NMR-spektroskopimetoden är baserad på kärnornas magnetiska egenskaper. Atomernas kärnor bär en positiv laddning och roterar runt sin axel. Laddningens rotation leder till uppkomsten av en magnetisk dipol.
Rotationsvinkelmomentet, som kan beskrivas med spinnkvanttalet (I). Det numeriska värdet av spinnkvanttalet är lika med summan av spinnkvantantal av protoner och neutroner som utgör kärnan.
Spinnkvanttalet kan ta på sig värdet
Om antalet nukleoner är jämnt, då är värdet I = 0, eller ett heltal. Dessa är sådana kärnor C 12 , H 2 , N 14 , sådana kärnor absorberar inte radiofrekvent strålning och ger inga signaler i NMR-spektroskopi.
I = ± 1/2 H1, P31, F19 - absorbera radiofrekvent strålning, ge en NMR-spektrumsignal.
I = ± 1 1 / 2 CL 35 , Br 79 - asymmetrisk fördelning av laddningar över ytan av kärnan. Detta resulterar i ett fyrpolsmoment. Sådana kärnor studeras inte med NMR-spektroskopi.
PMR - spektroskopi
Det numeriska värdet av I (I = ± 1/2) bestämmer antalet möjliga orienteringar av kärnan i ett externt magnetfält i enlighet med formeln:
Denna formel visar att antalet orienteringar är 2.
För att utföra övergången av en proton som ligger på en lägre nivå till en högre, måste den ges en energi som är lika med skillnaden i energin för dessa nivåer, det vill säga att bestrålas med strålning av en strikt definierad renhet. Skillnaden i energinivåer (ΔΕ) beror på storleken på det applicerade magnetfältet (H 0) och kärnornas magnetiska natur, vilket beskrivs av det magnetiska momentet (μ). Detta värde bestäms av rotation:
, var
h är Plancks konstant
Storleken på det externa magnetfältet
γ är proportionalitetskoefficienten, kallad det gyromagnetiska förhållandet, bestämmer förhållandet mellan spinnkvanttalet I och det magnetiska momentet μ.
– grundläggande NMR-ekvation, den relaterar storleken på det externa magnetfältet, kärnornas magnetiska natur och renheten hos strålningen vid vilken absorptionen av strålningsenergi sker och kärnorna passerar mellan nivåerna.
Det kan ses från ovanstående post att för samma kärnor, protoner, finns det ett strikt förhållande mellan värdet på H 0 och μ.
Så, till exempel, för att protonkärnorna ska vara i ett externt magnetfält på 14000 gauss måste de bestrålas med en frekvens på 60 MHz, om upp till 23000 gauss kommer strålning med en frekvens på 100 MHz att vara nödvändig.
Av ovanstående följer alltså att huvuddelarna av NMR-spektrometern bör vara en kraftfull magnet och en källa för radiofrekvent strålning.
Analyten placeras i en ampull gjord av specialglas 5 mm tjockt. Ampullen placeras i magnetens gap, för en jämnare fördelning av magnetfältet inuti ampullen roterar den runt sin axel, med hjälp av en spole genereras strålningen av radiofrekvent strålning kontinuerligt. Frekvensen av denna strålning varierar inom ett litet område. Vid någon tidpunkt, när frekvensen exakt motsvarar ekvationen för NMR-spektroskopi, observeras absorption av strålningsenergi och protonerna omorienterar sitt spinn - denna absorption av energi registreras av den mottagande spolen i form av en smal topp.
I vissa modeller av spektrometern, μ=const, och i små gångar ändras värdet på H 0. För att registrera spektrumet behövs 0,4 ml av ett ämne, om ämnet är ett fast ämne löses det i lämplig lösning, 10-50 ml/g av ämnet ska tas.
För att få ett högkvalitativt spektrum är det nödvändigt att använda lösningar med en koncentration på 10 - 20%. NMR-känslighetsgränsen motsvarar 5 %.
För att öka känsligheten med hjälp av en dator används många timmars signalackumulering, medan den användbara signalen ökar i intensitet.
Med den ytterligare förbättringen av tekniken för NMR-spektrumfördelning har blivit, användningen av Fourier - signaltransformation. I detta fall bestrålas provet inte med strålning med en långsamt föränderlig frekvens, utan med strålning som kombinerar alla frekvenser i ett paket. I det här fallet absorberas strålning av en frekvens, och protonerna går till den övre energinivån, sedan stängs en kort puls av och efter det börjar de exciterade protonerna att förlora den absorberade energin och gå till den lägre nivån. Detta energifenomen registreras av systemet i form av en serie millisekundspulser som avtar i tiden.
Det ideala lösningsmedlet är ett ämne som inte innehåller protoner, det vill säga koltetraklorid och svavelhaltigt kol, men vissa ämnen löser sig inte i dessa lösningar, därför är eventuella lösningsmedel i molekylerna vars atomer i den lätta isotopen H 1 är ersatta av atomer av den tunga deuteriumisotopen används. Isotopfrekvensen ska motsvara 99 %.
СDCl 3 - deuterium
Deuterium i NMR-spektra ger ingen signal. En vidareutveckling av metoden var användningen av en höghastighetsdator och signalrasande konvertering. I detta fall, istället för den sista avsökningen av strålningsfrekvensen, överlagras momentan strålning som innehåller alla möjliga frekvenser på provet. I detta fall sker omedelbar excitation av alla kärnor och omorientering av deras snurr. Efter att strålningen stängts av börjar kärnorna avge energi och flyttas till en lägre energinivå. Denna energiskur varar i flera sekunder och består av en serie mikrosekundpulser, som registreras av registreringssystemet i form av en gaffel.
1. Fenomenets väsen
Först och främst bör det noteras att även om ordet "kärnkraft" finns i namnet på detta fenomen, har NMR ingenting att göra med kärnfysik och har ingenting att göra med radioaktivitet. Om vi talar om en strikt beskrivning, kan man inte klara sig utan kvantmekanikens lagar. Enligt dessa lagar kan interaktionsenergin för en magnetisk kärna med ett externt magnetfält endast ta ett fåtal diskreta värden. Om magnetiska kärnor bestrålas med ett alternerande magnetfält, vars frekvens motsvarar skillnaden mellan dessa diskreta energinivåer, uttryckta i frekvensenheter, börjar magnetkärnorna att röra sig från en nivå till en annan, samtidigt som de absorberar energin från de alternerande fält. Detta är fenomenet magnetisk resonans. Denna förklaring är formellt korrekt, men inte särskilt tydlig. Det finns en annan förklaring, utan kvantmekanik. Den magnetiska kärnan kan ses som en elektriskt laddad kula som roterar runt sin axel (även om det strängt taget inte är fallet). Enligt elektrodynamikens lagar leder rotationen av en laddning till uppkomsten av ett magnetfält, det vill säga kärnans magnetiska moment, som är riktad längs rotationsaxeln. Om detta magnetiska moment är placerat i ett konstant yttre fält, börjar vektorn för detta moment att precessera, d.v.s. rotera runt det yttre fältets riktning. På samma sätt precesserar (roterar) den snurrande hjulaxeln runt vertikalen, om den är avlindad inte strikt vertikalt, utan i en viss vinkel. I detta fall spelas magnetfältets roll av gravitationskraften.
Precessionsfrekvensen bestäms både av kärnans egenskaper och av magnetfältets styrka: ju starkare fält, desto högre frekvens. Om sedan, förutom ett konstant externt magnetfält, ett alternerande magnetfält verkar på kärnan, börjar kärnan att interagera med detta fält - det svänger liksom kärnan starkare, precessionsamplituden ökar, och kärnan absorberar växelfältets energi. Detta kommer emellertid att inträffa endast under villkoret av resonans, d.v.s. sammanfallande av precessionsfrekvensen och frekvensen för det externa växelfältet. Det ser ut som ett klassiskt exempel från skolfysik – soldater som marscherar över bron. Om stegfrekvensen sammanfaller med brons naturliga frekvens, så svajar bron mer och mer. Experimentellt visar sig detta fenomen i beroendet av absorptionen av ett växelfält på dess frekvens. Vid resonansögonblicket ökar absorptionen kraftigt, och det enklaste magnetiska resonansspektrumet ser ut så här:
2. Fourierspektroskopi
De första NMR-spektrometrarna fungerade exakt som beskrivits ovan - provet placerades i ett konstant magnetfält och RF-strålning applicerades kontinuerligt på det. Sedan ändrades antingen frekvensen av växelfältet eller intensiteten av det konstanta magnetfältet mjukt. Energiabsorptionen av växelfältet registrerades av en radiofrekvensbrygga, varifrån signalen matades ut till en brännare eller ett oscilloskop. Men denna metod för signalregistrering har inte använts på länge. I moderna NMR-spektrometrar registreras spektrumet med hjälp av pulser. Kärnornas magnetiska moment exciteras av en kort kraftfull puls, varefter en signal registreras, som induceras i RF-spolen genom att fritt precessera magnetiska moment. Denna signal minskar gradvis till noll när de magnetiska momenten återgår till jämvikt (denna process kallas magnetisk relaxation). NMR-spektrumet erhålls från denna signal med användning av en Fourier-transform. Detta är en matematisk standardprocedur som låter dig dekomponera vilken signal som helst till frekvensövertoner och på så sätt erhålla frekvensspektrumet för denna signal. Denna metod för att spela in spektrumet gör att du kan minska ljudnivån avsevärt och utföra experiment mycket snabbare.
En excitationspuls för att registrera spektrumet är det enklaste NMR-experimentet. Det kan dock finnas många sådana pulser, av olika varaktighet, amplitud, med olika fördröjningar mellan dem, etc., i experimentet, beroende på vilken typ av manipulationer forskaren behöver utföra med systemet av kärnmagnetiska moment. Men nästan alla dessa pulssekvenser slutar på samma sak - att spela in en fri precessionssignal följt av en Fouriertransform.
3. Magnetiska interaktioner i materia
I och för sig skulle magnetisk resonans inte förbli något annat än ett intressant fysiskt fenomen, om det inte vore för kärnornas magnetiska interaktioner med varandra och med molekylens elektronskal. Dessa interaktioner påverkar resonansparametrarna och med deras hjälp kan NMR-metoden användas för att få olika information om molekylers egenskaper – deras orientering, rumsliga struktur (konformation), intermolekylära interaktioner, kemiskt utbyte, rotations- och translationsdynamik. Tack vare detta har NMR blivit ett mycket kraftfullt verktyg för att studera ämnen på molekylär nivå, vilket används flitigt inte bara inom fysiken, utan främst inom kemi och molekylärbiologi. Ett exempel på en av dessa interaktioner är det så kallade kemiska skiftet. Dess väsen är följande: molekylens elektronskal reagerar på ett externt magnetfält och försöker avskärma det - partiell screening av magnetfältet förekommer i alla diamagnetiska ämnen. Det betyder att magnetfältet i molekylen kommer att skilja sig från det externa magnetfältet med en mycket liten mängd, vilket kallas det kemiska skiftet. Egenskaperna hos elektronskalet i olika delar av molekylen är dock olika, och det kemiska skiftet är också olika. Följaktligen kommer resonansförhållandena för kärnor i olika delar av molekylen också att skilja sig åt. Detta gör det möjligt att urskilja kemiskt icke-ekvivalenta kärnor i spektrumet. Till exempel, om vi tar spektrumet av vätekärnor (protoner) i rent vatten, kommer det bara att finnas en linje i det, eftersom båda protonerna i H 2 O-molekylen är exakt likadana. Men för metylalkohol CH 3 OH kommer det redan att finnas två linjer i spektrumet (om andra magnetiska interaktioner försummas), eftersom det finns två typer av protoner - protoner av metylgruppen CH 3 och en proton associerad med en syreatom. När molekylerna blir mer komplexa kommer antalet linjer att öka, och om vi tar en så stor och komplex molekyl som ett protein, så kommer spektrumet i det här fallet att se ut ungefär så här:
4. Magnetiska kärnor
NMR kan observeras på olika kärnor, men det måste sägas att inte alla kärnor har ett magnetiskt moment. Det händer ofta att vissa isotoper har ett magnetiskt moment, medan andra isotoper av samma kärna inte har det. Totalt finns det mer än hundra isotoper av olika kemiska grundämnen som har magnetiska kärnor, men inte mer än 1520 magnetiska kärnor används vanligtvis i forskningen, allt annat är exotiskt. Varje kärna har sitt eget karakteristiska förhållande mellan magnetfältet och precessionsfrekvensen, som kallas det gyromagnetiska förhållandet. För alla kärnor är dessa förhållanden kända. Med hjälp av dem kan man välja vid vilken frekvens, för ett givet magnetfält, en signal från de kärnor som forskaren behöver observeras.
De viktigaste kärnorna för NMR är protoner. De är vanligast förekommande i naturen, och de har en mycket hög känslighet. För kemi och biologi är kärnorna av kol, kväve och syre mycket viktiga, men forskare hade inte särskilt tur med dem: de vanligaste isotoper av kol och syre, 12 C och 16 O, har inte ett magnetiskt moment, det naturliga kväve isotop 14N har ett ögonblick, men det ett antal skäl för experiment är mycket obekvämt. Det finns 13 C, 15 N och 17 O isotoper som är lämpliga för NMR-experiment, men deras naturliga förekomst är mycket låg och känsligheten är mycket låg jämfört med protoner. Därför förbereds ofta speciella isotopiskt berikade prover för NMR-studier, där den naturliga isotopen hos en eller annan kärna ersätts med den som behövs för experiment. I de flesta fall är detta förfarande mycket svårt och dyrt, men ibland är det det enda sättet att få den nödvändiga informationen.
5. Elektronparamagnetisk och kvadrupolresonans
På tal om NMR kan man inte undgå att nämna två andra relaterade fysikaliska fenomen - elektronparamagnetisk resonans (EPR) och nukleär kvadrupolresonans (NQR). EPR liknar i huvudsak NMR, skillnaden ligger i det faktum att resonansen observeras på de magnetiska momenten inte av atomkärnor, utan av atomens elektronskal. EPR kan endast observeras i de molekyler eller kemiska grupper vars elektronskal innehåller den så kallade oparade elektronen, då har skalet ett magnetiskt moment som inte är noll. Sådana ämnen kallas paramagneter. EPR, liksom NMR, används också för att studera olika strukturella och dynamiska egenskaper hos ämnen på molekylär nivå, men dess omfattning är mycket snävare. Detta beror främst på att de flesta molekyler, särskilt i den levande naturen, inte innehåller oparade elektroner. I vissa fall är det möjligt att använda en så kallad paramagnetisk sond, det vill säga en kemisk grupp med en oparad elektron som binder till molekylen som studeras. Men detta tillvägagångssätt har uppenbara nackdelar som begränsar möjligheterna med denna metod. Dessutom finns det i EPR ingen så hög spektral upplösning (d.v.s. förmågan att skilja en linje från en annan i spektrumet) som i NMR.
Det är svårast att förklara karaktären av NQR "på fingrarna". Vissa kärnor har ett så kallat elektriskt fyrpolsmoment. Detta ögonblick kännetecknar avvikelsen av fördelningen av kärnans elektriska laddning från sfärisk symmetri. Interaktionen av detta ögonblick med gradienten av det elektriska fältet som skapas av ämnets kristallina struktur leder till splittringen av kärnans energinivåer. I detta fall kan resonans observeras med en frekvens som motsvarar övergångar mellan dessa nivåer. Till skillnad från NMR och EPR kräver NQR inget externt magnetfält, eftersom nivådelning sker utan det. NQR används också för att studera substanser, men dess omfattning är ännu snävare än EPR.
6. För- och nackdelar med NMR
NMR är den mest kraftfulla och informativa metoden för att studera molekyler. Strängt taget är detta inte en metod, utan ett stort antal olika typer av experiment, d.v.s. pulssekvenser. Även om de alla är baserade på NMR-fenomenet, men vart och ett av dessa experiment är utformat för att erhålla viss specifik information. Antalet dessa experiment mäts av många tiotals, om inte hundratals. Teoretiskt kan NMR, om inte allt, så nästan allt som alla andra experimentella metoder för att studera molekylers struktur och dynamik kan, även om detta i praktiken naturligtvis är långt ifrån alltid genomförbart. En av de största fördelarna med NMR är att å ena sidan dess naturliga sonder, dvs magnetiska kärnor, är fördelade över hela molekylen, och å andra sidan gör det möjligt att skilja dessa kärnor från varandra och erhålla rumsligt selektiva data om egenskaper hos molekylen. Nästan alla andra metoder ger information antingen i genomsnitt över hela molekylen eller bara om en av dess delar.
Det finns två huvudsakliga nackdelar med NMR. För det första är detta en låg känslighet jämfört med de flesta andra experimentella metoder (optisk spektroskopi, fluorescens, EPR, etc.). Detta leder till att signalen måste ackumuleras under lång tid för att kunna beräkna ett genomsnitt av bruset. I vissa fall kan NMR-experimentet utföras i flera veckor. För det andra är det dess höga kostnad. NMR-spektrometrar är bland de dyraste vetenskapliga instrumenten och kostar minst hundratusentals dollar, och de dyraste spektrometrarna kostar flera miljoner. Inte alla laboratorier, särskilt i Ryssland, har råd att ha sådan vetenskaplig utrustning.
7. Magneter för NMR-spektrometrar
En av de viktigaste och dyraste delarna av en spektrometer är magneten, som skapar ett konstant magnetfält. Ju starkare fält, desto högre känslighet och spektral upplösning, så forskare och ingenjörer försöker ständigt få högsta möjliga fält. Magnetfältet skapas av en elektrisk ström i solenoiden - ju starkare strömmen är, desto större fält. Det är dock omöjligt att öka strömmen på obestämd tid, vid en mycket hög ström kommer solenoidtråden helt enkelt att börja smälta. Därför har supraledande magneter, dvs magneter i vilka solenoidtråden är i supraledande tillstånd, använts under mycket lång tid för högfälts-NMR-spektrometrar. I det här fallet är trådens elektriska motstånd noll, och ingen energi frigörs vid något strömvärde. Det supraledande tillståndet kan endast erhållas vid mycket låga temperaturer, bara några grader Kelvin - detta är temperaturen för flytande helium. (Högtemperatursupraledning är fortfarande föremål för ren grundforskning.) Det är med upprätthållandet av en så låg temperatur som alla tekniska svårigheter vid design och tillverkning av magneter hänger ihop, vilket orsakar deras höga kostnad. Den supraledande magneten är byggd på principen om en termos matryoshka. Solenoiden är i mitten, i vakuumkammaren. Den är omgiven av ett skal som innehåller flytande helium. Detta skal är omgivet av ett skal av flytande kväve genom ett vakuumskikt. Temperaturen på flytande kväve är minus 196 grader Celsius, kväve behövs för att helium ska avdunsta så långsamt som möjligt. Slutligen isoleras kväveskalet från rumstemperatur med ett yttre vakuumskikt. Ett sådant system kan upprätthålla den önskade temperaturen hos den supraledande magneten under mycket lång tid, även om detta kräver regelbunden hällning av flytande kväve och helium i magneten. Fördelen med sådana magneter, förutom förmågan att få höga magnetfält, är också att de inte förbrukar energi: efter magnetens start går strömmen genom de supraledande ledningarna med praktiskt taget ingen förlust under många år.
8. Tomografi
I konventionella NMR-spektrometrar försöker man göra magnetfältet så enhetligt som möjligt, detta är nödvändigt för att förbättra spektralupplösningen. Men om magnetfältet inuti provet tvärtom görs väldigt inhomogent, öppnar detta för fundamentalt nya möjligheter att använda NMR. Fältets inhomogenitet skapas av de så kallade gradientspolarna, som är parade med huvudmagneten. I detta fall kommer magnituden på magnetfältet i olika delar av provet att vara olika, vilket innebär att NMR-signalen inte kan observeras från hela provet, som i en konventionell spektrometer, utan endast från dess smala skikt, för vilket resonansvillkor uppfylls, dvs det önskade förhållandet mellan magnetfält och frekvens. Genom att ändra magnituden på magnetfältet (eller, vilket i huvudsak är samma sak, frekvensen för att observera signalen), kan du ändra skiktet som ska ge signalen. Således är det möjligt att "skanna" provet genom hela dess volym och "se" dess inre tredimensionella struktur utan att förstöra provet på något mekaniskt sätt. Hittills har ett stort antal tekniker utvecklats som gör det möjligt att mäta olika NMR-parametrar (spektrala egenskaper, magnetiska relaxationstider, självdiffusionshastighet och några andra) med rumslig upplösning inuti ett prov. Den mest intressanta och viktiga, ur praktisk synvinkel, användes NMR-tomografi inom medicinen. I det här fallet är "provet" som undersöks människokroppen. NMR-avbildning är ett av de mest effektiva och säkra (men också dyra) diagnostiska verktygen inom olika medicinområden, från onkologi till obstetrik. Det är märkligt att notera att läkare inte använder ordet "nukleär" i namnet på denna metod, eftersom vissa patienter associerar det med kärnreaktioner och atombomben.
9. Upptäcktshistoria
Året för upptäckten av NMR anses vara 1945, då amerikanerna Felix Bloch från Stanford och oberoende Edward Parcell och Robert Pound från Harvard först observerade NMR-signalen på protoner. Vid den tiden var mycket redan känt om kärnmagnetismens natur, själva NMR-effekten förutspåddes teoretiskt och flera försök gjordes att observera den experimentellt. Det är viktigt att notera att ett år tidigare i Sovjetunionen, i Kazan, upptäcktes EPR-fenomenet av Evgeny Zavoisky. Det är nu välkänt att Zavoisky också observerade NMR-signalen, detta var före kriget, 1941. Han hade dock en magnet av dålig kvalitet med dålig fältlikformighet till sitt förfogande, resultaten var dåligt reproducerbara och förblev därför opublicerade. I rättvisans namn bör det noteras att Zavoisky inte var den enda som observerade NMR innan dess "officiella" upptäckt. Särskilt den amerikanske fysikern Isidore Rabi (Nobelpristagare 1944 för studiet av de magnetiska egenskaperna hos kärnor i atomära och molekylära strålar) observerade också NMR i slutet av 1930-talet, men ansåg att detta var en instrumentell artefakt. På ett eller annat sätt, men vårt land är fortfarande en prioritet vid experimentell upptäckt av magnetisk resonans. Även om Zavoisky själv strax efter kriget började ta itu med andra problem, spelade hans upptäckt för vetenskapens utveckling i Kazan en stor roll. Kazan är fortfarande ett av världens ledande forskningscentra för EPR-spektroskopi.
10. Nobelpriser i magnetisk resonans
Under första hälften av 1900-talet delades flera Nobelpriser ut till forskare utan vars arbete upptäckten av NMR inte hade kunnat ske. Bland dem finns Peter Szeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Men det blev fyra Nobelpriser direkt relaterade till NMR. 1952 fick Felix Bloch och Edward Purcell priset för upptäckten av NMR. Detta är det enda "NMR" Nobelpriset i fysik. 1991 vann schweizaren Richard Ernst, som arbetade på den berömda ETH Zürich, Kemipriset. Han tilldelades den för utvecklingen av flerdimensionella NMR-spektroskopimetoder, som gjorde det möjligt att radikalt öka informationsinnehållet i NMR-experiment. År 2002 var pristagaren, även han i kemi, Kurt Wüthrich, som arbetade med Ernst i närliggande byggnader på samma tekniska skola. Han fick priset för att ha utvecklat metoder för att bestämma den tredimensionella strukturen hos proteiner i lösning. Innan detta var den enda metoden som gjorde det möjligt att bestämma den rumsliga konformationen av stora biomakromolekyler endast röntgendiffraktionsanalys. Slutligen, 2003, fick amerikanen Paul Lauterbur och engelsmannen Peter Mansfield det medicinska priset för uppfinningen av NMR-avbildning. Den sovjetiska upptäckaren av EPR E.K. Zavoisky, tyvärr, fick inte Nobelpriset.
Kärnmagnetisk resonansspektroskopi är en av de vanligaste och mycket känsliga metoderna för att bestämma strukturen av organiska föreningar, vilket gör det möjligt att få information inte bara om den kvalitativa och kvantitativa sammansättningen, utan också om arrangemanget av atomer i förhållande till varandra. I olika NMR-tekniker finns det många möjligheter att bestämma ämnens kemiska struktur, molekylers konfirmationstillstånd, effekter av ömsesidig påverkan och intramolekylära transformationer.
Metoden för kärnmagnetisk resonans har ett antal särdrag: till skillnad från optiska molekylspektra sker absorptionen av elektromagnetisk strålning av ett ämne i ett starkt enhetligt yttre magnetfält. Dessutom, för att genomföra en NMR-studie måste experimentet uppfylla ett antal villkor som återspeglar de allmänna principerna för NMR-spektroskopi:
1) registrering av NMR-spektra är endast möjlig för atomkärnor med sitt eget magnetiska moment eller de så kallade magnetiska kärnorna, där antalet protoner och neutroner är sådant att massatalet av isotopkärnor är udda. Alla kärnor med ett udda masstal har spin I, vars värde är 1/2. Så för kärnorna 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 P är spinnvärdet 1/2, för kärnorna 7 Li, 23 Na, 39 K och 4 l R - spinnet är 3/2. Kärnor med ett jämnt massatal har antingen inget spin alls om kärnladdningen är jämn, eller har heltalsspinnvärden om laddningen är udda. Endast de kärnor vars spinn är I 0 kan ge ett NMR-spektrum.
Närvaron av spinn är förknippad med cirkulationen av en atomladdning runt kärnan, därför uppstår ett magnetiskt moment μ . En roterande laddning (till exempel en proton) med en rörelsemängd J skapar ett magnetiskt moment μ=γ*J . Det vinkelformade kärnmomentet J och det magnetiska momentet μ som uppstår under rotation kan representeras som vektorer. Deras konstanta förhållande kallas det gyromagnetiska förhållandet γ. Det är denna konstant som bestämmer resonansfrekvensen för kärnan (Fig. 1.1).
Figur 1.1 - En roterande laddning med ett vinkelmoment J skapar ett magnetiskt moment μ=γ*J .
2) NMR-metoden undersöker absorption eller emission av energi under ovanliga förhållanden för bildandet av spektrumet: i motsats till andra spektrala metoder. NMR-spektrumet registreras från ett ämne i ett starkt enhetligt magnetfält. Sådana kärnor i ett externt fält har olika värden på potentiell energi beroende på flera möjliga (kvantiserade) orienteringsvinklar för vektorn μ relativt vektorn för den externa magnetfältstyrkan H 0 . I frånvaro av ett externt magnetfält har kärnornas magnetiska moment eller spinn ingen bestämd orientering. Om magnetiska kärnor med spinn 1/2 placeras i ett magnetfält, så kommer en del av kärnsnurren att ligga parallellt med magnetfältslinjerna, den andra delen kommer att vara antiparallell. Dessa två orienteringar är inte längre energimässigt ekvivalenta och snurren sägs vara fördelade över två energinivåer.
Spinn med ett magnetiskt moment orienterat längs +1/2-fältet betecknas med symbolen | α >, med orientering antiparallell mot det yttre fältet -1/2 - symbol | β > (Fig. 1.2) .
Figur 1.2 - Bildandet av energinivåer när ett externt fält H 0 appliceras.
1.2.1 NMR-spektroskopi på 1 H kärnor Parametrar för PMR-spektra.
För att tolka data från 1H NMR-spektra och tilldela signaler används spektrats huvudegenskaper: kemiskt skift, spin-spin-interaktionskonstant, integrerad signalintensitet och signalbredd [57].
A) Kemiskt skifte (X.C). H.S.-skalan Kemisk skiftning är avståndet mellan denna signal och signalen från referensämnet, uttryckt i miljondelar av storleken på den externa fältstyrkan.
Tetrametylsilan [TMS, Si(CH 3) 4 ] innehållande 12 strukturellt ekvivalenta starkt screenade protoner används oftast som standard för att mäta protonernas kemiska förskjutningar.
B) Spin-spin interaktionskonstant. Signaldelning observeras i högupplösta NMR-spektra. Denna splittring eller fina struktur i högupplösta spektra är resultatet av spin-spin-interaktionen mellan magnetiska kärnor. Detta fenomen, tillsammans med det kemiska skiftet, är den viktigaste informationskällan om strukturen hos komplexa organiska molekyler och fördelningen av elektronmolnet i dem. Det beror inte på H 0 , utan beror på molekylens elektroniska struktur. Signalen från en magnetkärna som interagerar med en annan magnetkärna delas upp i flera linjer beroende på antalet spinntillstånd, d.v.s. beror på spinn av kärnorna I.
Avståndet mellan dessa linjer kännetecknar energin hos spin-spin-bindningen mellan kärnorna och kallas spin-spin-kopplingskonstanten n J, där när antalet bindningar som separerar de interagerande kärnorna.
Det finns direkta konstanter J HH , geminala konstanter 2 J HH , vicinala konstanter 3 J HH och några avlägsna konstanter 4 J HH , 5J HH.
- geminala konstanter 2 J HH kan vara både positiva och negativa och upptar området från -30Hz till +40Hz.
De vicinala konstanterna 3 J HH upptar området 0–20 Hz; de är nästan alltid positiva. Det har konstaterats att den vicinala interaktionen i mättade system beror mycket på vinkeln mellan kol-vätebindningar, det vill säga på den dihedriska vinkeln - (Fig. 1.3).
Figur 1.3 - Dihedrisk vinkel φ mellan kol-vätebindningar.
Långdistans spin-spin-interaktion (4 J HH , 5J HH ) - interaktionen mellan två kärnor separerade av fyra eller flera bindningar; konstanterna för sådan interaktion är vanligtvis från 0 till +3 Hz.
Tabell 1.1 - Spin-spin interaktionskonstanter
C) Integral signalintensitet. Signalarean är proportionell mot antalet magnetiska kärnor som resonerar vid en given fältstyrka, så signalareaförhållandet ger det relativa antalet protoner av varje strukturell variation och kallas den integrerade signalintensiteten. Moderna spektrometrar använder speciella integratorer, vars avläsningar registreras som en kurva, vars höjd är proportionell mot arean av motsvarande signaler.
D) Linjebredd. För att karakterisera linjebredden är det vanligt att mäta bredden på ett avstånd av halva höjden från nolllinjen i spektrumet. Den experimentellt observerade linjebredden är summan av den naturliga linjebredden, som beror på strukturen och rörligheten, och breddningen på grund av instrumentella skäl
Den vanliga linjebredden i PMR är 0,1-0,3 Hz, men den kan öka på grund av överlappningen av intilliggande övergångar, som inte exakt matchar, men inte löses upp som separata linjer. Breddning är möjlig i närvaro av kärnor med ett spinn större än 1/2 och kemiskt utbyte.
1.2.2 Tillämpning av 'H NMR-data för att fastställa strukturen hos organiska molekyler.
Vid lösning av ett antal problem med strukturanalys, förutom tabeller med empiriska värden, har Kh.S. det kan vara användbart att kvantifiera effekterna av närliggande substituenter på C.C. genom regeln om additivitet av effektiva screeningbidrag. I det här fallet tas vanligtvis hänsyn till substituenter som tas bort från en given proton med högst 2-3 bindningar, och beräkningen utförs enligt formeln:
δ=δ 0 +ε i *δ i (3)
där 50 är det kemiska skiftet av protoner i standardgruppen;
5i är substituentscreeningsbidraget.
1.3 13 C NMR-spektroskopi. Insamlings- och registreringssätt för spektra.
De första rapporterna om observation av 13C NMR dök upp 1957, men omvandlingen av 13C NMR-spektroskopi till en praktiskt använd metod för analytisk forskning blev mycket senare.
Magnetisk resonans 13 C och 1 H har mycket gemensamt, men det finns också betydande skillnader. Den vanligaste isotopen av kol 12 C har I=0. 13C-isotopen har I=1/2, men dess naturliga förekomst är 1,1%. Detta tillsammans med det faktum att det gyromagnetiska förhållandet för 13 C-kärnor är 1/4 av det gyromagnetiska förhållandet för protoner. Detta minskar känsligheten hos metoden i experiment på observation av 13C NMR med 6000 gånger jämfört med 1H kärnor.
a) utan undertryckande av spin-spin-interaktionen med protoner. De 13C NMR-spektra som erhölls i frånvaro av fullständigt undertryckande av spin-spin-resonans med protoner kallades högupplösta spektra. Dessa spektra innehåller fullständig information om konstanterna 13C-1H. I relativt enkla molekyler finns båda typerna av konstanter – framåt och långt – helt enkelt. Så 1 J (С-Н) är 125 - 250 Hz, men spin-spin-interaktion kan också förekomma med mer avlägsna protoner med konstanter mindre än 20 Hz.
b) fullständigt undertryckande av spin-spin-interaktionen med protoner. De första stora framstegen inom området 13C NMR-spektroskopi är förknippade med användningen av fullständigt undertryckande av spin-spin-interaktionen med protoner. Användningen av fullständigt undertryckande av spin-spin-interaktionen med protoner leder till sammanslagning av multipletter med bildandet av singlettlinjer om det inte finns några andra magnetiska kärnor som 19F och 31P i molekylen.
c) ofullständig undertryckande av spin-spin-interaktionen med protoner. Användningen av metoden för fullständig frikoppling från protoner har emellertid sina nackdelar. Eftersom alla kolsignaler nu är i form av singletter, förloras all information om 13C-1H spin-spin interaktionskonstanter, en del av fördelarna med bredbandsanslutning. I detta fall kommer spektra att visa splittringar på grund av de direkta konstanterna för 13C-1H spin-spin-interaktionen. Denna procedur gör det möjligt att detektera signaler från icke-protonerade kolatomer, eftersom de senare inte har protoner direkt bundna till 13C och uppträder i spektra med ofullständig frikoppling från protoner som singletter.
d) modulering av CH-interaktionskonstanten, JMODCH-spektrum. Ett traditionellt problem inom 13C NMR-spektroskopi är att bestämma antalet protoner associerade med varje kolatom, dvs graden av protonering av kolatomen. Partiell undertryckning av protoner gör det möjligt att lösa upp kolsignalen från mångfalden som orsakas av långväga spin-spin-interaktionskonstanter och erhålla signaluppdelning på grund av direkta 13C-1H SSCCs. Men i fallet med starkt kopplade AB-spinsystem och överlappande av multipletter i OFFR-läget gör det entydig signalupplösning svår.
NMR-spektroskopi avser icke-förstörande analysmetoder. Modern pulsad NMR Fourier-spektroskopi tillåter analys av 80 magn. kärnor. NMR-spektroskopi är en av de viktigaste fiz.-chem. analysmetoder, dess data används för entydig identifiering som en intermediär. kemiska produkter. distrikt och mål in-in. Utöver strukturuppdrag och kvantiteter. analys, ger NMR-spektroskopi information om konformationsjämvikter, diffusion av atomer och molekyler i fasta ämnen, ext. rörelser, vätebindningar och association i vätskor, keto-enol tautomerism, metallo- och prototropi, ordning och fördelning av länkar i polymerkedjor, adsorption in-in, elektronisk struktur av jonkristaller, flytande kristaller, etc. NMR-spektroskopi är en källa till information om strukturen hos biopolymerer, inklusive proteinmolekyler i lösningar, jämförbar i tillförlitlighet med data från röntgendiffraktionsanalys. På 80-talet. började en snabb introduktion av metoder för spektroskopi och NMR-tomografi inom medicin för diagnos av komplexa sjukdomar och i profylaktisk medicinsk undersökning av befolkningen.
Antalet och positionen av linjer i NMR-spektra karakteriserar otvetydigt alla fraktioner av råolja, syntetisk. gummi, plast, skiffer, kol, droger, droger, kemiska produkter. och läkemedel. prom-sti osv.
Intensiteten och bredden på NMR-linjen av vatten eller olja gör det möjligt att mäta fukt- och oljehalten i frön och säkerheten för spannmål med hög noggrannhet. Vid avstämning från vattensignaler är det möjligt att registrera glutenhalten i varje spannmål, vilket, liksom analys av oljeinnehåll, möjliggör ett accelererat urval av jordbruksprodukter. kulturer.
Användningen av allt starkare magnetiska fält (upp till 14 T i seriella enheter och upp till 19 T i experimentella enheter) ger möjlighet att helt bestämma strukturen av proteinmolekyler i lösningar, uttrycka analys av biol. vätskor (koncentration av endogena metaboliter i blod, urin, lymf, cerebrospinalvätska), kvalitetskontroll av nya polymera material. I detta fall används många varianter av multiquantum och multidimensionell Fourierspektroskopi. tekniker.
NMR-fenomenet upptäcktes av F. Bloch och E. Purcell (1946), för vilket de belönades med Nobelpriset (1952).
Fenomenet kärnmagnetisk resonans kan användas inte bara inom fysik och kemi, utan också inom medicin: människokroppen är en kombination av alla samma organiska och oorganiska molekyler.
För att observera detta fenomen placeras ett föremål i ett konstant magnetfält och exponeras för radiofrekvens- och gradientmagnetfält. I induktorn som omger föremålet som studeras uppstår en alternerande elektromotorisk kraft (EMF), vars amplitud-frekvensspektrum och tidsövergångsegenskaperna bär information om den rumsliga tätheten hos resonerande atomkärnor, såväl som om andra specifika parametrar. för kärnmagnetisk resonans. Datorbehandling av denna information genererar en tredimensionell bild som kännetecknar densiteten av kemiskt ekvivalenta kärnor, relaxationstiderna för kärnmagnetisk resonans, fördelningen av vätskeflödeshastigheter, diffusionen av molekyler och de biokemiska processerna för metabolism i levande vävnader.
Kärnan i NMR-introskopi (eller magnetisk resonansavbildning) består i själva verket i implementeringen av en speciell typ av kvantitativ analys av amplituden hos den nukleära magnetiska resonanssignalen. Inom konventionell NMR-spektroskopi är syftet att uppnå bästa möjliga upplösning av spektrallinjerna. För att göra detta justeras de magnetiska systemen på ett sådant sätt att de skapar bästa möjliga fältlikformighet inom provet. I metoderna för NMR-introskopi, tvärtom, skapas magnetfältet uppenbart inhomogent. Då finns det anledning att förvänta sig att frekvensen av kärnmagnetisk resonans vid varje punkt i provet har sitt eget värde, som skiljer sig från värdena i andra delar. Genom att ange någon kod för NMR-signalamplitudgrader (ljusstyrka eller färg på skärmen) kan man få en villkorlig bild (tomogram) av sektioner av objektets inre struktur.
NMR-introskopi, NMR-tomografi uppfanns för första gången i världen 1960 av V. A. Ivanov. Ansökan om en uppfinning (metod och anordning) avslogs av en inkompetent expert "... på grund av den föreslagna lösningens skenbara meningslöshet", därför utfärdades ett upphovsrättscertifikat för detta först efter mer än 10 år. Således är det officiellt erkänt att författaren till NMR-avbildning inte är laget av Nobelpristagarna som anges nedan, utan en rysk vetenskapsman. Trots detta juridiska faktum tilldelades inte Nobelpriset för NMR-avbildning alls V. A. Ivanov. Spektralapparater
För en noggrann studie av spektra räcker inte längre sådana enkla anordningar som en smal slits som begränsar ljusstrålen och ett prisma. Det behövs instrument som ger ett tydligt spektrum, det vill säga instrument som separerar vågor med olika våglängder väl och inte tillåter överlappning av enskilda sektioner av spektrumet. Sådana anordningar kallas spektralanordningar. Oftast är huvuddelen av spektralapparaten ett prisma eller diffraktionsgitter.
ELEKTRONISK PARAMAGNETISK RESONANS
Kärnan i metoden
Kärnan i fenomenet elektronparamagnetisk resonans ligger i resonansabsorptionen av elektromagnetisk strålning av oparade elektroner. En elektron har ett spinn och ett tillhörande magnetiskt moment.
Om vi placerar en fri radikal med den resulterande rörelsemängden J i ett magnetfält med styrka B 0 , så för J som skiljer sig från noll, avlägsnas degeneration i magnetfältet, och som ett resultat av interaktion med magnetfältet, 2J + 1 nivåer uppstår, vars position beskrivs av uttrycket: W =gβB 0 M, (där M = +J, +J-1, ...-J) och bestäms av Zeeman-interaktionen mellan magnetfältet och magnetiskt moment J. Uppdelningen av elektronenerginivåerna visas i figuren.
Energinivåer och tillåtna övergångar för en atom med kärnspinn 1 i ett konstant (A) och variabelt (B) fält.
Om nu ett elektromagnetiskt fält med en frekvens ν, polariserat i ett plan vinkelrätt mot magnetfältsvektorn B 0 , appliceras på det paramagnetiska centret, kommer det att orsaka magnetiska dipolövergångar som följer urvalsregeln ΔM = 1. Om energin hos elektronisk övergång sammanfaller med energin från den fotoelektromagnetiska vågen, en resonansabsorption av mikrovågsstrålning. Således bestäms resonanstillståndet av det fundamentala förhållandet mellan magnetisk resonans
Absorption av energin från mikrovågsfältet observeras om det finns en populationsskillnad mellan nivåerna.
Vid termisk jämvikt är det en liten skillnad i populationerna av Zeeman-nivåerna, bestämt av Boltzmann-fördelningen = exp(gβB 0 /kT). I ett sådant system, vid excitering av övergångar, bör jämlikheten mellan populationerna av energisubnivåerna uppstå mycket snabbt och absorptionen av mikrovågsfältet bör försvinna. Men i verkligheten finns det många olika interaktionsmekanismer, som ett resultat av vilka elektronen icke-strålande övergår till sitt ursprungliga tillstånd. Effekten av absorptionsintensitetens oföränderlighet med ökande kraft uppstår på grund av elektroner som inte har tid att slappna av, och kallas mättnad. Mättnad uppträder vid en hög effekt av mikrovågsstrålning och kan avsevärt förvränga resultaten av mätning av koncentrationen av centra med EPR-metoden.
Metodvärde
EPR-metoden ger unik information om paramagnetiska centra. Det skiljer otvetydigt föroreningsjoner som är isomorft inkluderade i gittret från mikroinneslutningar. I detta fall erhålls fullständig information om en given jon i en kristall: valens, koordination, lokal symmetri, hybridisering av elektroner, hur många och i vilka strukturella positioner av elektroner som ingår, orientering av kristallfältets axlar på platsen av denna jon, en fullständig egenskap hos kristallfältet och detaljerad information om den kemiska bindningen. Och vad som är mycket viktigt, metoden gör det möjligt att bestämma koncentrationen av paramagnetiska centra i områden av en kristall med olika strukturer.
Men EPR-spektrumet är inte bara ett kännetecken för en jon i en kristall, utan också för själva kristallen, egenskaper hos fördelningen av elektrondensitet, kristallfält, jonicitet-kovalens i en kristall, och slutligen, helt enkelt en diagnostisk egenskap hos en mineral, eftersom varje jon i varje mineral har sina egna unika parametrar. I det här fallet är det paramagnetiska centret en sorts sond som ger de spektroskopiska och strukturella egenskaperna hos dess mikromiljö.
Denna egenskap används i den sk. metoden för spinnetiketter och prober baserad på införandet av ett stabilt paramagnetiskt centrum i systemet som studeras. Som ett sådant paramagnetiskt centrum används som regel en nitroxidradikal, som kännetecknas av anisotrop g och A tensorer.