NMR spektroszkópia. NMR próbabábukhoz, avagy Tíz alapvető tény a mágneses magrezonanciáról Alapvető NMR technika

1. A jelenség lényege

   Mindenekelőtt meg kell jegyezni, hogy bár ennek a jelenségnek a neve tartalmazza a „nukleáris” szót, az NMR-nek semmi köze a magfizikához, és semmilyen módon nem kapcsolódik a radioaktivitáshoz. Ha szigorú leírásról beszélünk, akkor nem lehet nélkülözni a kvantummechanika törvényeit. E törvények szerint a mágneses mag és a külső mágneses tér kölcsönhatásának energiája csak néhány diszkrét értéket vehet fel. Ha a mágneses magokat váltakozó mágneses térrel sugározzuk be, amelynek frekvenciája megfelel e diszkrét energiaszintek frekvenciaegységekben kifejezett különbségének, akkor a mágneses magok elkezdenek mozogni egyik szintről a másikra, miközben elnyelik a váltakozó energiát. terület. Ez a mágneses rezonancia jelensége. Ez a magyarázat formailag helyes, de nem túl világos. Van egy másik magyarázat is, kvantummechanika nélkül. A mágneses mag egy elektromosan töltött golyóként képzelhető el, amely a tengelye körül forog (bár szigorúan véve ez nem így van). Az elektrodinamika törvényei szerint a töltés forgása mágneses tér megjelenéséhez vezet, vagyis az atommag mágneses momentumához, amely a forgástengely mentén irányul. Ha ezt a mágneses momentumot állandó külső térbe helyezzük, akkor ennek a momentumnak a vektora precesszálni kezd, azaz forogni kezd a külső tér iránya körül. Ugyanígy a felső tengelye precesszióban (forog) a függőleges körül, ha nem szigorúan függőlegesen, hanem bizonyos szögben csavarják ki. Ebben az esetben a mágneses mező szerepét a gravitációs erő játssza.

   A precessziós frekvenciát mind az atommag tulajdonságai, mind a mágneses tér erőssége határozza meg: minél erősebb a tér, annál nagyobb a frekvencia. Ekkor, ha az állandó külső mágneses tér mellett a magra egy váltakozó mágneses tér is hatással van, akkor a mag elkezd kölcsönhatásba lépni ezzel a mezővel - úgy tűnik, hogy erősebben lengeti a magot, a precessziós amplitúdó megnő, és a mag elnyeli a váltakozó mező energiáját. Ez azonban csak a rezonancia feltétele mellett fog megtörténni, azaz a precessziós frekvencia és a külső váltakozó tér frekvenciájának egybeesése esetén. Ez hasonló az iskolai fizika klasszikus példájához – a hídon átvonuló katonákhoz. Ha a lépés frekvenciája egybeesik a híd természetes frekvenciájával, akkor a híd egyre jobban leng. Kísérletileg ez a jelenség egy váltakozó mező abszorpciójának a frekvenciájától való függésében nyilvánul meg. A rezonancia pillanatában az abszorpció meredeken növekszik, és a legegyszerűbb mágneses rezonancia spektrum így néz ki:

   

2. Fourier-transzformációs spektroszkópia

   Az első NMR spektrométerek pontosan a fent leírtak szerint működtek - a mintát állandó mágneses térbe helyezték, és folyamatosan rádiófrekvenciás sugárzást alkalmaztak rá. Ekkor vagy a váltakozó tér frekvenciája, vagy az állandó mágneses tér intenzitása simán változott. A váltakozó térenergia abszorpcióját rádiófrekvenciás híd rögzítette, amelyről a jelet egy felvevőre vagy oszcilloszkópra továbbították. De ezt a jelrögzítési módszert már régóta nem alkalmazták. A modern NMR spektrométerekben a spektrumot impulzusokkal rögzítik. Az atommagok mágneses momentumait egy rövid erős impulzus gerjeszti, majd rögzíti az RF tekercsben a szabadon precesszáló mágneses momentumok által indukált jelet. Ez a jel fokozatosan nullára csökken, ahogy a mágneses momentumok egyensúlyba kerülnek (ezt a folyamatot mágneses relaxációnak nevezik). Az NMR-spektrumot ebből a jelből kapjuk Fourier-transzformáció segítségével. Ez egy szabványos matematikai eljárás, amely lehetővé teszi, hogy bármilyen jelet frekvenciaharmonikusokra bontson, és így megkapja a jel frekvenciaspektrumát. A spektrum rögzítésének ez a módszere lehetővé teszi a zajszint jelentős csökkentését és a kísérletek sokkal gyorsabb elvégzését.

   

   Az egyik izgalmas impulzus a spektrum rögzítésére a legegyszerűbb NMR-kísérlet. Egy kísérletben azonban sok ilyen különböző időtartamú, amplitúdójú, különböző késleltetésű, stb. impulzus lehet egy kísérletben, attól függően, hogy a kutatónak milyen manipulációkat kell végrehajtania a magmágneses nyomatékok rendszerével. Azonban ezeknek az impulzussorozatoknak szinte mindegyike ugyanazzal a dologgal végződik – szabad precessziós jel rögzítése, majd Fourier transzformáció.

3. Mágneses kölcsönhatások az anyagban

   Maga a mágneses rezonancia nem maradna más, mint egy érdekes fizikai jelenség, ha nem lennének mágneses kölcsönhatások az atommagok egymással és a molekula elektronhéjával. Ezek a kölcsönhatások befolyásolják a rezonancia paramétereket, és segítségükkel az NMR módszer sokrétű információt szolgáltathat a molekulák tulajdonságairól - orientációjukról, térszerkezetükről (konformációjuk), intermolekuláris kölcsönhatásokról, kémiai cseréről, forgási és transzlációs dinamikáról. Ennek köszönhetően az NMR az anyagok molekuláris szintű vizsgálatának igen hatékony eszközévé vált, amelyet nemcsak a fizikában, hanem elsősorban a kémiában és a molekuláris biológiában széles körben alkalmaznak. Egy ilyen kölcsönhatásra példa az úgynevezett kémiai eltolódás. Lényege a következő: egy molekula elektronhéja reagál egy külső mágneses térre, és megpróbálja azt átszűrni - a mágneses tér részleges átvilágítása minden diamágneses anyagban előfordul. Ez azt jelenti, hogy a molekulában lévő mágneses mező nagyon kis mértékben különbözik a külső mágneses tértől, amit kémiai eltolódásnak nevezünk. Az elektronhéj tulajdonságai azonban a molekula különböző részein eltérőek, és a kémiai eltolódás is eltérő. Ennek megfelelően a molekula különböző részein lévő magok rezonanciafeltételei is eltérőek lesznek. Ez lehetővé teszi a kémiailag nem egyenértékű magok megkülönböztetését a spektrumban. Például, ha a tiszta víz hidrogénatommagjainak (protonjainak) spektrumát vesszük, akkor csak egy vonal lesz, mivel a H 2 O molekulában a két proton pontosan ugyanaz. De a CH 3 OH metil-alkohol esetében már két vonal lesz a spektrumban (ha figyelmen kívül hagyjuk az egyéb mágneses kölcsönhatásokat), mivel kétféle proton létezik - a CH 3 metilcsoport protonjai és az oxigénatomhoz kapcsolódó proton. Ahogy a molekulák összetettebbé válnak, a vonalak száma nő, és ha egy ilyen nagy és összetett molekulát veszünk fehérjének, akkor ebben az esetben a spektrum valahogy így fog kinézni:

   

4. Mágneses magok

   Az NMR különböző atommagokon figyelhető meg, de el kell mondani, hogy nem minden atommag rendelkezik mágneses momentummal. Gyakran előfordul, hogy egyes izotópoknak van mágneses momentuma, de ugyanazon mag más izotópjainak nincs. Összesen több mint száz izotópja van a különféle kémiai elemeknek, amelyek mágneses maggal rendelkeznek, de a kutatás során általában legfeljebb 1520 mágneses magot használnak, minden más egzotikus. Minden atommagnak megvan a saját jellemző aránya a mágneses tér és a precessziós frekvencia között, amelyet giromágneses aránynak neveznek. Minden atommag esetében ismertek ezek az összefüggések. Segítségükkel kiválasztható, hogy adott mágneses térben milyen frekvencián észlelhető a kutatónak szüksége a magokból érkező jel.

   Az NMR legfontosabb magjai a protonok. A természetben a legnagyobb mennyiségben előfordulnak, és nagyon nagy érzékenységgel rendelkeznek. A szén, a nitrogén és az oxigén atommagjai nagyon fontosak a kémia és a biológia számára, de a tudósoknak nem volt sok szerencséjük velük: a szén és oxigén leggyakoribb izotópjai, a 12 C és 16 O nem rendelkeznek mágneses nyomatékkal, a természetes A nitrogén 14 N izotópjának van egy pillanata, de ez több okból is nagyon kényelmetlen a kísérletekhez. Vannak olyan 13 C, 15 N és 17 O izotópok, amelyek alkalmasak NMR-kísérletek elvégzésére, de természetes előfordulásuk nagyon alacsony, érzékenységük pedig nagyon alacsony a protonokhoz képest. Ezért az NMR vizsgálatokhoz gyakran speciális izotóppal dúsított mintákat készítenek, amelyekben egy adott mag természetes izotópját helyettesítik a kísérletekhez szükséges izotóppal. A legtöbb esetben ez az eljárás nagyon nehéz és költséges, de néha ez az egyetlen lehetőség a szükséges információk megszerzésére.

5. Elektronparamágneses és kvadrupólus rezonancia

   Ha az NMR-ről beszélünk, nem szabad megemlíteni két másik kapcsolódó fizikai jelenséget - az elektronparamágneses rezonanciát (EPR) és a magkvadrupólus rezonanciát (NQR). Az EPR lényegében hasonló az NMR-hez, a különbség az, hogy a rezonancia nem az atommagok, hanem az atom elektronhéjának mágneses momentumainál figyelhető meg. Az EPR csak azokban a molekulákban vagy kémiai csoportokban figyelhető meg, amelyek elektronhéja úgynevezett párosítatlan elektront tartalmaz, ekkor a héj nullától eltérő mágneses momentumú. Az ilyen anyagokat paramágneseknek nevezzük. Az EPR-t az NMR-hez hasonlóan az anyagok különböző szerkezeti és dinamikai tulajdonságainak molekuláris szintű vizsgálatára is használják, de felhasználási köre lényegesen szűkebb. Ez elsősorban annak köszönhető, hogy a legtöbb molekula, különösen az élő természetben, nem tartalmaz párosítatlan elektronokat. Bizonyos esetekben használhatunk úgynevezett paramágneses szondát, vagyis egy páratlan elektront tartalmazó kémiai csoportot, amely a vizsgált molekulához kötődik. Ennek a megközelítésnek azonban vannak nyilvánvaló hátrányai, amelyek korlátozzák ennek a módszernek a lehetőségeit. Ezenkívül az EPR nem rendelkezik olyan nagy spektrális felbontással (azaz nem képes megkülönböztetni az egyik vonalat a másiktól a spektrumban), mint az NMR-nél.

   A legnehezebb az NQR természetét „ujjakon” magyarázni. Egyes atommagokban elektromos kvadrupólmomentum van. Ez a momentum jellemzi az atommag elektromos töltése eloszlásának eltérését a gömbszimmetriától. Ennek a pillanatnak a kölcsönhatása az anyag kristályszerkezete által létrehozott elektromos tér gradiensével az atommag energiaszintjének kettéválásához vezet. Ebben az esetben rezonancia figyelhető meg a szintek közötti átmeneteknek megfelelő frekvencián. Ellentétben az NMR-rel és az EPR-rel, az NQR-nek nincs szüksége külső mágneses térre, mivel enélkül is megtörténik a szintosztás. Az NQR-t anyagok vizsgálatára is használják, de alkalmazási köre még az EPR-nél is szűkebb.

6. Az NMR előnyei és hátrányai

   

   Az NMR a leghatékonyabb és leginformatívabb módszer a molekulák tanulmányozására. Szigorúan véve ez nem egy módszer, hanem számos különböző típusú kísérlet, azaz impulzussorozat. Bár mindegyik az NMR jelenségén alapul, mindegyik kísérletet úgy tervezték, hogy bizonyos specifikus információkat szerezzen. E kísérletek számát sok tízben, ha nem százban mérik. Elméletileg az NMR képes, ha nem is mindenre, de szinte mindenre, amire a molekulák szerkezetének és dinamikájának tanulmányozására szolgáló összes többi kísérleti módszer képes, bár a gyakorlatban ez természetesen nem mindig megvalósítható. Az NMR egyik fő előnye, hogy egyrészt természetes szondái, azaz mágneses magjai eloszlanak a molekulában, másrészt lehetővé teszi ezen magok egymástól való megkülönböztetését és térbeli szelektív adatok beszerzését. a molekula tulajdonságairól. Szinte az összes többi módszer vagy a teljes molekulára, vagy annak csak egy részére vonatkozóan szolgáltat információt.

   Az NMR-nek két fő hátránya van. Először is, a legtöbb más kísérleti módszerhez (optikai spektroszkópia, fluoreszcencia, ESR stb.) képest alacsony az érzékenysége. Ez oda vezet, hogy a zaj átlagolásához a jelet hosszú ideig fel kell halmozni. Egyes esetekben az NMR-kísérlet akár több hétig is elvégezhető. Másodszor, drága. Az NMR spektrométerek a legdrágább tudományos műszerek közé tartoznak, legalább több százezer dollárba kerülnek, a legdrágább spektrométerek pedig több millióba kerülnek. Nem minden laboratórium, különösen Oroszországban, engedheti meg magának, hogy ilyen tudományos felszereléssel rendelkezzen.

7. Mágnesek NMR spektrométerekhez

   A spektrométer egyik legfontosabb és legdrágább alkatrésze a mágnes, amely állandó mágneses teret hoz létre. Minél erősebb a mező, annál nagyobb az érzékenység és a spektrális felbontás, ezért a tudósok és mérnökök folyamatosan igyekeznek minél magasabbra állítani a mezőket. A mágneses mezőt a szolenoidban lévő elektromos áram hozza létre - minél erősebb az áram, annál nagyobb a mező. Az áramot azonban nem lehet korlátlanul növelni; nagyon nagy áramerősségnél a mágnestekercs egyszerűen olvadni kezd. Ezért a nagy térerejű NMR-spektrométerekben nagyon hosszú ideig szupravezető mágneseket használnak, vagyis olyan mágneseket, amelyekben a mágneses huzal szupravezető állapotban van. Ebben az esetben a vezeték elektromos ellenállása nulla, és egyetlen áramértéken sem szabadul fel energia. A szupravezető állapot csak nagyon alacsony, néhány Kelvin-fok, a folyékony hélium hőmérsékletén érhető el. (A magas hőmérsékletű szupravezetés még mindig tisztán fundamentális kutatások területe.) Az ilyen alacsony hőmérséklet fenntartásával a mágnesek tervezése és gyártása során felmerülő technikai nehézségek is összefüggenek, amelyek költségessé teszik azokat. A szupravezető mágnes a termosz-matryoska elvén épül fel. A mágnesszelep középen, a vákuumkamrában található. Folyékony héliumot tartalmazó héj veszi körül. Ezt a héjat egy vákuumrétegen keresztül folyékony nitrogénhéj veszi körül. A folyékony nitrogén hőmérséklete mínusz 196 Celsius fok, nitrogénre azért van szükség, hogy a hélium minél lassabban elpárologjon. Végül a nitrogénhéjat szobahőmérséklettől egy külső vákuumréteg választja el. Egy ilyen rendszer nagyon hosszú ideig képes fenntartani a szupravezető mágnes kívánt hőmérsékletét, bár ehhez rendszeresen folyékony nitrogént és héliumot kell hozzáadni a mágneshez. Az ilyen mágnesek előnye amellett, hogy nagy mágneses teret érnek el, az is, hogy nem fogyasztanak energiát: a mágnes elindítása után az áram sok éven át gyakorlatilag veszteség nélkül halad át a szupravezető vezetékeken.

8. Tomográfia

   A hagyományos NMR spektrométerekben igyekeznek minél egyenletesebbé tenni a mágneses teret, ez a spektrális felbontás javításához szükséges. De ha a mintán belüli mágneses mezőt ezzel szemben nagyon inhomogénné tesszük, az alapvetően új lehetőségeket nyit meg az NMR alkalmazásában. A mező inhomogenitását úgynevezett gradiens tekercsek hozzák létre, amelyek a fő mágnessel párhuzamosan működnek. Ebben az esetben a mágneses tér nagysága a minta különböző részein eltérő lesz, ami azt jelenti, hogy az NMR jel nem a teljes mintából figyelhető meg, mint egy hagyományos spektrométerben, hanem csak annak keskeny rétegéből, amelyre a rezonancia feltételek teljesülnek, azaz a mágneses tér és a frekvencia közötti kívánt kapcsolat. A mágneses tér nagyságának (vagy ami lényegében ugyanaz, a jel megfigyelési gyakoriságának) megváltoztatásával megváltoztathatja a jelet előállító réteget. Ily módon lehetőség nyílik a minta teljes térfogatának „szkennelésére”, és belső háromdimenziós szerkezetének „megtekintésére” anélkül, hogy a mintát bármilyen mechanikai módon megsemmisítené. A mai napig számos olyan technikát fejlesztettek ki, amelyek lehetővé teszik különböző NMR-paraméterek (spektrális jellemzők, mágneses relaxációs idők, öndiffúziós sebesség és néhány egyéb) mérését a mintán belüli térbeli felbontással. A gyakorlati szempontból legérdekesebb és legfontosabb NMR-tomográfia alkalmazását az orvostudományban találták. Ebben az esetben a vizsgált „minta” az emberi test. Az NMR képalkotás az egyik leghatékonyabb és legbiztonságosabb (de egyben drága) diagnosztikai eszköz az orvostudomány különböző területein, az onkológiától a szülészetig. Érdekes megjegyezni, hogy az orvosok nem használják a „nukleáris” szót ennek a módszernek a nevében, mert egyes betegek nukleáris reakciókkal és az atombombával asszociálnak.

9. A felfedezés története

   

   Az NMR felfedezésének évének 1945-öt tekintik, amikor az amerikaiak Felix Bloch Stanfordból és tőle függetlenül a harvardi Edward Purcell és Robert Pound először figyelték meg az NMR jelet protonokon. Ekkor már sok mindent lehetett tudni a magmágnesesség természetéről, magát az NMR-effektust elméletileg megjósolták, és több kísérlet is történt kísérleti megfigyelésére. Fontos megjegyezni, hogy egy évvel korábban a Szovjetunióban, Kazanyban fedezte fel az EPR jelenséget Jevgenyij Zavojszkij. Ma már köztudott, hogy Zavoisky is megfigyelte az NMR jelet, ez még a háború előtt, 1941-ben volt. Rendelkezésére állt azonban egy gyenge minőségű mágnes, gyenge téregyenletességgel; az eredmények rosszul reprodukálhatók, ezért publikálatlanok maradtak. Az igazság kedvéért meg kell jegyezni, hogy nem Zavoisky volt az egyetlen, aki megfigyelte az NMR-t a „hivatalos” felfedezése előtt. Különösen Isidor Rabi amerikai fizikus (1944-ben Nobel-díjas az atommagok mágneses tulajdonságainak tanulmányozásáért atomi és molekuláris nyalábokban) szintén megfigyelte az NMR-t a 30-as évek végén, de műszeres műalkotásnak tekintette. Így vagy úgy, hazánk továbbra is elsőbbséget élvez a mágneses rezonancia kísérleti kimutatásában. Bár maga Zavoisky nem sokkal a háború után más problémákkal kezdett foglalkozni, felfedezése óriási szerepet játszott a kazanyi tudomány fejlődésében. Kazan továbbra is a világ egyik vezető EPR spektroszkópiai tudományos központja.

10. Mágneses rezonancia Nobel-díjak

    A 20. század első felében több Nobel-díjat ítéltek oda tudósoknak, akiknek munkája nélkül nem jöhetett volna létre az NMR felfedezése. Köztük Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. De négy Nobel-díj közvetlenül kapcsolódott az NMR-hez. 1952-ben a díjat Felix Bloch és Edward Purcell kapta a mágneses magrezonancia felfedezéséért. Ez az egyetlen „NMR” fizikai Nobel-díj. 1991-ben a svájci Richard Ernst kapta meg a kémiai díjat, aki a híres zürichi ETH-n dolgozott. Többdimenziós NMR-spektroszkópiai módszerek kidolgozásáért kapta, amely lehetővé tette az NMR-kísérletek információtartalmának radikális növelését. 2002-ben a szintén kémia díjat Kurt Wüthrich nyerte, aki Ernsttel együtt dolgozott a szomszédos épületekben ugyanabban a műszaki iskolában. A díjat az oldatban lévő fehérjék háromdimenziós szerkezetének meghatározására szolgáló módszerek kidolgozásáért kapta. Korábban az egyetlen módszer a nagy biomakromolekulák térbeli konformációjának meghatározására a röntgendiffrakciós analízis volt. Végül 2003-ban az amerikai Paul Lauterbur és az angol Peter Mansfield kapta meg az NMR-tomográfia feltalálásáért járó orvosi díjat. Az EPR szovjet felfedezője, E. K. Zavoisky sajnos nem kapott Nobel-díjat.

Az NMR-spektroszkópia egy roncsolásmentes elemzési módszer. Modern impulzusos NMR Fourier-spektroszkópia lehetővé teszi az elemzést 80 mg-on. magok. Az NMR spektroszkópia az egyik fő. Phys.-Chem. elemzési módszereket, adatait az intervallumokként való egyértelmű azonosításra használják fel. kémiai termékek r-tions és target in-in. Szerkezeti megbízásokon és mennyiségeken kívül. analízis, az NMR spektroszkópia információkat hoz a konformációs egyensúlyokról, az atomok és molekulák diffúziójáról szilárd anyagokban, belső. mozgások, hidrogénkötések és asszociációk folyadékokban, keto-enol tautoméria, metallo- és prototrópia, az egységek sorrendje és eloszlása ​​a polimer láncokban, anyagok adszorpciója, ionkristályok elektronszerkezete, folyadékkristályok stb. Az NMR spektroszkópia információforrás a biopolimerek szerkezetéről, beleértve a fehérjemolekulákat oldatokban, megbízhatósága összehasonlítható a röntgendiffrakciós elemzés adataival. A 80-as években Megkezdődött az NMR spektroszkópiai és tomográfiás módszerek gyors bevezetése az orvostudományba a komplex betegségek diagnosztizálására és a lakosság orvosi vizsgálatára.
A vonalak száma és helyzete az NMR-spektrumban egyértelműen jellemzi a szintetikus nyersolaj minden frakcióját. gumik, műanyagok, agyagpala, szén, gyógyszerek, gyógyszerek, vegyi termékek. és gyógyszerészeti prom-sti stb.
A víz vagy olaj NMR vonalának intenzitása és szélessége lehetővé teszi a magvak nedvesség- és olajtartalmának, valamint a szemek biztonságának pontos mérését. A vízjelekről történő lehangolásnál lehetőség nyílik az egyes szemek sikértartalmának rögzítésére, ami az olajtartalom elemzéshez hasonlóan gyorsított mezőgazdasági szelekciót tesz lehetővé. termények
Egyre erősebb mágnesek használata. mezők (14 T-ig soros eszközökben és 19 T-ig kísérleti létesítményekben) lehetővé teszi a fehérjemolekulák szerkezetének teljes meghatározását oldatokban, a biol expressz elemzését. folyadékok (endogén metabolitok koncentrációja a vérben, vizeletben, nyirokban, agy-gerincvelői folyadékban), új polimer anyagok minőségellenőrzése. Ebben az esetben a többkvantum- és többdimenziós Fourier-spektroszkópia számos változatát alkalmazzák. technikák.
Az NMR jelenséget F. Bloch és E. Purcell (1946) fedezte fel, amiért Nobel-díjat (1952) kaptak.

A mágneses magrezonancia jelensége nemcsak a fizikában és a kémiában, hanem az orvostudományban is hasznosítható: az emberi test ugyanazon szerves és szervetlen molekulák gyűjteménye.
Ennek a jelenségnek a megfigyeléséhez egy tárgyat állandó mágneses térbe helyeznek, és rádiófrekvenciás és gradiens mágneses mezőknek teszik ki. A vizsgált tárgyat körülvevő induktor tekercsben váltakozó elektromotoros erő (EMF) keletkezik, amelynek amplitúdó-frekvencia spektruma és időtranziens karakterisztikái információt hordoznak a rezonáló atommagok térbeli sűrűségéről, valamint egyéb, csak erre jellemző paraméterekről. nukleáris mágneses rezonancia. Ezen információk számítógépes feldolgozása háromdimenziós képet hoz létre, amely jellemzi a kémiailag egyenértékű atommagok sűrűségét, a mágneses magrezonancia relaxációs idejét, a folyadékáramlási sebességek eloszlását, a molekulák diffúzióját és az élő szövetekben zajló biokémiai anyagcsere folyamatokat.
Az NMR introszkópia (vagy mágneses rezonancia képalkotás) lényege valójában a mágneses magrezonancia jel amplitúdójának egy speciális kvantitatív elemzése. A hagyományos NMR-spektroszkópiában a spektrumvonalak lehető legjobb felbontására törekszünk. Ennek elérése érdekében a mágneses rendszereket úgy állítják be, hogy a lehető legjobb téregyenletességet biztosítsák a mintán belül. Ezzel szemben az NMR introszkópos módszerekben a létrehozott mágneses tér nyilvánvalóan nem egyenletes. Akkor van okunk arra számítani, hogy a mágneses magrezonancia frekvenciája a minta minden pontjában megvan a maga értéke, amely különbözik a többi rész értékétől. Ha bármilyen kódot beállít az NMR-jelek amplitúdójának gradációjához (fényerő vagy szín a monitor képernyőjén), hagyományos képet (tomogramot) kaphat az objektum belső szerkezetének szakaszairól.
Az NMR introszkópiát és az NMR tomográfiát először V. A. Ivanov találta fel a világon 1960-ban. Egy hozzá nem értő szakértő a találmány (módszer és eszköz) iránti kérelmet „...a javasolt megoldás nyilvánvaló haszontalansága miatt” utasította el, így az erre vonatkozó szerzői jogi tanúsítványt csak több mint 10 évvel később adták ki. Így hivatalosan elismert tény, hogy az NMR-tomográfia szerzője nem az alább felsorolt ​​Nobel-díjasok csapata, hanem egy orosz tudós. E jogi tény ellenére az NMR-tomográfiáért járó Nobel-díjat nem V. A. Ivanov kapta. Spektrális eszközök

A spektrumok pontos tanulmányozásához az olyan egyszerű eszközök, mint a fénysugarat korlátozó keskeny rés és a prizma már nem elegendőek. Olyan műszerekre van szükség, amelyek tiszta spektrumot biztosítanak, azaz olyan műszerekre, amelyek jól el tudják különíteni a különböző hosszúságú hullámokat, és nem teszik lehetővé a spektrum egyes részei átfedését. Az ilyen eszközöket spektrális eszközöknek nevezzük. Leggyakrabban a spektrális berendezés fő része egy prizma vagy diffrakciós rács.

ELEKTRONIKUS PARAMÁGNESES RESONANCIA

A módszer lényege

Az elektronparamágneses rezonancia jelenségének lényege az elektromágneses sugárzás párosítatlan elektronok általi rezonanciaelnyelése. Az elektronnak van egy spinje és egy hozzá tartozó mágneses momentum.

Ha B 0 erősségű mágneses térbe helyezünk egy keletkező J szögimpulzusú szabad gyököt, akkor J nem nulla esetén megszűnik a mágneses tér degenerációja, és a mágneses térrel való kölcsönhatás eredményeként 2J+1 szintek keletkeznek, amelyek helyzetét a következő kifejezés írja le: W =gβB 0 M, (ahol M = +J, +J-1, …-J), és a mágneses tér és a mágneses momentum Zeeman-kölcsönhatása határozza meg. J. Az elektron energiaszintek felosztását az ábra mutatja.

Energiaszintek és megengedett átmenetek egy 1-es magspinnel rendelkező atom számára állandó (A) és váltakozó (B) mezőben.

Ha most a B 0 mágneses térvektorra merőleges síkban polarizált, ν frekvenciájú elektromágneses teret alkalmazunk a paramágneses középpontra, akkor az olyan mágneses dipólus átmeneteket okoz, amelyek megfelelnek a ΔM = 1 szelekciós szabálynak. Az elektronikus átmenet egybeesik a fotoelektromágneses hullám energiájával, rezonanciareakció fog bekövetkezni a mikrohullámú sugárzás elnyelésével. Így a rezonancia feltételét az alapvető mágneses rezonancia reláció határozza meg

A mikrohullámú térenergia abszorpciója akkor figyelhető meg, ha a szintek között populációs különbség van.

Termikus egyensúly esetén a Zeeman-szintek populációi között kis különbség van, amelyet a Boltzmann-eloszlás = exp(gβB 0 /kT) határoz meg. Egy ilyen rendszerben, amikor az átmenetek gerjesztettek, az energia-alszintek populációinak egyenlősége nagyon gyorsan bekövetkezik, és a mikrohullámú mező abszorpciója eltűnik. A valóságban azonban sokféle kölcsönhatási mechanizmus létezik, amelyek eredményeként az elektron nem sugárzóan átmegy eredeti állapotába. A növekvő teljesítmény melletti állandó abszorpciós intenzitás hatása olyan elektronok miatt következik be, amelyeknek nincs idejük ellazulni, és ezt telítésnek nevezik. A telítettség nagy mikrohullámú sugárzási teljesítménynél jelentkezik, és jelentősen torzíthatja a centrumok koncentrációjának EPR módszerrel történő mérésének eredményeit.

Módszer értéke

Az EPR módszer egyedülálló információt nyújt a paramágneses központokról. Egyértelműen megkülönbözteti a rácsba izomorf módon beépült szennyező ionokat a mikrozárványoktól. Ebben az esetben teljes információt kapunk egy adott ionról a kristályban: vegyérték, koordináció, lokális szimmetria, elektronok hibridizációja, hány és milyen szerkezeti helyzetű elektronok vannak benne, a kristálytér tengelyeinek orientációja ennek az ionnak a helye, a kristálymező teljes jellemzője és részletes információ a kémiai kötésről. És ami nagyon fontos, a módszer lehetővé teszi a paramágneses központok koncentrációjának meghatározását a kristály különböző szerkezetű régióiban.

De az EPR-spektrum nemcsak egy kristályban lévő ion jellemzője, hanem magának a kristálynak is, az elektronsűrűség eloszlásának, a kristálytérnek, a kristályban az ionosság-kovalencia jellemzőinek, és végül egyszerűen egy diagnosztikai jellemzőnek. ásványi anyag, mivel minden ásványban minden ionnak megvannak a maga egyedi paraméterei. Ebben az esetben a paramágneses központ egyfajta szonda, amely spektroszkópiai és szerkezeti jellemzőit ad mikrokörnyezetének.

Ezt az ingatlant az ún. a spin címkék és szondák módszere, amely egy stabil paramágneses központnak a vizsgált rendszerbe történő bevezetésén alapul. Mint ilyen paramágneses központ, általában egy nitroxil-gyököt használnak, amelyet anizotróp gÉs A tenzorok.

NMR spektroszkópia

Mágneses magrezonancia spektroszkópia, NMR spektroszkópia- spektroszkópiai módszer kémiai objektumok tanulmányozására, a mágneses magrezonancia jelenségének felhasználásával. A kémia és a gyakorlati alkalmazások szempontjából a legfontosabbak a proton mágneses rezonancia spektroszkópia (PMR spektroszkópia), valamint a szén-13 NMR spektroszkópia (13 C NMR spektroszkópia), a fluor-19 (infravörös spektroszkópia, az NMR a vegyi anyagok molekulaszerkezetéről ad információt , teljesebb információt nyújt, mint az IS, lehetővé téve a mintában zajló dinamikus folyamatok tanulmányozását - a kémiai reakciók sebességi állandóinak, az intramolekuláris forgás energiagátjainak meghatározását.Ezek a tulajdonságok teszik az NMR spektroszkópiát kényelmes eszközzé mind az elméleti szerves kémiában. valamint biológiai objektumok elemzéséhez.

Alapvető NMR technika

Az NMR-re szánt anyag mintáját vékony falú üvegcsőbe (ampullába) helyezzük. Amikor mágneses térbe helyezik, az NMR aktív magok (például 1 H vagy 13 C) elnyelik az elektromágneses energiát. A kibocsátott jel rezonanciafrekvenciája, abszorpciós energiája és intenzitása arányos a mágneses tér erősségével. Tehát egy 21 Tesla mezőben egy proton 900 MHz-es frekvencián rezonál.

Kémiai eltolódás

A lokális elektronikus környezettől függően egy molekulában a különböző protonok kissé eltérő frekvencián rezonálnak. Mivel ez a frekvenciaeltolás és az alaprezonancia-frekvencia is egyenesen arányos a mágneses tér erősségével, ez az elmozdulás a mágneses tértől független, dimenzió nélküli mennyiséggé alakul, amelyet kémiai eltolódásnak nevezünk. A kémiai eltolódást néhány referenciamintához viszonyított relatív változásként határozzuk meg. A frekvenciaeltolás rendkívül kicsi a fő NMR-frekvenciához képest. A jellemző frekvenciaeltolás 100 Hz, míg az alap NMR frekvencia 100 MHz nagyságrendű. Így a kémiai eltolódást gyakran ppm-ben fejezik ki. Egy ilyen kis frekvenciakülönbség észleléséhez az alkalmazott mágneses térnek állandónak kell lennie a mintatérfogatban.

Mivel a kémiai eltolódás az anyag kémiai szerkezetétől függ, a mintában lévő molekulák szerkezeti információinak megszerzésére szolgál. Például az etanol (CH 3 CH 2 OH) spektruma 3 megkülönböztető jelet ad, azaz 3 kémiai eltolódást: egyet a CH 3 csoportra, a másodikat a CH 2 csoportra és az utolsót az OH-ra. A tipikus eltolódás egy CH3-csoport esetében körülbelül 1 ppm, az OH-4 ppm-hez és az OH-hoz kapcsolódó CH2-csoport esetében körülbelül 2-3 ppm.

A szobahőmérsékleten végbemenő molekuláris mozgás miatt a 3 metil-proton jelei átlagolódnak az NMR-folyamat során, amely csak néhány milliszekundumig tart. Ezek a protonok degenerálódnak és csúcsokat képeznek ugyanazon kémiai eltolódáskor. A szoftver lehetővé teszi a csúcsok méretének elemzését, hogy megértse, hány proton járul hozzá ezekhez a csúcsokhoz.

Spin-spin interakció

Az egydimenziós NMR spektrum szerkezetének meghatározásához a leghasznosabb információkat az aktív NMR magok közötti úgynevezett spin-spin kölcsönhatás szolgáltatja. Ez a kölcsönhatás a kémiai molekulákban lévő atommagok különböző spinállapotai közötti átmenetek eredménye, ami az NMR-jelek felhasadásához vezet. Ez a felosztás lehet egyszerű vagy összetett, és ennek következtében vagy könnyen értelmezhető, vagy zavaró lehet a kísérletező számára.

Ez a kötés részletes információt nyújt a molekulában lévő atomok kötéseiről.

Másodrendű interakció (erős)

Az egyszerű spin-spin csatolás feltételezi, hogy a csatolási állandó kicsi a jelek közötti kémiai eltolódások különbségéhez képest. Ha az eltolási különbség csökken (vagy a kölcsönhatási állandó növekszik), a minta multiplettek intenzitása torzul, és nehezebb lesz elemezni (különösen, ha a rendszer 2-nél több spint tartalmaz). A nagy teljesítményű NMR spektrométereknél azonban a torzítás általában mérsékelt, és ez lehetővé teszi a kapcsolódó csúcsok könnyű értelmezését.

A másodrendű effektusok a multiplettek közötti frekvenciakülönbség növekedésével csökkennek, így a nagyfrekvenciás NMR-spektrum kisebb torzítást mutat, mint az alacsony frekvenciájú spektrum.

Az NMR spektroszkópia alkalmazása fehérjék vizsgálatára

Az NMR-spektroszkópia legújabb innovációinak többsége a fehérjék úgynevezett NMR-spektroszkópiájában valósul meg, amely a modern biológia és gyógyászat nagyon fontos technikájává válik. Az általános cél egy fehérje 3-dimenziós szerkezetének nagy felbontású megszerzése, hasonlóan a röntgenkrisztallográfiával kapott képekhez. Mivel egy fehérjemolekulában több atom van jelen, mint egy egyszerű szerves vegyületben, az alap 1D spektrum tele van átfedő jelekkel, ami lehetetlenné teszi a spektrum közvetlen elemzését. Ezért a probléma megoldására többdimenziós technikákat fejlesztettek ki.

E kísérletek eredményeinek javítására a tagged atom módszert alkalmazzák, 13 C vagy 15 N felhasználásával. Ily módon lehetővé válik egy fehérjeminta 3D spektruma, amely áttörést jelent a modern gyógyszeriparban. Az utóbbi időben széles körben elterjedtek a 4D spektrumok és a nagyobb dimenziójú spektrumok előállítására szolgáló technikák, amelyek nemlineáris mintavételi módszereken alapulnak, majd a szabad indukciós csillapítási jelet speciális matematikai technikákkal visszaállítják.

Irodalom

• Gunther X. Bevezetés az NMR spektroszkópiai kurzusba. - Per. angolról - M., 1984.

Wikimédia Alapítvány. 2010.

Nézze meg, mi az „NMR spektroszkópia” más szótárakban:

Mágneses magrezonancia spektroszkópia 13, 13C szénatomokon Az NMR-spektroszkópia a 13C szénizotóp magjait használó NMR-spektroszkópia egyik módszere. A 13C atommag spinje alapállapotban 1/2, tartalma a természetben... ... Wikipédia

Emberi agy képe orvosi NMR-tomográfon Mágneses magrezonancia (NMR) rezonancia-elnyelése elektromágneses energiának egy olyan anyag által, amely nullától eltérő spinű magokat tartalmaz külső mágneses térben, amelyet átirányítás okoz ... ... Wikipédia

NMR spektroszkópia

NMR spektroszkópia

mágneses rezonancia spektroszkópia- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T terület Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių magnetinio atommagos rezonanso reiškiniu. atitikmenys: engl. NMR...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

mágneses magrezonancia spektroszkópia- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T terület fizika atitikmenys: engl. NMR spektroszkópia; mágneses magrezonancia spektroszkópia vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. nukleáris spektroszkópia… Fizikos terminų žodynas

Magnetinio atommag rezonanso spektroszkópia státusza T terület Standartizálás és metrológiai meghatározás Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių mágneses mágneses magok rezonanso reiškiniu. atitikmenys: engl. NMR...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

magrezonancia spektroszkópia- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T terület fizika atitikmenys: engl. NMR spektroszkópia; mágneses magrezonancia spektroszkópia vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. nukleáris spektroszkópia… Fizikos terminų žodynas

Kutatási módszerek összessége. VA-ban atomjaik, ionjaik és molekuláik abszorpciós spektruma szerint. mag. rádióhullámok. A sugárzás magában foglalja az elektronparamágneses módszereket. rezonancia (EPR), magmágneses. rezonancia (NMR), ciklotron rezonancia stb. Természettudomány. enciklopédikus szótár

Emberi agy képe orvosi NMR-tomográfon Mágneses magrezonancia (NMR) rezonancia abszorpciója vagy elektromágneses energia kibocsátása nullától eltérő spinű magokat tartalmazó anyag által külső mágneses térben, ν ... ... frekvencián Wikipédia

1.A jelenség lényege

Mindenekelőtt meg kell jegyezni, hogy bár ennek a jelenségnek a neve tartalmazza a „nukleáris” szót, az NMR-nek semmi köze a magfizikához, és semmilyen módon nem kapcsolódik a radioaktivitáshoz. Ha szigorú leírásról beszélünk, akkor nem lehet nélkülözni a kvantummechanika törvényeit. E törvények szerint a mágneses mag és a külső mágneses tér kölcsönhatásának energiája csak néhány diszkrét értéket vehet fel. Ha a mágneses magokat váltakozó mágneses térrel sugározzuk be, amelynek frekvenciája megfelel e diszkrét energiaszintek frekvenciaegységekben kifejezett különbségének, akkor a mágneses magok elkezdenek mozogni egyik szintről a másikra, miközben elnyelik a váltakozó energiát. terület. Ez a mágneses rezonancia jelensége. Ez a magyarázat formailag helyes, de nem túl világos. Van egy másik magyarázat is, kvantummechanika nélkül. A mágneses mag egy elektromosan töltött golyóként képzelhető el, amely a tengelye körül forog (bár szigorúan véve ez nem így van). Az elektrodinamika törvényei szerint a töltés forgása mágneses tér megjelenéséhez vezet, vagyis az atommag mágneses momentumához, amely a forgástengely mentén irányul. Ha ezt a mágneses momentumot állandó külső térbe helyezzük, akkor ennek a momentumnak a vektora precesszálni kezd, azaz forogni kezd a külső tér iránya körül. Ugyanígy a felső tengelye precesszióban (forog) a függőleges körül, ha nem szigorúan függőlegesen, hanem bizonyos szögben csavarják ki. Ebben az esetben a mágneses mező szerepét a gravitációs erő játssza.

­

A precessziós frekvenciát mind az atommag tulajdonságai, mind a mágneses tér erőssége határozza meg: minél erősebb a tér, annál nagyobb a frekvencia. Ekkor, ha az állandó külső mágneses tér mellett a magra egy váltakozó mágneses tér is hatással van, akkor a mag elkezd kölcsönhatásba lépni ezzel a mezővel - úgy tűnik, hogy erősebben lengeti a magot, a precessziós amplitúdó megnő, és a mag elnyeli a váltakozó mező energiáját. Ez azonban csak a rezonancia feltétele mellett fog megtörténni, azaz a precessziós frekvencia és a külső váltakozó tér frekvenciájának egybeesése esetén. Ez hasonló az iskolai fizika klasszikus példájához – a hídon átvonuló katonákhoz. Ha a lépés frekvenciája egybeesik a híd természetes frekvenciájával, akkor a híd egyre jobban leng. Kísérletileg ez a jelenség egy váltakozó mező abszorpciójának a frekvenciájától való függésében nyilvánul meg. A rezonancia pillanatában az abszorpció meredeken növekszik, és a legegyszerűbb mágneses rezonancia spektrum így néz ki:

­

2. Fourier-spektroszkópia

Az első NMR spektrométerek pontosan a fent leírtak szerint működtek - a mintát állandó mágneses térbe helyezték, és folyamatosan rádiófrekvenciás sugárzást alkalmaztak rá. Ekkor vagy a váltakozó tér frekvenciája, vagy az állandó mágneses tér intenzitása simán változott. A váltakozó térenergia abszorpcióját rádiófrekvenciás híd rögzítette, amelyről a jelet egy felvevőre vagy oszcilloszkópra továbbították. De ezt a jelrögzítési módszert már régóta nem alkalmazták. A modern NMR spektrométerekben a spektrumot impulzusokkal rögzítik. Az atommagok mágneses momentumait egy rövid erős impulzus gerjeszti, majd rögzíti az RF tekercsben a szabadon precesszáló mágneses momentumok által indukált jelet. Ez a jel fokozatosan nullára csökken, ahogy a mágneses momentumok egyensúlyba kerülnek (ezt a folyamatot mágneses relaxációnak nevezik). Az NMR-spektrumot ebből a jelből kapjuk Fourier-transzformáció segítségével. Ez egy szabványos matematikai eljárás, amely lehetővé teszi, hogy bármilyen jelet frekvenciaharmonikusokra bontson, és így megkapja a jel frekvenciaspektrumát. A spektrum rögzítésének ez a módszere lehetővé teszi a zajszint jelentős csökkentését és a kísérletek sokkal gyorsabb elvégzését.

­

A spektrum rögzítésére szolgáló gerjesztési impulzus a legegyszerűbb NMR-kísérlet. Egy kísérletben azonban sok ilyen különböző időtartamú, amplitúdójú, különböző késleltetésű, stb. impulzus lehet egy kísérletben, attól függően, hogy a kutatónak milyen manipulációkat kell végrehajtania a magmágneses nyomatékok rendszerével. Azonban ezeknek az impulzussorozatoknak szinte mindegyike ugyanazzal a dologgal végződik - egy szabad precessziós jel rögzítésére, amelyet egy Fourier-transzformáció követ.

3. Mágneses kölcsönhatások az anyagban

Maga a mágneses rezonancia nem maradna más, mint egy érdekes fizikai jelenség, ha nem lennének mágneses kölcsönhatások az atommagok egymással és a molekula elektronhéjával. Ezek a kölcsönhatások befolyásolják a rezonancia paramétereket, és segítségükkel az NMR módszer sokrétű információt szolgáltathat a molekulák tulajdonságairól - orientációjukról, térszerkezetükről (konformációjuk), intermolekuláris kölcsönhatásokról, kémiai cseréről, forgási és transzlációs dinamikáról. Ennek köszönhetően az NMR az anyagok molekuláris szintű vizsgálatának igen hatékony eszközévé vált, amelyet nemcsak a fizikában, hanem elsősorban a kémiában és a molekuláris biológiában széles körben alkalmaznak. Egy ilyen kölcsönhatásra példa az úgynevezett kémiai eltolódás. Lényege a következő: egy molekula elektronhéja reagál egy külső mágneses térre, és megpróbálja azt átszűrni - a mágneses tér részleges átvilágítása minden diamágneses anyagban előfordul. Ez azt jelenti, hogy a molekulában lévő mágneses mező nagyon kis mértékben különbözik a külső mágneses tértől, amit kémiai eltolódásnak nevezünk. Az elektronhéj tulajdonságai azonban a molekula különböző részein eltérőek, és a kémiai eltolódás is eltérő. Ennek megfelelően a molekula különböző részein lévő magok rezonanciafeltételei is eltérőek lesznek. Ez lehetővé teszi a kémiailag nem egyenértékű magok megkülönböztetését a spektrumban. Például, ha a tiszta víz hidrogénatommagjainak (protonjainak) spektrumát vesszük, akkor csak egy vonal lesz, mivel a H 2 O molekulában a két proton pontosan ugyanaz. De a CH 3 OH metil-alkohol esetében már két vonal lesz a spektrumban (ha figyelmen kívül hagyjuk az egyéb mágneses kölcsönhatásokat), mivel kétféle proton létezik - a CH 3 metilcsoport protonjai és az oxigénatomhoz kapcsolódó proton. Ahogy a molekulák összetettebbé válnak, a vonalak száma nő, és ha egy ilyen nagy és összetett molekulát veszünk fehérjének, akkor ebben az esetben a spektrum valahogy így fog kinézni:

­

4. Mágneses magok

Az NMR különböző atommagokon figyelhető meg, de el kell mondani, hogy nem minden atommag rendelkezik mágneses momentummal. Gyakran előfordul, hogy egyes izotópoknak van mágneses momentuma, de ugyanazon mag más izotópjainak nincs. Összesen több mint száz izotópja van a különféle kémiai elemeknek, amelyek mágneses maggal rendelkeznek, de a kutatás során általában legfeljebb 1520 mágneses magot használnak, minden más egzotikus. Minden atommagnak megvan a saját jellemző aránya a mágneses tér és a precessziós frekvencia között, amelyet giromágneses aránynak neveznek. Minden atommag esetében ismertek ezek az összefüggések. Segítségükkel kiválasztható, hogy adott mágneses térben milyen frekvencián észlelhető a kutatónak szüksége a magokból érkező jel.

Az NMR legfontosabb magjai a protonok. A természetben a legnagyobb mennyiségben előfordulnak, és nagyon nagy érzékenységgel rendelkeznek. A szén, a nitrogén és az oxigén atommagjai nagyon fontosak a kémia és a biológia számára, de a tudósoknak nem volt sok szerencséjük velük: a szén és oxigén leggyakoribb izotópjai, a 12 C és 16 O nem rendelkeznek mágneses nyomatékkal, a természetes A nitrogén 14N izotópjának van egy pillanata, de ez több okból is nagyon kényelmetlen a kísérletekhez. Vannak olyan 13 C, 15 N és 17 O izotópok, amelyek alkalmasak NMR-kísérletek elvégzésére, de természetes előfordulásuk nagyon alacsony, érzékenységük pedig nagyon alacsony a protonokhoz képest. Ezért az NMR vizsgálatokhoz gyakran speciális izotóppal dúsított mintákat készítenek, amelyekben egy adott mag természetes izotópját helyettesítik a kísérletekhez szükséges izotóppal. A legtöbb esetben ez az eljárás nagyon nehéz és költséges, de néha ez az egyetlen lehetőség a szükséges információk megszerzésére.

5. Elektronparamágneses és kvadrupólus rezonancia

Ha az NMR-ről beszélünk, nem szabad megemlíteni két másik kapcsolódó fizikai jelenséget - az elektronparamágneses rezonanciát (EPR) és a magkvadrupólus rezonanciát (NQR). Az EPR lényegében hasonló az NMR-hez, a különbség az, hogy a rezonancia nem az atommagok, hanem az atom elektronhéjának mágneses momentumainál figyelhető meg. Az EPR csak azokban a molekulákban vagy kémiai csoportokban figyelhető meg, amelyek elektronhéja úgynevezett párosítatlan elektront tartalmaz, ekkor a héj nullától eltérő mágneses momentumú. Az ilyen anyagokat paramágneseknek nevezzük. Az EPR-t az NMR-hez hasonlóan az anyagok különböző szerkezeti és dinamikai tulajdonságainak molekuláris szintű vizsgálatára is használják, de felhasználási köre lényegesen szűkebb. Ez elsősorban annak köszönhető, hogy a legtöbb molekula, különösen az élő természetben, nem tartalmaz párosítatlan elektronokat. Bizonyos esetekben használhatunk úgynevezett paramágneses szondát, vagyis egy páratlan elektront tartalmazó kémiai csoportot, amely a vizsgált molekulához kötődik. Ennek a megközelítésnek azonban vannak nyilvánvaló hátrányai, amelyek korlátozzák ennek a módszernek a lehetőségeit. Ezenkívül az EPR nem rendelkezik olyan nagy spektrális felbontással (azaz nem képes megkülönböztetni az egyik vonalat a másiktól a spektrumban), mint az NMR-nél.

A legnehezebb az NQR természetét „ujjakon” magyarázni. Egyes atommagokban elektromos kvadrupólmomentum van. Ez a momentum jellemzi az atommag elektromos töltése eloszlásának eltérését a gömbszimmetriától. Ennek a pillanatnak a kölcsönhatása az anyag kristályszerkezete által létrehozott elektromos tér gradiensével az atommag energiaszintjének kettéválásához vezet. Ebben az esetben rezonancia figyelhető meg a szintek közötti átmeneteknek megfelelő frekvencián. Ellentétben az NMR-rel és az EPR-rel, az NQR-nek nincs szüksége külső mágneses térre, mivel enélkül is megtörténik a szintosztás. Az NQR-t anyagok vizsgálatára is használják, de alkalmazási köre még az EPR-nél is szűkebb.

6. Az NMR előnyei és hátrányai

Az NMR a leghatékonyabb és leginformatívabb módszer a molekulák tanulmányozására. Szigorúan véve ez nem egy módszer, hanem számos különböző típusú kísérlet, azaz impulzussorozat. Bár mindegyik az NMR jelenségén alapul, mindegyik kísérletet úgy tervezték, hogy bizonyos specifikus információkat szerezzen. E kísérletek számát sok tízben, ha nem százban mérik. Elméletileg az NMR képes, ha nem is mindenre, de szinte mindenre, amire a molekulák szerkezetének és dinamikájának tanulmányozására szolgáló összes többi kísérleti módszer képes, bár a gyakorlatban ez természetesen nem mindig megvalósítható. Az NMR egyik fő előnye, hogy egyrészt természetes szondái, azaz mágneses magjai eloszlanak a molekulában, másrészt lehetővé teszi ezen magok egymástól való megkülönböztetését és térbeli szelektív adatok beszerzését. a molekula tulajdonságairól. Szinte az összes többi módszer vagy a teljes molekulára, vagy annak csak egy részére vonatkozóan szolgáltat információt.

Az NMR-nek két fő hátránya van. Először is, a legtöbb más kísérleti módszerhez (optikai spektroszkópia, fluoreszcencia, ESR stb.) képest alacsony az érzékenysége. Ez oda vezet, hogy a zaj átlagolásához a jelet hosszú ideig fel kell halmozni. Egyes esetekben az NMR-kísérlet akár több hétig is elvégezhető. Másodszor, drága. Az NMR spektrométerek a legdrágább tudományos műszerek közé tartoznak, legalább több százezer dollárba kerülnek, míg a legdrágább spektrométerek több millióba kerülnek. Nem minden laboratórium, különösen Oroszországban, engedheti meg magának, hogy ilyen tudományos felszereléssel rendelkezzen.

7. Mágnesek NMR spektrométerekhez

A spektrométer egyik legfontosabb és legdrágább alkatrésze a mágnes, amely állandó mágneses teret hoz létre. Minél erősebb a mező, annál nagyobb az érzékenység és a spektrális felbontás, ezért a tudósok és mérnökök folyamatosan igyekeznek minél magasabbra állítani a mezőket. A mágneses mezőt a szolenoidban lévő elektromos áram hozza létre - minél erősebb az áram, annál nagyobb a mező. Az áramot azonban nem lehet korlátlanul növelni; nagyon nagy áramerősségnél a mágnestekercs egyszerűen olvadni kezd. Ezért a nagy térerejű NMR-spektrométerekben nagyon hosszú ideig szupravezető mágneseket használnak, vagyis olyan mágneseket, amelyekben a mágneses huzal szupravezető állapotban van. Ebben az esetben a vezeték elektromos ellenállása nulla, és egyetlen áramértéken sem szabadul fel energia. A szupravezető állapot csak nagyon alacsony, néhány Kelvin-fok, a folyékony hélium hőmérsékletén érhető el. (A magas hőmérsékletű szupravezetés még mindig tisztán fundamentális kutatások területe.) Pontosan az ilyen alacsony hőmérséklet fenntartásával jár együtt a mágnesek tervezésének és gyártásának minden technikai nehézsége, ami drágává teszi azokat. A szupravezető mágnes a termosz-matryoska elvén épül fel. A mágnesszelep középen, a vákuumkamrában található. Folyékony héliumot tartalmazó héj veszi körül. Ezt a héjat egy vákuumrétegen keresztül folyékony nitrogénhéj veszi körül. A folyékony nitrogén hőmérséklete mínusz 196 Celsius fok, nitrogénre azért van szükség, hogy a hélium minél lassabban elpárologjon. Végül a nitrogénhéjat szobahőmérséklettől egy külső vákuumréteg választja el. Egy ilyen rendszer nagyon hosszú ideig képes fenntartani a szupravezető mágnes kívánt hőmérsékletét, bár ehhez rendszeresen folyékony nitrogént és héliumot kell hozzáadni a mágneshez. Az ilyen mágnesek előnye amellett, hogy nagy mágneses teret érnek el, az is, hogy nem fogyasztanak energiát: a mágnes elindítása után az áram sok éven át gyakorlatilag veszteség nélkül halad át a szupravezető vezetékeken.

­

8. Tomográfia

A hagyományos NMR spektrométerekben igyekeznek minél egyenletesebbé tenni a mágneses teret, ez a spektrális felbontás javításához szükséges. De ha a mintán belüli mágneses mezőt ezzel szemben nagyon inhomogénné tesszük, az alapvetően új lehetőségeket nyit meg az NMR alkalmazásában. A mező inhomogenitását úgynevezett gradiens tekercsek hozzák létre, amelyek a fő mágnessel párhuzamosan működnek. Ebben az esetben a mágneses tér nagysága a minta különböző részein eltérő lesz, ami azt jelenti, hogy az NMR jel nem a teljes mintából figyelhető meg, mint egy hagyományos spektrométerben, hanem csak annak keskeny rétegéből, amelyre a rezonancia feltételek teljesülnek, azaz a mágneses tér és a frekvencia közötti kívánt kapcsolat. A mágneses tér nagyságának (vagy ami lényegében ugyanaz, a jel megfigyelési gyakoriságának) megváltoztatásával megváltoztathatja a jelet előállító réteget. Ily módon lehetőség nyílik a minta teljes térfogatának „szkennelésére”, és belső háromdimenziós szerkezetének „megtekintésére” anélkül, hogy a mintát bármilyen mechanikai módon megsemmisítené. A mai napig számos olyan technikát fejlesztettek ki, amelyek lehetővé teszik különböző NMR-paraméterek (spektrális jellemzők, mágneses relaxációs idők, öndiffúziós sebesség és néhány egyéb) mérését a mintán belüli térbeli felbontással. A gyakorlati szempontból legérdekesebb és legfontosabb NMR-tomográfia alkalmazását az orvostudományban találták. Ebben az esetben a vizsgált „minta” az emberi test. Az NMR képalkotás az egyik leghatékonyabb és legbiztonságosabb (de egyben drága) diagnosztikai eszköz az orvostudomány különböző területein, az onkológiától a szülészetig. Érdekes megjegyezni, hogy az orvosok nem használják a „nukleáris” szót ennek a módszernek a nevében, mert egyes betegek nukleáris reakciókkal és az atombombával asszociálnak.

9. A felfedezés története

Az NMR felfedezésének évének 1945-öt tekintik, amikor az amerikaiak Felix Bloch Stanfordból és tőle függetlenül a harvardi Edward Purcell és Robert Pound először figyelték meg az NMR jelet protonokon. Ekkor már sok mindent lehetett tudni a magmágnesesség természetéről, magát az NMR-effektust elméletileg megjósolták, és több kísérlet is történt kísérleti megfigyelésére. Fontos megjegyezni, hogy egy évvel korábban a Szovjetunióban, Kazanyban fedezte fel az EPR jelenséget Jevgenyij Zavojszkij. Ma már köztudott, hogy Zavoisky is megfigyelte az NMR jelet, ez még a háború előtt, 1941-ben volt. Rendelkezésére állt azonban egy gyenge minőségű mágnes, gyenge téregyenletességgel; az eredmények rosszul reprodukálhatók, ezért publikálatlanok maradtak. Az igazság kedvéért meg kell jegyezni, hogy nem Zavoisky volt az egyetlen, aki megfigyelte az NMR-t a „hivatalos” felfedezése előtt. Különösen Isidor Rabi amerikai fizikus (1944-ben Nobel-díjas az atommagok mágneses tulajdonságainak tanulmányozásáért atomi és molekuláris nyalábokban) szintén megfigyelte az NMR-t a 30-as évek végén, de műszeres műalkotásnak tekintette. Így vagy úgy, hazánk továbbra is elsőbbséget élvez a mágneses rezonancia kísérleti kimutatásában. Bár maga Zavoisky nem sokkal a háború után más problémákkal kezdett foglalkozni, felfedezése óriási szerepet játszott a kazanyi tudomány fejlődésében. Kazan továbbra is a világ egyik vezető EPR spektroszkópiai tudományos központja.

10. Mágneses rezonancia Nobel-díjak

A 20. század első felében több Nobel-díjat ítéltek oda tudósoknak, akiknek munkája nélkül nem jöhetett volna létre az NMR felfedezése. Köztük Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. De négy Nobel-díj közvetlenül kapcsolódott az NMR-hez. 1952-ben a díjat Felix Bloch és Edward Purcell kapta a mágneses magrezonancia felfedezéséért. Ez az egyetlen „NMR” fizikai Nobel-díj. 1991-ben a svájci Richard Ernst kapta meg a kémiai díjat, aki a híres zürichi ETH-n dolgozott. Többdimenziós NMR-spektroszkópiai módszerek kidolgozásáért kapta, amely lehetővé tette az NMR-kísérletek információtartalmának radikális növelését. 2002-ben a szintén kémia díjat Kurt Wüthrich nyerte, aki Ernsttel együtt dolgozott a szomszédos épületekben ugyanabban a műszaki iskolában. A díjat az oldatban lévő fehérjék háromdimenziós szerkezetének meghatározására szolgáló módszerek kidolgozásáért kapta. Korábban az egyetlen módszer a nagy biomakromolekulák térbeli konformációjának meghatározására a röntgendiffrakciós analízis volt. Végül 2003-ban az amerikai Paul Lauterbur és az angol Peter Mansfield kapta meg az NMR-tomográfia feltalálásáért járó orvosi díjat. Az EPR szovjet felfedezője, E. K. Zavoisky sajnos nem kapott Nobel-díjat.

A mágneses magrezonancia spektroszkópia az egyik legelterjedtebb és nagyon érzékeny módszer a szerves vegyületek szerkezetének meghatározására, amely lehetővé teszi nemcsak a minőségi és mennyiségi összetételről, hanem az atomok egymáshoz viszonyított elhelyezkedéséről is. A különféle NMR technikák számos lehetőséget kínálnak az anyagok kémiai szerkezetének, a molekulák megerősítési állapotának, a kölcsönös befolyásolás hatásainak és az intramolekuláris átalakulásoknak a meghatározására.

A mágneses magrezonancia módszernek számos megkülönböztető jellemzője van: az optikai molekulaspektrumokkal ellentétben az elektromágneses sugárzás anyag általi elnyelése erős, egyenletes külső mágneses térben történik. Ezenkívül az NMR-vizsgálat elvégzéséhez a kísérletnek számos olyan feltételnek kell megfelelnie, amelyek tükrözik az NMR-spektroszkópia általános elveit:

1) NMR spektrumok felvétele csak saját mágneses momentummal rendelkező atommagokra vagy úgynevezett mágneses magokra lehetséges, amelyekben a protonok és neutronok száma olyan, hogy az izotópmagok tömegszáma páratlan. Minden páratlan tömegszámú magnak van spin I, melynek értéke 1/2. Tehát az 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R atommagok esetén a spin értéke 1/2, a 7 Li, 23 Na, 39 K és 4 l R atommagoknál a spin 3/2 . A páros tömegszámú atommagoknak vagy egyáltalán nincs spinje, ha a magtöltés páros, vagy egész számú spinértékük van, ha a töltés páratlan. Csak azok a magok tudnak NMR-spektrumot létrehozni, amelyek spinje I 0.

A spin jelenléte az atommag körüli töltés keringésével jár, ezért mágneses momentum keletkezik μ . Egy forgó töltés (például egy proton) J szögimpulzussal μ=γ*J mágneses momentumot hoz létre . A J szögimpulzus és a forgás során fellépő μ mágneses momentum vektorként ábrázolható. Állandó arányukat γ giromágneses aránynak nevezzük. Ez az állandó határozza meg a mag rezonanciafrekvenciáját (1.1. ábra).

1.1. ábra - J szögnyomatékú forgó töltés μ=γ*J mágneses nyomatékot hoz létre.

2) az NMR módszer az energia abszorpcióját vagy kibocsátását vizsgálja a spektrumképzés szokatlan körülményei között: ellentétben más spektrális módszerekkel. Az NMR-spektrumot egy erős, egyenletes mágneses térben lévő anyagról vettük fel. Az ilyen atommagok egy külső mezőben eltérő potenciális energiaértékekkel rendelkeznek, a μ vektor több lehetséges (kvantált) orientációs szögétől függően a H 0 külső mágneses térerősség vektorhoz képest. Külső mágneses tér hiányában az atommagok mágneses momentumai vagy spinjei nem rendelkeznek meghatározott orientációval. Ha 1/2 spinű mágneses magokat helyezünk mágneses térbe, akkor a magspinek egy része a mágneses erővonalakkal párhuzamosan, másik része antiparallel lesz. Ez a két irányzat energetikailag már nem egyenértékű, és a spinek két energiaszinten oszlanak meg.

A +1/2 mező mentén elhelyezkedő mágneses momentumú pörgetéseket a | szimbólum jelöli α >, a külső mezővel ellentétes tájolással -1/2 - szimbólum | β > (1.2. ábra) .

1.2. ábra - Energiaszintek kialakulása külső H 0 mező alkalmazásakor.

1.2.1 NMR spektroszkópia 1H magokon A PMR spektrumok paraméterei.

Az 1H NMR spektrumok adatainak megfejtéséhez és a jelek hozzárendeléséhez a spektrumok főbb jellemzőit használjuk: kémiai eltolódás, spin-spin kölcsönhatási állandó, integrált jelintenzitás, jelszélesség [57].

A) Kémiai eltolódás (C.C). H.S. skála A kémiai eltolódás a jel és a referenciaanyag jele közötti távolság, a külső térerősség milliomodrészében kifejezve.

A protonok kémiai eltolódásának mérésére leggyakrabban a 12 szerkezetileg egyenértékű, erősen árnyékolt protont tartalmazó tetrametil-szilánt [TMS, Si(CH 3) 4] használják standardként.

B) Spin-spin kölcsönhatási állandó. A nagy felbontású NMR-spektrumokban jelhasadás figyelhető meg. Ez a hasadó vagy finom szerkezet a nagy felbontású spektrumokban a mágneses magok közötti spin-spin kölcsönhatások eredménye. Ez a jelenség a kémiai eltolódással együtt a legfontosabb információforrásként szolgál az összetett szerves molekulák szerkezetéről és a bennük lévő elektronfelhő eloszlásáról. Nem a H0-tól, hanem a molekula elektronszerkezetétől függ. Egy másik mágneses maggal kölcsönhatásba lépő mágneses mag jele a spinállapotok számától függően több vonalra oszlik, azaz. az I. magok spinjeitől függ.

Az ezen vonalak közötti távolság jellemzi az atommagok közötti spin-spin csatolási energiát, és ezt n J spin-spin csatolási állandónak nevezik, ahol n- a kölcsönhatásban lévő atommagokat elválasztó kötések száma.

Vannak direkt konstansok J HH, geminális konstansok 2 J HH , vicinális állandók 3 J HH és néhány nagy hatótávolságú állandó 4 J HH , 5 J HH .

- A 2 J HH geminális állandók lehetnek pozitívak és negatívak is, és a -30 Hz és +40 Hz közötti tartományt foglalják el.

A 3 J HH vicinális állandók a 0 20 Hz tartományt foglalják el; szinte mindig pozitívak. Megállapítást nyert, hogy a vicinális kölcsönhatás telített rendszerekben nagyon erősen függ a szén-hidrogén kötések közötti szögtől, vagyis a diéderszögtől - (1.3. ábra).

1.3. ábra - A szén-hidrogén kötések közötti φ kétszög.

Hosszú távú spin-spin kölcsönhatás (4 J HH , 5 J HH ) - két, négy vagy több kötéssel elválasztott mag kölcsönhatása; az ilyen kölcsönhatás állandói általában 0 és +3 Hz között vannak.

1.1. táblázat – Spin-spin kölcsönhatási állandók

B) Integrált jelintenzitás. A jelek területe arányos az adott térerősség mellett rezonáló mágneses magok számával, így a jelek területének aránya adja meg az egyes szerkezeti változatok protonjainak relatív számát, és ezt integrált jelintenzitásnak nevezzük. A modern spektrométerek speciális integrátorokat használnak, amelyek leolvasását görbe formájában rögzítik, amelynek lépéseinek magassága arányos a megfelelő jelek területével.

D) Vonalak szélessége. A vonalak szélességének jellemzésére szokás a szélességet a spektrum nullavonalától fele magasságban mérni. A kísérletileg megfigyelt vonalszélesség a szerkezettől és mobilitástól függő természetes vonalszélességből és a műszeres okok miatti kiszélesedésből áll.

A szokásos vonalszélesség a PMR-ben 0,1-0,3 Hz, de a szomszédos átmenetek átfedése miatt megnövekedhet, amelyek nem pontosan esnek egybe, de külön vonalként nem oldódnak fel. A kiszélesedés 1/2-nél nagyobb spinű magok és kémiai csere esetén lehetséges.

1.2.2 1H NMR adatok alkalmazása szerves molekulák szerkezetének meghatározására.

A szerkezetelemzés számos problémájának megoldása során az empirikus értékek táblázatai mellett a Kh.S. Hasznos lehet számszerűsíteni a szomszédos szubsztituensek hatását a Ch.S. a hatékony szűrési hozzájárulások additivitásának szabálya szerint. Ebben az esetben általában figyelembe veszik azokat a szubsztituenseket, amelyek legfeljebb 2-3 kötés távolságra vannak egy adott protontól, és a számítás a következő képlet alapján történik:

δ=δ 0 +ε i *δ i (3)

ahol δ 0 a standard csoport protonjainak kémiai eltolódása;

δi a szubsztituens szűrésének hozzájárulása.

1.3 NMR spektroszkópia 13 C. A spektrumok felvétele és felvételi módjai.

A 13 C NMR megfigyeléséről az első jelentések 1957-ben jelentek meg, de a 13 C NMR spektroszkópia átalakítása az analitikai kutatás gyakorlatban is alkalmazott módszerévé jóval később kezdődött.

A 13 C és 1 H mágneses rezonancia sok közös vonást mutat, de vannak jelentős különbségek is. A leggyakoribb 12 C szénizotóp I=0. A 13 C izotóp I=1/2, de természetes tartalma 1,1%. Ez együtt jár azzal a ténnyel, hogy a 13 C atommag giromágneses aránya a protonok giromágneses arányának 1/4-e. Ez 6000-szer csökkenti a módszer érzékenységét a 13 C NMR megfigyelésével végzett kísérletekben az 1 H atommagokhoz képest.

a) a protonokkal való spin-spin kölcsönhatás elnyomása nélkül. Azokat a 13 C NMR spektrumokat, amelyeket a spin-spin rezonancia protonokkal való teljes elnyomásának hiányában kaptunk, nagyfelbontású spektrumoknak neveztük. Ezek a spektrumok teljes információt tartalmaznak a 13 C - 1 H állandókról. A viszonylag egyszerű molekulákban mindkét típusú konstans - közvetlen és nagy hatótávolságú - meglehetősen egyszerűen megtalálható. Tehát 1 J (C-H) 125 - 250 Hz, azonban spin-spin kölcsönhatás előfordulhat távolabbi protonokkal is, amelyek állandója kisebb, mint 20 Hz.

b) a protonokkal való spin-spin kölcsönhatás teljes elnyomása. A 13 C NMR spektroszkópia területén az első jelentős előrelépés a protonokkal való spin-spin kölcsönhatás teljes elnyomásával kapcsolatos. A protonokkal való spin-spin kölcsönhatás teljes elnyomása a multiplettek egyesüléséhez vezet szingulett vonalak kialakulásához, ha a molekulában nincs más mágneses mag, például 19 F és 31 P.

c) a protonokkal való spin-spin kölcsönhatás nem teljes elnyomása. A protonoktól való teljes leválasztás módjának azonban megvannak a maga hátrányai. Mivel ma már minden szénjel szingulett formában van, a spin-spin kölcsönhatási állandókkal kapcsolatos összes információ elveszik 13 C-1 H. Javasolunk egy olyan módszert, amely lehetővé teszi a közvetlen spin-spin kölcsönhatási állandókkal kapcsolatos információk részleges visszaállítását 13 C-1 H, és ezzel egyidejűleg a szélessávú szétválasztás előnyeinek nagyobb részét megtartják. Ebben az esetben a spin-spin kölcsönhatás 13 C - 1 H közvetlen állandói miatt hasadások jelennek meg a spektrumokban. Ez az eljárás lehetővé teszi a nem protonált szénatomok jeleinek detektálását, mivel az utóbbiakban nem találhatók közvetlenül kapcsolódó protonok. 13 C-on jelennek meg a spektrumokban a protonokról való hiányos leválasztással, szingulettként.

d) a CH kölcsönhatási állandó modulációja, JMODCH spektrum. A 13C NMR spektroszkópia hagyományos problémája az egyes szénatomokhoz kapcsolódó protonok számának, azaz a szénatom protonáltsági fokának meghatározása. A protonok részleges elnyomása lehetővé teszi a szénjel feloldását a nagy hatótávolságú spin-spin kölcsönhatási állandók okozta multiplicitásból és a direkt 13 C-1 H csatolási állandók miatti jelhasadást, azonban erősen csatolt spinrendszerek esetén AB és a multiplettek átfedése az OFFR módban megnehezíti a jelek egyértelmű felbontását.