Ядролық магниттік-резонансты спектроскопия, ЯМР спектроскопиясы- ядролық магниттік резонанс құбылысын қолдана отырып, химиялық объектілерді зерттеудің спектроскопиялық әдісі. ЯМР құбылысын 1946 жылы американдық физиктер Ф.Блох пен Э.Пурселл ашты. Химия және практикалық қолдану үшін ең маңыздылары протонды магниттік-резонансты спектроскопия (PMR спектроскопиясы), сондай-ақ көміртегі-13 ЯМР спектроскопиясы (13С ЯМР спектроскопиясы), фтор-19 (19F ЯМР спектроскопиясы), фосфор-31 (31P ЯМР) болып табылады. спектроскопия).Егер элементтің атомдық нөмірі тақ болса немесе кез келген (жұп) элементтің изотопының массалық саны тақ болса, мұндай элементтің ядросының нөлден басқа спині болады. Қозған күйден қалыпты күйге ядролар қозу энергиясын қоршаған ортаға – «торға» бере отырып, қайтып орала алады, бұл жағдайда зерттелетіндерден басқа түрдегі электрондар немесе атомдар дегенді білдіреді. Бұл энергияны тасымалдау механизмі спин-торлы релаксация деп аталады, ал оның тиімділігі спин-торлы релаксация уақыты деп аталатын тұрақты T1 арқылы сипатталуы мүмкін.
Бұл мүмкіндіктер ЯМР спектроскопиясын теориялық органикалық химияда да, биологиялық объектілерді талдауда да ыңғайлы құрал етеді.
Негізгі ЯМР техникасы
ЯМР үшін зат үлгісі жұқа қабырғалы шыны түтікке (ампулаға) салынады. Магниттік өріске орналастырылған кезде ЯМР белсенді ядролары (мысалы, 1 H немесе 13 C) электромагниттік энергияны сіңіреді. Шығарылатын сигналдың резонанстық жиілігі, жұту энергиясы және қарқындылығы магнит өрісінің күшіне пропорционал. Сонымен, 21 Tesla өрісінде протон 900 МГц жиілікте резонанс жасайды.
химиялық ығысу
Жергілікті электронды ортаға байланысты молекуладағы әртүрлі протондар сәл өзгеше жиілікте резонанс жасайды. Бұл жиілік ығысуы да, негізгі резонанстық жиілік те магнит өрісі индукциясының шамасына тура пропорционал болғандықтан, бұл ығысу химиялық ығысу деп аталатын магнит өрісіне тәуелсіз өлшемсіз шамаға түрленеді. Химиялық ығысу кейбір анықтамалық үлгілерге қатысты салыстырмалы өзгеріс ретінде анықталады. Жиілік ығысу негізгі ЯМР жиілігімен салыстырғанда өте аз. Әдеттегі жиілік ығысуы 100 Гц, ал негізгі ЯМР жиілігі 100 МГц тәртібінде. Осылайша, химиялық ығысу көбінесе миллиондағы бөліктермен (ppm) көрсетіледі. Осындай аз жиілік айырмашылығын анықтау үшін қолданылатын магнит өрісі үлгі көлемінде тұрақты болуы керек.
Химиялық ығысу заттың химиялық құрылымына байланысты болғандықтан, ол үлгідегі молекулалар туралы құрылымдық ақпаратты алу үшін қолданылады. Мысалы, этанол (CH 3 CH 2 OH) үшін спектр 3 ерекше сигнал береді, яғни 3 химиялық ығысу: біреуі CH 3 тобы үшін, екіншісі CH 2 тобы үшін және соңғысы OH үшін. CH 3 тобы үшін әдеттегі ығысу шамамен 1 ppm құрайды, OH қосылған CH 2 тобы үшін 4 ppm және OH шамамен 2-3 ppm құрайды.
Бөлме температурасындағы молекулалық қозғалыстың арқасында 3 метил протонының сигналдары бірнеше миллисекундқа созылатын ЯМР процесі кезінде орташа мәнге ие болады. Бұл протондар бірдей химиялық ығысу кезінде азайып, шыңдарды құрайды. Бағдарлама осы шыңдарға қанша протонның ықпал ететінін түсіну үшін шыңдардың өлшемін талдауға мүмкіндік береді.
Айналдыру әрекеті
Бір өлшемді ЯМР спектріндегі құрылымды анықтау үшін ең пайдалы ақпарат белсенді ЯМР ядролары арасындағы спиндік әрекеттесу арқылы қамтамасыз етіледі. Бұл әрекеттесу химиялық молекулалардағы әртүрлі ядролық спиндік күйлер арасындағы ауысудан туындайды, нәтижесінде ЯМР сигналдары бөлінеді. Бұл бөлу қарапайым немесе күрделі болуы мүмкін және нәтижесінде түсіндіру оңай немесе экспериментаторды шатастыруы мүмкін.
Бұл байланыс молекуладағы атомдардың байланыстары туралы толық ақпарат береді.
Екінші ретті өзара әрекеттесу (күшті)
Қарапайым спин-спиндік әрекеттесу сигналдар арасындағы химиялық ығысулар айырмашылығымен салыстырғанда байланыс константасының аз екенін болжайды. Ауысым айырмасы азайса (немесе қосылыс константасы ұлғайса), үлгі мультиплеттерінің қарқындылығы бұрмаланып, талдау қиындай түседі (әсіресе жүйеде 2-ден көп айналым болса). Дегенмен, жоғары қуатты ЯМР спектрометрлерінде бұрмалану әдетте қалыпты болады және бұл байланысты шыңдарды түсіндіруді жеңілдетеді.
Екінші ретті әсерлер мультиплеттер арасындағы жиілік айырмасының артуымен азаяды, сондықтан жоғары жиілікті ЯМР спектрі төмен жиілікті спектрге қарағанда аз бұрмалану көрсетеді.
Ақуыздарды зерттеуде ЯМР спектроскопиясын қолдану
ЯМР спектроскопиясындағы соңғы жаңалықтардың көпшілігі қазіргі биология мен медицинада өте маңызды әдіске айналып келе жатқан ақуыздық ЯМР спектроскопиясында жасалған. Ортақ мақсат - рентгендік кристаллографияда алынған кескіндерге ұқсас ақуыздың жоғары ажыратымдылықтағы 3 өлшемді құрылымын алу. Қарапайым органикалық қосылыспен салыстырғанда ақуыз молекуласында атомдардың көп болуына байланысты, негізгі 1 H спектрі бір-біріне сәйкес келетін сигналдарға толып, спектрді тікелей талдауды мүмкін емес етеді. Сондықтан бұл мәселені шешу үшін көп өлшемді әдістер жасалды.
Осы эксперименттердің нәтижелерін жақсарту үшін 13 C немесе 15 N қолданатын таңбаланған атом әдісі қолданылады.Осылайша заманауи фармацевтикадағы серпіліс болған ақуыз үлгісінің 3D спектрін алуға болады. Соңғы уақытта арнайы математикалық әдістерді қолдана отырып, бос индукциялық ыдырау сигналын кейіннен қалпына келтіре отырып, сызықты емес іріктеу әдістеріне негізделген 4D спектрлері мен үлкен өлшемдердің спектрлерін алу әдістері (артықшылықтары да, кемшіліктері де бар) кең тарады.
ЯМР арқылы сандық талдау
Ерітінділердің сандық талдауында пик аймағын калибрлеу қисығы әдісінде немесе қосу әдісінде концентрация өлшемі ретінде пайдалануға болады. Графиктік график химиялық ығысудың концентрацияға тәуелділігін көрсететін әдістер де белгілі. Бейорганикалық анализде ЯМР әдісін қолдану парамагниттік заттардың қатысуымен ядролық релаксация уақыты жылдамдатылатындығына негізделген. Релаксация жылдамдығын өлшеу бірнеше әдістермен жүзеге асырылуы мүмкін.Сенімді және жан-жақты, мысалы, ЯМР әдісінің импульсивті нұсқасы немесе әдетте оны спин эхо әдісі деп атайды. Осы әдісті қолданатын өлшеулерде резонанстық жұтылу аймағындағы белгілі бір уақыт аралықтарында магнит өрісінде зерттелетін үлгіге қысқа мерзімді радиожиілік импульстері қолданылады.Қабылдағыш катушкада спиндік жаңғырық сигналы пайда болады, оның максимал амплитудасы релаксация уақытымен қарапайым қатынас арқылы байланысты. Әдеттегі аналитикалық анықтауларды жүргізу үшін релаксация жылдамдығының абсолютті мәндерін табу қажет емес. Мұндай жағдайларда олармен пропорционалды шаманы, мысалы, резонанстық жұтылу сигналының амплитудасын өлшеумен шектелуге болады. Амплитуданы өлшеуді қарапайым, неғұрлым қолжетімді жабдықпен жасауға болады. ЯМР әдісінің маңызды артықшылығы өлшенетін параметр мәндерінің кең ауқымы болып табылады. Айналдыру жаңғырығы параметрін пайдаланып, релаксация уақытын 0,00001 мен 100 с аралығында анықтауға болады. қателігі 3...5%. Бұл ерітіндінің концентрациясын 1 ... 2-ден 0,000001 ... 0000001 моль/л-ге дейін өте кең диапазонда анықтауға мүмкіндік береді.Ең көп қолданылатын аналитикалық әдіс - калибрлеу қисық әдісі.
Ядролық магниттік-резонанстық спектроскопия органикалық қосылыстардың құрылымын анықтаудың ең кең таралған және өте сезімтал әдістерінің бірі болып табылады, бұл тек сапалық және сандық құрамы туралы ғана емес, сонымен қатар атомдардың бір-біріне қатысты орналасуы туралы ақпарат алуға мүмкіндік береді. Әртүрлі ЯМР әдістерінде заттардың химиялық құрылымын, молекулалардың растау күйлерін, өзара әсер ету әсерін және молекулаішілік түрлендірулерді анықтаудың көптеген мүмкіндіктері бар.
Ядролық магниттік резонанс әдісінің бірқатар ерекше белгілері бар: оптикалық молекулалық спектрлерден айырмашылығы, электромагниттік сәулеленуді заттың жұтуы күшті біркелкі сыртқы магнит өрісінде жүреді. Сонымен қатар, ЯМР зерттеуін жүргізу үшін эксперимент ЯМР спектроскопиясының жалпы принциптерін көрсететін бірқатар шарттарға сай болуы керек:
1) ЯМР спектрлерін жазу тек өзінің магниттік моменті немесе протондар мен нейтрондардың саны изотоптар ядроларының массалық саны тақ болатындай магниттік ядролар деп аталатын атом ядролары үшін ғана мүмкін. Массалық саны тақ болатын барлық ядролардың спині I болады, оның мәні 1/2. Сонымен 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 P ядролар үшін спин мәні 1/2, 7 Li, 23 Na, 39 K және 4 l R ядролары үшін - спин 3/2. Жұп массалық саны бар ядролардың ядро заряды жұп болса, спині мүлде болмайды, ал заряды тақ болса, бүтін спиндік мәндерге ие болады. Спині I 0 болатын ядролар ғана ЯМР спектрін бере алады.
Спиннің болуы атом зарядының ядро айналасындағы айналымымен байланысты, сондықтан магниттік момент пайда болады. μ . Бұрыштық импульсі J бар айналмалы заряд (мысалы, протон) μ=γ*J магниттік момент жасайды. . Бұрыштық ядролық момент J мен айналу кезінде пайда болатын магниттік μ моментін векторлар ретінде көрсетуге болады. Олардың тұрақты қатынасы гиромагниттік қатынас γ деп аталады. Дәл осы тұрақты шама ядроның резонанстық жиілігін анықтайды (1.1-сурет).
1.1-сурет – J бұрыштық импульсі бар айналмалы заряд μ=γ*J магниттік момент жасайды.
2) ЯМР әдісі спектрді қалыптастыру үшін әдеттен тыс жағдайларда энергияның жұтылуын немесе шығарылуын зерттейді: басқа спектрлік әдістерден айырмашылығы. ЯМР спектрі күшті біркелкі магнит өрісіндегі заттан жазылады. Сыртқы өрістегі мұндай ядролар H 0 сыртқы магнит өрісінің күші векторына қатысты μ векторының бірнеше мүмкін (квантталған) бағдарлау бұрыштарына байланысты потенциалдық энергияның әртүрлі мәндеріне ие болады. Сыртқы магнит өрісі болмаған жағдайда, ядролардың магниттік моменттері немесе спиндері белгілі бір бағдарға ие болмайды. Магнит өрісіне спинінің 1/2 магниттік ядролар орналасса, онда ядролық спиндердің бір бөлігі магнит өрісінің сызықтарына параллель, екінші бөлігі антипараллель болады. Бұл екі бағдар бұдан былай энергетикалық эквивалентті емес және спиндер екі энергетикалық деңгейге бөлінген деп айтылады.
+1/2 өріс бойымен бағдарланған магниттік моменті бар айналдырулар | белгісімен белгіленеді α >, сыртқы өріске антипараллельді бағдармен -1/2 - белгісі | β > (1.2-сурет) .
1.2-сурет – H 0 сыртқы өрісті қолданғанда энергия деңгейлерінің қалыптасуы.
1.2.1 1 H ядроларындағы ЯМР спектроскопиясы PMR спектрлерінің параметрлері.
1H ЯМР спектрлерінің деректерін интерпретациялау және сигналдарды тағайындау үшін спектрлердің негізгі сипаттамалары қолданылады: химиялық ығысу, спин-спин әрекеттесу тұрақтысы, интегралды сигнал қарқындылығы және сигнал ені [57].
A) Химиялық ығысу (X.C). H.S шкаласы Химиялық ығысу - бұл сигнал мен эталондық заттың сигналы арасындағы қашықтық, сыртқы өріс кернеулігінің шамасы миллионға шаққандағы бөліктерде көрсетілген.
Құрамында 12 құрылымдық эквивалентті күшті экрандалған протоны бар тетраметилсилан [TMS, Si(CH 3) 4 ] протондардың химиялық ығысуын өлшеу үшін стандарт ретінде жиі пайдаланылады.
B) Спин-спин әрекеттесу тұрақтысы. Сигналдың бөлінуі жоғары ажыратымдылықтағы ЯМР спектрлерінде байқалады. Жоғары ажыратымдылықтағы спектрлердегі бұл бөліну немесе жұқа құрылым магниттік ядролар арасындағы спиндік әрекеттесу нәтижесінде пайда болады. Бұл құбылыс химиялық ығысумен қатар күрделі органикалық молекулалардың құрылымы және олардағы электронды бұлттың таралуы туралы ақпараттың ең маңызды көзі болып табылады. Ол H 0 тәуелді емес, молекуланың электрондық құрылымына байланысты. Магниттік ядроның басқа магниттік ядромен әрекеттесетін сигналы спиндік күйлердің санына байланысты бірнеше сызықтарға бөлінеді, яғни. I ядролардың спиндеріне байланысты.
Бұл сызықтар арасындағы қашықтық ядролар арасындағы спиндік байланыстың энергиясын сипаттайды және спиндік қосылыс тұрақтысы n J деп аталады, мұндағы nөзара әрекеттесетін ядроларды бөлетін байланыстар саны.
Тікелей тұрақтылар J HH , геминалды тұрақтылар 2 J HH бар , вицинальды тұрақтылар 3 J HH және кейбір алыс тұрақтылар 4 J HH , 5J HH.
- геминалды тұрақтылар 2 J HH оң және теріс болуы мүмкін және -30Гц-тен +40Гц-ке дейінгі диапазонды алады.
Вицинальды тұрақтылар 3 J HH 0–20 Гц диапазонын алады; олар әрқашан дерлік оң. Қаныққан жүйелердегі вицинальды әрекеттесу көміртегі-сутектік байланыстар арасындағы бұрышқа, яғни екібұрышты бұрышқа өте тәуелді екені анықталды - (1.3-сурет).
1.3-сурет – Көміртек-сутектік байланыстар арасындағы екі қырлы бұрыш φ.
Ұзақ диапазондағы айналдырумен әрекеттесу (4 Дж HH , 5J HH ) - төрт немесе одан да көп байланыспен бөлінген екі ядроның әрекеттесуі; мұндай әрекеттесу тұрақтылары әдетте 0-ден +3 Гц-ке дейін болады.
1.1-кесте – Айналдыру-спиндік әрекеттесу тұрақтылары
C) Интегралдық сигнал интенсивтілігі. Сигнал аймағы берілген өріс күшінде резонанс жасайтын магниттік ядролардың санына пропорционал, сондықтан сигнал аймағының қатынасы әрбір құрылымдық әртүрлілік протондарының салыстырмалы санын береді және интегралды сигнал қарқындылығы деп аталады. Заманауи спектрометрлер арнайы интеграторларды пайдаланады, олардың көрсеткіштері қисық ретінде жазылады, олардың қадамдарының биіктігі сәйкес сигналдардың ауданына пропорционалды.
D) Сызықтың ені. Сызықтың енін сипаттау үшін спектрдің нөлдік сызығынан жарты биіктік қашықтықта енін өлшеу әдеттегідей. Тәжірибеде байқалатын сызық ені - бұл құрылым мен қозғалғыштыққа және аспаптық себептерге байланысты кеңеюіне байланысты табиғи сызықтың қосындысы.
PMR-дегі әдеттегі сызық ені 0,1-0,3 Гц құрайды, бірақ ол дәл сәйкес келмейтін, бірақ бөлек сызықтар ретінде шешілмеген көршілес өтулердің қабаттасуына байланысты ұлғаюы мүмкін. Кеңейту спині 1/2-ден асатын ядролардың және химиялық алмасудың қатысуымен мүмкін болады.
1.2.2 Органикалық молекулалардың құрылымын құру үшін 1H ЯМР деректерін қолдану.
Құрылымдық талдаудың бірқатар мәселелерін шешу кезінде эмпирикалық мәндер кестелерінен басқа Х.С. көршілес алмастырғыштардың CC-ге әсерін сандық түрде анықтау пайдалы болуы мүмкін. тиімді скринингтік жарналардың аддитивтік ережесі бойынша. Бұл жағдайда, әдетте, берілген протоннан 2-3 байланыс арқылы жойылатын орынбасарлар есепке алынады және есептеу мына формула бойынша жүргізіледі:
δ=δ 0 +ε i *δ i (3)
мұндағы δ 0 – стандартты топ протондарының химиялық ығысуы;
δ i – алмастырушы скринингтік үлес.
1.3 13 С ЯМР спектроскопиясы Спектрлерді алу және тіркеу режимдері.
13С ЯМР бақылауы туралы алғашқы есептер 1957 жылы пайда болды, алайда 13С ЯМР спектроскопиясын аналитикалық зерттеудің іс жүзінде қолданылатын әдісіне айналдыру әлдеқайда кейінірек болды.
Магниттік резонанс 13 C және 1 H ортақ көп нәрсеге ие, бірақ айтарлықтай айырмашылықтар да бар. Көміртегі 12 С ең көп таралған изотопы I=0. 13 С изотопы I=1/2, бірақ оның табиғи молдығы 1,1%. Бұл 13 С ядролардың гиромагниттік қатынасы протондар үшін гиромагниттік қатынастың 1/4 бөлігін құрайтындығымен қатар. Бұл 1 H ядроларымен салыстырғанда 13 С ЯМР бақылау эксперименттеріндегі әдіс сезімталдығын 6000 есе төмендетеді.
а) протондармен спиндік әсерлесуді басусыз. Протондармен спиндік резонанстың толық басылуы болмаған жағдайда алынған 13С ЯМР спектрлері жоғары ажыратымдылықтағы спектрлер деп аталды. Бұл спектрлерде 13 C - 1 H тұрақтылары туралы толық ақпарат бар. Салыстырмалы түрде қарапайым молекулаларда тұрақтылардың екі түрі де - алға және алыс - өте қарапайым түрде табылады. Сонымен 1 Дж (С-Н) 125 - 250 Гц, дегенмен спин-спиндік әрекеттесу тұрақтылары 20 Гц-тен аз алыстағы протондармен де болуы мүмкін.
б) протондармен спиндік әсерлесудің толық басылуы. 13С ЯМР спектроскопиясы саласындағы алғашқы үлкен жетістік протондармен спин-спиндік әсерлесуді толық басуды қолданумен байланысты. Протондармен спиндік әсерлесуді толық басуды қолдану, егер молекулада 19 F және 31 P сияқты басқа магниттік ядролар болмаса, мультиплеттердің синглет сызықтарының пайда болуымен біріктірілуіне әкеледі.
в) протондармен спиндік әсерлесудің толық басылмауы. Дегенмен, протондардан толық ажырату режимін қолданудың кемшіліктері бар. Барлық көміртегі сигналдары енді синглеттер түрінде болғандықтан, 13C-1H спин-спин әрекеттесу константалары туралы барлық ақпарат жоғалады.Кең жолақты қосылымның артықшылықтарының бір бөлігі. Бұл жағдайда спектрлер 13С-1Н спиндік әсерлесудің тікелей константаларына байланысты бөлінулерді көрсетеді.Бұл процедура протондалмаған көміртегі атомдарынан сигналдарды анықтауға мүмкіндік береді, өйткені соңғыларында 13С-пен тікелей байланысқан протондар жоқ. және синглиттер ретінде протондардан толық емес ажыратылған спектрлерде пайда болады.
г) C-H әрекеттесу константасының модуляциясы, JMODCH спектрі. 13C ЯМР спектроскопиясындағы дәстүрлі мәселе әрбір көміртек атомымен байланысты протондардың санын, яғни көміртегі атомының протондану дәрежесін анықтау болып табылады. Протондармен ішінара басу көміртегі сигналын ұзақ диапазондағы спин-спиндік өзара әрекеттесу константаларынан туындаған көптіктен шешуге және тікелей 13C-1H SSCCs есебінен сигналдың бөлінуін алуға мүмкіндік береді.Бірақ күшті байланысқан AB спин жүйелері және қабаттасу жағдайында OFFR режиміндегі мультиплеттердің бір мәнді ажыратымдылығын қиындатады.
1. Құбылыстың мәні
Біріншіден, бұл құбылыстың атауында «ядро» сөзі болғанымен, ЯМР ядролық физикаға ешқандай қатысы жоқ және радиоактивтілікке ешқандай қатысы жоқ екенін атап өткен жөн. Егер біз қатаң сипаттама туралы айтатын болсақ, онда кванттық механика заңдарынсыз болмайды. Осы заңдарға сәйкес магниттік ядроның сыртқы магнит өрісімен әрекеттесу энергиясы тек бірнеше дискретті мәндерді қабылдай алады. Егер магниттік ядролар айнымалы магнит өрісімен сәулеленетін болса, оның жиілігі осы дискретті энергия деңгейлерінің арасындағы жиілік бірліктерімен көрсетілген айырмашылыққа сәйкес келсе, онда магниттік ядролар айнымалы магнит өрісінің энергиясын жұтып, бір деңгейден екінші деңгейге ауыса бастайды. өріс. Бұл магниттік резонанс құбылысы. Бұл түсініктеме ресми түрде дұрыс, бірақ өте анық емес. Кванттық механикасыз тағы бір түсініктеме бар. Магниттік ядроны өз осінің айналасында айналатын электр заряды бар шар ретінде қарастыруға болады (бірақ, қатаң айтқанда, олай емес). Электродинамика заңдарына сәйкес зарядтың айналуы магнит өрісінің пайда болуына әкеледі, яғни айналу осі бойымен бағытталған ядроның магниттік моменті. Егер бұл магниттік момент тұрақты сыртқы өріске орналастырылса, онда осы моменттің векторы прецесс жасай бастайды, яғни сыртқы өрістің бағыты бойынша айналады. Дәл осылай айналдыратын доңғалақ осі, егер ол қатаң тігінен емес, белгілі бір бұрышта оралған болса, вертикальды айналып өтеді (айнайды). Бұл жағдайда магнит өрісінің рөлін тартылыс күші атқарады.
Прецессия жиілігі ядроның қасиеттерімен де, магнит өрісінің күшімен де анықталады: өріс неғұрлым күшті болса, жиілік соғұрлым жоғары болады. Сонда, егер ядроға тұрақты сыртқы магнит өрісінен басқа айнымалы магнит өрісі әсер етсе, онда ядро осы өріспен әрекеттесе бастайды - ол ядроны күштірек тербетеді, прецессия амплитудасы артады және ядро айнымалы өрістің энергиясын жұтады. Дегенмен, бұл тек резонанс жағдайында ғана болады, яғни прецессия жиілігі мен сыртқы айнымалы өріс жиілігінің сәйкес келуі. Бұл орта мектеп физикасының классикалық үлгісіне ұқсайды - көпірден өтіп бара жатқан сарбаздар. Егер қадам жиілігі көпірдің табиғи жиілігімен сәйкес келсе, онда көпір көбірек тербеледі. Эксперименттік түрде бұл құбылыс айнымалы өрістің жұтылуының оның жиілігіне тәуелділігінде көрінеді. Резонанс сәтінде жұтылу күрт артады және ең қарапайым магниттік-резонанс спектрі келесідей көрінеді:
2. Фурье спектроскопиясы
Алғашқы ЯМР-спектрометрлер дәл жоғарыда сипатталғандай жұмыс істеді - үлгі тұрақты магнит өрісіне орналастырылды және оған RF сәулелену үздіксіз қолданылды. Содан кейін не айнымалы өрістің жиілігі, не тұрақты магнит өрісінің қарқындылығы біркелкі өзгерді. Айнымалы өрістің энергияны жұтуы радиожиілік көпірі арқылы жазылды, оның сигналы магнитофонға немесе осциллографқа шығарылды. Бірақ сигналды тіркеудің бұл әдісі ұзақ уақыт бойы қолданылмады. Қазіргі ЯМР спектрометрлерінде спектр импульстердің көмегімен жазылады. Ядролардың магниттік моменттері қысқа қуатты импульспен қозғалады, одан кейін магниттік моменттерді еркін прецессия арқылы РЖ катушкасында индукцияланатын сигнал жазылады. Бұл сигнал бірте-бірте нөлге дейін төмендейді, өйткені магниттік моменттер тепе-теңдікке оралады (бұл процесс магниттік релаксация деп аталады). ЯМР спектрі Фурье түрлендіруінің көмегімен осы сигналдан алынады. Бұл кез келген сигналды жиілік гармоникасына ыдыратуға және осылайша осы сигналдың жиілік спектрін алуға мүмкіндік беретін стандартты математикалық процедура. Спектрді жазудың бұл әдісі шу деңгейін айтарлықтай төмендетуге және эксперименттерді әлдеқайда жылдам жүргізуге мүмкіндік береді.
Спектрді жазу үшін бір қозу импульсі ең қарапайым ЯМР тәжірибесі болып табылады. Дегенмен, экспериментте зерттеуші ядролық магниттік моменттердің жүйесімен қандай манипуляциялар жүргізу қажет екеніне байланысты, ұзақтығы, амплитудасы әртүрлі, олардың арасындағы кідірістері әртүрлі және т.б. осындай импульстар көп болуы мүмкін. Дегенмен, бұл импульстік тізбектердің барлығы дерлік бір нәрсемен аяқталады - еркін прецессиялық сигналды жазу, содан кейін Фурье түрлендіруі.
3. Заттағы магниттік әсерлесулер
Магниттік резонанс өз алдына, егер ядролардың бір-бірімен және молекуланың электронды қабатымен магниттік әрекеттесулері болмаса, қызықты физикалық құбылыс болып қалар еді. Бұл әрекеттесулер резонанс параметрлеріне әсер етеді және олардың көмегімен ЯМР молекулалардың қасиеттері – олардың бағдарлануы, кеңістіктік құрылымы (конформациясы), молекулааралық әрекеттесулері, химиялық алмасуы, айналу және трансляциялық динамикасы туралы әр түрлі ақпаратты алуға болады. Осының арқасында ЯМР заттарды молекулалық деңгейде зерттеудің өте қуатты құралына айналды, ол физикада ғана емес, негізінен химия мен молекулалық биологияда кеңінен қолданылады. Осы өзара әрекеттесулердің бір мысалы ретінде химиялық ығысу деп аталады. Оның мәні келесідей: молекуланың электронды қабығы сыртқы магнит өрісіне жауап береді және оны экрандауға тырысады - магнит өрісінің ішінара скринингі барлық диамагниттік заттарда болады. Бұл молекуладағы магнит өрісі сыртқы магнит өрісінен өте аз мөлшерде ерекшеленетінін білдіреді, бұл химиялық ығысу деп аталады. Бірақ молекуланың әртүрлі бөліктеріндегі электронды қабаттың қасиеттері әртүрлі, химиялық ығысу да әртүрлі. Сәйкесінше, молекуланың әртүрлі бөліктеріндегі ядролардың резонанстық жағдайлары да әр түрлі болады. Бұл спектрдегі химиялық эквивалентті емес ядроларды ажыратуға мүмкіндік береді. Мысалы, егер таза судың сутегі ядроларының (протондарының) спектрін алсақ, онда H 2 O молекуласындағы екі протон да бірдей болғандықтан, онда бір ғана сызық болады. Бірақ метил спирті CH 3 OH үшін спектрде екі сызық болады (егер басқа магниттік өзара әрекеттесулер ескерілмесе), өйткені протондардың екі түрі бар - метил тобының протондары CH 3 және оттегі атомымен байланысты протон. Молекулалар күрделене түскен сайын сызықтардың саны артады, ал егер белок ретінде осындай үлкен және күрделі молекуланы алсақ, онда бұл жағдайда спектр келесідей болады:
4. Магниттік өзектер
ЯМР әртүрлі ядроларда байқалуы мүмкін, бірақ барлық ядролардың магниттік моменті бола бермейтінін айту керек. Көбінесе кейбір изотоптардың магниттік моменті бар, ал бір ядроның басқа изотоптарында жоқ. Жалпы алғанда, магниттік ядролары бар әртүрлі химиялық элементтердің жүзден астам изотоптары бар, бірақ әдетте зерттеулерде 1520 магниттік ядродан аспайды, қалғанының бәрі экзотикалық. Әрбір ядроның магнит өрісі мен прецессия жиілігінің гиромагниттік қатынасы деп аталатын өзіне тән қатынасы болады. Барлық ядролар үшін бұл қатынас белгілі. Оларды пайдалана отырып, белгілі бір магнит өрісі үшін зерттеушіге қажетті ядролардан сигнал байқалатын жиілікті таңдауға болады.
ЯМР үшін ең маңызды ядролар протондар болып табылады. Олар табиғатта ең көп таралған және олардың сезімталдығы өте жоғары. Химия және биология үшін көміртегі, азот және оттегінің ядролары өте маңызды, бірақ ғалымдардың олармен жолы болған жоқ: көміртегі мен оттегінің ең көп таралған изотоптары 12 C және 16 O магниттік моментке ие емес, табиғи 14N азот изотопының сәті бар, бірақ ол эксперименттер үшін бірқатар себептер өте ыңғайсыз. ЯМР тәжірибелері үшін қолайлы 13 C, 15 N және 17 O изотоптары бар, бірақ олардың табиғи көптігі өте төмен және протондармен салыстырғанда сезімталдығы өте төмен. Сондықтан ЯМР зерттеулері үшін жиі арнайы изотоптық байытылған үлгілер дайындалады, онда сол немесе басқа ядроның табиғи изотопы эксперименттерге қажеттімен ауыстырылады. Көп жағдайда бұл процедура өте қиын және қымбат, бірақ кейде бұл қажетті ақпаратты алудың жалғыз жолы.
5. Электрондық парамагниттік және төрт полюсті резонанс
ЯМР туралы айтатын болсақ, басқа екі байланысты физикалық құбылысты атап өтуге болмайды - электронды парамагниттік резонанс (ЭПР) және ядролық төрт полюсті резонанс (NQR). EPR мәні бойынша ЯМР-ға ұқсас, айырмашылығы резонанс атом ядроларының емес, атомның электронды қабатының магниттік моментінде байқалатынында. ЭПР электронды қабатында жұпталмаған электрон деп аталатын молекулаларда немесе химиялық топтарда ғана байқалуы мүмкін, онда қабықтың магниттік моменті нөлге тең емес. Мұндай заттарды парамагнетиктер деп атайды. EPR, ЯМР сияқты, молекулалық деңгейде заттардың әртүрлі құрылымдық және динамикалық қасиеттерін зерттеу үшін де қолданылады, бірақ оның қолданылу аясы әлдеқайда тар. Бұл негізінен молекулалардың көпшілігінде, әсіресе тірі табиғатта жұпталмаған электрондардың болмауына байланысты. Кейбір жағдайларда парамагниттік зонд деп аталатын, яғни зерттелетін молекуламен байланысатын жұпталмаған электроны бар химиялық топты қолдануға болады. Бірақ бұл тәсілдің бұл әдіс мүмкіндіктерін шектейтін айқын кемшіліктері бар. Сонымен қатар, EPR-да ЯМР-дегідей жоғары спектрлік рұқсат (яғни спектрдегі бір сызықты екіншісінен ажырату мүмкіндігі) жоқ.
«Саусақтағы» NQR табиғатын түсіндіру өте қиын. Кейбір ядролардың электрлік квадрупольдік моменті бар. Бұл момент ядроның электр зарядының таралуының сфералық симметриядан ауытқуын сипаттайды. Осы моменттің заттың кристалдық құрылымымен жасалған электр өрісінің градиентімен әрекеттесуі ядроның энергетикалық деңгейлерінің бөлінуіне әкеледі. Бұл жағдайда резонансты осы деңгейлер арасындағы ауысуларға сәйкес келетін жиілікте байқауға болады. NMR және EPR айырмашылығы, NQR сыртқы магнит өрісін қажет етпейді, өйткені деңгейдің бөлінуі онсыз жүреді. NQR заттарды зерттеу үшін де қолданылады, бірақ оның қолданылу аясы EPR-ге қарағанда әлдеқайда тар.
6. ЯМР артықшылықтары мен кемшіліктері
ЯМР - молекулаларды зерттеудің ең қуатты және ақпаратты әдісі. Дәлірек айтқанда, бұл бір әдіс емес, эксперименттердің әртүрлі түрлерінің үлкен саны, яғни импульстік тізбектер. Олардың барлығы ЯМР құбылысына негізделгенімен, бұл эксперименттердің әрқайсысы белгілі бір нақты ақпаратты алуға арналған. Бұл тәжірибелердің саны жүздеген болмаса, көптеген ондағандармен өлшенеді. Теориялық тұрғыдан ЯМР, егер бәрі болмаса да, молекулалардың құрылымы мен динамикасын зерттеудің барлық басқа эксперименттік әдістерінің барлығы дерлік мүмкін, бірақ іс жүзінде бұл, әрине, әрқашан мүмкін емес. ЯМР негізгі артықшылықтарының бірі, бір жағынан, оның табиғи зондтары, яғни магниттік ядролар бүкіл молекулаға таралады, ал екінші жағынан, бұл ядроларды бір-бірінен ажыратуға және алуға мүмкіндік береді. молекуланың қасиеттері туралы кеңістіктік таңдамалы деректер. Барлық дерлік басқа әдістер бүкіл молекула бойынша орташа алынған ақпаратты немесе оның бір бөлігі туралы ақпаратты береді.
ЯМР-ның екі негізгі кемшілігі бар. Біріншіден, бұл көптеген басқа эксперименттік әдістермен салыстырғанда төмен сезімталдық (оптикалық спектроскопия, флуоресценция, ЭПР және т.б.). Бұл шуды орташалау үшін сигналды ұзақ уақыт бойы жинақтау керек екеніне әкеледі. Кейбір жағдайларда ЯМР тәжірибесі тіпті бірнеше апта бойы жүргізілуі мүмкін. Екіншіден, бұл оның жоғары құны. ЯМР спектрометрлері ең қымбат ғылыми құралдардың бірі болып табылады, олардың құны кем дегенде жүздеген мың долларды құрайды, ал ең қымбат спектрометрлердің құны бірнеше миллионды құрайды. Барлық зертханалардың, әсіресе Ресейдің мұндай ғылыми құрал-жабдықтар болуы мүмкін емес.
7. ЯМР спектрометрлеріне арналған магниттер
Спектрометрдің ең маңызды және қымбат бөліктерінің бірі тұрақты магнит өрісін тудыратын магнит болып табылады. Өріс неғұрлым күшті болса, сезімталдық пен спектрлік рұқсат соғұрлым жоғары болады, сондықтан ғалымдар мен инженерлер үнемі ең жоғары өрістерді алуға тырысады. Магнит өрісі соленоидтағы электр тогы арқылы жасалады - ток неғұрлым күшті болса, өріс соғұрлым үлкен болады. Дегенмен, токты шексіз арттыру мүмкін емес, өте жоғары ток кезінде электромагниттік сым жай еріп кете бастайды. Сондықтан, жоғары өрісті ЯМР спектрометрлері үшін өте ұзақ уақыт бойы асқын өткізгіш магниттер, яғни соленоид сымы асқын өткізгіш күйде болатын магниттер қолданылды. Бұл жағдайда сымның электр кедергісі нөлге тең, ал токтың кез келген мөлшерінде энергия бөлінбейді. Асқын өткізгіштік күйді өте төмен температурада ғана алуға болады, бар болғаны бірнеше градус Кельвин - бұл сұйық гелийдің температурасы. (Жоғары температуралық асқын өткізгіштік әлі де таза іргелі зерттеулердің көп бөлігі болып табылады.) Дәл осындай төмен температураны сақтау магниттерді жобалау мен өндірудегі барлық техникалық қиындықтарды байланыстырады, бұл олардың жоғары құнын тудырады. Асқын өткізгіш магнит термос матрешка принципіне негізделген. Соленоид орталықта, вакуумдық камерада. Ол сұйық гелийі бар қабықпен қоршалған. Бұл қабық вакуумдық қабат арқылы сұйық азот қабығымен қоршалған. Сұйық азоттың температурасы минус 196 градус Цельсий, гелий мүмкіндігінше баяу булануы үшін азот қажет. Соңында азот қабығы сыртқы вакуумдық қабат арқылы бөлме температурасынан оқшауланады. Мұндай жүйе асқын өткізгіш магниттің қажетті температурасын өте ұзақ уақыт сақтай алады, дегенмен бұл сұйық азот пен гелийді магнитке үнемі құюды қажет етеді. Мұндай магниттердің артықшылығы, жоғары магнит өрістерін алу мүмкіндігінен басқа, олар энергияны тұтынбайды: магнит іске қосылғаннан кейін ток көп жылдар бойы іс жүзінде жоғалтпай асқын өткізгіш сымдар арқылы өтеді.
8. Томография
Кәдімгі ЯМР спектрометрлерінде олар магнит өрісін мүмкіндігінше біркелкі етуге тырысады, бұл спектрлік рұқсатты жақсарту үшін қажет. Бірақ егер үлгі ішіндегі магнит өрісі, керісінше, өте біртекті емес болса, бұл ЯМР қолданудың түбегейлі жаңа мүмкіндіктерін ашады. Өрістің біртекті еместігі негізгі магнитпен жұптастырылған градиенттік катушкалар деп аталады. Бұл жағдайда үлгінің әртүрлі бөліктеріндегі магнит өрісінің шамасы әр түрлі болады, яғни ЯМР сигналын әдеттегі спектрометрдегідей бүкіл үлгіден емес, тек оның тар қабатынан ғана байқауға болады, ол үшін резонанстық шарттар орындалады, яғни магнит өрісі мен жиіліктің қажетті қатынасы. Магнит өрісінің шамасын өзгерту арқылы (немесе сигналды бақылау жиілігі бірдей) сигнал беретін қабатты өзгертуге болады. Осылайша, үлгіні кез келген механикалық жолмен бұзбай, оның бүкіл көлемін «сканерлеуге» және оның ішкі үш өлшемді құрылымын «көруге» болады. Бүгінгі күні үлгідегі кеңістіктік рұқсатпен ЯМР әртүрлі параметрлерін (спектрлік сипаттамалар, магниттік релаксация уақыттары, өздігінен диффузия жылдамдығы және басқалары) өлшеуге мүмкіндік беретін көптеген әдістер әзірленді. Ең қызықты және маңызды, практикалық тұрғыдан, ЯМР-томографияны қолдану медицинада табылды. Бұл жағдайда зерттелетін «үлгі» адам денесі болып табылады. ЯМР визуализациясы – онкологиядан акушерге дейінгі медицинаның әртүрлі салаларындағы ең тиімді және қауіпсіз (бірақ қымбат) диагностикалық құралдардың бірі. Бір қызығы, дәрігерлер бұл әдістің атауында «ядролық» сөзін қолданбайды, өйткені кейбір пациенттер оны ядролық реакциялармен және атом бомбасымен байланыстырады.
9. Ашылу тарихы
ЯМР ашылған жыл 1945 жыл болып саналады, сол кезде Стэнфордтан келген американдықтар Феликс Блох және Гарвардтан келген Эдвард Парселл мен Роберт Паунд протондардағы ЯМР сигналын алғаш рет байқады. Осы уақытқа дейін ядролық магнетизмнің табиғаты туралы көп нәрсе белгілі болды, ЯМР әсерінің өзі теориялық түрде болжанған және оны эксперименталды түрде байқауға бірнеше әрекет жасалды. Бір жыл бұрын Кеңес Одағында Қазан қаласында ЭПР құбылысын Евгений Завойский ашқанын айта кеткен жөн. Завойскийдің де ЯМР сигналын бақылағаны қазір белгілі, бұл соғысқа дейін, 1941 ж. Дегенмен, оның қолында өрістің біркелкілігі нашар сапасыз магнит болды, нәтижелер нашар шығарылды, сондықтан жарияланбады. Әділдік үшін, ЯМР-ны оның «ресми» ашылуына дейін бақылаған жалғыз Завойский емес екенін атап өткен жөн. Атап айтқанда, американдық физик Исидор Раби (1944 жылы атомдық және молекулалық сәулелердегі ядролардың магниттік қасиеттерін зерттегені үшін Нобель сыйлығының лауреаты) 1930 жылдардың соңында ЯМР-ны бақылаған, бірақ оны аспаптық артефакт деп санаған. Қалай болғанда да, біздің ел магниттік резонансты эксперименталды анықтауда басымдық болып қала береді. Завойскийдің өзі соғыстан кейін көп ұзамай басқа мәселелермен айналыса бастағанымен, оның Қазандағы ғылымды дамыту үшін ашқан жаңалығы үлкен рөл атқарды. Қазан әлі күнге дейін ЭПР спектроскопиясы бойынша әлемдегі жетекші ғылыми орталықтардың бірі болып табылады.
10. Магниттік резонанс бойынша Нобель сыйлығы
20-ғасырдың бірінші жартысында бірнеше Нобель сыйлығы ЯМР ашылуы мүмкін болмаған ғалымдарға берілді. Олардың қатарында Питер Симан, Отто Штерн, Исидор Раби, Вольфганг Паули бар. Бірақ NMR-ге тікелей қатысты төрт Нобель сыйлығы болды. 1952 жылы Феликс Блох пен Эдвард Пурселл ЯМР ашқаны үшін сыйлық алды. Бұл физика бойынша жалғыз «NMR» Нобель сыйлығы. 1991 жылы әйгілі ETH Цюрихте жұмыс істеген швейцариялық Ричард Эрнст химия сыйлығын жеңіп алды. Ол ЯМР эксперименттерінің ақпараттық мазмұнын түбегейлі арттыруға мүмкіндік беретін көп өлшемді ЯМР спектроскопия әдістерін жасағаны үшін марапатталды. 2002 жылы химия бойынша да жүлдегер Курт Вютрих болды, ол Эрнстпен бір техникалық мектепте көрші ғимараттарда жұмыс істеді. Ол бұл сыйлықты ерітіндідегі белоктардың үш өлшемді құрылымын анықтау әдістерін жасағаны үшін алды. Бұған дейін үлкен биомакромолекулалардың кеңістіктік конформациясын анықтауға мүмкіндік беретін жалғыз әдіс тек рентгендік дифракциялық талдау болды. Ақырында, 2003 жылы американдық Пол Лаутербур мен ағылшын Питер Мэнсфилд ЯМР суретін ойлап тапқаны үшін медициналық сыйлықты алды. Кеңестік ЭПР ашушысы Е.К.Завойский, өкінішке орай, Нобель сыйлығын алған жоқ.
ЯМР құбылысының мәнін келесідей көрсетуге болады. Егер магниттік моменті бар ядро z осі бойымен бағытталған біркелкі 0 өріске орналастырылса, онда оның энергиясы (өріс жоқ кездегі энергияға қатысты) -mzH0 тең болады, мұндағы mz - ядроның проекциясы. өріс бағытына магниттік момент.
Жоғарыда айтылғандай, ядро 2I + 1 күйде болуы мүмкін. Сыртқы өріс 0 болмаған жағдайда бұл күйлердің барлығы бірдей энергияға ие болады. Егер магниттік момент компонентінің ең үлкен өлшенетін мәнін m деп белгілесек, онда магниттік момент компонентінің барлық өлшенетін мәндері (бұл жағдайда mz) мм түрінде көрсетіледі, мұндағы m - кванттық сан, ол белгілі , мәндерін қабылдай алады
m=I,I–1,I–2,…,-(I+1),-I.
2I + 1 күйлерінің әрқайсысына сәйкес келетін энергия деңгейлерінің арасындағы қашықтық mH0 / I-ге тең болғандықтан, I спинді ядроның дискретті энергия деңгейлері болады:
MH0,-(I–1)/ImH0,…(I–1)/ImH0,mH0.
Магниттік өрістегі энергия деңгейлерінің бөлінуін ядролық Зееманның бөлінуі деп атауға болады, өйткені ол магнит өрісіндегі электрондық деңгейлердің бөлінуіне ұқсас (Земан эффектісі). I = 1 (үш энергия деңгейі бар) жүйе үшін Зееманның бөлінуі.
ЯМР құбылысы ядролардың магнетизміне байланысты электромагниттік энергияның резонанстық жұтылуынан тұрады. Бұл құбылыстың айқын атауын білдіреді: ядролық - біз ядролар жүйесі туралы айтып отырмыз, магниттік - тек олардың магниттік қасиеттерін білдіреді, резонанс - құбылыстың өзі табиғатта резонанстық. Шынында да, Бор жиілік ережелерінен көрші деңгейлер арасындағы ауысуды тудыратын электромагниттік өрістің n жиілігі мына формуламен анықталады:
hν=μH0/I немесе ν=μH0/hI.
Бұрыштық импульс (бұрыштық импульс) мен магниттік импульстің векторлары параллель болғандықтан, ядролардың магниттік қасиеттерін қатынаспен анықталатын g мәнімен сипаттау жиі қолайлы.
мұндағы γ – радиан*оэрст-1*секунд-1 (rad*Oe-1*s-1) өлшемі бар гиромагниттік қатынас. Осыны ескере отырып, біз табамыз
ν=γ0/2π. (3.2)
Осылайша, жиілік қолданылатын өріске пропорционал.
Егер әдеттегі мысал ретінде 2,6753*104 рад/(E*s) және H0 = 10000 Oe тең протон үшін $\гамма$ мәнін алсақ, онда резонанстық жиілік.
ν=42,577 (МГц)
Мұндай жиілікті әдеттегі радиотехникамен жасауға болады.
ЯМР спектроскопиясы оны басқа аналитикалық әдістерден ерекшелендіретін бірқатар белгілермен сипатталады. Белгілі изотоптардың ядроларының жартысына жуығы ($\sim$150) магниттік моменттерге ие, бірақ олардың аз ғана бөлігі жүйелі түрде қолданылады.
Импульстік спектрометрлер пайда болғанға дейін зерттеулердің көпшілігі сутегі ядроларында (протондар) 1Н (протондық магниттік резонанс - PMR) және фтор 19F бойынша ЯМР құбылысын қолдану арқылы жүргізілді. Бұл ядролардың ЯМР спектроскопиясы үшін тамаша қасиеттері бар:
«магниттік» изотоптың жоғары табиғи құрамы (1Н 99,98%, 19F 100%); салыстыру үшін «магниттік» көміртегі 13С изотопының табиғи құрамы 1,1% екенін атап өтуге болады; үлкен магниттік момент; айналдыру I = 1/2.
Бұл, ең алдымен, жоғарыда аталған ядролардан келетін сигналдарды анықтаудағы әдістің жоғары сезімталдығын анықтайды. Сонымен қатар, теориялық тұрғыдан қатаң негізделген ереже бар, оған сәйкес спині бірлікке тең немесе одан үлкен ядролар ғана электрлік төртполюсті моментке ие болады. Демек, 1H және 19F ЯМР тәжірибелері ядроның ядролық квадрупольдік моментінің электрлік ортамен әрекеттесуімен қиындамайды.
Күнделікті тәжірибеге импульстік ЯМР спектрометрлерін енгізу спектроскопияның осы түрінің тәжірибелік мүмкіндіктерін айтарлықтай кеңейтті. Атап айтқанда, ерітінділердің 13С ЯМР спектрлерін жазу - химия үшін ең маңызды изотоп - қазір шын мәнінде таныс процедура. ЯМР сигналдарының интенсивтілігі 1Н сигналдарының қарқындылығынан, оның ішінде қатты фазадағыдан бірнеше есе төмен ядролардан сигналдарды анықтау да әдеттегі құбылысқа айналды.
Ажыратымдылығы жоғары ЯМР спектрлері әдетте әртүрлі химиялық ортадағы магниттік ядроларға сәйкес келетін тар, жақсы шешілген сызықтардан (сигналдардан) тұрады. Спектрлерді жазу кезіндегі сигналдардың қарқындылығы (аудандары) әрбір топтағы магниттік ядролардың санына пропорционалды, бұл алдын ала калибрлеусіз ЯМР спектрлерін пайдалана отырып, сандық талдау жүргізуге мүмкіндік береді.
ЯМР тағы бір ерекшелігі резонанстық сигналдардың орналасуы мен еніне резонанстық ядролар қатысатын алмасу процестерінің әсері болып табылады. Осылайша, ЯМР спектрлері мұндай процестердің табиғатын зерттеу үшін пайдаланылуы мүмкін. Сұйық спектрлердегі ЯМР сызықтары әдетте 0,1 - 1 Гц (жоғары ажыратымдылықтағы ЯМР) ені бар, ал қатты фазада зерттелетін бірдей ядролар ені 1 * 104 Гц ретті сызықтарды береді (осыдан тұжырымдама ЯМР кең сызықтары).
Жоғары ажыратымдылықтағы ЯМР спектроскопиясында молекулалардың құрылымы мен динамикасы туралы ақпараттың екі негізгі көзі бар:
химиялық ығысу; спин-спин әрекеттесу тұрақтылары.
Нақты жағдайларда ЯМР сигналдары анықталған резонанстық ядролар атомдардың немесе молекулалардың құрамдас бөлігі болып табылады. Зерттелетін заттарды магнит өрісіне (0) орналастырғанда, электрондардың орбиталық қозғалысына байланысты атомдардың (молекулалардың) диамагниттік моменті пайда болады. Электрондардың бұл қозғалысы тиімді токтарды құрайды және, демек, Ленц заңына сәйкес 0 өрісіне пропорционал және қарама-қарсы бағытталған екінші реттік магнит өрісін жасайды. Бұл екінші өріс ядроға әсер етеді. Сонымен, резонанстық ядро орналасқан жердегі жергілікті өріс, lok=0 (3.3)
мұндағы σ өлшемсіз тұрақты скринингтік константа деп аталады және 0-ге тәуелді емес, химиялық (электрондық) ортаға қатты тәуелді; ол 0-мен салыстырғанда локтың төмендеуін сипаттайды.
$\sigma$ мәні протон үшін 10-5 ретті мәннен ауыр ядролар үшін 10-2 реттік мәндерге дейін өзгереді. Лок өрнегін ескере отырып, бізде: ν=γΗ0(1−σ)/2π (3.4)
Скрининг әсері ядролық магниттік энергия деңгейлерінің арасындағы қашықтықты азайту болып табылады, немесе басқаша айтқанда, Зееман деңгейлерінің жақындауына әкеледі. Бұл жағдайда деңгейлер арасындағы ауысуды тудыратын энергия кванттары кішірейеді және, тиісінше, резонанс төменгі жиіліктерде орнайды ((3.4) өрнекті қараңыз). Егер тәжірибе резонанс пайда болғанша 0 өрісін өзгерту арқылы жүргізілсе, онда қолданылған өрістің күші өзек экрандалмаған жағдаймен салыстырғанда үлкен мәнге ие болуы керек.
Электрондық экрандаудың ядроның Зееман деңгейлеріне әсері: а - экрандалмаған, б - экрандалған.
ЯМР спектрометрлерінің басым көпшілігінде өріс солдан оңға қарай өзгерген кезде спектрлер жазылады, сондықтан барынша қорғалған ядролардың сигналдары (төбелері) спектрдің оң жағында болуы керек.
Скринингтік константалардың айырмашылығына байланысты химиялық ортаға байланысты сигналдың ығысуын химиялық ығысу деп атайды.
Алғаш рет 1950-1951 жылдары бірнеше басылымдарда химиялық ығысудың ашылуы туралы хабарламалар пайда болды. Олардың ішінде бір молекуладағы бірдей 1Н ядроларының химиялық әртүрлі позицияларына сәйкес келетін жеке сызықтармен бірінші спектрді алған Арнольдтың жұмысын ерекше атап өту керек.
Бұл молекулада протонның үш түрі бар: метил тобының үш протоны СН3-, метилен тобының екі протоны -CH2- және гидроксил тобының бір протоны -OH. Протонның үш түріне үш бөлек сигнал сәйкес келетінін көруге болады. Сигналдардың қарқындылығы 3: 2: 1 қатынасында болғандықтан, спектрді декодтау (сигналдарды тағайындау) қиын емес.
Химиялық ығысуларды абсолютті шкала бойынша, яғни оның барлық электрондары жоқ ядроға қатысты өлшеуге болмайтындықтан, шартты нөл ретінде анықтамалық қосылыс сигналы қолданылады. Әдетте, кез келген ядролар үшін химиялық ығысу мәндері төмендегідей анықталған өлшемсіз δ параметрі ретінде беріледі:
δ=(H−Het)/Het*106, (3,6)
мұндағы (H - Nat) - сынақ үлгісі мен сілтеме үшін химиялық ығысулар арасындағы айырмашылық, Nat - қолданылатын өріспен (H0) эталондық сигналдың абсолютті жағдайы.
Нақты эксперименттік жағдайларда жиілікті өріске қарағанда дәлірек өлшеуге болады, сондықтан әдетте $\delta$ өрнектен табылады:
δ=(ν−νet)/ν0*106, (3,7)
мұндағы (ν – νet) – жиілік бірліктерімен (Гц) көрсетілген үлгі мен эталон үшін химиялық ығысулар арасындағы айырмашылық; ЯМР спектрлері әдетте осы қондырғыларда калибрленеді.
Сіз ν0 емес - спектрометрдің жұмыс жиілігін (ол әдетте бекітілген), бірақ νet жиілігін, яғни стандарттың резонанстық сигналы байқалатын абсолютті жиілікті пайдалануыңыз керек. Алайда, мұндай ауыстырудың қателігі өте аз, өйткені ν0 және νet дерлік тең (айырмашылық 10-5, яғни протон үшін σ мәні бойынша). Әртүрлі ЯМР спектрометрлері ν0 әр түрлі жиілікте (және, демек, H0 әртүрлі өрістерінде) жұмыс істейтіндіктен, δ өлшемсіз бірліктермен көрсетілуі керек екені анық.
Химиялық ығысу бірлігі өріс кернеулігінің немесе резонанстық жиіліктің миллионнан бір бөлігін құрайды. Айналдыру әрекеті.
1951-1953 жылдары бірқатар сұйықтықтардың ЯМР спектрлерін тіркеген кезде кейбір заттардың спектрлерінде эквивалентсіз ядролар санын қарапайым бағалаудан гөрі көбірек сызықтар бар екені анықталды. Алғашқы мысалдардың бірі - POCl2F молекуласындағы фтордың резонансы. 19F спектрі бірдей қарқындылықтағы екі сызықтан тұрады, дегенмен молекулада тек бір фтор атомы бар. Басқа қосылыстардың молекулалары симметриялы мультиплеттік сигналдар берді (триплет, квартет және т.б.).
Бұл өзара әрекеттестік электронды орта арқылы жанама байланыс механизміне байланысты. Ядролық спин берілген ядроны қоршап тұрған электрондардың спиндерін бағдарлауға бейім. Олар, өз кезегінде, басқа электрондардың спиндерін және олар арқылы - басқа ядролардың спиндерін бағдарлайды. Спин-спин әрекеттесуінің энергиясы әдетте герцпен көрсетіледі (яғни Планк тұрақтысы E=hν екендігіне негізделген энергия бірлігі ретінде алынады). Оны салыстырмалы бірліктермен өрнектеудің қажеті жоқ екені анық (химиялық ығысудан айырмашылығы), өйткені талқыланған өзара әрекеттесу, жоғарыда айтылғандай, сыртқы өрістің күшіне тәуелді емес. Өзара әрекеттесу шамасын сәйкес мультиплеттің құрамдас бөліктері арасындағы қашықтықты өлшеу арқылы анықтауға болады.
Кездесуге болатын спин-спиндік қосылыс салдарынан бөлінудің ең қарапайым мысалы А және X магниттік ядроларының екі түрі бар молекуланың резонанстық спектрі болып табылады. A және X ядролары әртүрлі ядролар немесе бір изотоптың ядролары болуы мүмкін (үшін мысалы, 1H ) олардың резонанстық сигналдары арасындағы химиялық ығысу үлкен болғанда.
Айналдыру эхо әдістері.
Тәжірибелерде 0 біркелкі магнит өрісіндегі үлгіге жоғары жиілікті өріс 1 үздіксіз әсер еткенде, екі қарама-қарсы тенденция өзара компенсацияланатын стационарлық күйге жетеді. Бір жағынан, жоғары жиілікті өрістің 1 әсерінен Зееман деңгейлерінің жұмыс сандары теңестіруге бейім, бұл жүйенің магнитсізденуіне әкеледі, ал екінші жағынан, жылулық қозғалыс мұны болдырмайды және Больцманның таралуын қалпына келтіреді. .
Жоғары жиілікті өріс 1 қысқа уақытқа қосылғанда мүлдем басқа тұрақсыз процестер байқалады. Мұндай тәжірибелерді практикалық түрде жүзеге асыру мүмкін, өйткені электронды жабдықтың уақыт параметрлері Лармор прецессиясының T2 ыдырау уақытымен салыстырғанда аз.
Алғаш рет жүйенің жоғары жиілікті өрістің импульстарына реакциясын Хан 1950 жылы спин жаңғырығы құбылысын ашқан кезде бақылаған. Бұл жаңалық импульстік ЯМР техникасының дамуының басталуын белгіледі.
Резонанстық жиілікте айналатын 1 өрістің әрекеті магниттелудің бастапқы тепе-теңдік бағытынан 0 өрісіне параллельді ауытқуына дейін азаяды. Егер өріс тек қысқа уақыт аралығында қосылып, содан кейін қайта өшірілсе, онда магниттелу векторының ауытқу бұрышы импульс ұзақтығына байланысты болады. 1-өріс қосылғаннан кейін магниттелу векторы релаксацияға байланысты немесе басқа себептерге байланысты 0 өрісіне перпендикуляр құрамдас бөліктері жойылғанша 0 өрісінің айналасында прецесс жасайды. 1-жоғары жиілікті өрісті өшіргеннен кейін байқалатын индуктивті сигнал бірінші рет Блох қарастырған еркін прецессияның демпфері болып табылады.
Егер 1 өрістің күші жоғары болса және импульстің ұзақтығы tw импульс кезінде релаксация процестерін елемеуге болатындай қысқа болса, онда 1 өрістің әрекеті магниттелу векторының g1tw (g1) бұрышына айналуына дейін азаяды. 1 өріс векторды z осінен ауытқытатын бұрыштық жылдамдық ). Егер 1 және tw мәндері g1tw=1/2p, (3.8) болатындай таңдалса, айналудан кейінгі вектор xy жазықтығында болады. Мұндай импульстар 900 айналым импульсі (немесе 900-ші импульс) деп аталады. g1tw=p болатын импульстар 1800 айналым импульсі (1800-ші импульс) деп аталады.
Магниттелу векторына соңғы импульстердің әрекеті оның бастапқы бағытының керісінше өзгеруіне әкеледі. 900-ші импульстардың әсерін 1-өріс жиілігіне тең бұрыштық жылдамдықпен айналатын координаттар жүйесінде қарастыру арқылы жақсырақ түсінуге болады. Егер импульс ұзақтығы қысқа болса, түпкілікті нәтиже импульстің шамасына аз тәуелді болады. өрістің 1 жиілігінің резонанстық мәннен ауытқуы, онда мұндай жүйе координаттарында импульстік әрекет аяқталғаннан кейін бірден магниттелу векторы M v осі бойымен бағытталатын болады.
Егер тұрақты өріс 0 толығымен біркелкі болса, онда импульс аяқталғаннан кейін магниттелу векторының әрекеті тек релаксация процестерімен анықталады. Демек, 0 өрісіне перпендикуляр жазықтықта орналасқан магниттелу векторының компоненті осы бағытта Лармор жиілігімен айналады, ал оның амплитудасы exp(-t/T2) заңы бойынша нөлге ұмтылады.
Н0 магнит өрісінің біртекті еместігін елемеуге болмайтын жағдайда әлсіреу тезірек жүреді. Бұл құбылысты вектордың орнын көрсететін диаграммалар тізбегі арқылы көруге болады
демпферлік процестің белгілі бір сәттерінде үлгінің әртүрлі бөліктеріндегі магниттелу. Үлгі бірнеше аймаққа бөлінген және әрбір аймақтың шегінде магнит өрісі біркелкі, ал магниттелу өзінің i векторымен сипатталады деп алайық. Магнит өрісінің біртекті еместігі 0 болуы нәтижесінде пайда болған магниттелу векторының белгілі бір Лармор жиілігі w0 прецессиясының орнына, белгілі бір заң бойынша таралған жиіліктері бар магниттелу векторларының жиынының прецессиясы болатынына әкеледі.
Н0 өрісінің кейбір орташа мәніне сәйкес келетін Лармор прецессиясының орташа жылдамдығына тең бұрыштық жылдамдықпен айналатын координаталар жүйесіндегі осы векторлардың қозғалысын қарастырайық. i векторлары спиндік изохроматтар деп аталады.
Алайда, олар әр түрлі прецессия қарқыны бар екеніне байланысты, бері әр түрлі өріс мәндері 0 болатын үлгі аймақтарында болса, олардың кейбіреулері координаталар жүйесіне қарағанда жылдамырақ айналады, ал кейбіреулері баяу айналады. Демек, белгілі бір орташа бұрыштық жылдамдықпен айналатын координаттар жүйесінде спин изохроматтары «желдеткішке» шашырап кетеді. Өйткені индукциялық жүйенің қабылдау катушкасы осы моменттердің векторлық қосындысына ғана жауап береді, содан кейін сигналдың әлсіреуі байқалады.
Хан біріншіден кейін τ уақыт интервалынан кейінгі екінші импульс жүйесіне әсер ету 2τ тең уақыт интервалынан кейін жаңғырық сигналының пайда болуына әкелетінін анықтады. Эхосигнал 2τ шегінде еркін прецессиялық сигнал толығымен әлсіреген кезде де байқалады.
1. Бастапқыда жүйе жылулық тепе-теңдікте болады және барлық магниттелу векторлары тұрақты 0 өрісіне параллель.
2. Айналмалы координаталар жүйесінің x΄ осі бойымен бағытталған жоғары жиілікті өрістің әсерінен бірінші импульс кезінде магниттелу векторлары z осінің бағытынан y΄ осінің бағытына ауытқиды.
3. 900-ші импульс аяқталғаннан кейін барлық магниттелу векторлары экваторлық жазықтықта y΄ осінің бағыты бойынша орналасады (векторлық көбейтінді бұл жағдайда z΄x΄ жазықтығына перпендикуляр вектор болып табылады). Егер импульс ұзақтығы tω жеткілікті аз болса, онда 0 өрісінің біртексіздігімен байланысты магниттелу векторларының «желдеткішке» релаксациясы немесе шашырауы байқалмайды.
4. H1 жоғары жиілікті өрісті қосқаннан кейін бірден еркін прецессия ыдырайды, бұл спиндік изохроматтардың x΄y΄ жазықтығында орналасқан «желдеткішке» шашырауына әкеледі.
5. τ уақыт интервалынан кейін жүйеге ұзақтығы 2tω болатын 1800-ші импульс әсер етеді. Осы импульстің нәтижесінде i векторларының бүкіл жүйесі x΄ осінің айналасында 1800-ге айналады.
6. Екінші импульстің соңында айналмалы координаталар жүйесіндегі магниттелу векторларының әрқайсысы бір бағытта қозғала береді. Алайда, қазір, 1800-ге қарай бұрылғаннан кейін, бұл қозғалыс шашырауға емес, векторлардың «желдеткішінің» бүктелуіне әкеледі.
7. Бірінші импульс басталғаннан кейін 2τ уақыт интервалынан кейін x΄y΄ жазықтықта орналасқан барлық магниттелу векторларының бағыты бірдей болады және y΄ осінің теріс бағытында күшті нәтижелі магниттік момент жасайды. Бұл жаңғырық деп аталатын сигналдың қабылдау катушкасындағы пикапқа әкеледі.
8. Эхосигнал пайда болғаннан кейін магниттелу векторлары қайтадан «желдеткішке» шашырап, еркін прецессияның кәдімгі демпфирлігі байқалады. Эхосигналдың ыдырауы (2τ уақыттан бастап) бірінші 900-ші импульстен кейінгі бос индукциялық сигналдың ыдырауымен нысаны бойынша сәйкес келеді. 1800-ші импульстен кейін бірден бос индукция сигналы болмайды.
Эхосигналдың пішіні, сондай-ақ бос прецессиялық демпферлік сигналдың пішіні магниттелу векторының «желдеткішке» таралуына бағынатын уақыт заңына байланысты. Егер магнит өрісі біркелкі болмаса, онда когеренттілік тез жоғалады және жаңғырық тар болады; оның ені ретті (γΔΗ0)-1. Осылайша, айналдыру эхо механизмі стационарлық магнит өрісінің біртекті еместігінің әдеттегі жағымсыз әсерін жояды.
Молекулалар үлгінің бірдей бөліктерінде ұзақ уақыт қалса, онда жаңғырық сигналының амплитудасы тек релаксация процестерімен анықталады және сондықтан exp(-2τ/T2) пропорционал болады. Дегенмен, сұйықтар мен газдардағы диффузиялық процестерді әрдайым елемеуге болмайды. Сондықтан біртекті емес магнит өрісіндегі молекулалардың қозғалысына байланысты кейбір магниттелу векторларының «желдеткішіне» дисперсия жылдамдығы өзгереді.
Нәтижесінде үйлесімділіктің кейбір қосымша жоғалуы орын алады. Бұл жағдайда жаңғырық сигналының амплитудасы τ-ге келесідей тәуелді болады:
exp[–2τ/T2 –k(2τ)3/3]. (3.9)
900 және 1800 импульс тізбегі үшін алынған жаңғырықтар үшін
k=1/4γ2GD , (3.10)
мұндағы D – диффузия тұрақтысы;
G – магнит өрісінің градиентінің орташа мәні (dH0/dt)av.
Шарт орындалса
12/γ2G2D<< T32, (3.11)
онда спин жаңғырық сигналдарының әлсіреуінде негізгі рөлді релаксация процестерінен гөрі диффузиялық процестер атқаратын болады. Ұқсас құбылыстар тек 900 және 1800 импульс тізбегі үшін ғана емес, кез келген басқа импульстар үшін де байқалады. Егер 900-ші импульстар тізбегі қолданылса, онда екінші импульстен кейін 900-ші және 1800-ші импульстар тізбегін пайдаланған кезде болмайтын еркін прецессияның ыдырау сигналы болады. Өйткені τ уақыттан кейін спин-торлы релаксация механизмінің әсерінен z осі бойымен бағытталған магниттік момент ішінара қалпына келеді. Бұл процесті келесі функциямен сипаттауға болады:
f=1 – exp (–τ/T1). (3.12)
Нәтижесінде екінші 900-ші импульстің әсері амплитудасы бірінші сигналдың амплитудасынан f есе аз болатын еркін прецессиялық ыдырау сигналына әкеледі. Екінші импульс 1800-ші импульс болған жағдайда, бұл қалпына келтіретін магниттік момент z осінің теріс бағытына бағытталады, демек, оның xy жазықтығындағы проекциясы нөлге тең болады.
Айналдыру эхо эксперименттерін импульстардың үлкен санымен жүргізуге болады. Жалпы есептеу әдістері бар. Кез келген импульстік пойызға жарамды.
Егер үлгіде әртүрлі резонанстық жиіліктегі ядролар болса және олардың арасында спиндік әсерлесу орын алса, онда спиндік эхо үлгісі күрделене түседі. Бұл жағдайда спин жаңғырық сигналының амплитудасының әлсіреуінің импульстар арасындағы интервалға тәуелділігі τ (3.9) заңына бағынбайды, сонымен қатар уақыт бойынша тербелетін кейбір терминдерді қамтиды. Енді екінші импульстің айнымалы кернеуінің фазасын айналмалы координат жүйесінде 1 өріс бірінші импульс жағдайындағыдай +x΄ осі бойымен қайтадан бағытталатындай етіп басқаруға болатынына тоқталайық. Өйткені, когерентті деп аталатын жабдықта тұрақты жиілік генераторы стационарлық айнымалы кернеуді шығарады, ол қуат күшейткішіне кілт тізбегі арқылы түседі.
Кілт тізбегі РЖ сигналынан өтеді (1 өріс) және ол осы тізбектер строб импульсі арқылы ашылған уақыт кезеңінде ғана күшейтіледі. Осылайша, күшейткіштің шығысындағы қуатты РЖ импульстері қақпа импульстерімен уақыт бойынша сәйкес келеді. Күшейткіштің шығыс кернеуі үлгі катушкасына қолданылады, онда РЖ өрісі құрылады 1. Генератор жиілігі ω резонансқа дәл реттелген болса, яғни. ω=ω0, онда бұл өрістің фазасы ω0 жиілігімен айналатын координаталар жүйесінде әрқашан бірдей болады.
ЯМР спектрометрлері.
ЯМР спектрометрінде келесі негізгі элементтер болуы керек:
1) ядролық спинді полярлайтын 0 магнит өрісін тудыратын магнит - жүйе;
2) зондтау өрісін жасайтын таратқыш 1;
3) 0 және 1 әсерінен үлгіде ЯМР сигналы пайда болатын сенсор;
4) осы сигналды күшейтетін қабылдағыш;
5) жазу жүйесі (магнитофон, магнитті жазу, осциллограф және т.б.);
6) ақпаратты өңдеу құрылғылары (интегратор, көп арналы спектр аккумуляторы);
7) резонанстық жағдайларды тұрақтандыру жүйесі;
8) үлгі температурасын бақылау жүйесі;
9) қос резонанстар үшін 2 өрісті жасайтын таратқыш;
10) ЯМР тіркеуге арналған бағдарламалау жүйесі: спин-спектрометр үшін – спектрді іске асыру санына қажетті қажетті жылдамдықпен берілген аралықта 0 өрісін немесе n0 жиілігін сыпырып алу; импульстік спектрометрлер үшін – зондтау импульстерінің санын, амплитудасын және ұзақтығын, әрбір нүктенің бақылау уақытын және интерферрограмма нүктелерінің санын, интерферрограмманың қайталану уақытын, интерферрограмманың жинақталу циклдарының санын таңдау;
11) магнит өрісін түзету жүйелері. Бұл схемалық санау қазіргі ЯМР спектрометрінің күрделі өлшеу жүйесі екенін көрсетеді.
ЯМР мақсаты бойынша – спектрометрлер ажыратымдылығы жоғары және төмен құрылғылар болып бөлінеді. Мұндағы шекара шартты болып табылады және жиі жоғары және төмен ажыратымдылықтағы ЯМР спектрометрлерінің сипаттамалары бір әмбебап құралға біріктіріледі. Ажыратымдылығы төмен әдеттегі құралда шамамен 10-6 сағат салыстырмалы ажыратымдылықты қамтамасыз ететін магнит болуы керек
Жоғары сезімталдықты қамтамасыз ету үшін сигналды бақылаудың модуляциялық әдісі қолданылады: өріс 0 (жиілік n0) синусоидалы заң бойынша модуляцияланады; nm жиілігі және Am амплитудасы осындай модуляция арқылы енгізілген сигналдың сезімталдықты және бұрмалануларын оңтайландыруды қарастырудан таңдалады. Кристаллдардағы спин-торлы релаксация уақыты T1 бірнеше сағатқа жетуі мүмкін болғандықтан, ажыратымдылығы төмен спектрометр сигналдың қанығуын болдырмау үшін 1 радиожиілік өрісінің өте төмен деңгейлерінде ЯМР анықтай алуы керек. Модуляция әдісінің сезімталдығы Am/d қатынасына байланысты және әлсіз сигналдар үшін бұл қатынас бірлікпен салыстырылатын етіп таңдалуы керек. Бірақ содан кейін сигналдарды өңдеу кезінде ескеру қажет күшті модуляцияның кеңеюі бар. ЯМР сызығы кең және тар құрамдас бөліктерге ие болса, қиындықтар одан да артады - бір жазбамен бұл компоненттердің қарқындылығының арақатынасын дұрыс жеткізу мүмкін емес.
Жақында қатты денелердегі кең ЯМР сызықтарын анықтаудың импульстік әдістері барған сайын танымал бола бастады, бірақ бұл жерде олардың өзіндік қиындықтары туындайды. Спиндік жүйедегі барлық ауысуларды бірдей қоздыру үшін ұзақтығы t және £ 1 мкс өте қысқа импульстарды қолдану қажет; бұл қуатты РЖ көздерін қажет етеді. Сонымен қатар, кең сызықтар үшін айналдыру жүйесінің уақыттық реакциясы (T2 ~ 10 мкс) өте тез ыдырайды; бірнеше микросекундтарда көрсеткіштердің жеткілікті санын алу үшін бір арнаға шамамен 0,1 мкс жылдамдықпен аналогты-цифрлық түрлендіргіш қажет.
Үлкен қиындықтар сенсордағы тізбектің шырылдауына және қуатты импульстен кейін қабылдағыштың шамадан тыс жүктелуіне байланысты туындайды. Импульстік технологияның артықшылығы мынада: бір тәжірибеде үлгідегі ядролық магнетизмнің барлық параметрлерін – моменттерді, сызық пішінін және релаксация уақыттарын анықтауға болады. Фурье теоремасы бойынша үлкен жиіліктер кіші уақытқа сәйкес келеді. Сондықтан импульс аяқталғаннан кейін елеусіз қысқа уақытта болатын құбылыстарды талдау үшін импульстік әдістер әзірленуде. Олар ЯМР сызығының ең жоғары моменттерін анықтау дәлдігін n=14-ке дейін арттырады.
Импульстік тарылтуды жүзеге асыру үшін (қатты күйде жоғары ажыратымдылық) таратқыш импульстік арналардың саны кемінде төрт болуы керек. Күшті импульстар дәл мастер осциллятор арқылы жасалған тербелістерді күшейту режимінде қалыптасады. Оның жұмыс істеу ұзақтығы жиілікті реттеудің қажетті дәлдігін және импульстердің радиожиілік толтыру фазасын жүзеге асыру үшін жеткілікті үлкен болуы керек. Сонымен қатар, спектрометрдің когеренттігі сезімталдықты жақсарту үшін жоғары жиілікті синхронды анықтауға мүмкіндік береді.
Синхронды анықтаумен қатар көп арналы сақтау құрылғыларының көмегімен сигналды жинақтау өте кең қолданылады. ЯМР – спектрометрлердің тұрақтылығы әрбір спектрлік интервалдың Dn сақтау жады арнасының санына ұзақ мерзімді бір мәнді сәйкестігін қамтамасыз етеді.
Резонанстық жағдайларды табу әдісі бойынша ажыратымдылығы жоғары спектрометрлер стационарлық және импульстік спектрометрлер болып бөлінеді. Қозғалмайтын спектрометрлерде резонанс параметрлердің біреуін (n немесе 0) өзгертіп, екіншісін бекітіп, өзгертеді. Тұрақты сыртқы өрісі 0 болатын импульстік спектрометрлерде үлгі ұзақтығы t және жиілігі n болатын қысқа жоғары жиілікті импульспен сәулеленеді, яғни. жиілік спектрі, оның негізгі қуаты n±1/t жолағында. Бұл жолақта барлық сәйкес ЯМР өтулері қозып, жауап береді – бос индукцияның ыдырауы туралы сигнал. Бұл сигналдың Фурье түрлендіруі әдеттегі ЯМР спектрін береді.
Стационарлық режимде жұмыс істейтін спектрометрлер келесі негізгі блоктардан тұрады:
Өте біркелкі өрісті жасайтын магнит;
Сынақ үлгісі мен қабылдау катушкасы бар сигнал сенсоры;
Белгілі бір заң бойынша негізгі магнит өрісін шағын диапазонда өзгертуге мүмкіндік беретін сканер;
метр диапазонында жұмыс істейтін РЖ генераторы;
РЖ қабылдағыш және күшейткіш;
Спектрлерді бақылауға және жазуға арналған осциллограф және тіркеу потенциометрі.
Үлгінің жеткілікті жылдам айналуы магнит өрісінің 0 градиенттерінің әсерінен тиімді құтылуға мүмкіндік береді. Бұл жағдай 0-нің пайдаланылған мәндерінің үздіксіз өсуіне байланысты өлшенген салыстырмалы рұқсаттың қол жеткізілгеніне әкеледі. өйткені DH/0 қатынасы, мұндағы DH – магнит өрісінің байқалатын біртекті еместігі, 10-9 – 10-10 аралығында болады. Ені сұйықтықтағы релаксация уақытының ұзақтығымен (10-20 с) анықталатын герцтің ондық және жүздік бөліктерімен өлшенетін сызықтар айтарлықтай қиындыққа әкеледі. Сондықтан спектрді бір рет жүзеге асыру үшін бірнеше сағат қажет болуы мүмкін. Бұл резонанстық жағдайларды тұрақтандыру жүйесіне өте жоғары талаптарды қояды, ол әдетте ЯМР көмегімен жүзеге асырылады (қосымша үлгі үшін – сыртқы тұрақтандыру немесе зерттелетін үлгінің бір сызығы үшін – ішкі тұрақтандыру). Ең табысты нәтижелер ішкі және сыртқы тұрақтандырудың үйлесімі арқылы алынады.
ЯМР спектроскопиясы
Ядролық магниттік-резонансты спектроскопия, ЯМР спектроскопиясы- ядролық магниттік резонанс құбылысын қолдана отырып, химиялық объектілерді зерттеудің спектроскопиялық әдісі. Химия және практикалық қолдану үшін ең маңыздысы протонды магниттік-резонансты спектроскопия (PMR спектроскопиясы), сондай-ақ көміртегі-13 ЯМР спектроскопиясы (13 C ЯМР спектроскопиясы), фтор-19 (инфрақызыл спектроскопия, ЯМР химиялық заттардың молекулалық құрылымы туралы ақпаратты ашады. , ол үлгідегі динамикалық процестерді зерттеуге - химиялық реакциялардың жылдамдық константаларын, молекулаішілік айналудың энергетикалық кедергілерінің мәнін анықтауға мүмкіндік беретін IS-ге қарағанда толық ақпаратты береді. Бұл мүмкіндіктер ЯМР спектроскопиясын теориялық органикалық химияда да ыңғайлы құрал етеді. және биологиялық объектілерді талдау үшін.
Негізгі ЯМР техникасы
ЯМР үшін зат үлгісі жұқа қабырғалы шыны түтікке (ампулаға) салынады. Магниттік өріске орналастырылған кезде ЯМР белсенді ядролары (мысалы, 1 H немесе 13 C) электромагниттік энергияны сіңіреді. Шығарылатын сигналдың резонанстық жиілігі, жұту энергиясы және қарқындылығы магнит өрісінің күшіне пропорционал. Осылайша, 21 Tesla өрісінде протон 900 МГц жиілікте резонанс жасайды.
химиялық ығысу
Жергілікті электронды ортаға байланысты молекуладағы әртүрлі протондар сәл өзгеше жиілікте резонанс жасайды. Бұл жиілік ығысуы да, негізгі резонанстық жиілік те магнит өрісінің күшіне тура пропорционал болғандықтан, бұл ығысу химиялық ығысу деп аталатын магнит өрісінен тәуелсіз өлшемсіз шамаға айналады. Химиялық ығысу кейбір анықтамалық үлгілерге қатысты салыстырмалы өзгеріс ретінде анықталады. Жиілік ығысу негізгі ЯМР жиілігімен салыстырғанда өте аз. Әдеттегі жиілік ығысуы 100 Гц, ал негізгі ЯМР жиілігі 100 МГц тәртібінде. Осылайша, химиялық ығысу көбінесе миллиондағы бөліктермен (ppm) көрсетіледі. Осындай аз жиілік айырмашылығын анықтау үшін қолданылатын магнит өрісі үлгі көлемінде тұрақты болуы керек.
Химиялық ығысу заттың химиялық құрылымына байланысты болғандықтан, ол үлгідегі молекулалар туралы құрылымдық ақпаратты алу үшін қолданылады. Мысалы, этанол (CH 3 CH 2 OH) үшін спектр 3 ерекше сигнал береді, яғни 3 химиялық ығысу: біреуі CH 3 тобы үшін, екіншісі CH 2 тобы үшін және соңғысы OH үшін. CH 3 тобы үшін әдеттегі ығысу шамамен 1 ppm, CH 2 тобы үшін OH-4 ppm және OH үшін шамамен 2-3 ppm.
Бөлме температурасындағы молекулалық қозғалыстың арқасында 3 метил протонының сигналдары бірнеше миллисекундқа созылатын ЯМР процесі кезінде орташа мәнге ие болады. Бұл протондар бірдей химиялық ығысу кезінде азайып, шыңдарды құрайды. Бағдарлама осы шыңдарға қанша протонның ықпал ететінін түсіну үшін шыңдардың өлшемін талдауға мүмкіндік береді.
Айналдыру әрекеті
Бір өлшемді ЯМР спектріндегі құрылымды анықтау үшін ең пайдалы ақпарат белсенді ЯМР ядролары арасындағы спиндік әрекеттесу арқылы қамтамасыз етіледі. Бұл әрекеттесу химиялық молекулалардағы әртүрлі ядролық спиндік күйлер арасындағы ауысудан туындайды, нәтижесінде ЯМР сигналдары бөлінеді. Бұл бөлу қарапайым немесе күрделі болуы мүмкін және нәтижесінде түсіндіру оңай немесе экспериментаторды шатастыруы мүмкін.
Бұл байланыс молекуладағы атомдардың байланыстары туралы толық ақпарат береді.
Екінші ретті өзара әрекеттесу (күшті)
Қарапайым спин-спиндік әрекеттесу сигналдар арасындағы химиялық ығысулар айырмашылығымен салыстырғанда байланыс константасының аз екенін болжайды. Ауысым айырмасы азайса (немесе қосылыс константасы ұлғайса), үлгі мультиплеттерінің қарқындылығы бұрмаланып, талдау қиындай түседі (әсіресе жүйеде 2-ден көп айналым болса). Дегенмен, жоғары қуатты ЯМР спектрометрлерінде бұрмалану әдетте қалыпты болады және бұл байланысты шыңдарды түсіндіруді жеңілдетеді.
Екінші ретті әсерлер мультиплеттер арасындағы жиілік айырмасының артуымен азаяды, сондықтан жоғары жиілікті ЯМР спектрі төмен жиілікті спектрге қарағанда аз бұрмалану көрсетеді.
Ақуыздарды зерттеуде ЯМР спектроскопиясын қолдану
ЯМР спектроскопиясындағы соңғы жаңалықтардың көпшілігі қазіргі биология мен медицинада өте маңызды әдіске айналып келе жатқан ақуыздық ЯМР спектроскопиясында жасалған. Ортақ мақсат - рентгендік кристаллографияда алынған кескіндерге ұқсас ақуыздың жоғары ажыратымдылықтағы 3 өлшемді құрылымын алу. Қарапайым органикалық қосылыспен салыстырғанда ақуыз молекуласында атомдардың көп болуына байланысты, негізгі 1 D спектрі қабаттасатын сигналдарға толып, тікелей спектрді талдауды мүмкін емес етеді. Сондықтан бұл мәселені шешу үшін көп өлшемді әдістер жасалды.
Осы эксперименттердің нәтижелерін жақсарту үшін 13 C немесе 15 N пайдаланып, таңбаланған атом әдісі қолданылады. Осылайша, заманауи фармацевтикадағы серпіліс болған ақуыз үлгісінің 3D спектрін алуға болады. Соңғы уақытта арнайы математикалық әдістерді қолдана отырып, бос индукциялық ыдырау сигналын кейіннен қалпына келтіре отырып, сызықты емес іріктеу әдістеріне негізделген 4D спектрлері мен жоғары өлшемді спектрлерді алу әдістері (артықшылықтары да, кемшіліктері де бар) кең тарады.
Әдебиет
- Гунтер X.ЯМР спектроскопиясы курсына кіріспе. - Пер. ағылшын тілінен. - М., 1984 ж.
Викимедиа қоры. 2010 ж.
Басқа сөздіктерде «ЯМР спектроскопиясы» деген не екенін қараңыз:
13, 13С көміртегі ядроларындағы ядролық магниттік-резонанстық спектроскопия ЯМР спектроскопиясы 13С көміртегі изотопының ядроларын пайдаланатын ЯМР спектроскопия әдістерінің бірі болып табылады. 13С ядросы негізгі күйде 1/2 спинге ие, оның табиғаттағы мазмұны ... ... Wikipedia
Медициналық ЯМР томографындағы адам миының суреті Ядролық магниттік резонанс (ЯМР) қайта бағдарлануына байланысты сыртқы магнит өрісінде нөлдік емес спині бар ядролары бар заттың электромагниттік энергияның резонанстық жұтылуы ... ... Wikipedia
ЯМР спектроскопиясы
ЯМР спектроскопиясы
магниттік-резонанстық спектроскопия- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduoli. atitikmenys: ағылшын. ЯМР…… Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas
ядролық магниттік-резонанстық спектроскопия- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis physika atitikmenys: ағылшын. ЯМР спектроскопиясы; ядролық магниттік-резонанстық спектроскопия вок. магниттік Кернрезонансспектроскопия, f; NMR Spektroskopie, f rus. ядролық спектроскопия ... Физико термині žodynas
Magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanu. atitikmenys: ағылшын. ЯМР…… Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas
ядролық резонанстық спектроскопия- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis physika atitikmenys: ағылшын. ЯМР спектроскопиясы; ядролық магниттік-резонанстық спектроскопия вок. магниттік Кернрезонансспектроскопия, f; NMR Spektroskopie, f rus. ядролық спектроскопия ... Физико термині žodynas
Зерттеу әдістерінің жиынтығы. VA-да олардың атомдарының, иондарының және молекулаларының жұту спектрлеріне сәйкес el. магн. радиотолқындар. Электрондық парамагнетиктердің әдістері Р. резонанстық (ЭПР), ядролық магн. резонанстық (ЯМР), циклотрондық резонанс және т.б. ... Жаратылыстану. энциклопедиялық сөздік
Медициналық ЯМР томографындағы адам миының суреті Ядролық магниттік резонанс (ЯМР) резонансты жұтылуы немесе сыртқы магнит өрісінде спині нөлге тең емес ядролары бар заттың электромагниттік энергияның сәулеленуі, ν ... ... Wikipedia