Kärnmagnetisk resonansspektroskopi, NMR-spektroskopi- en spektroskopisk metod för att studera kemiska föremål med hjälp av fenomenet kärnmagnetisk resonans. NMR-fenomenet upptäcktes 1946 av de amerikanska fysikerna F. Bloch och E. Purcell. De viktigaste för kemi och praktiska tillämpningar är protonmagnetisk resonansspektroskopi (PMR-spektroskopi), såväl som kol-13 NMR-spektroskopi ( 13 C NMR-spektroskopi), fluor-19 ( 19 F NMR-spektroskopi), fosfor-31 ( 31 P NMR spektroskopi). Om ett grundämne har ett udda atomnummer eller en isotop av något (jämnt) grundämne har ett udda masstal, har kärnan i ett sådant grundämne ett annat spinn än noll. Från det exciterade tillståndet till det normala tillståndet kan kärnorna återvända och överföra excitationsenergin till miljön - "gittret", vilket i det här fallet betyder elektroner eller atomer av ett annat slag än de som studeras. Denna energiöverföringsmekanism kallas spin-gitter-relaxation, och dess effektivitet kan karakteriseras av en konstant T1, kallad spin-gitter-relaxationstid.
Dessa egenskaper gör NMR-spektroskopi till ett praktiskt verktyg både i teoretisk organisk kemi och i analys av biologiska objekt.
Grundläggande NMR-teknik
Ett prov av en substans för NMR placeras i ett tunnväggigt glasrör (ampull). När de placeras i ett magnetfält absorberar aktiva NMR-kärnor (som 1 H eller 13 C) elektromagnetisk energi. Resonansfrekvensen, absorptionsenergin och intensiteten hos den utsända signalen är proportionell mot styrkan på magnetfältet. Så, i ett fält på 21 Tesla, resonerar en proton med en frekvens på 900 MHz.
kemisk förskjutning
Beroende på den lokala elektroniska miljön resonerar olika protoner i en molekyl med lite olika frekvenser. Eftersom både denna frekvensförskjutning och grundresonansfrekvensen är direkt proportionella mot magnituden av magnetfältsinduktionen, omvandlas denna förskjutning till en dimensionslös storhet oberoende av magnetfältet, känd som den kemiska förskjutningen. Kemisk förskjutning definieras som en relativ förändring i förhållande till vissa referensprover. Frekvensförskjutningen är extremt liten jämfört med huvud-NMR-frekvensen. En typisk frekvensförskjutning är 100 Hz, medan bas-NMR-frekvensen är i storleksordningen 100 MHz. Sålunda uttrycks kemisk förskjutning ofta i delar per miljon (ppm). För att detektera en så liten frekvensskillnad måste det applicerade magnetfältet vara konstant inom provvolymen.
Eftersom det kemiska skiftet beror på ämnets kemiska struktur används det för att få strukturell information om molekylerna i provet. Till exempel ger spektrumet för etanol (CH 3 CH 2 OH) 3 distinkta signaler, det vill säga 3 kemiska skift: en för CH 3-gruppen, den andra för CH 2-gruppen och den sista för OH. Ett typiskt skifte för en CH3-grupp är ca 1 ppm, för en CH2-grupp bunden till OH är 4 ppm och OH ca 2-3 ppm.
På grund av molekylär rörelse vid rumstemperatur utgår signalerna från de 3 metylprotonerna i genomsnitt under NMR-processen, som bara varar några millisekunder. Dessa protoner degenererar och bildar toppar vid samma kemiska skift. Programvaran låter dig analysera storleken på topparna för att förstå hur många protoner som bidrar till dessa toppar.
Spin-spin-interaktion
Den mest användbara informationen för att bestämma strukturen i ett endimensionellt NMR-spektrum tillhandahålls av den så kallade spin-spin-interaktionen mellan aktiva NMR-kärnor. Denna interaktion resulterar från övergångar mellan olika kärnspinntillstånd i kemiska molekyler, vilket resulterar i splittring av NMR-signaler. Denna uppdelning kan vara enkel eller komplex och som ett resultat är den antingen lätt att tolka eller kan förvirra försöksledaren.
Denna bindning ger detaljerad information om bindningarna av atomer i en molekyl.
Andra ordningens interaktion (stark)
Den enkla spin-spin-interaktionen antar att kopplingskonstanten är liten jämfört med skillnaden i kemiska skift mellan signalerna. Om skiftskillnaden minskar (eller kopplingskonstanten ökar) blir intensiteten hos provmultipletterna förvrängd, vilket blir svårare att analysera (särskilt om systemet innehåller mer än 2 snurr). Men i NMR-spektrometrar med hög effekt är distorsion vanligtvis måttlig, och detta gör det enkelt att tolka de associerade topparna.
Andra ordningens effekter minskar med ökande frekvensskillnad mellan multipletterna, så högfrekventa NMR-spektrat visar mindre distorsion än lågfrekvensspektrumet.
Tillämpning av NMR-spektroskopi för studiet av proteiner
De flesta av de senaste innovationerna inom NMR-spektroskopi görs i den så kallade protein-NMR-spektroskopin, som håller på att bli en mycket viktig teknik inom modern biologi och medicin. Ett vanligt mål är att erhålla en högupplöst 3-dimensionell struktur av ett protein, liknande bilder som erhålls i röntgenkristallografi. På grund av närvaron av fler atomer i en proteinmolekyl jämfört med en enkel organisk förening, är det underliggande 1H-spektrumet fullt av överlappande signaler, vilket gör direkt spektrumanalys omöjlig. Därför har flerdimensionella tekniker utvecklats för att lösa detta problem.
För att förbättra resultaten av dessa experiment tillämpas metoden för märkta atomer med användning av 13 C eller 15 N. Således blir det möjligt att erhålla ett 3D-spektrum av ett proteinprov, vilket har blivit ett genombrott inom moderna läkemedel. På senare tid har metoder (som har både fördelar och nackdelar) för att erhålla 4D-spektra och spektra av högre dimensioner, baserade på icke-linjära samplingsmetoder med efterföljande återställning av den fria induktionsavklingningssignalen med hjälp av speciella matematiska tekniker, blivit utbredda.
Kvantitativ analys med NMR
I den kvantitativa analysen av lösningar kan topparea användas som koncentrationsmått i kalibreringskurvmetoden eller additionsmetoden. Metoder är också kända där en graderad graf återspeglar koncentrationsberoendet av det kemiska skiftet. Användningen av NMR-metoden i oorganisk analys bygger på det faktum att i närvaro av paramagnetiska ämnen accelereras den nukleära relaxationstiden. Mätning av relaxationshastigheten kan utföras med flera metoder, pålitlig och mångsidig är till exempel den impulsiva versionen av NMR-metoden, eller som den brukar kallas spinekometoden. Vid mätningar med denna metod appliceras kortvariga radiofrekventa pulser på provet som studeras i ett magnetiskt fält vid vissa tidsintervall i området för resonansabsorption.En spinekosignal uppträder i mottagningsspolen, vars maximala amplitud är relaterad till avslappningstiden genom ett enkelt förhållande. Det är inte nödvändigt att hitta de absoluta värdena för relaxationshastigheterna för att utföra de vanliga analytiska bestämningarna. I dessa fall kan man begränsa sig till att mäta någon kvantitet som är proportionell mot dem, till exempel amplituden för resonansabsorptionssignalen. Amplitudmätning kan göras med enkel, mer prisvärd utrustning. En betydande fördel med NMR-metoden är ett brett spektrum av uppmätta parametervärden. Med hjälp av spinekoinställningen kan du bestämma avslappningstiden från 0,00001 till 100 s. med ett fel på 3...5%. Detta gör att du kan bestämma koncentrationen av lösningen inom ett mycket brett område från 1 ... 2 till 0,000001 ... 0000001 mol / l. Den vanligaste analytiska tekniken är kalibreringskurvmetoden.
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 spin 1/2 placeras i ett magnetfält, så kommer en del av kärnsnurren att vara parallella 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 huvudsakliga egenskaper: kemiskt skift, spin-spin-interaktionskonstant, integrerad signalintensitet och signalbredd [57].
A) Kemiskt skifte (X.C). H.S. skala 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 dihedrala 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, vilket är 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.
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 förtrycker (roterar) snurrans axel 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 gymnasiefysik - soldater som marscherar över en bro. 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 - registrering av 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 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, som 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 detta fall 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 kostnader. 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.
Kärnan i NMR-fenomenet kan illustreras enligt följande. Om en kärna med ett magnetiskt moment placeras i ett enhetligt fält 0 riktat längs z-axeln, är dess energi (med avseende på energin i frånvaro av ett fält) lika med -mzH0, där mz är projektionen av kärnan magnetiskt moment på fältets riktning.
Som redan nämnts kan kärnan vara i 2I + 1 tillstånd. I frånvaro av ett externt fält 0 har alla dessa tillstånd samma energi. Om vi betecknar det största mätbara värdet av den magnetiska momentkomponenten med m, så uttrycks alla mätbara värden för den magnetiska momentkomponenten (i detta fall mz) som mm, där m är kvanttalet, vilket som bekant , kan ta värdena
m=I,I–1,I–2,...,-(I+1),-I.
Eftersom avståndet mellan energinivåerna som motsvarar vart och ett av 2I + 1-tillstånden är lika med mH0 / I, så har kärnan med spin I diskreta energinivåer:
MH0,-(I–1)/ImH0,...(I–1)/ImH0,mH0.
Uppdelningen av energinivåer i ett magnetfält kan kallas nukleär Zeeman-splittring, eftersom det liknar uppdelningen av elektroniska nivåer i ett magnetfält (Zeeman-effekten). Zeeman-delning för ett system med I = 1 (med tre energinivåer).
NMR-fenomenet består i resonansabsorption av elektromagnetisk energi på grund av kärnornas magnetism. Detta antyder det uppenbara namnet på fenomenet: kärnkraft - vi talar om ett system av kärnor, magnetiska - vi menar bara deras magnetiska egenskaper, resonans - själva fenomenet är resonant i naturen. Det följer faktiskt av Bohrs frekvensregler att frekvensen n för det elektromagnetiska fältet som orsakar övergångar mellan angränsande nivåer bestäms av formeln:
hν=μH0/I, eller ν=μH0/hI.
Eftersom vektorerna för rörelsemängden (momentet) och det magnetiska rörelsemängden är parallella, är det ofta lämpligt att karakterisera kärnornas magnetiska egenskaper med värdet g definierat av relationen
där y är det gyromagnetiska förhållandet med dimensionen radian*oersted-1*sekund-1 (rad*Oe-1*s-1). Med detta i åtanke finner vi
ν=γ0/2π. (3.2)
Således är frekvensen proportionell mot det applicerade fältet.
Om vi som ett typiskt exempel tar värdet av $\gamma$ för en proton lika med 2,6753*104 rad/(E*s) och H0 = 10000 Oe, så är resonansfrekvensen
ν=42,577 (MHz)
En sådan frekvens kan genereras med konventionella radiotekniker.
NMR-spektroskopi kännetecknas av ett antal egenskaper som skiljer den från andra analysmetoder. Ungefär hälften ($\sim$150) av kärnorna i kända isotoper har magnetiska moment, men endast en minoritet av dem används systematiskt.
Före tillkomsten av pulsspektrometrar utfördes de flesta studier med hjälp av fenomenet NMR på vätekärnor (protoner) 1H (protonmagnetisk resonans - PMR) och fluor 19F. Dessa kärnor har idealiska egenskaper för NMR-spektroskopi:
högt naturligt innehåll av den "magnetiska" isotopen (1H 99,98%, 19F 100%); som jämförelse kan nämnas att det naturliga innehållet i den "magnetiska" kolisotopen 13C är 1,1 %; stort magnetiskt moment; snurr I = 1/2.
Detta bestämmer först och främst metodens höga känslighet för att detektera signaler från de ovan nämnda kärnorna. Dessutom finns det en teoretiskt noggrant underbyggd regel enligt vilken endast kärnor med ett spinn lika med eller större än enhet har ett elektriskt fyrpolsmoment. Följaktligen kompliceras 1H och 19F NMR-experiment inte av växelverkan mellan kärnans nukleära kvadrupolmoment med den elektriska miljön.
Införandet av pulsade NMR-spektrometrar i vardagen har avsevärt utökat de experimentella möjligheterna för denna typ av spektroskopi. I synnerhet är registreringen av 13C NMR-spektra av lösningar - den viktigaste isotopen för kemi - nu faktiskt en välbekant procedur. Detektionen av signaler från kärnor, vars intensitet NMR-signaler är många gånger lägre än intensiteten för signaler från 1H, inklusive de i den fasta fasen, har också blivit ett vanligt fenomen.
Högupplösta NMR-spektra består vanligtvis av smala, välupplösta linjer (signaler) motsvarande magnetiska kärnor i olika kemiska miljöer. Intensiteterna (areorna) av signalerna under inspelningen av spektra är proportionella mot antalet magnetiska kärnor i varje grupp, vilket gör det möjligt att utföra en kvantitativ analys med hjälp av NMR-spektra utan preliminär kalibrering.
En annan egenskap hos NMR är effekten av utbytesprocesser som involverar resonanskärnor på positionen och bredden av resonanssignaler. Således kan NMR-spektra användas för att studera arten av sådana processer. NMR-linjer i vätskespektra har typiskt en bredd på 0,1 - 1 Hz (högupplöst NMR), medan samma kärnor som undersöks i den fasta fasen kommer att ge upphov till linjer med en bredd av storleksordningen 1 * 104 Hz (därav konceptet av NMR breda linjer).
I högupplöst NMR-spektroskopi finns det två huvudsakliga informationskällor om molekylers struktur och dynamik:
kemisk förskjutning; spin-spin interaktionskonstanter.
Under verkliga förhållanden är resonanskärnor vars NMR-signaler detekteras en beståndsdel av atomer eller molekyler. När ämnena som studeras placeras i ett magnetfält (0) uppstår ett diamagnetiskt moment av atomer (molekyler) på grund av elektronernas omloppsrörelse. Denna rörelse av elektroner bildar effektiva strömmar och skapar därför ett sekundärt magnetfält som är proportionellt mot fältet 0 i enlighet med Lenz' lag och är motsatt riktat. Detta sekundära fält verkar på kärnan. Således är det lokala fältet på den plats där resonanskärnan är, loc=0 (3.3)
där σ är en dimensionslös konstant som kallas skärmningskonstanten och inte beror på 0, utan starkt beror på den kemiska (elektroniska) miljön; det karakteriserar minskningen i lok jämfört med 0 .
Värdet på $\sigma$ varierar från ett värde i storleksordningen 10-5 för en proton till värden i storleksordningen 10-2 för tunga kärnor. Med hänsyn till uttrycket för lok har vi: ν=γΗ0(1−σ)/2π (3.4)
Screeningseffekten är att minska avståndet mellan nivåerna av kärnmagnetisk energi, eller, med andra ord, leder till att Zeeman-nivåerna konvergerar. I detta fall blir energikvantorna som orsakar övergångar mellan nivåer mindre och följaktligen inträder resonans vid lägre frekvenser (se uttryck (3.4)). Om experimentet utförs genom att ändra fältet 0 tills resonansen sätter in, bör styrkan på det applicerade fältet ha ett stort värde jämfört med fallet när kärnan inte är skärmad.
Inverkan av elektronisk skärmning på Zeeman-nivåer i kärnan: a - oskärmad, b - skärmad
I de allra flesta NMR-spektrometrar registreras spektra när fältet ändras från vänster till höger, så signalerna (topparna) för de mest avskärmade kärnorna bör ligga i den högra delen av spektrumet.
Förskjutningen av signalen beroende på den kemiska miljön, på grund av skillnaden i screeningskonstanter, kallas det kemiska skiftet.
För första gången dök meddelanden om upptäckten av ett kemiskt skifte upp i flera publikationer 1950-1951. Bland dem är det nödvändigt att peka ut arbetet av Arnold, som fick det första spektrumet med separata linjer som motsvarar kemiskt olika positioner av identiska 1H-kärnor i en molekyl.
Det finns tre typer av protoner i denna molekyl: tre protoner av metylgruppen CH3-, två protoner av metylengruppen -CH2- och en proton av hydroxylgruppen -OH. Det kan ses att tre separata signaler motsvarar tre typer av protoner. Eftersom intensiteten hos signalerna är i förhållandet 3: 2: 1, är avkodningen av spektrumet (tilldelning av signaler) inte svårt.
Eftersom kemiska skift inte kan mätas på en absolut skala, det vill säga i förhållande till en kärna som saknar alla dess elektroner, används signalen från en referensförening som en villkorlig nolla. Vanligtvis ges kemiska skiftvärden för alla kärnor som en dimensionslös parameter δ definierad enligt följande:
δ=(H−Het)/Het*106, (3,6)
där (H - Nat) är skillnaden mellan de kemiska skiftningarna för testprovet och referensen, Nat är den absoluta positionen för referenssignalen med det applicerade fältet (H0) .
Under verkliga experimentella förhållanden är det möjligt att mäta frekvensen mer exakt än fältet, så $\delta$ hittas vanligtvis från uttrycket:
δ=(ν−νet)/ν0*106, (3,7)
där (ν – νet) är skillnaden mellan de kemiska skiftningarna för provet och standarden, uttryckt i frekvensenheter (Hz); NMR-spektra är vanligtvis kalibrerade i dessa enheter.
Du bör inte använda ν0 - spektrometerns arbetsfrekvens (den är vanligtvis fast), utan frekvensen νet, det vill säga den absoluta frekvensen vid vilken standardens resonanssignal observeras. Felet som introduceras av en sådan ersättning är dock mycket litet, eftersom ν0 och νet är nästan lika (skillnaden är 10-5, det vill säga med värdet av σ för en proton). Eftersom olika NMR-spektrometrar arbetar vid olika frekvenser ν0 (och följaktligen vid olika fält H0), är det uppenbart att δ måste uttryckas i dimensionslösa enheter.
Enheten för kemisk skiftning är en miljondel av fältstyrkan eller resonansfrekvensen. Spin-spin-interaktion.
1951-1953, när man registrerade NMR-spektra för ett antal vätskor, fann man att det finns fler linjer i spektra för vissa ämnen än vad som följer av en enkel uppskattning av antalet icke-ekvivalenta kärnor. Ett av de första exemplen är resonansen på fluor i POCl2F-molekylen. 19F-spektrumet består av två linjer med samma intensitet, även om det bara finns en fluoratom i molekylen. Molekyler av andra föreningar gav symmetriska multiplettsignaler (tripletter, kvartetter, etc.).
Denna interaktion beror på mekanismen för indirekt kommunikation genom den elektroniska miljön. Kärnspinnet tenderar att orientera spinnen hos elektronerna som omger den givna kärnan. Dessa orienterar i sin tur andra elektroners spinn och genom dem - spinnen av andra kärnor. Energin för spin-spin-interaktionen uttrycks vanligtvis i hertz (det vill säga Planck-konstanten tas som en energienhet, baserat på det faktum att E=hν). Det är tydligt att det inte finns något behov (till skillnad från det kemiska skiftet) att uttrycka det i relativa enheter, eftersom den diskuterade interaktionen, som noterats ovan, inte beror på styrkan hos det yttre fältet. Storleken på interaktionen kan bestämmas genom att mäta avståndet mellan komponenterna i motsvarande multiplett.
Det enklaste exemplet på splittring på grund av spin-spin-koppling som kan påträffas är resonansspektrumet för en molekyl som innehåller två typer av magnetiska kärnor A och X. Kärnorna A och X kan antingen vara olika kärnor eller kärnor av samma isotop (t.ex. exempel, 1H) när de kemiska skiftningarna mellan deras resonanssignaler är stora.
Spinekometoder.
I experiment, när ett högfrekvent fält 1 verkar kontinuerligt på ett prov i ett enhetligt magnetfält 0, uppnås ett stationärt tillstånd, där två motsatta tendenser kompenseras inbördes. Å ena sidan, under verkan av ett högfrekvent fält 1, tenderar ockupationsnumren för Zeeman-nivåerna att utjämnas, vilket leder till avmagnetisering av systemet, och å andra sidan förhindrar termisk rörelse detta och återställer Boltzmann-fördelningen .
Helt andra instabila processer observeras när högfrekvensfältet 1 slås på under en kort tid. Den praktiska implementeringen av experiment av detta slag är möjlig, eftersom de karakteristiska tidsparametrarna för den elektroniska utrustningen är små jämfört med avklingningstiden för Larmor-precessionen T2.
För första gången observerades reaktionen av ett system på pulser från ett högfrekvent fält av Khan 1950, efter att ha upptäckt fenomenet - spineko. Denna upptäckt markerade början på utvecklingen av pulsade NMR-tekniker.
Verkan av fält 1, som roterar med en resonansfrekvens, reduceras till en avvikelse av magnetiseringen från den initiala jämviktsriktningen parallellt med fält 0. Om fältet endast slås på under en kort tidsperiod, och sedan stängs av igen, då beror magnetiseringsvektorns avvikelsevinkel på pulslängden. Efter att fält 1 har slagits på kommer magnetiseringsvektorn att precessera runt fält 0 tills dess komponenter vinkelräta mot fält 0 försvinner, antingen på grund av avslappning eller på grund av andra orsaker. Den induktiva signalen som observeras efter att högfrekvensfältet 1 stängts av är dämpningen av fri precession, först övervägd av Bloch.
Om styrkan av fält 1 är hög och varaktigheten av pulsen tw är så kort att relaxationsprocesser kan försummas under pulsen, kommer verkan av fält 1 att reduceras till en rotation av magnetiseringsvektorn med en vinkel g1tw (g1) är den vinkelhastighet med vilken fält 1 avviker vektorn från z-axeln ). Om värdena 1 och tw är valda på ett sådant sätt att g1tw=1/2p, (3.8) så kommer vektorn efter rotation att vara i xy-planet. Sådana pulser kallas 900-varvspulser (eller 900:e pulser). De pulser för vilka g1tw=p kallas 1800 varvspulser (1800:e pulser).
De sista pulsernas verkan på magnetiseringsvektorn leder till en förändring i dess initiala riktning till motsatt. Effekten av 900:e pulser kan bättre förstås genom att betrakta dem i ett koordinatsystem som roterar med en vinkelhastighet lika med frekvensen för fält 1. Om pulslängden är kort, så att slutresultatet beror lite på storleken på avvikelse för fält 1-frekvensen från resonansvärdet, då i ett sådant systemkoordinater, kommer magnetiseringsvektorn M omedelbart efter slutet av pulsverkan att riktas längs v-axeln.
Om det konstanta fältet 0 är helt enhetligt, så bestäms beteendet hos magnetiseringsvektorn efter slutet av pulsen endast av relaxationsprocesser. Därför kommer komponenten av magnetiseringsvektorn som är belägen i planet vinkelrätt mot fält 0 att rotera runt denna riktning med Larmor-frekvensen, medan dess amplitud kommer att tendera till noll enligt lagen exp(-t/T2).
I det fall då inhomogeniteten hos magnetfältet H0 inte kan försummas sker dämpningen snabbare. Detta fenomen kan visualiseras med hjälp av en serie diagram som visar vektorns position på
magnetisering i olika delar av provet vid vissa ögonblick av dämpningsprocessen. Låt oss anta att provet är uppdelat i flera regioner, och inom varje område är magnetfältet enhetligt, och magnetiseringen kännetecknas av sin egen vektor i. Närvaron av ett magnetfältsinhomogenitet 0 kommer att leda till det faktum att istället för precessionen av den resulterande magnetiseringsvektorn med en viss Larmor-frekvens w0, kommer det att finnas en precession av en uppsättning magnetiseringsvektorer med frekvenser fördelade enligt en viss lag.
Låt oss betrakta rörelsen hos dessa vektorer i ett koordinatsystem som roterar med en vinkelhastighet lika med medelhastigheten för Larmorprecessionen motsvarande något medelvärde för fältet H0. Vektorer i kallas spin-isokromater.
Men på grund av det faktum att de har olika precession priser, sedan befinner sig i områden av mönstret med olika fältvärden på 0, då kommer några av dem att rotera snabbare och några kommer att rotera långsammare än koordinatsystemet. Därför, i ett koordinatsystem som roterar med en viss genomsnittlig vinkelhastighet, kommer spinnisokromater att spridas i en "fläkt". Därför att induktionssystemets mottagningsspole svarar endast på vektorsumman av dessa moment, då observeras signaldämpning.
Hahn fann att inverkan på systemet av den andra pulsen efter ett tidsintervall τ efter den första leder till uppkomsten av en ekosignal efter ett lika tidsintervall 2τ. Ekosignalen observeras även när den fria precessionssignalen är helt dämpad inom 2τ.
1. Inledningsvis är systemet i termisk jämvikt, och alla magnetiseringsvektorer är parallella med det konstanta fältet 0.
2. Under inverkan av ett högfrekvent fält riktat längs det roterande koordinatsystemets x΄-axel, avviker magnetiseringsvektorerna under den första pulsen från z-axelns riktning till y΄-axelns riktning.
3. Efter slutet av den 900:e pulsen är alla magnetiseringsvektorer placerade i ekvatorialplanet i y΄-axelns riktning (vektorprodukten är en vektor vinkelrät i detta fall mot z΄x΄-planet). Om pulslängden tω är tillräckligt liten, kommer ingen relaxation eller spridning av magnetiseringsvektorerna till en "fläkt", associerad med inhomogeniteten hos fältet O, att observeras.
4. Omedelbart efter att det högfrekventa fältet H1 slås på, sjunker den fria precessionen, vilket leder till spridning av spinnisokromater till en "fläkt" placerad i x΄y΄-planet.
5. Efter ett tidsintervall τ verkar en 1800:e puls med en varaktighet av 2tω på systemet. Som ett resultat av denna impuls roterar hela systemet av vektorer i 1800 runt x΄-axeln.
6. Vid slutet av den andra pulsen fortsätter var och en av magnetiseringsvektorerna i det roterande koordinatsystemet att röra sig i samma riktning. Men nu, efter att ha vänt 1800, leder denna rörelse inte till spridning, utan till vikningen av "fläkten" av vektorer.
7. Efter ett tidsintervall på 2τ efter starten av den första pulsen kommer alla magnetiseringsvektorer i x΄y΄-planet att ha samma riktning och kommer att skapa ett starkt resulterande magnetiskt moment i y΄-axelns negativa riktning. Detta leder till en pickup i mottagningsspolen av en signal som kallas ett eko.
8. Efter uppkomsten av ekosignalen sprids magnetiseringsvektorerna igen till en "fläkt", och den vanliga dämpningen av den fria precessionen observeras. Avklingningen av ekosignalen (med början från tiden 2τ) sammanfaller i form med avklingningen av den fria induktionssignalen efter den första 900:e pulsen. Omedelbart efter den 1800:e pulsen uppstår ingen signal om fri induktion.
Formen på ekosignalen, såväl som formen på den fria precessionsdämpningssignalen, beror på tidslagen, som följer spridningen av magnetiseringsvektorn till en "fläkt". Om magnetfältet är ojämnt, förloras koherensen snabbt och ekot blir smalt; dess bredd är av storleksordningen (γΔΗ0)-1. Spinekomekanismen eliminerar således den vanliga oönskade effekten av inhomogeniteten hos ett stationärt magnetfält.
Om molekylerna förblir under lång tid i samma delar av provet, så bestäms ekosignalens amplitud endast av relaxationsprocesser och är därför proportionell mot exp(-2τ/T2). I vätskor och gaser kan dock diffusionsprocesser inte alltid försummas. På grund av molekylernas rörelse i ett inhomogent magnetfält ändras därför spridningshastigheten till en "fläkt" av vissa magnetiseringsvektorer.
Som ett resultat uppstår en viss ytterligare förlust av koherens. I detta fall visar sig amplituden för ekosignalen vara beroende av τ enligt följande:
exp[–2τ/T2 –k(2τ)3/3]. (3,9)
För ekon som tas emot för en sekvens av 900 och 1800 pulser
k=1/4γ2GD , (3,10)
där D är diffusionskonstanten;
G är medelvärdet för magnetfältsgradienten (dH0/dt)av.
Om villkoret är uppfyllt
12/y2G2D<< T32, (3.11)
då kommer huvudrollen i dämpningen av spinekosignaler att spelas av diffusionsprocesser snarare än avslappningsprocesser. Liknande fenomen observeras också för alla andra pulser, och inte bara för en sekvens av 900 och 1800 pulser. Om en sekvens av 900:e pulser appliceras, finns det efter den andra pulsen en avklingningssignal med fri precession, som saknas när en sekvens av 900:e och 1800:e pulser används. Detta beror på att efter tiden τ, på grund av verkan av spin-gitter-relaxationsmekanismen, det magnetiska momentet riktat längs z-axeln delvis återställs. Denna process kan karakteriseras av funktionen:
f=1 – exp (–τ/T1). (3.12)
Som ett resultat leder effekten av den andra 900:e pulsen till en fri precessionsavklingningssignal, vars amplitud är f gånger mindre än amplituden för den första signalen. I det fall då den andra pulsen är den 1800:e pulsen, kommer detta återställande magnetiska moment att riktas i negativ riktning för z-axeln och därför är dess projektion på xy-planet noll.
Spinekoexperiment kan utföras med ett stort antal pulser. Det finns generella beräkningsmetoder. Lämplig för alla pulståg.
Om provet innehåller kärnor med olika resonansfrekvenser och spin-spin-interaktion äger rum mellan dem, så blir spinn-eko-mönstret mer komplicerat. I detta fall följer inte beroendet av dämpningen av spinekosignalens amplitud på intervallet mellan pulserna τ lagen (3.9), utan innehåller också vissa termer som oscillerar i tiden. Låt oss nu uppehålla oss vid hur det är möjligt att styra fasen för den andra pulsens växelspänning så att i det roterande koordinatsystemet fältet 1 återigen riktas längs +x΄-axeln, som i fallet med den första pulsen. Faktum är att i den så kallade koherenta utrustningen producerar en mycket stabil frekvensgenerator en stationär växelspänning, som kommer in i effektförstärkaren genom en nyckelkrets.
Nyckelkretsen passerar RF-signalen (fält 1) och den förstärks endast under den tidsperiod då dessa kretsar öppnas av strobpulsen. Således sammanfaller de kraftfulla RF-pulserna vid utgången av förstärkaren i tid med gate-pulserna. Förstärkarens utgångsspänning appliceras på sampelspolen, i vilken ett RF-fält skapas 1. Om generatorfrekvensen ω finjusteras till resonans, d.v.s. ω=ω0, då är fasen för detta fält alltid densamma i ett koordinatsystem som roterar med frekvensen ω0.
NMR-spektrometrar.
NMR-spektrometern måste innehålla följande huvudelement:
1) en magnet som skapar ett magnetfält 0 som polariserar kärnspinnsystemet;
2) en sändare som skapar ett sonderingsfält 1;
3) en sensor i vilken, under inverkan av 0 och 1, en NMR-signal uppträder i provet;
4) en mottagare som förstärker denna signal;
5) inspelningssystem (inspelare, magnetisk inspelning, oscilloskop, etc.);
6) in(integrator, flerkanalsspektrumackumulator);
7) ett system för stabilisering av resonansförhållanden;
8) provtemperaturkontrollsystem;
9) en sändare som skapar fält 2 för dubbla resonanser;
10) programmeringssystem för NMR-registrering: för en spin-spektrometer - ett svep av fältet 0 eller frekvens n0 i ett givet intervall med den erforderliga hastigheten som krävs av antalet spektrumrealiseringar; för pulsspektrometrar – val av antal, amplitud och varaktighet för sonderingspulser, spårningstiden för varje punkt och antalet punkter i interferrogrammet, upprepningstiden för interferrogrammet, antalet ackumuleringscykler för interferrogrammet;
11) system för korrigering av magnetfält. Denna schematiska uppräkning visar att en modern NMR-spektrometer är ett komplext mätsystem.
Enligt syftet med NMR - är spektrometrar indelade i enheter med hög och låg upplösning. Gränsen här är villkorad, och allt oftare kombineras egenskaperna hos NMR-spektrometrar med hög och låg upplösning i ett universellt instrument. Ett typiskt lågupplöst instrument bör ha en magnet som ger en relativ upplösning på cirka 10-6 timmar
För att säkerställa hög känslighet används en moduleringsmetod för signalobservation: fält 0 (frekvens n0) moduleras enligt en sinusformad lag; frekvensen nm och amplituden Am väljs från överväganden om att optimera känsligheten och signaldistorsionerna som införs av sådan modulering. Eftersom spin-gitterrelaxationstiden T1 i kristaller kan uppgå till flera timmar, måste lågupplösningsspektrometern kunna detektera NMR vid extremt låga nivåer av radiofrekvensfältet 1 för att undvika signalmättnad. Modulationsmetodens känslighet beror på förhållandet Am/d, och detta förhållande för svaga signaler måste väljas jämförbart med enhet. Men sedan finns det en kraftig moduleringsbreddning, som måste beaktas vid bearbetning av signaler. Svårigheterna ökar ännu mer om NMR-linjen har breda och smala komponenter - med en enda inspelning är det omöjligt att korrekt förmedla förhållandet mellan intensiteterna hos dessa komponenter.
På senare tid har pulsade metoder för att detektera breda NMR-linjer i fasta ämnen blivit allt mer populära, men här uppstår deras egna svårigheter. För att excitera alla övergångar i ett spinnsystem på samma sätt är det nödvändigt att använda mycket korta pulser med varaktigheten t och £ 1 μs; detta kräver kraftfulla RF-källor. Dessutom avtar spinsystemets tidssvar för breda linjer (T2~10 μs) mycket snabbt; för att producera ett tillräckligt antal avläsningar på några mikrosekunder krävs en analog-till-digital-omvandlare med en hastighet på cirka 0,1 μs per kanal.
Stora svårigheter uppstår på grund av ringningen av kretsen i sensorn och överbelastningen av mottagaren efter en kraftig puls. Fördelen med pulstekniken är att i ett experiment kan alla parametrar för kärnmagnetism i provet bestämmas - moment, linjeform och relaxationstider. Enligt Fouriersatsen motsvarar stora frekvenser små tider. Därför utvecklas impulsmetoder för att analysera fenomen som inträffar inom en försumbar kort tid efter impulsens slut. De ökar noggrannheten för att bestämma de högsta momenten för NMR-linjen upp till n=14.
För att implementera pulsavsmalning (hög upplösning i fast tillstånd) måste antalet sändarpulskanaler vara minst fyra. Kraftfulla pulser bildas i förstärkningsläget för oscillationer som skapas av en noggrann masteroscillator. Varaktigheten av dess drift bör vara tillräckligt lång för att implementera den erforderliga noggrannheten för frekvensinställning och fasen för radiofrekvensfyllningen av pulserna. Dessutom tillåter spektrometerns koherens högfrekvent synkron detektering för att förbättra känsligheten.
Tillsammans med synkron detektering är signalackumulering med hjälp av flerkanaliga lagringsenheter mycket använd. Stabiliteten hos NMR-spektrometrar ger en långsiktig otvetydig motsvarighet mellan varje spektralintervall Dn och numret på lagringsminneskanalen.
Högupplösta spektrometrar är indelade i stationära och pulsade spektrometrar enligt metoden för att hitta resonansförhållandena. I stationära spektrometrar hittas resonansen genom att ändra (svepa) en av parametrarna (n eller 0) samtidigt som den andra fixeras. I pulsspektrometrar med konstant yttre fält 0 bestrålas provet med en kort högfrekvent puls av varaktighet t och frekvens n, d.v.s. frekvensspektrum, vars huvudeffekt ligger i bandet n±1/t. I detta band exciteras alla motsvarande NMR-övergångar, vilket ger ett svar - en signal om sönderfallet av fri induktion. Fouriertransformation av denna signal ger det vanliga NMR-spektrumet.
Spektrometrar som arbetar i stationärt läge består av följande huvudenheter:
En magnet som skapar ett mycket enhetligt fält;
Signalsensor som innehåller testprovet och mottagningsspolen;
En skanner som gör att du inom ett litet område kan ändra huvudmagnetfältet enligt en viss lag;
RF-generator som arbetar inom mätarområdet;
RF-mottagare och förstärkare;
Oscilloskop och inspelningspotentiometer för observation och inspelning av spektra.
Tillräckligt snabb rotation av provet gör det möjligt att effektivt bli av med påverkan av magnetfältsgradienter 0. Denna omständighet, på grund av den kontinuerliga tillväxten av de använda värdena på 0, leder till det faktum att den uppnådda relativa upplösningen, uppmätt eftersom förhållandet DH/0, där DH är magnetfältets observerade inhomogenitet, ligger i intervallet 10-9 - 10-10. Linjer mätt i tiondels och hundradelar av en hertz, vars bredd bestäms av längden på relaxationstiden i vätskan (10–20 s), leder till en betydande svårighet. Därför kan det ta flera timmar för en enda realisering av spektrumet. Detta ställer mycket höga krav på systemet för stabilisering av resonansförhållanden, vilket vanligtvis utförs med NMR (för ett extra prov - extern stabilisering eller för en av linjerna i provet som studeras - intern stabilisering). De mest framgångsrika resultaten uppnås med en kombination av intern och extern stabilisering.
NMR-spektroskopi
Kärnmagnetisk resonansspektroskopi, NMR-spektroskopi- en spektroskopisk metod för att studera kemiska föremål med hjälp av fenomenet kärnmagnetisk resonans. De viktigaste för kemi och praktiska tillämpningar är protonmagnetisk resonansspektroskopi (PMR-spektroskopi), såväl som kol-13 NMR-spektroskopi (13 C NMR-spektroskopi), fluor-19 (infraröd spektroskopi, NMR avslöjar information om kemikaliernas molekylära struktur. , ger den mer fullständig information än IS, vilket gör att man kan studera dynamiska processer i ett prov - för att bestämma hastighetskonstanter för kemiska reaktioner, värdet av energibarriärer för intramolekylär rotation. Dessa egenskaper gör NMR-spektroskopi till ett bekvämt verktyg både inom teoretisk organisk kemi och för analys av biologiska föremål.
Grundläggande NMR-teknik
Ett prov av en substans för NMR placeras i ett tunnväggigt glasrör (ampull). När de placeras i ett magnetfält absorberar aktiva NMR-kärnor (som 1 H eller 13 C) elektromagnetisk energi. Resonansfrekvensen, absorptionsenergin och intensiteten hos den utsända signalen är proportionell mot styrkan på magnetfältet. Så i ett fält på 21 Tesla resonerar en proton med en frekvens på 900 MHz.
kemisk förskjutning
Beroende på den lokala elektroniska miljön resonerar olika protoner i en molekyl med lite olika frekvenser. Eftersom både denna frekvensförskjutning och grundresonansfrekvensen är direkt proportionella mot styrkan hos magnetfältet, omvandlas denna förskjutning till en magnetfältsoberoende dimensionslös storhet, känd som den kemiska förskjutningen. Kemisk förskjutning definieras som en relativ förändring i förhållande till vissa referensprover. Frekvensförskjutningen är extremt liten jämfört med huvud-NMR-frekvensen. En typisk frekvensförskjutning är 100 Hz, medan bas-NMR-frekvensen är i storleksordningen 100 MHz. Sålunda uttrycks det kemiska skiftet ofta i delar per miljon (ppm). För att detektera en så liten frekvensskillnad måste det applicerade magnetfältet vara konstant inom provvolymen.
Eftersom det kemiska skiftet beror på ämnets kemiska struktur används det för att få strukturell information om molekylerna i provet. Till exempel ger spektrumet för etanol (CH 3 CH 2 OH) 3 distinkta signaler, det vill säga 3 kemiska skift: en för CH 3-gruppen, den andra för CH 2-gruppen och den sista för OH. Ett typiskt skifte för en CH3-grupp är ca 1 ppm, för en CH2-grupp bunden till OH-4 ppm och OH ca 2-3 ppm.
På grund av molekylär rörelse vid rumstemperatur utgår signalerna från de 3 metylprotonerna i genomsnitt under NMR-processen, som bara varar några millisekunder. Dessa protoner degenererar och bildar toppar vid samma kemiska skift. Programvaran låter dig analysera storleken på topparna för att förstå hur många protoner som bidrar till dessa toppar.
Spin-spin-interaktion
Den mest användbara informationen för att bestämma strukturen i ett endimensionellt NMR-spektrum tillhandahålls av den så kallade spin-spin-interaktionen mellan aktiva NMR-kärnor. Denna interaktion resulterar från övergångar mellan olika kärnspinntillstånd i kemiska molekyler, vilket resulterar i splittring av NMR-signaler. Denna uppdelning kan vara enkel eller komplex och som ett resultat är den antingen lätt att tolka eller kan förvirra försöksledaren.
Denna bindning ger detaljerad information om bindningarna av atomer i en molekyl.
Andra ordningens interaktion (stark)
Den enkla spin-spin-interaktionen antar att kopplingskonstanten är liten jämfört med skillnaden i kemiska skift mellan signalerna. Om skiftskillnaden minskar (eller kopplingskonstanten ökar) blir intensiteten hos provmultipletterna förvrängd, vilket blir svårare att analysera (särskilt om systemet innehåller mer än 2 snurr). Men i NMR-spektrometrar med hög effekt är distorsion vanligtvis måttlig, och detta gör det enkelt att tolka de associerade topparna.
Andra ordningens effekter minskar med ökande frekvensskillnad mellan multipletterna, så högfrekventa NMR-spektrat visar mindre distorsion än lågfrekvensspektrumet.
Tillämpning av NMR-spektroskopi för studiet av proteiner
De flesta av de senaste innovationerna inom NMR-spektroskopi görs i den så kallade protein-NMR-spektroskopin, som håller på att bli en mycket viktig teknik inom modern biologi och medicin. Ett vanligt mål är att erhålla en högupplöst 3-dimensionell struktur av ett protein, liknande bilder som erhålls i röntgenkristallografi. På grund av närvaron av fler atomer i en proteinmolekyl jämfört med en enkel organisk förening, svämmar det underliggande 1D-spektrumet över av överlappande signaler, vilket gör direkt spektrumanalys omöjlig. Därför har flerdimensionella tekniker utvecklats för att lösa detta problem.
För att förbättra resultaten av dessa experiment används den märkta atommetoden, med användning av 13 C eller 15 N. Därmed blir det möjligt att erhålla ett 3D-spektrum av ett proteinprov, vilket har blivit ett genombrott inom moderna läkemedel. Nyligen har metoder (som har både fördelar och nackdelar) för att erhålla 4D-spektra och spektra av högre dimensioner, baserade på icke-linjära samplingsmetoder med efterföljande återställning av den fria induktionsavklingningssignalen med hjälp av speciella matematiska tekniker, blivit utbredda.
Litteratur
- Gunter X. Introduktion till kursen för NMR-spektroskopi. - Per. från engelska. - M., 1984.
Wikimedia Foundation. 2010 .
Se vad "NMR-spektroskopi" är i andra ordböcker:
Kärnmagnetisk resonansspektroskopi på kolkärnor 13, 13C NMR-spektroskopi är en av metoderna för NMR-spektroskopi som använder kärnor av 13C-kolisotopen. 13C-kärnan har spin 1/2 i grundtillståndet, dess innehåll i naturen ... ... Wikipedia
Bild av den mänskliga hjärnan på en medicinsk NMR-tomograf Kärnmagnetisk resonans (NMR) resonansabsorption av elektromagnetisk energi av ett ämne som innehåller kärnor med icke-noll spin i ett externt magnetfält, på grund av omorientering ... ... Wikipedia
NMR-spektroskopi
NMR-spektroskopi
magnetisk resonansspektroskopi- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių reiš rezonianso. atitikmenys: engl. NMR … … Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas
kärnmagnetisk resonansspektroskopi- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR-spektroskopi; kärnmagnetisk resonansspektroskopi vok. magnetiska Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. kärnspektroskopi … Fizikos terminų žodynas
Magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonino. atitikmenys: engl. NMR … … Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas
kärnresonansspektroskopi- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. NMR-spektroskopi; kärnmagnetisk resonansspektroskopi vok. magnetiska Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie, f rus. kärnspektroskopi … Fizikos terminų žodynas
Uppsättningen av forskningsmetoder. i VA enligt absorptionsspektra för deras atomer, joner och molekyler el. magn. radiovågor. Metoder för elektronisk paramagnet tillhör R. resonans (EPR), nukleär magn. resonans (NMR), cyklotronresonans, etc ... Naturvetenskap. encyklopedisk ordbok
Bild av den mänskliga hjärnan på en medicinsk NMR-tomograf Kärnmagnetisk resonans (NMR) resonansabsorption eller emission av elektromagnetisk energi från ett ämne som innehåller kärnor med icke-noll spin i ett externt magnetfält, vid en frekvens ν ... ... Wikipedia