ЧЗВ: Ядрено-магнитен резонанс. Метод на магнитно-резонансна ЯМР спектроскопия

1. Същността 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 с трансформация 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 вълнуващ 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 14 N 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, а 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 магнити, 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.

Ядрено-магнитен резонанс

VC. Воронов

Иркутски държавен технически университет

ВЪВЕДЕНИЕ

Доскоро нашето разбиране за структурата на атомите и молекулите се основаваше на изследвания, използващи оптична спектроскопия. Във връзка с усъвършенстването на спектралните методи, които разшириха полето на спектроскопските измервания в обхвата на свръхвисоки (приблизително 10^3 – 10^6 MHz; микрорадиовълни) и високи честоти (приблизително 10^(-2) – 10^2 MHz; радиовълни), появиха се нови източници на информация за структурата на материята. При поглъщане и излъчване на радиация в този честотен диапазон протича същият основен процес, както и в другите диапазони на електромагнитния спектър, а именно, когато преминава от едно енергийно ниво към друго, системата абсорбира или излъчва квант енергия.

Разликата в енергийните нива и енергията на квантите, участващи в тези процеси, е около 10^(-7) eV за радиочестотната област и около 10^(-4) eV за свръхвисоките честоти. При два вида радиоспектроскопия, а именно ядрено-магнитен резонанс (NMR) и ядрен квадруполен резонанс (NQR) спектроскопия, разликата в енергиите на нивата е свързана съответно с различни ориентации на магнитните диполни моменти на ядрата в приложено магнитно поле и електрически квадруполни моменти на ядрата в молекулни електрически полета, ако последните не са сферично симетрични.

Съществуването на ядрени моменти е открито за първи път чрез изследване на свръхфината структура на електронните спектри на определени атоми с помощта на оптични спектрометри с висока разделителна способност.

Под въздействието на външно магнитно поле, магнитните моменти на ядрата се ориентират по определен начин и става възможно да се наблюдават преходи между нивата на ядрена енергия, свързани с тези различни ориентации: преходи, които възникват под въздействието на излъчване с определена честота. Квантуването на нивата на ядрената енергия е пряко следствие от квантовата природа на ъгловия момент на ядрото, като 2 аз+ 1 стойности. Квантовото число на въртене (завъртане) I може да приеме произволна стойност, кратна на 1/2; най-високата известна стойност аз(> 7) има Lu. Най-голямата измерима стойност на ъгловия момент (най-голямата стойност на проекцията на момента върху избраната посока) е равна на i ћ , Където ћ = h /2 π , А ч- Константата на Планк.

Стойности азне може да се предскаже за конкретни ядра, но е отбелязано, че изотопите, в които както масовото, така и атомното число са дори аз= 0, а изотопите с нечетни масови числа имат полуцели спинови стойности. Това е ситуацията, когато броят на протоните и неутроните в ядрото е четен и равен ( аз= 0), може да се разглежда като състояние с „пълно сдвояване“, аналогично на пълното сдвояване на електрони в диамагнитна молекула.

В края на 1945 г. две групи американски физици, ръководени от Ф. Блок (Университет Станфор) и Е.М. Пърсел (Харвардски университет) са първите, които получават сигнали от ядрено-магнитен резонанс. Блок наблюдава резонансна абсорбция на протони във вода, а Пърсел успява да открие ядрен резонанс на протони в парафин. За това откритие те са удостоени с Нобелова награда през 1952 г.

Същността на явлението ЯМР и неговите отличителни черти са описани по-долу.

ЯМР СПЕКТРОСКОПИЯ С ВИСОКА РЕЗОЛЮЦИЯ

Същността на явлението ЯМР

Същността на явлението ЯМР може да се илюстрира по следния начин. Ако ядро ​​с магнитен момент се постави в еднородно поле н 0 , насочена по оста z, тогава нейната енергия (спрямо енергията при липса на поле) е равна на μ z H 0, Където μ z, е проекцията на ядрения магнитен момент върху посоката на полето.

Както вече беше отбелязано, ядрото може да бъде разположено в 2 аз+ 1 държави. При липса на външно поле H 0 всички тези състояния имат еднаква енергия. Ако означим най-голямата измерима стойност на компонента на магнитния момент с μ , тогава всички измерими стойности на компонента на магнитния момент (в този случай μ z,) се изразяват във формата m μ, Където м– квантово число, което може да приема, както е известно, стойности

m= аз, аз- 1,аз- 2...-(аз- 1),-аз

Тъй като разстоянието между енергийните нива, съответстващи на всяко от 2 аз+ 1 състояние, равно м н 0 /И, след това ядрото със спин азима дискретни енергийни нива

- μ H0,-(I-1)μ z H 0 /I,..., (I-1)μ z H 0 /аз, μ H0.

Разделянето на енергийните нива в магнитно поле може да се нарече ядрено разделяне на Zeeman, тъй като е подобно на разделянето на електронни нива в магнитно поле (ефект на Zeeman). Разделянето на Zeeman е илюстрирано на фиг. 1 за система с аз= 1 (с три енергийни нива).

Ориз. 1. Зееманово разделяне на нивата на ядрена енергия в магнитно поле.

Феноменът ЯМР се състои от резонансно поглъщане на електромагнитна енергия, дължащо се на магнетизма на ядрата. Това води до очевидното наименование на явлението: ядрен - говорим за система от ядра, магнитен - имаме предвид само техните магнитни свойства, резонанс - самото явление има резонансен характер. Наистина, от честотните правила на Бор следва, че честотата ν на електромагнитното поле, причиняващо преходи между съседни нива, се определя от формулата

, (1)

Тъй като векторите на ъгловия момент (ъгловият импулс) и магнитния момент са успоредни, често е удобно да се характеризират магнитните свойства на ядрата чрез стойността γ, определена от съотношението

, (2)

Където γ е жиромагнитното съотношение, което има размерността радиан * ерстед^(- 1) * секунда^(- 1) (рад * E^(- 1) * s*(- 1) ) или радиан/(ерстед * секунда) (rad/ (E*s)). Като вземем това предвид, намираме

, (3)

По този начин честотата е пропорционална на приложеното поле.

Ако като типичен пример вземем стойността на γ за протон, равна на 2,6753 * 10:4 rad / (E * s), и H 0 = 10 000 Oe, тогава резонансната честота

Такава честота може да се генерира чрез конвенционални радиотехнически методи.

ЯМР спектроскопията се характеризира с редица характеристики, които я отличават от другите аналитични методи. Около половината (~150) от ядрата на известните изотопи имат магнитни моменти, но само малка част от тях се използват систематично.

Преди появата на импулсните спектрометри, повечето изследвания бяха проведени с помощта на феномена на ЯМР върху водородни ядра (протони) 1 H (протонен магнитен резонанс - PMR) и флуор 19 F. Тези ядра имат идеални свойства за NMR спектроскопия:

Високо естествено съдържание на „магнитния“ изотоп ( 1Н 99,98%, 19 F 100%); За сравнение може да се спомене, че естественото съдържание на „магнитния“ изотоп на въглерода 13С е 1.1%;

Голям магнитен момент;

Завъртете аз = 1/2.

Това преди всичко определя високата чувствителност на метода при откриване на сигнали от горните ядра. Освен това съществува теоретично строго обосновано правило, според което електрически квадруполен момент имат само ядра със спин, равен или по-голям от единица. Следователно ЯМР експериментите 1 Н и 19 F не се усложняват от взаимодействието на ядрения квадруполен момент на ядрото с електрическата среда. Голям брой произведения са посветени на резонанса върху други (освен това 1 Н и 19 F) ядра като 13 C, 31 P, 11 B, 17 O в течната фаза (същото като на ядра 1 1 H и 19 F).

Въвеждането на импулсни ЯМР спектрометри в ежедневната практика значително разшири експерименталните възможности на този вид спектроскопия. По-специално запис на ЯМР спектри 13 Разтворите на C - най-важният изотоп за химията - сега е почти обичайна процедура. Също така стана обичайно да се откриват сигнали от ядра, чийто интензитет на ЯМР сигналите е многократно по-нисък от интензитета на сигналите от 1 H, включително в твърдата фаза.

ЯМР спектрите с висока разделителна способност обикновено се състоят от тесни, добре разделени линии (сигнали), съответстващи на магнитни ядра в различни химически среди. Интензитетите (площите) на сигналите при запис на спектрите са пропорционални на броя на магнитните ядра във всяка група, което прави възможно провеждането на количествен анализ с помощта на NMR спектри без предварително калибриране.

Друга особеност на ЯМР е влиянието на обменните процеси, в които участват резониращи ядра, върху позицията и ширината на резонансните сигнали. По този начин природата на такива процеси може да бъде изследвана от ЯМР спектрите. ЯМР линиите в спектрите на течности обикновено имат ширина от 0,1 - 1 Hz (ЯМР с висока разделителна способност), докато същите ядра, изследвани в твърдата фаза, ще причинят появата на линии с ширина от порядъка на 1 * 10^ 4 Hz (оттук и концепцията за ЯМР широки линии).

В ЯМР спектроскопията с висока разделителна способност има два основни източника на информация за структурата и динамиката на молекулите:

Химическа промяна;

Константи на спин-спин взаимодействие.

Химическа промяна

В реални условия резониращите ядра, чиито NMR сигнали се откриват, са неразделна част от атоми или молекули. При поставяне на изпитваните вещества в магнитно поле ( з 0 ) възниква диамагнитен момент на атоми (молекули), причинен от орбиталното движение на електроните. Това движение на електрони образува ефективни токове и следователно създава вторично магнитно поле, пропорционално на полето според закона на Ленц з 0 и в обратна посока. Това вторично поле действа върху ядрото. По този начин локалното поле на мястото, където се намира резонансното ядро, е

, (4)

Където σ е безразмерна константа, наречена екранираща константа и независима от з 0 , но силно зависим от химическата (електронна) среда; характеризира намаление Хлокв сравнение с з 0 .

величина σ варира от стойност от порядъка на 10^(- 5) за протон до стойности от порядъка на 10^(- 2) за тежки ядра. Като се има предвид изразът за Хлокние имаме

, (5)

Екраниращ ефектсе състои в намаляване на разстоянието между нивата на ядрената магнитна енергия или, с други думи, води до сближаване на нивата на Zeeman (фиг. 2). В този случай енергийните кванти, причиняващи преходи между нивата, стават по-малки и следователно възниква резонанс при по-ниски честоти (виж израз (5)). Ако проведете експеримент, като промените полето з 0 докато настъпи резонанс, силата на приложеното поле трябва да бъде по-голяма, отколкото в случая, когато сърцевината не е екранирана.

Ориз. 2. Влиянието на електронното екраниране върху нивата на Зееман на ядрото: а – неекранирано, б – екранирано.

В по-голямата част от ЯМР спектрометрите спектрите се записват, когато полето се променя отляво надясно, така че сигналите (пиковете) на най-екранираните ядра трябва да са от дясната страна на спектъра.

Изместването на сигнала в зависимост от химическата среда, дължащо се на разликите в екраниращите константи, се нарича химическо изместване.

Откриването на химическото изместване е съобщено за първи път в няколко публикации между 1950 и 1951 г. Сред тях е необходимо да се подчертае работата на Арнолд и съавтори (1951), които получават първия спектър с отделни линии, съответстващи на химически различни позиции на идентични ядра 1 Н в една молекула. Говорим за етилов алкохол СН 3 CH 2 OH, типичен NMR спектър 1 H, от които при ниска разделителна способност е показано на фиг. 3.

Ориз. 3. Протонен резонансен спектър на течен етилов алкохол, взет при ниска разделителна способност.

В тази молекула има три вида протони: три протона от метиловата група CH 3 –, два протона от метиленовата група –CH 2 – и един протон от хидроксилната група –OH. Може да се види, че три отделни сигнала съответстват на три вида протони. Тъй като интензитетът на сигнала е в съотношение 3: 2: 1, декодирането на спектъра (присвояването на сигнала) не е трудно.

Тъй като химическите отмествания не могат да бъдат измерени в абсолютна скала, тоест спрямо ядро, лишено от всичките си електрони, сигналът на референтното съединение се използва като референтна нула. Обикновено стойностите на химичното отместване за всяко ядро ​​се дават под формата на безразмерен параметър 8, дефиниран както следва:

, (6)

Където з- Нее разликата в химичните отмествания за изследваната проба и стандарта, Не– абсолютна позиция на опорния сигнал с приложено поле з 0 .

В реални експериментални условия е възможно да се измери по-точно честотата, отколкото полето, така че δ обикновено се намира от израза

, (7)

Където ν - ν етаже разликата в химичните отмествания за пробата и стандарта, изразена в честотни единици (Hz); ЯМР спектрите обикновено се калибрират в тези единици.

Строго погледнато, човек не трябва да използва ν 0 – работната честота на спектрометъра (обикновено е фиксирана) и честотата ν етаж, тоест абсолютната честота, при която се наблюдава резонансният сигнал на стандарта. Въпреки това, грешката, въведена от такава замяна, е много малка, тъй като ν 0 И ν етажпочти равни (разликата е 10^ (-5), т.е. по сумата σ за протон). Тъй като различните ЯМР спектрометри работят на различни честоти ν 0 (и следователно за различни области з 0 ), необходимостта от изразяване е очевидна δ в безразмерни единици.

Единицата химическо изместване се приема за една милионна от силата на полето или резонансната честота (ppm). В чуждестранната литература това съкращение съответства на ppm (части на милион). За повечето ядра, които изграждат диамагнитни съединения, обхватът на химическите отмествания на техните сигнали е стотици и хиляди ppm, достигайки 20 000 ppm. в случай на ЯМР 59 Co (кобалт). В спектрите 1 Сигналите на протон Н на преобладаващата част от съединенията са в диапазона 0 – 10 ppm.

Спин-спин взаимодействие

През 1951 - 1953 г. при записване на ЯМР спектрите на редица течности беше открито, че спектрите на някои вещества имат повече линии, отколкото следва от простата оценка на броя на нееквивалентните ядра. Един от първите примери е резонансът на флуора в молекулата POCl 2 F. Спектър 19 F се състои от две линии с еднакъв интензитет, въпреки че в молекулата има само един флуорен атом (фиг. 4). Молекулите на други съединения дават симетрични мултиплетни сигнали (триплети, квартети и т.н.).

Друг важен фактор, установен в такива спектри, е, че разстоянието между линиите, измерено по честотна скала, е независимо от приложеното поле з 0 , вместо да бъде пропорционален на него, какъвто би бил случаят, ако множествеността възникне поради разлики в скрининговите константи.

Ориз. 4. Дублет в резонансния спектър на флуорните ядра в молекулата POCl 2F

Рамзи и Пърсел през 1952 г. са първите, които обясняват това взаимодействие, показвайки, че то се дължи на индиректен комуникационен механизъм през електронната среда. Ядреният спин има тенденция да ориентира спиновете на електроните около дадено ядро. Те от своя страна ориентират спиновете на други електрони и чрез тях спиновете на други ядра. Енергията на спин-спиновото взаимодействие обикновено се изразява в херци (т.е. константата на Планк се приема като единица енергия въз основа на факта, че E = h ν ). Ясно е, че няма нужда (за разлика от химическото изместване) да се изразява в относителни единици, тъй като обсъжданото взаимодействие, както беше отбелязано по-горе, не зависи от силата на външното поле. Големината на взаимодействието може да се определи чрез измерване на разстоянието между компонентите на съответния мултиплет.

Най-простият пример за разделяне поради спин-спиново свързване, който може да се срещне, е резонансният спектър на молекула, съдържаща два типа магнитни ядра А и X. Ядрата А и X могат да представляват различни ядра или ядра от един и същ изотоп (напр. , 1 H) в случай, че химичните отмествания между техните резонансни сигнали са големи.

Ориз. 5. Изглед на ЯМР спектъра на система, състояща се от магнитни ядра А и Х със спин I = 1/2когато условието е изпълнено δ AX > J AX.

На фиг. Фигура 5 показва как изглежда ЯМР спектърът, ако и двете ядра, тоест А и Х, имат спин 1/2. Разстоянието между компонентите във всеки дублет се нарича константа на спин-спин свързване и обикновено се означава като J (Hz); в този случай това е константата J AH.

Появата на дублети се дължи на факта, че всяко ядро ​​разделя резонансните линии на съседното ядро ​​на 2I+1компонент. Енергийните разлики между различните спинови състояния са толкова малки, че при термично равновесие вероятностите за тези състояния, в съответствие с разпределението на Болцман, се оказват почти равни. Следователно интензитетите на всички линии на мултиплета в резултат на взаимодействие с едно ядро ​​ще бъдат равни. В случай че има неквивалентни ядра (т.е. еднакво екранирани, така че техните сигнали имат еднакво химично изместване), резонансният сигнал на съседното ядро ​​се разделя на 2nI + 1линии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Скоро след откриването на явлението ЯМР в кондензирана материя става ясно, че ЯМР ще бъде в основата на мощен метод за изследване на структурата на материята и нейните свойства. Наистина, когато изучаваме ЯМР спектрите, ние използваме като резонираща система система от ядра, които са изключително чувствителни към магнитната среда. Локалните магнитни полета в близост до резониращо ядро ​​зависят от вътрешно- и междумолекулни ефекти, което определя стойността на този вид спектроскопия за изследване на структурата и поведението на многоелектронни (молекулни) системи.

Понастоящем е трудно да се посочи област от естествените науки, където ЯМР не се използва в една или друга степен. Методите на ЯМР спектроскопия се използват широко в химията, молекулярната физика, биологията, агрономията, медицината, при изследването на природни образувания (слюда, кехлибар, полускъпоценни камъни, горими минерали и други минерални суровини), т.е. в такива научни области. в който се изучава структурата на материята, нейната молекулна структура, природата на химичните връзки, междумолекулните взаимодействия и различните форми на вътрешно движение.

ЯМР методите се използват все по-широко за изследване на технологичните процеси във фабричните лаборатории, както и за наблюдение и регулиране на хода на тези процеси в различни технологични комуникации директно в производството. Изследванията през последните петдесет години показват, че методите на магнитния резонанс могат да открият смущения в биологичните процеси на много ранен етап. Разработени са и се произвеждат инсталации за изследване на цялото човешко тяло с помощта на магнитно-резонансни методи (методи на ЯМР томография).

Що се отнася до страните от ОНД и преди всичко Русия, методите на магнитния резонанс (особено ЯМР) вече са заели силно място в изследователските лаборатории на тези страни. В различни градове (Москва, Новосибирск, Казан, Талин, Санкт Петербург, Иркутск, Ростов на Дон и др.) Възникнаха научни школи, използващи тези методи със свои оригинални проблеми и подходи за тяхното решаване.

1. Pople J., Schneider W., Bernstein G. Спектри на ядрено-магнитен резонанс с висока разделителна способност. М.: IL, 1962. 292 с.

2. Карингтън А., Маклаклан Е. Магнитен резонанс и приложението му в химията. М.: Мир, 1970. 447 с.

3. Bovi F.A. ЯМР с висока разделителна способност на макромолекули , М.: Химия, 1977. 455 с.

4. Heberlen U., Mehring M. ЯМР с висока разделителна способност в твърди вещества. М.: Мир, 1980. 504 с.

5. Сликтер Ч. Основи на теорията на магнитния резонанс. М.: Мир, 1981. 448 с.

6. Йонин B.I., Ершов B.A., Колцов A.I. ЯМР спектроскопия в органичната химия. Л.: Химия, 1983. 269 с.

7. Воронов В.К. Методи на парамагнитни добавки в ЯМР спектроскопия. Новосибирск: Наука, 1989. 168 с.

8. Ernst R., Bodenhausen J., Vokaun A. NMR в едно и две измерения. М.: Мир, 1990. 709 с.

9. Deroum E. Съвременни ЯМР методи за химични изследвания. М.: Мир, 1992. 401 с.

10. Воронов В.К., Сагдеев Р.З. Основи на магнитния резонанс. Иркутск: Вост.-Сиб. Книга издателство, 1995 г.352 с.

Спектроскопията с ядрено-магнитен резонанс е един от най-разпространените и много чувствителни методи за определяне на структурата на органичните съединения, позволявайки да се получи информация не само за качествения и количествения състав, но и за местоположението на атомите един спрямо друг. Различните NMR техники имат много възможности за определяне на химическата структура на веществата, състояния на потвърждение на молекулите, ефекти на взаимно влияние и вътрешномолекулни трансформации.

Методът на ядрено-магнитния резонанс има редица отличителни черти: за разлика от оптичните молекулни спектри, абсорбцията на електромагнитно излъчване от веществото се извършва в силно равномерно външно магнитно поле. Освен това, за провеждане на ЯМР изследване, експериментът трябва да отговаря на редица условия, отразяващи общите принципи на ЯМР спектроскопията:

1) записването на ЯМР спектри е възможно само за атомни ядра със собствен магнитен момент или така наречените магнитни ядра, в които броят на протоните и неутроните е такъв, че масовият брой на изотопните ядра е нечетен. Всички ядра с нечетно масово число имат спин I, чиято стойност е 1/2. Така че за ядра 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R стойността на въртене е равна на 1/2, за ядра 7 Li, 23 Na, 39 K и 4 l R спинът е равен на 3/2 . Ядрата с четен масов номер или изобщо нямат спин, ако ядреният заряд е четен, или имат цели стойности на спин, ако зарядът е нечетен. Само онези ядра, чийто спин е I 0, могат да произведат ЯМР спектър.

Наличието на спин е свързано с циркулацията на атомния заряд около ядрото, следователно възниква магнитен момент μ . Въртящ се заряд (например протон) с ъглов момент J създава магнитен момент μ=γ*J . Ъгловият ядрен момент J и магнитният момент μ, възникващи по време на въртене, могат да бъдат представени като вектори. Тяхното постоянно отношение се нарича жиромагнитно отношение γ. Именно тази константа определя резонансната честота на сърцевината (фиг. 1.1).

Фигура 1.1 - Въртящ се заряд с ъглов момент J създава магнитен момент μ=γ*J.

2) ЯМР методът изследва абсорбцията или излъчването на енергия при необичайни условия на формиране на спектъра: за разлика от други спектрални методи. ЯМР спектърът се записва от вещество, намиращо се в силно равномерно магнитно поле. Такива ядра във външно поле имат различни стойности на потенциална енергия в зависимост от няколко възможни (квантувани) ъгли на ориентация на вектора μ спрямо вектора на силата на външното магнитно поле H 0 . При липса на външно магнитно поле, магнитните моменти или спинове на ядрата нямат определена ориентация. Ако магнитни ядра със спин 1/2 се поставят в магнитно поле, тогава някои от ядрените спинове ще бъдат разположени успоредно на линиите на магнитното поле, другата част антипаралелно. Тези две ориентации вече не са енергийно еквивалентни и се казва, че завъртанията са разпределени на две енергийни нива.

Завъртанията с магнитен момент, ориентиран по полето +1/2, се обозначават със символа | α >, с ориентация, антипаралелна на външното поле -1/2 - символ | β > (фиг. 1.2) .

Фигура 1.2 - Образуване на енергийни нива при прилагане на външно поле H 0.

1.2.1 ЯМР спектроскопия на 1 Н ядра Параметри на PMR спектрите.

За дешифриране на данните от 1H NMR спектрите и присвояване на сигнали се използват основните характеристики на спектрите: химично отместване, константа на спин-спин взаимодействие, интегриран интензитет на сигнала, ширина на сигнала [57].

A) Химично изместване (C.C). скала H.S Химичното отместване е разстоянието между този сигнал и сигнала на референтното вещество, изразено в части на милион от силата на външното поле.

Тетраметилсилан [TMS, Si(CH 3) 4], съдържащ 12 структурно еквивалентни, силно екранирани протони, най-често се използва като стандарт за измерване на химичните отмествания на протоните.

B) Константа на спин-спиново взаимодействие. В ЯМР спектрите с висока разделителна способност се наблюдава разделяне на сигнала. Това разделяне или фина структура в спектрите с висока разделителна способност е резултат от спин-спин взаимодействия между магнитните ядра. Това явление, заедно с химическото изместване, служи като най-важният източник на информация за структурата на сложните органични молекули и разпределението на електронния облак в тях. Не зависи от H0, а зависи от електронната структура на молекулата. Сигналът на магнитно ядро, взаимодействащо с друго магнитно ядро, се разделя на няколко линии в зависимост от броя на спиновите състояния, т.е. зависи от спиновете на ядрото I.

Разстоянието между тези линии характеризира спин-спиновата свързваща енергия между ядрата и се нарича спин-спинова константа на свързване n J, където н- броят на връзките, които разделят взаимодействащите ядра.

Има директни константи J HH, геминални константи 2 J HH , вицинални константи 3 J HH и някои константи за дълъг обхват 4 J HH , 5 J HH .

- геминалните константи 2 J HH могат да бъдат както положителни, така и отрицателни и заемат диапазона от -30 Hz до +40 Hz.

Вициналните константи 3 J HH заемат диапазона 0 20 Hz; почти винаги са положителни. Установено е, че вициналното взаимодействие в наситени системи много силно зависи от ъгъла между въглерод-водородните връзки, т.е. от двустенния ъгъл - (фиг. 1.3).

Фигура 1.3 - Двустенен ъгъл φ между въглерод-водородни връзки.

Спин-спин взаимодействие на дълги разстояния (4 J HH , 5 J HH ) - взаимодействие на две ядра, разделени с четири или повече връзки; константите на такова взаимодействие обикновено са от 0 до +3 Hz.

Таблица 1.1 – Константи на спин-спин взаимодействие

B) Интегриран интензитет на сигнала. Площта на сигналите е пропорционална на броя на магнитните ядра, резониращи при дадена сила на полето, така че съотношението на площите на сигналите дава относителния брой протони на всяка структурна разновидност и се нарича интегриран интензитет на сигнала. Съвременните спектрометри използват специални интегратори, чиито показания се записват под формата на крива, чиято височина на стъпките е пропорционална на площта на съответните сигнали.

Г) Ширина на линиите. За да се характеризира ширината на линиите, е обичайно да се измерва ширината на разстояние половината от височината от нулевата линия на спектъра. Експериментално наблюдаваната ширина на линията се състои от естествената ширина на линията, която зависи от структурата и подвижността, и разширяването поради инструментални причини

Обичайната ширина на линията в PMR е 0,1-0,3 Hz, но може да се увеличи поради припокриването на съседни преходи, които не съвпадат точно, но не се разрешават като отделни линии. Разширяването е възможно при наличие на ядра със спин по-голям от 1/2 и химичен обмен.

1.2.2 Приложение на 1Н NMR данни за определяне на структурата на органичните молекули.

При решаването на редица проблеми на структурния анализ, в допълнение към таблиците с емпирични стойности, Kh.S. Може да е полезно да се определят количествено ефектите на съседните заместители върху Ch.S. съгласно правилото за адитивност на ефективните скринингови вноски. В този случай обикновено се вземат предвид заместители, които са отдалечени от даден протон на не повече от 2-3 връзки, и изчислението се извършва по формулата:

δ=δ 0 +ε i *δ i (3)

където δ 0 е химическото изместване на протоните от стандартната група;

δi е приносът на скрининга от заместителя.

1.3 ЯМР спектроскопия 13 С. Получаване и режими на запис на спектри.

Първите съобщения за наблюдение на 13 C NMR се появяват през 1957 г., но превръщането на 13 C NMR спектроскопията в практически използван метод за аналитични изследвания започва много по-късно.

Магнитният резонанс 13 C и 1 H имат много общи неща, но има и значителни разлики. Най-често срещаният въглероден изотоп 12 C има I=0. Изотопът 13 C има I=1/2, но естественото му съдържание е 1,1%. Това е заедно с факта, че жиромагнитното съотношение на 13 C ядра е 1/4 от жиромагнитното съотношение за протоните. Което намалява чувствителността на метода при експерименти за наблюдение на 13C NMR с 6000 пъти в сравнение с 1H ядра.

а) без потискане на спин-спиновото взаимодействие с протоните. 13C NMR спектри, получени при липса на пълно потискане на спин-спин резонанс с протони, се наричат ​​спектри с висока разделителна способност. Тези спектри съдържат пълна информация за 13 C - 1 H константите. В сравнително прости молекули и двата вида константи - директни и далечни - се намират доста просто. Така че 1 J (C-H) е 125 - 250 Hz, обаче, спин-спин взаимодействие може да възникне и с по-отдалечени протони с константи под 20 Hz.

б) пълно потискане на спин-спиновото взаимодействие с протоните. Първият голям напредък в областта на 13 C NMR спектроскопията е свързан с използването на пълно потискане на спин-спиновото взаимодействие с протоните. Използването на пълно потискане на спин-спиновото взаимодействие с протони води до сливане на мултиплети с образуването на синглетни линии, ако в молекулата няма други магнитни ядра, като 19 F и 31 P.

в) непълно потискане на спин-спиновото взаимодействие с протоните. Използването на режима на пълно отделяне от протоните обаче има своите недостатъци. Тъй като сега всички въглеродни сигнали са под формата на синглети, цялата информация за константите на спин-спин взаимодействие 13 C- 1 H се губи.Предложен е метод, който прави възможно частичното възстановяване на информацията за директните константи на спин-спин взаимодействие 13 C- 1 H и в същото време запазват по-голяма част от предимствата на широколентовото отделяне. В този случай в спектрите ще се появят разцепвания, дължащи се на директните константи на спин-спиновото взаимодействие 13 C - 1 H. Тази процедура позволява да се открият сигнали от непротонирани въглеродни атоми, тъй като последните нямат протони, директно свързани с 13 C и се появяват в спектрите с непълно отделяне от протоните като синглети.

d) модулация на константата на взаимодействие CH, JMODCH спектър. Традиционен проблем в 13C NMR спектроскопията е определянето на броя на протоните, свързани с всеки въглероден атом, т.е. степента на протониране на въглеродния атом. Частичното потискане от протони прави възможно разрешаването на въглеродния сигнал от множествеността, причинена от константите на спин-спин взаимодействие на дълги разстояния, и получаване на разделяне на сигнала поради директни константи на свързване 13 C-1 H. Въпреки това, в случай на силно свързани спинови системи AB и припокриването на мултиплети в режим OFFR затруднява недвусмислената разделителна способност на сигналите.

Ядрено-магнитният резонанс (ЯМР) е ядрена спектроскопия, която се използва широко във всички физически науки и индустрия. В ЯМР за изследване на присъщите спинови свойства на атомните ядраизползва се голям магнит. Както всяка спектроскопия, тя използва електромагнитно излъчване (радиочестотни вълни в VHF диапазона), за да създаде преход между енергийните нива (резонанс). В химията ЯМР помага да се определи структурата на малки молекули. Ядрено-магнитният резонанс в медицината намери приложение в ядрено-магнитния резонанс (MRI).

Отваряне

ЯМР е открит през 1946 г. от учените от Харвардския университет Пърсел, Паунд и Тори и Блок, Хансен и Пакард от Станфорд. Те забелязаха, че ядрата 1H и 31P (протон и фосфор-31) са в състояние да абсорбират радиочестотна енергия, когато са изложени на магнитно поле, чиято сила е специфична за всеки атом. Когато се абсорбират, те започват да резонират, всеки елемент със собствена честота. Това наблюдение позволи подробен анализ на структурата на молекулата. Оттогава ЯМР намери приложение в кинетични и структурни изследвания на твърди вещества, течности и газове, което доведе до присъждането на 6 Нобелови награди.

Спинови и магнитни свойства

Ядрото се състои от елементарни частици, наречени неутрони и протони. Те имат собствен ъглов момент, наречен спин. Подобно на електроните, спинът на ядрото може да бъде описан с квантови числа I и в магнитно поле m. Атомните ядра с четен брой протони и неутрони имат нулев спин, а всички останали имат ненулев спин. В допълнение, молекулите с ненулев спин имат магнитен момент μ = γ аз, където γ е жиромагнитното съотношение, константата на пропорционалност между магнитния диполен момент и ъгловия, който е различен за всеки атом.

Магнитният момент на ядрото го кара да се държи като малък магнит. При липса на външно магнитно поле всеки магнит е ориентиран произволно. По време на ЯМР експеримент пробата се поставя във външно магнитно поле B0, което кара нискоенергийните пръчковидни магнити да се изравнят в посока B0, а високоенергийните пръчковидни магнити в обратната посока. В този случай настъпва промяна в ориентацията на въртенето на магнитите. За да се разбере тази доста абстрактна концепция, трябва да се вземат предвид енергийните нива на ядрото по време на ЯМР експеримент.

Енергийни нива

За да обърнете въртенето, е необходим цял брой кванти. За всяко m има 2m + 1 енергийни нива. За ядро ​​със спин 1/2 има само 2 - ниско, заето от спинове, подравнени с B0, и високо, заето от спинове, подравнени срещу B0. Всяко енергийно ниво се определя от израза E = -mℏγB 0, където m е магнитното квантово число, в този случай +/- 1/2. Енергийните нива за m > 1/2, известни като квадруполни ядра, са по-сложни.

Енергийната разлика между нивата е равна на: ΔE = ℏγB 0, където ℏ е константата на Планк.

Както се вижда, силата на магнитното поле е от голямо значение, тъй като в негово отсъствие нивата се израждат.

Енергийни преходи

За да възникне ядрено-магнитен резонанс, трябва да се получи обръщане на въртене между енергийните нива. Енергийната разлика между двете състояния съответства на енергията на електромагнитното излъчване, което кара ядрата да променят енергийните си нива. За повечето ЯМР спектрометри B 0 е от порядък 1 Tesla (T), а γ е от порядък 10 7. Следователно необходимото електромагнитно излъчване е от порядъка на 10 7 Hz. Енергията на фотона се представя с формулата E = hν. Следователно честотата, необходима за поглъщане, е: ν= γB 0 /2π.

Ядрено екраниране

Физиката на ЯМР се основава на концепцията за ядрено екраниране, което позволява да се определи структурата на материята. Всеки атом е заобиколен от електрони, които обикалят около ядрото и действат върху неговото магнитно поле, което от своя страна причинява малки промени в енергийните нива. Това се нарича екраниране. Ядрата, които изпитват различни магнитни полета, свързани с локални електронни взаимодействия, се наричат ​​нееквивалентни. Промяната на енергийните нива към обръщане на въртене изисква различна честота, което създава нов пик в ЯМР спектъра. Скринингът позволява структурно определяне на молекулите чрез анализиране на NMR сигнала с помощта на преобразуване на Фурие. Резултатът е спектър, състоящ се от набор от пикове, всеки от които съответства на различна химическа среда. Площта на пика е право пропорционална на броя на ядрата. Подробна информация за структурата се извлича от ЯМР взаимодействия, променяйки спектъра по различни начини.

Релаксация

Релаксацията се отнася до феномена на ядрата, които се връщат към своите термодинамичносъстояния, които са стабилни след възбуждане до по-високи енергийни нива. Това освобождава енергията, погълната при прехода от по-ниско ниво към по-високо. Това е доста сложен процес, който протича в различни времеви рамки. Двамата най често срещанивидовете релаксация са спин-решетъчни и спин-спин.

За да разберете релаксацията, е необходимо да разгледате целия модел. Ако ядрата се поставят във външно магнитно поле, те ще създадат обемно намагнитване по оста Z. Техните завъртания също са кохерентни и позволяват сигналът да бъде открит. ЯМР измества обемното намагнитване от оста Z към равнината XY, където се появява.

Спин-решетковата релаксация се характеризира с времето T 1, необходимо за възстановяване на 37% от обемната намагнитност по оста Z. Колкото по-ефективен е процесът на релаксация, толкова по-нисък е T 1 . В твърдите вещества, тъй като движението между молекулите е ограничено, времето за релаксация е дълго. Измерванията обикновено се извършват с импулсни методи.

Спин-спиновата релаксация се характеризира със загуба на време за взаимна кохерентност T 2 . Може да е по-малко или равно на T1.

Ядрено-магнитен резонанс и неговите приложения

Двете основни области, в които NMR се оказа изключително важен, са медицината и химията, но всеки ден се разработват нови приложения.

Ядрено-магнитен резонанс, по-известен като магнитен резонанс (MRI), е важен медицински диагностичен инструмент, използвани за изследване на функциите и структурата на човешкото тяло. Позволява ви да получите подробни изображения на всеки орган, особено на меките тъкани, във всички възможни равнини. Използва се в областта на сърдечно-съдовата, неврологичната, мускулно-скелетната и онкологичната образна диагностика. За разлика от алтернативната компютърна диагностика, ядрено-магнитният резонанс не използва йонизиращо лъчение и следователно е напълно безопасен.

ЯМР може да открие фини промени, които настъпват с течение на времето. ЯМР изобразяването може да се използва за идентифициране на структурни аномалии, които възникват по време на хода на заболяването, как те влияят на последващото развитие и как тяхното прогресиране корелира с умствените и емоционалните аспекти на разстройството. Тъй като ЯМР не визуализира добре костта, той произвежда отлични изображения на вътречерепните и интравертебраленсъдържание.

Принципи на използване на ядрено-магнитен резонанс в диагностиката

По време на процедура с ядрено-магнитен резонанс пациентът лежи вътре в масивен, кух цилиндричен магнит и е изложен на мощно, устойчиво магнитно поле. Различните атоми в сканираната част на тялото резонират на различни честоти на полето. MRI се използва предимно за откриване на вибрации на водородни атоми, които съдържат въртящо се протонно ядро, което има малко магнитно поле. При MRI фоново магнитно поле подрежда всички водородни атоми в тъканта. Второ магнитно поле, ориентирано различно от фоновото поле, се включва и изключва много пъти в секунда. При определена честота атомите резонират и се подреждат с второто поле. Когато се изключи, атомите отскачат обратно, подравнявайки се с фона. Това създава сигнал, който може да бъде получен и преобразуван в изображение.

Тъканите с голямо количество водород, който присъства в човешкото тяло като част от водата, създават ярък образ, а с малко или никакво съдържание на водород (например костите) изглеждат тъмни. Яркостта на ЯМР се подобрява от контрастно вещество като гадодиамид, което пациентите приемат преди процедурата. Въпреки че тези средства могат да подобрят качеството на изображението, чувствителността на процедурата остава относително ограничена. Разработват се методи за повишаване на чувствителността на ЯМР. Най-обещаващото е използването на параводород, форма на водород с уникални свойства на молекулярно въртене, която е много чувствителна към магнитни полета.

Подобренията в характеристиките на магнитните полета, използвани в ЯМР, доведоха до разработването на високочувствителни техники за изобразяване като дифузия и функционален ЯМР, които са предназначени да изобразят много специфични тъканни свойства. Освен това, уникална форма на ЯМР технология, наречена магнитно-резонансна ангиография, се използва за изобразяване на движението на кръвта. Позволява ви да визуализирате артерии и вени без нужда от игли, катетри или контрастни вещества. Както при MRI, тези техники са помогнали за революция в биомедицинските изследвания и диагностика.

Усъвършенстваната компютърна технология позволи на рентгенолозите да създават триизмерни холограми от цифрови срезове, получени от MRI скенери, които се използват за определяне на точното местоположение на увреждането. Томографията е особено ценна при изследване на главния и гръбначния мозък, както и на тазовите органи като пикочния мехур и порестата кост. Методът може бързо и ясно точно да определи степента на увреждане на тумора и да оцени потенциалните щети от инсулт, което позволява на лекарите да назначат своевременно подходящо лечение. ЯМР до ​​голяма степен замени артрографията, необходимостта от инжектиране на контрастен материал в ставата за визуализиране на увреждане на хрущял или лигамент, и миелографията, инжектирането на контрастен материал в гръбначния канал за визуализиране на аномалии на гръбначния мозък или междупрешленните дискове.

Приложение в химията

Много лаборатории днес използват ядрено-магнитен резонанс за определяне на структурите на важни химични и биологични съединения. В ЯМР спектрите различните пикове предоставят информация за специфичната химическа среда и връзките между атомите. Повечето често срещаниИзотопите, използвани за откриване на сигнали от магнитен резонанс, са 1 H и 13 C, но много други са подходящи, като 2 H, 3 He, 15 N, 19 F и др.

Съвременната ЯМР спектроскопия намери широко приложение в биомолекулните системи и играе важна роля в структурната биология. С развитието на методологията и инструментите ЯМР се превърна в един от най-мощните и универсални спектроскопски методи за анализ на биомакромолекули, което позволява характеризирането на тях и техните комплекси с размер до 100 kDa. Заедно с рентгеновата кристалография това е едно от двете водещи технологии за определяне на тяхната структурана атомно ниво. В допълнение, NMR предоставя уникална и важна информация за функцията на протеина, която играе критична роля в разработването на лекарства. Някои от употребите ЯМР спектроскопияса дадени по-долу.

• Това е единственият метод за определяне на атомната структура на биомакромолекулите във водни разтвори при близки до физиологиченусловия или среди, имитиращи мембрана.
• Молекулярна динамика. Това е най-мощното метод за количествено определяне на динамични свойства на биомакромолекули.
• Сгъване на протеини. ЯМР спектроскопияе най-мощният инструмент за определяне на остатъчните структури на разгънати протеини и медиатори на сгъване.
• Състояние на йонизация. Методът е ефективен при определяне на химичните свойства на функционалните групи в биомакромолекулите, като йонизация състояния на йонизиращи се групи от активни центрове на ензими.
• Ядрено-магнитният резонанс позволява изследване на слаби функционални взаимодействия между макробиомолекули (например с константи на дисоциация в микромоларни и милимоларни диапазони), което не може да се направи с други методи.
• Протеинова хидратация. ЯМР е инструмент за откриване на вътрешна вода и нейните взаимодействия с биомакромолекули.
• Това е уникално метод за откриване на директно взаимодействиеводородни връзки.
• Скрининг и разработване на лекарства. По-специално, ядрено-магнитният резонанс е особено полезен при идентифициране на лекарства и определяне на конформациите на съединения, свързани с ензими, рецептори и други протеини.
• Нативен мембранен протеин. ЯМР в твърдо състояние има потенциал определяне на атомните структури на мембранните протеинови доменив средата на нативната мембрана, включително със свързани лиганди.
• Метаболитен анализ.
• Химичен анализ. Химическа идентификация и конформационен анализ на синтетични и природни химикали.
• Материалознание. Мощен инструмент в изучаването на полимерната химия и физика.

Други приложения

Ядрено-магнитният резонанс и неговите приложения не се ограничават до медицината и химията. Методът се оказа много полезен в други области като климатични тестове, петролна промишленост, контрол на процеси, ЯМР на земното поле и магнитометри. Безразрушителното тестване спестява скъпи биологични проби, които могат да бъдат използвани повторно, ако са необходими повече тестове. Ядрено-магнитният резонанс в геологията се използва за измерване на порьозността на скалите и пропускливостта на подземните течности. Магнитометрите се използват за измерване на различни магнитни полета.

Ядрено-магнитен резонанс

Ядрено-магнитен резонанс (NMR) - резонансно поглъщане или излъчване на електромагнитна енергия от вещество, съдържащо ядра с ненулев спин във външно магнитно поле, с честота ν (наречена NMR честота), поради преориентацията на магнитните моменти на ядрата. Явлението ядрено-магнитен резонанс е открито през 1938 г. от Исак Раби в молекулярни лъчи, за което той получава Нобелова награда през 1944 г. През 1946 г. Феликс Блок и Едуард Милс Пърсел получават ядрено-магнитен резонанс в течности и твърди вещества (Нобелова награда за 1952 г.). .

Едни и същи атомни ядра в различни среди в една молекула показват различни ЯМР сигнали. Разликата между такъв ЯМР сигнал и сигнала на стандартно вещество дава възможност да се определи така нареченото химично отместване, което се определя от химичната структура на изследваното вещество. ЯМР техниките имат много възможности за определяне на химичната структура на веществата, молекулни конформации, ефекти на взаимно влияние и вътрешномолекулни трансформации.

Математическо описание Магнитен момент на ядрото mu=y*l където l е ядреният спин; y-bar постоянна Честота, при която се наблюдава ЯМР

Химическа поляризация на ядрата

Когато някои химически реакции протичат в магнитно поле, в NMR спектрите на реакционните продукти се открива или аномално голяма абсорбция, или радиоизлъчване. Този факт показва неравновесна популация на ядрени Zeeman нива в молекулите на реакционните продукти. Прекомерното население на по-ниското ниво е придружено от аномална абсорбция. Инвертираната популация (горното ниво е по-населено от долното) води до радиоизлъчване. Това явление се нарича химическа поляризация на ядрата

В ЯМР се използва за усилване на ядрената магнетизация Ларморови честоти на някои атомни ядра

Честотата на протонния резонанс е в диапазона къси вълни(дължина на вълната около 7 m) .

Приложения на ЯМР

Спектроскопия

ЯМР спектроскопия

устройства

Сърцето на ЯМР спектрометъра е мощен магнит. В експеримент, приложен за първи път от Пърсел, проба, поставена в стъклена ампула с диаметър около 5 mm, се поставя между полюсите на силен електромагнит. След това, за да се подобри равномерността на магнитното поле, ампулата започва да се върти и магнитното поле, действащо върху нея, постепенно се засилва. Като източник на лъчение се използва висококачествен радиочестотен генератор. Под въздействието на нарастващо магнитно поле, ядрата, към които е настроен спектрометърът, започват да резонират. В този случай екранираните ядра резонират с честота, малко по-ниска от ядрата без електронни обвивки. Поглъщането на енергия се открива от радиочестотен мост и след това се записва от рекордер. Честотата се увеличава, докато достигне определена граница, над която резонансът е невъзможен.

Тъй като токовете, идващи от моста, са много малки, те не се ограничават до заснемането на един спектър, а правят няколко десетки прохода. Всички получени сигнали се обобщават в крайната графика, чието качество зависи от съотношението сигнал/шум на устройството.

При този метод пробата се излага на радиочестотно облъчване с постоянна честота, докато силата на магнитното поле варира, така че се нарича още метод на облъчване с непрекъсната вълна (CW).

Традиционният метод на ЯМР спектроскопия има много недостатъци. Първо, това изисква голямо количество време за конструиране на всеки спектър. Второ, той е много взискателен към отсъствието на външни смущения и, като правило, получените спектри имат значителен шум. Трето, той е неподходящ за създаване на високочестотни спектрометри (300, 400, 500 и повече MHz). Ето защо, съвременните ЯМР инструменти използват метода на така наречената импулсна спектроскопия (PW), базирана на трансформации на Фурие на получения сигнал. В момента всички ЯМР спектрометри са изградени на базата на мощни свръхпроводящи магнити с постоянно магнитно поле.

За разлика от метода CW, в импулсния вариант ядрата се възбуждат не с „постоянна вълна“, а с помощта на кратък импулс с продължителност няколко микросекунди. Амплитудите на честотните компоненти на импулса намаляват с увеличаване на разстоянието от ν 0 . Но тъй като е желателно всички ядра да се облъчват еднакво, е необходимо да се използват „твърди импулси“, тоест къси импулси с висока мощност. Продължителността на импулса се избира така, че ширината на честотната лента да е с един или два порядъка по-голяма от ширината на спектъра. Мощността достига няколко хиляди вата.

В резултат на импулсна спектроскопия се получава не обичайният спектър с видими резонансни пикове, а изображение на затихнали резонансни трептения, в които всички сигнали от всички резониращи ядра се смесват - така нареченото „затихване на свободната индукция“ (FID, Безплатно индукция гниене). За преобразуване на този спектър се използват математически методи, така нареченото преобразуване на Фурие, според което всяка функция може да бъде представена като сума от набор от хармонични трептения.

ЯМР спектри

Спектър на 1 Н 4-етоксибензалдехид. В слабо поле (синглет ~9,25 ppm) сигналът е от протона на алдехидната група, в силно поле (триплет ~1,85-2 ppm) - от протоните на метил етокси групата.

За качествен анализ с помощта на ЯМР се използва спектрален анализ въз основа на следните забележителни свойства на този метод:

сигналите от ядрата на атомите, принадлежащи към определени функционални групи, се намират в строго определени области на спектъра;

интегралната площ, ограничена от пика, е строго пропорционална на броя на резониращите атоми;

ядра, лежащи през 1-4 връзки, са способни да произвеждат мултиплетни сигнали в резултат на т.нар. разделяйки се един на друг.

Позицията на сигнала в NMR спектрите се характеризира с тяхното химическо изместване спрямо референтния сигнал. Тетраметилсилан Si(CH3)4 (TMS) се използва като последния в 1Н и 13С NMR. Единицата за химическо изместване е частта на милион (ppm) от честотата на инструмента. Ако приемем TMS сигнала за 0 и изместването на сигнала в слабо поле се счита за положително химическо изместване, тогава получаваме така наречената δ скала. Ако резонансът на тетраметилсилан е равен на 10 ppm. и обърнете знаците, тогава получената скала ще бъде скалата τ, която практически не се използва в момента. Ако спектърът на дадено вещество е твърде сложен за тълкуване, можете да използвате квантово-химични методи, за да изчислите скрининговите константи и да корелирате сигналите въз основа на тях.

ЯМР интроскопия

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 за ЯМР томография е присъдена не на В. А. Иванов.