NMR spektroskopija. NMR za glupane, ili Deset osnovnih činjenica o nuklearnoj magnetskoj rezonanciji Osnove NMR tehnologije

1. Suština fenomena

   Prije svega treba napomenuti da iako naziv ovog fenomena sadrži riječ "nuklearni", NMR nema nikakve veze s nuklearnom fizikom i ni na koji način nije povezan s radioaktivnošću. Ako govorimo o strogom opisu, onda nema načina bez zakona kvantne mehanike. Prema tim zakonima, energija interakcije magnetske jezgre s vanjskim magnetskim poljem može poprimiti samo nekoliko diskretnih vrijednosti. Ako se magnetske jezgre ozrače izmjeničnim magnetskim poljem, čija frekvencija odgovara razlici između tih diskretnih energetskih razina, izraženoj u frekvencijskim jedinicama, tada se magnetske jezgre počinju pomicati s jedne razine na drugu, dok apsorbiraju energiju izmjenične energije. polje. Ovo je fenomen magnetske rezonancije. Ovo je objašnjenje formalno točno, ali nije baš jasno. Postoji još jedno objašnjenje, bez kvantne mehanike. Magnetsku jezgru možemo zamisliti kao kuglicu s električnim nabojem koja rotira oko svoje osi (iako, strogo govoreći, to nije tako). Prema zakonima elektrodinamike, rotacija naboja dovodi do pojave magnetskog polja, tj. magnetskog momenta jezgre, koji je usmjeren duž osi rotacije. Ako se taj magnetski moment stavi u konstantno vanjsko polje, tada vektor tog momenta počinje precesirati, tj. rotirati oko smjera vanjskog polja. Na isti način, os vrha precesira (rotira) oko okomice ako nije odvrnuta strogo okomito, već pod određenim kutom. U ovom slučaju, ulogu magnetskog polja igra sila gravitacije.

   Frekvenciju precesije određuju i svojstva jezgre i jakost magnetskog polja: što je polje jače, to je frekvencija veća. Zatim, ako, osim konstantnog vanjskog magnetskog polja, na jezgru djeluje i izmjenično magnetsko polje, tada jezgra počinje djelovati s tim poljem - čini se da jače njiše jezgru, amplituda precesije se povećava, a jezgra apsorbira energiju izmjeničnog polja. Međutim, to će se dogoditi samo pod uvjetom rezonancije, tj. podudarnosti frekvencije precesije i frekvencije vanjskog izmjeničnog polja. Ovo je slično klasičnom primjeru iz školske fizike - vojnici marširaju preko mosta. Ako se frekvencija koraka poklapa s prirodnom frekvencijom mosta, tada se most sve više njiše. Eksperimentalno se ova pojava očituje u ovisnosti apsorpcije izmjeničnog polja o njegovoj frekvenciji. U trenutku rezonancije apsorpcija se naglo povećava, a najjednostavniji spektar magnetske rezonancije izgleda ovako:

   

2. Spektroskopija s Fourierovom transformacijom

   Prvi NMR spektrometri radili su točno kako je gore opisano - uzorak je stavljen u konstantno magnetsko polje, a na njega je kontinuirano primjenjivano radiofrekvencijsko zračenje. Tada su ili frekvencija izmjeničnog polja ili intenzitet konstantnog magnetskog polja glatko varirali. Apsorpcija energije izmjeničnog polja bilježena je radiofrekvencijskim mostom iz kojeg je signal izlazio na snimač ili osciloskop. Ali ova metoda snimanja signala nije dugo korištena. U modernim NMR spektrometrima spektar se snima pomoću impulsa. Magnetski momenti jezgri pobuđuju se kratkim snažnim impulsom, nakon čega se bilježi signal induciran u RF zavojnici magnetskim momentima koji slobodno precesiraju. Taj se signal postupno smanjuje do nule kako se magnetski momenti vraćaju u ravnotežu (taj se proces naziva magnetska relaksacija). NMR spektar se dobiva iz ovog signala pomoću Fourierove transformacije. Ovo je standardni matematički postupak koji vam omogućuje rastavljanje bilo kojeg signala na frekvencijske harmonike i tako dobivanje frekvencijskog spektra tog signala. Ova metoda snimanja spektra omogućuje značajno smanjenje razine buke i provođenje pokusa mnogo brže.

   

   Jedan uzbudljivi puls za snimanje spektra je najjednostavniji NMR eksperiment. Međutim, u eksperimentu može biti mnogo takvih impulsa različitog trajanja, amplituda, s različitim kašnjenjima između njih itd., ovisno o tome kakve manipulacije istraživač treba izvesti sa sustavom nuklearnih magnetskih momenata. Međutim, gotovo sve ove sekvence impulsa završavaju istom stvari - snimanjem signala slobodne precesije nakon kojeg slijedi Fourierova transformacija.

3. Magnetske interakcije u tvari

   Sama magnetska rezonancija ne bi ostala ništa više od zanimljivog fizičkog fenomena da nije magnetskih interakcija jezgri jedne s drugom i s elektronskom ljuskom molekule. Te interakcije utječu na parametre rezonancije, a uz njihovu pomoć NMR metoda može pružiti niz informacija o svojstvima molekula - njihovoj orijentaciji, prostornoj strukturi (konformaciji), međumolekulskim interakcijama, kemijskoj izmjeni, rotacijskoj i translacijskoj dinamici. Zahvaljujući tome, NMR je postao vrlo moćan alat za proučavanje tvari na molekularnoj razini, koji se široko koristi ne samo u fizici, već uglavnom u kemiji i molekularnoj biologiji. Primjer jedne takve interakcije je takozvani kemijski pomak. Njegova je suština sljedeća: elektronska ljuska molekule reagira na vanjsko magnetsko polje i pokušava ga zakloniti - djelomično zasijavanje magnetskog polja događa se u svim dijamagnetskim tvarima. To znači da će se magnetsko polje u molekuli razlikovati od vanjskog magnetskog polja za vrlo malu količinu, što se naziva kemijski pomak. Međutim, svojstva elektronske ljuske u različitim dijelovima molekule su različita, a kemijski pomak je također različit. Sukladno tome, uvjeti rezonancije za jezgre u različitim dijelovima molekule također će se razlikovati. To omogućuje razlikovanje kemijski neekvivalentnih jezgri u spektru. Na primjer, ako uzmemo spektar jezgri vodika (protona) čiste vode, tada će postojati samo jedna linija, jer su oba protona u molekuli H 2 O potpuno ista. Ali za metilni alkohol CH 3 OH već će postojati dvije linije u spektru (ako zanemarimo druge magnetske interakcije), budući da postoje dvije vrste protona - protoni metilne skupine CH 3 i proton povezan s atomom kisika. Kako molekule postaju složenije, broj linija će se povećavati, a ako uzmemo tako veliku i složenu molekulu kao što je protein, onda će u ovom slučaju spektar izgledati otprilike ovako:

   

4. Magnetske jezgre

   NMR se može promatrati na različitim jezgrama, ali mora se reći da nemaju sve jezgre magnetski moment. Često se događa da neki izotopi imaju magnetski moment, ali drugi izotopi iste jezgre nemaju. Ukupno postoji više od stotinu izotopa raznih kemijskih elemenata koji imaju magnetske jezgre, ali u istraživanju se obično ne koristi više od 1520 magnetskih jezgri, sve ostalo je egzotika. Svaka jezgra ima svoj karakterističan omjer magnetskog polja i frekvencije precesije, koji se naziva žiromagnetski omjer. Za sve jezgre ovi odnosi su poznati. Koristeći ih, možete odabrati frekvenciju na kojoj će se, pod određenim magnetskim poljem, promatrati signal iz jezgri koje istraživač treba.

   Najvažnije jezgre za NMR su protoni. Najviše ih je u prirodi, a imaju i vrlo visoku osjetljivost. Jezgre ugljika, dušika i kisika vrlo su važne za kemiju i biologiju, no znanstvenici s njima nisu imali sreće: najčešći izotopi ugljika i kisika, 12 C i 16 O, nemaju magnetski moment, prirodni izotop dušika 14 N ima moment, ali je iz više razloga vrlo nezgodan za eksperimente. Postoje izotopi 13 C, 15 N i 17 O koji su prikladni za NMR pokuse, ali njihova je prirodna zastupljenost vrlo niska i njihova je osjetljivost vrlo niska u usporedbi s protonima. Stoga se za NMR istraživanja često pripremaju posebni uzorci obogaćeni izotopima, u kojima se prirodni izotop pojedine jezgre zamjenjuje onim potrebnim za eksperimente. U većini slučajeva ovaj je postupak vrlo težak i skup, no ponekad je to jedina prilika za dobivanje potrebnih informacija.

5. Elektronska paramagnetska i kvadrupolna rezonancija

   Govoreći o NMR-u, ne mogu se ne spomenuti još dva srodna fizikalna fenomena - elektronska paramagnetska rezonancija (EPR) i nuklearna kvadrupolna rezonancija (NQR). EPR je u biti sličan NMR-u, razlika je u tome što se rezonancija promatra u magnetskim momentima ne atomskih jezgri, već elektronske ljuske atoma. EPR se može promatrati samo u onim molekulama ili kemijskim skupinama čija elektronska ljuska sadrži takozvani nespareni elektron, tada ljuska ima magnetski moment različit od nule. Takve tvari nazivamo paramagnetima. EPR se, kao i NMR, također koristi za proučavanje različitih strukturnih i dinamičkih svojstava tvari na molekularnoj razini, ali mu je područje primjene znatno uže. To je uglavnom zbog činjenice da većina molekula, osobito u živoj prirodi, ne sadrži nesparene elektrone. U nekim slučajevima možete koristiti takozvanu paramagnetsku sondu, to jest kemijsku skupinu s nesparenim elektronom koji se veže na molekulu koja se proučava. Ali ovaj pristup ima očite nedostatke koji ograničavaju mogućnosti ove metode. Osim toga, EPR nema tako visoku spektralnu rezoluciju (tj. sposobnost razlikovanja jedne linije od druge u spektru) kao u NMR.

   Najteže je objasniti prirodu NQR “na prstima”. Neke jezgre imaju ono što se naziva električni kvadrupolni moment. Ovaj trenutak karakterizira odstupanje distribucije električnog naboja jezgre od sferne simetrije. Interakcija ovog trenutka s gradijentom električnog polja stvorenog kristalnom strukturom tvari dovodi do cijepanja energetskih razina jezgre. U ovom slučaju, može se promatrati rezonancija na frekvenciji koja odgovara prijelazima između tih razina. Za razliku od NMR i EPR, NQR ne zahtijeva vanjsko magnetsko polje, budući da se cijepanje razine događa bez njega. NQR se također koristi za proučavanje tvari, ali je njegov opseg primjene još uži od EPR-a.

6. Prednosti i nedostaci NMR-a

   

   NMR je najmoćnija i najinformativnija metoda za proučavanje molekula. Strogo govoreći, to nije jedna metoda, to je veliki broj različitih vrsta eksperimenata, odnosno sekvenci impulsa. Iako se svi temelje na fenomenu NMR-a, svaki od ovih eksperimenata osmišljen je za dobivanje određenih specifičnih informacija. Broj ovih eksperimenata mjeri se desecima, ako ne i stotinama. Teoretski, NMR može ako ne sve, onda gotovo sve što mogu i sve druge eksperimentalne metode proučavanja strukture i dinamike molekula, iako je to u praksi izvedivo, naravno, ne uvijek. Jedna od glavnih prednosti NMR-a je ta što su, s jedne strane, njegove prirodne sonde, tj. magnetske jezgre, raspoređene po cijeloj molekuli, as druge strane, omogućuje razlikovanje ovih jezgri jedna od druge i dobivanje prostorno selektivnih podataka o svojstvima molekule. Gotovo sve druge metode daju informacije ili u prosjeku za cijelu molekulu ili samo za jedan njezin dio.

   NMR ima dva glavna nedostatka. Prvo, to je niska osjetljivost u usporedbi s većinom drugih eksperimentalnih metoda (optička spektroskopija, fluorescencija, EPR, itd.). To dovodi do činjenice da se za prosječnu buku signal mora akumulirati dugo vremena. U nekim slučajevima, NMR eksperiment može se provoditi čak i nekoliko tjedana. Drugo, skupo je. NMR spektrometri su među najskupljim znanstvenim instrumentima, stoje najmanje stotine tisuća dolara, a najskuplji spektrometri koštaju i po nekoliko milijuna. Ne mogu si svi laboratoriji, posebno u Rusiji, priuštiti takvu znanstvenu opremu.

7. Magneti za NMR spektrometre

   Jedan od najvažnijih i najskupljih dijelova spektrometra je magnet koji stvara konstantno magnetsko polje. Što je polje jače, to je veća osjetljivost i spektralna rezolucija, pa znanstvenici i inženjeri neprestano pokušavaju postići što veća polja. Magnetsko polje stvara električna struja u solenoidu – što je struja jača, polje je veće. Međutim, nemoguće je povećavati struju na neodređeno vrijeme; pri vrlo visokoj struji, solenoidna žica će se jednostavno početi topiti. Stoga su NMR spektrometri visokog polja jako dugo koristili supravodljive magnete, tj. magnete u kojima je žica solenoida u supravodljivom stanju. U ovom slučaju, električni otpor žice je nula, a energija se ne oslobađa ni pri jednoj vrijednosti struje. Supravodljivo stanje može se postići samo na vrlo niskim temperaturama, samo nekoliko stupnjeva Kelvina, što je temperatura tekućeg helija. (Visokotemperaturna supravodljivost još uvijek je domena čisto fundamentalnih istraživanja.) Upravo s održavanjem tako niske temperature povezane su sve tehničke poteškoće u dizajnu i proizvodnji magneta, koje ih čine skupima. Supravodljivi magnet izgrađen je na principu termos-matrjoške. Solenoid se nalazi u sredini, u vakuumskoj komori. Okružen je ljuskom koja sadrži tekući helij. Ova ljuska je okružena ljuskom od tekućeg dušika kroz vakuumski sloj. Temperatura tekućeg dušika je minus 196 Celzijevih stupnjeva; dušik je potreban kako bi se osiguralo da helij isparava što sporije. Konačno, omotač dušika izoliran je od sobne temperature vanjskim vakuumskim slojem. Takav sustav je sposoban održavati željenu temperaturu supravodljivog magneta vrlo dugo, iako to zahtijeva redovno dodavanje tekućeg dušika i helija u magnet. Prednost takvih magneta, osim mogućnosti dobivanja visokih magnetskih polja, je i to što ne troše energiju: nakon pokretanja magneta, struja teče kroz supravodljive žice gotovo bez gubitaka dugi niz godina.

8. Tomografija

   U konvencionalnim NMR spektrometrima nastoji se magnetsko polje učiniti što ujednačenijim, što je neophodno za poboljšanje spektralne rezolucije. Ali ako je magnetsko polje unutar uzorka, naprotiv, vrlo nehomogeno, to otvara fundamentalno nove mogućnosti za korištenje NMR-a. Nehomogenost polja stvaraju takozvani gradijentni svici, koji rade u tandemu s glavnim magnetom. U ovom slučaju, veličina magnetskog polja u različitim dijelovima uzorka bit će različita, što znači da se NMR signal ne može promatrati iz cijelog uzorka, kao u konvencionalnom spektrometru, već samo iz njegovog uskog sloja, za koji ispunjeni su uvjeti rezonancije, tj. željeni odnos između magnetskog polja i frekvencije. Promjenom veličine magnetskog polja (ili, što je u biti isto, frekvencije promatranja signala), možete promijeniti sloj koji će proizvoditi signal. Na taj način je moguće “skenirati” uzorak po cijelom volumenu i “vidjeti” njegovu unutarnju trodimenzionalnu strukturu bez mehaničkog uništavanja uzorka. Do danas je razvijen veliki broj tehnika koje omogućuju mjerenje različitih NMR parametara (spektralne karakteristike, vremena magnetske relaksacije, brzina samodifuzije i neki drugi) s prostornom rezolucijom unutar uzorka. Najzanimljiviju i najvažniju, s praktičnog gledišta, primjenu NMR tomografija našla je u medicini. U ovom slučaju, "uzorak" koji se proučava je ljudsko tijelo. NMR snimanje jedno je od najučinkovitijih i najsigurnijih (ali i najskupljih) dijagnostičkih sredstava u raznim područjima medicine, od onkologije do porodništva. Zanimljivo je da liječnici ne koriste riječ "nuklearna" u nazivu ove metode jer je neki pacijenti asociraju na nuklearne reakcije i atomsku bombu.

9. Povijest otkrića

   

   Godinom otkrića NMR-a smatra se 1945. godina, kada su Amerikanci Felix Bloch sa Stanforda i, neovisno o njemu, Edward Purcell i Robert Pound s Harvarda prvi promatrali NMR signal na protonima. U to se vrijeme već mnogo znalo o prirodi nuklearnog magnetizma, sam NMR efekt bio je teoretski predviđen, a učinjeno je nekoliko pokušaja da se promatra eksperimentalno. Važno je napomenuti da je godinu dana ranije u Sovjetskom Savezu, u Kazanu, EPR fenomen otkrio Evgeniy Zavoisky. Sada je dobro poznato da je Zavojski također promatrao NMR signal, bilo je to prije rata, 1941. godine. No, imao je na raspolaganju nekvalitetan magnet s lošom ujednačenošću polja, rezultati su bili slabo ponovljivi i stoga su ostali neobjavljeni. Da budemo pošteni, treba napomenuti da Zavojski nije bio jedini koji je promatrao NMR prije njegovog "službenog" otkrića. Konkretno, američki fizičar Isidor Rabi (dobitnik Nobelove nagrade 1944. za proučavanje magnetskih svojstava jezgri u atomskim i molekularnim zrakama) također je promatrao NMR u kasnim 30-ima, ali ga je smatrao instrumentalnim artefaktom. Ovako ili onako, naša zemlja zadržava prioritet u eksperimentalnoj detekciji magnetske rezonancije. Iako se i sam Zavojski ubrzo nakon rata počeo baviti drugim problemima, njegovo je otkriće odigralo veliku ulogu u razvoju znanosti u Kazanu. Kazan je i dalje jedno od vodećih svjetskih znanstvenih središta za EPR spektroskopiju.

10. Nobelove nagrade za magnetsku rezonancu

    U prvoj polovici 20. stoljeća dodijeljeno je nekoliko Nobelovih nagrada znanstvenicima bez čijeg rada ne bi moglo doći do otkrića NMR-a. Među njima su Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Ali postojale su četiri Nobelove nagrade izravno povezane s NMR-om. Godine 1952. nagradu su dobili Felix Bloch i Edward Purcell za otkriće nuklearne magnetske rezonancije. Ovo je jedina "NMR" Nobelova nagrada za fiziku. Godine 1991. Švicarac Richard Ernst, koji je radio na poznatom ETH u Zürichu, dobio je nagradu iz kemije. Dobio ga je za razvoj višedimenzionalnih metoda NMR spektroskopije, koje su omogućile radikalno povećanje informativnog sadržaja NMR eksperimenata. Godine 2002. dobitnik je nagrade, također iz kemije, bio Kurt Wüthrich, koji je s Ernstom radio u susjednim zgradama iste Tehničke škole. Nagradu je dobio za razvoj metoda za određivanje trodimenzionalne strukture proteina u otopini. Prethodno je jedina metoda za određivanje prostorne konformacije velikih biomakromolekula bila analiza rendgenske difrakcije. Konačno, 2003. Amerikanac Paul Lauterbur i Englez Peter Mansfield dobili su medicinsku nagradu za izum NMR tomografije. Sovjetski pronalazač EPR-a, E. K. Zavoisky, nažalost, nije dobio Nobelovu nagradu.

NMR spektroskopija je nedestruktivna metoda analize. Moderno pulsna NMR Fourierova spektroskopija omogućuje analizu na 80 mag. jezgre. NMR spektroskopija je jedna od glavnih. Phys.-Chem. metode analize, njegovi se podaci koriste za nedvosmislenu identifikaciju kao intervali. kemijski produkti r-cije, i ciljani in-in. Osim strukturnih zadataka i količina. analiza, NMR spektroskopija donosi informacije o konformacijskim ravnotežama, difuziji atoma i molekula u čvrstim tijelima, inter. gibanja, vodikove veze i asocijacije u tekućinama, keto-enolni tautomerizam, metalo- i prototropija, red i raspored jedinica u polimernim lancima, adsorpcija tvari, elektronska struktura ionskih kristala, tekućih kristala itd. NMR spektroskopija je izvor informacija o strukturi biopolimera , uključujući proteinske molekule u otopinama, usporedive u pouzdanosti s podacima analize difrakcije X-zraka. U 80-ima Započelo je ubrzano uvođenje metoda NMR spektroskopije i tomografije u medicinu za dijagnostiku složenih bolesti i za medicinsko ispitivanje stanovništva.
Broj i položaj linija u NMR spektrima jednoznačno karakteriziraju sve frakcije sirove nafte, sintetske. gume, plastike, škriljevca, ugljena, lijekova, lijekova, kemijskih proizvoda. i farmaceutski prom-sti itd.
Intenzitet i širina NMR linije vode ili ulja omogućavaju precizno mjerenje sadržaja vlage i ulja u sjemenu i sigurnost zrna. Prilikom odstupanja od signala vode, moguće je zabilježiti sadržaj glutena u svakom zrnu, što, poput analize sadržaja ulja, omogućuje ubrzanu poljoprivrednu selekciju. usjevi
Korištenje sve jačih magneta. poljima (do 14 T u serijskim uređajima i do 19 T u eksperimentalnim instalacijama) pruža mogućnost potpunog određivanja strukture proteinskih molekula u otopinama, ekspresne analize biol. tekućine (koncentracije endogenih metabolita u krvi, urinu, limfi, cerebrospinalnoj tekućini), kontrola kvalitete novih polimernih materijala. U ovom slučaju koriste se brojne varijante multikvantne i višedimenzionalne Fourierove spektroskopske spektroskopije. Tehnike.
Fenomen NMR otkrili su F. Bloch i E. Purcell (1946.), za što su dobili Nobelovu nagradu (1952.).

Fenomen nuklearne magnetske rezonancije može se koristiti ne samo u fizici i kemiji, već iu medicini: ljudsko tijelo je skup istih organskih i anorganskih molekula.
Da bi se promatrao ovaj fenomen, objekt se stavlja u konstantno magnetsko polje i izlaže radiofrekvencijskim i gradijentnim magnetskim poljima. U zavojnici induktora koja okružuje predmet koji se proučava, javlja se izmjenična elektromotorna sila (EMS), čiji amplitudno-frekvencijski spektar i vremenske prijelazne karakteristike nose informacije o prostornoj gustoći rezonantnih atomskih jezgri, kao i drugim parametrima specifičnim samo za nuklearna magnetska rezonancija. Računalna obrada ovih informacija generira trodimenzionalnu sliku koja karakterizira gustoću kemijski ekvivalentnih jezgri, vremena relaksacije nuklearne magnetske rezonancije, raspodjelu brzina protoka tekućine, difuziju molekula i biokemijske metaboličke procese u živim tkivima.
Bit NMR introskopije (ili magnetske rezonancije) je, zapravo, provođenje posebne vrste kvantitativne analize amplitude signala nuklearne magnetske rezonancije. U konvencionalnoj NMR spektroskopiji nastoji se postići najbolja moguća rezolucija spektralnih linija. Da bi se to postiglo, magnetski sustavi se podešavaju na takav način da se stvori najbolja moguća jednolikost polja unutar uzorka. U NMR introskopskim metodama, naprotiv, stvoreno magnetsko polje očito je neuniformno. Tada postoji razlog za očekivati ​​da frekvencija nuklearne magnetske rezonancije u svakoj točki uzorka ima svoju vrijednost, različitu od vrijednosti u drugim dijelovima. Postavljanjem bilo kojeg koda za gradacije amplitude NMR signala (svjetlina ili boja na ekranu monitora), možete dobiti konvencionalnu sliku (tomogram) dijelova unutarnje strukture objekta.
NMR introskopija i NMR tomografija prvi su izumljeni u svijetu 1960. godine od strane V. A. Ivanova. Nesposobni vještak odbio je prijavu izuma (metode i uređaja) „...zbog očite beskorisnosti predloženog rješenja“, pa je autorska potvrda za to izdana tek nakon više od 10 godina. Dakle, službeno je priznato da autor NMR tomografije nije tim dolje navedenih nobelovaca, već ruski znanstvenik. Unatoč toj pravnoj činjenici, Nobelova nagrada za NMR tomografiju nije dodijeljena V. A. Ivanovu.

Za točno proučavanje spektra više nisu dovoljni tako jednostavni uređaji kao što su uski prorez koji ograničava svjetlosni snop i prizma. Potrebni su instrumenti koji daju jasan spektar, tj. instrumenti koji mogu dobro razdvojiti valove različitih duljina i ne dopuštaju preklapanje pojedinih dijelova spektra. Takvi uređaji nazivaju se spektralni uređaji. Najčešće je glavni dio spektralnog aparata prizma ili difrakcijska rešetka.

ELEKTRONIČKA PARAMAGNETSKA REZONANCIJA

Suština metode

Bit fenomena elektronske paramagnetske rezonancije je rezonantna apsorpcija elektromagnetskog zračenja od strane nesparenih elektrona. Elektron ima spin i pridruženi magnetski moment.

Ako slobodni radikal s rezultirajućom kutnom količinom gibanja J postavimo u magnetsko polje jakosti B 0 , tada za J različito od nule uklanja se degeneracija u magnetskom polju, a kao rezultat interakcije s magnetskim poljem, 2J+1 nastaju razine čiji je položaj opisan izrazom: W =gβB 0 M, (gdje je M = +J, +J-1, …-J) i određen je Zeemanovom interakcijom magnetskog polja s magnetskim momentom J. Na slici je prikazano cijepanje energetskih razina elektrona.

Razine energije i dopušteni prijelazi za atom s nuklearnim spinom 1 u konstantnom (A) i izmjeničnom (B) polju.

Ako sada na paramagnetsko središte primijenimo elektromagnetsko polje s frekvencijom ν, polarizirano u ravnini okomitoj na vektor magnetskog polja B 0 , tada će ono uzrokovati prijelaze magnetskog dipola koji se pokoravaju pravilu odabira ΔM = 1. Kada energija elektronički prijelaz poklapa s energijom fotoelektromagnetskog vala, doći će do rezonantne reakcije apsorpcije mikrovalnog zračenja. Dakle, uvjet rezonancije je određen temeljnom relacijom magnetske rezonancije

Apsorpcija energije mikrovalnog polja opaža se ako postoji populacijska razlika između razina.

U toplinskoj ravnoteži postoji mala razlika u naseljenostima Zeemanovih razina, određena Boltzmannovom distribucijom = exp(gβB 0 /kT). U takvom sustavu, kada su prijelazi pobuđeni, vrlo brzo bi se trebala dogoditi jednakost populacija energetskih podrazina i nestati apsorpcije mikrovalnog polja. Međutim, u stvarnosti postoji mnogo različitih mehanizama interakcije, uslijed kojih elektron bez zračenja prelazi u svoje izvorno stanje. Efekt konstantnog intenziteta apsorpcije s povećanjem snage javlja se zbog elektrona koji se nemaju vremena opustiti, a naziva se zasićenje. Zasićenje se javlja pri velikoj snazi ​​mikrovalnog zračenja i može značajno iskriviti rezultate mjerenja koncentracije centara EPR metodom.

Vrijednost metode

EPR metoda daje jedinstvene informacije o paramagnetskim centrima. Jasno razlikuje ione nečistoće izomorfno uključene u rešetku od mikroinkluzija. U tom slučaju dobivaju se potpune informacije o određenom ionu u kristalu: valencija, koordinacija, lokalna simetrija, hibridizacija elektrona, koliko i u kojim strukturnim položajima elektrona je uključen, orijentacija osi kristalnog polja na mjesto ovog iona, potpuna karakteristika kristalnog polja i detaljne informacije o kemijskoj vezi. I što je vrlo važno, metoda omogućuje određivanje koncentracije paramagnetskih centara u područjima kristala s različitim strukturama.

No, EPR spektar nije samo karakteristika iona u kristalu, već i samog kristala, značajke raspodjele gustoće elektrona, kristalnog polja, ionsko-kovalencije u kristalu, i na kraju, jednostavno dijagnostička karakteristika mineral, jer svaki ion u svakom mineralu ima svoje jedinstvene parametre. U ovom slučaju, paramagnetski centar je neka vrsta sonde, koja daje spektroskopske i strukturne karakteristike svog mikrookruženja.

Ovo svojstvo koristi se u tzv. metoda spinskih oznaka i sondi, koja se temelji na uvođenju stabilnog paramagnetskog centra u sustav koji se proučava. Kao takav paramagnetski centar u pravilu se koristi nitroksilni radikal koji karakterizira anizotropnost g I A tenzori.

NMR spektroskopija

Spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije, NMR spektroskopija- spektroskopska metoda za proučavanje kemijskih objekata, koristeći fenomen nuklearne magnetske rezonancije. Najvažnije za kemiju i praktičnu primjenu su spektroskopija protonske magnetske rezonancije (PMR spektroskopija), kao i NMR spektroskopija na ugljik-13 ( 13 C NMR spektroskopija), fluor-19 (infracrvena spektroskopija, NMR otkriva podatke o molekularnoj strukturi kemikalija Međutim, pruža potpunije informacije od IS, omogućujući proučavanje dinamičkih procesa u uzorku - određivanje konstanti brzine kemijskih reakcija, vrijednosti energetskih barijera intramolekulskoj rotaciji. Ove značajke čine NMR spektroskopiju prikladnim alatom kako u teoretskoj organskoj kemije i za analizu bioloških objekata.

Osnovna NMR tehnika

Uzorak tvari za NMR stavlja se u staklenu cijev (ampulu) tankih stijenki. Kada se stavi u magnetsko polje, NMR aktivne jezgre (kao što su 1 H ili 13 C) apsorbiraju elektromagnetsku energiju. Rezonantna frekvencija, energija apsorpcije i intenzitet emitiranog signala proporcionalni su jakosti magnetskog polja. Dakle, u polju od 21 Tesla, proton rezonira na frekvenciji od 900 MHz.

Kemijski pomak

Ovisno o lokalnom elektroničkom okruženju, različiti protoni u molekuli rezoniraju na neznatno različitim frekvencijama. Budući da su i ovaj pomak frekvencije i osnovna rezonantna frekvencija izravno proporcionalni jakosti magnetskog polja, ovaj pomak se pretvara u bezdimenzionalnu veličinu neovisnu o magnetskom polju poznatu kao kemijski pomak. Kemijski pomak se definira kao relativna promjena u odnosu na neke referentne uzorke. Frekvencijski pomak je izuzetno mali u usporedbi s glavnom NMR frekvencijom. Tipični pomak frekvencije je 100 Hz, dok je osnovna NMR frekvencija reda veličine 100 MHz. Stoga se kemijski pomak često izražava u dijelovima na milijun (ppm). Kako bi se otkrila tako mala razlika frekvencija, primijenjeno magnetsko polje mora biti konstantno unutar volumena uzorka.

Budući da kemijski pomak ovisi o kemijskoj strukturi tvari, koristi se za dobivanje strukturnih informacija o molekulama u uzorku. Na primjer, spektar za etanol (CH 3 CH 2 OH) daje 3 različita signala, odnosno 3 kemijska pomaka: jedan za CH 3 skupinu, drugi za CH 2 skupinu i posljednji za OH. Tipični pomak za CH 3 skupinu je približno 1 ppm, za CH 2 skupinu vezanu na OH-4 ppm, a OH je približno 2-3 ppm.

Zbog molekularnog gibanja na sobnoj temperaturi, signali 3 metil protona su prosječni tijekom NMR procesa, koji traje samo nekoliko milisekundi. Ovi protoni degeneriraju i formiraju vrhove pri istom kemijskom pomaku. Softver vam omogućuje analizu veličine vrhova kako biste razumjeli koliko protona doprinosi tim vrhovima.

Spin-spin interakcija

Najkorisnije informacije za određivanje strukture u jednodimenzionalnom NMR spektru pružaju takozvane spin-spin interakcije između aktivnih NMR jezgri. Ova interakcija proizlazi iz prijelaza između različitih stanja spina jezgri u kemijskim molekulama, što rezultira razdvajanjem NMR signala. Ovo razdvajanje može biti jednostavno ili složeno i, kao posljedica toga, može biti ili lako za tumačenje ili može biti zbunjujuće za eksperimentatora.

Ovo vezanje daje detaljne informacije o vezama atoma u molekuli.

Interakcija drugog reda (jaka)

Jednostavna spin-spin sprega pretpostavlja da je konstanta sprege mala u usporedbi s razlikom u kemijskim pomacima između signala. Ako se razlika pomaka smanji (ili se konstanta interakcije poveća), intenzitet multipleta uzorka postaje iskrivljen i postaje ga teže analizirati (posebno ako sustav sadrži više od 2 spina). Međutim, u NMR spektrometrima velike snage izobličenje je obično umjereno i to omogućuje jednostavno tumačenje povezanih vrhova.

Učinci drugog reda smanjuju se kako se povećava frekvencijska razlika između multipleta, tako da visokofrekventni NMR spektar pokazuje manje izobličenja od niskofrekventnog spektra.

Primjena NMR spektroskopije u istraživanju proteina

Većina novijih inovacija u NMR spektroskopiji napravljena je u tzv. NMR spektroskopiji proteina, koja postaje vrlo važna tehnika u modernoj biologiji i medicini. Opći cilj je dobiti trodimenzionalnu strukturu proteina u visokoj rezoluciji, sličnu slikama dobivenim rendgenskom kristalografijom. Zbog prisutnosti više atoma u molekuli proteina u usporedbi s jednostavnim organskim spojem, osnovni 1D spektar prepun je signala koji se preklapaju, što onemogućuje izravnu analizu spektra. Stoga su razvijene višedimenzionalne tehnike za rješavanje ovog problema.

Kako bi se poboljšali rezultati ovih eksperimenata, koristi se metoda označenog atoma, uz korištenje 13 C ili 15 N. Na taj način postaje moguće dobiti 3D spektar uzorka proteina, što je postalo otkriće u modernoj farmaciji. Nedavno su postale široko rasprostranjene tehnike (koje imaju i prednosti i nedostatke) za dobivanje 4D spektra i spektara viših dimenzija, temeljene na nelinearnim metodama uzorkovanja s naknadnom restauracijom signala opadanja slobodne indukcije pomoću posebnih matematičkih tehnika.

Književnost

• Gunther X. Uvod u tečaj NMR spektroskopije. - Per. s engleskog - M., 1984.

Zaklada Wikimedia. 2010.

Pogledajte što je "NMR spektroskopija" u drugim rječnicima:

Spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije na jezgrama ugljika 13, 13C NMR spektroskopija jedna je od metoda NMR spektroskopije s jezgrama izotopa ugljika 13C. Jezgra 13C ima spin 1/2 u svom osnovnom stanju, njen sadržaj u prirodi... ... Wikipedia

Slika ljudskog mozga na medicinskom NMR tomografu Nuklearna magnetska rezonancija (NMR) rezonantna apsorpcija elektromagnetske energije tvari koja sadrži jezgre sa spinom različitim od nule u vanjskom magnetskom polju, uzrokovana preorijentacijom ... ... Wikipedia

NMR spektroskopija

NMR spektroskopija

spektroskopija magnetske rezonancije- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. atitikmenys: engl. NMR... ... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopija; spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR spektroskopija, f rus. spektroskopija nuklearnih… Fizikos terminų žodynas

Magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. atitikmenys: engl. NMR... ... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

spektroskopija nuklearne rezonancije- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopija; spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR spektroskopija, f rus. spektroskopija nuklearnih… Fizikos terminų žodynas

Skup istraživačkih metoda. u VA prema apsorpcijskim spektrima njihovih atoma, iona i molekula. mag. Radio valovi. Zračenje uključuje elektronske paramagnetske metode. rezonancija (EPR), nuklearna magnetska. rezonancija (NMR), ciklotronska rezonancija itd... Prirodna znanost. enciklopedijski rječnik

Slika ljudskog mozga na medicinskom NMR tomografu Nuklearna magnetska rezonancija (NMR) rezonantna apsorpcija ili emisija elektromagnetske energije tvari koja sadrži jezgre sa spinom različitim od nule u vanjskom magnetskom polju, na frekvenciji ν ... ... Wikipedia

1. Suština pojave

Prije svega treba napomenuti da iako naziv ovog fenomena sadrži riječ "nuklearni", NMR nema nikakve veze s nuklearnom fizikom i ni na koji način nije povezan s radioaktivnošću. Ako govorimo o strogom opisu, onda nema načina bez zakona kvantne mehanike. Prema tim zakonima, energija interakcije magnetske jezgre s vanjskim magnetskim poljem može poprimiti samo nekoliko diskretnih vrijednosti. Ako se magnetske jezgre ozrače izmjeničnim magnetskim poljem, čija frekvencija odgovara razlici između tih diskretnih energetskih razina, izraženoj u frekvencijskim jedinicama, tada se magnetske jezgre počinju pomicati s jedne razine na drugu, dok apsorbiraju energiju izmjenične energije. polje. Ovo je fenomen magnetske rezonancije. Ovo je objašnjenje formalno točno, ali nije baš jasno. Postoji još jedno objašnjenje, bez kvantne mehanike. Magnetsku jezgru možemo zamisliti kao kuglicu s električnim nabojem koja rotira oko svoje osi (iako, strogo govoreći, to nije tako). Prema zakonima elektrodinamike, rotacija naboja dovodi do pojave magnetskog polja, tj. magnetskog momenta jezgre, koji je usmjeren duž osi rotacije. Ako se taj magnetski moment stavi u konstantno vanjsko polje, tada vektor tog momenta počinje precesirati, tj. rotirati oko smjera vanjskog polja. Na isti način, os vrha precesira (rotira) oko okomice ako nije odvrnuta strogo okomito, već pod određenim kutom. U ovom slučaju, ulogu magnetskog polja igra sila gravitacije.

­

Frekvenciju precesije određuju i svojstva jezgre i jakost magnetskog polja: što je polje jače, to je frekvencija veća. Zatim, ako, osim konstantnog vanjskog magnetskog polja, na jezgru djeluje i izmjenično magnetsko polje, tada jezgra počinje djelovati s tim poljem - čini se da jače njiše jezgru, amplituda precesije se povećava, a jezgra apsorbira energiju izmjeničnog polja. Međutim, to će se dogoditi samo pod uvjetom rezonancije, tj. podudarnosti frekvencije precesije i frekvencije vanjskog izmjeničnog polja. Ovo je slično klasičnom primjeru iz školske fizike - vojnici marširaju preko mosta. Ako se frekvencija koraka poklapa s prirodnom frekvencijom mosta, tada se most sve više njiše. Eksperimentalno se ova pojava očituje u ovisnosti apsorpcije izmjeničnog polja o njegovoj frekvenciji. U trenutku rezonancije apsorpcija se naglo povećava, a najjednostavniji spektar magnetske rezonancije izgleda ovako:

­

2. Fourierova spektroskopija

Prvi NMR spektrometri radili su točno kako je gore opisano - uzorak je stavljen u konstantno magnetsko polje, a na njega je kontinuirano primjenjivano radiofrekvencijsko zračenje. Tada su ili frekvencija izmjeničnog polja ili intenzitet konstantnog magnetskog polja glatko varirali. Apsorpcija energije izmjeničnog polja bilježena je radiofrekvencijskim mostom iz kojeg je signal izlazio na snimač ili osciloskop. Ali ova metoda snimanja signala nije dugo korištena. U modernim NMR spektrometrima spektar se snima pomoću impulsa. Magnetski momenti jezgri pobuđuju se kratkim snažnim impulsom, nakon čega se bilježi signal induciran u RF zavojnici magnetskim momentima koji slobodno precesiraju. Taj se signal postupno smanjuje do nule kako se magnetski momenti vraćaju u ravnotežu (taj se proces naziva magnetska relaksacija). NMR spektar se dobiva iz ovog signala pomoću Fourierove transformacije. Ovo je standardni matematički postupak koji vam omogućuje rastavljanje bilo kojeg signala na frekvencijske harmonike i tako dobivanje frekvencijskog spektra tog signala. Ova metoda snimanja spektra omogućuje značajno smanjenje razine buke i provođenje pokusa mnogo brže.

­

Jedan pobudni impuls za snimanje spektra je najjednostavniji NMR eksperiment. Međutim, u eksperimentu može biti mnogo takvih impulsa različitog trajanja, amplituda, s različitim kašnjenjima između njih itd., ovisno o tome kakve manipulacije istraživač treba izvesti sa sustavom nuklearnih magnetskih momenata. Međutim, gotovo sve ove sekvence impulsa završavaju istom stvari - snimanjem signala slobodne precesije nakon kojeg slijedi Fourierova transformacija.

3. Magnetske interakcije u tvari

Sama magnetska rezonancija ne bi ostala ništa više od zanimljivog fizičkog fenomena da nije magnetskih interakcija jezgri jedne s drugom i s elektronskom ljuskom molekule. Te interakcije utječu na parametre rezonancije, a uz njihovu pomoć NMR metoda može pružiti niz informacija o svojstvima molekula - njihovoj orijentaciji, prostornoj strukturi (konformaciji), međumolekulskim interakcijama, kemijskoj izmjeni, rotacijskoj i translacijskoj dinamici. Zahvaljujući tome, NMR je postao vrlo moćan alat za proučavanje tvari na molekularnoj razini, koji se široko koristi ne samo u fizici, već uglavnom u kemiji i molekularnoj biologiji. Primjer jedne takve interakcije je takozvani kemijski pomak. Njegova je suština sljedeća: elektronska ljuska molekule reagira na vanjsko magnetsko polje i pokušava ga zakloniti - djelomično zasijavanje magnetskog polja događa se u svim dijamagnetskim tvarima. To znači da će se magnetsko polje u molekuli razlikovati od vanjskog magnetskog polja za vrlo malu količinu, što se naziva kemijski pomak. Međutim, svojstva elektronske ljuske u različitim dijelovima molekule su različita, a kemijski pomak je također različit. Sukladno tome, uvjeti rezonancije za jezgre u različitim dijelovima molekule također će se razlikovati. To omogućuje razlikovanje kemijski neekvivalentnih jezgri u spektru. Na primjer, ako uzmemo spektar jezgri vodika (protona) čiste vode, tada će postojati samo jedna linija, jer su oba protona u molekuli H 2 O potpuno ista. Ali za metilni alkohol CH 3 OH već će postojati dvije linije u spektru (ako zanemarimo druge magnetske interakcije), budući da postoje dvije vrste protona - protoni metilne skupine CH 3 i proton povezan s atomom kisika. Kako molekule postaju složenije, broj linija će se povećavati, a ako uzmemo tako veliku i složenu molekulu kao što je protein, onda će u ovom slučaju spektar izgledati otprilike ovako:

­

4. Magnetske jezgre

NMR se može promatrati na različitim jezgrama, ali mora se reći da nemaju sve jezgre magnetski moment. Često se događa da neki izotopi imaju magnetski moment, ali drugi izotopi iste jezgre nemaju. Ukupno postoji više od stotinu izotopa raznih kemijskih elemenata koji imaju magnetske jezgre, ali u istraživanju se obično ne koristi više od 1520 magnetskih jezgri, sve ostalo je egzotika. Svaka jezgra ima svoj karakterističan omjer magnetskog polja i frekvencije precesije, koji se naziva žiromagnetski omjer. Za sve jezgre ovi odnosi su poznati. Koristeći ih, možete odabrati frekvenciju na kojoj će se, pod određenim magnetskim poljem, promatrati signal iz jezgri koje istraživač treba.

Najvažnije jezgre za NMR su protoni. Najviše ih je u prirodi, a imaju i vrlo visoku osjetljivost. Jezgre ugljika, dušika i kisika vrlo su važne za kemiju i biologiju, no znanstvenici s njima nisu imali sreće: najčešći izotopi ugljika i kisika, 12 C i 16 O, nemaju magnetski moment, prirodni izotop dušika 14N ima moment, ali je iz niza razloga vrlo nezgodan za eksperimente. Postoje izotopi 13 C, 15 N i 17 O koji su prikladni za NMR pokuse, ali njihova je prirodna zastupljenost vrlo niska i njihova je osjetljivost vrlo niska u usporedbi s protonima. Stoga se za NMR istraživanja često pripremaju posebni uzorci obogaćeni izotopima, u kojima se prirodni izotop pojedine jezgre zamjenjuje onim potrebnim za eksperimente. U većini slučajeva ovaj je postupak vrlo težak i skup, no ponekad je to jedina prilika za dobivanje potrebnih informacija.

5. Elektronska paramagnetska i kvadrupolna rezonancija

Govoreći o NMR-u, ne mogu se ne spomenuti još dva srodna fizikalna fenomena - elektronska paramagnetska rezonancija (EPR) i nuklearna kvadrupolna rezonancija (NQR). EPR je u biti sličan NMR-u, razlika je u tome što se rezonancija promatra u magnetskim momentima ne atomskih jezgri, već elektronske ljuske atoma. EPR se može promatrati samo u onim molekulama ili kemijskim skupinama čija elektronska ljuska sadrži takozvani nespareni elektron, tada ljuska ima magnetski moment različit od nule. Takve tvari nazivamo paramagnetima. EPR se, kao i NMR, također koristi za proučavanje različitih strukturnih i dinamičkih svojstava tvari na molekularnoj razini, ali mu je područje primjene znatno uže. To je uglavnom zbog činjenice da većina molekula, osobito u živoj prirodi, ne sadrži nesparene elektrone. U nekim slučajevima možete koristiti takozvanu paramagnetsku sondu, to jest kemijsku skupinu s nesparenim elektronom koji se veže na molekulu koja se proučava. Ali ovaj pristup ima očite nedostatke koji ograničavaju mogućnosti ove metode. Osim toga, EPR nema tako visoku spektralnu rezoluciju (tj. sposobnost razlikovanja jedne linije od druge u spektru) kao u NMR.

Najteže je objasniti prirodu NQR “na prstima”. Neke jezgre imaju ono što se naziva električni kvadrupolni moment. Ovaj trenutak karakterizira odstupanje distribucije električnog naboja jezgre od sferne simetrije. Interakcija ovog trenutka s gradijentom električnog polja stvorenog kristalnom strukturom tvari dovodi do cijepanja energetskih razina jezgre. U ovom slučaju, može se promatrati rezonancija na frekvenciji koja odgovara prijelazima između tih razina. Za razliku od NMR i EPR, NQR ne zahtijeva vanjsko magnetsko polje, budući da se cijepanje razine događa bez njega. NQR se također koristi za proučavanje tvari, ali je njegov opseg primjene još uži od EPR-a.

6. Prednosti i nedostaci NMR-a

NMR je najmoćnija i najinformativnija metoda za proučavanje molekula. Strogo govoreći, to nije jedna metoda, to je veliki broj različitih vrsta eksperimenata, odnosno sekvenci impulsa. Iako se svi temelje na fenomenu NMR-a, svaki od ovih eksperimenata osmišljen je za dobivanje određenih specifičnih informacija. Broj ovih eksperimenata mjeri se desecima, ako ne i stotinama. Teoretski, NMR može ako ne sve, onda gotovo sve što mogu i sve druge eksperimentalne metode proučavanja strukture i dinamike molekula, iako je to u praksi izvedivo, naravno, ne uvijek. Jedna od glavnih prednosti NMR-a je ta što su, s jedne strane, njegove prirodne sonde, tj. magnetske jezgre, raspoređene po cijeloj molekuli, as druge strane, omogućuje razlikovanje ovih jezgri jedna od druge i dobivanje prostorno selektivnih podataka o svojstvima molekule. Gotovo sve druge metode daju informacije ili u prosjeku za cijelu molekulu ili samo za jedan njezin dio.

NMR ima dva glavna nedostatka. Prvo, to je niska osjetljivost u usporedbi s većinom drugih eksperimentalnih metoda (optička spektroskopija, fluorescencija, EPR, itd.). To dovodi do činjenice da se za prosječnu buku signal mora akumulirati dugo vremena. U nekim slučajevima, NMR eksperiment može se provoditi čak i nekoliko tjedana. Drugo, skupo je. NMR spektrometri su među najskupljim znanstvenim instrumentima, stoje najmanje stotine tisuća dolara, a najskuplji spektrometri koštaju nekoliko milijuna. Ne mogu si svi laboratoriji, posebno u Rusiji, priuštiti takvu znanstvenu opremu.

7. Magneti za NMR spektrometre

Jedan od najvažnijih i najskupljih dijelova spektrometra je magnet koji stvara konstantno magnetsko polje. Što je polje jače, to je veća osjetljivost i spektralna rezolucija, pa znanstvenici i inženjeri neprestano pokušavaju postići što veća polja. Magnetsko polje stvara električna struja u solenoidu – što je struja jača, polje je veće. Međutim, nemoguće je povećavati struju na neodređeno vrijeme; pri vrlo visokoj struji, solenoidna žica će se jednostavno početi topiti. Stoga su NMR spektrometri visokog polja jako dugo koristili supravodljive magnete, tj. magnete u kojima je žica solenoida u supravodljivom stanju. U ovom slučaju, električni otpor žice je nula, a energija se ne oslobađa ni pri jednoj vrijednosti struje. Supravodljivo stanje može se postići samo na vrlo niskim temperaturama, samo nekoliko stupnjeva Kelvina, što je temperatura tekućeg helija. (Visokotemperaturna supravodljivost je još uvijek domena čisto fundamentalnih istraživanja.) Upravo s održavanjem tako niske temperature povezane su sve tehničke poteškoće u dizajnu i proizvodnji magneta, koje ih čine skupima. Supravodljivi magnet izgrađen je na principu termos-matrjoške. Solenoid se nalazi u sredini, u vakuumskoj komori. Okružen je ljuskom koja sadrži tekući helij. Ova ljuska je okružena ljuskom od tekućeg dušika kroz vakuumski sloj. Temperatura tekućeg dušika je minus 196 Celzijevih stupnjeva; dušik je potreban kako bi se osiguralo da helij isparava što sporije. Konačno, omotač dušika izoliran je od sobne temperature vanjskim vakuumskim slojem. Takav sustav je sposoban održavati željenu temperaturu supravodljivog magneta vrlo dugo, iako to zahtijeva redovno dodavanje tekućeg dušika i helija u magnet. Prednost takvih magneta, osim mogućnosti dobivanja visokih magnetskih polja, je i to što ne troše energiju: nakon pokretanja magneta, struja teče kroz supravodljive žice gotovo bez gubitaka dugi niz godina.

­

8. Tomografija

U konvencionalnim NMR spektrometrima nastoji se magnetsko polje učiniti što ujednačenijim, što je neophodno za poboljšanje spektralne rezolucije. Ali ako je magnetsko polje unutar uzorka, naprotiv, vrlo nehomogeno, to otvara fundamentalno nove mogućnosti za korištenje NMR-a. Nehomogenost polja stvaraju takozvani gradijentni svici, koji rade u tandemu s glavnim magnetom. U ovom slučaju, veličina magnetskog polja u različitim dijelovima uzorka bit će različita, što znači da se NMR signal ne može promatrati iz cijelog uzorka, kao u konvencionalnom spektrometru, već samo iz njegovog uskog sloja, za koji ispunjeni su uvjeti rezonancije, tj. željeni odnos između magnetskog polja i frekvencije. Promjenom veličine magnetskog polja (ili, što je u biti isto, frekvencije promatranja signala), možete promijeniti sloj koji će proizvoditi signal. Na taj način je moguće “skenirati” uzorak po cijelom volumenu i “vidjeti” njegovu unutarnju trodimenzionalnu strukturu bez mehaničkog uništavanja uzorka. Do danas je razvijen veliki broj tehnika koje omogućuju mjerenje različitih NMR parametara (spektralne karakteristike, vremena magnetske relaksacije, brzina samodifuzije i neki drugi) s prostornom rezolucijom unutar uzorka. Najzanimljiviju i najvažniju, s praktičnog gledišta, primjenu NMR tomografija našla je u medicini. U ovom slučaju, "uzorak" koji se proučava je ljudsko tijelo. NMR snimanje jedno je od najučinkovitijih i najsigurnijih (ali i najskupljih) dijagnostičkih sredstava u raznim područjima medicine, od onkologije do porodništva. Zanimljivo je da liječnici ne koriste riječ "nuklearna" u nazivu ove metode jer je neki pacijenti asociraju na nuklearne reakcije i atomsku bombu.

9. Povijest otkrića

Godinom otkrića NMR-a smatra se 1945. godina, kada su Amerikanci Felix Bloch sa Stanforda i, neovisno o njemu, Edward Purcell i Robert Pound s Harvarda prvi promatrali NMR signal na protonima. U to se vrijeme već mnogo znalo o prirodi nuklearnog magnetizma, sam NMR efekt bio je teoretski predviđen, a učinjeno je nekoliko pokušaja da se promatra eksperimentalno. Važno je napomenuti da je godinu dana ranije u Sovjetskom Savezu, u Kazanu, EPR fenomen otkrio Evgeniy Zavoisky. Sada je dobro poznato da je Zavojski također promatrao NMR signal, bilo je to prije rata, 1941. godine. No, imao je na raspolaganju nekvalitetan magnet s lošom ujednačenošću polja, rezultati su bili slabo ponovljivi i stoga su ostali neobjavljeni. Da budemo pošteni, treba napomenuti da Zavojski nije bio jedini koji je promatrao NMR prije njegovog "službenog" otkrića. Konkretno, američki fizičar Isidor Rabi (dobitnik Nobelove nagrade 1944. za proučavanje magnetskih svojstava jezgri u atomskim i molekularnim zrakama) također je promatrao NMR u kasnim 30-ima, ali ga je smatrao instrumentalnim artefaktom. Ovako ili onako, naša zemlja zadržava prioritet u eksperimentalnoj detekciji magnetske rezonancije. Iako se i sam Zavojski ubrzo nakon rata počeo baviti drugim problemima, njegovo je otkriće odigralo veliku ulogu u razvoju znanosti u Kazanu. Kazan je i dalje jedno od vodećih svjetskih znanstvenih središta za EPR spektroskopiju.

10. Nobelove nagrade za magnetsku rezonancu

U prvoj polovici 20. stoljeća dodijeljeno je nekoliko Nobelovih nagrada znanstvenicima bez čijeg rada ne bi moglo doći do otkrića NMR-a. Među njima su Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Ali postojale su četiri Nobelove nagrade izravno povezane s NMR-om. Godine 1952. nagradu su dobili Felix Bloch i Edward Purcell za otkriće nuklearne magnetske rezonancije. Ovo je jedina "NMR" Nobelova nagrada za fiziku. Godine 1991. Švicarac Richard Ernst, koji je radio na poznatom ETH u Zürichu, dobio je nagradu iz kemije. Dobio ga je za razvoj višedimenzionalnih metoda NMR spektroskopije, koje su omogućile radikalno povećanje informativnog sadržaja NMR eksperimenata. Godine 2002. dobitnik je nagrade, također iz kemije, bio Kurt Wüthrich, koji je s Ernstom radio u susjednim zgradama iste Tehničke škole. Nagradu je dobio za razvoj metoda za određivanje trodimenzionalne strukture proteina u otopini. Prethodno je jedina metoda za određivanje prostorne konformacije velikih biomakromolekula bila analiza rendgenske difrakcije. Konačno, 2003. Amerikanac Paul Lauterbur i Englez Peter Mansfield dobili su medicinsku nagradu za izum NMR tomografije. Sovjetski pronalazač EPR-a, E. K. Zavoisky, nažalost, nije dobio Nobelovu nagradu.

Spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije jedna je od najčešćih i vrlo osjetljivih metoda za određivanje strukture organskih spojeva, koja omogućuje dobivanje informacija ne samo o kvalitativnom i kvantitativnom sastavu, već i o položaju atoma jedni prema drugima. Različite NMR tehnike imaju brojne mogućnosti za određivanje kemijske strukture tvari, konfirmacijskih stanja molekula, učinaka međusobnog utjecaja i intramolekulskih transformacija.

Metoda nuklearne magnetske rezonancije ima niz karakterističnih značajki: za razliku od optičkih molekularnih spektara, apsorpcija elektromagnetskog zračenja od strane tvari događa se u jakom jednoličnom vanjskom magnetskom polju. Štoviše, da bi se provela NMR studija, eksperiment mora zadovoljiti niz uvjeta koji odražavaju opća načela NMR spektroskopije:

1) snimanje NMR spektra moguće je samo za atomske jezgre s vlastitim magnetskim momentom ili tzv. magnetske jezgre, u kojima je broj protona i neutrona takav da je maseni broj jezgri izotopa neparan. Sve jezgre s neparnim masenim brojem imaju spin I čija je vrijednost 1/2. Tako je za jezgre 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R vrijednost spina jednaka 1/2, za jezgre 7 Li, 23 Na, 39 K i 4 l R spin je jednak 3/2 . Jezgre s parnim masenim brojem ili uopće nemaju spin ako je nuklearni naboj paran ili imaju cjelobrojne vrijednosti spina ako je naboj neparan. Samo one jezgre čiji je spin I 0 mogu proizvesti NMR spektar.

Prisutnost spina povezana je s kruženjem atomskog naboja oko jezgre, stoga nastaje magnetski moment μ . Rotirajući naboj (na primjer, proton) s kutnom količinom gibanja J stvara magnetski moment μ=γ*J . Kutni nuklearni moment J i magnetski moment μ koji nastaju tijekom rotacije mogu se prikazati kao vektori. Njihov konstantni omjer naziva se žiromagnetski omjer γ. Upravo ta konstanta određuje rezonantnu frekvenciju jezgre (slika 1.1).

Slika 1.1 - Rotacijski naboj s kutnim momentom J stvara magnetski moment μ=γ*J.

2) NMR metoda ispituje apsorpciju ili emisiju energije pod neobičnim uvjetima formiranja spektra: za razliku od drugih spektralnih metoda. NMR spektar se snima iz tvari koja se nalazi u jakom jednoličnom magnetskom polju. Takve jezgre u vanjskom polju imaju različite vrijednosti potencijalne energije ovisno o nekoliko mogućih (kvantiziranih) kutova orijentacije vektora μ u odnosu na vektor jakosti vanjskog magnetskog polja H 0 . U nedostatku vanjskog magnetskog polja, magnetski momenti ili spinovi jezgri nemaju određenu orijentaciju. Ako se magnetske jezgre sa spinom 1/2 stave u magnetsko polje, tada će neki od nuklearnih spinova biti smješteni paralelno s linijama magnetskog polja, a drugi dio antiparalelno. Ove dvije orijentacije više nisu energetski ekvivalentne i kaže se da su spinovi raspoređeni na dvije energetske razine.

Spinovi s magnetskim momentom usmjerenim duž polja +1/2 označeni su simbolom | α >, s orijentacijom antiparalelnom vanjskom polju -1/2 - simbol | β > (Slika 1.2) .

Slika 1.2 - Formiranje energetskih razina kada se primijeni vanjsko polje H 0.

1.2.1 NMR spektroskopija na 1 H jezgri Parametri PMR spektra.

Za dešifriranje podataka 1H NMR spektara i dodjeljivanje signala koriste se glavne karakteristike spektra: kemijski pomak, konstanta spin-spin interakcije, integrirani intenzitet signala, širina signala [57].

A) Kemijski pomak (C.C). H.S. ljestvica Kemijski pomak je udaljenost između ovog signala i signala referentne tvari, izražena u dijelovima na milijun jakosti vanjskog polja.

Tetrametilsilan [TMS, Si(CH 3) 4], koji sadrži 12 strukturno ekvivalentnih, visoko zaštićenih protona, najčešće se koristi kao standard za mjerenje kemijskih pomaka protona.

B) Konstanta spin-spin interakcije. U NMR spektrima visoke rezolucije opaža se cijepanje signala. Ovo cijepanje ili fina struktura u spektrima visoke rezolucije rezultat je spin-spin interakcija između magnetskih jezgri. Ova pojava, uz kemijski pomak, služi kao najvažniji izvor informacija o strukturi složenih organskih molekula i rasporedu elektronskog oblaka u njima. Ne ovisi o H0, već ovisi o elektronskoj strukturi molekule. Signal magnetske jezgre u interakciji s drugom magnetskom jezgrom podijeljen je u nekoliko linija ovisno o broju spinskih stanja, tj. ovisi o spinovima jezgri I.

Udaljenost između ovih linija karakterizira energiju spin-spin sprege između jezgri i naziva se konstanta spin-spin sprege n J, gdje n-broj veza koje razdvajaju jezgre u interakciji.

Postoje direktne konstante J HH, geminalne konstante 2 J HH , vicinalne konstante 3 J HH i neke dugometne konstante 4 J HH , 5 J HH .

- geminalne konstante 2 J HH mogu biti i pozitivne i negativne i zauzimaju područje od -30 Hz do +40 Hz.

Vicinalne konstante 3 J HH zauzimaju područje 0 20 Hz; gotovo su uvijek pozitivni. Utvrđeno je da vicinalna interakcija u zasićenim sustavima vrlo jako ovisi o kutu između veza ugljik-vodik, odnosno o diedarskom kutu - (slika 1.3).

Slika 1.3 - Diedarski kut φ između veza ugljik-vodik.

Dugometna spin-spin interakcija (4 J HH , 5 J HH ) - interakcija dviju jezgri odvojenih s četiri ili više veza; konstante takve interakcije su obično od 0 do +3 Hz.

Tablica 1.1 – Konstante interakcije spin-spin

B) Integrirani intenzitet signala. Područje signala proporcionalno je broju magnetskih jezgri koje rezoniraju pri određenoj jakosti polja, tako da omjer područja signala daje relativni broj protona svake strukturne raznolikosti i naziva se integrirani intenzitet signala. Moderni spektrometri koriste posebne integratore, čija se očitanja bilježe u obliku krivulje, čija je visina koraka proporcionalna površini odgovarajućih signala.

D) Širina linija. Za karakterizaciju širine linija, uobičajeno je mjeriti širinu na udaljenosti od polovice visine od nulte linije spektra. Eksperimentalno promatrana širina linije sastoji se od prirodne širine linije, koja ovisi o strukturi i pokretljivosti, te proširenja zbog instrumentalnih razloga.

Uobičajena širina linije u PMR-u je 0,1-0,3 Hz, ali se može povećati zbog preklapanja susjednih prijelaza, koji se točno ne poklapaju, ali se ne razlučuju kao zasebne linije. Širenje je moguće u prisutnosti jezgri sa spinom većim od 1/2 i kemijskom izmjenom.

1.2.2 Primjena 1H NMR podataka za određivanje strukture organskih molekula.

Prilikom rješavanja niza problema strukturne analize, osim tablica empirijskih vrijednosti, Kh.S. Može biti korisno kvantificirati učinke susjednih supstituenata na Ch.S. prema pravilu aditivnosti efektivnih doprinosa probira. U ovom slučaju obično se uzimaju u obzir supstituenti koji nisu udaljeni više od 2-3 veze od danog protona, a izračun se vrši pomoću formule:

δ=δ 0 +ε i *δ i (3)

gdje je δ 0 kemijski pomak protona standardne skupine;

δi je doprinos screeninga od strane supstituenta.

1.3 NMR spektroskopija 13 C. Dobivanje i načini snimanja spektara.

Prvi izvještaji o opažanju 13 C NMR pojavili su se 1957. godine, ali je transformacija 13 C NMR spektroskopije u praktičnu metodu analitičkog istraživanja započela mnogo kasnije.

Magnetska rezonanca 13 C i 1 H imaju mnogo toga zajedničkog, ali postoje i značajne razlike. Najčešći izotop ugljika 12 C ima I=0. Izotop 13 C ima I=1/2, ali njegov prirodni sadržaj je 1,1%. To je zajedno s činjenicom da je žiromagnetski omjer jezgri 13 C 1/4 žiromagnetskog omjera za protone. Što smanjuje osjetljivost metode u eksperimentima promatranja 13 C NMR za 6000 puta u usporedbi s 1 H jezgrama.

a) bez potiskivanja spin-spin interakcije s protonima. 13C NMR spektri dobiveni u odsutnosti potpune supresije spin-spin rezonancije s protonima nazvani su spektri visoke rezolucije. Ovi spektri sadrže potpune informacije o 13 C - 1 H konstantama. U relativno jednostavnim molekulama, obje vrste konstanti - izravne i dugodometne - nalaze se prilično jednostavno. Dakle, 1 J (C-H) je 125 - 250 Hz, međutim, spin-spin interakcija se također može dogoditi s udaljenijim protonima s konstantama manjim od 20 Hz.

b) potpuno potiskivanje spin-spin interakcije s protonima. Prvi veliki napredak u području 13 C NMR spektroskopije povezan je s korištenjem potpunog potiskivanja spin-spin interakcije s protonima. Korištenje potpune supresije spin-spin interakcije s protonima dovodi do spajanja multipleta uz stvaranje singletnih linija ako u molekuli nema drugih magnetskih jezgri, kao što su 19 F i 31 P.

c) nepotpuno potiskivanje spin-spin interakcije s protonima. Međutim, korištenje načina potpunog odvajanja od protona ima svoje nedostatke. Budući da su svi signali ugljika sada u obliku singleta, izgubljene su sve informacije o konstantama spin-spin interakcije 13 C- 1 H. Predlaže se metoda koja omogućuje djelomično vraćanje informacija o izravnim konstantama spin-spin interakcije 13 C- 1 H i istovremeno zadržati veći dio prednosti širokopojasnog odvajanja. U tom će se slučaju u spektru pojaviti cijepanja zbog izravnih konstanti spin-spin interakcije 13 C - 1 H. Ovaj postupak omogućuje otkrivanje signala neprotoniranih ugljikovih atoma, budući da potonji nemaju protone izravno povezane s 13 C i pojavljuju se u spektrima s nepotpunim odvajanjem od protona kao singleti.

d) modulacija CH interakcijske konstante, JMODCH spektar. Tradicionalni problem u 13C NMR spektroskopiji je određivanje broja protona povezanih sa svakim ugljikovim atomom, tj. stupnja protonacije ugljikovog atoma. Djelomična supresija protonima omogućuje razrješenje signala ugljika od višestrukosti uzrokovane spin-spin interakcijskim konstantama dugog dometa i dobivanje cijepanja signala zbog izravnih 13 C-1 H konstanti sprezanja. Međutim, u slučaju snažno spregnutih spinskih sustava AB a preklapanje multipleta u OFFR modu otežava nedvosmisleno razlučivanje signala.