ЯМР спектроскопия

Спектроскопия с ядрено-магнитен резонанс, ЯМР спектроскопия- спектроскопичен метод за изследване на химически обекти, използващ явлението ядрено-магнитен резонанс. Най-важните за химията и практическите приложения са спектроскопията на протонния магнитен резонанс (PMR спектроскопия), както и NMR спектроскопията на въглерод-13 (13 C NMR спектроскопия), флуор-19 (инфрачервена спектроскопия, NMR разкрива информация за молекулната структура на химикалите Въпреки това, той предоставя по-пълна информация от IS, позволявайки да се изследват динамични процеси в проба - да се определят константите на скоростта на химичните реакции, стойността на енергийните бариери пред вътрешномолекулното въртене.Тези характеристики правят ЯМР спектроскопията удобен инструмент както в теоретичната органична химия и за анализ на биологични обекти.

Основна ЯМР техника

Проба от вещество за ЯМР се поставя в тънкостенна стъклена тръба (ампула). Когато се постави в магнитно поле, NMR активните ядра (като 1 H или 13 C) абсорбират електромагнитна енергия. Резонансната честота, енергията на поглъщане и интензитетът на излъчвания сигнал са пропорционални на силата на магнитното поле. Така че в поле от 21 тесла протонът резонира с честота 900 MHz.

Химическа промяна

В зависимост от локалната електронна среда различните протони в една молекула резонират на малко по-различни честоти. Тъй като и това честотно изместване, и основната резонансна честота са правопропорционални на силата на магнитното поле, това изместване се преобразува в безразмерна величина, независима от магнитното поле, известна като химическо изместване. Химичното изместване се определя като относителна промяна спрямо някои референтни проби. Изместването на честотата е изключително малко в сравнение с основната честота на ЯМР. Типичното изместване на честотата е 100 Hz, докато основната NMR честота е от порядъка на 100 MHz. По този начин химичното изместване често се изразява в части на милион (ppm). За да се открие такава малка честотна разлика, приложеното магнитно поле трябва да бъде постоянно в обема на пробата.

Тъй като химическото изместване зависи от химическата структура на дадено вещество, то се използва за получаване на структурна информация за молекулите в пробата. Например, спектърът за етанол (CH 3 CH 2 OH) дава 3 отличителни сигнала, тоест 3 химични измествания: едно за CH 3 групата, второ за CH 2 групата и последното за OH. Типичното изместване за СН3 група е приблизително 1 ppm, за СН2 група, прикрепена към OH - 4 ppm и OH е приблизително 2-3 ppm.

Благодарение на молекулярното движение при стайна температура, сигналите на 3-те метилови протона се осредняват по време на NMR процеса, който продължава само няколко милисекунди. Тези протони се израждат и образуват пикове при същото химично изместване. Софтуерът ви позволява да анализирате размера на пиковете, за да разберете колко протони допринасят за тези пикове.

Спин-спин взаимодействие

Най-полезната информация за определяне на структурата в едномерен ЯМР спектър се предоставя от така нареченото спин-спиново взаимодействие между активните ЯМР ядра. Това взаимодействие е резултат от преходи между различни спинови състояния на ядра в химически молекули, което води до разделяне на ЯМР сигналите. Това разделяне може да бъде просто или сложно и, като следствие, може да бъде или лесно за тълкуване, или може да бъде объркващо за експериментатора.

Това свързване предоставя подробна информация за връзките на атомите в молекулата.

Взаимодействие от втори ред (силно)

Обикновено спин-спин свързване предполага, че константата на свързване е малка в сравнение с разликата в химичните отмествания между сигналите. Ако разликата в изместването намалее (или константата на взаимодействие се увеличи), интензитетът на мултиплетите на пробата се изкривява и става по-трудно за анализ (особено ако системата съдържа повече от 2 завъртания). Въпреки това, при мощните NMR спектрометри изкривяването обикновено е умерено и това позволява свързаните пикове да бъдат лесно интерпретирани.

Ефектите от втори ред намаляват с увеличаване на честотната разлика между мултиплетите, така че високочестотният NMR спектър показва по-малко изкривяване от нискочестотния спектър.

Приложение на ЯМР спектроскопията за изследване на протеини

Повечето от последните иновации в ЯМР спектроскопията са направени в така наречената ЯМР спектроскопия на протеини, която се превръща в много важна техника в съвременната биология и медицина. Общата цел е да се получи триизмерната структура на протеин с висока разделителна способност, подобна на изображенията, получени в рентгеновата кристалография. Поради наличието на повече атоми в протеинова молекула в сравнение с обикновено органично съединение, основният 1D спектър е претъпкан с припокриващи се сигнали, което прави директния анализ на спектъра невъзможен. Следователно са разработени многоизмерни техники за решаване на този проблем.

За подобряване на резултатите от тези експерименти се използва методът на тагирания атом, като се използва 13 C или 15 N. По този начин става възможно получаването на 3D спектър на протеинова проба, което се превърна в пробив в съвременната фармацевтика. Напоследък са широко разпространени техники (които имат както предимства, така и недостатъци) за получаване на 4D спектри и спектри с по-високи измерения, базирани на нелинейни методи за вземане на проби с последващо възстановяване на сигнала на затихване на свободната индукция с помощта на специални математически техники.

Литература

• Гюнтер X.Въведение в курса по ЯМР спектроскопия. - пер. от английски - М., 1984.

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Вижте какво е "ЯМР спектроскопия" в други речници:

Спектроскопия с ядрено-магнитен резонанс върху въглеродни ядра 13, 13C NMR спектроскопия е един от методите на NMR спектроскопия, използващ ядра на въглеродния изотоп 13C. Ядрото 13C има въртене 1/2 в основното си състояние, съдържанието му в природата... ... Wikipedia

Изображение на човешки мозък върху медицински ЯМР томограф Ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) резонансно поглъщане на електромагнитна енергия от вещество, съдържащо ядра с ненулев спин във външно магнитно поле, причинено от преориентация ... ... Wikipedia

ЯМР спектроскопия

ЯМР спектроскопия

магнитно-резонансна спектроскопия- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija и метрология apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. атитикменис: англ. ЯМР... ... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

ядрено-магнитна резонансна спектроскопия- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: англ. ЯМР спектроскопия; ядрено-магнитна резонансна спектроскопия vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; ЯМР спектроскопия, ф рус. спектроскопия на ядрени… Fizikos terminų žodynas

Magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija и метрология apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. атитикменис: англ. ЯМР... ... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

ядрено-резонансна спектроскопия- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: англ. ЯМР спектроскопия; ядрено-магнитна резонансна спектроскопия vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; ЯМР спектроскопия, ф рус. спектроскопия на ядрени… Fizikos terminų žodynas

Набор от методи за изследване. във VA според спектрите на поглъщане на техните атоми, йони и молекули. маг. радио вълни. Радиацията включва електронни парамагнитни методи. резонанс (EPR), ядрено-магнитни. резонанс (ЯМР), циклотронен резонанс и др. Естествени науки. енциклопедичен речник

Изображение на човешки мозък върху медицински NMR томограф Ядрено-магнитен резонанс (NMR) резонансно поглъщане или излъчване на електромагнитна енергия от вещество, съдържащо ядра с ненулево въртене във външно магнитно поле, при честота ν ... ... Wikipedia

Спектроскопията с ядрено-магнитен резонанс е един от най-разпространените и много чувствителни методи за определяне на структурата на органичните съединения, позволявайки да се получи информация не само за качествения и количествения състав, но и за местоположението на атомите един спрямо друг. Различните NMR техники имат много възможности за определяне на химическата структура на веществата, състояния на потвърждение на молекулите, ефекти на взаимно влияние и вътрешномолекулни трансформации.

Методът на ядрено-магнитния резонанс има редица отличителни черти: за разлика от оптичните молекулни спектри, абсорбцията на електромагнитно излъчване от веществото се извършва в силно равномерно външно магнитно поле. Освен това, за провеждане на ЯМР изследване, експериментът трябва да отговаря на редица условия, отразяващи общите принципи на ЯМР спектроскопията:

1) записването на ЯМР спектри е възможно само за атомни ядра със собствен магнитен момент или така наречените магнитни ядра, в които броят на протоните и неутроните е такъв, че масовият брой на изотопните ядра е нечетен. Всички ядра с нечетно масово число имат спин I, чиято стойност е 1/2. Така че за ядра 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R стойността на въртене е равна на 1/2, за ядра 7 Li, 23 Na, 39 K и 4 l R спинът е равен на 3/2 . Ядрата с четен масов номер или изобщо нямат спин, ако ядреният заряд е четен, или имат цели стойности на спин, ако зарядът е нечетен. Само онези ядра, чийто спин е I 0, могат да произведат ЯМР спектър.

Наличието на спин е свързано с циркулацията на атомния заряд около ядрото, следователно възниква магнитен момент μ . Въртящ се заряд (например протон) с ъглов момент J създава магнитен момент μ=γ*J . Ъгловият ядрен момент J и магнитният момент μ, възникващи по време на въртене, могат да бъдат представени като вектори. Тяхното постоянно отношение се нарича жиромагнитно отношение γ. Именно тази константа определя резонансната честота на сърцевината (фиг. 1.1).

Фигура 1.1 - Въртящ се заряд с ъглов момент J създава магнитен момент μ=γ*J.

2) ЯМР методът изследва абсорбцията или излъчването на енергия при необичайни условия на формиране на спектъра: за разлика от други спектрални методи. ЯМР спектърът се записва от вещество, намиращо се в силно равномерно магнитно поле. Такива ядра във външно поле имат различни стойности на потенциална енергия в зависимост от няколко възможни (квантувани) ъгли на ориентация на вектора μ спрямо вектора на силата на външното магнитно поле H 0 . При липса на външно магнитно поле, магнитните моменти или спинове на ядрата нямат определена ориентация. Ако магнитни ядра със спин 1/2 се поставят в магнитно поле, тогава част от ядрените спинове ще бъдат успоредни на линиите на магнитното поле, а другата част ще бъдат антипаралелни. Тези две ориентации вече не са енергийно еквивалентни и се казва, че завъртанията са разпределени на две енергийни нива.

Завъртанията с магнитен момент, ориентиран по полето +1/2, се обозначават със символа | α >, с ориентация, антипаралелна на външното поле -1/2 - символ | β > (фиг. 1.2) .

Фигура 1.2 - Образуване на енергийни нива при прилагане на външно поле H 0.

1.2.1 ЯМР спектроскопия на 1 Н ядра Параметри на PMR спектрите.

За дешифриране на данните от 1H NMR спектрите и присвояване на сигнали се използват основните характеристики на спектрите: химично отместване, константа на спин-спин взаимодействие, интегриран интензитет на сигнала, ширина на сигнала [57].

A) Химично изместване (C.C). скала H.S Химичното отместване е разстоянието между този сигнал и сигнала на референтното вещество, изразено в части на милион от силата на външното поле.

Тетраметилсилан [TMS, Si(CH 3) 4], съдържащ 12 структурно еквивалентни, силно екранирани протони, най-често се използва като стандарт за измерване на химичните отмествания на протоните.

B) Константа на спин-спиново взаимодействие. В ЯМР спектрите с висока разделителна способност се наблюдава разделяне на сигнала. Това разделяне или фина структура в спектрите с висока разделителна способност е резултат от спин-спин взаимодействия между магнитните ядра. Това явление, заедно с химическото изместване, служи като най-важният източник на информация за структурата на сложните органични молекули и разпределението на електронния облак в тях. Не зависи от H0, а зависи от електронната структура на молекулата. Сигналът на магнитно ядро, взаимодействащо с друго магнитно ядро, се разделя на няколко линии в зависимост от броя на спиновите състояния, т.е. зависи от спиновете на ядрото I.

Разстоянието между тези линии характеризира спин-спиновата свързваща енергия между ядрата и се нарича спин-спинова константа на свързване n J, където н- броят на връзките, които разделят взаимодействащите ядра.

Има директни константи J HH, геминални константи 2 J HH , вицинални константи 3 J HH и някои константи за дълъг обхват 4 J HH , 5 J HH .

- геминалните константи 2 J HH могат да бъдат както положителни, така и отрицателни и заемат диапазона от -30 Hz до +40 Hz.

Вициналните константи 3 J HH заемат диапазона 0 20 Hz; почти винаги са положителни. Установено е, че вициналното взаимодействие в наситени системи много силно зависи от ъгъла между въглерод-водородните връзки, т.е. от двустенния ъгъл - (фиг. 1.3).

Фигура 1.3 - Двустенен ъгъл φ между въглерод-водородни връзки.

Спин-спин взаимодействие на дълги разстояния (4 J HH , 5 J HH ) - взаимодействие на две ядра, разделени с четири или повече връзки; константите на такова взаимодействие обикновено са от 0 до +3 Hz.

Таблица 1.1 – Константи на спин-спин взаимодействие

B) Интегриран интензитет на сигнала. Площта на сигналите е пропорционална на броя на магнитните ядра, резониращи при дадена сила на полето, така че съотношението на площите на сигналите дава относителния брой протони на всяка структурна разновидност и се нарича интегриран интензитет на сигнала. Съвременните спектрометри използват специални интегратори, чиито показания се записват под формата на крива, чиято височина на стъпките е пропорционална на площта на съответните сигнали.

Г) Ширина на линиите. За да се характеризира ширината на линиите, е обичайно да се измерва ширината на разстояние половината от височината от нулевата линия на спектъра. Експериментално наблюдаваната ширина на линията се състои от естествената ширина на линията, която зависи от структурата и подвижността, и разширяването поради инструментални причини

Обичайната ширина на линията в PMR е 0,1-0,3 Hz, но може да се увеличи поради припокриването на съседни преходи, които не съвпадат точно, но не се разрешават като отделни линии. Разширяването е възможно при наличие на ядра със спин по-голям от 1/2 и химичен обмен.

1.2.2 Приложение на 1Н NMR данни за определяне на структурата на органичните молекули.

При решаването на редица проблеми на структурния анализ, в допълнение към таблиците с емпирични стойности, Kh.S. Може да е полезно да се определят количествено ефектите на съседните заместители върху Ch.S. съгласно правилото за адитивност на ефективните скринингови вноски. В този случай обикновено се вземат предвид заместители, които са отдалечени от даден протон на не повече от 2-3 връзки, и изчислението се извършва по формулата:

δ=δ 0 +ε i *δ i (3)

където δ 0 е химическото изместване на протоните от стандартната група;

δi е приносът на скрининга от заместителя.

1.3 ЯМР спектроскопия 13 С. Получаване и режими на запис на спектри.

Първите съобщения за наблюдение на 13 C NMR се появяват през 1957 г., но превръщането на 13 C NMR спектроскопията в практически използван метод за аналитични изследвания започва много по-късно.

Магнитният резонанс 13 C и 1 H имат много общи неща, но има и значителни разлики. Най-често срещаният въглероден изотоп 12 C има I=0. Изотопът 13 C има I=1/2, но естественото му съдържание е 1,1%. Това е заедно с факта, че жиромагнитното съотношение на 13 C ядра е 1/4 от жиромагнитното съотношение за протоните. Което намалява чувствителността на метода при експерименти за наблюдение на 13C NMR с 6000 пъти в сравнение с 1H ядра.

а) без потискане на спин-спиновото взаимодействие с протоните. 13C NMR спектри, получени при липса на пълно потискане на спин-спин резонанс с протони, се наричат ​​спектри с висока разделителна способност. Тези спектри съдържат пълна информация за 13 C - 1 H константите. В сравнително прости молекули и двата вида константи - директни и далечни - се намират доста просто. Така че 1 J (C-H) е 125 - 250 Hz, обаче, спин-спин взаимодействие може да възникне и с по-отдалечени протони с константи под 20 Hz.

б) пълно потискане на спин-спиновото взаимодействие с протоните. Първият голям напредък в областта на 13 C NMR спектроскопията е свързан с използването на пълно потискане на спин-спиновото взаимодействие с протоните. Използването на пълно потискане на спин-спиновото взаимодействие с протони води до сливане на мултиплети с образуването на синглетни линии, ако в молекулата няма други магнитни ядра, като 19 F и 31 P.

в) непълно потискане на спин-спиновото взаимодействие с протоните. Използването на режима на пълно отделяне от протоните обаче има своите недостатъци. Тъй като сега всички въглеродни сигнали са под формата на синглети, цялата информация за константите на спин-спин взаимодействие 13 C- 1 H се губи.Предложен е метод, който прави възможно частичното възстановяване на информацията за директните константи на спин-спин взаимодействие 13 C- 1 H и в същото време запазват по-голяма част от предимствата на широколентовото отделяне. В този случай в спектрите ще се появят разцепвания, дължащи се на директните константи на спин-спиновото взаимодействие 13 C - 1 H. Тази процедура позволява да се открият сигнали от непротонирани въглеродни атоми, тъй като последните нямат протони, директно свързани с 13 C и се появяват в спектрите с непълно отделяне от протоните като синглети.

d) модулация на константата на взаимодействие CH, JMODCH спектър. Традиционен проблем в 13C NMR спектроскопията е определянето на броя на протоните, свързани с всеки въглероден атом, т.е. степента на протониране на въглеродния атом. Частичното потискане от протони прави възможно разрешаването на въглеродния сигнал от множествеността, причинена от константите на спин-спин взаимодействие на дълги разстояния, и получаване на разделяне на сигнала поради директни константи на свързване 13 C-1 H. Въпреки това, в случай на силно свързани спинови системи AB и припокриването на мултиплети в режим OFFR затруднява недвусмислената разделителна способност на сигналите.

Спектроскопия с ядрено-магнитен резонанс, ЯМР спектроскопия- спектроскопичен метод за изследване на химически обекти, използващ явлението ядрено-магнитен резонанс. Феноменът ЯМР е открит през 1946 г. от американските физици Ф. Блок и Е. Пърсел. Най-важните за химията и практическите приложения са спектроскопията на протонния магнитен резонанс (PMR спектроскопия), както и ЯМР спектроскопията на въглерод-13 ( 13 C ЯМР спектроскопия), флуор-19 ( 19 F ЯМР спектроскопия), фосфор-31 ( 31 P ЯМР спектроскопия). Ако даден елемент има нечетен атомен номер или изотоп на всеки (четен четен) елемент има нечетно масово число, ядрото на такъв елемент има спин, различен от нула. От възбудено състояние в нормално състояние ядрата могат да се върнат, прехвърляйки енергията на възбуждане към околната „решетка“, което в този случай означава електрони или атоми от различен тип от тези, които се изследват. Този механизъм за пренос на енергия се нарича спин-решеткова релаксация и неговата ефективност може да се характеризира с константа T1, наречена време на спин-решеткова релаксация.

Тези характеристики правят ЯМР спектроскопията удобен инструмент както в теоретичната органична химия, така и за анализ на биологични обекти.

Основна ЯМР техника

Проба от вещество за ЯМР се поставя в тънкостенна стъклена тръба (ампула). Когато се постави в магнитно поле, NMR активните ядра (като 1 H или 13 C) абсорбират електромагнитна енергия. Резонансната честота, енергията на поглъщане и интензитетът на излъчвания сигнал са пропорционални на силата на магнитното поле. И така, в поле от 21 тесла протонът резонира с честота 900 MHz.

Химическа промяна

В зависимост от локалната електронна среда различните протони в една молекула резонират на малко по-различни честоти. Тъй като и това честотно изместване, и основната резонансна честота са право пропорционални на големината на индукцията на магнитното поле, това изместване се преобразува в безразмерна величина, независима от магнитното поле, известна като химическо изместване. Химичното изместване се определя като относителна промяна спрямо някои референтни проби. Изместването на честотата е изключително малко в сравнение с основната честота на ЯМР. Типичното изместване на честотата е 100 Hz, докато основната NMR честота е от порядъка на 100 MHz. По този начин химичното изместване често се изразява в части на милион (ppm). За да се открие такава малка честотна разлика, приложеното магнитно поле трябва да бъде постоянно в обема на пробата.

Тъй като химическото изместване зависи от химическата структура на дадено вещество, то се използва за получаване на структурна информация за молекулите в пробата. Например, спектърът за етанол (CH 3 CH 2 OH) дава 3 отличителни сигнала, тоест 3 химични измествания: едно за CH 3 групата, второ за CH 2 групата и последното за OH. Типичното изместване за СН3 група е приблизително 1 ppm, за СН2 група, прикрепена към ОН е 4 ppm, а за ОН е приблизително 2-3 ppm.

Благодарение на молекулярното движение при стайна температура, сигналите на 3-те метилови протона се осредняват по време на NMR процеса, който продължава само няколко милисекунди. Тези протони се израждат и образуват пикове при същото химично изместване. Софтуерът ви позволява да анализирате размера на пиковете, за да разберете колко протони допринасят за тези пикове.

Спин-спин взаимодействие

Най-полезната информация за определяне на структурата в едномерен ЯМР спектър се предоставя от така нареченото спин-спиново взаимодействие между активните ЯМР ядра. Това взаимодействие е резултат от преходи между различни спинови състояния на ядра в химически молекули, което води до разделяне на ЯМР сигналите. Това разделяне може да бъде просто или сложно и, като следствие, може да бъде или лесно за тълкуване, или може да бъде объркващо за експериментатора.

Това свързване предоставя подробна информация за връзките на атомите в молекулата.

Взаимодействие от втори ред (силно)

Обикновено спин-спин свързване предполага, че константата на свързване е малка в сравнение с разликата в химичните отмествания между сигналите. Ако разликата в изместването намалее (или константата на взаимодействие се увеличи), интензитетът на мултиплетите на пробата се изкривява и става по-трудно за анализ (особено ако системата съдържа повече от 2 завъртания). Въпреки това, при мощните NMR спектрометри изкривяването обикновено е умерено и това позволява свързаните пикове да бъдат лесно интерпретирани.

Ефектите от втори ред намаляват с увеличаване на честотната разлика между мултиплетите, така че високочестотният NMR спектър показва по-малко изкривяване от нискочестотния спектър.

Приложение на ЯМР спектроскопията за изследване на протеини

Повечето от последните иновации в ЯМР спектроскопията са направени в така наречената ЯМР спектроскопия на протеини, която се превръща в много важна техника в съвременната биология и медицина. Обща цел е да се получат триизмерни протеинови структури с висока разделителна способност, подобни на изображенията, получени при рентгенова кристалография. Поради наличието на повече атоми в протеинова молекула в сравнение с обикновено органично съединение, основният 1H спектър е претъпкан с припокриващи се сигнали, което прави директния анализ на спектъра невъзможен. Следователно са разработени многоизмерни техники за решаване на този проблем.

За да се подобрят резултатите от тези експерименти, се използва методът на етикетирания атом, като се използва 13 C или 15 N. По този начин става възможно да се получи 3D спектър на протеинова проба, което се превърна в пробив в съвременната фармацевтика. Напоследък са широко разпространени техники (с предимства и недостатъци) за получаване на 4D спектри и спектри с по-високи измерения, базирани на нелинейни методи за вземане на проби с последващо възстановяване на сигнала на затихване на свободната индукция с помощта на специални математически техники.

Количествен ЯМР анализ

При количествен анализ на разтвори площта на пика може да се използва като мярка за концентрация в метода на калибровъчната диаграма или метода на добавяне. Известни са и методи, при които градуирана графика отразява зависимостта на химичното изместване от концентрацията. Използването на метода ЯМР в неорганичния анализ се основава на факта, че в присъствието на парамагнитни вещества времето за ядрена релаксация се ускорява. Измерването на скоростта на релаксация може да се извърши по няколко метода.Надежден и универсален е например импулсният вариант на ЯМР метода или, както обикновено се нарича, методът на спиновото ехо. При измерване с помощта на този метод, краткотрайни радиочестотни импулси се прилагат към изследваната проба в магнитно поле на определени интервали в областта на резонансно поглъщане.В приемната бобина се появява спинов ехо сигнал, чиято максимална амплитуда е свързана до времето за релаксация чрез проста връзка. За извършване на конвенционални аналитични определяния не е необходимо да се намират абсолютните стойности на скоростите на релаксация. В тези случаи можем да се ограничим до измерване на някакво пропорционално на тях количество, например амплитудата на резонансния абсорбционен сигнал. Измерванията на амплитудата могат да се извършват с помощта на просто, по-достъпно оборудване. Съществено предимство на ЯМР метода е широкият диапазон от стойности на измервания параметър. Използвайки настройката на спиновото ехо, времето за релаксация може да се определи от 0,00001 до 100 s. с грешка от 3...5%. Това дава възможност да се определи концентрацията на разтвор в много широк диапазон от 1...2 до 0,000001...0000001 mol / l. Най-често използваната аналитична техника е методът на калибровъчната графика. Хеберлен У., Меринг М.ЯМР с висока разделителна способност в твърди вещества. - М.: Мир - 1980.

1. Същността на явлението

   На първо място, трябва да се отбележи, че въпреки че името на това явление съдържа думата „ядрен“, ЯМР няма нищо общо с ядрената физика и по никакъв начин не е свързан с радиоактивността. Ако говорим за строго описание, тогава няма начин да се направи без законите на квантовата механика. Съгласно тези закони енергията на взаимодействие на магнитното ядро ​​с външно магнитно поле може да приеме само няколко дискретни стойности. Ако магнитните ядра се облъчват с променливо магнитно поле, чиято честота съответства на разликата между тези дискретни енергийни нива, изразена в честотни единици, тогава магнитните ядра започват да се движат от едно ниво на друго, като същевременно поглъщат енергията на променливото поле. поле. Това е явлението магнитен резонанс. Това обяснение е формално правилно, но не много ясно. Има и друго обяснение, без квантовата механика. Магнитното ядро ​​може да си представим като електрически заредена топка, въртяща се около оста си (въпреки че, строго погледнато, това не е така). Съгласно законите на електродинамиката, въртенето на заряд води до появата на магнитно поле, т.е. магнитният момент на ядрото, който е насочен по оста на въртене. Ако този магнитен момент се постави в постоянно външно поле, тогава векторът на този момент започва да прецесира, т.е. да се върти около посоката на външното поле. По същия начин оста на върха се прецесира (върти) около вертикалата, ако не е усукана строго вертикално, а под определен ъгъл. В този случай ролята на магнитното поле се играе от силата на гравитацията.

   Честотата на прецесията се определя както от свойствата на ядрото, така и от силата на магнитното поле: колкото по-силно е полето, толкова по-висока е честотата. Тогава, ако в допълнение към постоянно външно магнитно поле, ядрото е засегнато от променливо магнитно поле, тогава ядрото започва да взаимодейства с това поле - изглежда, че люлее ядрото по-силно, амплитудата на прецесията се увеличава и ядрото абсорбира енергията на променливото поле. Това обаче ще се случи само при условие на резонанс, т.е. съвпадение на честотата на прецесията и честотата на външното променливо поле. Това е подобно на класическия пример от училищната физика - войници, маршируващи през мост. Ако честотата на стъпката съвпада с естествената честота на моста, тогава мостът се люлее все повече и повече. Експериментално това явление се проявява в зависимостта на абсорбцията на променливо поле от неговата честота. В момента на резонанс абсорбцията се увеличава рязко и най-простият магнитен резонансен спектър изглежда така:

   

2. Спектроскопия с трансформация на Фурие

   Първите ЯМР спектрометри работеха точно както е описано по-горе - пробата се поставяше в постоянно магнитно поле и към нея непрекъснато се прилагаше радиочестотно лъчение. Тогава или честотата на променливото поле, или интензитетът на постоянното магнитно поле се променят плавно. Поглъщането на енергията на променливото поле се записва от радиочестотен мост, сигналът от който се извежда към записващо устройство или осцилоскоп. Но този метод за запис на сигнал не се използва дълго време. В съвременните ЯМР спектрометри спектърът се записва с помощта на импулси. Магнитните моменти на ядрата се възбуждат с кратък мощен импулс, след което се записва сигналът, индуциран в радиочестотната намотка от свободно прецесиращите магнитни моменти. Този сигнал постепенно намалява до нула, докато магнитните моменти се връщат към равновесие (този процес се нарича магнитна релаксация). ЯМР спектърът се получава от този сигнал чрез преобразуване на Фурие. Това е стандартна математическа процедура, която ви позволява да разложите всеки сигнал на честотни хармоници и по този начин да получите честотния спектър на този сигнал. Този метод за запис на спектъра ви позволява значително да намалите нивото на шума и да провеждате експерименти много по-бързо.

   

   Един вълнуващ импулс за запис на спектър е най-простият ЯМР експеримент. Въпреки това, в един експеримент може да има много такива импулси с различна продължителност, амплитуда, с различни забавяния между тях и т.н., в зависимост от това какви манипулации трябва да извърши изследователят със системата от ядрени магнитни моменти. Въпреки това, почти всички от тези импулсни последователности завършват с едно и също нещо - запис на свободен прецесионен сигнал, последван от трансформация на Фурие.

3. Магнитни взаимодействия в материята

   Самият магнитен резонанс би останал нищо повече от интересно физическо явление, ако не бяха магнитните взаимодействия на ядрата едно с друго и с електронната обвивка на молекулата. Тези взаимодействия влияят на резонансните параметри и с тяхна помощ методът ЯМР може да предостави разнообразна информация за свойствата на молекулите – тяхната ориентация, пространствена структура (конформация), междумолекулни взаимодействия, химичен обмен, ротационна и транслационна динамика. Благодарение на това ЯМР се превърна в много мощен инструмент за изследване на веществата на молекулярно ниво, който се използва широко не само във физиката, но главно в химията и молекулярната биология. Пример за едно такова взаимодействие е така нареченото химическо изместване. Същността му е следната: електронната обвивка на молекулата реагира на външно магнитно поле и се опитва да го екранира - частично екраниране на магнитното поле се среща във всички диамагнитни вещества. Това означава, че магнитното поле в молекулата ще се различава от външното магнитно поле с много малко количество, което се нарича химическо изместване. Свойствата на електронната обвивка в различните части на молекулата обаче са различни и химическото изместване също е различно. Съответно, резонансните условия за ядрата в различните части на молекулата също ще се различават. Това прави възможно разграничаването на химически нееквивалентни ядра в спектъра. Например, ако вземем спектъра на водородните ядра (протони) на чиста вода, тогава ще има само една линия, тъй като и двата протона в молекулата на H 2 O са абсолютно еднакви. Но за метиловия алкохол CH 3 OH вече ще има две линии в спектъра (ако пренебрегнем други магнитни взаимодействия), тъй като има два вида протони - протоните на метиловата група CH 3 и протона, свързан с кислородния атом. Тъй като молекулите стават по-сложни, броят на линиите ще се увеличи и ако вземем такава голяма и сложна молекула като протеин, тогава в този случай спектърът ще изглежда така:

   

4. Магнитопроводи

   ЯМР може да се наблюдава на различни ядра, но трябва да се каже, че не всички ядра имат магнитен момент. Често се случва някои изотопи да имат магнитен момент, но други изотопи на същото ядро ​​не. Общо има повече от сто изотопа на различни химични елементи, които имат магнитни ядра, но в изследванията обикновено се използват не повече от 1520 магнитни ядра, всичко останало е екзотика. Всяко ядро ​​има собствено характерно съотношение на магнитното поле и честотата на прецесията, наречено жиромагнитно съотношение. За всички ядра тези отношения са известни. Използвайки ги, можете да изберете честотата, при която при дадено магнитно поле ще се наблюдава сигнал от ядрата, необходими на изследователя.

   Най-важните ядра за ЯМР са протоните. Те са най-разпространени в природата и имат много висока чувствителност. Ядрата на въглерода, азота и кислорода са много важни за химията и биологията, но учените не са имали много късмет с тях: най-често срещаните изотопи на въглерода и кислорода, 12 C и 16 O, нямат магнитен момент, естественият изотопът на азота 14 N има момент, но поради редица причини е много неудобен за експерименти. Има изотопи 13 C, 15 N и 17 O, които са подходящи за ЯМР експерименти, но тяхното естествено изобилие е много ниско и тяхната чувствителност е много ниска в сравнение с протоните. Поради това за ЯМР изследванията често се приготвят специални обогатени с изотопи проби, в които естественият изотоп на определено ядро ​​се заменя с този, необходим за експериментите. В повечето случаи тази процедура е много трудна и скъпа, но понякога е единствената възможност за получаване на необходимата информация.

5. Електронен парамагнитен и квадруполен резонанс

   Говорейки за ЯМР, не може да не споменем още две свързани физични явления - електронен парамагнитен резонанс (EPR) и ядрен квадруполен резонанс (NQR). EPR е по същество подобен на NMR, разликата е, че резонансът се наблюдава при магнитните моменти не на атомните ядра, а на електронната обвивка на атома. EPR може да се наблюдава само в тези молекули или химични групи, чиято електронна обвивка съдържа така наречения несдвоен електрон, тогава обвивката има ненулев магнитен момент. Такива вещества се наричат ​​парамагнетици. EPR, подобно на NMR, също се използва за изследване на различни структурни и динамични свойства на вещества на молекулярно ниво, но обхватът му на използване е значително по-тесен. Това се дължи главно на факта, че повечето молекули, особено в живата природа, не съдържат несдвоени електрони. В някои случаи можете да използвате така наречената парамагнитна сонда, тоест химическа група с несдвоен електрон, който се свързва с изследваната молекула. Но този подход има очевидни недостатъци, които ограничават възможностите на този метод. В допълнение, EPR няма толкова висока спектрална разделителна способност (т.е. способността да се разграничи една линия от друга в спектъра), както при NMR.

   Най-трудно е да се обясни природата на ЯКР „на пръсти“. Някои ядра имат това, което се нарича електрически квадруполен момент. Този момент характеризира отклонението на разпределението на електрическия заряд на ядрото от сферичната симетрия. Взаимодействието на този момент с градиента на електрическото поле, създадено от кристалната структура на веществото, води до разделяне на енергийните нива на ядрото. В този случай може да се наблюдава резонанс при честота, съответстваща на преходите между тези нива. За разлика от NMR и EPR, NQR не изисква външно магнитно поле, тъй като разделянето на нивата се случва без него. NQR също се използва за изследване на вещества, но обхватът му на приложение е още по-тесен от този на EPR.

6. Предимства и недостатъци на ЯМР

   

   ЯМР е най-мощният и информативен метод за изследване на молекули. Строго погледнато, това не е един метод, а голям брой различни видове експерименти, т.е. импулсни последователности. Въпреки че всички те се основават на явлението ЯМР, всеки от тези експерименти е предназначен да получи някаква специфична информация. Броят на тези експерименти се измерва в много десетки, ако не и стотици. Теоретично ЯМР може, ако не всичко, то почти всичко, което всички други експериментални методи за изследване на структурата и динамиката на молекулите могат, въпреки че на практика това е осъществимо, разбира се, не винаги. Едно от основните предимства на ЯМР е, че от една страна неговите естествени сонди, т.е. магнитни ядра, са разпределени в цялата молекула, а от друга страна, позволява да се разграничат тези ядра едно от друго и да се получат пространствено селективни данни върху свойствата на молекулата. Почти всички други методи предоставят информация или осреднена за цялата молекула, или само за една част от нея.

   ЯМР има два основни недостатъка. Първо, това е ниска чувствителност в сравнение с повечето други експериментални методи (оптична спектроскопия, флуоресценция, EPR и др.). Това води до факта, че за да се осредни шумът, сигналът трябва да се натрупва дълго време. В някои случаи ЯМР експеримент може да се проведе дори за няколко седмици. На второ място, това е скъпо. ЯМР спектрометрите са сред най-скъпите научни инструменти, струващи поне стотици хиляди долари, а най-скъпите спектрометри струват няколко милиона. Не всички лаборатории, особено в Русия, могат да си позволят да имат такова научно оборудване.

7. Магнити за ЯМР спектрометри

   Една от най-важните и скъпи части на спектрометъра е магнитът, който създава постоянно магнитно поле. Колкото по-силно е полето, толкова по-висока е чувствителността и спектралната разделителна способност, така че учените и инженерите непрекъснато се опитват да получат възможно най-високи полета. Магнитното поле се създава от електрическия ток в соленоида - колкото по-силен е токът, толкова по-голямо е полето. Невъзможно е обаче да увеличите тока за неопределено време, при много висок ток проводникът на соленоида просто ще започне да се топи. Следователно, за много дълго време ЯМР спектрометрите с високо поле са използвали свръхпроводящи магнити, т.е. магнити, в които соленоидният проводник е в свръхпроводящо състояние. В този случай електрическото съпротивление на проводника е нула и не се отделя енергия при никаква стойност на тока. Свръхпроводящото състояние може да се постигне само при много ниски температури, само няколко градуса по Келвин, температурата на течния хелий. (Високотемпературната свръхпроводимост все още е област на чисто фундаментални изследвания.) Именно с поддържането на такава ниска температура са свързани всички технически трудности при проектирането и производството на магнити, които ги правят скъпи. Свръхпроводящият магнит е изграден на принципа на термос-матрьошка. Соленоидът се намира в центъра, във вакуумната камера. Той е заобиколен от обвивка, съдържаща течен хелий. Тази обвивка е заобиколена от обвивка от течен азот през вакуумен слой. Температурата на течния азот е минус 196 градуса по Целзий; азотът е необходим, за да се гарантира, че хелият се изпарява възможно най-бавно. Накрая, азотната обвивка е изолирана от стайна температура чрез външен вакуумен слой. Такава система е в състояние да поддържа желаната температура на свръхпроводящ магнит за много дълго време, въпреки че това изисква редовно добавяне на течен азот и хелий към магнита. Предимството на такива магнити, в допълнение към възможността за получаване на силни магнитни полета, е също така, че те не консумират енергия: след стартиране на магнита, токът преминава през свръхпроводящи проводници без почти никакви загуби в продължение на много години.

8. Томография

   В конвенционалните NMR спектрометри те се опитват да направят магнитното поле възможно най-равномерно, това е необходимо за подобряване на спектралната разделителна способност. Но ако магнитното поле вътре в пробата, напротив, се направи много нехомогенно, това отваря фундаментално нови възможности за използването на ЯМР. Нееднородността на полето се създава от така наречените градиентни бобини, които работят в тандем с основния магнит. В този случай големината на магнитното поле в различните части на пробата ще бъде различна, което означава, че ЯМР сигналът може да се наблюдава не от цялата проба, както в конвенционален спектрометър, а само от нейния тесен слой, за който условията за резонанс са изпълнени, т.е. желаната връзка между магнитното поле и честотата. Чрез промяна на големината на магнитното поле (или, което по същество е същото, честотата на наблюдение на сигнала), можете да промените слоя, който ще генерира сигнала. По този начин е възможно да се „сканира“ пробата в целия й обем и да се „види“ нейната вътрешна триизмерна структура, без да се унищожи пробата по механичен начин. Към днешна дата са разработени голям брой техники, които правят възможно измерването на различни ЯМР параметри (спектрални характеристики, времена на магнитна релаксация, скорост на самодифузия и някои други) с пространствена разделителна способност вътре в пробата. Най-интересното и важно от практическа гледна точка приложение на ЯМР томографията е намерено в медицината. В този случай "образецът", който се изследва, е човешкото тяло. ЯМР изобразяването е един от най-ефективните и безопасни (но и скъпи) диагностични инструменти в различни области на медицината, от онкологията до акушерството. Интересно е да се отбележи, че лекарите не използват думата „ядрен” в името на този метод, тъй като някои пациенти го свързват с ядрените реакции и атомната бомба.

9. История на откритието

   

   За година на откриване на ЯМР се счита 1945 г., когато американците Феликс Блок от Станфорд и независимо от него Едуард Пърсел и Робърт Паунд от Харвард за първи път наблюдават ЯМР сигнал върху протони. По това време вече се знаеше много за природата на ядрения магнетизъм, самият ЯМР ефект беше теоретично предсказан и бяха направени няколко опита да се наблюдава експериментално. Важно е да се отбележи, че година по-рано в Съветския съюз, в Казан, феноменът EPR е открит от Евгений Завойски. Вече е добре известно, че Завойски също е наблюдавал ЯМР сигнала, това е било преди войната, през 1941 г. Той обаче имаше на разположение нискокачествен магнит с лоша еднородност на полето; резултатите бяха слабо възпроизводими и затова останаха непубликувани. За да бъдем честни, трябва да се отбележи, че Завойски не е единственият, който е наблюдавал ЯМР преди неговото „официално“ откритие. По-специално, американският физик Изидор Раби (носител на Нобелова награда през 1944 г. за изследването си на магнитните свойства на ядрата в атомни и молекулни лъчи) също наблюдава ЯМР в края на 30-те години, но го смята за инструментален артефакт. По един или друг начин страната ни запазва приоритет в експерименталното откриване на магнитен резонанс. Въпреки че самият Завойски започва да се занимава с други проблеми скоро след войната, откритието му изиграва огромна роля в развитието на науката в Казан. Казан все още остава един от водещите световни научни центрове за EPR спектроскопия.

10. Нобелови награди за магнитен резонанс

    През първата половина на 20-ти век бяха присъдени няколко Нобелови награди на учени, без чиято работа откриването на ЯМР не би могло да се осъществи. Сред тях са Петер Зееман, Ото Щерн, Изидор Раби, Волфганг Паули. Но имаше четири Нобелови награди, пряко свързани с ЯМР. През 1952 г. наградата е присъдена на Феликс Блок и Едуард Пърсел за откриването на ядрено-магнитния резонанс. Това е единствената Нобелова награда за ЯМР по физика. През 1991 г. наградата по химия получава швейцарецът Ричард Ернст, който е работил в известния ETH в Цюрих. Присъдена му е за разработването на многомерни методи за ЯМР спектроскопия, които позволяват радикално увеличаване на информационното съдържание на ЯМР експериментите. През 2002 г. носител на наградата, също по химия, беше Курт Вютрих, който работеше с Ернст в съседни сгради на същото техническо училище. Той получи наградата за разработване на методи за определяне на триизмерната структура на протеини в разтвор. Преди това единственият метод за определяне на пространствената конформация на големи биомакромолекули беше рентгеновият дифракционен анализ. И накрая, през 2003 г. американецът Пол Лаутербър и англичанинът Питър Мансфийлд получиха медицинската награда за изобретяването на ЯМР томографията. Съветският откривател на ЕПР Е. К. Завойски, уви, не получи Нобелова награда.

Методът на ЯМР спектроскопията се основава на магнитните свойства на ядрата. Ядрата на атомите носят положителен заряд и се въртят около оста си. Въртенето на заряда води до появата на магнитен дипол.

Ъгловият импулс на въртене, който може да се опише чрез спиновото квантово число (I). Числената стойност на спиновото квантово число е равна на сумата от спиновите квантови числа на протоните и неутроните, включени в ядрото.

Квантовото число на спина може да приеме стойността

Ако броят на нуклоните е четен, тогава стойността I = 0 или цяло число. Това са ядрата C 12, H 2, N 14; такива ядра не абсорбират радиочестотно лъчение и не произвеждат сигнали при ЯМР спектроскопия.

I = ± 1 / 2 H 1, P 31, F 19 - абсорбират радиочестотно лъчение и произвеждат сигнал от ЯМР спектъра.

I = ± 1 1/2 CL 35, Br 79 - несиметрично разпределение на заряда по повърхността на ядрото. Което води до появата на квадрополен момент. Такива ядра не се изследват чрез ЯМР спектроскопия.

PMR - спектроскопия

Числената стойност на I (I = ±1/2) определя броя на възможните ориентации на ядрото във външно магнитно поле в съответствие с формулата:

От тази формула става ясно, че броят на ориентациите е 2.

За да се осъществи преходът на протон, разположен на по-ниско ниво, към по-високо, трябва да му се даде енергия, равна на разликата в енергията на тези нива, т.е. да се облъчи с лъчение със строго определена чистота. Разликата в енергийните нива (ΔΕ) зависи от големината на наложеното магнитно поле (H 0) и магнитната природа на ядрата, описана от магнитния момент (μ). Тази стойност се определя чрез ротация:

, Където

h – константата на Планк

Големината на външното магнитно поле

γ – коефициентът на пропорционалност, наречен жиромагнитно отношение, определя връзката между спиновото квантово число I и магнитния момент μ.

– основно ЯМР уравнение, той свързва величината на външното магнитно поле, магнитната природа на ядрата и чистотата на радиацията, при която се получава абсорбцията на радиационна енергия и ядрата се движат между нивата.

От горния запис става ясно, че за едни и същи ядра, протони, има строга зависимост между стойността на H 0 и μ.

Така например, за да могат протонните ядра във външно магнитно поле от 14000 Gauss да се преместят на по-високо магнитно ниво, те трябва да бъдат облъчени с честота от 60 MHz; ако до 23000 Gauss, тогава радиация с честота от Ще са необходими 100 MHz.

По този начин от горното следва, че основните части на ЯМР спектрометъра трябва да бъдат мощен магнит и източник на радиочестотно излъчване.

Анализиращото вещество се поставя в ампула от специални видове стъкло с дебелина 5 mm. Поставяме ампулата в пролуката на магнит, за по-равномерно разпределение на магнитното поле вътре в ампулата, тя се върти около оста си, с помощта на намотка излъчването се генерира непрекъснато от радиочестотно излъчване. Честотата на това излъчване варира в малък диапазон. В даден момент от времето, когато честотата точно съответства на уравнението на ЯМР спектроскопията, се наблюдава поглъщане на радиационна енергия и протоните преориентират въртенето си - това поглъщане на енергия се записва от приемащата бобина под формата на тесен пик.

При някои модели спектрометри μ=const, а в малки коридори стойността на H 0 се променя. За регистриране на спектъра са необходими 0,4 ml от веществото, ако твърдо вещество се разтваря в подходящ разтвор, е необходимо да се вземат 10-50 ml / g от веществото.

За да се получи висококачествен спектър, е необходимо да се използват разтвори с концентрация 10–20%. Границата на NMR чувствителност съответства на 5%.

За да се увеличи чувствителността с помощта на компютър, се използват много часове натрупване на сигнал, докато полезният сигнал се увеличава по интензитет.

При по-нататъшното усъвършенстване на техниката за спектроразпределение на ЯМР започна използването на преобразуване на сигнала на Фурие. В този случай пробата не се облъчва с лъчение с бавно променяща се честота, а с лъчение, свързващо всички честоти в един пакет. В този случай се абсорбира излъчване с една честота и протоните преминават към горното енергийно ниво, след което краткият импулс се изключва и след това възбудените протони започват да губят погълнатата енергия и се преместват към долното ниво. Този енергиен феномен се записва от системата като поредица от милисекунди импулси, които затихват с времето.

Идеалният разтворител е вещество, което не съдържа протони, тоест въглероден тетрахлорид и въглеродна сяра, но някои вещества не се разтварят в тези разтвори, така че всички разтворители, в молекулите на които атомите на лекия изотоп H1 са заменени с атоми от тежкия изотоп деутерий се използват. Изотопната честота трябва да съответства на 99%.

СDCl 3 – деутерий

Деутерият не произвежда сигнал в ЯМР спектрите. По-нататъшно развитие на метода беше използването на високоскоростен компютър и по-нататъшното преобразуване на сигнала. В този случай, вместо последното сканиране на честотата на излъчване, върху пробата се наслагва моментно излъчване, съдържащо всички възможни честоти. В този случай се получава мигновено възбуждане на всички ядра и преориентация на техните спинове. След като радиацията бъде изключена, ядрата започват да освобождават енергия и преминават към по-ниско енергийно ниво. Този изблик на енергия продължава няколко секунди и се състои от поредица от микросекундни импулси, които се записват от записващата система под формата на вилица.