NMR spektroskopia. NMR pre figuríny alebo Desať základných faktov o nukleárnej magnetickej rezonancii Základná technika NMR

1. Podstata javu

   V prvom rade je potrebné poznamenať, že hoci názov tohto javu obsahuje slovo „jadrový“, NMR nemá nič spoločné s jadrovou fyzikou a nijako nesúvisí s rádioaktivitou. Ak hovoríme o prísnom popise, potom sa bez zákonov kvantovej mechaniky nezaobídeme. Podľa týchto zákonov môže energia interakcie magnetického jadra s vonkajším magnetickým poľom nadobúdať len niekoľko diskrétnych hodnôt. Ak sú magnetické jadrá ožiarené striedavým magnetickým poľom, ktorého frekvencia zodpovedá rozdielu medzi týmito diskrétnymi energetickými úrovňami vyjadrenými vo frekvenčných jednotkách, potom sa magnetické jadrá začnú pohybovať z jednej úrovne do druhej, pričom absorbujú energiu striedavého prúdu. lúka. Ide o fenomén magnetickej rezonancie. Toto vysvetlenie je formálne správne, ale nie veľmi jasné. Existuje ďalšie vysvetlenie, bez kvantovej mechaniky. Magnetické jadro si možno predstaviť ako elektricky nabitú guľu otáčajúcu sa okolo svojej osi (aj keď to tak nie je). Podľa zákonov elektrodynamiky rotácia náboja vedie k vzniku magnetického poľa, t.j. magnetického momentu jadra, ktorý je nasmerovaný pozdĺž osi otáčania. Ak je tento magnetický moment umiestnený v konštantnom vonkajšom poli, potom vektor tohto momentu začne precesovať, t.j. rotovať okolo smeru vonkajšieho poľa. Rovnakým spôsobom sa os horných precesov (rotuje) okolo vertikály, ak nie je rozkrútená striktne vertikálne, ale pod určitým uhlom. V tomto prípade úlohu magnetického poľa zohráva gravitačná sila.

   Frekvencia precesie je určená vlastnosťami jadra a silou magnetického poľa: čím silnejšie je pole, tým vyššia je frekvencia. Potom, ak okrem konštantného vonkajšieho magnetického poľa je jadro ovplyvnené aj striedavým magnetickým poľom, jadro začne s týmto poľom interagovať - ​​zdá sa, že jadro silnejšie rozkýva, amplitúda precesie sa zvýši a jadro absorbuje energiu striedavého poľa. To sa však stane len za podmienky rezonancie, t.j. zhody frekvencie precesie a frekvencie vonkajšieho striedavého poľa. Ide o podobný klasický príklad zo školskej fyziky – vojaci pochodujúci cez most. Ak sa frekvencia kroku zhoduje s prirodzenou frekvenciou mosta, most sa hojdá stále viac a viac. Experimentálne sa tento jav prejavuje v závislosti absorpcie striedavého poľa od jeho frekvencie. V momente rezonancie sa absorpcia prudko zvyšuje a najjednoduchšie spektrum magnetickej rezonancie vyzerá takto:

   

2. Fourierova transformačná spektroskopia

   Prvé NMR spektrometre fungovali presne tak, ako je opísané vyššie – vzorka bola umiestnená v konštantnom magnetickom poli a nepretržite na ňu bolo aplikované rádiofrekvenčné žiarenie. Potom sa plynulo menila buď frekvencia striedavého poľa, alebo intenzita konštantného magnetického poľa. Absorpcia energie striedavého poľa bola zaznamenaná rádiofrekvenčným mostíkom, z ktorého bol signál vyvedený do záznamníka alebo osciloskopu. Ale tento spôsob záznamu signálu sa už dlho nepoužíva. V moderných NMR spektrometroch sa spektrum zaznamenáva pomocou impulzov. Magnetické momenty jadier sú vybudené krátkym silným impulzom, po ktorom sa zaznamená signál indukovaný vo RF cievke voľne precesnými magnetickými momentmi. Tento signál postupne klesá na nulu, keď sa magnetické momenty vracajú do rovnováhy (tento proces sa nazýva magnetická relaxácia). NMR spektrum sa získa z tohto signálu pomocou Fourierovej transformácie. Ide o štandardný matematický postup, ktorý umožňuje rozložiť akýkoľvek signál na frekvenčné harmonické a získať tak frekvenčné spektrum tohto signálu. Tento spôsob záznamu spektra umožňuje výrazne znížiť hladinu hluku a vykonávať experimenty oveľa rýchlejšie.

   

   Jeden vzrušujúci impulz na zaznamenanie spektra je najjednoduchším NMR experimentom. V experimente však môže byť veľa takýchto impulzov rôzneho trvania, amplitúd, s rôznym oneskorením atď., v závislosti od toho, aké manipulácie výskumník potrebuje vykonať so systémom nukleárnych magnetických momentov. Takmer všetky tieto pulzné sekvencie však končia tým istým – zaznamenávaním signálu voľnej precesie, po ktorom nasleduje Fourierova transformácia.

3. Magnetické interakcie v hmote

   Samotná magnetická rezonancia by zostala len zaujímavým fyzikálnym javom, keby nebolo magnetických interakcií jadier medzi sebou a s elektrónovým obalom molekuly. Tieto interakcie ovplyvňujú rezonančné parametre a s ich pomocou môže NMR metóda poskytnúť rôzne informácie o vlastnostiach molekúl - ich orientácii, priestorovej štruktúre (konformácii), medzimolekulových interakciách, chemickej výmene, rotačnej a translačnej dynamike. Vďaka tomu sa NMR stalo veľmi silným nástrojom na štúdium látok na molekulárnej úrovni, ktorý má široké využitie nielen vo fyzike, ale hlavne v chémii a molekulárnej biológii. Príkladom takejto interakcie je takzvaný chemický posun. Jeho podstata je nasledovná: elektrónový obal molekuly reaguje na vonkajšie magnetické pole a snaží sa ho tieniť – čiastočné tienenie magnetického poľa sa vyskytuje vo všetkých diamagnetických látkach. To znamená, že magnetické pole v molekule sa bude líšiť od vonkajšieho magnetického poľa o veľmi malé množstvo, čo sa nazýva chemický posun. Vlastnosti elektrónového obalu v rôznych častiach molekuly sú však rozdielne a odlišný je aj chemický posun. V súlade s tým sa budú tiež líšiť rezonančné podmienky pre jadrá v rôznych častiach molekuly. To umožňuje rozlíšiť chemicky neekvivalentné jadrá v spektre. Napríklad, ak vezmeme spektrum vodíkových jadier (protónov) čistej vody, potom bude existovať iba jedna čiara, pretože oba protóny v molekule H 2 O sú úplne rovnaké. Ale pre metylalkohol CH 3 OH už budú v spektre dve čiary (ak zanedbáme iné magnetické interakcie), keďže existujú dva typy protónov - protóny metylovej skupiny CH 3 a protón spojený s atómom kyslíka. Keď sa molekuly stanú zložitejšími, počet riadkov sa zvýši a ak vezmeme takú veľkú a zložitú molekulu ako proteín, potom v tomto prípade bude spektrum vyzerať asi takto:

   

4. Magnetické jadrá

   NMR je možné pozorovať na rôznych jadrách, no treba povedať, že nie všetky jadrá majú magnetický moment. Často sa stáva, že niektoré izotopy majú magnetický moment, ale iné izotopy toho istého jadra nie. Celkovo existuje viac ako sto izotopov rôznych chemických prvkov, ktoré majú magnetické jadrá, no pri výskume sa zvyčajne nepoužíva viac ako 1520 magnetických jadier, všetko ostatné je exotické. Každé jadro má svoj vlastný charakteristický pomer magnetického poľa a frekvencie precesie, ktorý sa nazýva gyromagnetický pomer. Pre všetky jadrá sú tieto vzťahy známe. Pomocou nich môžete vybrať frekvenciu, pri ktorej bude pod daným magnetickým poľom pozorovaný signál z jadier, ktoré výskumník potrebuje.

   Najdôležitejšími jadrami pre NMR sú protóny. V prírode sú najhojnejšie a majú veľmi vysokú citlivosť. Jadrá uhlíka, dusíka a kyslíka sú pre chémiu a biológiu veľmi dôležité, no vedci na ne veľa šťastia nemali: najčastejšie izotopy uhlíka a kyslíka 12 C a 16 O nemajú magnetický moment, prirodzený izotop dusíka 14N má chvíľu, ale z viacerých dôvodov je pre experimenty veľmi nepohodlný. Existujú izotopy 13 C, 15 N a 17 O, ktoré sú vhodné na NMR experimenty, ale ich prirodzený výskyt je veľmi nízky a ich citlivosť je v porovnaní s protónmi veľmi nízka. Na NMR štúdie sa preto často pripravujú špeciálne vzorky obohatené o izotopy, v ktorých sa prirodzený izotop konkrétneho jadra nahrádza izotopom potrebným na experimenty. Vo väčšine prípadov je tento postup veľmi náročný a nákladný, no niekedy je to jediná možnosť, ako získať potrebné informácie.

5. Elektrónová paramagnetická a kvadrupólová rezonancia

   Keď už hovoríme o NMR, nemožno nespomenúť dva ďalšie súvisiace fyzikálne javy – elektrónovú paramagnetickú rezonanciu (EPR) a jadrovú kvadrupólovú rezonanciu (NQR). EPR je v podstate podobná NMR, rozdiel je v tom, že rezonancia nie je pozorovaná v magnetických momentoch atómových jadier, ale elektrónového obalu atómu. EPR možno pozorovať len v tých molekulách alebo chemických skupinách, ktorých elektrónový obal obsahuje takzvaný nepárový elektrón, vtedy má obal nenulový magnetický moment. Takéto látky sa nazývajú paramagnety. EPR, podobne ako NMR, sa používa aj na štúdium rôznych štruktúrnych a dynamických vlastností látok na molekulárnej úrovni, no rozsah jej použitia je podstatne užší. Je to spôsobené najmä tým, že väčšina molekúl, najmä v živej prírode, neobsahuje nepárové elektróny. V niektorých prípadoch môžete použiť takzvanú paramagnetickú sondu, teda chemickú skupinu s nespárovaným elektrónom, ktorý sa viaže na skúmanú molekulu. Tento prístup má však zjavné nevýhody, ktoré obmedzujú možnosti tejto metódy. Navyše EPR nemá také vysoké spektrálne rozlíšenie (t.j. schopnosť rozlíšiť jednu čiaru od druhej v spektre) ako pri NMR.

   Najťažšie je vysvetliť povahu NQR „na prstoch“. Niektoré jadrá majú takzvaný elektrický štvorpólový moment. Tento moment charakterizuje odchýlku rozloženia elektrického náboja jadra od sférickej symetrie. Interakcia tohto momentu s gradientom elektrického poľa vytvoreného kryštalickou štruktúrou látky vedie k rozštiepeniu energetických hladín jadra. V tomto prípade je možné pozorovať rezonanciu na frekvencii zodpovedajúcej prechodom medzi týmito úrovňami. Na rozdiel od NMR a EPR, NQR nevyžaduje vonkajšie magnetické pole, pretože k rozdeleniu hladiny dochádza bez neho. NQR sa používa aj na štúdium látok, ale jeho rozsah použitia je ešte užší ako v prípade EPR.

6. Výhody a nevýhody NMR

   

   NMR je najvýkonnejšia a najinformatívnejšia metóda na štúdium molekúl. Presne povedané, toto nie je jedna metóda, je to veľké množstvo rôznych typov experimentov, t.j. pulzných sekvencií. Hoci sú všetky založené na fenoméne NMR, každý z týchto experimentov je navrhnutý tak, aby získal nejaké špecifické špecifické informácie. Počet týchto experimentov sa meria v desiatkach, ak nie stovkách. Teoreticky môže NMR, ak nie všetko, tak takmer všetko, čo všetky ostatné experimentálne metódy na štúdium štruktúry a dynamiky molekúl, aj keď v praxi je to možné, samozrejme, nie vždy. Jednou z hlavných výhod NMR je, že na jednej strane sú jeho prirodzené sondy, teda magnetické jadrá, rozmiestnené po celej molekule, a na druhej strane umožňuje tieto jadrá od seba odlíšiť a získať tak priestorovo selektívne údaje. na vlastnostiach molekuly. Takmer všetky ostatné metódy poskytujú informácie buď spriemerované pre celú molekulu alebo len o jednej jej časti.

   NMR má dve hlavné nevýhody. Po prvé, je to nízka citlivosť v porovnaní s väčšinou ostatných experimentálnych metód (optická spektroskopia, fluorescencia, EPR atď.). To vedie k tomu, že na spriemerovanie šumu musí byť signál dlho akumulovaný. V niektorých prípadoch môže byť NMR experiment uskutočňovaný aj niekoľko týždňov. Po druhé, je to drahé. NMR spektrometre patria medzi najdrahšie vedecké prístroje, stoja minimálne státisíce dolárov a najdrahšie spektrometre stoja niekoľko miliónov. Nie všetky laboratóriá, najmä v Rusku, si môžu dovoliť mať takéto vedecké vybavenie.

7. Magnety pre NMR spektrometre

   Jednou z najdôležitejších a najdrahších častí spektrometra je magnet, ktorý vytvára konštantné magnetické pole. Čím silnejšie pole, tým vyššia je citlivosť a spektrálne rozlíšenie, takže vedci a inžinieri sa neustále snažia dostať polia čo najvyššie. Magnetické pole je vytvárané elektrickým prúdom v solenoide - čím silnejší je prúd, tým väčšie je pole. Nie je však možné zvyšovať prúd donekonečna, pri veľmi vysokom prúde sa solenoidový drôt jednoducho začne topiť. Preto spektrometre NMR s vysokým poľom už veľmi dlho používajú supravodivé magnety, t.j. magnety, v ktorých je solenoidový drôt v supravodivom stave. V tomto prípade je elektrický odpor drôtu nulový a pri žiadnej aktuálnej hodnote sa neuvoľňuje žiadna energia. Supravodivý stav je možné dosiahnuť len pri veľmi nízkych teplotách, len niekoľko stupňov Kelvina, čo je teplota tekutého hélia. (Vysokoteplotná supravodivosť je stále doménou čisto fundamentálneho výskumu.) Práve s udržiavaním tak nízkej teploty sú spojené všetky technické ťažkosti pri návrhu a výrobe magnetov, ktoré ich predražujú. Supravodivý magnet je postavený na princípe termosky-matriošky. Solenoid je umiestnený v strede, vo vákuovej komore. Je obklopený plášťom obsahujúcim tekuté hélium. Tento obal je cez vákuovú vrstvu obklopený obalom z tekutého dusíka. Teplota tekutého dusíka je mínus 196 stupňov Celzia, dusík je potrebný na to, aby sa hélium odparovalo čo najpomalšie. Nakoniec sa dusíkový obal izoluje od teploty miestnosti vonkajšou vákuovou vrstvou. Takýto systém je schopný udržiavať požadovanú teplotu supravodivého magnetu po veľmi dlhú dobu, hoci to vyžaduje pravidelné pridávanie tekutého dusíka a hélia do magnetu. Výhodou takýchto magnetov je okrem schopnosti získať vysoké magnetické polia aj to, že nespotrebúvajú energiu: po naštartovaní magnetu prechádza prúd supravodivými drôtmi prakticky bez strát dlhé roky.

8. Tomografia

   V bežných NMR spektrometroch sa snažia čo najviac zjednotiť magnetické pole, je to potrebné na zlepšenie spektrálneho rozlíšenia. Ale ak je magnetické pole vo vzorke, naopak, veľmi nehomogénne, otvára to zásadne nové možnosti pre použitie NMR. Nehomogenitu poľa vytvárajú takzvané gradientné cievky, ktoré pracujú v tandeme s hlavným magnetom. V tomto prípade bude veľkosť magnetického poľa v rôznych častiach vzorky odlišná, čo znamená, že signál NMR nie je možné pozorovať z celej vzorky, ako v bežnom spektrometri, ale len z jej úzkej vrstvy, pre ktorú sú splnené podmienky rezonancie, t.j. požadovaný vzťah medzi magnetickým poľom a frekvenciou. Zmenou veľkosti magnetického poľa (alebo, čo je v podstate to isté, frekvencie pozorovania signálu) môžete zmeniť vrstvu, ktorá bude produkovať signál. Týmto spôsobom je možné vzorku „naskenovať“ v celom jej objeme a „vidieť“ jej vnútornú trojrozmernú štruktúru bez toho, aby sa vzorka akýmkoľvek mechanickým spôsobom zničila. Doposiaľ bolo vyvinutých veľké množstvo techník, ktoré umožňujú merať rôzne parametre NMR (spektrálne charakteristiky, magnetické relaxačné časy, rýchlosť vlastnej difúzie a niektoré ďalšie) s priestorovým rozlíšením vo vnútri vzorky. Z praktického hľadiska najzaujímavejšie a najdôležitejšie uplatnenie NMR tomografie bolo nájdené v medicíne. V tomto prípade je skúmaným „vzorkom“ ľudské telo. NMR zobrazovanie je jedným z najúčinnejších a najbezpečnejších (ale aj drahých) diagnostických nástrojov v rôznych oblastiach medicíny, od onkológie až po pôrodníctvo. Je zaujímavé, že lekári nepoužívajú slovo „jadrový“ v názve tejto metódy, pretože niektorí pacienti si to spájajú s jadrovými reakciami a atómovou bombou.

9. História objavovania

   

   Za rok objavu NMR sa považuje rok 1945, keď Američania Felix Bloch zo Stanfordu a nezávisle od neho Edward Purcell a Robert Pound z Harvardu prvýkrát pozorovali NMR signál na protónoch. V tom čase sa už vedelo veľa o povahe jadrového magnetizmu, samotný NMR efekt bol teoreticky predpovedaný a bolo urobených niekoľko pokusov o jeho experimentálne pozorovanie. Je dôležité poznamenať, že o rok skôr v Sovietskom zväze, v Kazani, objavil fenomén EPR Evgeniy Zavoisky. Teraz je dobre známe, že Zavoisky tiež pozoroval NMR signál, to bolo pred vojnou, v roku 1941. Mal však k dispozícii nekvalitný magnet so zlou rovnomernosťou poľa, výsledky boli zle reprodukovateľné a preto zostali nepublikované. Aby sme boli spravodliví, treba poznamenať, že Zavoisky nebol jediný, kto pozoroval NMR pred jeho „oficiálnym“ objavom. Najmä americký fyzik Isidor Rabi (nositeľ Nobelovej ceny z roku 1944 za štúdium magnetických vlastností jadier v atómových a molekulárnych lúčoch) tiež pozoroval NMR koncom 30. rokov, ale považoval ho za inštrumentálny artefakt. Tak či onak, naša krajina si zachováva prioritu v experimentálnej detekcii magnetickej rezonancie. Aj keď sa sám Zavoisky začal čoskoro po vojne zaoberať inými problémami, jeho objav zohral obrovskú úlohu v rozvoji vedy v Kazani. Kazaň stále zostáva jedným z popredných svetových vedeckých centier pre EPR spektroskopiu.

10. Nobelove ceny za magnetickú rezonanciu

    V prvej polovici 20. storočia bolo udelených niekoľko Nobelových cien vedcom, bez ktorých práce by sa objav NMR nemohol uskutočniť. Medzi nimi Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Ale boli tam štyri Nobelove ceny priamo súvisiace s NMR. V roku 1952 bola cena udelená Felixovi Blochovi a Edwardovi Purcellovi za objav nukleárnej magnetickej rezonancie. Toto je jediná „NMR“ Nobelova cena za fyziku. V roku 1991 dostal cenu za chémiu Švajčiar Richard Ernst, ktorý pôsobil na slávnom ETH v Zürichu. Získal ju za vývoj metód viacrozmernej NMR spektroskopie, ktoré umožnili radikálne zvýšiť informačný obsah NMR experimentov. V roku 2002 sa víťazom ceny za chémiu stal Kurt Wüthrich, ktorý pracoval s Ernstom v susedných budovách tej istej technickej školy. Cenu získal za vývoj metód na určenie trojrozmernej štruktúry bielkovín v roztoku. Predtým bola jedinou metódou na určenie priestorovej konformácie veľkých biomakromolekúl röntgenová difrakčná analýza. Napokon v roku 2003 dostali lekársku cenu za vynález NMR tomografie Američan Paul Lauterbur a Angličan Peter Mansfield. Sovietsky objaviteľ EPR, E.K. Zavoisky, bohužiaľ, nedostal Nobelovu cenu.

NMR spektroskopia je metóda nedeštruktívnej analýzy. Moderné pulzná NMR Fourierova spektroskopia umožňuje analýzu pri 80 mag. jadrá. NMR spektroskopia je jednou z hlavných. Phys.-Chem. metódy analýzy, jej údaje slúžia na jednoznačnú identifikáciu ako intervaly. chemické produkty r-tions, a target in-in. Okrem štrukturálnych zadaní a veličín. analýza, NMR spektroskopia prináša informácie o konformačných rovnováhách, difúzii atómov a molekúl v tuhých látkach, vnútorných. pohyby, vodíkové väzby a asociácia v kvapalinách, keto-enol tautoméria, metalo- a prototropia, usporiadanie a rozloženie jednotiek v polymérnych reťazcoch, adsorpcia látok, elektrónová štruktúra iónových kryštálov, tekuté kryštály a pod.NMR spektroskopia je zdrojom informácií o štruktúre biopolymérov, vrátane proteínových molekúl v roztokoch, porovnateľných v spoľahlivosti s údajmi röntgenovej difrakčnej analýzy. V 80. rokoch Začalo sa rýchle zavádzanie metód NMR spektroskopie a tomografie do medicíny na diagnostiku zložitých chorôb a na lekárske vyšetrenie populácie.
Počet a poloha čiar v NMR spektrách jednoznačne charakterizuje všetky frakcie ropy, syntetické. gumy, plasty, bridlica, uhlie, lieky, lieky, chemické produkty. a farmaceutický prom-sti atď.
Intenzita a šírka NMR čiary vody alebo oleja umožňuje presne merať vlhkosť a obsah oleja v semene a bezpečnosť zrna. Pri odladení od vodných signálov je možné zaznamenať obsah lepku v každom zrne, čo podobne ako analýza obsahu oleja umožňuje zrýchlený poľnohospodársky výber. plodiny
Používanie čoraz silnejších magnetov. poli (do 14 T v sériových zariadeniach a do 19 T v experimentálnych inštaláciách) poskytuje možnosť úplne určiť štruktúru molekúl proteínov v roztokoch, expresnú analýzu biol. tekutín (koncentrácie endogénnych metabolitov v krvi, moči, lymfe, mozgovomiechovom moku), kontrola kvality nových polymérnych materiálov. V tomto prípade sa používajú početné varianty multikvantovej a viacrozmernej Fourierovej spektroskopickej spektroskopie. techniky.
Fenomén NMR objavili F. Bloch a E. Purcell (1946), za čo im bola udelená Nobelova cena (1952).

Fenomén nukleárnej magnetickej rezonancie možno využiť nielen vo fyzike a chémii, ale aj v medicíne: ľudské telo je zbierkou rovnakých organických a anorganických molekúl.
Na pozorovanie tohto javu sa objekt umiestni do konštantného magnetického poľa a vystaví sa vysokofrekvenčným a gradientovým magnetickým poliam. V cievke induktora obklopujúcej skúmaný objekt vzniká striedavá elektromotorická sila (EMF), ktorej amplitúdovo-frekvenčné spektrum a časovo prechodové charakteristiky nesú informáciu o priestorovej hustote rezonujúcich atómových jadier, ako aj ďalšie parametre špecifické len pre nukleárna magnetická rezonancia. Počítačové spracovanie týchto informácií vytvára trojrozmerný obraz, ktorý charakterizuje hustotu chemicky ekvivalentných jadier, relaxačné časy nukleárnej magnetickej rezonancie, distribúciu rýchlostí prietoku tekutín, difúziu molekúl a biochemické metabolické procesy v živých tkanivách.
Podstatou NMR introskopie (alebo zobrazovania magnetickou rezonanciou) je v skutočnosti implementácia špeciálneho druhu kvantitatívnej analýzy amplitúdy signálu nukleárnej magnetickej rezonancie. Pri konvenčnej NMR spektroskopii sa človek usiluje dosiahnuť čo najlepšie rozlíšenie spektrálnych čiar. Aby sa to dosiahlo, magnetické systémy sú nastavené tak, aby sa vytvorila najlepšia možná rovnomernosť poľa vo vzorke. Pri metódach NMR introskopie je naopak vytvorené magnetické pole zjavne nerovnomerné. Potom je dôvod očakávať, že frekvencia nukleárnej magnetickej rezonancie v každom bode vzorky má svoju vlastnú hodnotu, ktorá sa líši od hodnôt v iných častiach. Nastavením ľubovoľného kódu pre gradácie amplitúdy NMR signálov (jas alebo farba na obrazovke monitora) môžete získať konvenčný obraz (tomogram) rezov vnútornej štruktúry objektu.
NMR introskopia a NMR tomografia boli prvýkrát vynájdené vo svete v roku 1960 V. A. Ivanovom. Nekompetentný odborník zamietol prihlášku vynálezu (metódy a zariadenia) „... pre zjavnú zbytočnosť navrhovaného riešenia“, takže autorské osvedčenie na to bolo vydané až po viac ako 10 rokoch. Oficiálne sa teda uznáva, že autorom NMR tomografie nie je tím nižšie uvedených laureátov Nobelovej ceny, ale ruský vedec. Napriek tejto právnej skutočnosti bola Nobelova cena za NMR tomografiu udelená nie V. A. Ivanovovi. Spektrálne prístroje

Na presné štúdium spektier už nestačia také jednoduché zariadenia ako úzka štrbina obmedzujúca svetelný lúč a hranol. Sú potrebné prístroje, ktoré poskytujú čisté spektrum, teda prístroje, ktoré dokážu dobre oddeliť vlny rôznych dĺžok a nedovoľujú, aby sa jednotlivé časti spektra prekrývali. Takéto zariadenia sa nazývajú spektrálne zariadenia. Najčastejšie je hlavnou súčasťou spektrálneho aparátu hranol alebo difrakčná mriežka.

ELEKTRONICKÁ PARAMAGNETICKÁ REZONANCIA

Podstata metódy

Podstatou fenoménu elektrónovej paramagnetickej rezonancie je rezonančná absorpcia elektromagnetického žiarenia nespárovanými elektrónmi. Elektrón má rotáciu a súvisiaci magnetický moment.

Ak do magnetického poľa so silou B 0 umiestnime voľný radikál s výsledným momentom hybnosti J, potom pre J nenulové sa degenerácia v magnetickom poli odstráni a v dôsledku interakcie s magnetickým poľom je 2J+1 vznikajú hladiny, ktorých poloha je opísaná výrazom: W =gβB 0 M, (kde M = +J, +J-1, …-J) a je určená Zeemanovou interakciou magnetického poľa s magnetickým momentom J. Rozdelenie energetických hladín elektrónov je znázornené na obrázku.

Energetické hladiny a povolené prechody pre atóm s jadrovým spinom 1 v konštantnom (A) a striedavom (B) poli.

Ak teraz aplikujeme elektromagnetické pole s frekvenciou ν, polarizované v rovine kolmej na vektor magnetického poľa B 0 , na paramagnetický stred, potom to spôsobí prechody magnetického dipólu, ktoré sa riadia výberovým pravidlom ΔM = 1. Keď energia Elektronický prechod sa zhoduje s energiou fotoelektromagnetickej vlny, dôjde k rezonančnej reakcii absorpcie mikrovlnného žiarenia. Rezonančná podmienka je teda určená základným vzťahom magnetickej rezonancie

Absorpcia energie mikrovlnného poľa sa pozoruje, ak medzi úrovňami existuje populačný rozdiel.

Pri tepelnej rovnováhe je malý rozdiel v populáciách Zeemanových hladín, určený Boltzmannovým rozdelením = exp(gβB 0 /kT). V takomto systéme, keď sú prechody excitované, by mala veľmi rýchlo nastať rovnosť populácií energetických podúrovní a absorpcia mikrovlnného poľa by mala zaniknúť. V skutočnosti však existuje veľa rôznych interakčných mechanizmov, v dôsledku ktorých elektrón nežiarivo prechádza do pôvodného stavu. Účinok konštantnej intenzity absorpcie so zvyšujúcim sa výkonom nastáva v dôsledku elektrónov, ktoré sa nestihnú uvoľniť, a nazýva sa saturácia. Saturácia sa objavuje pri vysokom výkone mikrovlnného žiarenia a môže výrazne skresliť výsledky merania koncentrácie centier metódou EPR.

Hodnota metódy

Metóda EPR poskytuje jedinečné informácie o paramagnetických centrách. Jasne rozlišuje ióny nečistôt izomorfne zahrnuté v mriežke od mikroinklúzií. V tomto prípade sa získajú kompletné informácie o danom ióne v kryštáli: valencia, koordinácia, lokálna symetria, hybridizácia elektrónov, koľko a v akých štruktúrnych polohách elektrónov je zaradený, orientácia osí kryštálového poľa pri. umiestnenie tohto iónu, úplná charakteristika kryštálového poľa a podrobné informácie o chemickej väzbe. A čo je veľmi dôležité, metóda umožňuje určiť koncentráciu paramagnetických centier v oblastiach kryštálu s rôznymi štruktúrami.

Spektrum EPR však nie je len charakteristikou iónu v kryštáli, ale aj samotného kryštálu, charakteristikou distribúcie hustoty elektrónov, kryštálového poľa, iónovej kovalencie v kryštáli a nakoniec jednoducho diagnostickou charakteristikou kryštálu. minerál, pretože každý ión v každom minerále má svoje vlastné jedinečné parametre. V tomto prípade je paramagnetické centrum akousi sondou, ktorá poskytuje spektroskopické a štrukturálne charakteristiky jeho mikroprostredia.

Táto vlastnosť sa využíva pri tzv. metóda spinových značiek a sond, založená na zavedení stabilného paramagnetického centra do skúmaného systému. Ako také paramagnetické centrum sa spravidla používa nitroxylový radikál, ktorý je charakterizovaný anizotropným g A A tenzory.

NMR spektroskopia

Nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia, NMR spektroskopia- spektroskopická metóda na štúdium chemických predmetov, využívajúca jav nukleárnej magnetickej rezonancie. Najdôležitejšie pre chémiu a praktické aplikácie sú protónová magnetická rezonančná spektroskopia (PMR spektroskopia), ako aj uhlík-13 NMR spektroskopia (13 C NMR spektroskopia), fluór-19 (infračervená spektroskopia, NMR odhaľuje informácie o molekulárnej štruktúre chemikálií). poskytuje úplnejšie informácie ako IS, čo umožňuje študovať dynamické procesy vo vzorke – určiť rýchlostné konštanty chemických reakcií, hodnotu energetických bariér pre intramolekulárnu rotáciu. Vďaka týmto vlastnostiam je NMR spektroskopia vhodným nástrojom v teoretickej organickej chémii. a na analýzu biologických objektov.

Základná technika NMR

Vzorka látky pre NMR sa umiestni do tenkostennej sklenenej skúmavky (ampule). Keď sa umiestni do magnetického poľa, aktívne jadrá NMR (napríklad 1H alebo 13C) absorbujú elektromagnetickú energiu. Rezonančná frekvencia, absorpčná energia a intenzita emitovaného signálu sú úmerné sile magnetického poľa. Takže v poli 21 Tesla rezonuje protón na frekvencii 900 MHz.

Chemický posun

V závislosti od miestneho elektronického prostredia rôzne protóny v molekule rezonujú na mierne odlišných frekvenciách. Pretože tento frekvenčný posun aj základná rezonančná frekvencia sú priamo úmerné sile magnetického poľa, toto posunutie sa premení na bezrozmernú veličinu nezávislú od magnetického poľa známej ako chemický posun. Chemický posun je definovaný ako relatívna zmena vo vzťahu k niektorým referenčným vzorkám. Posun frekvencie je extrémne malý v porovnaní s hlavnou frekvenciou NMR. Typický frekvenčný posun je 100 Hz, zatiaľ čo základná frekvencia NMR je rádovo 100 MHz. Chemický posun sa teda často vyjadruje v častiach na milión (ppm). Aby sa zistil taký malý frekvenčný rozdiel, aplikované magnetické pole musí byť vo vnútri objemu vzorky konštantné.

Pretože chemický posun závisí od chemickej štruktúry látky, používa sa na získanie štruktúrnych informácií o molekulách vo vzorke. Napríklad spektrum pre etanol (CH3CH2OH) dáva 3 charakteristické signály, to znamená 3 chemické posuny: jeden pre skupinu CH3, druhý pre skupinu CH2 a posledný pre OH. Typický posun pre skupinu CH3 je približne 1 ppm, pre skupinu CH2 pripojenú k OH-4 ppm a OH je približne 2-3 ppm.

V dôsledku pohybu molekúl pri izbovej teplote sa signály 3 metylových protónov spriemerujú počas procesu NMR, ktorý trvá len niekoľko milisekúnd. Tieto protóny degenerujú a tvoria vrcholy pri rovnakom chemickom posune. Softvér vám umožňuje analyzovať veľkosť vrcholov, aby ste pochopili, koľko protónov prispieva k týmto vrcholom.

Interakcia spin-spin

Najužitočnejšie informácie na určenie štruktúry v jednorozmernom NMR spektre poskytuje takzvaná spin-spin interakcia medzi aktívnymi NMR jadrami. Táto interakcia je výsledkom prechodov medzi rôznymi spinovými stavmi jadier v chemických molekulách, čo vedie k štiepeniu NMR signálov. Toto rozdelenie môže byť jednoduché alebo zložité a v dôsledku toho sa môže buď ľahko interpretovať, alebo môže byť pre experimentátora mätúce.

Táto väzba poskytuje podrobné informácie o väzbách atómov v molekule.

Interakcia druhého rádu (silná)

Jednoduchá spin-spinová väzba predpokladá, že väzbová konštanta je malá v porovnaní s rozdielom v chemických posunoch medzi signálmi. Ak sa posunový rozdiel zníži (alebo sa zvýši interakčná konštanta), intenzita multipletov vzoriek sa skreslí a bude ťažšie analyzovať (najmä ak systém obsahuje viac ako 2 rotácie). Avšak vo vysokovýkonných NMR spektrometroch je skreslenie zvyčajne mierne, čo umožňuje ľahko interpretovať súvisiace píky.

Účinky druhého rádu sa znižujú, keď sa frekvenčný rozdiel medzi multipletmi zvyšuje, takže vysokofrekvenčné NMR spektrum vykazuje menšie skreslenie ako nízkofrekvenčné spektrum.

Aplikácia NMR spektroskopie na štúdium proteínov

Väčšina najnovších inovácií v NMR spektroskopii sa uskutočňuje v takzvanej NMR spektroskopii proteínov, ktorá sa stáva veľmi dôležitou technikou v modernej biológii a medicíne. Celkovým cieľom je získať 3-rozmernú štruktúru proteínu vo vysokom rozlíšení, podobne ako obrázky získané v röntgenovej kryštalografii. V dôsledku prítomnosti väčšieho počtu atómov v molekule proteínu v porovnaní s jednoduchou organickou zlúčeninou je základné 1D spektrum preplnené prekrývajúcimi sa signálmi, čo znemožňuje priamu analýzu spektra. Preto boli vyvinuté multidimenzionálne techniky na vyriešenie tohto problému.

Na zlepšenie výsledkov týchto experimentov sa používa metóda označených atómov s použitím 13 C alebo 15 N. Týmto spôsobom je možné získať 3D spektrum proteínovej vzorky, čo sa stalo prelomovým v moderných farmaceutických výrobkoch. V poslednej dobe sa rozšírili techniky (ktoré majú výhody aj nevýhody) na získanie 4D spektier a spektier vyšších rozmerov, založené na nelineárnych vzorkovacích metódach s následnou obnovou voľného indukčného rozpadového signálu pomocou špeciálnych matematických techník.

Literatúra

• Gunther X.Úvod do kurzu NMR spektroskopie. - Za. z angličtiny - M., 1984.

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite si, čo je „NMR spektroskopia“ v iných slovníkoch:

Nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia na uhlíkových jadrách 13, 13C NMR spektroskopia je jednou z metód NMR spektroskopie s využitím jadier izotopu uhlíka 13C. Jadro 13C má v základnom stave spin 1/2, jeho obsah je v prírode... ... Wikipedia

Obrázok ľudského mozgu na lekárskom NMR tomografe Nukleárna magnetická rezonancia (NMR) rezonančná absorpcia elektromagnetickej energie látkou obsahujúcou jadrá s nenulovým spinom vo vonkajšom magnetickom poli, spôsobená reorientáciou ... ... Wikipedia

NMR spektroskopia

NMR spektroskopia

magnetická rezonančná spektroskopia- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezoniuanso reiškin atitikmenys: angl. NMR ...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopia; nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. spektroskopia jadrovej… 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: angl. NMR ...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

jadrová rezonančná spektroskopia- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR spektroskopia; nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. spektroskopia jadrovej… Fizikos terminų žodynas

Súbor výskumných metód. vo VA podľa absorpčných spektier ich atómov, iónov a molekúl. mag. rádiové vlny. Žiarenie zahŕňa elektrónové paramagnetické metódy. rezonancia (EPR), nukleárna magnetická. rezonancia (NMR), cyklotrónová rezonancia atď... Prírodná veda. encyklopedický slovník

Obrázok ľudského mozgu na lekárskom NMR tomografe Nukleárna magnetická rezonancia (NMR) rezonančná absorpcia alebo emisia elektromagnetickej energie látkou obsahujúcou jadrá s nenulovým spinom vo vonkajšom magnetickom poli, pri frekvencii ν ... ... Wikipedia

1. Podstata javu

V prvom rade je potrebné poznamenať, že hoci názov tohto javu obsahuje slovo „jadrový“, NMR nemá nič spoločné s jadrovou fyzikou a nijako nesúvisí s rádioaktivitou. Ak hovoríme o prísnom popise, potom sa bez zákonov kvantovej mechaniky nezaobídeme. Podľa týchto zákonov môže energia interakcie magnetického jadra s vonkajším magnetickým poľom nadobúdať len niekoľko diskrétnych hodnôt. Ak sú magnetické jadrá ožiarené striedavým magnetickým poľom, ktorého frekvencia zodpovedá rozdielu medzi týmito diskrétnymi energetickými úrovňami vyjadrenými vo frekvenčných jednotkách, potom sa magnetické jadrá začnú pohybovať z jednej úrovne do druhej, pričom absorbujú energiu striedavého prúdu. lúka. Ide o fenomén magnetickej rezonancie. Toto vysvetlenie je formálne správne, ale nie veľmi jasné. Existuje ďalšie vysvetlenie, bez kvantovej mechaniky. Magnetické jadro si možno predstaviť ako elektricky nabitú guľu otáčajúcu sa okolo svojej osi (aj keď to tak nie je). Podľa zákonov elektrodynamiky rotácia náboja vedie k vzniku magnetického poľa, t.j. magnetického momentu jadra, ktorý je nasmerovaný pozdĺž osi otáčania. Ak je tento magnetický moment umiestnený v konštantnom vonkajšom poli, potom vektor tohto momentu začne precesovať, t.j. rotovať okolo smeru vonkajšieho poľa. Rovnakým spôsobom sa os horných precesov (rotuje) okolo vertikály, ak nie je rozkrútená striktne vertikálne, ale pod určitým uhlom. V tomto prípade úlohu magnetického poľa zohráva gravitačná sila.

­

Frekvencia precesie je určená vlastnosťami jadra a silou magnetického poľa: čím silnejšie je pole, tým vyššia je frekvencia. Potom, ak okrem konštantného vonkajšieho magnetického poľa je jadro ovplyvnené aj striedavým magnetickým poľom, jadro začne s týmto poľom interagovať - ​​zdá sa, že jadro silnejšie rozkýva, amplitúda precesie sa zvýši a jadro absorbuje energiu striedavého poľa. To sa však stane len za podmienky rezonancie, t.j. zhody frekvencie precesie a frekvencie vonkajšieho striedavého poľa. Ide o podobný klasický príklad zo školskej fyziky – vojaci pochodujúci cez most. Ak sa frekvencia kroku zhoduje s prirodzenou frekvenciou mosta, most sa hojdá stále viac a viac. Experimentálne sa tento jav prejavuje v závislosti absorpcie striedavého poľa od jeho frekvencie. V momente rezonancie sa absorpcia prudko zvyšuje a najjednoduchšie spektrum magnetickej rezonancie vyzerá takto:

­

2. Fourierova spektroskopia

Prvé NMR spektrometre fungovali presne tak, ako je opísané vyššie – vzorka bola umiestnená v konštantnom magnetickom poli a nepretržite na ňu bolo aplikované rádiofrekvenčné žiarenie. Potom sa plynulo menila buď frekvencia striedavého poľa, alebo intenzita konštantného magnetického poľa. Absorpcia energie striedavého poľa bola zaznamenaná rádiofrekvenčným mostíkom, z ktorého bol signál vyvedený do záznamníka alebo osciloskopu. Ale tento spôsob záznamu signálu sa už dlho nepoužíva. V moderných NMR spektrometroch sa spektrum zaznamenáva pomocou impulzov. Magnetické momenty jadier sú vybudené krátkym silným impulzom, po ktorom sa zaznamená signál indukovaný vo RF cievke voľne precesnými magnetickými momentmi. Tento signál postupne klesá na nulu, keď sa magnetické momenty vracajú do rovnováhy (tento proces sa nazýva magnetická relaxácia). NMR spektrum sa získa z tohto signálu pomocou Fourierovej transformácie. Ide o štandardný matematický postup, ktorý umožňuje rozložiť akýkoľvek signál na frekvenčné harmonické a získať tak frekvenčné spektrum tohto signálu. Tento spôsob záznamu spektra umožňuje výrazne znížiť hladinu hluku a vykonávať experimenty oveľa rýchlejšie.

­

Jeden excitačný impulz na zaznamenanie spektra je najjednoduchším NMR experimentom. V experimente však môže byť veľa takýchto impulzov rôzneho trvania, amplitúd, s rôznym oneskorením atď., v závislosti od toho, aké manipulácie výskumník potrebuje vykonať so systémom nukleárnych magnetických momentov. Takmer všetky tieto pulzné sekvencie však končia tým istým – záznamom signálu voľnej precesie, po ktorom nasleduje Fourierova transformácia.

3. Magnetické interakcie v hmote

Samotná magnetická rezonancia by zostala len zaujímavým fyzikálnym javom, keby nebolo magnetických interakcií jadier medzi sebou a s elektrónovým obalom molekuly. Tieto interakcie ovplyvňujú rezonančné parametre a s ich pomocou môže NMR metóda poskytnúť rôzne informácie o vlastnostiach molekúl - ich orientácii, priestorovej štruktúre (konformácii), medzimolekulových interakciách, chemickej výmene, rotačnej a translačnej dynamike. Vďaka tomu sa NMR stalo veľmi silným nástrojom na štúdium látok na molekulárnej úrovni, ktorý má široké využitie nielen vo fyzike, ale hlavne v chémii a molekulárnej biológii. Príkladom takejto interakcie je takzvaný chemický posun. Jeho podstata je nasledovná: elektrónový obal molekuly reaguje na vonkajšie magnetické pole a snaží sa ho tieniť – čiastočné tienenie magnetického poľa sa vyskytuje vo všetkých diamagnetických látkach. To znamená, že magnetické pole v molekule sa bude líšiť od vonkajšieho magnetického poľa o veľmi malé množstvo, čo sa nazýva chemický posun. Vlastnosti elektrónového obalu v rôznych častiach molekuly sú však rozdielne a odlišný je aj chemický posun. V súlade s tým sa budú tiež líšiť rezonančné podmienky pre jadrá v rôznych častiach molekuly. To umožňuje rozlíšiť chemicky neekvivalentné jadrá v spektre. Napríklad, ak vezmeme spektrum vodíkových jadier (protónov) čistej vody, potom bude existovať iba jedna čiara, pretože oba protóny v molekule H 2 O sú úplne rovnaké. Ale pre metylalkohol CH 3 OH už budú v spektre dve čiary (ak zanedbáme iné magnetické interakcie), keďže existujú dva typy protónov - protóny metylovej skupiny CH 3 a protón spojený s atómom kyslíka. Keď sa molekuly stanú zložitejšími, počet riadkov sa zvýši a ak vezmeme takú veľkú a zložitú molekulu ako proteín, potom v tomto prípade bude spektrum vyzerať asi takto:

­

4. Magnetické jadrá

NMR je možné pozorovať na rôznych jadrách, no treba povedať, že nie všetky jadrá majú magnetický moment. Často sa stáva, že niektoré izotopy majú magnetický moment, ale iné izotopy toho istého jadra nie. Celkovo existuje viac ako sto izotopov rôznych chemických prvkov, ktoré majú magnetické jadrá, no pri výskume sa zvyčajne nepoužíva viac ako 1520 magnetických jadier, všetko ostatné je exotické. Každé jadro má svoj vlastný charakteristický pomer magnetického poľa a frekvencie precesie, ktorý sa nazýva gyromagnetický pomer. Pre všetky jadrá sú tieto vzťahy známe. Pomocou nich môžete vybrať frekvenciu, pri ktorej bude pod daným magnetickým poľom pozorovaný signál z jadier, ktoré výskumník potrebuje.

Najdôležitejšími jadrami pre NMR sú protóny. V prírode sú najhojnejšie a majú veľmi vysokú citlivosť. Jadrá uhlíka, dusíka a kyslíka sú pre chémiu a biológiu veľmi dôležité, no vedci na ne veľa šťastia nemali: najčastejšie izotopy uhlíka a kyslíka 12 C a 16 O nemajú magnetický moment, prirodzený izotop dusíka 14N má chvíľu, ale je z viacerých dôvodov veľmi nepohodlný na experimenty. Existujú izotopy 13 C, 15 N a 17 O, ktoré sú vhodné na NMR experimenty, ale ich prirodzený výskyt je veľmi nízky a ich citlivosť je v porovnaní s protónmi veľmi nízka. Na NMR štúdie sa preto často pripravujú špeciálne vzorky obohatené o izotopy, v ktorých sa prirodzený izotop konkrétneho jadra nahrádza izotopom potrebným na experimenty. Vo väčšine prípadov je tento postup veľmi náročný a nákladný, no niekedy je to jediná možnosť, ako získať potrebné informácie.

5. Elektrónová paramagnetická a kvadrupólová rezonancia

Keď už hovoríme o NMR, nemožno nespomenúť dva ďalšie súvisiace fyzikálne javy – elektrónovú paramagnetickú rezonanciu (EPR) a jadrovú kvadrupólovú rezonanciu (NQR). EPR je v podstate podobná NMR, rozdiel je v tom, že rezonancia nie je pozorovaná v magnetických momentoch atómových jadier, ale elektrónového obalu atómu. EPR možno pozorovať len v tých molekulách alebo chemických skupinách, ktorých elektrónový obal obsahuje takzvaný nepárový elektrón, vtedy má obal nenulový magnetický moment. Takéto látky sa nazývajú paramagnety. EPR, podobne ako NMR, sa používa aj na štúdium rôznych štruktúrnych a dynamických vlastností látok na molekulárnej úrovni, no rozsah jej použitia je podstatne užší. Je to spôsobené najmä tým, že väčšina molekúl, najmä v živej prírode, neobsahuje nepárové elektróny. V niektorých prípadoch môžete použiť takzvanú paramagnetickú sondu, teda chemickú skupinu s nespárovaným elektrónom, ktorý sa viaže na skúmanú molekulu. Tento prístup má však zjavné nevýhody, ktoré obmedzujú možnosti tejto metódy. Navyše EPR nemá také vysoké spektrálne rozlíšenie (t.j. schopnosť rozlíšiť jednu čiaru od druhej v spektre) ako pri NMR.

Najťažšie je vysvetliť povahu NQR „na prstoch“. Niektoré jadrá majú takzvaný elektrický štvorpólový moment. Tento moment charakterizuje odchýlku rozloženia elektrického náboja jadra od sférickej symetrie. Interakcia tohto momentu s gradientom elektrického poľa vytvoreného kryštalickou štruktúrou látky vedie k rozštiepeniu energetických hladín jadra. V tomto prípade je možné pozorovať rezonanciu na frekvencii zodpovedajúcej prechodom medzi týmito úrovňami. Na rozdiel od NMR a EPR, NQR nevyžaduje vonkajšie magnetické pole, pretože k rozdeleniu hladiny dochádza bez neho. NQR sa používa aj na štúdium látok, ale jeho rozsah použitia je ešte užší ako v prípade EPR.

6. Výhody a nevýhody NMR

NMR je najvýkonnejšia a najinformatívnejšia metóda na štúdium molekúl. Presne povedané, toto nie je jedna metóda, je to veľké množstvo rôznych typov experimentov, t.j. pulzných sekvencií. Hoci sú všetky založené na fenoméne NMR, každý z týchto experimentov je navrhnutý tak, aby získal nejaké špecifické špecifické informácie. Počet týchto experimentov sa meria v desiatkach, ak nie stovkách. Teoreticky môže NMR, ak nie všetko, tak takmer všetko, čo všetky ostatné experimentálne metódy na štúdium štruktúry a dynamiky molekúl, aj keď v praxi je to možné, samozrejme, nie vždy. Jednou z hlavných výhod NMR je, že na jednej strane sú jeho prirodzené sondy, teda magnetické jadrá, rozmiestnené po celej molekule, a na druhej strane umožňuje tieto jadrá od seba odlíšiť a získať tak priestorovo selektívne údaje. na vlastnostiach molekuly. Takmer všetky ostatné metódy poskytujú informácie buď spriemerované pre celú molekulu alebo len o jednej jej časti.

NMR má dve hlavné nevýhody. Po prvé, je to nízka citlivosť v porovnaní s väčšinou ostatných experimentálnych metód (optická spektroskopia, fluorescencia, EPR atď.). To vedie k tomu, že na spriemerovanie šumu musí byť signál dlho akumulovaný. V niektorých prípadoch môže byť NMR experiment uskutočňovaný aj niekoľko týždňov. Po druhé, je to drahé. NMR spektrometre patria medzi najdrahšie vedecké prístroje, stoja minimálne státisíce dolárov, pričom najdrahšie spektrometre stoja niekoľko miliónov. Nie všetky laboratóriá, najmä v Rusku, si môžu dovoliť mať takéto vedecké vybavenie.

7. Magnety pre NMR spektrometre

Jednou z najdôležitejších a najdrahších častí spektrometra je magnet, ktorý vytvára konštantné magnetické pole. Čím silnejšie pole, tým vyššia je citlivosť a spektrálne rozlíšenie, takže vedci a inžinieri sa neustále snažia dostať polia čo najvyššie. Magnetické pole je vytvárané elektrickým prúdom v solenoide - čím silnejší je prúd, tým väčšie je pole. Nie je však možné zvyšovať prúd donekonečna, pri veľmi vysokom prúde sa solenoidový drôt jednoducho začne topiť. Preto spektrometre NMR s vysokým poľom už veľmi dlho používajú supravodivé magnety, t.j. magnety, v ktorých je solenoidový drôt v supravodivom stave. V tomto prípade je elektrický odpor drôtu nulový a pri žiadnej aktuálnej hodnote sa neuvoľňuje žiadna energia. Supravodivý stav je možné dosiahnuť len pri veľmi nízkych teplotách, len niekoľko stupňov Kelvina, čo je teplota tekutého hélia. (Vysokoteplotná supravodivosť je stále doménou čisto fundamentálneho výskumu.) Práve s udržiavaním tak nízkej teploty sú spojené všetky technické ťažkosti pri návrhu a výrobe magnetov, ktoré ich predražujú. Supravodivý magnet je postavený na princípe termosky-matriošky. Solenoid je umiestnený v strede, vo vákuovej komore. Je obklopený plášťom obsahujúcim tekuté hélium. Tento obal je cez vákuovú vrstvu obklopený obalom z tekutého dusíka. Teplota tekutého dusíka je mínus 196 stupňov Celzia, dusík je potrebný na to, aby sa hélium odparovalo čo najpomalšie. Nakoniec sa dusíkový obal izoluje od teploty miestnosti vonkajšou vákuovou vrstvou. Takýto systém je schopný udržiavať požadovanú teplotu supravodivého magnetu po veľmi dlhú dobu, hoci to vyžaduje pravidelné pridávanie tekutého dusíka a hélia do magnetu. Výhodou takýchto magnetov je okrem schopnosti získať vysoké magnetické polia aj to, že nespotrebúvajú energiu: po naštartovaní magnetu prechádza prúd supravodivými drôtmi prakticky bez strát dlhé roky.

­

8. Tomografia

V bežných NMR spektrometroch sa snažia čo najviac zjednotiť magnetické pole, je to potrebné na zlepšenie spektrálneho rozlíšenia. Ale ak je magnetické pole vo vzorke, naopak, veľmi nehomogénne, otvára to zásadne nové možnosti pre použitie NMR. Nehomogenitu poľa vytvárajú takzvané gradientné cievky, ktoré pracujú v tandeme s hlavným magnetom. V tomto prípade bude veľkosť magnetického poľa v rôznych častiach vzorky odlišná, čo znamená, že signál NMR nie je možné pozorovať z celej vzorky, ako v bežnom spektrometri, ale len z jej úzkej vrstvy, pre ktorú sú splnené podmienky rezonancie, t.j. požadovaný vzťah medzi magnetickým poľom a frekvenciou. Zmenou veľkosti magnetického poľa (alebo, čo je v podstate to isté, frekvencie pozorovania signálu) môžete zmeniť vrstvu, ktorá bude produkovať signál. Týmto spôsobom je možné vzorku „naskenovať“ v celom jej objeme a „vidieť“ jej vnútornú trojrozmernú štruktúru bez toho, aby sa vzorka akýmkoľvek mechanickým spôsobom zničila. Doposiaľ bolo vyvinutých veľké množstvo techník, ktoré umožňujú merať rôzne parametre NMR (spektrálne charakteristiky, magnetické relaxačné časy, rýchlosť vlastnej difúzie a niektoré ďalšie) s priestorovým rozlíšením vo vnútri vzorky. Z praktického hľadiska najzaujímavejšie a najdôležitejšie uplatnenie NMR tomografie bolo nájdené v medicíne. V tomto prípade je skúmaným „vzorkom“ ľudské telo. NMR zobrazovanie je jedným z najúčinnejších a najbezpečnejších (ale aj drahých) diagnostických nástrojov v rôznych oblastiach medicíny, od onkológie až po pôrodníctvo. Je zaujímavé, že lekári nepoužívajú slovo „jadrový“ v názve tejto metódy, pretože niektorí pacienti si to spájajú s jadrovými reakciami a atómovou bombou.

9. História objavovania

Za rok objavu NMR sa považuje rok 1945, keď Američania Felix Bloch zo Stanfordu a nezávisle od neho Edward Purcell a Robert Pound z Harvardu prvýkrát pozorovali NMR signál na protónoch. V tom čase sa už vedelo veľa o povahe jadrového magnetizmu, samotný NMR efekt bol teoreticky predpovedaný a bolo urobených niekoľko pokusov o jeho experimentálne pozorovanie. Je dôležité poznamenať, že o rok skôr v Sovietskom zväze, v Kazani, objavil fenomén EPR Evgeniy Zavoisky. Teraz je dobre známe, že Zavoisky tiež pozoroval NMR signál, to bolo pred vojnou, v roku 1941. Mal však k dispozícii nekvalitný magnet so zlou rovnomernosťou poľa, výsledky boli zle reprodukovateľné a preto zostali nepublikované. Aby sme boli spravodliví, treba poznamenať, že Zavoisky nebol jediný, kto pozoroval NMR pred jeho „oficiálnym“ objavom. Najmä americký fyzik Isidor Rabi (nositeľ Nobelovej ceny z roku 1944 za štúdium magnetických vlastností jadier v atómových a molekulárnych lúčoch) tiež pozoroval NMR koncom 30. rokov, ale považoval ho za inštrumentálny artefakt. Tak či onak, naša krajina si zachováva prioritu v experimentálnej detekcii magnetickej rezonancie. Aj keď sa sám Zavoisky začal čoskoro po vojne zaoberať inými problémami, jeho objav zohral obrovskú úlohu v rozvoji vedy v Kazani. Kazaň stále zostáva jedným z popredných svetových vedeckých centier pre EPR spektroskopiu.

10. Nobelove ceny za magnetickú rezonanciu

V prvej polovici 20. storočia bolo udelených niekoľko Nobelových cien vedcom, bez ktorých práce by sa objav NMR nemohol uskutočniť. Medzi nimi Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Ale boli tam štyri Nobelove ceny priamo súvisiace s NMR. V roku 1952 bola cena udelená Felixovi Blochovi a Edwardovi Purcellovi za objav nukleárnej magnetickej rezonancie. Toto je jediná „NMR“ Nobelova cena za fyziku. V roku 1991 dostal cenu za chémiu Švajčiar Richard Ernst, ktorý pôsobil na slávnom ETH v Zürichu. Získal ju za vývoj metód viacrozmernej NMR spektroskopie, ktoré umožnili radikálne zvýšiť informačný obsah NMR experimentov. V roku 2002 sa víťazom ceny za chémiu stal Kurt Wüthrich, ktorý pracoval s Ernstom v susedných budovách tej istej technickej školy. Cenu získal za vývoj metód na určenie trojrozmernej štruktúry bielkovín v roztoku. Predtým bola jedinou metódou na určenie priestorovej konformácie veľkých biomakromolekúl röntgenová difrakčná analýza. Napokon v roku 2003 dostali lekársku cenu za vynález NMR tomografie Američan Paul Lauterbur a Angličan Peter Mansfield. Sovietsky objaviteľ EPR, E.K. Zavoisky, bohužiaľ, nedostal Nobelovu cenu.

Nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia je jednou z najbežnejších a veľmi citlivých metód na určovanie štruktúry organických zlúčenín, ktorá umožňuje získať informácie nielen o kvalitatívnom a kvantitatívnom zložení, ale aj o umiestnení atómov voči sebe navzájom. Rôzne NMR techniky majú veľa možností na určenie chemickej štruktúry látok, konfirmačných stavov molekúl, efektov vzájomného ovplyvňovania a intramolekulárnych premien.

Metóda nukleárnej magnetickej rezonancie má množstvo charakteristických čŕt: na rozdiel od optických molekulových spektier dochádza k absorpcii elektromagnetického žiarenia látkou v silnom rovnomernom vonkajšom magnetickom poli. Okrem toho, aby bolo možné vykonať NMR štúdiu, musí experiment spĺňať niekoľko podmienok odrážajúcich všeobecné princípy NMR spektroskopie:

1) záznam NMR spektier je možný len pre atómové jadrá s vlastným magnetickým momentom alebo takzvané magnetické jadrá, v ktorých je počet protónov a neutrónov taký, že hmotnostný počet jadier izotopov je nepárny. Všetky jadrá s nepárnym hmotnostným číslom majú spin I, ktorého hodnota je 1/2. Takže pre jadrá 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R sa hodnota spinu rovná 1/2, pre jadrá 7 Li, 23 Na, 39 K a 4 l R sa spin rovná 3/2. . Jadrá s párnym hmotnostným číslom buď nemajú vôbec žiadny spin, ak je jadrový náboj párny, alebo majú celočíselné hodnoty spinu, ak je náboj nepárny. Iba tie jadrá, ktorých spin je 10, môžu produkovať NMR spektrum.

Prítomnosť spinu je spojená s cirkuláciou atómového náboja okolo jadra, preto vzniká magnetický moment μ . Rotujúci náboj (napríklad protón) s momentom hybnosti J vytvára magnetický moment μ=γ*J . Uhlovú jadrovú hybnosť J a magnetický moment μ vznikajúci pri rotácii možno znázorniť ako vektory. Ich konštantný pomer sa nazýva gyromagnetický pomer γ. Práve táto konštanta určuje rezonančnú frekvenciu jadra (obr. 1.1).

Obrázok 1.1 - Rotujúci náboj s uhlovým momentom J vytvára magnetický moment μ=γ*J.

2) metóda NMR skúma absorpciu alebo emisiu energie za neobvyklých podmienok tvorby spektra: na rozdiel od iných spektrálnych metód. NMR spektrum sa zaznamenáva z látky nachádzajúcej sa v silnom rovnomernom magnetickom poli. Takéto jadrá vo vonkajšom poli majú rôzne hodnoty potenciálnej energie v závislosti od niekoľkých možných (kvantovaných) uhlov orientácie vektora μ vo vzťahu k vektoru intenzity vonkajšieho magnetického poľa H 0 . Pri absencii vonkajšieho magnetického poľa nemajú magnetické momenty alebo spiny jadier špecifickú orientáciu. Ak sú magnetické jadrá so spinom 1/2 umiestnené v magnetickom poli, potom niektoré z jadrových spinov budú umiestnené rovnobežne s magnetickými siločiarami, druhá časť bude antiparalelná. Tieto dve orientácie už nie sú energeticky ekvivalentné a rotácie sú údajne rozdelené na dvoch energetických úrovniach.

Spiny s magnetickým momentom orientovaným pozdĺž +1/2 poľa sú označené symbolom | α >, s orientáciou antiparalelnou k vonkajšiemu poľu -1/2 - symbol | β > (obr. 1.2) .

Obrázok 1.2 - Tvorba energetických hladín pri pôsobení vonkajšieho poľa H 0 .

1.2.1 NMR spektroskopia na 1H jadrách Parametre PMR spektier.

Na dešifrovanie údajov 1H NMR spektier a priradenie signálov sa využívajú hlavné charakteristiky spektier: chemický posun, spin-spinová interakčná konštanta, integrovaná intenzita signálu, šírka signálu [57].

A) Chemický posun (C.C). H.S. stupnica Chemický posun je vzdialenosť medzi týmto signálom a signálom referenčnej látky, vyjadrená v dieloch na milión sily vonkajšieho poľa.

Ako štandard na meranie chemických posunov protónov sa najčastejšie používa tetrametylsilán [TMS, Si(CH 3) 4], obsahujúci 12 štruktúrne ekvivalentných, vysoko tienených protónov.

B) Interakčná konštanta spin-spin. V NMR spektrách s vysokým rozlíšením sa pozoruje štiepenie signálu. Toto štiepenie alebo jemná štruktúra v spektrách s vysokým rozlíšením je výsledkom interakcií spin-spin medzi magnetickými jadrami. Tento jav spolu s chemickým posunom slúži ako najdôležitejší zdroj informácií o štruktúre zložitých organických molekúl a distribúcii elektrónového oblaku v nich. Nezávisí od H0, ale závisí od elektrónovej štruktúry molekuly. Signál magnetického jadra interagujúceho s iným magnetickým jadrom je rozdelený do niekoľkých čiar v závislosti od počtu spinových stavov, t.j. závisí od spinov jadier I.

Vzdialenosť medzi týmito čiarami charakterizuje spin-spin väzbovú energiu medzi jadrami a nazýva sa spin-spin väzbová konštanta n J, kde n-počet väzieb, ktoré oddeľujú interagujúce jadrá.

Existujú priame konštanty J HH, geminálne konštanty 2 J HH , vicinálne konštanty 3 J HH a niektoré dlhodosahové konštanty 4 J HH , 5 J HH .

- geminálne konštanty 2 J HH môžu byť kladné aj záporné a môžu zaberať rozsah od -30 Hz do +40 Hz.

Vicinálne konštanty 3 J HH zaberajú rozsah 0 20 Hz; sú takmer vždy pozitívne. Zistilo sa, že vicinálna interakcia v nasýtených systémoch veľmi silne závisí od uhla medzi väzbami uhlík-vodík, teda od dihedrálneho uhla - (obr. 1.3).

Obrázok 1.3 - Dihedrálny uhol φ medzi väzbami uhlík-vodík.

Interakcia spin-spin na veľké vzdialenosti (4 J HH , 5 J HH ) - interakcia dvoch jadier oddelených štyrmi alebo viacerými väzbami; konštanty takejto interakcie sú zvyčajne od 0 do +3 Hz.

Tabuľka 1.1 – Spin-spin interakčné konštanty

B) Integrovaná intenzita signálu. Plocha signálov je úmerná počtu magnetických jadier rezonujúcich pri danej intenzite poľa, takže pomer plôch signálov udáva relatívny počet protónov každej štruktúrnej odrody a nazýva sa integrovaná intenzita signálu. Moderné spektrometre používajú špeciálne integrátory, ktorých hodnoty sa zaznamenávajú vo forme krivky, ktorej výška krokov je úmerná ploche zodpovedajúcich signálov.

D) Šírka čiar. Na charakterizáciu šírky čiar je zvykom merať šírku vo vzdialenosti polovice výšky od nulovej čiary spektra. Experimentálne pozorovaná šírka čiary pozostáva z prirodzenej šírky čiary, ktorá závisí od štruktúry a mobility, a rozšírenia z inštrumentálnych dôvodov

Bežná šírka čiary v PMR je 0,1-0,3 Hz, ale môže sa zväčšiť v dôsledku prekrývania susedných prechodov, ktoré sa presne nezhodujú, ale nie sú riešené ako samostatné čiary. Rozšírenie je možné v prítomnosti jadier so spinom väčším ako 1/2 a chemickou výmenou.

1.2.2 Aplikácia 1H NMR údajov na určenie štruktúry organických molekúl.

Pri riešení množstva problémov štrukturálnej analýzy, okrem tabuliek empirických hodnôt, Kh.S. Môže byť užitočné kvantifikovať účinky susedných substituentov na Ch.S. podľa pravidla aditivity efektívnych skríningových príspevkov. V tomto prípade sa zvyčajne berú do úvahy substituenty, ktoré nie sú vzdialené viac ako 2-3 väzby od daného protónu, a výpočet sa robí pomocou vzorca:

δ=δ 0 +ε i *δ i (3)

kde 50 je chemický posun protónov štandardnej skupiny;

5i je príspevok skríningu substituentom.

1.3 NMR spektroskopia 13C. Získavanie a spôsoby zaznamenávania spektier.

Prvé správy o pozorovaní 13C NMR sa objavili v roku 1957, no transformácia 13C NMR spektroskopie na prakticky používanú metódu analytického výskumu sa začala oveľa neskôr.

Magnetická rezonancia 13 C a 1 H majú veľa spoločného, ​​ale existujú aj významné rozdiely. Najbežnejší izotop uhlíka 12C má I=0. Izotop 13C má I=1/2, ale jeho prirodzený obsah je 1,1 %. Je to spolu so skutočnosťou, že gyromagnetický pomer jadier 13C je 1/4 gyromagnetického pomeru pre protóny. Čo znižuje citlivosť metódy pri experimentoch na pozorovaní13C NMR 6000-krát v porovnaní s 1H jadrami.

a) bez potlačenia spin-spin interakcie s protónmi. 13C NMR spektrá získané v neprítomnosti úplného potlačenia spin-spin rezonancie protónmi sa nazývali spektrá s vysokým rozlíšením. Tieto spektrá obsahujú kompletné informácie o 13C - 1H konštantách. V relatívne jednoduchých molekulách sa obidva typy konštánt - priame a dlhé - nachádzajú celkom jednoducho. Takže 1 J (C-H) je 125 - 250 Hz, avšak spin-spinová interakcia môže nastať aj so vzdialenejšími protónmi s konštantami menšími ako 20 Hz.

b) úplné potlačenie spin-spin interakcie s protónmi. Prvý veľký pokrok v oblasti 13C NMR spektroskopie je spojený s využitím úplného potlačenia spin-spin interakcie s protónmi. Použitie úplného potlačenia spin-spin interakcie s protónmi vedie k zlúčeniu multipletov s tvorbou singletových čiar, ak v molekule nie sú žiadne iné magnetické jadrá, ako napríklad 19F a 31P.

c) neúplné potlačenie spin-spin interakcie s protónmi. Avšak použitie režimu úplného oddelenia od protónov má svoje nevýhody. Pretože všetky uhlíkové signály sú teraz vo forme singletov, stratia sa všetky informácie o interakčných konštantách spin-spin 13C-1H. Navrhuje sa metóda, ktorá umožňuje čiastočne obnoviť informácie o konštantách priamej spin-spin interakcie 13 C-1H a zároveň si zachovať väčšiu časť výhod širokopásmového oddelenia. V tomto prípade sa v spektrách objavia štiepenia v dôsledku priamych konštánt spin-spin interakcie 13C - 1H. Tento postup umožňuje detekovať signály z neprotónovaných atómov uhlíka, pretože tieto nemajú protóny priamo spojené s 13 C a objavujú sa v spektrách s neúplným oddelením od protónov ako singlety.

d) modulácia CH interakčnej konštanty, JMODCH spektrum. Tradičným problémom v 13C NMR spektroskopii je určenie počtu protónov spojených s každým atómom uhlíka, t.j. stupeň protonizácie atómu uhlíka. Čiastočné potlačenie protónmi umožňuje rozlíšiť uhlíkový signál od multiplicity spôsobenej dlhodosahovými spin-spin interakčnými konštantami a získať štiepenie signálu vďaka priamym 13 C-1 H väzbovým konštantám. Avšak v prípade silne viazaných spinových systémov AB a prekrývanie multipletov v režime OFFR sťažuje jednoznačné rozlíšenie signálov.