самописний потенціометр для спостереження та реєстрації спектрів.
Досить швидке обертання зразка дозволяє ефективно позбутися впливу градієнтів магнітного поля 0. Дана обставина у зв'язку з безперервним зростанням значень 0, що використовуються, веде до того, що досягається відносне дозвіл, що вимірюється як відношення DН/0, де DН – спостерігається неоднорідність магнітного поля, знаходиться в інтервалі 10-9 - 10-10. Лінії, що вимірюються десятими і сотими частками герца, ширина яких визначається тривалістю часу релаксації в рідині (10 - 20 с), призводять до значної проблеми. Отже, на одноразову реалізацію спектра може знадобитися кілька годин. Це висуває дуже високі вимоги до системи стабілізації резонансних умов, що зазвичай здійснюється з допомогою ЯМР (за додатковим зразком – зовнішня стабілізація чи з однієї з ліній досліджуваного зразка – внутрішня стабілізація). Найбільш вдалі результати виходять при поєднанні внутрішньої та зовнішньої стабілізації.
Аллільне розщеплення- залежність константи спін-спінової взаємодії між протонами в алільних системах ( 4 J ) яка значною мірою залежить від торсійного кута. між площинами, утвореними атомами НС2С3 і С1С2С3.
Анулени- циклічні сполучені системи.
Атропні молекули- молекули сполук, які дають кільцевого струму.
Валентний кут (θ) - Кут між двома зв'язками в одного атома вуглецю.
Віцинальне взаємодія -взаємодія між ядрами, що розділені трьома зв'язками.
Нерезонансна розв'язка(off resonance decoupling) - дозволяє встановити різницю між сигналами СН 3 , СН 2 , СН груп і четвертинним атомом вуглецю. Для спостереження позарезонансної розв'язки використовується частота, що перебуває поруч із хімічним зрушенням, але відповідна резонансної частоті сигналу. Таке придушення веде до зменшення кількості взаємодій, настільки, що реєструються тільки прямі J(C,H) взаємодії.
Гемінальне взаємодія -взаємодія між ядрами, які розділені двома зв'язками.
Гетероядерна кореляційна спектроскопія (HETCORN)- у цих експериментах на одній осі розміщені хімічні зрушення 1 Н спектрів, тоді як на іншій осі розміщуються 13 З хімічні зрушення. HETCOR - гетероядерний варіант COSY, в якому використовуються непрямі гетероядерні спін-спінові взаємодії між 1 Н і 13 С.
HMQC - HETeronuclearMultyQuantumCorrelation- реєстрація 1 Н із розв'язкою від 13 С.
HSQC - HETeronuclear MultyQuantum Correlation- варіант HMQC
COLOC - CORrelation Long (дуже затяжний)
HMBC (HETeronuclear MultiplBond Correlation)- варіант експерименту HMQC для виявлення далеких гетероядерних спін-спінових взаємодій. HMBC дає більш високе співвідношення сигнал/шум, ніж HMQC експеримент.
Гіромагнітне відношення (γ ) - Одна з характеристик магнітних властивостей ядра.
Гомоалільна взаємодія- взаємодія через 5 зв'язків в аллільній системі.
Далі взаємодія -взаємодія між ядрами, які розділені більш ніж на 3 зв'язку (зазвичай через 4-5 зв'язків).
Датчик- прилад, який забезпечує передачу імпульсів до зразка та реєстрацію сигналів резонансу. Датчики бувають широкосмугові та селективно-налаштовані. Вони встановлюються у активну область магніту.
Двогранний (торсіонний) кут- кут, який утворений двома площинами між зв'язками, що розглядаються.
ДвовимірніJ-спектри.Для двовимірної J-спектроскопії характерно наявність однієї частотної координати, пов'язаної з КССВ та другої координати, пов'язаної з хімічними зрушеннями. Найбільшого поширення набуло контурне уявлення двовимірних J-спектрів у двох взаємно-перпендикулярних координатах.
Двовимірна ЯМР-спектроскопіяексперименти з використанням імпульсних послідовностей, що дозволяє отримати спектр ЯМР у такому поданні, при якому інформація рознесена по двох частотних координат і збагачена відомостями про взаємозалежність параметрів ЯМР. В результаті виходить квадратний спектр з двома ортогональними осями і сигналом, що має в частотному поданні максимум у точці з координатами (, ), тобто на діагоналі.
Дельта-шкала (δ -шкала) - шкала, в якій хімічне зрушення протонів ТМС приймається за нульове значення.
Діамагнітний зсув- Зміщення резонансного сигналу в область слабкого поля (великих значень δ ).
Діатропні молекули- анулени з 4 n+2 π-електронами, які відповідно до правила Хюккеля мають ароматичний характер.
Дублет - сигнал двох взаємодіючих ядер, представлений у спектрі ЯМР 1 Н двома лініями однієї інтенсивності.
Ізохронні ядра- ядра, що мають одну й ту саму величину хімічного зсуву. Часто вони хімічно еквівалентні, тобто мають однакове хімічне оточення.
Інтегральна інтенсивність сигналу(Площа під кривою) - вимірюється інтегратором і показується у вигляді сходів, висота яких пропорційна площі і показує відносне числопротонів.
Імпульсна спектроскопіяспосіб збудження магнітних ядер - за допомогою коротких та потужних (сотні кіловат) високочастотних імпульсів. Імпульс з несучою частотою і тривалістю t p створює смугу збудження в діапазоні частот +1/t p . Якщо довжина імпульсу обчислюється декількома мікросекундами, а приблизно відповідає центру області частот резонансу для даного виду ядер, то смуга перекриє весь діапазон частот, забезпечуючи одночасне збудження всіх ядер. В результаті записується експоненційно загасаюча синусоїда (СІС). Вона містить інформацію як про частоту, тобто фактично про хімічний зсув, так і про форму лінії. Найбільш звична нам форма - спектр в частотному поданні - виходить із СІС з допомогою математичної процедури, званої перетворенням Фурье.
Імпульсний ЯМР- спосіб збудження магнітних ядер за допомогою коротких та потужних (сотні кіловат) високочастотних імпульсів. Під час імпульсу усі ядра одночасно збуджуються, а потім, після того, як імпульс припиняється, ядра повертаються (релаксують) у вихідний основний стан. Втрата енергії релаксуючими ядрами призводить до виникнення сигналу, який є сумою сигналів від усіх ядер описується великою кількістю загасаючих синусоїдальних кривиху часовій шкалі, кожна з яких відповідає певній резонансній частоті.
Константа спін-спінової взаємодії (КСВВ)- кількісна характеристика взаємодії різних ядер.
Кореляційна спектроскопія (COSY)експеримент з двома 90 про імпульси. У цьому виді двовимірної спектроскопії корелюються хімічні зрушення спіново-пов'язаних магнітних ядер. Двовимірна спектроскопія COSY за певних умов допомагає виявити наявність дуже малих констант, зазвичай невидних у одномірних спектрах.
СOSY- Експерименти, в яких варіюється тривалість імпульсу. Це дозволяє зменшити розмір діагональних піків, що утрудняють ідентифікацію прилеглих крос-піків (COSY45, COSY60).
DQF-COSY - двоквантований фільтр -пригнічує синглети на діагоналі та перешкоди, що відповідають їм.
COSYLR (long rang)- експеримент COSY, що дозволяє визначити далекі взаємодії.
ТOCSY - TotalCorrelationSpectroscopy- режим зйомки, який дозволяє в насиченому сигналами спектрі отримати крос-піки між усіма спинами системи шляхом передачі намагніченості зв'язків в досліджуваному структурному фрагменті. Найчастіше використовується для вивчення біомолекул.
Ларморова частота- Частота прецесії в ЯМР.
Магнітно-еквівалентниминазивають такі ядра, які мають ту саму резонансну частоту і загальне для всіх характеристичне значення константи спинової взаємодії з ядрами будь-якої сусідньої групи.
Багатоквантові когерентності- стан суперпозиції, коли два або більше взаємодіючих спина ½ переорієнтуються одночасно.
Багатовимірний ЯМР- Реєстрація спектрів ЯМР з більш ніж однією частотною шкалою.
Мультиплет - сигнал однієї групи, що виявляється у вигляді кількох ліній.
Непряма спинова взаємодія - взаємодія між ядрами, що передається в межах молекули за системою зв'язків і не усереднюється за швидкого молекулярного руху.
Парамагнітні частки - частинки, що містять неспарений електрон, який має дуже великий магнітний момент.
Парамагнітний зсув- Зміщення резонансного сигналу в область сильного поля (великих значень δ ).
Паратропні молекулианулени з числом π-електронів рівним 4 n.
Пряма константа спін-спінової взаємодії -константа, що характеризує взаємодія між ядрами, які розділені одним зв'язком.
Пряма спин-спінова взаємодія- взаємодія між ядрами, що передається через простір.
Резонансний сигналспектральна лінія, що відповідає поглинанню енергії під час переходу між власними станами, викликана високочастотним генератором.
Релаксаційні процеси - втрата енергії на верхньому рівні та повернення на нижній енергетичний рівень завдяки безвипромінювальним процесам.
З віпіювання- Поступова зміна магнітного поля, в результаті якого досягаються умови резонансу.
Спектри першого порядку- спектри, у яких різниця у хімічних зрушеннях окремих груп магнітно-еквівалентних ядер ν oзначно більше константи спін-спінової взаємодії J .
Спін-решіткова релаксація - процес релаксації (втрати енергії), механізм якої пов'язаний із взаємодією з локальними електромагнітними полями довкілля.
Спін-спинова релаксація - процес релаксації здійснюється внаслідок передачі енергії від одного збудженого ядра до іншого.
Спін-спінова взаємодія електронів- Взаємодія, що виникає в результаті магнітної взаємодії різних ядер, яка може передаватися через електрони хімічних зв'язків безпосередньо незв'язаних ядер.
Спинова система- це група ядер, що взаємодіють між собою, але не взаємодіють із ядрами, що не входять до спинової системи.
Хімічний зсув -зсув сигналу досліджуваного ядра стосовно сигналу ядер стандартної речовини.
Хімічно еквівалентні ядра- ядра, які мають ту саму резонансну частоту і однакове хімічне оточення.
Шимми - у спектроскопії ЯМР так називають електромагнітні котушки, що створюють магнітні поля невеликої напруженості, якими виправляють неоднорідність сильного магнітного поля.
Широкополосна розв'язка(1 Н broadband decoupling) - використання сильного опромінення, яке покриває всю область хімічних протонних зрушень, для того, щоб повністю видалити всі 13 С 1 Н взаємодії.
Екранування - зміна положення резонансного сигналу під впливом індукованих магнітних полів інших ядер.
Ефект Ван-дер-Ваальса- ефект, який виникає при сильній просторовій взаємодії між протоном і сусідньою групою та викликає зниження сферичної симетрії електронного розподілу та збільшення парамагнітного вкладу в ефект екранування, який, у свою чергу, призводить до зміщення сигналу у більш слабке поле.
Ефект Зеємана- Розщеплення енергетичних рівнів у магнітному полі.
Ефект даху- збільшення інтенсивності центральних ліній та зменшення інтенсивності віддалених ліній у мультиплеті.
Ефект магнітної анізотропії(так званий конус анізотропії) – результат впливу вторинних індукованих магнітних полів.
Ядерний квадрупольний резонанс (ЯКР) -спостерігається для ядер зі спиновим квантовим числом I > 1/2 внаслідок несферичного розподілу ядерного заряду. Такі ядра можуть взаємодіяти з градієнтами зовнішніх електричних полів, особливо з градієнтами полів електронних оболонокмолекули, в якій знаходиться ядро і мають спінові стани, що характеризують різними енергіями навіть у відсутність прикладеного зовнішнього магнітного поля.
Ядерний магнетонЗначення ядерного магнетону розраховується за такою формулою:
Ядерний магнітний резонанс(ЯМР) – це фізичне явище, що використовується для вивчення властивостей молекул під час опромінення ядер атомів радіохвилями в магнітному полі
Ядерний фактор - відношення заряду ядра до його маси.
