NMR spektroskopisi

Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, NMR spektroskopisi- nükleer manyetik rezonans olgusunu kullanarak kimyasal nesneleri incelemek için spektroskopik bir yöntem. Kimya ve pratik uygulamalar için en önemlileri proton manyetik rezonans spektroskopisi (PMR spektroskopisi) ve ayrıca karbon-13 NMR spektroskopisi (13C NMR spektroskopisi), florin-19'dur (kızılötesi spektroskopi, NMR, kimyasalların moleküler yapısı hakkında bilgi verir). IS'den daha eksiksiz bilgi sağlar ve bir numunedeki dinamik süreçlerin incelenmesine - kimyasal reaksiyonların hız sabitlerinin, molekül içi dönüşe karşı enerji bariyerlerinin değerinin belirlenmesine olanak tanır. Bu özellikler NMR spektroskopisini hem teorik organik kimyada uygun bir araç haline getirir ve biyolojik nesnelerin analizi için.

Temel NMR tekniği

NMR için bir madde numunesi ince duvarlı bir cam tüpe (ampül) yerleştirilir. NMR aktif çekirdekleri (1H veya 13C gibi) manyetik alana yerleştirildiğinde elektromanyetik enerjiyi emer. Yayılan sinyalin rezonans frekansı, soğurma enerjisi ve yoğunluğu, manyetik alanın gücüyle orantılıdır. Yani 21 Tesla'lık bir alanda bir proton 900 MHz frekansında rezonansa girer.

Kimyasal kayma

Yerel elektronik ortama bağlı olarak, bir moleküldeki farklı protonlar biraz farklı frekanslarda rezonansa girer. Hem bu frekans kayması hem de temel rezonans frekansı, manyetik alanın gücüyle doğru orantılı olduğundan, bu yer değiştirme, kimyasal kayma olarak bilinen, manyetik alandan bağımsız boyutsuz bir niceliğe dönüştürülür. Kimyasal kayma, bazı referans numunelerine göre göreceli bir değişiklik olarak tanımlanır. Frekans kayması, ana NMR frekansıyla karşılaştırıldığında son derece küçüktür. Tipik frekans kayması 100 Hz'dir, oysa temel NMR frekansı 100 MHz civarındadır. Bu nedenle, kimyasal kayma genellikle milyonda bir (ppm) olarak ifade edilir. Bu kadar küçük bir frekans farkını tespit etmek için uygulanan manyetik alanın numune hacmi içinde sabit olması gerekir.

Kimyasal kayma, bir maddenin kimyasal yapısına bağlı olduğundan, bir numunedeki moleküller hakkında yapısal bilgi elde etmek için kullanılır. Örneğin, etanol (CH3CH2OH) spektrumu 3 farklı sinyal, yani 3 kimyasal kayma verir: biri CH3 grubu için, ikincisi CH2 grubu için ve sonuncusu OH için. Bir CH3 grubu için tipik kayma yaklaşık 1 ppm'dir, OH-4 ppm'ye ve OH'ye bağlı bir CH2 grubu için ise yaklaşık 2-3 ppm'dir.

Oda sıcaklığındaki moleküler hareket nedeniyle, yalnızca birkaç milisaniye süren NMR işlemi sırasında 3 metil protonun sinyallerinin ortalaması alınır. Bu protonlar aynı kimyasal kaymada dejenere olur ve zirveler oluşturur. Yazılım, bu zirvelere kaç protonun katkıda bulunduğunu anlamak için zirvelerin boyutunu analiz etmenize olanak tanır.

Spin-spin etkileşimi

Tek boyutlu bir NMR spektrumunda yapıyı belirlemek için en yararlı bilgi, aktif NMR çekirdekleri arasındaki spin-spin etkileşimi olarak adlandırılan etkileşim tarafından sağlanır. Bu etkileşim, kimyasal moleküllerdeki çekirdeklerin farklı dönüş durumları arasındaki geçişlerden kaynaklanır ve NMR sinyallerinin bölünmesiyle sonuçlanır. Bu bölme basit veya karmaşık olabilir ve sonuç olarak yorumlanması kolay olabilir veya deneyci için kafa karıştırıcı olabilir.

Bu bağlanma, moleküldeki atomların bağları hakkında ayrıntılı bilgi sağlar.

İkinci dereceden etkileşim (güçlü)

Basit döndürme-döndürme bağlantısı, bağlantı sabitinin, sinyaller arasındaki kimyasal kaymalardaki farkla karşılaştırıldığında küçük olduğunu varsayar. Kaydırma farkı azalırsa (veya etkileşim sabiti artarsa), numune çoklularının yoğunluğu bozulur ve analiz edilmesi daha zor hale gelir (özellikle sistem 2'den fazla spin içeriyorsa). Bununla birlikte, yüksek güçlü NMR spektrometrelerinde bozulma genellikle orta düzeydedir ve bu, ilgili tepe noktalarının kolayca yorumlanmasına olanak tanır.

Çoklular arasındaki frekans farkı arttıkça ikinci dereceden etkiler azalır, dolayısıyla yüksek frekanslı bir NMR spektrumu, düşük frekanslı bir spektruma göre daha az bozulma gösterir.

NMR spektroskopisinin protein çalışmalarına uygulanması

NMR spektroskopisindeki son yeniliklerin çoğu, modern biyoloji ve tıpta çok önemli bir teknik haline gelen, proteinlerin NMR spektroskopisi adı verilen yöntemle yapılmaktadır. Genel amaç, X-ışını kristalografisinde elde edilen görüntülere benzer şekilde, bir proteinin 3 boyutlu yapısını yüksek çözünürlükte elde etmektir. Basit bir organik bileşiğe kıyasla bir protein molekülünde daha fazla atom bulunması nedeniyle, temel 1D spektrumu örtüşen sinyallerle doludur ve spektrumun doğrudan analizini imkansız hale getirir. Bu nedenle bu sorunu çözmek için çok boyutlu teknikler geliştirilmiştir.

Bu deneylerin sonuçlarını iyileştirmek için 13C veya 15N kullanan etiketli atom yöntemi kullanılır. Bu şekilde, modern farmasötiklerde bir devrim haline gelen bir protein numunesinin 3 boyutlu spektrumunun elde edilmesi mümkün hale gelir. Son zamanlarda, özel matematiksel teknikler kullanılarak serbest indüksiyon bozunum sinyalinin daha sonra restorasyonu ile doğrusal olmayan örnekleme yöntemlerine dayanan 4D spektrumları ve daha yüksek boyutlarda spektrumlar elde etmeye yönelik teknikler (hem avantajları hem de dezavantajları olan) yaygınlaştı.

Edebiyat

• Gunther X. NMR spektroskopisi kursuna giriş. - Başına. İngilizceden - M., 1984.

Wikimedia Vakfı. 2010.

Diğer sözlüklerde “NMR spektroskopisi”nin ne olduğunu görün:

Karbon çekirdeği 13, 13C üzerinde nükleer manyetik rezonans spektroskopisi NMR spektroskopisi, karbon izotopu 13C'nin çekirdeklerini kullanan NMR spektroskopisi yöntemlerinden biridir. 13C çekirdeğinin temel durumundaki dönüşü 1/2'dir, içeriği doğadaki... ... Vikipedi

Tıbbi NMR tomografisinde insan beyninin görüntüsü Nükleer manyetik rezonans (NMR), harici bir manyetik alanda sıfır olmayan dönüşe sahip çekirdekler içeren bir madde tarafından elektromanyetik enerjinin rezonans emilimi, yeniden yönlendirmenin neden olduğu ... ... Vikipedi

NMR spektroskopisi

NMR spektroskopisi

manyetik rezonans spektroskopisi- Magnetinio markalı spektroskopi durumu T sritis Standart ve metrologija apibrėžtis Spektroskopi, pagrįsta kietųjų, skystųjų ve dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. atitikmenys: ingilizce. NMR... ... Metrologijos terminų žodynas'ın kullanımı

nükleer manyetik rezonans Spektroskopisi- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopisi; nükleer manyetik rezonans spektroskopisi vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. nükleerin spektroskopisi… Fizikos terminų žodynas

Magnetinio markalı spektroskopi durumu T sritis Standartlar ve metroloji apibrėžtis Spektroskopi, pagrįsta kietųjų, skystųjų ve dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonans. atitikmenys: ingilizce. NMR... ... Metrologijos terminų žodynas'ın kullanımı

nükleer rezonans spektroskopisi- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopisi; nükleer manyetik rezonans spektroskopisi vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. nükleerin spektroskopisi… Fizikos terminų žodynas

Bir dizi araştırma yöntemi. VA'da atomlarının, iyonlarının ve moleküllerinin absorpsiyon spektrumlarına göre. mag. Radyo dalgaları. Radyasyon elektron paramanyetik yöntemlerini içerir. rezonans (EPR), nükleer manyetik. rezonans (NMR), siklotron rezonansı vb. Doğal bilim. ansiklopedik sözlük

Tıbbi NMR tomografisinde insan beyninin görüntüsü Nükleer manyetik rezonans (NMR), harici bir manyetik alanda sıfır olmayan dönüşe sahip çekirdekler içeren bir madde tarafından ν frekansında elektromanyetik enerjinin rezonans emilimi veya emisyonu ... ... Vikipedi

Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, organik bileşiklerin yapısını belirlemek için en yaygın ve çok hassas yöntemlerden biridir ve kişinin yalnızca niteliksel ve niceliksel bileşim hakkında değil aynı zamanda atomların birbirine göre konumu hakkında da bilgi edinmesine olanak tanır. Çeşitli NMR teknikleri, maddelerin kimyasal yapısını, moleküllerin onay durumlarını, karşılıklı etkinin etkilerini ve molekül içi dönüşümleri belirlemek için birçok olasılığa sahiptir.

Nükleer manyetik rezonans yönteminin bir dizi ayırt edici özelliği vardır: optik moleküler spektrumların aksine, elektromanyetik radyasyonun bir madde tarafından emilmesi, güçlü, düzgün bir dış manyetik alanda meydana gelir. Ayrıca, bir NMR çalışması yürütmek için deneyin, NMR spektroskopisinin genel ilkelerini yansıtan bir dizi koşulu karşılaması gerekir:

1) NMR spektrumlarının kaydedilmesi yalnızca kendi manyetik momentlerine sahip atom çekirdekleri veya proton ve nötron sayısının izotop çekirdeklerinin kütle sayısı tek olacak şekilde olduğu sözde manyetik çekirdekler için mümkündür. Kütle numarası tek olan tüm çekirdeklerin spin I değeri 1/2'dir. Yani 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R çekirdekleri için spin değeri 1/2'ye eşittir; 7 Li, 23 Na, 39 K ve 4 l R çekirdekleri için spin değeri 3/2'ye eşittir . Kütle numarası çift olan çekirdeklerin, nükleer yük çift ise ya hiç spini yoktur ya da yük tek ise tamsayı spin değerlerine sahiptir. Yalnızca spini I 0 olan çekirdekler bir NMR spektrumu üretebilir.

Spinin varlığı, atom yükünün çekirdek etrafındaki dolaşımıyla ilişkilidir, bu nedenle manyetik bir moment ortaya çıkar. μ . Açısal momentumu J olan dönen bir yük (örneğin bir proton), bir manyetik moment μ=γ*J yaratır . Açısal nükleer momentum J ve dönme sırasında ortaya çıkan manyetik moment μ vektörler olarak temsil edilebilir. Sabit oranlarına jiromanyetik oran γ denir. Çekirdeğin rezonans frekansını belirleyen bu sabittir (Şekil 1.1).

Şekil 1.1 - Açısal momenti J olan dönen bir yük, μ=γ*J manyetik momenti yaratır.

2) NMR yöntemi, diğer spektral yöntemlerin aksine, alışılmadık spektrum oluşumu koşulları altında enerjinin emilimini veya emisyonunu inceler. NMR spektrumu, güçlü ve düzgün bir manyetik alanda bulunan bir maddeden kaydedilir. Bir dış alandaki bu tür çekirdekler, harici manyetik alan kuvveti vektörüne H 0 göre vektörün birkaç olası (kuantize edilmiş) oryantasyon açısına bağlı olarak farklı potansiyel enerji değerlerine sahiptir. Harici bir manyetik alanın yokluğunda, çekirdeğin manyetik momentleri veya spinleri belirli bir yönelime sahip değildir. 1/2 spinli manyetik çekirdekler bir manyetik alana yerleştirilirse, nükleer spinlerin bir kısmı manyetik alan çizgilerine paralel, diğer kısmı ise antiparalel olacaktır. Bu iki yönelim artık enerji açısından eşdeğer değildir ve spinlerin iki enerji seviyesinde dağıldığı söylenir.

+1/2 alanı boyunca yönlendirilmiş manyetik momentli dönüşler | sembolüyle gösterilir. α >, dış alana antiparalel yönelimli -1/2 - sembol | β > (Şek. 1.2) .

Şekil 1.2 - H 0 harici alanı uygulandığında enerji seviyelerinin oluşumu.

1.2.1 1H çekirdekleri üzerinde NMR spektroskopisi PMR spektrumunun parametreleri.

1H NMR spektrumunun verilerini çözmek ve sinyalleri atamak için spektrumun ana özellikleri kullanılır: kimyasal kayma, spin-spin etkileşim sabiti, entegre sinyal yoğunluğu, sinyal genişliği [57].

A) Kimyasal kayma (C.C). HS ölçeği Kimyasal kayma, bu sinyal ile referans maddenin sinyali arasındaki mesafedir ve dış alan kuvvetinin milyonda bir kısmı olarak ifade edilir.

Yapısal olarak eşdeğer, yüksek düzeyde korumalı 12 proton içeren tetrametilsilan [TMS, Si(CH3)4], çoğunlukla protonların kimyasal kaymalarını ölçmek için bir standart olarak kullanılır.

B) Spin-spin etkileşim sabiti. Yüksek çözünürlüklü NMR spektrumlarında sinyal bölünmesi gözlemlenir. Yüksek çözünürlüklü spektrumlardaki bu bölünme veya ince yapı, manyetik çekirdekler arasındaki spin-spin etkileşimlerinden kaynaklanır. Bu olay, kimyasal kaymayla birlikte, karmaşık organik moleküllerin yapısı ve elektron bulutunun içlerindeki dağılımı hakkında en önemli bilgi kaynağı olarak hizmet eder. H0'a bağlı değildir ancak molekülün elektronik yapısına bağlıdır. Başka bir manyetik çekirdekle etkileşime giren manyetik bir çekirdeğin sinyali, dönüş durumlarının sayısına bağlı olarak birkaç çizgiye bölünür; I. çekirdeklerin spinlerine bağlıdır.

Bu çizgiler arasındaki mesafe, çekirdekler arasındaki spin-spin bağlanma enerjisini karakterize eder ve spin-spin bağlanma sabiti n J olarak adlandırılır; burada N- Etkileşen çekirdekleri ayıran bağların sayısı.

Doğrudan sabitler J HH, geminal sabitler 2 J HH vardır , yakın sabitler 3 J HH ve bazı uzun menzilli sabitler 4 J HH , 5JHH.

- geminal sabitler 2 J HH hem pozitif hem de negatif olabilir ve -30 Hz ila +40 Hz aralığını kaplar.

Yakın sabitler 3 J HH 0 20 Hz aralığını kaplar; neredeyse her zaman olumludurlar. Doymuş sistemlerdeki komşu etkileşimin çok güçlü bir şekilde karbon-hidrojen bağları arasındaki açıya, yani dihedral açıya bağlı olduğu tespit edilmiştir - (Şekil 1.3).

Şekil 1.3 - Karbon-hidrojen bağları arasındaki dihedral açı φ.

Uzun menzilli döndürme-döndürme etkileşimi (4 J HH , 5 J HH ) - dört veya daha fazla bağla ayrılan iki çekirdeğin etkileşimi; bu tür etkileşimin sabitleri genellikle 0 ila +3 Hz arasındadır.

Tablo 1.1 – Spin-spin etkileşim sabitleri

B) Entegre sinyal yoğunluğu. Sinyallerin alanı, belirli bir alan gücünde rezonansa giren manyetik çekirdeklerin sayısıyla orantılıdır, böylece sinyallerin alanlarının oranı, her yapısal çeşitliliğin göreceli proton sayısını verir ve entegre sinyal yoğunluğu olarak adlandırılır. Modern spektrometreler, okumaları bir eğri şeklinde kaydedilen, adımlarının yüksekliği karşılık gelen sinyallerin alanıyla orantılı olan özel entegratörleri kullanır.

D) Çizgilerin genişliği. Çizgilerin genişliğini karakterize etmek için genişliği, spektrumun sıfır çizgisinin yüksekliğinin yarısı kadar bir mesafede ölçmek gelenekseldir. Deneysel olarak gözlemlenen çizgi genişliği, yapıya ve hareketliliğe bağlı olarak doğal çizgi genişliği ve araçsal nedenlerden kaynaklanan genişlemeden oluşur.

PMR'de normal çizgi genişliği 0,1-0,3 Hz'dir ancak tam olarak çakışmayan ancak ayrı çizgiler olarak çözümlenmeyen bitişik geçişlerin üst üste binmesi nedeniyle artabilir. Genişleme, spini 1/2'den büyük olan çekirdeklerin ve kimyasal değişimin olması durumunda mümkündür.

1.2.2 Organik moleküllerin yapısını belirlemek için 1H NMR verilerinin uygulanması.

Bir dizi yapısal analiz problemini çözerken, ampirik değer tablolarına ek olarak, Kh.S. Komşu ikame edicilerin Ch.S. üzerindeki etkilerini ölçmek faydalı olabilir. etkili tarama katkılarının toplanabilirlik kuralına göre. Bu durumda, belirli bir protondan en fazla 2-3 bağ uzakta olan ikame ediciler genellikle dikkate alınır ve hesaplama aşağıdaki formül kullanılarak yapılır:

δ=δ 0 +ε ben *δ ben (3)

burada δ 0 standart grubun protonlarının kimyasal kaymasıdır;

δi, ikame edicinin tarama katkısıdır.

1.3 NMR spektroskopisi 13 C. Spektrumların elde edilmesi ve kayıt modları.

13C NMR'nin gözlemlenmesine ilişkin ilk raporlar 1957'de ortaya çıktı, ancak 13C NMR spektroskopisinin pratik olarak kullanılan bir analitik araştırma yöntemine dönüştürülmesi çok daha sonra başladı.

Manyetik rezonans 13 C ve 1 H'nin pek çok ortak noktası vardır, ancak önemli farklılıklar da vardır. En yaygın karbon izotopu 12 C I=0'a sahiptir. 13C izotopu I=1/2'dir ancak doğal içeriği %1,1'dir. Bu, 13 C çekirdeğinin jiromanyetik oranının, protonların jiromanyetik oranının 1/4'ü olması gerçeğiyle birliktedir. Bu, 13C NMR'nin gözlemlendiği deneylerde yöntemin duyarlılığını, 1H çekirdeğine kıyasla 6000 kat azaltır.

a) protonlarla spin-spin etkileşimini bastırmadan. Protonlarla spin-spin rezonansının tamamen baskılanmasının yokluğunda elde edilen 13C NMR spektrumlarına yüksek çözünürlüklü spektrumlar adı verildi. Bu spektrumlar 13C - 1H sabitleri hakkında tam bilgi içerir. Nispeten basit moleküllerde, her iki sabit türü de (doğrudan ve uzun menzilli) oldukça basit bir şekilde bulunur. Yani 1 J (C-H) 125 - 250 Hz'dir, ancak sabitleri 20 Hz'den küçük olan daha uzak protonlarla da spin-spin etkileşimi meydana gelebilir.

b) protonlarla spin-spin etkileşiminin tamamen bastırılması. 13C NMR spektroskopisi alanındaki ilk büyük ilerleme, protonlarla spin-spin etkileşiminin tamamen baskılanmasının kullanılmasıyla ilişkilidir. Protonlarla spin-spin etkileşiminin tamamen bastırılmasının kullanılması, eğer molekülde 19 F ve 31 P gibi başka manyetik çekirdek yoksa, çoklu çizgilerin tekli çizgilerin oluşumuyla birleşmesine yol açar.

c) protonlarla spin-spin etkileşiminin eksik bastırılması. Ancak protonlardan tam ayırma modunu kullanmanın dezavantajları vardır. Tüm karbon sinyalleri artık tekli formda olduğundan, spin-spin etkileşim sabitleri 13 C-1H hakkındaki tüm bilgiler kaybolur.Doğrudan spin-spin etkileşim sabitleri 13 hakkındaki bilgilerin kısmen geri yüklenmesini mümkün kılan bir yöntem önerilmektedir. C-1H ve aynı zamanda geniş bant ayırmanın faydalarından daha fazlasını korur. Bu durumda, spin-spin etkileşimi 13 C - 1 H'nin doğrudan sabitleri nedeniyle spektrumda bölünmeler görünecektir. Bu prosedür, protonlanmamış karbon atomlarından gelen sinyallerin tespit edilmesini mümkün kılar, çünkü ikincisi doğrudan ilişkili protonlara sahip değildir. 13 C'de bulunur ve spektrumlarda protonlardan tam olarak ayrılmamış olarak tekli olarak görünür.

d) CH etkileşim sabitinin modülasyonu, JMODCH spektrumu. 13C NMR spektroskopisindeki geleneksel bir problem, her bir karbon atomuyla ilişkili proton sayısının, yani karbon atomunun protonasyon derecesinin belirlenmesidir. Protonlar tarafından kısmi baskılama, uzun menzilli spin-spin etkileşim sabitlerinin neden olduğu çokluktan karbon sinyalinin çözümlenmesini ve doğrudan 13C-1H bağlanma sabitleri nedeniyle sinyal bölünmesinin elde edilmesini mümkün kılar.Bununla birlikte, güçlü bir şekilde bağlanmış spin sistemleri AB durumunda ve OFFR modundaki çokluların örtüşmesi, sinyallerin kesin çözümlenmesini zorlaştırır.

Nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, NMR spektroskopisi- nükleer manyetik rezonans olgusunu kullanarak kimyasal nesneleri incelemek için spektroskopik bir yöntem. NMR fenomeni 1946'da Amerikalı fizikçiler F. Bloch ve E. Purcell tarafından keşfedildi. Kimya ve pratik uygulamalar için en önemlileri proton manyetik rezonans spektroskopisi (PMR spektroskopisi) ve ayrıca karbon-13 ( 13C NMR spektroskopisi), flor-19 ( 19 F NMR spektroskopisi), fosfor-31 ( 31 P) üzerinde NMR spektroskopisidir. NMR spektroskopisi).Bir elementin atom numarası tekse veya herhangi bir (çift çift) elementin izotopu tek kütle numarasına sahipse, böyle bir elementin çekirdeği sıfırdan farklı bir spine sahiptir. Çekirdekler uyarılmış bir durumdan normal bir duruma geri dönebilir ve uyarılma enerjisini çevredeki "kafese" aktarabilir; bu durumda, üzerinde çalışılanlardan farklı türdeki elektronlar veya atomlar anlamına gelir. Bu enerji aktarım mekanizmasına spin-kafes gevşemesi adı verilir ve verimliliği, spin-kafes gevşeme süresi adı verilen sabit bir T1 ile karakterize edilebilir.

Bu özellikler NMR spektroskopisini hem teorik organik kimyada hem de biyolojik nesnelerin analizinde uygun bir araç haline getirir.

Temel NMR tekniği

NMR için bir madde numunesi ince duvarlı bir cam tüpe (ampül) yerleştirilir. NMR aktif çekirdekleri (1H veya 13C gibi) manyetik alana yerleştirildiğinde elektromanyetik enerjiyi emer. Yayılan sinyalin rezonans frekansı, soğurma enerjisi ve yoğunluğu, manyetik alanın gücüyle orantılıdır. Yani 21 Tesla'lık bir alanda bir proton 900 MHz frekansında rezonansa girer.

Kimyasal kayma

Yerel elektronik ortama bağlı olarak, bir moleküldeki farklı protonlar biraz farklı frekanslarda rezonansa girer. Hem bu frekans kayması hem de temel rezonans frekansı, manyetik alan indüksiyonunun büyüklüğüyle doğru orantılı olduğundan, bu yer değiştirme, kimyasal kayma olarak bilinen, manyetik alandan bağımsız boyutsuz bir niceliğe dönüştürülür. Kimyasal kayma, bazı referans numunelerine göre göreceli bir değişiklik olarak tanımlanır. Frekans kayması, ana NMR frekansıyla karşılaştırıldığında son derece küçüktür. Tipik frekans kayması 100 Hz'dir, oysa temel NMR frekansı 100 MHz civarındadır. Bu nedenle, kimyasal kayma genellikle milyonda bir (ppm) olarak ifade edilir. Bu kadar küçük bir frekans farkını tespit etmek için uygulanan manyetik alanın numune hacmi içinde sabit olması gerekir.

Kimyasal kayma, bir maddenin kimyasal yapısına bağlı olduğundan, bir numunedeki moleküller hakkında yapısal bilgi elde etmek için kullanılır. Örneğin, etanol (CH3CH2OH) spektrumu 3 farklı sinyal, yani 3 kimyasal kayma verir: biri CH3 grubu için, ikincisi CH2 grubu için ve sonuncusu OH için. Bir CH3 grubu için tipik kayma yaklaşık 1 ppm'dir, OH'ye bağlı bir CH2 grubu için 4 ppm'dir ve OH için yaklaşık 2-3 ppm'dir.

Oda sıcaklığındaki moleküler hareket nedeniyle, yalnızca birkaç milisaniye süren NMR işlemi sırasında 3 metil protonun sinyallerinin ortalaması alınır. Bu protonlar aynı kimyasal kaymada dejenere olur ve zirveler oluşturur. Yazılım, bu zirvelere kaç protonun katkıda bulunduğunu anlamak için zirvelerin boyutunu analiz etmenize olanak tanır.

Spin-spin etkileşimi

Tek boyutlu bir NMR spektrumunda yapıyı belirlemek için en yararlı bilgi, aktif NMR çekirdekleri arasındaki spin-spin etkileşimi olarak adlandırılan etkileşim tarafından sağlanır. Bu etkileşim, kimyasal moleküllerdeki çekirdeklerin farklı dönüş durumları arasındaki geçişlerden kaynaklanır ve NMR sinyallerinin bölünmesiyle sonuçlanır. Bu bölme basit veya karmaşık olabilir ve sonuç olarak yorumlanması kolay olabilir veya deneyci için kafa karıştırıcı olabilir.

Bu bağlanma, moleküldeki atomların bağları hakkında ayrıntılı bilgi sağlar.

İkinci dereceden etkileşim (güçlü)

Basit döndürme-döndürme bağlantısı, bağlantı sabitinin, sinyaller arasındaki kimyasal kaymalardaki farkla karşılaştırıldığında küçük olduğunu varsayar. Kaydırma farkı azalırsa (veya etkileşim sabiti artarsa), numune çoklularının yoğunluğu bozulur ve analiz edilmesi daha zor hale gelir (özellikle sistem 2'den fazla spin içeriyorsa). Bununla birlikte, yüksek güçlü NMR spektrometrelerinde bozulma genellikle orta düzeydedir ve bu, ilgili tepe noktalarının kolayca yorumlanmasına olanak tanır.

Çoklular arasındaki frekans farkı arttıkça ikinci dereceden etkiler azalır, dolayısıyla yüksek frekanslı bir NMR spektrumu, düşük frekanslı bir spektruma göre daha az bozulma gösterir.

NMR spektroskopisinin protein çalışmalarına uygulanması

NMR spektroskopisindeki son yeniliklerin çoğu, modern biyoloji ve tıpta çok önemli bir teknik haline gelen, proteinlerin NMR spektroskopisi adı verilen yöntemle yapılmaktadır. Ortak amaç, X-ışını kristalografisinde elde edilen görüntülere benzer, yüksek çözünürlüklü 3 boyutlu protein yapıları elde etmektir. Basit bir organik bileşiğe kıyasla bir protein molekülünde daha fazla atom bulunması nedeniyle, temel 1H spektrumu örtüşen sinyallerle doludur ve spektrumun doğrudan analizini imkansız hale getirir. Bu nedenle bu sorunu çözmek için çok boyutlu teknikler geliştirilmiştir.

Bu deneylerin sonuçlarını iyileştirmek için 13C veya 15N kullanılarak etiketli atom yöntemi kullanılır. Bu şekilde, modern farmasötiklerde bir devrim haline gelen bir protein örneğinin 3 boyutlu spektrumunun elde edilmesi mümkün hale gelir. Son zamanlarda, özel matematiksel teknikler kullanılarak serbest indüksiyon bozunum sinyalinin daha sonra restorasyonu ile doğrusal olmayan örnekleme yöntemlerine dayanan 4D spektrumları ve daha yüksek boyutlarda spektrumlar elde etmeye yönelik teknikler (hem avantajları hem de dezavantajları ile birlikte) yaygınlaştı.

Kantitatif NMR Analizi

Çözeltilerin kantitatif analizinde, pik alanı, kalibrasyon grafiği yönteminde veya ekleme yönteminde konsantrasyonun bir ölçüsü olarak kullanılabilir. Dereceli bir grafiğin kimyasal kaymanın konsantrasyon bağımlılığını yansıttığı bilinen yöntemler de vardır. NMR yönteminin inorganik analizlerde kullanılması, paramanyetik maddelerin varlığında nükleer gevşeme süresinin hızlanması gerçeğine dayanmaktadır. Gevşeme oranının ölçülmesi birkaç yöntemle gerçekleştirilebilir: Güvenilir ve evrensel olanı, örneğin NMR yönteminin darbeli versiyonu veya genellikle adlandırıldığı gibi spin eko yöntemidir. Bu yöntemi kullanarak ölçüm yaparken, rezonans emilimi bölgesinde belirli aralıklarla manyetik alanda incelenen numuneye kısa süreli radyo frekansı darbeleri uygulanır.Alıcı bobinde maksimum genliği ilgili olan bir dönüş yankı sinyali belirir. basit bir ilişki ile dinlenme zamanına. Geleneksel analitik tespitleri gerçekleştirmek için gevşeme oranlarının mutlak değerlerini bulmaya gerek yoktur. Bu durumlarda kendimizi bunlarla orantılı bazı miktarları (örneğin rezonans absorpsiyon sinyalinin genliğini) ölçmekle sınırlayabiliriz. Genlik ölçümleri basit, daha erişilebilir ekipman kullanılarak gerçekleştirilebilir. NMR yönteminin önemli bir avantajı, ölçülen parametrenin geniş değer aralığıdır. Spin echo kurulumunu kullanarak gevşeme süresi 0,00001 ila 100 s arasında belirlenebilir. %3...5 hatayla. Bu, bir çözeltinin konsantrasyonunun 1...2 ila 0,000001...0000001 mol/l arasında çok geniş bir aralıkta belirlenmesini mümkün kılar.En yaygın kullanılan analitik teknik, kalibrasyon grafiği yöntemidir. Heberlen U., Mehring M. Katılarda yüksek çözünürlüklü NMR. - M.: Mir. - 1980.

1. Olayın özü

   Öncelikle şunu belirtelim ki, bu olayın adı her ne kadar “nükleer” kelimesini içerse de, NMR'nin nükleer fizikle ve radyoaktiviteyle hiçbir ilgisi yoktur. Kesin bir tanımdan bahsedersek, kuantum mekaniği yasaları olmadan yapmanın yolu yoktur. Bu yasalara göre, manyetik çekirdeğin harici bir manyetik alanla etkileşiminin enerjisi yalnızca birkaç ayrı değer alabilir. Manyetik çekirdekler, frekansı, frekans birimleriyle ifade edilen bu ayrı enerji seviyeleri arasındaki farka karşılık gelen alternatif bir manyetik alanla ışınlanırsa, o zaman manyetik çekirdekler, alternatif enerjinin enerjisini emerken bir seviyeden diğerine hareket etmeye başlar. alan. Bu manyetik rezonans olgusudur. Bu açıklama resmi olarak doğrudur ancak çok net değildir. Kuantum mekaniği olmadan başka bir açıklama daha var. Manyetik çekirdek, kendi ekseni etrafında dönen elektrik yüklü bir top olarak hayal edilebilir (her ne kadar tam anlamıyla öyle olmasa da). Elektrodinamik yasalarına göre, bir yükün dönmesi, bir manyetik alanın, yani dönme ekseni boyunca yönlendirilen çekirdeğin manyetik momentinin ortaya çıkmasına neden olur. Bu manyetik moment sabit bir dış alana yerleştirilirse, o zaman bu anın vektörü, dış alanın yönü etrafında dönmeye, yani dönmeye başlar. Aynı şekilde, üst deliğin ekseni, kesinlikle dikey olarak bükülmemişse, ancak belirli bir açıda ise dikey etrafında döner (döner). Bu durumda manyetik alanın rolü yerçekimi kuvveti tarafından oynanır.

   Devinim frekansı hem çekirdeğin özelliklerine hem de manyetik alanın gücüne göre belirlenir: alan ne kadar güçlü olursa frekans da o kadar yüksek olur. Daha sonra, sabit bir dış manyetik alana ek olarak, çekirdek alternatif bir manyetik alandan etkilenirse, o zaman çekirdek bu alanla etkileşime girmeye başlar - çekirdeği daha güçlü bir şekilde sallıyor gibi görünüyor, devinim genliği artıyor ve çekirdek Alternatif alanın enerjisini emer. Bununla birlikte, bu yalnızca rezonans koşulu altında, yani devinim frekansı ile harici alternatif alanın frekansının çakışması durumunda gerçekleşecektir. Bu, okul fiziğindeki klasik örneğe benzer: Askerlerin köprüden geçmesi. Adımın frekansı köprünün doğal frekansıyla çakışıyorsa köprü giderek daha fazla sallanır. Deneysel olarak, bu fenomen, alternatif bir alanın soğurulmasının frekansına bağımlılığıyla kendini gösterir. Rezonans anında emilim keskin bir şekilde artar ve en basit manyetik rezonans spektrumu şöyle görünür:

   

2. Fourier dönüşümü spektroskopisi

   İlk NMR spektrometreleri tam olarak yukarıda anlatıldığı gibi çalışıyordu; numune sabit bir manyetik alana yerleştirildi ve ona sürekli olarak radyo frekansı radyasyonu uygulandı. Daha sonra ya alternatif alanın frekansı ya da sabit manyetik alanın yoğunluğu düzgün bir şekilde değişti. Alternatif alan enerjisinin emilimi, sinyalin bir kayıt cihazına veya osiloskopa gönderildiği bir radyo frekansı köprüsü tarafından kaydedildi. Ancak bu sinyal kaydetme yöntemi uzun süredir kullanılmamaktadır. Modern NMR spektrometrelerinde spektrum darbeler kullanılarak kaydedilir. Çekirdeklerin manyetik momentleri, kısa ve güçlü bir darbe ile uyarılır, ardından RF bobininde serbestçe ilerleyen manyetik momentler tarafından indüklenen sinyal kaydedilir. Manyetik momentler dengeye döndükçe bu sinyal yavaş yavaş sıfıra düşer (bu işleme manyetik gevşeme denir). NMR spektrumu bu sinyalden Fourier dönüşümü kullanılarak elde edilir. Bu, herhangi bir sinyali frekans harmoniklerine ayırmanıza ve böylece bu sinyalin frekans spektrumunu elde etmenize olanak tanıyan standart bir matematiksel prosedürdür. Bu spektrum kaydetme yöntemi, gürültü seviyesini önemli ölçüde azaltmanıza ve deneyleri çok daha hızlı yapmanıza olanak tanır.

   

   Bir spektrumu kaydetmek için heyecan verici bir darbe, en basit NMR deneyidir. Bununla birlikte, bir deneyde, araştırmacının nükleer manyetik momentler sistemiyle ne tür manipülasyonlar yapması gerektiğine bağlı olarak, farklı sürelerde, genliklerde, aralarında farklı gecikmeler vb. olan bu tür birçok darbe olabilir. Bununla birlikte, bu darbe dizilerinin neredeyse tamamı aynı şeyle bitiyor; serbest bir devinim sinyalinin kaydedilmesi ve ardından bir Fourier dönüşümü.

3. Maddedeki manyetik etkileşimler

   Çekirdeklerin birbirleriyle ve molekülün elektron kabuğuyla manyetik etkileşimleri olmasaydı, manyetik rezonansın kendisi ilginç bir fiziksel olaydan başka bir şey olarak kalmayacaktı. Bu etkileşimler rezonans parametrelerini etkiler ve bunların yardımıyla NMR yöntemi, moleküllerin özellikleri - bunların yönelimi, uzaysal yapısı (konformasyon), moleküller arası etkileşimler, kimyasal değişim, dönme ve öteleme dinamikleri - hakkında çeşitli bilgiler sağlayabilir. Bu sayede NMR, yalnızca fizikte değil, esas olarak kimya ve moleküler biyolojide de yaygın olarak kullanılan, moleküler düzeyde maddeleri incelemek için çok güçlü bir araç haline geldi. Böyle bir etkileşimin örneği kimyasal değişimdir. Özü şu şekildedir: Bir molekülün elektron kabuğu, harici bir manyetik alana tepki verir ve onu taramaya çalışır - tüm diyamanyetik maddelerde manyetik alanın kısmi taranması meydana gelir. Bu, moleküldeki manyetik alanın dış manyetik alandan çok küçük bir miktarda farklı olacağı anlamına gelir; buna kimyasal kayma denir. Ancak molekülün farklı kısımlarındaki elektron kabuğunun özellikleri farklıdır ve kimyasal kayma da farklıdır. Buna göre molekülün farklı kısımlarındaki çekirdeklerin rezonans koşulları da farklı olacaktır. Bu, spektrumdaki kimyasal olarak eşdeğer olmayan çekirdeklerin ayırt edilmesini mümkün kılar. Örneğin, saf suyun hidrojen çekirdeklerinin (protonlarının) spektrumunu alırsak, H2O molekülündeki her iki proton da tamamen aynı olduğundan yalnızca bir çizgi olacaktır. Ancak metil alkol CH3OH için spektrumda zaten iki çizgi olacaktır (diğer manyetik etkileşimleri ihmal edersek), çünkü iki tür proton vardır - metil grubu CH3'ün protonları ve oksijen atomuyla ilişkili proton. Moleküller karmaşıklaştıkça çizgi sayısı artacaktır ve eğer protein gibi bu kadar büyük ve karmaşık bir molekülü alırsak, bu durumda spektrum şöyle görünecektir:

   

4. Manyetik çekirdekler

   NMR farklı çekirdeklerde gözlemlenebilir ancak tüm çekirdeklerin manyetik momente sahip olmadığını söylemek gerekir. Çoğu zaman bazı izotopların manyetik momenti vardır, ancak aynı çekirdeğin diğer izotoplarının yoktur. Toplamda, manyetik çekirdeğe sahip çeşitli kimyasal elementlerin yüzden fazla izotopu vardır, ancak araştırmalarda genellikle 1520'den fazla manyetik çekirdek kullanılmaz, geri kalan her şey egzotiktir. Her çekirdeğin, jiromanyetik oran adı verilen, kendi karakteristik manyetik alan ve devinim frekansı oranı vardır. Bütün çekirdekler için bu ilişkiler bilinmektedir. Bunları kullanarak, belirli bir manyetik alan altında araştırmacının ihtiyaç duyduğu çekirdeklerden gelen bir sinyalin gözlemleneceği frekansı seçebilirsiniz.

   NMR için en önemli çekirdekler protonlardır. Doğada en çok bulunanlardır ve hassasiyetleri çok yüksektir. Karbon, nitrojen ve oksijen çekirdekleri kimya ve biyoloji için çok önemlidir, ancak bilim adamlarının onlarla pek şansı yaver gitmemiştir: Karbon ve oksijenin en yaygın izotopları olan 12 C ve 16 O'nun manyetik momenti yoktur, doğal Azotun izotopu 14 N'nin bir anı vardır, ancak bir takım nedenlerden dolayı deneyler için çok elverişsizdir. NMR deneylerine uygun 13 C, 15 N ve 17 O izotopları vardır ancak bunların doğal bolluğu çok azdır ve protonlara göre hassasiyetleri çok düşüktür. Bu nedenle, NMR çalışmaları için genellikle izotop bakımından zenginleştirilmiş özel numuneler hazırlanır; burada belirli bir çekirdeğin doğal izotopu, deneyler için gereken izotopla değiştirilir. Çoğu durumda bu prosedür çok zor ve pahalıdır, ancak bazen gerekli bilgiyi elde etmek için tek fırsattır.

5. Elektron paramanyetik ve dört kutuplu rezonans

   NMR'den bahsederken, diğer iki ilgili fiziksel olaydan bahsetmek mümkün değildir: elektron paramanyetik rezonansı (EPR) ve nükleer dört kutuplu rezonansı (NQR). EPR esasen NMR'ye benzer, fark, rezonansın atom çekirdeğinin değil, atomun elektron kabuğunun manyetik momentlerinde gözlemlenmesidir. EPR yalnızca elektron kabuğu eşlenmemiş elektron olarak adlandırılan moleküller veya kimyasal gruplarda gözlemlenebilir, bu durumda kabuğun sıfır olmayan bir manyetik momenti vardır. Bu tür maddelere paramıknatıs denir. EPR, NMR gibi, maddelerin çeşitli yapısal ve dinamik özelliklerini moleküler düzeyde incelemek için de kullanılır, ancak kullanım kapsamı önemli ölçüde daha dardır. Bunun temel nedeni, özellikle canlı doğadaki çoğu molekülün eşlenmemiş elektron içermemesidir. Bazı durumlarda, paramanyetik prob adı verilen, yani incelenen moleküle bağlanan eşlenmemiş elektrona sahip bir kimyasal grup kullanabilirsiniz. Ancak bu yaklaşımın, bu yöntemin yeteneklerini sınırlayan bariz dezavantajları vardır. Ek olarak EPR, NMR'deki kadar yüksek bir spektral çözünürlüğe (yani spektrumdaki bir çizgiyi diğerinden ayırt etme yeteneğine) sahip değildir.

   NQR'nin doğasını “parmaklarda” açıklamak çok zordur. Bazı çekirdekler elektriksel dört kutuplu moment olarak adlandırılan şeye sahiptir. Bu an, çekirdeğin elektrik yükünün dağılımının küresel simetriden sapmasını karakterize eder. Bu anın, maddenin kristal yapısının yarattığı elektrik alanının gradyanı ile etkileşimi, çekirdeğin enerji seviyelerinin bölünmesine yol açar. Bu durumda bu seviyeler arasındaki geçişlere karşılık gelen frekansta bir rezonans gözlemlenebilir. NMR ve EPR'den farklı olarak NQR, harici bir manyetik alan gerektirmez, çünkü seviye ayrımı bu olmadan gerçekleşir. NQR aynı zamanda maddeleri incelemek için de kullanılıyor ancak uygulama kapsamı EPR'den bile daha dar.

6. NMR'nin avantajları ve dezavantajları

   

   NMR, molekülleri incelemek için en güçlü ve bilgilendirici yöntemdir. Açıkça söylemek gerekirse, bu tek bir yöntem değil, çok sayıda farklı deney türüdür, yani darbe dizileridir. Her ne kadar hepsi NMR olgusunu temel alsa da, bu deneylerin her biri belirli spesifik bilgilerin elde edilmesi için tasarlanmıştır. Bu deneylerin sayısı yüzlerce olmasa da onlarca olarak ölçülür. Teorik olarak NMR, her şeyi olmasa da, moleküllerin yapısını ve dinamiğini incelemek için diğer tüm deneysel yöntemlerin yapabileceği hemen hemen her şeyi yapabilir, ancak pratikte bu elbette her zaman mümkün değildir. NMR'nin temel avantajlarından biri, bir yandan doğal problarının yani manyetik çekirdeklerin molekül boyunca dağılmış olması, diğer yandan bu çekirdeklerin birbirinden ayırt edilmesine ve mekansal olarak seçici veriler elde edilmesine olanak sağlamasıdır. Molekülün özellikleri hakkında. Hemen hemen tüm diğer yöntemler, molekülün tamamı veya yalnızca bir kısmı hakkında ortalama bilgi sağlar.

   NMR'nin iki ana dezavantajı vardır. İlk olarak, diğer deneysel yöntemlerin çoğuyla (optik spektroskopi, floresans, EPR, vb.) karşılaştırıldığında duyarlılığı düşüktür. Bu, gürültüyü ortalamak için sinyalin uzun süre biriktirilmesi gerektiği gerçeğine yol açmaktadır. Bazı durumlarda, bir NMR deneyi birkaç hafta boyunca bile gerçekleştirilebilir. İkincisi pahalıdır. NMR spektrometreleri, en az yüz binlerce dolara mal olan en pahalı bilimsel araçlar arasındadır ve en pahalı spektrometrelerin maliyeti birkaç milyondur. Özellikle Rusya'daki tüm laboratuvarların bu tür bilimsel donanıma sahip olması mümkün değildir.

7. NMR spektrometreleri için mıknatıslar

   Spektrometrenin en önemli ve pahalı parçalarından biri sabit bir manyetik alan oluşturan mıknatıstır. Alan ne kadar güçlü olursa hassasiyet ve spektral çözünürlük de o kadar yüksek olur; bu nedenle bilim adamları ve mühendisler sürekli olarak alanları mümkün olduğunca yükseğe çıkarmaya çalışıyorlar. Manyetik alan, solenoiddeki elektrik akımı tarafından yaratılır; akım ne kadar güçlü olursa alan da o kadar büyük olur. Ancak akımı süresiz olarak artırmak imkansızdır; çok yüksek bir akımda solenoid tel erimeye başlayacaktır. Bu nedenle, çok uzun bir süredir, yüksek alanlı NMR spektrometreleri süper iletken mıknatıslar, yani solenoid telinin süper iletken durumda olduğu mıknatıslar kullanmıştır. Bu durumda telin elektriksel direnci sıfırdır ve hiçbir akım değerinde enerji açığa çıkmaz. Süperiletken duruma yalnızca çok düşük sıcaklıklarda, sıvı helyumun sıcaklığı olan birkaç Kelvin derecesinde ulaşılabilir. (Yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik hala tamamen temel araştırmaların alanıdır.) Mıknatısların tasarımı ve üretimindeki tüm teknik zorluklar, onları pahalı hale getiren, bu kadar düşük bir sıcaklığın korunmasıyla ilişkilidir. Süper iletken bir mıknatıs, termos-matryoshka prensibi üzerine inşa edilmiştir. Solenoid vakum odasında merkezde bulunur. Sıvı helyum içeren bir kabukla çevrilidir. Bu kabuk, bir vakum tabakası boyunca sıvı nitrojenden oluşan bir kabuk ile çevrelenmiştir. Sıvı nitrojenin sıcaklığı eksi 196 santigrat derecedir; helyumun mümkün olduğunca yavaş buharlaşmasını sağlamak için nitrojene ihtiyaç vardır. Son olarak nitrojen kabuğu, harici bir vakum katmanıyla oda sıcaklığından izole edilir. Böyle bir sistem, süper iletken bir mıknatısın istenen sıcaklığını çok uzun bir süre boyunca koruma kapasitesine sahiptir, ancak bu, mıknatısa düzenli olarak sıvı nitrojen ve helyum eklenmesini gerektirir. Bu tür mıknatısların avantajı, yüksek manyetik alanlar elde etme yeteneğinin yanı sıra, aynı zamanda enerji tüketmemeleridir: Mıknatısı çalıştırdıktan sonra akım, uzun yıllar boyunca neredeyse hiç kayıp olmadan süper iletken tellerden geçer.

8. Tomografi

   Geleneksel NMR spektrometrelerinde manyetik alanı mümkün olduğu kadar tek biçimli hale getirmeye çalışırlar; bu, spektral çözünürlüğü iyileştirmek için gereklidir. Ancak numunenin içindeki manyetik alan tam tersine çok homojen değilse, bu NMR'nin kullanımı için temelde yeni olasılıkların önünü açar. Alanın homojen olmaması, ana mıknatısla birlikte çalışan gradyan bobinleri adı verilen bobinler tarafından yaratılır. Bu durumda, numunenin farklı kısımlarındaki manyetik alanın büyüklüğü farklı olacaktır; bu, NMR sinyalinin, geleneksel bir spektrometrede olduğu gibi numunenin tamamından değil, yalnızca dar katmanından gözlemlenebileceği anlamına gelir; rezonans koşulları, yani manyetik alan ile frekans arasında istenen ilişki karşılanır. Manyetik alanın büyüklüğünü (veya aslında aynı şey olan sinyal gözlem sıklığını) değiştirerek, sinyali üretecek katmanı değiştirebilirsiniz. Bu sayede numuneyi tüm hacmi boyunca "taranmak" ve numuneye herhangi bir mekanik şekilde zarar vermeden iç üç boyutlu yapısını "görmek" mümkün olur. Bugüne kadar, numune içindeki uzaysal çözünürlükle çeşitli NMR parametrelerinin (spektral özellikler, manyetik gevşeme süreleri, kendi kendine yayılma hızı ve diğerleri) ölçülmesini mümkün kılan çok sayıda teknik geliştirilmiştir. Pratik açıdan en ilginç ve önemli olanı, NMR tomografisinin tıpta uygulanmasıydı. Bu durumda incelenen “örnek” insan vücududur. NMR görüntüleme, onkolojiden doğuma kadar tıbbın çeşitli alanlarında en etkili ve güvenli (aynı zamanda pahalı) tanı araçlarından biridir. İlginçtir ki, bazı hastalar bunu nükleer reaksiyonlarla ve atom bombasıyla ilişkilendirdiğinden doktorların bu yöntem adına “nükleer” kelimesini kullanmaması dikkat çekicidir.

9. Keşif tarihi

   

   NMR'nin keşfedildiği yıl, Stanford'dan Amerikalı Felix Bloch ve ondan bağımsız olarak Harvard'dan Edward Purcell ve Robert Pound'un protonlar üzerindeki NMR sinyalini ilk kez gözlemlediği 1945 yılı olarak kabul edilir. O zamana kadar nükleer manyetizmanın doğası hakkında zaten çok şey biliniyordu; NMR etkisinin kendisi teorik olarak tahmin edilmişti ve onu deneysel olarak gözlemlemek için çeşitli girişimlerde bulunulmuştu. Bir yıl önce Sovyetler Birliği'nde Kazan'da EPR fenomeninin Evgeniy Zavoisky tarafından keşfedildiğini belirtmek önemlidir. Zavoisky'nin de NMR sinyalini gözlemlediği artık iyi biliniyor; bu, 1941'deki savaştan önceydi. Bununla birlikte, elinde zayıf alan bütünlüğüne sahip düşük kaliteli bir mıknatıs vardı; sonuçlar zayıf bir şekilde tekrarlanabiliyordu ve bu nedenle yayınlanmamıştı. Adil olmak gerekirse, NMR'yi "resmi" keşfinden önce gözlemleyen tek kişinin Zavoisky olmadığını belirtmek gerekir. Özellikle Amerikalı fizikçi Isidor Rabi (atom ve moleküler ışınlardaki çekirdeklerin manyetik özelliklerine ilişkin çalışmasıyla 1944'te Nobel Ödülü sahibi) de 30'ların sonlarında NMR'yi gözlemledi, ancak bunu araçsal bir eser olarak değerlendirdi. Öyle ya da böyle, ülkemiz manyetik rezonansın deneysel tespitinde önceliği koruyor. Her ne kadar Zavoisky savaştan kısa bir süre sonra başka sorunlarla bizzat ilgilenmeye başlasa da, keşfi Kazan'da bilimin gelişmesinde büyük rol oynadı. Kazan, EPR spektroskopisi alanında hâlâ dünyanın önde gelen bilimsel merkezlerinden biri olmaya devam ediyor.

10. Manyetik Rezonans Nobel Ödülleri

    20. yüzyılın ilk yarısında, çalışmaları olmadan NMR'nin keşfinin gerçekleşemeyeceği bilim adamlarına birçok Nobel Ödülü verildi. Bunlar arasında Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli yer alıyor. Ancak doğrudan NMR ile ilgili dört Nobel Ödülü vardı. 1952'de ödül, nükleer manyetik rezonansın keşfi nedeniyle Felix Bloch ve Edward Purcell'e verildi. Bu, fizikteki tek “NMR” Nobel Ödülüdür. 1991 yılında kimya ödülünü Zürih'teki ünlü ETH'de çalışan İsviçreli Richard Ernst aldı. NMR deneylerinin bilgi içeriğini radikal bir şekilde artırmayı mümkün kılan çok boyutlu NMR spektroskopi yöntemlerinin geliştirilmesi nedeniyle bu ödüle layık görüldü. 2002 yılında kimya dalında da ödülün sahibi, Ernst ile aynı Teknik Okulun komşu binalarında çalışan Kurt Wüthrich oldu. Çözeltideki proteinlerin üç boyutlu yapısını belirlemeye yönelik yöntemler geliştirdiği için ödüle layık görüldü. Daha önce, büyük biyomakromoleküllerin uzaysal konformasyonunu belirlemenin tek yöntemi X-ışını kırınım analiziydi. Son olarak, 2003 yılında Amerikalı Paul Lauterbur ve İngiliz Peter Mansfield, NMR tomografisinin icadı nedeniyle tıp ödülünü aldılar. EPR'nin Sovyet kaşifi E.K. Zavoisky ne yazık ki Nobel Ödülü'nü alamadı.

NMR spektroskopisi yöntemi çekirdeğin manyetik özelliklerine dayanmaktadır. Atom çekirdeği pozitif yük taşır ve kendi ekseni etrafında döner. Yükün dönmesi manyetik bir dipolün ortaya çıkmasına neden olur.

Spin kuantum sayısı (I) ile tanımlanabilen dönmenin açısal momentumu. Spin kuantum sayısının sayısal değeri, çekirdekte bulunan proton ve nötronların spin kuantum sayılarının toplamına eşittir.

Spin kuantum numarası değeri alabilir

Nükleonların sayısı çift ise, o zaman I = 0 değeri veya bir tamsayı olur. Bunlar C 12, H2, N 14 çekirdekleridir; bu tür çekirdekler radyo frekansı radyasyonunu emmez ve NMR spektroskopisinde sinyal üretmez.

I = ± 1/2 H1 , P 31 , F 19 - radyo frekansı radyasyonunu emer ve bir NMR spektrum sinyali üretir.

I = ± 1 1/2 CL 35, Br 79 - çekirdeğin yüzeyi üzerinde simetrik olmayan yük dağılımı. Bu da dört kutuplu bir momentin ortaya çıkmasına neden olur. Bu tür çekirdekler NMR spektroskopisi ile incelenmez.

PMR - spektroskopi

I'in sayısal değeri (I = ±1/2), aşağıdaki formüle göre çekirdeğin harici bir manyetik alan içindeki olası yönelimlerinin sayısını belirler:

Bu formülden yönelim sayısının 2 olduğu açıktır.

Daha düşük bir seviyede bulunan bir protonun daha yüksek bir seviyeye geçişini sağlamak için, ona bu seviyelerin enerji farkına eşit bir enerji verilmesi, yani kesin olarak tanımlanmış bir saflıkta radyasyonla ışınlanması gerekir. Enerji seviyelerindeki fark (ΔΕ), uygulanan manyetik alanın büyüklüğüne (H 0) ve manyetik moment (μ) ile tanımlanan çekirdeğin manyetik yapısına bağlıdır. Bu değer rotasyonla belirlenir:

, Nerede

h – Planck sabiti

Dış manyetik alanın büyüklüğü

γ – jiromanyetik oran adı verilen orantı katsayısı, spin kuantum sayısı I ile manyetik moment μ arasındaki ilişkiyi belirler.

– temel NMR denklemi, dış manyetik alanın büyüklüğünü, çekirdeklerin manyetik doğasını ve radyasyon enerjisinin emildiği ve çekirdeklerin seviyeler arasında hareket ettiği radyasyonun saflığını birbirine bağlar.

Yukarıdaki kayıttan, aynı çekirdekler olan protonlar için H 0 ve μ değerleri arasında sıkı bir ilişki olduğu açıktır.

Yani, örneğin, 14000 Gauss'luk bir dış manyetik alandaki proton çekirdeklerinin daha yüksek bir manyetik seviyeye geçmesi için, bunların 60 MHz frekansında ışınlanması gerekir; eğer 23000 Gauss'a kadarsa, o zaman 23000 Gauss frekansında radyasyona maruz kalmaları gerekir. 100 MHz gerekli olacaktır.

Dolayısıyla yukarıdan, bir NMR spektrometresinin ana parçalarının güçlü bir mıknatıs ve bir radyo frekansı radyasyon kaynağı olması gerektiği anlaşılmaktadır.

Analiz maddesi, 5 mm kalınlığında özel cam türlerinden yapılmış bir ampulün içine yerleştirilir. Ampulü bir mıknatısın boşluğuna yerleştiriyoruz, ampul içindeki manyetik alanın daha düzgün bir şekilde dağılması için, kendi ekseni etrafında döner, bir bobin yardımıyla radyo frekansı radyasyonu tarafından sürekli olarak radyasyon üretilir. Bu radyasyonun frekansı küçük bir aralıkta değişir. Zamanın bir noktasında, frekans NMR spektroskopi denklemine tam olarak karşılık geldiğinde, radyasyon enerjisinin emilmesi gözlemlenir ve protonlar dönüşlerini yeniden yönlendirir; bu enerji emilimi, alıcı bobin tarafından dar bir tepe şeklinde kaydedilir.

Bazı spektrometre modellerinde μ=const ve küçük koridorlarda H 0 değeri değişir. Spektrumun kaydedilmesi için 0,4 ml maddeye ihtiyaç vardır; eğer katı bir madde uygun bir çözelti içinde çözülürse 10-50 ml/g madde alınması gerekir.

Yüksek kaliteli bir spektrum elde etmek için %10-20 konsantrasyonlu çözeltilerin kullanılması gerekir. NMR hassasiyet sınırı %5'e karşılık gelir.

Bilgisayar kullanarak hassasiyeti arttırmak için saatlerce süren sinyal birikimi kullanılırken faydalı sinyalin yoğunluğu artar.

NMR spektrodağıtım tekniğinin daha da geliştirilmesinde Fourier sinyal dönüşümünün kullanımına başlandı. Bu durumda numune, yavaş yavaş değişen frekansta radyasyonla değil, tüm frekansları tek bir pakete bağlayan radyasyonla ışınlanır. Bu durumda, tek frekanstaki radyasyon emilir ve protonlar üst enerji seviyesine hareket eder, ardından kısa darbe kapatılır ve bundan sonra uyarılan protonlar emilen enerjiyi kaybedip alt seviyeye doğru hareket etmeye başlar. Bu enerji olgusu, sistem tarafından zamanla azalan bir dizi milisaniyelik darbe olarak kaydedilir.

İdeal çözücü, proton içermeyen, yani karbon tetraklorür ve karbon kükürt içeren bir maddedir, ancak bazı maddeler bu çözeltilerde çözünmez, dolayısıyla moleküllerdeki hafif izotop H1'in atomlarının atomlarla değiştirildiği herhangi bir çözücü Ağır izotop döteryum kullanılır. İzotop frekansı %99'a karşılık gelmelidir.

СDCl 3 - döteryum

Döteryum NMR spektrumunda bir sinyal üretmez. Yöntemin daha da geliştirilmesi, yüksek hızlı bir bilgisayarın kullanılması ve daha fazla sinyal dönüşümü oldu. Bu durumda, radyasyon frekansının son taraması yerine, olası tüm frekansları içeren anlık radyasyon numunenin üzerine bindirilir. Bu durumda, tüm çekirdeklerin anında uyarılması ve dönüşlerinin yeniden yönlendirilmesi meydana gelir. Radyasyon kapatıldıktan sonra çekirdekler enerji salmaya ve daha düşük bir enerji seviyesine doğru hareket etmeye başlar. Bu enerji patlaması birkaç saniye sürer ve kayıt sistemi tarafından çatal şeklinde kaydedilen bir dizi mikrosaniye darbesinden oluşur.