Метод ЯМР – спектроскопии основан на магнитных свойствах ядер. Ядра атомов несут на себе положительный заряд и вращаясь вокруг своей оси. Вращение заряда приводит к возникновению магнитного диполя.
Угловой момент вращения, которого может быть описан спиновым квантовым числом (I). Численное значение спинового квантового числа, равно сумме спиновых квантовых чисел протонов и нейтронов входящих в состав ядра.
Спиновое квантовое число может принимать значение
Если количество нуклонов чётное, то величина I = 0, либо целому числу. Это такие ядра С 12 , Н 2 , N 14 , такие ядра не поглощают радиочастотного излучения и не дают сигналов в ЯМР – спектроскопии.
I = ± 1 / 2 H 1 , P 31 , F 19 - поглощают радиочастотное излучение, дают сиг нал ЯМР спектра.
I = ± 1 1 / 2 CL 35 , Br 79 - не симметричное распределение зарядов по поверхности ядра. Что приводит к возникновению квадропольного момента. Такие ядра методами ЯМР спектроскопии не изучают.
Пмр – спектроскопия
Численное значение I (I = ± 1 / 2) определяет количество возможных ориентаций ядра во внешнем магнитном поле в соответствии с формулой:
Из этой формулы видно, что количество ориентаций равно 2.
Для того, что бы осуществить переход протона, находящегося на нижнем уровне, на более высокий ему нужно сообщить энергию равную разности энергии этих уровней, то есть облучить излучением строго определённой чистотой. Разница в энергии уровней (ΔΕ) зависит от величины наложенного магнитного поля (H 0) и магнитной природы ядер, описывающимся магнитным моментом (μ). Это величина определяется вращением:
,
где
h – постоянная Планка
Величина внешнего магнитного поля
γ – коэффициент пропорциональности, называется гиромагнитным соотношением, определяет зависимость между спиновым квантовым числом I и магнитным моментом μ.
– основное уравнение ЯМР , оно связывает величину внешнего магнитного поля, магнитную природу ядер и чистоту излучения при котором происходит поглощение энергии излучений и ядра переходят междууровнями.
Из приведенной записи видно, что для одних и тех же ядер, протонов, существует строгая зависимость между величиной Н 0 и μ.
Так, например для того, чтобы ядра протонов находились во внешнем магнитном поле 14000 Гс перешли на более высокий магнитны уровень их нужно облучить с частотой 60 МГц, если до 23000Гс, то потребуется излучение с частой 100МГц.
Таким образом из выше сказанного следует, что основными частями ЯМР спектрометра должен быть, мощный магнит и источник радиочастотного излучения.
Анализирующее вещество помещаем в ампулу из специальных сортов стекла толщиной 5 мм. Ампулу помещаем в зазор магнита, для более равномерного распределения магнитного поля внутри ампулы, она вращается вокруг своей оси, с помощью катушки излучение генерируется радиочастотным излучением не прерывно. Частота этого излучения изменяется в небольшом диапазоне. В какой-то момент времени, когда частота в точности соответствует уравнению ЯМР спектроскопии, наблюдается поглощение энергии излучения и протоны переориентируют свой спин – это поглощение энергии регистрируется приёмной катушкой виде узкого пика.
В некоторых моделях спектрометра μ=const, а в небольших приделах изменяется величина H 0 . Для регистрации спектра необходимо 0,4 мл вещества, если вещество твёрдое его растворяют в подходящем растворе, необходимо взять 10-50 мл/г вещества.
Для получения качественного спектра необходимо использовать растворы концентрации 10 – 20 %. Предел чувствительности ЯМР соответствует 5%.
Для увеличения чувствительности с использованием ЭВМ применяют многочасовое накопление сигнала при этом полезный сигнал увеличивается в интенсивности.
В дальнейшем совершенствовании методики ЯМР спектрораспределения стало, применение Фурье – преобразование сигнала. В этом случае образец облучается не излучением с медленно изменяющейся частотой, а излучением соединяющие все частоты в одном пакете. При этом происходит поглощения излучения одной частоты, и протоны переходят на верхний энергетический уровень, затем короткий импульс выключается и после этого возбуждённые протоны начинают терять поглощённую энергию и переходить на нижний уровень. Это явление энергии регистрируется системой в виде серии миллисекундных импульсов, которые затухают во времени.
Идеальным растворителем является вещество не содержащие протонов, то есть четырёх хлористый углерод и серный углерод, однако некоторые вещества в этих растворах не растворяются, поэтому используют любые растворители в молекулах которых атомы легкого изотопа H 1 замещены на атомы тяжелого изотопа дейтерия. Изотопная частота должна соответствовать 99%.
СDCl 3 – дейтерий
Дейтерий в ЯМР спектрах сигнала не даёт. Дальнейшим развитием метода явилось использование быстродействующего компьютера и фурипреобразование сигнала. В этом случаи вместо последнего сканирования частоты излучения на образец накладывается мгновенное излучение, содержащие все возможные частоты. При этом происходит мгновенное возбуждение всех ядер и переориентация их спинов. После выключения излучения ядра начинают выбрасывать энергию и переходить на более низкий энергетический уровень. Этот выброс энергии длится несколько секунд и состоит из ряда микросекундных импульсов, которые системой регистрации, регистрируют в виде вилки.
1.Суть явления
Прежде всего надо заметить, что хотя в названии этого явления присутствует слово «ядерный», к ядерной физике ЯМР никакого отношения не имеет и с радиоактивностью никак не связан. Если говорить о строгом описании, то без законов квантовой механики никак не обойтись. Согласно этим законам, энергия взаимодействия магнитного ядра с внешним магнитным полем может принимать только несколько дискретных значений. Если облучать магнитные ядра переменным магнитным полем, частота которого соответствует разнице между этими дискретными энергетическими уровнями, выраженной в частотных единицах, то магнитные ядра начинают переходить с одного уровня на другой, при этом поглощая энергию переменного поля. В этом и состоит явление магнитного резонанса. Это объяснение формально правильное, но не очень наглядное. Есть другое объяснение, без квантовой механики. Магнитное ядро можно представить как электрически заряженный шарик, вращающийся вокруг своей оси (хотя, строго говоря, это не так). Согласно законам электродинамики, вращение заряда приводит к появлению магнитного поля, т. е. магнитного момента ядра, который направлен вдоль оси вращения. Если этот магнитный момент поместить в постоянное внешнее поле, то вектор этого момента начинает прецессировать, т. е. вращаться вокруг направления внешнего поля. Таким же образом прецессирует (вращается) вокруг вертикали ось юлы, если ее раскрутить не строго вертикально, а под некоторым углом. В этом случае роль магнитного поля играет сила гравитации.
Частота прецессии определяется как свойствами ядра, так и силой магнитного поля: чем сильнее поле, тем выше частота. Затем, если кроме постоянного внешнего магнитного поля на ядро будет воздействовать переменное магнитное поле, то ядро начинает взаимодействовать с этим полем — оно как бы сильнее раскачивает ядро, амплитуда прецессии увеличивается, и ядро поглощает энергию переменного поля. Однако это будет происходить только при условии резонанса, т. е. совпадения частоты прецессии и частоты внешнего переменного поля. Это похоже на классический пример из школьной физики — марширующие по мосту солдаты. Если частота шага совпадает с частотой собственных колебаний моста, то мост раскачивается всё сильнее и сильнее. Экспериментально это явление проявляется в зависимости поглощения переменного поля от его частоты. В момент резонанса поглощение резко возрастает, а простейший спектр магнитного резонанса выглядит вот так:
2. Фурье-спектроскопия
Первые ЯМР-спектрометры работали именно так, как описано выше-образец помещался в постоянное магнитное поле, и на него непрерывно подавалось радиочастотное излучение. Затем плавно менялась либо частота переменного поля, либо напряженность постоянного магнитного поля. Поглощение энергии переменного поля регистрировалось радиочастотным мостом, сигнал от которого выводился на самописец или осциллограф. Но этот способ регистрации сигнала уже давно не применяется. В современных ЯМР-спектрометрах спектр записывается с помощью импульсов. Магнитные моменты ядер возбуждаются коротким мощным импульсом, после которого регистрируется сигнал, наводимый в РЧ-катушке свободно прецессирующими магнитными моментами. Этот сигнал постепенно спадает к нулю по мере возвращения магнитных моментов в состояние равновесия (этот процесс называется магнитной релаксацией). Спектр ЯМР получается из этого сигнала с помощью Фурье-преобразования. Это стандартная математическая процедура, позволяющая раскладывать любой сигнал на частотные гармоники и таким образом получать частотный спектр этого сигнала. Этот способ записи спектра позволяет значительно понизить уровень шумов и проводить эксперименты намного быстрее.
Один возбуждающий импульс для записи спектра — это самый простейший ЯМР-эксперимент. Однако таких импульсов, разной длительности, амплитуды, с разными задержками между ними и т. п. , в эксперименте может быть много, в зависимости от того, какие именно манипуляции исследователю надо провести с системой ядерных магнитных моментов. Тем не менее, практически все эти импульсные последовательности оканчиваются одним и тем же — записью сигнала свободной прецессии с последующим Фурье-преобразованием.
3. Магнитные взаимодействия в веществе
Сам по себе магнитный резонанс остался бы не более чем занятным физическим явлением, если бы не магнитные взаимодействия ядер друг с другом и с электронной оболочкой молекулы. Эти взаимодействия влияют на параметры резонанса, и с их помощью методом ЯМР можно получать разнообразную информацию о свойствах молекул — их ориентации, пространственной структуре (конформации), межмолекулярных взаимодействиях, химическом обмене, вращательной и трансляционной динамике. Благодаря этому ЯМР превратился в очень мощный инструмент исследования веществ на молекулярном уровне, который широко применяется не только в физике, но главным образом в химии и молекулярной биологии. В качестве примера одного из таких взаимодействий можно привести так называемый химический сдвиг. Суть его в следующем: электронная оболочка молекулы откликается на внешнее магнитное поле и старается его экранировать — частичное экранирование магнитного поля происходит во всех диамагнитных веществах. Это означает, что магнитное поле в молекуле будет отличаться от внешнего магнитного поля на очень небольшую величину, которая и называется химическим сдвигом. Однако свойства электронной оболочки в разных частях молекулы разные, и химический сдвиг тоже разный. Соответственно, условия резонанса для ядер в разных частях молекулы тоже будут отличаться. Это позволяет различать в спектре химически неэквивалентные ядра. Например, если мы возьмем спектр ядер водорода (протонов) чистой воды, то в нем будет только одна линия, поскольку оба протона в молекуле H 2 O совершенно одинаковы. Но для метилового спирта СН 3 ОН в спектре будет уже две линии (если пренебречь другими магнитными взаимодействиями), поскольку тут есть два типа протонов — протоны метильной группы СН 3 и протон, связанный с атомом кислорода. По мере усложнения молекул число линий будет увеличиваться, и если мы возьмем такую большую и сложную молекулу, как белок, то в этом случае спектр будет выглядеть примерно так:
4. Магнитные ядра
ЯМР можно наблюдать на разных ядрах, но надо сказать, что далеко не все ядра имеют магнитный момент. Часто бывает так, что некоторые изотопы имеют магнитный момент, а другие изотопы того же самого ядра — нет. Всего существует более сотни изотопов различных химических элементов, имеющих магнитные ядра, однако в исследованиях обычно используется не более 1520 магнитных ядер, всё остальное -экзотика. Для каждого ядра есть свое характерное соотношение магнитного поля и частоты прецессии, называемое гиромагнитным отношением. Для всех ядер эти отношения известны. По ним можно подобрать частоту, на которой при данном магнитном поле будет наблюдаться сигнал от нужных исследователю ядер.
Самые важные для ЯМР ядра — это протоны. Их больше всего в природе, и они имеют очень высокую чувствительность. Для химии и биологии очень важны ядра углерода, азота и кислорода, но с ними ученым не очень повезло: наиболее распространенные изотопы углерода и кислорода, 12 С и 16 О, магнитного момента не имеют, у природного изотопа азота 14N момент есть, но он по ряду причин для экспериментов очень неудобен. Есть изотопы 13 С, 15 N и 17 О, которые подходят для ЯМР-экспериментов, но их природное содержание очень низкое, а чувствительность очень маленькая по сравнению с протонами. Поэтому часто для ЯМР-исследований готовят специальные изотопно-обогащенные образцы, в которых природный изотоп того или иного ядра замещен на тот, который нужен для экспериментов. В большинстве случаев эта процедура весьма непростая и недешевая, но иногда это единственная возможность получить необходимую информацию.
5. Электронный парамагнитный и квадрупольный резонанс
Говоря про ЯМР, нельзя не упомянуть о двух других родственных физических явлениях — электронном парамагнитном резонансе (ЭПР) и ядерном квадрупольном резонансе (ЯКР). ЭПР по своей сути подобен ЯМР, разница заключается в том, что резонанс наблюдается на магнитных моментах не атомных ядер, а электронной оболочки атома. ЭПР может наблюдаться только в тех молекулах или химических группах, электронная оболочка которых содержит так называемый неспаренный электрон, тогда оболочка имеет ненулевой магнитный момент. Такие вещества называются парамагнетиками. ЭПР, как и ЯМР, также применяется для исследований различных структурно-динамических свойств веществ на молекулярном уровне, но его область использования существенно уже. Это связано в основном с тем, что большинство молекул, особенно в живой природе, не содержит неспаренных электронов. В некоторых случаях можно использовать так называемый парамагнитный зонд, т. е. химическую группу с неспаренным электроном, которая связывается с исследуемой молекулой. Но такой подход имеет очевидные недостатки, которые ограничивают возможности этого метода. Кроме того, в ЭПР нет такого высокого спектрального разрешения (т.е. возможности отличить в спектре одну линию от другой), как в ЯМР.
Объяснить «на пальцах» природу ЯКР труднее всего. Некоторые ядра обладают так называемым электрическим квадрупольным моментом. Этот момент характеризует отклонение распределения электрического заряда ядра от сферической симметрии. Взаимодействие этого момента с градиентом электрического поля, создаваемого кристаллической структурой вещества, приводит к расщеплению энергетических уровней ядра. В этом случае можно наблюдать резонанс на частоте, соответствующей переходам между этими уровнями. В отличие от ЯМР и ЭПР, для ЯКР не нужно внешнего магнитного поля, поскольку расщепление уровней происходит без него. ЯКР также используется для исследования веществ, но область его применения еще уже, чем у ЭПР.
6. Преимущества и недостатки ЯМР
ЯМР — самый мощный и информативный метод исследования молекул. Строго говоря, это не один метод, это большое число разнообразных типов экспериментов, т. е. импульсных последовательностей. Хотя все они основаны на явлении ЯМР, но каждый из этих экспериментов предназначен для получения какой-то конкретной специфической информации. Число этих экспериментов измеряется многими десятками, если не сотнями. Теоретически ЯМР может если не всё, то почти всё, что могут все остальные экспериментальные методы исследования структуры и динамики молекул, хотя практически это выполнимо, конечно, далеко не всегда. Одно из основных достоинств ЯМР в том, что, с одной стороны, его природные зонды, т. е. магнитные ядра, распределены по всей молекуле, а с другой стороны, он позволяет отличить эти ядра друг от друга и получать пространственно-селективные данные о свойствах молекулы. Почти все остальные методы дают информацию либо усредненную по всей молекуле, либо только о какой-то одной ее части.
Основных недостатков у ЯМР два. Во-первых, это низкая чувствительность по сравнению с большинством других экспериментальных методов (оптическая спектроскопия, флюоресценция, ЭПР и т. п.). Это приводит к тому, что для усреднения шумов сигнал нужно накапливать долгое время. В некоторых случаях ЯМР-эксперимент может проводиться в течение даже нескольких недель. Во-вторых, это его дороговизна. ЯМР-спектрометры — одни из самых дорогих научных приборов, их стоимость измеряется как минимум сотнями тысяч долларов, а самые дорогие спектрометры стоят несколько миллионов. Далеко не все лаборатории, особенно в России, могут позволить себе иметь такое научное оборудование.
7. Магниты для ЯМР-спектрометров
Одна из самых важных и дорогих частей спектрометра — магнит, создающий постоянное магнитное поле. Чем сильнее поле, тем выше чувствительность и спектральное разрешение, поэтому ученые и инженеры постоянно пытаются получить как можно более высокие поля. Магнитное поле создается электрическим током в соленоиде — чем сильнее ток, тем больше поле. Однако бесконечно увеличивать силу тока нельзя, при очень большом токе провод соленоида просто начнет плавиться. Поэтому уже очень давно для высокопольных ЯМР-спектрометров используются сверхпроводящие магниты, т. е. магниты, в которых провод соленоида находится в сверхпроводящем состоянии. В этом случае электрическое сопротивление провода равно нулю, и выделения энергии не происходит при любой величине тока. Сверхпроводящее состояние можно получить только при очень низких температурах, всего нескольких градусов Кельвина, — это температура жидкого гелия. (Высокотемпературная сверхпроводимость — до сих пор удел только чисто фундаментальных исследований.) Именно с поддержанием такой низкой температуры и связаны все технические сложности конструирования и производства магнитов, которые обуславливают их дороговизну. Сверхпроводящий магнит построен по принципу термоса-матрешки. Соленоид находится в центре, в вакуумной камере. Его окружает оболочка, в которой находится жидкий гелий. Эта оболочка через вакуумную прослойку окружена оболочкой из жидкого азота. Температура жидкого азота — минус 196 градусов по Цельсию, азот нужен для того, чтобы гелий испарялся как можно медленнее. Наконец, азотная оболочка изолируется от комнатной температуры внешней вакуумной прослойкой. Такая система способна сохранять нужную температуру сверхпроводящего магнита очень долго, хотя для этого нужно регулярно подливать в магнит жидкие азот и гелий. Преимущество таких магнитов кроме возможности получать высокие магнитные поля также и в том, что они не потребляют энергии: после запуска магнита ток бегает по сверхпроводящим проводам практически без каких-либо потерь в течение многих лет.
8. Томография
В обычных ЯМР-спектрометрах магнитное поле стараются сделать как можно более однородным, это нужно для улучшения спектрального разрешения. Но если магнитное поле внутри образца, наоборот, сделать очень неоднородным, это открывает принципиально новые возможности для использования ЯМР. Неоднородность поля создается так называемыми градиентными катушками, которые работают в паре с основным магнитом. В этом случае величина магнитного поля в разных частях образца будет разная, а это значит, что сигнал ЯМР можно наблюдать не от всего образца, как в обычном спектрометре, а только от его узкого слоя, для которого соблюдаются резонансные условия, т. е. нужное соотношение магнитного поля и частоты. Меняя величину магнитного поля (или, что по сути то же самое, частоту наблюдения сигнала), можно менять слой, который будет давать сигнал. Таким образом можно «просканировать» образец по всему объему и «увидеть» его внутреннюю трехмерную структуру, не разрушая образец каким-либо механическим способом. К настоящему времени разработано большое число методик, позволяющих измерять различные параметры ЯМР (спектральные характеристики, времена магнитной релаксации, скорость самодиффузии и некоторые другие) с пространственным разрешением внутри образца. Самое интересное и важное, с практической точки зрения, применение ЯМР-томографии нашлось в медицине. В этом случае исследуемым «образцом» является человеческое тело. ЯМР-томография является одним из самых эффективных и безопасных (но также и дорогих) диагностических средств в различных областях медицины, от онкологии до акушерства. Любопытно заметить, что в названии этого метода медики не употребляют слово «ядерный», потому что некоторые пациенты связывают его с ядерными реакциями и атомной бомбой.
9. История открытия
Годом открытия ЯМР считается 1945-й, когда американцы Феликс Блох из Стэнфорда и независимо от него Эдвард Парселл и Роберт Паунд из Гарварда впервые наблюдали сигнал ЯМР на протонах. К тому времени уже было много известно о природе ядерного магнетизма, сам эффект ЯМР был теоретически предсказан, и было сделано несколько попыток его экспериментального наблюдения. Важно отметить, что годом раньше в Советском Союзе, в Казани, Евгением Завойским было открыто явление ЭПР. Сейчас уже хорошо известно, что Завойский также наблюдал и сигнал ЯМР, это было перед войной, в 1941 году. Однако в его распоряжении был магнит низкого качества с плохой однородностью поля, результаты были плохо воспроизводимыми и потому так и остались неопубликованными. Справедливости ради надо заметить, что Завойский был не единственным, кто наблюдал ЯМР до его «официального» открытия. В частности, американский физик Исидор Раби (лауреат Нобелевской премии 1944 года за исследование магнитных свойств ядер в атомных и молекулярных пучках) в конце 30-х годов также наблюдал ЯМР, но счел это аппаратурным артефактом. Так или иначе, но за нашей страной остается приоритет в экспериментальном обнаружении магнитного резонанса. Хотя сам Завойский вскоре после войны стал заниматься другими проблемами, его открытие для развития науки в Казани сыграло огромную роль. Казань до сих пор остается одним из ведущих мировых научных центров по ЭПР-спектроскопии.
10. Нобелевские премии в области магнитного резонанса
В первой половине XX века было присуждено несколько Нобелевских премий ученым, без работ которых открытие ЯМР не могло бы состояться. Среди них можно назвать Петера Зеемана, Отто Штерна, Исидора Раби, Вольфганга Паули. Но непосредственно связанных с ЯМР Нобелевских премий было четыре. В 1952 году премию получили Феликс Блох и Эдвард Парселл за открытие ЯМР. Это единственная «ЯМР-ная» Нобелевская премия по физике. В 1991 году премию по химии получил швейцарец Ричард Эрнст, работавший в знаменитой Швейцарской высшей технической школе в Цюрихе. Он был удостоен ее за развитие методов многомерной ЯМР-спектроскопии, которые позволили кардинально увеличить информативность ЯМР-экспериментов. В 2002 году лауреатом премии, также по химии, стал Курт Вютрих, работавший с Эрнстом в соседних зданиях в той же Технической школе. Он получил премию за разработку методов определения трехмерной структуры белков в растворе. До этого единственным методом, позволяющим определять пространственную конформацию больших биомакромолекул, был только рентгеноструктурный анализ. Наконец, в 2003 году премию по медицине за изобретение ЯМР-томографии получили американец Поль Лаутербур и англичанин Петер Мансфилд. Советский первооткрыватель ЭПР Е.К.Завойский Нобелевской премии, увы, не получил.
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса один из самых распространенных и очень чувствительных методов для определения структуры органических соединений, позволяющий получать информацию не только о качественном и количественном составе, но и расположении атомов относительно друг друга. В различных методиках ЯМР есть много возможностей определения химического строения веществ, конфирмационных состояний молекул, эффектов взаимного влияния, внутримолекулярных превращений .
Метод ядерного магнитного резонанса имеет ряд отличительных черт: в отличие от оптических молекулярных спектров поглощение электромагнитного излучения веществом происходит в сильном однородном внешнем магнитном поле . Причем для проведения исследования ЯМР эксперимент должен отвечать ряду условий, отражающих общие принципы ЯМР - спектроскопии:
1) запись ЯМР - спектров возможна только для атомных ядер с собственным магнитным моментом или так называемых магнитных ядер, у которых число протонов и нейтронов таково, что массовое число ядер изотопов является нечетным. Все ядра с нечетным массовым числом имеют спин I, значение которого равно 1/2. Так для ядер 1 H, 13 С, l 5 N, 19 F, 31 Р значение спина равно 1/2, для ядер 7 Li, 23 Na, 39 К и 4 l R - спин равен 3/2. Ядра с четным массовым числом либо вообще не имеют спина, если заряд ядра четный, либо имеют целочисленные значения спина, если заряд нечетный. Давать спектр ЯМР могут только те ядра, спин которых I 0 .
Наличие спина связано с циркуляцией атомного заряда вокруг ядра, следовательно, возникает магнитный момент μ . Вращающийся заряд (например, протон) с угловым моментом J создаёт магнитный момент μ=γ*J. Возникающий при вращении угловой ядерный моментJ и магнитный моментом μ могут быть представлены в виде векторов. Их постоянное отношение называется гиромагнитным отношением γ. Именно эта константа определяет резонансную частоту ядра (рис. 1.1) .
Рисунок 1.1 - Вращающийся заряд сугловым моментом J создаёт магнитный момент μ=γ*J .
2) метод ЯМР исследует поглощение или излучение энергии в необычных условиях формирования спектра: в отличии от других спектральных методов. Спектр ЯМР записывают с вещества находящегося в сильном однородном магнитном поле. Такие ядра во внешнем поле имеют разные значения потенциальной энергии в зависимости от нескольких возможных (квантованных) углов ориентации вектора μ относительно вектора напряженности внешнего магнитного поля H 0 . В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты или спины ядер не имеют определенной ориентации. Если магнитные ядра со спином 1/2 поместить в магнитное поле, то часть ядерных спинов расположится параллельно магнитным силовым линиям, другая часть антипараллельно. Эти две ориентации энергетически уже не эквивалентны и говорят, что спины распределены на двух энергетических уровнях.
Спины с ориентацией магнитного момента по полю +1/2 обозначаются символом |α >, с ориентацией антипараллельно внешнему полю -1/2 - символом |β > (рис. 1.2) .
Рисунок 1.2 - Образование энергетических уровней при наложении внешнего поля Н 0 .
1.2.1 Спектроскопия ЯМР на ядрах 1 Н. Параметры спектров ПМР.
Для расшифровки данных спектров ЯМР 1 Н и отнесения сигналов служат основные характеристики спектров: химический сдвиг, константа спин - спинового взаимодействия, интегральная интенсивность сигнала, ширина сигнала [ 57].
А) Химический сдвиг (Х.С). Шкала Х.С. Химический сдвиг-расстояние между этим сигналом и сигналом эталонного вещества, выраженное в миллионных долях величины напряженности внешнего поля.
В качестве эталона для измерения химических сдвигов протонов чаще всего используют тетраметилсилан [ТМС, Si(CH 3) 4 ], содержащий 12 структурно эквивалентных сильно экранированных протонов .
Б) Константа спин-спинового взаимодействия. В спектрах ЯМР высокого разрешения наблюдается расщепление сигналов. Такое расщепление или тонкая структура в спектрах высокого разрешения возникает в результате спин-спинового взаимодействия между магнитными ядрами. Это явление, наряду с химическим сдвигом, служит важнейшим источником информации о строении сложных органических молекул и распределении в них электронного облака . Оно не зависит от Н 0 , но зависит от электронного строения молекулы. Сигнал магнитного ядра взаимодействующего с другим магнитным ядром расщепляется на несколько линий в зависимости от количества спиновых состояний, т.е. зависит от спинов ядер I.
Расстояние между этими линиями характеризует энергию спин-спиновой связи между ядрами и носит название константы спин-спиновой связи n J, где n -число связей, которыми отделены взаимодействующие ядра .
Различают прямые константы J HH , геминальные константы 2 J HH , вицинальные константы 3 J HH и некоторые дальние константы 4 J HH , 5 J HH .
- геминальные константы 2 J HH могут быть как положительными, так и отрицательными и занимают диапазон от -30Гц до +40 Гц.
Вицинальные константы 3 J HH занимают диапазон0 20 Гц; они практически всегда положительны. Установлено, что вицинальное взаимодействие в насыщенных системах очень сильно зависит от угла между углерод-водородными связями, то есть от диэдрального угла - (рис. 1.3).
Рисунок 1.3 - Диэдральный угол φ между углерод-водородными связями .
Дальнее спин-спиновое взаимодействие (4 J HH , 5 J HH ) - взаимодействие двух ядер, разделенных четырьмя или большим числом связей; константы такого взаимодействия обычно составляют от 0 до +3 Гц.
Таблица 1.1 – Константы спин-спинового взаимодействия
В) Интегральная интенсивность сигнала. Площадь сигналов пропорциональна числу магнитных ядер, резонирующих при данной напряженности поля, так что отношение площадей сигналов даёт относительное число протонов каждой структурной разновидности и называется интегральной интенсивностью сигнала . На современных спектрометрах используются специальные интеграторы, показания которых регистрируются в виде кривой, высота ступенек которой пропорциональна площади соответствующих сигналов .
Г) Ширина линий. Для характеристики ширины линий принято измерять ширину на расстоянии половины высоты от нулевой линии спектра. Экспериментально наблюдаемая ширина линии складывается из естественной ширины линии, зависящей от строения и подвижности, и уширения, обусловленного аппаратурными причинами
Обычная ширина линий в ПМР 0,1-0,3 Гц, однако она может увеличиваться вследствие перекрывания соседних переходов, которые точно не совпадают, но и не разрешаются в виде отдельных линий. Уширение возможно при наличие ядер со спином больше 1/2 и химический обмен .
1.2.2 Применение данных ЯМР 1 Н для установления структуры органических молекул.
При решении ряда задач структурного анализа кроме таблиц эмпирических значений Х.С. может оказаться полезной количественная оценка влияний соседних заместителей на Х.С. по правилу аддитивности эффективных вкладов экранирования. При этом обычно учитываются заместители, удаленные от данного протона не более чем на 2-3 связи, и расчет производят по формуле:
δ=δ 0 +ε i *δ i (3)
гдеδ 0 -химический сдвиг протонов стандартной группы;
δ i - вклад экранирования заместителем .
1.3 Спектроскопия ЯМР 13 С. Получение и режимы съемки спектров.
Первые сообщения о наблюдении ЯМР 13 С появились в 1957 г. однако превращение спектроскопии ЯМР 13 С в практически используемый метод аналитического исследования стало много позже .
Магнитный резонанс 13 С и 1 Н имеют много общего, однако есть и существенные различия. Наиболее распространенный изотоп углерода 12 С имеет I=0. Изотоп 13 С имеет I=1/2, однако его естественное содержание составляет 1,1%. Это наряду с тем фактом, что гиромагнитное отношение ядер 13 С составляет 1/4 от гиромагнитного отношения для протонов. Что уменьшает чувствительность метода в экспериментах по наблюдению ЯМР 13 С в 6000 раз по сравнению с ядрами 1 Н .
а) без подавления спин-спинового взаимодействия с протонами. Спектры ЯМР 13 С, полученные в отсутствие полного подавления спин- спинового резонанса с протонами, были названы спектрами высокого разрешения. Эти спектры содержат полную информацию о константах 13 С - 1 Н . В относительно простых молекулах оба типа констант - прямые и дальние - обнаруживается довольно просто. Так 1 J (С-Н) составляет 125 - 250 Гц, однако спин-спиновое взаимодействие может происходить и с более удаленными протонами с константами менее 20 Гц .
б) полное подавление спин-спинового взаимодействия с протонами. Первый серьёзный прогресс в области спектроскопии ЯМР 13 С связан с применением полного подавления спин-спинового взаимодействия с протонами . Применение полного подавления спин-спинового взаимодействия с протонами приводит к слиянию мультиплетов с образованием синглетных линий, если в молекуле отсутствуют другие магнитные ядра такие, как 19 F и 31 Р.
в) неполное подавление спин-спинового взаимодействия с протонами. Однако использование режима полной развязки от протонов имеет свои недостатки. Поскольку все сигналы углерода имеют теперь вид синглетов, то теряется вся информация о константах спин-спинового взаимодействиях 13 C- 1 H. Предложен способ, который позволяет частично восстановить информацию о прямых константах спин-спинового взаимодействия 13 С- 1 Н и при этом сохранить большую часть преимуществ широкополосной развязки. В этом случае в спектрах будут проявляться расщепления, обусловленные прямыми константами спин-спинового взаимодействия 13 С- 1 Н. Эта процедура позволяет обнаружить сигналы от непротонированных атомов углерода, поскольку последние не имеют непосредственно связанных с 13 С протонов и проявляются в спектрах при неполной развязке от протонов как синглеты .
г) модуляция константы С-Н взаимодействия, спектр JMODCH. Традиционной проблемой в спектроскопии ЯМР 13 С является определение числа протонов, связанных с каждым атомом углерода, т. е. степени протонирования атома углерода . Частичное подавление по протонам позволяет разрешить сигнал углерода от мультиплетности вызванной дальними константами спин-спинового взаимодействия и получить расщепление сигнала обусловленное прямыми КССВ 13 С- 1 Н. Однако в случае сильно связанных спиновых систем АВ и наложения мультиплетов в режиме OFFR делает однозначное разрешение сигналов затруднительным .
Спектроскопия ЯМР относится к неразрушающим методам анализа. Совр. импульсная ЯМР фурье-спектроскопия позволяет вести анализ по 80 магн. ядрам. ЯМР спектроскопия - один из осн. физ.-хим. методов анализа, ее данные используют для однозначной идентификации как промежут. продуктов хим. р-ций, так и целевых в-в. Помимо структурных отнесений и количеств. анализа, спектроскопия ЯМР приносит информацию о конформационных равновесиях, диффузии атомов и молекул в твердых телах, внутр. движениях, водородных связях и ассоциации в жидкостях, кето-енольной таутомерии, металлo- и прототропии, упорядоченности и распределении звеньев в полимерных цепях, адсорбции в-в, электронной структуре ионных кристаллов, жидких кристаллов и др. Спектроскопия ЯМР - источник информации о структуре биополимеров, в т. ч. белковых молекул в р-рах, сопоставимой по достоверности с данными рентгеноструктурного анализа. В 80-е гг. началось бурное внедрение методов спектроскопии и томографии ЯМР в медицину для диагностики сложных заболеваний и при диспансеризации населения.
Число и положение линий в спектрах ЯМР однозначно характеризуют все фракции сырой нефти, синтетич. каучуков, пластмасс, сланцев, углей, лекарств, препаратов, продукции хим. и фармацевтич. пром-сти и др.
Интенсивность и ширина линии ЯМР воды или масла позволяют с высокой точностью измерять влажность и масличность семян, сохранность зерна. При отстройке от сигналов воды можно регистрировать содержание клейковины в каждом зерне, что так же, как и анализ масличности, позволяет вести ускоренную селекцию с.-х. культур.
Применение все более сильных магн. полей (до 14 Тл в серийных приборах и до 19 Тл в эксперим. установках) обеспечивает возможность полного определения структуры белковых молекул в р-рах, экспресс-анализа биол. жидкостей (концентрации эндогенных метаболитов в крови, моче, лимфе, спинномозговой жидкости), контроля качества новых полимерных материалов. При этом применяют многочисленные варианты многоквантовых и многомерных фурье-спектроскопич. методик.
Явление ЯМР открыли Ф. Блох и Э. Пёрселл (1946), за что были удостоены Нобелевской премии (1952).
Явление ядерного магнитного резонанса можно применять не только в физике и химии, но и в медицине: организм человека - это совокупность все тех же органических и неорганических молекул.
Чтобы наблюдать это явление, объект помещают в постоянное магнитное поле и подвергают действию радиочастотных и градиентных магнитных полей. В катушке индуктивности, окружающей исследуемый объект, возникает переменная электродвижущая сила (ЭДС), амплитудно-частотный спектр которой и переходные во времени характеристики несут информацию о пространственной плотности резонирующих атомных ядер, а также о других параметрах, специфических только для ядерного магнитного резонанса. Компьютерная обработка этой информации формирует объёмное изображение, которое характеризует плотность химически эквивалентных ядер, времена релаксации ядерного магнитного резонанса, распределение скоростей потока жидкости, диффузию молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.
Сущность ЯМР-интроскопии (или магнитно-резонансной томографии) состоит, по сути дела, в реализации особого рода количественного анализа по амплитуде сигнала ядерного магнитного резонанса. В обычной ЯМР-спектроскопии стремятся реализовать, по возможности, наилучшее разрешение спектральных линий. Для этого магнитные системы регулируются таким образом, чтобы в пределах образца создать как можно лучшую однородность поля. В методах ЯМР-интроскопии, напротив, магнитное поле создается заведомо неоднородным. Тогда есть основание ожидать, что частота ядерного магнитного резонанса в каждой точке образца имеет свое собственное значение, отличающееся от значений в других частях. Задав какой-либо код для градаций амплитуды ЯМР-сигналов (яркость или цвет на экране монитора), можно получить условное изображение (томограмму) срезов внутренней структуры объекта.
ЯМР-интроскопия, ЯМР-томография впервые в мире изобретены в 1960 г. В. А. Ивановым. Заявку на изобретение (способ и устройство) некомпетентный эксперт отклонил «… ввиду явной бесполезности предлагаемого решения», поэтому авторское свидетельство на это было выдано лишь более чем через 10 лет. Таким образом, официально признано, что автором ЯМР-томографии является не коллектив нижеуказанных нобелевских лауреатов, а российский учёный. Невзирая на этот юридический факт, Нобелевская премия была присуждена за ЯМР-томографию вовсе не В. А. Иванову.Спектральные аппараты
Для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка.
ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
Cуть метода
Суть явления электронного парамагнитного резонанса заключается в резонансном поглощении электромагнитного излучения неспаренными электронами. Электрон имеет спин и ассоциированный с ним магнитный момент.
Если поместить свободный радикал с результирующим моментом количества движения J в магнитном поле с напряжённостью B 0 , то для J, отличного от нуля, в магнитном поле снимается вырождение, и в результате взаимодействия с магнитным полем возникает 2J+1 уровней, положение которых описывается выражением: W =gβB 0 M, (где М = +J, +J-1, …-J) и определяется Зеемановским взаимодействием магнитного поля с магнитным моментом J. Расщепление энергетических уровней электрона показано на рисунке.
Энергетические уровни и разрешенные переходы для атома с ядерным спином 1 в постоянном (А) и переменном (В) поле.
Если теперь к парамагнитному центру приложить электромагнитное поле с частотой ν, поляризованное в плоскости, перпендикулярной вектору магнитного поля B 0 , то оно будет вызывать магнитные дипольные переходы, подчиняющиеся правилу отбора ΔМ = 1. При совпадении энергии электронного перехода с энергией фотонаэлектромагнитной волны будет происходить резонансное поглощение СВЧизлучения. Таким образом, условие резонанса определяются фундаментальным соотношением магнитного резонанса
Поглощение энергии СВЧ поля наблюдается в том случае, если между уровнями существует разность заселённостей.
При тепловом равновесии существует небольшая разность заселённостей зеемановских уровней, определяемая больцмановским распределением = exp(gβB 0 /kT). В такой системе при возбуждении переходов очень быстро должно наступить равенство заселённостей энергетических подуровней и исчезнуть поглощение СВЧ поля. Однако, в действительности существует много различных механизмов взаимодействия, в результате которых электрон безызлучательно переходит в первоначальное состояние. Эффект неизменности интенсивности поглощения при увеличении мощности возникает за счёт электронов, не успевающих релаксировать, и называется насыщением. Насыщение появляется при высокой мощности СВЧ излучения и может заметно исказить результаты измерения концентрации центров методом ЭПР.
Значение метода
Метод ЭПР даёт уникальную информацию о парамагнитных центрах. Он однозначно различает примесные ионы, изоморфно входящие в решётку от микровключений. При этом получается полная информация о данном ионе в кристалле: валентность, координация, локальная симметрия, гибридизация электронов, сколько и в какие структурные положения электронов входит, ориентирование осей кристаллического поля в месте расположения этого иона, полная характеристика кристаллического поля и детальные сведения о химической связи. И, что очень важно, метод позволяет определить концентрацию парамагнитных центров в областях кристалла с разной структурой.
Но спектр ЭПР это не только характеристика иона в кристалле, но и самого кристалла, особенностей распределения электронной плотности, кристаллического поля, ионности-ковалентности в кристалле и наконец просто диагностическая характеристика минерала, так как каждый ион в каждом минерале имеет свои уникальные параметры. В этом случае парамагнитный центр является своеобразным зондом, дающим спектроскопические и структурные характеристики своего микроокружения.
Это свойство используется в т. н. методе спиновых меток и зондов, основанном на введении стабильного парамагнитного центра в исследуемую систему. В качестве такого парамагнитного центра, как правило, используют нитроксильный радикал, характеризующийся анизотропными g и A тензорами.