площадь сигнала ямр это (7 видео)

Содержание

Площадь сигнала ямр это
Вопросы и задания
Основные параметры ЯМР-спектра
ЯМР для «чайников», или Десять основных фактов о ядерном магнитном резонансе
🌟 Видео

Видео:Основы ЯМР-спектроскопии. Основы метода и аппаратное оформление. Часть 1Скачать

Площадь сигнала ямр это

Методические пособия (Ф. Тоукач):

Вопросы и задания

Скачать задания для самопроверки — отнесение спектров, установление структур по 2D-спектрам, установление структур по 1D-спектру и бруто-формуле (ZIP-архив с 18-ю TIFF-файлами, 1.1 Mb)

Корреляция «структура – одномерный спектр»

Какая характеристика сигналов в спектре ЯМР соответствует количеству атомов, давших сигнал?
Какая характеристика сигналов в спектре ЯМР в наибольшей степени коррелирует с распределением электронной плотности по молекуле?
В чем чаще всего измеряются химические сдвиги?
В чем чаще всего измеряются константы спин-спинового взаимодействия?
Какие атомы называются «магнитно-эквивалентными»?
Каковы границы применимости треугольника Паскаля?
Какой сигнал должен дать протон с двумя одинаковыми соседями-протонами близко и одним далеко?
Какой сигнал должен дать протон с тремя одинаковыми соседями-протонами далеко и одним близко?
Как будет выглядеть сигнал протона в соединении H₂N-СО-СНD₂?
Как будет выглядеть сигнал выделенного протона в соединении Br₂НС-СНD-COOH?
Что такое изотопный сдвиг?
Какова должна быть форма сигналов протонов в 3-бромтолуоле, в предположении, что все мета-КССВ равны друг другу, и все орто-КССВ равны друг другу?
В каких случаях «крыша» сигналов системы из нескольких протонов получается более крутой?
Какие структурные особенности молекул приводят к спектрам не первого порядка?
Каковы основные подходы к решению проблемы перекрывания сигналов?

Химические сдвиги и константы спин-спинового взаимодействия

Относительно чего измеряются химические сдвиги?
Как влияет гибридизация атома углерода на его химический сдвиг?
Как влияет электроотрицательность соседних атомов на химический сдвиг?
Каковы типичные значения химических сдвигов в ароматике?
Каковы характерные значения КССВ через разное число связей в бензольном кольце?
Каковы характерные значения геминальной КССВ в замещенном этилене?
Каковы характерные значения КССВ через три связи в алифатике?
Почему КССВ через 4 связи в алифатике наблюдаются редко, а в ароматике – часто?
Как изменится абсолютное значение геминальной КССВ с увеличением валентного угла центрального атома от 105º до 117º?
Как изменяется величина вицинальной КССВ с увеличением торсионного угла между крайними связями от 0º до 180º?
Как влияют электроотрицательные заместители на величины геминальных и вицинальных КССВ?
Как влияет длина средней связи на величину вицинальной КССВ?
Какие спектральные параметры зависят от того, образует ли протон водородную связь?
Как влияет энергия двухцентровой водородной связи на химические сдвиги донора и акцептора водорода?

Физические основы ЯМР

От чего зависит энергетическая разница между спиновыми состояниями ядер?
От чего зависит частота ядерного магнитного резонанса тех или иных ядер?
Какие значимые в химии природных соединений ядра являются магнитно-активными и имеют спин, равный 1/2?
Каковы особенности спектроскопии ЯМР по квадрупольным ядрам?
Чем отличается абсолютная чувствительность ЯМР от относительной?
Что такое гиромагнитное отношение?
Спектры каких спиновых систем требуют для точного предсказания квантомеханического формализма?
Чем продольная релаксация отличается от поперечной?
Какой тип релаксации всегда происходит быстрее другого типа релаксации?
Как быстрая релаксация проявляет себя в спектрах?
Что является причиной появления сателлитов 13 С в протонном спектре?
Как можно повлиять на эффекты, привносимые в спектр квадрупольными ядрами?

Цифровая обработка данных ЯМР

Чем цифровой сигнал отличается от аналогового?
Что такое амплитуда, частота и фаза сигнала?
Что такое цифровое разрешение и чем оно отличается от естественного?
Как влияет на спектр ЯМР умножение FID на экспоненту?
Как влияет на спектр ЯМР умножение FID на функцию Гаусса?
В каких случаях применяется обрезание FID и аподизация?
Как можно получить FID из спектра ЯМР?
Как можно получить частотный спектр ЯМР из записанного во времени электромагнитного отклика на импульс?
От чего зависит точность интегрирования спектров?
Как внутримолекулярная подвижность влияет на предсказание спектров ЯМР?
Для спектров по каким ядрам наиболее эффективен расчет по аддитивным схемам и почему?
Каковы основные особенности подхода HOSE применительно к предсказанию спектров ЯМР?
Каковы основные особенности нейронных сетей применительно к предсказанию спектров ЯМР?
Каков минимальный уровень теории и базис в квантовомеханических расчетах спектров ЯМР органических молекул?

Практическая реализация ЯМР

Как рабочая частота спектрометра влияет на вид спектров ЯМР?
В каком устройстве происходит облучение образца переменным электромагнитным полем?
В каком устройстве происходит считывание электромагнитного отклика образца на импульсное облучение?
От каких параметров накопления зависит отношение сигнал/шум?
Как связаны время накопления, ширина спектрального окна и число точек FID?
Какому критерию должна удовлетворять частота выборки для избежания отраженных сигналов?
Какое устройство позволяет снизить требования к АЦП в миллионы раз?
Как подавляются отраженные сигналы в спектрах ЯМР?
Зачем нужно квадратурное детектирование?
Каково назначение шиммирующих катушек?
Какие градиенты поля меняются сильнее всего при смене образца?
Каково назначение системы LOCK?
Каковы основные критерии оценки успешности настройки разрешения?
Зачем нужно вращение образца вокруг оси 0z?
Какова типичная полуширина линии в рутинных экспериментах для образца в DMSO-d6?
Что такое фазовый цикл?
По каким признакам в спектре можно распознать неадекватное усиление в канале приема?
Какими способами можно бороться с проблемой нехватки чувствительности?
Какими способами можно бороться с проблемой нехватки разрешения?
В каких пределах можно задавать температуру образца?

Образец для ЯМР

Каков должен быть объем и высота столба растворителя в 5мм ампуле?
Какими преимуществами и недостатками обладает DMSO-d6 как растворитель для ЯМР?
Какими преимуществами и недостатками обладает CDCl₃ как растворитель для ЯМР?
О чем свидетельствует наличие градиента несимметричных искажений формы линии ?
Каковы преимущества и недостатки 5-мм ампул по сравнению с 10 мм?
Как вязкость растворителя влияет на спектр ЯМР?
Сколько вещества нужно для получения спектра 13 С за несколько часов?
Что такое ампулы Шигеми и зачем они нужны?
Каковы преимущества и недостатки внешнего стандарта химических сдвигов по сравнению с внутренним?
Как можно решить проблему перекрывания сигналов соединения сигналом воды?

Динамика

Почему сигналы –NH2 и –ОН групп часто бывают уширены?
Что происходит со спектром ЯМР при нагревании образца, атомы которого неэквивалентны лишь с учетом конформации?
Что происходит со спектром ЯМР при добавлении воды в образец, имеющий подвижные протоны?
Каково характеристическое время ЯМР?
Что такое температура коалесценции?
Как с помощью ЯМР измерить барьер перехода между двумя состояниями молекулы?
Почему протонный спектр этанола не зависит от конформации?
Почему при подкислении этанола пропадает КССВ с гидроксильной группой?
Как посчитать усредненный химический сдвиг двух состояний протона?
Почему спектры углеводов в D₂O заметно проще, чем в CDCl₃?

Импульсный ЯМР

На какие параметры спектра ЯМР влияет длина импульса и каким образом?
Как длина импульса соотносится с его мощностью?
Зачем нужны селективные импульсы?
Зачем нужна задержка между импульсом и накоплением?
Зачем нужна задержка между сканами?
На какие параметры спектра ЯМР влияет скорость спадания FID и от чего она зависит?
От чего зависит скорость вращения используемой в импульсном ЯМР вращающейся системы координат?
От чего зависит угол поворота ВМН сразу после импульса во вращающейся системе координат?
Что происходит с заселенностью спиновых уровней при облучении образца 90º-импульсом?
Что происходит с вектором макроскопической намагниченности при облучении образца 180º-импульсом?
Каковы преимущества импульсного ЯМР перед ЯМР с непрерывной разверткой?
Как проще всего измерить длину 90º-импульса?
Какая функция приближенно описывает спадание огибающей FID?
Как называются осцилляции проекции ВМН на горизонтальную плоскость?
Расфокусировка каких компонент ВМН устраняется спиновым эхом?
Почему спиновое эхо не рефокусирует гомоядерные мультиплеты?
Какой части комплексного Фурье-образа соответствует сигнал поглощения?
Функцией какого типа описывается сигнал в резонансной катушке, вызванный вращающимся магнитным моментом?
Каковы обязательные атрибуты импульсной последовательности в корреляционных экспериментах?

Эксперименты ЯМР

К чему приводит широкополосная развязка от протонов в спектре 13 С?
Зачем в эксперименте Gated включают развязку перед, но не во время накопления?
Какую информацию можно извлечь из спектров селективного двойного резонанса?
В каких условиях двойной резонанс лучше COSY?
Какую информацию можно извлечь из спектров COSY?
Как влияет длина второго импульса в COSY на вид спектра?
Как влияет применение двухквантового фильтра на вид спектра COSY?
Какую дополнительную информацию (по сравнению с COSY) дают корреляционные эксперименты с переносом когерентности?
Какую информацию можно извлечь из спектров HSQC?
Какие существуют режимы проведения эксперимента HSQC?
В каких случаях HETCOR лучше HSQC?
Какую информацию можно извлечь из спектров HMBC?
В каких условиях одномерный HMBC лучше двумерного?
Какую информацию можно извлечь из спектров TOCSY?
Как можно уменьшить перекрывание сигналов по диффузионной оси в DOSY?
Какую информацию можно извлечь из спектров J-resolved?
Какие эксперименты выявляют протонную спиновую систему, связанную с гетероядром?
Каким условиям должен соответствовать образец для накопления спектров INADEQUATE?
Из каких экспериментов можно извлечь гетероядерные КССВ?
В чем преимущества эксперимента INEPT перед SPI?
Как отличаются эксперименты APT, DEPT и INEPT по информативности и чувтствительности?
Какие существуют гетероядерные двумерные эксперименты с переносом когерентности?
Для ядер какого типа особенно эффективны эксперименты с переносом поляризации?
Каковы преимущества и недостатки трехмерных экспериментов?
Чем отличается эксперимент HNCACO от HNCOCA?

Ядерный эффект Оверхаузера

Какую информацию можно извлечь из спектров ROESY?
Какой тип релаксации приводит к появлению ЯЭО?
На каком межатомном расстоянии наблюдается ЯЭО?
Каково максимально возможное значение ядерного эффекта Оверхаузера?
Как ЯЭО зависит от частоты спектрометра?
Как соотносится фаза диагональных пиков и кросс-пиков ядерного эффекта Оверхаузера в спектрах ROESY?
Как соотносится фаза кросс-пиков химического обмена и кросс-пиков ядерного эффекта Оверхаузера в спектрах NOESY?
Почему наблюедние ЯЭО в одномерном варианте проводится в разностном режиме?
Как время смешивания влияет на наблюдение NOE между лигандами в присутствии субстрата?
Почему NOE, возникающий при облучении сигнала воды, имеет разный знак для связанных и свободных лигандов?
Что содержат стрипы трехмерного эксперимента HSQC-NOESY, отредактированного по 15 N?
Каковы требования к концентрации субстрата в экспериментах STD и WaterLOGSY?

Видео:Методы ядерно-магнитного резонансаСкачать

Основные параметры ЯМР-спектра

Химический сдвиг ядра определяет смещение ЯМР — сигнала в зависимости от распределения электронной плотности на ядре. Ядра, имеющие одинаковую электронную плотность, называются химически эквивалентными. В спектре они дают одну линию химического сдвига (например, протоны метальных групп молекул: ацетона, бензольного кольца, 2,2-диметилпропана). Ядра, имеющие различную электронную плотность, называются химически неэквивалентными. В спектре они дают различные линии химических сдвигов (например, протоны СН,, ОСН₂, ОН — групп в молекуле этанола). Величина химического сдвига (обозначается буквой 5) отсчитывается от специально выбранного стандартного сигнала в миллионных долях приложенного поля (м.д.). Химические сдвиги определяются характером химических связей, индукционными эффектами заместителей, электрическими и магнитными эффектами удаленных групп.

Константа спин-спинового взаимодействия (КССВ) определяется магнитным взаимодействием химически неэквивалентных ядер. Спин-спиновые взаимодействия осуществляются через электронные облака, передаются по химическим связям и проявляются как добавочные расщепления линий химических сдвигов. Расстояние между расщепленными сигналами определяется величиной КССВ, измеряемой в Гц, «J. Значок «п» указывает на число связей между взаимодействующими магнитными ядрами. Например, 3 J _{н с о н}‘ означает КССВ протонов метильной и гидроксильной групп через 3 три связи в молекуле СН₃ОН. Число сигналов от спин-спиновых взаимодействий определяется формулой 2n I +1, где п — число магнитных ядер в соседней группе, I — спин ядра. Величина КССВ зависит от магнитных свойств ядер, числа и характера химических связей между ними, а также природы заместителей. В ряде случаев КССВ зависит от расположения атомов в пространстве — обладает стереоспецифичностью.

Площадь ЯМР-сигнала, или его интегральная интенсивность, соответствует числу магнитных ядер, резонирующих в данной группе. Интеграл спектра записывается в виде ступенчатой кривой, высота ступеньки соответствует числу ядер в рассматриваемой группе и измеряется в миллиметрах.

Большинство последних инноваций в ЯМР спектроскопии сделаны в так называемой ЯМР спектроскопии белков, которая становится очень важной техникой в современной биологии и медицине последующим восстановлением сигнала спада свободной индукции с помощью специальных математических методик.

44. Флуориметрия. Применение в фармацевтическом анализе.

Люминесцентной спектроскопиейназывают группу эмиссионных спектроскопических методов анализа, основанных на явлении люминесценции.

Флуоресценция — излучательный переход между состояниями, имеющими одинаковую мультиплетность. В подавляющем большинстве случаев флуоресценция сложных органических молекул обусловлена переходом с нулевого колебательного уровня возбуждённого состояния S1 на какой-то из колебательных уровней S0, реже S2→S0 (например, в молекуле азулена) и

очень редко Sk →Sm или Tm →Tn. Флуоресценция — быстрый процесс (10 -9 — 10 -6 с).

Люминесценция и, в частности, флуоресценция в гораздо большей степени подвержена влиянию различных факторов, чем поглощение света. Интенсивность флуоресценции зависит от: природы вещества; концентрации вещества в растворе; условий, в которых находится флуоресцирующее вещество (температура, растворитель, рН, наличие в растворе других веществ, способных влиять на флуоресценцию).

Для измерения интенсивности флуоресценции используют спектрофлуориметры и флуориметры. В качестве источника излучения используют ртутную, ксеноновую и другие лампы. В последнее время для возбуждения флуоресценции применяют лазеры. Для выделения нужного спектрального интервала в флуориметрах, как и в фотоэлектроколориметрах, используют светофильтры, а в спектрофлуориметрах, также как и в спектрофотометрах — монохроматоры (дифракционные решётки или призмы). Светофильтр (монохроматор), используемый для выделения необходимого возбуждающего излучения, называется первичным, а для выделения наиболее интенсивного излучения из спектра испускания — вторичным.

Измерение флуоресценции, в отличие от измерения поглощения, чаще всего проводят под прямым углом к направлению возбуждающего света.По сравнению со спектрофотометрией флуориметрия обладает: большей избирательностью (не все вещества, поглощающие УФ- и видимое излучение, способны флуоресцировать); более низким пределом обнаружения (измерить абсолютную величину малого сигнала всегда легче, чем разность между двумя большими сигналами); удобным временным диапазоном.

Поглощение света — это практически мгновенный процесс (10 -15 -10 -16 с), флуоресценция длится около 10 нс. За это время с молекулой могут произойти различные процессы, которые влияют на характеристики флуоресценции. Данное свойство широко используется в биохимии для изучения строения мембран, диффузии биомолекул, динамики связывания антигенов и

антител. Влияние вращения молекул антигенов (лекарств, ядов), меченых флуоресцеином, на поляризацию флуоресценции последнего лежит в основе поляризационного флуороиммуноанализа, одного из современных методов анализа биологических объектов.

Флуоресцентный анализ используют для обнаружения и для количественного определения веществ. В качественном анализе чаще всего используется способность вещества флуоресцировать тем или иным цветом. В количественном анализе используют зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации флуоресцирующего вещества либо, реже, зависимость уменьшения интенсивности флуоресценции от концентрации тушителя, в роли которого выступает вещество, концентрацию которого необходимо определить.

В флуоресцентном анализе используется: измерение собственной флуоресценции вещества; получение флуоресцирующих продуктов, в том числе и экстракционная флуориметрия; определения, основанные на тушении флуоресценции; титрование с флуоресцентными индикаторами и др.

Флуориметрическое определение, основанное на собственной флуоресценции, используется для определения хинина, берберина, рибофлавина, фторхинолонов, флуоресцеина и т.д. Флуориметрическое определение, основанное на тушении флуоресценции, применяют для определения сульфаниламидов (тушат флуоресценцию 9-хлоракридина), β-лактамных антибиотиков (тушат флуоресценцию меркурохрома) и т.д.

45Спектрометрия комбинационного рассеивания, нефелометрия, турбидиметрия. Применение в фармацевтическом анализе.

Комбинационного рассеяния спектроскопия (рамановская спектроскопия), раздел оптической спектроскопии, изучающий взаимодействие монохроматического излучения с веществом, сопровождающееся изменением энергии рассеянного излучения по сравнению с энергией падающего на объект (возбуждающего) излучения. Комбинационное рассеяние (КР) обусловлено неупругими столкновениями фотонов с молекулами (или ионами), в ходе которых они обмениваются энергией. По изменению энергии фотона можно судить об изменении энергии молекулы, то есть о переходе ее на новый энергетический уровень.

Для определения прозрачности и степени мутности жидкостей используют одинаковые пробирки из бесцветного, прозрачного и нейтрального стекла с плоским дном, которые имеют внутренний диаметр от 15 мм до 25 мм. Слой испытуемой жидкости толщиной 40-мм сравнивают с 40-мм слоем свежеприготовленного, как описано ниже, эталона. Сравнение растворов проводят при рассеянном дневном освещении через 5 минут после приготовления эталона, просматривая объекты вдоль вертикальной оси пробирок на черном фоне.

Прозрачными считаются жидкости, которые по прозрачности не отличаются от воды Р или раствора, который используют при приготовлении жидкости в описанных выше условиях, или которые не превышают по интенсивности мутность эталонной суспензии I.

Степень мутности раствора может быть определена с помощью инструментального измерения поглощения или рассеяния света за счет субмикроскопических неоднородностей оптической плотности опалесцирующих растворов и суспензий. На практике используются два метода: нефелометрия и турбидиметрия. Для измерения мутности окрашенных испытуемых образцов можно используовать методы относительной турбидиметрии и нефелометрии с выбором отношения.

В методе нефелометрии измерение проводят под углом 90° к падающему лучу света. Метод основан на том, что определенная часть светового луча, попадающего в мутную жидкость, проходит через нее, другая часть поглощается, а оставшаяся часть рассеивается суспендированными частицами (эффект Тиндаля). Нефелометрические данные более достоверны при низкой мутности суспензий (менее 1750—2000 NTU), когда наблюдается линейная зависимость между значением нефелометрической единицы мутности (NTU) и относительным

Метод турбидиметрии основан на зависимости интенсивности прошедшего света от количества твердых частиц в суспензии. Линейная зависимость между мутностью и концентрацией соблюдается только для очень разведенных суспензий, содержащих маленькие гомогенные частицы. В относительной турбидиметрии находится отношение интенсивности прошедшего света к интенсивности рассеянного света под углом 90°. Проведение такого испытания компенсирует влияние окрашивания испытуемого образ-ца. Этого эффекта можно добиться также за счет использования инфракрасного светоиспускающего диода при длине волны 860 нм. Фотодиодные детекторы прибора получают и измеряют интенсивность рассеянного света под углом 90°, а также интенсивность рассеяния в прямом направлении (отраженный свет) перед испытуемым образцом и интенсивность света, прошедшего через испытуемый образец. Измеренные результаты в единицах NTU (отношение) рассчитываются делением интенсивности рассеянного света под углом 90° на сумму интенсивности рассеяния в прямом направлении и интенсивности прошедшего света. В относительной турбидиметрии влияние постороннего света становится незначительным. Нефелометры используют для измерения степени мутности бесцветных жидкостей.

Дата добавления: 2016-07-09 ; просмотров: 1962 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Видео:Основы ЯМР-спектроскопии. Анализ и интерпретация ЯМР-спектров. Часть 2Скачать

ЯМР для «чайников», или Десять основных фактов о ядерном магнитном резонансе

Алексей Крушельницкий,
доктор физ.-мат. наук, Университет Мартина Лютера (Халле, Германия)
«Троицкий вариант» №9(128), 07 мая 2013 года

Суть явления

Прежде всего, надо заметить, что хотя в названии этого явления присутствует слово «ядерный», к ядерной физике ЯМР никакого отношения не имеет и с радиоактивностью никак не связан. Если говорить о строгом описании, то без законов квантовой механики никак не обойтись. Согласно этим законам, энергия взаимодействия магнитного ядра с внешним магнитным полем может принимать только несколько дискретных значений. Если облучать магнитные ядра переменным магнитным полем, частота которого соответствует разнице между этими дискретными энергетическими уровнями, выраженной в частотных единицах, то магнитные ядра начинают переходить с одного уровня на другой, при этом поглощая энергию переменного поля. В этом и состоит явление магнитного резонанса. Это объяснение формально правильное, но не очень наглядное. Есть другое объяснение, без квантовой механики. Магнитное ядро можно представить как электрически заряженный шарик, вращающийся вокруг своей оси (хотя, строго говоря, это не так). Согласно законам электродинамики, вращение заряда приводит к появлению магнитного поля, т. е. магнитного момента ядра, который направлен вдоль оси вращения. Если этот магнитный момент поместить в постоянное внешнее поле, то вектор этого момента начинает прецессировать, т. е. вращаться вокруг направления внешнего поля. Таким же образом прецессирует (вращается) вокруг вертикали ось юлы, если ее раскрутить не строго вертикально, а под некоторым углом. В этом случае роль магнитного поля играет сила гравитации.

Частота прецессии определяется как свойствами ядра, так и силой магнитного поля: чем сильнее поле, тем выше частота. Затем, если кроме постоянного внешнего магнитного поля на ядро будет воздействовать переменное магнитное поле, то ядро начинает взаимодействовать с этим полем — оно как бы сильнее раскачивает ядро, амплитуда прецессии увеличивается, и ядро поглощает энергию переменного поля. Однако это будет происходить только при условии резонанса, т. е. совпадения частоты прецессии и частоты внешнего переменного поля. Это похоже на классический пример из школьной физики — марширующие по мосту солдаты. Если частота шага совпадает с частотой собственных колебаний моста, то мост раскачивается всё сильнее и сильнее. Экспериментально это явление проявляется в зависимости поглощения переменного поля от его частоты. В момент резонанса поглощение резко возрастает, а простейший спектр магнитного резонанса выглядит вот так:

Первые ЯМР-спектрометры работали именно так, как описано выше — образец помещался в постоянное магнитное поле, и на него непрерывно подавалось радиочастотное излучение. Затем плавно менялась либо частота переменного поля, либо напряженность постоянного магнитного поля. Поглощение энергии переменного поля регистрировалось радиочастотным мостом, сигнал от которого выводился на самописец или осциллограф. Но этот способ регистрации сигнала уже давно не применяется. В современных ЯМР-спектрометрах спектр записывается с помощью импульсов. Магнитные моменты ядер возбуждаются коротким мощным импульсом, после которого регистрируется сигнал, наводимый в РЧ-катушке свободно прецессирующими магнитными моментами. Этот сигнал постепенно спадает к нулю по мере возвращения магнитных моментов в состояние равновесия (этот процесс называется магнитной релаксацией). Спектр ЯМР получается из этого сигнала с помощью Фурье-преобразования. Это стандартная математическая процедура, позволяющая раскладывать любой сигнал на частотные гармоники и таким образом получать частотный спектр этого сигнала. Этот способ записи спектра позволяет значительно понизить уровень шумов и проводить эксперименты намного быстрее.

Один возбуждающий импульс для записи спектра — это самый простейший ЯМР-эксперимент. Однако таких импульсов, разной длительности, амплитуды, с разными задержками между ними и т. п., в эксперименте может быть много, в зависимости от того, какие именно манипуляции исследователю надо провести с системой ядерных магнитных моментов. Тем не менее, практически все эти импульсные последовательности оканчиваются одним и тем же — записью сигнала свободной прецессии с последующим Фурье-преобразованием.

Магнитные взаимодействия в веществе

Сам по себе магнитный резонанс остался бы не более чем занятным физическим явлением, если бы не магнитные взаимодействия ядер друг с другом и с электронной оболочкой молекулы. Эти взаимодействия влияют на параметры резонанса, и с их помощью методом ЯМР можно получать разнообразную информацию о свойствах молекул — их ориентации, пространственной структуре (конформации), межмолекулярных взаимодействиях, химическом обмене, вращательной и трансляционной динамике. Благодаря этому ЯМР превратился в очень мощный инструмент исследования веществ на молекулярном уровне, который широко применяется не только в физике, но главным образом в химии и молекулярной биологии. В качестве примера одного из таких взаимодействий можно привести так называемый химический сдвиг. Суть его в следующем: электронная оболочка молекулы откликается на внешнее магнитное поле и старается его экранировать — частичное экранирование магнитного поля происходит во всех диамагнитных веществах. Это означает, что магнитное поле в молекуле будет отличаться от внешнего магнитного поля на очень небольшую величину, которая и называется химическим сдвигом. Однако свойства электронной оболочки в разных частях молекулы разные, и химический сдвиг тоже разный. Соответственно, условия резонанса для ядер в разных частях молекулы тоже будут отличаться. Это позволяет различать в спектре химически неэквивалентные ядра. Например, если мы возьмем спектр ядер водорода (протонов) чистой воды, то в нем будет только одна линия, поскольку оба протона в молекуле H₂O совершенно одинаковы. Но для метилового спирта СН₃ОН в спектре будет уже две линии (если пренебречь другими магнитными взаимодействиями), поскольку тут есть два типа протонов — протоны метильной группы СН₃ и протон, связанный с атомом кислорода. По мере усложнения молекул число линий будет увеличиваться, и если мы возьмем такую большую и сложную молекулу, как белок, то в этом случае спектр будет выглядеть примерно так:

ЯМР можно наблюдать на разных ядрах, но надо сказать, что далеко не все ядра имеют магнитный момент. Часто бывает так, что некоторые изотопы имеют магнитный момент, а другие изотопы того же самого ядра — нет. Всего существует более сотни изотопов различных химических элементов, имеющих магнитные ядра, однако в исследованиях обычно используется не более 1520 магнитных ядер, всё остальное — экзотика. Для каждого ядра есть свое характерное соотношение магнитного поля и частоты прецессии, называемое гиромагнитным отношением. Для всех ядер эти отношения известны. По ним можно подобрать частоту, на которой при данном магнитном поле будет наблюдаться сигнал от нужных исследователю ядер.

Самые важные для ЯМР ядра — это протоны. Их больше всего в природе, и они имеют очень высокую чувствительность. Для химии и биологии очень важны ядра углерода, азота и кислорода, но с ними ученым не очень повезло: наиболее распространенные изотопы углерода и кислорода, 12 С и 16 О, магнитного момента не имеют, у природного изотопа азота 14 N момент есть, но он по ряду причин для экспериментов очень неудобен. Есть изотопы 13 С, 15 N и 17 О, которые подходят для ЯМР-экспериментов, но их природное содержание очень низкое, а чувствительность очень маленькая по сравнению с протонами. Поэтому часто для ЯМР-исследований готовят специальные изотопно-обогащенные образцы, в которых природный изотоп того или иного ядра замещен на тот, который нужен для экспериментов. В большинстве случаев эта процедура весьма непростая и недешевая, но иногда это единственная возможность получить необходимую информацию.

Электронный парамагнитный и квадрупольный резонанс

Говоря про ЯМР, нельзя не упомянуть о двух других родственных физических явлениях — электронном парамагнитном резонансе (ЭПР) и ядерном квадрупольном резонансе (ЯКР). ЭПР по своей сути подобен ЯМР, разница заключается в том, что резонанс наблюдается на магнитных моментах не атомных ядер, а электронной оболочки атома. ЭПР может наблюдаться только в тех молекулах или химических группах, электронная оболочка которых содержит так называемый неспаренный электрон, тогда оболочка имеет ненулевой магнитный момент. Такие вещества называются парамагнетиками. ЭПР, как и ЯМР, также применяется для исследований различных структурно-динамических свойств веществ на молекулярном уровне, но его область использования существенно уже. Это связано в основном с тем, что большинство молекул, особенно в живой природе, не содержит неспаренных электронов. В некоторых случаях можно использовать так называемый парамагнитный зонд, т. е. химическую группу с неспаренным электроном, которая связывается с исследуемой молекулой. Но такой подход имеет очевидные недостатки, которые ограничивают возможности этого метода. Кроме того, в ЭПР нет такого высокого спектрального разрешения (т. е. возможности отличить в спектре одну линию от другой), как в ЯМР.

Объяснить «на пальцах» природу ЯКР труднее всего. Некоторые ядра обладают так называемым электрическим квадрупольным моментом. Этот момент характеризует отклонение распределения электрического заряда ядра от сферической симметрии. Взаимодействие этого момента с градиентом электрического поля, создаваемого кристаллической структурой вещества, приводит к расщеплению энергетических уровней ядра. В этом случае можно наблюдать резонанс на частоте, соответствующей переходам между этими уровнями. В отличие от ЯМР и ЭПР, для ЯКР не нужно внешнего магнитного поля, поскольку расщепление уровней происходит без него. ЯКР также используется для исследования веществ, но область его применения еще уже, чем у ЭПР.

Преимущества и недостатки ЯМР

ЯМР — самый мощный и информативный метод исследования молекул. Строго говоря, это не один метод, это большое число разнообразных типов экспериментов, т. е. импульсных последовательностей. Хотя все они основаны на явлении ЯМР, но каждый из этих экспериментов предназначен для получения какой-то конкретной специфической информации. Число этих экспериментов измеряется многими десятками, если не сотнями. Теоретически ЯМР может если не всё, то почти всё, что могут все остальные экспериментальные методы исследования структуры и динамики молекул, хотя практически это выполнимо, конечно, далеко не всегда. Одно из основных достоинств ЯМР в том, что, с одной стороны, его природные зонды, т. е. магнитные ядра, распределены по всей молекуле, а с другой стороны, он позволяет отличить эти ядра друг от друга и получать пространственно-селективные данные о свойствах молекулы. Почти все остальные методы дают информацию либо усредненную по всей молекуле, либо только о какой-то одной ее части.

Основных недостатков у ЯМР два. Во-первых, это низкая чувствительность по сравнению с большинством других экспериментальных методов (оптическая спектроскопия, флюоресценция, ЭПР и т. п.). Это приводит к тому, что для усреднения шумов сигнал нужно накапливать долгое время. В некоторых случаях ЯМР-эксперимент может проводиться в течение даже нескольких недель. Во-вторых, это его дороговизна. ЯМР-спектрометры — одни из самых дорогих научных приборов, их стоимость измеряется как минимум сотнями тысяч долларов, а самые дорогие спектрометры стоят несколько миллионов. Далеко не все лаборатории, особенно в России, могут позволить себе иметь такое научное оборудование.

Магниты для ЯМР-спектрометров

Одна из самых важных и дорогих частей спектрометра — магнит, создающий постоянное магнитное поле. Чем сильнее поле, тем выше чувствительность и спектральное разрешение, поэтому ученые и инженеры постоянно пытаются получить как можно более высокие поля. Магнитное поле создается электрическим током в соленоиде — чем сильнее ток, тем больше поле. Однако бесконечно увеличивать силу тока нельзя, при очень большом токе провод соленоида просто начнет плавиться. Поэтому уже очень давно для высокопольных ЯМР-спектрометров используются сверхпроводящие магниты, т. е. магниты, в которых провод соленоида находится в сверхпроводящем состоянии. В этом случае электрическое сопротивление провода равно нулю, и выделения энергии не происходит при любой величине тока. Сверхпроводящее состояние можно получить только при очень низких температурах, всего нескольких градусов Кельвина, — это температура жидкого гелия. (Высокотемпературная сверхпроводимость — до сих пор удел только чисто фундаментальных исследований.) Именно с поддержанием такой низкой температуры и связаны все технические сложности конструирования и производства магнитов, которые обуславливают их дороговизну. Сверхпроводящий магнит построен по принципу термоса-матрешки. Соленоид находится в центре, в вакуумной камере. Его окружает оболочка, в которой находится жидкий гелий. Эта оболочка через вакуумную прослойку окружена оболочкой из жидкого азота. Температура жидкого азота — минус 196 градусов по Цельсию, азот нужен для того, чтобы гелий испарялся как можно медленнее. Наконец, азотная оболочка изолируется от комнатной температуры внешней вакуумной прослойкой. Такая система способна сохранять нужную температуру сверхпроводящего магнита очень долго, хотя для этого нужно регулярно подливать в магнит жидкие азот и гелий. Преимущество таких магнитов кроме возможности получать высокие магнитные поля также и в том, что они не потребляют энергии: после запуска магнита ток бегает по сверхпроводящим проводам практически без каких-либо потерь в течение многих лет.

В обычных ЯМР-спектрометрах магнитное поле стараются сделать как можно более однородным, это нужно для улучшения спектрального разрешения. Но если магнитное поле внутри образца, наоборот, сделать очень неоднородным, это открывает принципиально новые возможности для использования ЯМР. Неоднородность поля создается так называемыми градиентными катушками, которые работают в паре с основным магнитом. В этом случае величина магнитного поля в разных частях образца будет разная, а это значит, что сигнал ЯМР можно наблюдать не от всего образца, как в обычном спектрометре, а только от его узкого слоя, для которого соблюдаются резонансные условия, т. е. нужное соотношение магнитного поля и частоты. Меняя величину магнитного поля (или, что по сути то же самое, частоту наблюдения сигнала), можно менять слой, который будет давать сигнал. Таким образом можно «просканировать» образец по всему объему и «увидеть» его внутреннюю трехмерную структуру, не разрушая образец каким-либо механическим способом. К настоящему времени разработано большое число методик, позволяющих измерять различные параметры ЯМР (спектральные характеристики, времена магнитной релаксации, скорость самодиффузии и некоторые другие) с пространственным разрешением внутри образца. Самое интересное и важное, с практической точки зрения, применение ЯМР-томографии нашлось в медицине. В этом случае исследуемым «образцом» является человеческое тело. ЯМР-томография является одним из самых эффективных и безопасных (но также и дорогих) диагностических средств в различных областях медицины, от онкологии до акушерства. Любопытно заметить, что в названии этого метода медики не употребляют слово «ядерный», потому что некоторые пациенты связывают его с ядерными реакциями и атомной бомбой.

Годом открытия ЯМР считается 1945-й, когда американцы Феликс Блох из Стэнфорда и независимо от него Эдвард Парселл и Роберт Паунд из Гарварда впервые наблюдали сигнал ЯМР на протонах. К тому времени уже было много известно о природе ядерного магнетизма, сам эффект ЯМР был теоретически предсказан, и было сделано несколько попыток его экспериментального наблюдения. Важно отметить, что годом раньше в Советском Союзе, в Казани, Евгением Завойским было открыто явление ЭПР. Сейчас уже хорошо известно, что Завойский также наблюдал и сигнал ЯМР, это было перед войной, в 1941 году. Однако в его распоряжении был магнит низкого качества с плохой однородностью поля, результаты были плохо воспроизводимыми и потому так и остались неопубликованными. Справедливости ради надо заметить, что Завойский был не единственным, кто наблюдал ЯМР до его «официального» открытия. В частности, американский физик Исидор Раби (лауреат Нобелевской премии 1944 года за исследование магнитных свойств ядер в атомных и молекулярных пучках) в конце 30-х годов также наблюдал ЯМР, но счел это аппаратурным артефактом. Так или иначе, но за нашей страной остается приоритет в экспериментальном обнаружении магнитного резонанса. Хотя сам Завойский вскоре после войны стал заниматься другими проблемами, его открытие для развития науки в Казани сыграло огромную роль. Казань до сих пор остается одним из ведущих мировых научных центров по ЭПР-спектроскопии.

Нобелевские премии в области магнитного резонанса

В первой половине XX века было присуждено несколько Нобелевских премий ученым, без работ которых открытие ЯМР не могло бы состояться. Среди них можно назвать Петера Зеемана, Отто Штерна, Исидора Раби, Вольфганга Паули. Но непосредственно связанных с ЯМР Нобелевских премий было четыре. В 1952 году премию получили Феликс Блох и Эдвард Парселл за открытие ЯМР. Это единственная «ЯМР-ная» Нобелевская премия по физике. В 1991 году премию по химии получил швейцарец Ричард Эрнст, работавший в знаменитой Швейцарской высшей технической школе в Цюрихе. Он был удостоен ее за развитие методов многомерной ЯМР-спектроскопии, которые позволили кардинально увеличить информативность ЯМР-экспериментов. В 2002 году лауреатом премии, также по химии, стал Курт Вютрих, работавший с Эрнстом в соседних зданиях в той же Технической школе. Он получил премию за разработку методов определения трехмерной структуры белков в растворе. До этого единственным методом, позволяющим определять пространственную конформацию больших биомакромолекул, был только рентгеноструктурный анализ. Наконец, в 2003 году премию по медицине за изобретение ЯМР-томографии получили американец Поль Лаутербур и англичанин Петер Мансфилд. Советский первооткрыватель ЭПР Е. К. Завойский Нобелевской премии, увы, не получил.