Спектроскопия с ядрено-магнитен резонанс, ЯМР спектроскопия- спектроскопичен метод за изследване на химически обекти, използващ явлението ядрено-магнитен резонанс. Феноменът ЯМР е открит през 1946 г. от американските физици Ф. Блок и Е. Пърсел. Най-важните за химията и практическите приложения са спектроскопията на протонния магнитен резонанс (PMR спектроскопия), както и ЯМР спектроскопията на въглерод-13 ( 13 C ЯМР спектроскопия), флуор-19 ( 19 F ЯМР спектроскопия), фосфор-31 ( 31 P ЯМР спектроскопия). Ако даден елемент има нечетен атомен номер или изотоп на всеки (четен четен) елемент има нечетно масово число, ядрото на такъв елемент има спин, различен от нула. От възбудено състояние в нормално състояние ядрата могат да се върнат, прехвърляйки енергията на възбуждане към околната „решетка“, което в този случай означава електрони или атоми от различен тип от тези, които се изследват. Този механизъм за пренос на енергия се нарича спин-решеткова релаксация и неговата ефективност може да се характеризира с константа T1, наречена време на спин-решеткова релаксация.
Тези характеристики правят ЯМР спектроскопията удобен инструмент както в теоретичната органична химия, така и за анализ на биологични обекти.
Основна ЯМР техника
Проба от вещество за ЯМР се поставя в тънкостенна стъклена тръба (ампула). Когато се постави в магнитно поле, NMR активните ядра (като 1 H или 13 C) абсорбират електромагнитна енергия. Резонансната честота, енергията на поглъщане и интензитетът на излъчвания сигнал са пропорционални на силата на магнитното поле. И така, в поле от 21 тесла протонът резонира с честота 900 MHz.
Химическа промяна
В зависимост от локалната електронна среда различните протони в една молекула резонират на малко по-различни честоти. Тъй като и това честотно изместване, и основната резонансна честота са право пропорционални на големината на индукцията на магнитното поле, това изместване се преобразува в безразмерна величина, независима от магнитното поле, известна като химическо изместване. Химичното изместване се определя като относителна промяна спрямо някои референтни проби. Изместването на честотата е изключително малко в сравнение с основната честота на ЯМР. Типичното изместване на честотата е 100 Hz, докато основната NMR честота е от порядъка на 100 MHz. По този начин химичното изместване често се изразява в части на милион (ppm). За да се открие такава малка честотна разлика, приложеното магнитно поле трябва да бъде постоянно в обема на пробата.
Тъй като химическото изместване зависи от химическата структура на дадено вещество, то се използва за получаване на структурна информация за молекулите в пробата. Например, спектърът за етанол (CH 3 CH 2 OH) дава 3 отличителни сигнала, тоест 3 химични измествания: едно за CH 3 групата, второ за CH 2 групата и последното за OH. Типичното изместване за СН3 група е приблизително 1 ppm, за СН2 група, прикрепена към ОН е 4 ppm, а за ОН е приблизително 2-3 ppm.
Благодарение на молекулярното движение при стайна температура, сигналите на 3-те метилови протона се осредняват по време на NMR процеса, който продължава само няколко милисекунди. Тези протони се израждат и образуват пикове при същото химично изместване. Софтуерът ви позволява да анализирате размера на пиковете, за да разберете колко протони допринасят за тези пикове.
Спин-спин взаимодействие
Най-полезната информация за определяне на структурата в едномерен ЯМР спектър се предоставя от така нареченото спин-спиново взаимодействие между активните ЯМР ядра. Това взаимодействие е резултат от преходи между различни спинови състояния на ядра в химически молекули, което води до разделяне на ЯМР сигналите. Това разделяне може да бъде просто или сложно и, като следствие, може да бъде или лесно за тълкуване, или може да бъде объркващо за експериментатора.
Това свързване предоставя подробна информация за връзките на атомите в молекулата.
Взаимодействие от втори ред (силно)
Обикновено спин-спин свързване предполага, че константата на свързване е малка в сравнение с разликата в химичните отмествания между сигналите. Ако разликата в изместването намалее (или константата на взаимодействие се увеличи), интензитетът на мултиплетите на пробата се изкривява и става по-трудно за анализ (особено ако системата съдържа повече от 2 завъртания). Въпреки това, при мощните NMR спектрометри изкривяването обикновено е умерено и това позволява свързаните пикове да бъдат лесно интерпретирани.
Ефектите от втори ред намаляват с увеличаване на честотната разлика между мултиплетите, така че високочестотният NMR спектър показва по-малко изкривяване от нискочестотния спектър.
Приложение на ЯМР спектроскопията за изследване на протеини
Повечето от последните иновации в ЯМР спектроскопията са направени в така наречената ЯМР спектроскопия на протеини, която се превръща в много важна техника в съвременната биология и медицина. Обща цел е да се получат триизмерни протеинови структури с висока разделителна способност, подобни на изображенията, получени при рентгенова кристалография. Поради наличието на повече атоми в протеинова молекула в сравнение с обикновено органично съединение, основният 1H спектър е претъпкан с припокриващи се сигнали, което прави директния анализ на спектъра невъзможен. Следователно са разработени многоизмерни техники за решаване на този проблем.
За да се подобрят резултатите от тези експерименти, се използва методът на етикетирания атом, като се използва 13 C или 15 N. По този начин става възможно да се получи 3D спектър на протеинова проба, което се превърна в пробив в съвременната фармацевтика. Напоследък са широко разпространени техники (с предимства и недостатъци) за получаване на 4D спектри и спектри с по-високи измерения, базирани на нелинейни методи за вземане на проби с последващо възстановяване на сигнала на затихване на свободната индукция с помощта на специални математически техники.
Количествен ЯМР анализ
При количествен анализ на разтвори площта на пика може да се използва като мярка за концентрация в метода на калибровъчната диаграма или метода на добавяне. Известни са и методи, при които градуирана графика отразява зависимостта на химичното изместване от концентрацията. Използването на метода ЯМР в неорганичния анализ се основава на факта, че в присъствието на парамагнитни вещества времето за ядрена релаксация се ускорява. Измерването на скоростта на релаксация може да се извърши по няколко метода.Надежден и универсален е например импулсният вариант на ЯМР метода или, както обикновено се нарича, методът на спиновото ехо. При измерване с помощта на този метод, краткотрайни радиочестотни импулси се прилагат към изследваната проба в магнитно поле на определени интервали в областта на резонансно поглъщане.В приемната бобина се появява спинов ехо сигнал, чиято максимална амплитуда е свързана до времето за релаксация чрез проста връзка. За извършване на конвенционални аналитични определяния не е необходимо да се намират абсолютните стойности на скоростите на релаксация. В тези случаи можем да се ограничим до измерване на някакво пропорционално на тях количество, например амплитудата на резонансния абсорбционен сигнал. Измерванията на амплитудата могат да се извършват с помощта на просто, по-достъпно оборудване. Съществено предимство на ЯМР метода е широкият диапазон от стойности на измервания параметър. Използвайки настройката на спиновото ехо, времето за релаксация може да се определи от 0,00001 до 100 s. с грешка от 3...5%. Това дава възможност да се определи концентрацията на разтвор в много широк диапазон от 1...2 до 0,000001...0000001 mol / l. Най-често използваната аналитична техника е методът на калибровъчната графика. Хеберлен У., Меринг М.ЯМР с висока разделителна способност в твърди вещества. - М.: Мир - 1980.
ЯМР спектроскопията е метод за анализ без разрушаване. Модерен импулсната NMR спектроскопия на Фурие позволява анализ при 80 mag. ядра. ЯМР спектроскопията е една от основните. Phys.-Chem. методи за анализ, неговите данни се използват за недвусмислена идентификация като интервали. химически продукти r-ции и цел в-в. В допълнение към структурните задания и количествата. анализ, ЯМР спектроскопията носи информация за конформационни равновесия, дифузия на атоми и молекули в твърди вещества, вътрешен. движения, водородни връзки и асоцииране в течности, кето-енолна тавтомерия, метало- и прототропия, ред и разпределение на звената в полимерни вериги, адсорбция на вещества, електронна структура на йонни кристали, течни кристали и др. ЯМР спектроскопията е източник на информация върху структурата на биополимери, включително протеинови молекули в разтвори, сравними по надеждност с данните от рентгеновия дифракционен анализ. През 80-те години Започва бързото навлизане в медицината на методите ЯМР спектроскопия и томография за диагностика на сложни заболявания и за диспансеризация на населението.
Броят и позицията на линиите в ЯМР спектрите недвусмислено характеризират всички фракции на суров нефт, синтетичен. каучук, пластмаси, шисти, въглища, лекарства, лекарства, химически продукти. и фармацевтични бал-сти и др.
Интензитетът и ширината на NMR линията на водата или маслото позволяват точното измерване на съдържанието на влага и масло в семената и безопасността на зърното. При разстройване от водни сигнали е възможно да се запише съдържанието на глутен във всяко зърно, което, подобно на анализа на съдържанието на масло, позволява ускорена земеделска селекция. култури
Използването на все по-силни магнити. полета (до 14 T в серийни устройства и до 19 T в експериментални инсталации) осигурява възможност за пълно определяне на структурата на протеиновите молекули в разтвори, експресен анализ на биол. течности (концентрации на ендогенни метаболити в кръв, урина, лимфа, цереброспинална течност), контрол на качеството на нови полимерни материали. В този случай се използват многобройни варианти на многоквантова и многомерна спектроскопия на Фурие. техники.
Феноменът ЯМР е открит от Ф. Блок и Е. Пърсел (1946 г.), за което са удостоени с Нобелова награда (1952 г.).
Явлението ядрено-магнитен резонанс може да се използва не само във физиката и химията, но и в медицината: човешкото тяло е съвкупност от едни и същи органични и неорганични молекули.
За да се наблюдава това явление, обект се поставя в постоянно магнитно поле и се излага на радиочестотни и градиентни магнитни полета. В бобината на индуктора, заобикаляща изследвания обект, възниква променлива електродвижеща сила (ЕМС), чийто амплитудно-честотен спектър и преходни във времето характеристики носят информация за пространствената плътност на резониращите атомни ядра, както и други параметри, специфични само за ядрено-магнитен резонанс. Компютърната обработка на тази информация генерира триизмерно изображение, което характеризира плътността на химически еквивалентните ядра, времената на релаксация на ядрено-магнитния резонанс, разпределението на скоростта на потока на течността, дифузията на молекулите и биохимичните метаболитни процеси в живите тъкани.
Същността на ЯМР интроскопията (или магнитно-резонансната томография) всъщност е извършването на специален вид количествен анализ на амплитудата на сигнала от ядрено-магнитен резонанс. При конвенционалната ЯМР спектроскопия човек се стреми да постигне възможно най-добрата разделителна способност на спектралните линии. За да се постигне това, магнитните системи се настройват по такъв начин, че да създадат възможно най-добрата еднородност на полето в пробата. При методите на ЯМР интроскопия, напротив, създаденото магнитно поле е очевидно нееднородно. Тогава има основание да се очаква, че честотата на ядрено-магнитния резонанс във всяка точка на пробата има своя собствена стойност, различна от стойностите в други части. Чрез задаване на произволен код за градациите на амплитудата на ЯМР сигналите (яркост или цвят на екрана на монитора), можете да получите конвенционално изображение (томограма) на секции от вътрешната структура на обекта.
ЯМР интроскопията и ЯМР томографията са изобретени за първи път в света през 1960 г. от В. А. Иванов. Некомпетентен експерт отхвърли заявката за изобретение (метод и устройство) „... поради очевидната безполезност на предложеното решение“, така че авторското свидетелство за това беше издадено едва след повече от 10 години. Така официално се признава, че авторът на ЯМР томографията не е екипът от изброените по-долу нобелови лауреати, а руски учен. Въпреки този юридически факт Нобеловата награда е присъдена за ЯМР томография не на В. А. Иванов.
За точно изследване на спектрите вече не са достатъчни такива прости устройства като тесен процеп, ограничаващ светлинния лъч, и призма. Необходими са инструменти, които осигуряват ясен спектър, т.е. инструменти, които могат добре да разделят вълни с различна дължина и да не позволяват отделни части от спектъра да се припокриват. Такива устройства се наричат спектрални устройства. Най-често основната част от спектралния апарат е призма или дифракционна решетка.
ЕЛЕКТРОНЕН ПАРАМАГНИТЕН РЕЗОНАНС
Същността на метода
Същността на явлението електронен парамагнитен резонанс е резонансното поглъщане на електромагнитно излъчване от несдвоени електрони. Електронът има спин и свързан магнитен момент.
Ако поставим свободен радикал с произтичащ ъглов импулс J в магнитно поле със сила B 0 , тогава за J различно от нула, дегенерацията в магнитното поле се премахва и в резултат на взаимодействие с магнитното поле, 2J+1 възникват нива, чиято позиция се описва с израза: W =gβB 0 M, (където M = +J, +J-1, …-J) и се определя от Зеемановото взаимодействие на магнитното поле с магнитния момент J. Разделянето на енергийните нива на електроните е показано на фигурата.
Енергийни нива и разрешени преходи за атом с ядрен спин 1 в постоянно (A) и променливо (B) поле.
Ако сега приложим към парамагнитния център електромагнитно поле с честота ν, поляризирано в равнина, перпендикулярна на вектора на магнитното поле B 0 , тогава то ще предизвика магнитни диполни преходи, които се подчиняват на правилото за избор ΔM = 1. Когато енергията на електронният преход съвпада с енергията на фотоелектромагнитната вълна, ще настъпи резонансна реакция поглъщане на микровълново лъчение. По този начин условието за резонанс се определя от основната връзка на магнитния резонанс
Поглъщането на енергията на микровълновото поле се наблюдава, ако има разлика в населението между нивата.
При термично равновесие има малка разлика в популациите на нивата на Zeeman, определени от разпределението на Болцман = exp(gβB 0 /kT). В такава система, когато преходите са възбудени, равенството на популациите на енергийните поднива трябва много бързо да настъпи и абсорбцията на микровълновото поле трябва да изчезне. В действителност обаче съществуват много различни механизми на взаимодействие, в резултат на които електронът безизлъчващо преминава в първоначалното си състояние. Ефектът на постоянен интензитет на поглъщане с нарастваща мощност възниква поради електрони, които нямат време да се отпуснат, и се нарича насищане. Насищането се появява при висока мощност на микровълново излъчване и може значително да изкриви резултатите от измерването на концентрацията на центрове по метода EPR.
Стойност на метода
Методът EPR предоставя уникална информация за парамагнитните центрове. Той ясно разграничава примесните йони, изоморфно включени в решетката, от микровключванията. В този случай се получава пълна информация за даден йон в кристала: валентност, координация, локална симетрия, хибридизация на електрони, колко и в какви структурни позиции на електроните е включен, ориентацията на осите на кристалното поле при местоположението на този йон, пълна характеристика на кристалното поле и подробна информация за химическата връзка. И което е много важно, методът ви позволява да определите концентрацията на парамагнитни центрове в области на кристала с различна структура.
Но EPR спектърът не е само характеристика на йон в кристал, но и на самия кристал, характеристики на разпределението на електронната плътност, кристално поле, йонност-ковалентност в кристал и накрая, просто диагностична характеристика на минерал, тъй като всеки йон във всеки минерал има свои собствени уникални параметри. В този случай парамагнитният център е вид сонда, осигуряваща спектроскопични и структурни характеристики на своята микросреда.
Това свойство се използва в т.нар. методът на спиновите етикети и сонди, базиран на въвеждането на стабилен парамагнитен център в изследваната система. Като такъв парамагнитен център, като правило, се използва нитроксилен радикал, характеризиращ се с анизотропност жИ Атензори.
1. Същност на явлението
На първо място, трябва да се отбележи, че въпреки че името на това явление съдържа думата „ядрен“, ЯМР няма нищо общо с ядрената физика и по никакъв начин не е свързан с радиоактивността. Ако говорим за строго описание, тогава няма начин да се направи без законите на квантовата механика. Съгласно тези закони енергията на взаимодействие на магнитното ядро с външно магнитно поле може да приеме само няколко дискретни стойности. Ако магнитните ядра се облъчват с променливо магнитно поле, чиято честота съответства на разликата между тези дискретни енергийни нива, изразена в честотни единици, тогава магнитните ядра започват да се движат от едно ниво на друго, като същевременно поглъщат енергията на променливото поле. поле. Това е явлението магнитен резонанс. Това обяснение е формално правилно, но не много ясно. Има и друго обяснение, без квантовата механика. Магнитното ядро може да си представим като електрически заредена топка, въртяща се около оста си (въпреки че, строго погледнато, това не е така). Съгласно законите на електродинамиката, въртенето на заряд води до появата на магнитно поле, т.е. магнитният момент на ядрото, който е насочен по оста на въртене. Ако този магнитен момент се постави в постоянно външно поле, тогава векторът на този момент започва да прецесира, т.е. да се върти около посоката на външното поле. По същия начин оста на върха се прецесира (върти) около вертикалата, ако не е усукана строго вертикално, а под определен ъгъл. В този случай ролята на магнитното поле се играе от силата на гравитацията.
Честотата на прецесията се определя както от свойствата на ядрото, така и от силата на магнитното поле: колкото по-силно е полето, толкова по-висока е честотата. Тогава, ако в допълнение към постоянно външно магнитно поле, ядрото е засегнато от променливо магнитно поле, тогава ядрото започва да взаимодейства с това поле - изглежда, че люлее ядрото по-силно, амплитудата на прецесията се увеличава и ядрото абсорбира енергията на променливото поле. Това обаче ще се случи само при условие на резонанс, т.е. съвпадение на честотата на прецесията и честотата на външното променливо поле. Това е подобно на класическия пример от училищната физика - войници, маршируващи през мост. Ако честотата на стъпката съвпада с естествената честота на моста, тогава мостът се люлее все повече и повече. Експериментално това явление се проявява в зависимостта на абсорбцията на променливо поле от неговата честота. В момента на резонанс абсорбцията се увеличава рязко и най-простият магнитен резонансен спектър изглежда така:
2. Спектроскопия на Фурие
Първите ЯМР спектрометри работеха точно както е описано по-горе - пробата се поставяше в постоянно магнитно поле и към нея непрекъснато се прилагаше радиочестотно лъчение. Тогава или честотата на променливото поле, или интензитетът на постоянното магнитно поле се променят плавно. Поглъщането на енергията на променливото поле се записва от радиочестотен мост, сигналът от който се извежда към записващо устройство или осцилоскоп. Но този метод за запис на сигнал не се използва дълго време. В съвременните ЯМР спектрометри спектърът се записва с помощта на импулси. Магнитните моменти на ядрата се възбуждат с кратък мощен импулс, след което се записва сигналът, индуциран в радиочестотната намотка от свободно прецесиращите магнитни моменти. Този сигнал постепенно намалява до нула, докато магнитните моменти се връщат към равновесие (този процес се нарича магнитна релаксация). ЯМР спектърът се получава от този сигнал чрез преобразуване на Фурие. Това е стандартна математическа процедура, която ви позволява да разложите всеки сигнал на честотни хармоници и по този начин да получите честотния спектър на този сигнал. Този метод за запис на спектъра ви позволява значително да намалите нивото на шума и да провеждате експерименти много по-бързо.
Един възбуждащ импулс за запис на спектър е най-простият ЯМР експеримент. Въпреки това, в един експеримент може да има много такива импулси с различна продължителност, амплитуда, с различни забавяния между тях и т.н., в зависимост от това какви манипулации трябва да извърши изследователят със системата от ядрени магнитни моменти. Въпреки това, почти всички от тези импулсни последователности завършват с едно и също нещо - запис на свободен прецесионен сигнал, последван от трансформация на Фурие.
3. Магнитни взаимодействия в материята
Самият магнитен резонанс би останал нищо повече от интересно физическо явление, ако не бяха магнитните взаимодействия на ядрата едно с друго и с електронната обвивка на молекулата. Тези взаимодействия влияят на резонансните параметри и с тяхна помощ методът ЯМР може да предостави разнообразна информация за свойствата на молекулите – тяхната ориентация, пространствена структура (конформация), междумолекулни взаимодействия, химичен обмен, ротационна и транслационна динамика. Благодарение на това ЯМР се превърна в много мощен инструмент за изследване на веществата на молекулярно ниво, който се използва широко не само във физиката, но главно в химията и молекулярната биология. Пример за едно такова взаимодействие е така нареченото химическо изместване. Същността му е следната: електронната обвивка на молекулата реагира на външно магнитно поле и се опитва да го екранира - частично екраниране на магнитното поле се среща във всички диамагнитни вещества. Това означава, че магнитното поле в молекулата ще се различава от външното магнитно поле с много малко количество, което се нарича химическо изместване. Свойствата на електронната обвивка в различните части на молекулата обаче са различни и химическото изместване също е различно. Съответно, резонансните условия за ядрата в различните части на молекулата също ще се различават. Това прави възможно разграничаването на химически нееквивалентни ядра в спектъра. Например, ако вземем спектъра на водородните ядра (протони) на чиста вода, тогава ще има само една линия, тъй като и двата протона в молекулата на H 2 O са абсолютно еднакви. Но за метиловия алкохол CH 3 OH вече ще има две линии в спектъра (ако пренебрегнем други магнитни взаимодействия), тъй като има два вида протони - протоните на метиловата група CH 3 и протона, свързан с кислородния атом. Тъй като молекулите стават по-сложни, броят на линиите ще се увеличи и ако вземем такава голяма и сложна молекула като протеин, тогава в този случай спектърът ще изглежда така:
4. Магнитопроводи
ЯМР може да се наблюдава на различни ядра, но трябва да се каже, че не всички ядра имат магнитен момент. Често се случва някои изотопи да имат магнитен момент, но други изотопи на същото ядро не. Общо има повече от сто изотопа на различни химични елементи, които имат магнитни ядра, но в изследванията обикновено се използват не повече от 1520 магнитни ядра, всичко останало е екзотика. Всяко ядро има собствено характерно съотношение на магнитното поле и честотата на прецесията, наречено жиромагнитно съотношение. За всички ядра тези отношения са известни. Използвайки ги, можете да изберете честотата, при която при дадено магнитно поле ще се наблюдава сигнал от ядрата, необходими на изследователя.
Най-важните ядра за ЯМР са протоните. Те са най-разпространени в природата и имат много висока чувствителност. Ядрата на въглерода, азота и кислорода са много важни за химията и биологията, но учените не са имали много късмет с тях: най-често срещаните изотопи на въглерода и кислорода, 12 C и 16 O, нямат магнитен момент, естественият изотопът на азота 14N има момент, но поради редица причини е много неудобен за експерименти. Има изотопи 13 C, 15 N и 17 O, които са подходящи за ЯМР експерименти, но тяхното естествено изобилие е много ниско и тяхната чувствителност е много ниска в сравнение с протоните. Поради това за ЯМР изследванията често се приготвят специални обогатени с изотопи проби, в които естественият изотоп на определено ядро се заменя с този, необходим за експериментите. В повечето случаи тази процедура е много трудна и скъпа, но понякога е единствената възможност за получаване на необходимата информация.
5. Електронен парамагнитен и квадруполен резонанс
Говорейки за ЯМР, не може да не споменем още две свързани физични явления - електронен парамагнитен резонанс (EPR) и ядрен квадруполен резонанс (NQR). EPR е по същество подобен на NMR, разликата е, че резонансът се наблюдава при магнитните моменти не на атомните ядра, а на електронната обвивка на атома. EPR може да се наблюдава само в тези молекули или химични групи, чиято електронна обвивка съдържа така наречения несдвоен електрон, тогава обвивката има ненулев магнитен момент. Такива вещества се наричат парамагнетици. EPR, подобно на NMR, също се използва за изследване на различни структурни и динамични свойства на вещества на молекулярно ниво, но обхватът му на използване е значително по-тесен. Това се дължи главно на факта, че повечето молекули, особено в живата природа, не съдържат несдвоени електрони. В някои случаи можете да използвате така наречената парамагнитна сонда, тоест химическа група с несдвоен електрон, който се свързва с изследваната молекула. Но този подход има очевидни недостатъци, които ограничават възможностите на този метод. В допълнение, EPR няма толкова висока спектрална разделителна способност (т.е. способността да се разграничи една линия от друга в спектъра), както при NMR.
Най-трудно е да се обясни природата на ЯКР „на пръсти“. Някои ядра имат това, което се нарича електрически квадруполен момент. Този момент характеризира отклонението на разпределението на електрическия заряд на ядрото от сферичната симетрия. Взаимодействието на този момент с градиента на електрическото поле, създадено от кристалната структура на веществото, води до разделяне на енергийните нива на ядрото. В този случай може да се наблюдава резонанс при честота, съответстваща на преходите между тези нива. За разлика от NMR и EPR, NQR не изисква външно магнитно поле, тъй като разделянето на нивата се случва без него. NQR също се използва за изследване на вещества, но обхватът му на приложение е още по-тесен от този на EPR.
6. Предимства и недостатъци на ЯМР
ЯМР е най-мощният и информативен метод за изследване на молекули. Строго погледнато, това не е един метод, а голям брой различни видове експерименти, т.е. импулсни последователности. Въпреки че всички те се основават на явлението ЯМР, всеки от тези експерименти е предназначен да получи някаква специфична информация. Броят на тези експерименти се измерва в много десетки, ако не и стотици. Теоретично ЯМР може, ако не всичко, то почти всичко, което всички други експериментални методи за изследване на структурата и динамиката на молекулите могат, въпреки че на практика това е осъществимо, разбира се, не винаги. Едно от основните предимства на ЯМР е, че от една страна неговите естествени сонди, т.е. магнитни ядра, са разпределени в цялата молекула, а от друга страна, позволява да се разграничат тези ядра едно от друго и да се получат пространствено селективни данни върху свойствата на молекулата. Почти всички други методи предоставят информация или осреднена за цялата молекула, или само за една част от нея.
ЯМР има два основни недостатъка. Първо, това е ниска чувствителност в сравнение с повечето други експериментални методи (оптична спектроскопия, флуоресценция, ESR и др.). Това води до факта, че за да се осредни шумът, сигналът трябва да се натрупва дълго време. В някои случаи ЯМР експеримент може да се проведе дори за няколко седмици. На второ място, това е скъпо. ЯМР спектрометрите са сред най-скъпите научни инструменти, струващи поне стотици хиляди долари, като най-скъпите спектрометри струват няколко милиона. Не всички лаборатории, особено в Русия, могат да си позволят да имат такова научно оборудване.
7. Магнити за ЯМР спектрометри
Една от най-важните и скъпи части на спектрометъра е магнитът, който създава постоянно магнитно поле. Колкото по-силно е полето, толкова по-висока е чувствителността и спектралната разделителна способност, така че учените и инженерите непрекъснато се опитват да получат възможно най-високи полета. Магнитното поле се създава от електрическия ток в соленоида - колкото по-силен е токът, толкова по-голямо е полето. Невъзможно е обаче да увеличите тока за неопределено време, при много висок ток проводникът на соленоида просто ще започне да се топи. Следователно, за много дълго време ЯМР спектрометрите с високо поле са използвали свръхпроводящи магнити, т.е. магнити, в които соленоидният проводник е в свръхпроводящо състояние. В този случай електрическото съпротивление на проводника е нула и не се отделя енергия при никаква стойност на тока. Свръхпроводящото състояние може да се постигне само при много ниски температури, само няколко градуса по Келвин, температурата на течния хелий. (Високотемпературната свръхпроводимост все още е област на чисто фундаментални изследвания.) Именно с поддържането на такава ниска температура са свързани всички технически трудности при проектирането и производството на магнитите, които ги правят скъпи. Свръхпроводящият магнит е изграден на принципа на термос-матрьошка. Соленоидът се намира в центъра, във вакуумната камера. Той е заобиколен от обвивка, съдържаща течен хелий. Тази обвивка е заобиколена от обвивка от течен азот през вакуумен слой. Температурата на течния азот е минус 196 градуса по Целзий; азотът е необходим, за да се гарантира, че хелият се изпарява възможно най-бавно. Накрая, азотната обвивка е изолирана от стайна температура чрез външен вакуумен слой. Такава система е в състояние да поддържа желаната температура на свръхпроводящ магнит за много дълго време, въпреки че това изисква редовно добавяне на течен азот и хелий към магнита. Предимството на такива магнити, в допълнение към възможността за получаване на силни магнитни полета, е също така, че те не консумират енергия: след стартиране на магнита, токът преминава през свръхпроводящи проводници без почти никакви загуби в продължение на много години.
8. Томография
В конвенционалните NMR спектрометри те се опитват да направят магнитното поле възможно най-равномерно, това е необходимо за подобряване на спектралната разделителна способност. Но ако магнитното поле вътре в пробата, напротив, се направи много нехомогенно, това отваря фундаментално нови възможности за използването на ЯМР. Нееднородността на полето се създава от така наречените градиентни намотки, които работят в тандем с основния магнит. В този случай големината на магнитното поле в различните части на пробата ще бъде различна, което означава, че ЯМР сигналът може да се наблюдава не от цялата проба, както в конвенционален спектрометър, а само от нейния тесен слой, за който условията за резонанс са изпълнени, т.е. желаната връзка между магнитното поле и честотата. Чрез промяна на големината на магнитното поле (или, което по същество е същото, честотата на наблюдение на сигнала), можете да промените слоя, който ще генерира сигнала. По този начин е възможно да се „сканира“ пробата в целия й обем и да се „види“ нейната вътрешна триизмерна структура, без да се унищожи пробата по механичен начин. Към днешна дата са разработени голям брой техники, които правят възможно измерването на различни ЯМР параметри (спектрални характеристики, времена на магнитна релаксация, скорост на самодифузия и някои други) с пространствена разделителна способност вътре в пробата. Най-интересното и важно от практическа гледна точка приложение на ЯМР томографията е намерено в медицината. В този случай "образецът", който се изследва, е човешкото тяло. ЯМР изобразяването е един от най-ефективните и безопасни (но и скъпи) диагностични инструменти в различни области на медицината, от онкологията до акушерството. Интересно е да се отбележи, че лекарите не използват думата „ядрен” в името на този метод, тъй като някои пациенти го свързват с ядрените реакции и атомната бомба.
9. История на откритието
За година на откриване на ЯМР се счита 1945 г., когато американците Феликс Блок от Станфорд и независимо от него Едуард Пърсел и Робърт Паунд от Харвард за първи път наблюдават ЯМР сигнал върху протони. По това време вече се знаеше много за природата на ядрения магнетизъм, самият ЯМР ефект беше теоретично предсказан и бяха направени няколко опита да се наблюдава експериментално. Важно е да се отбележи, че година по-рано в Съветския съюз, в Казан, феноменът EPR е открит от Евгений Завойски. Вече е добре известно, че Завойски също е наблюдавал ЯМР сигнала, това е било преди войната, през 1941 г. Той обаче имаше на разположение нискокачествен магнит с лоша еднородност на полето; резултатите бяха слабо възпроизводими и затова останаха непубликувани. За да бъдем честни, трябва да се отбележи, че Завойски не е единственият, който е наблюдавал ЯМР преди неговото „официално“ откритие. По-специално, американският физик Изидор Раби (носител на Нобелова награда през 1944 г. за изследването си на магнитните свойства на ядрата в атомни и молекулни лъчи) също наблюдава ЯМР в края на 30-те години, но го смята за инструментален артефакт. По един или друг начин страната ни запазва приоритет в експерименталното откриване на магнитен резонанс. Въпреки че самият Завойски започва да се занимава с други проблеми скоро след войната, откритието му изиграва огромна роля в развитието на науката в Казан. Казан все още остава един от водещите световни научни центрове за EPR спектроскопия.
10. Нобелови награди за магнитен резонанс
През първата половина на 20-ти век бяха присъдени няколко Нобелови награди на учени, без чиято работа откриването на ЯМР не би могло да се осъществи. Сред тях са Петер Зееман, Ото Щерн, Изидор Раби, Волфганг Паули. Но имаше четири Нобелови награди, пряко свързани с ЯМР. През 1952 г. наградата е присъдена на Феликс Блок и Едуард Пърсел за откриването на ядрено-магнитния резонанс. Това е единствената Нобелова награда за ЯМР по физика. През 1991 г. наградата по химия получава швейцарецът Ричард Ернст, който е работил в известния ETH в Цюрих. Присъдена му е за разработването на многомерни методи за ЯМР спектроскопия, които позволяват радикално увеличаване на информационното съдържание на ЯМР експериментите. През 2002 г. носител на наградата, също по химия, беше Курт Вютрих, който работеше с Ернст в съседни сгради на същото техническо училище. Той получи наградата за разработване на методи за определяне на триизмерната структура на протеини в разтвор. Преди това единственият метод за определяне на пространствената конформация на големи биомакромолекули беше рентгеновият дифракционен анализ. И накрая, през 2003 г. американецът Пол Лаутербър и англичанинът Питър Мансфийлд получиха медицинската награда за изобретяването на ЯМР томографията. Съветският откривател на ЕПР Е. К. Завойски, уви, не получи Нобелова награда.
Спектроскопията с ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) е най-мощният инструмент за изясняване на структурата на органичните вещества. При този вид спектроскопия изследваната проба се поставя в магнитно поле и се облъчва с радиочестотно електромагнитно лъчение.
(щракнете, за да видите сканиране)
Ориз. 11-13. Протони в магнитно поле: а - при липса на магнитно поле; b - във външно магнитно поле; c - във външно магнитно поле след абсорбция на радиочестотно лъчение (завъртанията заемат по-високо енергийно ниво)
радиация. Водородните атоми в различни части на молекулата поглъщат радиация с различни дължини на вълната (честоти). При определени условия други атоми също могат да абсорбират радиочестотно лъчение, но ние ще се ограничим до разглеждането на спектроскопията на водородните атоми като най-важния и често срещан тип ЯМР спектроскопия.
Ядрото на водородния атом се състои от един протон. Този протон се върти около оста си и като всеки въртящ се зареден обект е магнит. При отсъствието на външно магнитно поле спиновете на протоните са произволно ориентирани, но в магнитно поле са възможни само две спинови ориентации (фиг. 11-13), които се наричат спинови състояния. Спиновите състояния, в които магнитният момент (показан със стрелката) е ориентиран по протежение на полето, имат малко по-ниска енергия от спиновите състояния, в които магнитният момент е ориентиран срещу полето. Енергийната разлика между двете спинови състояния съответства на енергията на фотон от радиочестотно излъчване. Когато това лъчение въздейства върху изследваната проба, протоните преминават от по-ниско енергийно ниво към по-високо и енергията се абсорбира.
Водородните атоми в една молекула са в различни химични среди. Някои са част от метилови групи, други са свързани с кислородни атоми или бензенов пръстен, трети са разположени до двойни връзки и т.н. Тази малка разлика в електронната среда е достатъчна, за да промени енергийната разлика между спиновите състояния и, следователно, честота на абсорбираната радиация.
ЯМР спектърът възниква в резултат на абсорбцията на радиочестотно лъчение от вещество, намиращо се в магнитно поле. ЯМР спектроскопията позволява да се прави разлика между водородните атоми в молекула, които са в различни химически среди.
ЯМР спектри
При сканиране на честотата на излъчване при определени честотни стойности се наблюдава поглъщане на радиация от водородни атоми в молекулата; специфичната стойност на честотата на поглъщане зависи от средата на атомите
Ориз. 11-14. Типичен ЯМР спектър: а - спектър; b - интегрална крива, даваща площта на пика
водород. Знаейки в коя област на спектъра се намират пиковете на абсорбция на определени видове водородни атоми, е възможно да се направят определени заключения за структурата на молекулата. На фиг. Фигури 11-14 показват типичен ЯМР спектър на вещество, в което има три вида водородни атоми. Позицията на сигналите върху скалата за химическо изместване 5 се измерва в части на милион (ppm) от радиочестотата. Обикновено всички сигнали се намират в областта на фиг. 11-14, химичните отмествания на сигналите са 1,0, 3,5 и Дясната част на спектъра се нарича област с високо поле, а лявата се нарича област с ниско поле. В ЯМР спектрите пиковете традиционно се показват насочени нагоре, а не надолу, както в ИЧ спектрите.
За да се интерпретира спектърът и да се получи структурна информация от него, са важни три вида спектрални параметри:
1) позиция на сигнала върху скалата (характеризира вида на водородния атом);
2) зона на сигнала (характеризира броя на водородните атоми от даден тип);
3) множественост (форма) на сигнала (характеризира броя на близко разположените водородни атоми от други видове).
Нека разгледаме по-отблизо тези параметри, използвайки примера на спектъра на хлороетан (фиг. 11-15). Първо, нека обърнем внимание на позицията на сигналите в спектъра или, с други думи, на стойностите на химичните отмествания. Сигнал a (протоните на групата са при 1,0 ppm, което
Ориз. 11-15. ЯМР спектър на хлоретан
(виж сканиране)
показва, че тези водородни атоми не са разположени до електроотрицателен атом, докато изместването на сигнала b (протони от група ) е. Стойностите на химичните отмествания на често срещаните групи трябва да се запомнят по същия начин като честотите на абсорбционни ленти в IR спектрите. Най-важните химични смени са дадени в табл. 11-2.
След това анализираме площта на пиковете, която е пропорционална на броя на водородните атоми от даден тип. На фиг. 11-15 относителни области са обозначени с числа в скоби. Те се определят с помощта на интегралната крива, разположена над спектъра. Площта на сигнала е пропорционална на височината на „стъпалото” на интегралната крива. В обсъждания спектър съотношението на площите на сигнала е 2:3, което съответства на съотношението на броя на метиленовите протони към броя на метиловите протони
И накрая, разгледайте формата или структурата на сигналите, която обикновено се нарича множество. Сигналът на метиловата група е триплет (три пика), докато сигналът на метиленовата група е четири пика (квартет). Множеството предоставя информация за това колко водородни атома са свързани със съседен въглероден атом. Броят на пиковете в мултиплет винаги е с единица по-голям от броя на водородните атоми на съседния въглероден атом (Таблица 11-3).
Така, ако в спектъра има единичен сигнал, това означава, че молекулата на веществото включва група водородни атоми, в близост до които няма други водородни атоми. В спектъра на фиг. 11-15 сигналът на мегиловата група е триплет. Това означава, че има два водородни атома, съседни на въглеродния атом.
По същия начин сигналът на метиленовата група е квартет, защото има три водородни атома в съседство.
Полезно е да научите как да прогнозирате очаквания NMR спектър въз основа на структурната формула на дадено вещество. След като усвоите тази процедура, лесно можете да преминете към решаването на обратната задача - установяване на структурата на веществото от неговия ЯМР спектър. По-долу ще видите примери за прогнозиране на спектри въз основа на структура. След това ще бъдете помолени да интерпретирате спектрите, за да определите структурата на неизвестното вещество.
Прогнозиране на ЯМР спектри въз основа на структурна формула
За да предвидите NMR спектрите, следвайте тези процедури.
1. Начертайте пълната структурна формула на веществото.
2. Оградете еквивалентните водородни атоми. Определете броя на водородните атоми от всеки тип.
3. Използване на таблицата. 11-2 (или вашата памет), определете приблизителните стойности на химичните отмествания на сигналите на всеки тип водороден атом.
(щракнете, за да видите сканиране)
