ядерный магнитный резонанс

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЯМР)

явление резонансного поглощения радиочастотной электромагн. энергии веществом с ненулевыми магн. моментами ядер, находящимся во внеш. постоянном мага. поле. Ненулевым ядерным магн. моментом обладают ядра ¹Н, ²Н, ¹³С, ¹⁴N, ¹⁵N, ¹⁹F, ²⁹Si, ³¹P и др. ЯМР обычно наблюдается в однородном постоянном магн. поле В₀, на которое накладывается слабое радиочастотное поле В₁ перпендикулярное полю В₀. Для веществ, у которых ядерный спин I= ¹/₂ (¹H, ¹³C, ¹⁵N, ¹⁹F, ²⁹Si, ³¹P и др.), в поле В₀ возможны две ориентации магн. дипольного момента ядра

При условии, что где т — магн. квантовое число.

Техника эксперимента. Параметры спектров ЯМР. На явлении ЯМР основана спектроскопия ЯМР. Спектры ЯМР регистрируют с помощью радиоспектрометров (рис.). Образец исследуемого вещества помещают как сердечник в катушку генерирующего контура (поле B₁), расположенного в зазоре магнита, создающего поле В₀так, что наступает резонансное поглощение, что вызывает падение напряжения на контуре, в схему которого включена катушка с образцом. Падение напряжения детектируется, усиливается и подается на развертку осциллографа или записывающее устройство. В совр. радиоспектрометрах ЯМР обычно используют мага, поля напряженностью 1–12 Тл. Область спектра, в которой имеется детектируемый сигнал с одним или неск. максимумами, наз. линией поглощения ЯМР. Ширина наблюдаемой линии, измеренная на половине макс. интенсивности и выраженная в Гц, наз. шириной линии ЯМР. Разрешение спектра ЯМР — миним. ширина линии ЯМР, которую позволяет наблюдать данный спектрометр. Скорость прохождения — скорость (в Гц/с), с которой изменяется напряженность магн. поля или частота воздействующего на образец радиочастотного излучения при получении спектра ЯМР.

_{Схема спектрометра ЯМР: 1 — катушка с образцом; 2 — полюса магнита; 3 — генератор радиочастотного поля; 4 — усилитель и детектор; 5 — генератор модулирующего напряжения; 6 — катушки модуляции поля В0}; 7 — осциллограф.

Поглощенную энергию система перераспределяет внутри себя (т. наз. спин-спиновая, или поперечная релаксация; характеристич. время Т₂) и отдает в окружающую среду (спин-решеточная релаксация, время релаксации Т₁). Времена Т₁и Т₂ несут информацию о межъядерных расстояниях и временах корреляции разл. мол. движений. Измерения зависимости Т₁и Т₂от температуры и частоты v₀ дают информацию о характере теплового движения, хим. равновесиях, фазовых переходах и др. В твердых телах с жесткой решеткой Т₂ = 10 мкс, а Т₁ > 10³ с, т. к. регулярный механизм спин-решеточной релаксации отсутствует и релаксация обусловлена парамагн. примесями. Из-за малости Т₂ естественная ширина линии ЯМР весьма велика (десятки кГц), их регистрация — область ЯМР широких линий. В жидкостях малой вязкости Т₁T₂и измеряется секундами. Соотв. линии ЯМР имеют ширину порядка 10⁻¹ Гц (ЯМР высокого разрешения). Для неискаженного воспроизведения формы линии надо проходить через линию шириной 0,1 Гц в течение 100 с. Это накладывает существенные ограничения на чувствительность спектрометров ЯМР.

Основной параметр спектра ЯМР — хим. сдвиг- взятое с соответствующим знаком отношение разности частот наблюдаемого сигнала ЯМР и некоторого условно выбранного эталонного сигнала к.-л. стандарта к частоте эталонного сигнала (выражается в миллионных долях, м. д.). Хим. сдвиги ЯМР измеряют в безразмерных величинах обладают существенной характеристичностью и позволяют определять по спектрам ЯМР наличие определенных мол. фрагментов. Соответствующие данные о хим. сдвигах разл. ядер публикуются в справочных и учебных пособиях, а также заносятся в базы данных, которыми снабжаются совр. спектрометры ЯМР. В рядах близких по строению соединений хим. сдвиг прямо пропорционален электронной плотности на соответствующих ядрах.

Общепринятый стандарт для ПМР и ЯМР¹³С — тетраметилсилан (ТМС). Стандарт м. б. растворен в исследуемом растворе (внутр. эталон) или помещен, напр., в запаянный капилляр, находящийся внутри ампулы с образцом (внеш. эталон). В качестве растворителей могут использоваться лишь такие, чье собственное поглощение не перекрывается с областью, представляющей интерес для исследования. Для ПМР лучшие растворители — те, что не содержат протонов (CCl₄, CDC1₃, CS₂, D₂O и др.).

В многоатомных молекулах ядра одинаковых атомов, занимающих химически неэквивалентные положения, имеют различающиеся хим. сдвиги, обусловленные различием магн. экранирования ядер валентными электронами (такие ядра наз. анизохронными). Для i-го ядра- до 20 м. д., для более тяжелых ядер эти интервалы на 2–3 порядка больше.

Важный параметр спектров ЯМР — константа спин-спинового взаимод. (константа ССВ) — мера непрямого ССВ между разл. магн. ядрами одной молекулы (см. спин-спиновое взаимодействие); выражается в Гц.

Взаимод. ядерных спинов со спинами электронов, содержащимися в молекуле между ядрами i и j, приводят к взаимной ориентации этих ядер в поле В₀ (ССВ). При достаточном разрешении где J_ij — константы ССВ; F_ij — величины, значения которых определяются спинами ядер i и j, симметрией соответствующего мол. фрагмента, диэдральными углами между хим. связями и числом этих связей между ядрами, участвующими в ССВ.

Если хим. сдвиги достаточно велики, т. е. min ни J_ij. Точные значения параметров спектров получают из квантовомех. расчетов. Соответствующие программы входят в мат. обеспечение совр. спектрометров ЯМР. Информативность хим. сдвигов и констант ССВ превратила спектроскопию ЯМР высокого разрешения в один из важнейших методов качеств. и количеств. анализа сложных смесей, систем, препаратов и композиций, а также исследования строения и реакц. способности молекул. При изучении конформаций, вырожденных и др. динамич. систем, геом. структуры белковых молекул в растворе, при неразрушающем локальном хим. анализе живых организмов и т. п. возможности методов ЯМР уникальны.

Ядерная намагниченность вещества. В соответствии с распределением Больцмана в двухуровневой спин-системе из N спинов отношение числа спинов N₊ на нижнем уровне к числу спинов N_- на верхнем уровне равно В плоскости ху, перпендикулярной оси z, проекции векторов из-за случайности фаз прецессии равны нулю: М_xy = 0. Поглощение энергии при ЯМР означает, что в единицу времени с нижнего уровня на верхний переходит больше спинов, чем в обратном направлении, т. е. разность населенностей N₊— N_- убывает (нагрев спин-системы, насыщение ЯМР). При насыщении в стационарном режиме намагниченность системы может сильно возрасти. Это — т. наз. эффект Оверхаузера, для ядер обозначаемый NOE (Nuclear Overhauser effect), который широко применяется для повышения чувствительности, а также для оценки межъядерных расстояний при изучении мол. геометрии методами спектроскопии ЯМР.

Векторная модель ЯМР. При регистрации ЯМР на образец накладывают радиочастотное поле различают медленное изменение (свип-режим) и импульсный ЯМР. Реальное сложное движение вектора ядерной намагниченности создает в плоскости х'у' два независимых сигнала: М_х, (синфазный с радиочастотным напряжением В₁) и М_у' (сдвинутый относительно B₁ по фазе на 90 °C). Одновременная регистрация М_х'и M_y' (квадратурное детектирование) вдвое повышает чувствительность спектрометра ЯМР. При достаточно большой амплитуде В_1тпроекции М_z = М_х'=М_у'=0(насыщение ЯМР). Поэтому при непрерывном действии поля В₁его амплитуда должна быть весьма малой, чтобы сохранить неизменными исходные условия наблюдения.

В импульсном ЯМР величина В₁,наоборот, выбирается настолько большой, чтобы за время t_{иимпульсов широко используются в совр. многоимпульсных вариантах спектроскопии ЯМР.}

Важной особенностью вращающейся системы координат является различие резонансных частот в ней и в неподвижной системе координат: если B_{1 Это позволяет существенно расширить возможности ЯМР при исследовании медленных процессов в веществе.}

Спин-эхо. Если на спин-систему наложить вновь соберется вдоль оси у', образовав сигнал эха. Спин-эхо устраняет эффекты неоднородности условий резонанса, вызванные дефектами аппаратуры или образца, хим. сдвигами и т. п. Подробнее см. спинового эха метод.

Фурье-спектроскопия. Одиночная линия ЯМР, сдвинутая на частоту после 90°-ного импульса даст во вращающейся системе координат сигнал

где Ф_i — т. наз. фаза линии. Если линий не одна, а несколько и 90°-ный импульс достаточно короткий, т. е. Эти векторы, вращаясь с разными частотами, создают биения (интерферограмму). Фурье-образ интерферограммы есть искомый спектр ЯМР (с точностью до коррекции фаз линий Ф_i, чтобы все линии имели стандартную форму сигнала поглощения). Условия медленного прохождения выполняются при регистрации интерферограммы, т. е. для всех линий спектра одновременно. Поэтому фурье-спектроскопия тем выгоднее, чем более узкие линии надо регистрировать и чем шире интервал частот, на котором эти линии расположены. ЯМР-фурье-спектроскопия позволяет наблюдать спектры всех магн. ядер.

Двойной и тройной резонанс. Для упрощения сложных спектров ЯМР на образец накладывают второе радиочастотное поле В₂, частота v₂ которого совпадает с положением сигнала, мешающего расшифровке спектра. Амплитуда В₂выбирается достаточной для насыщения переходов соответствующего ядра, т. е. z — проекция его спина обращается в нуль, устраняя ССВ этого ядра с др. ядрами молекулы. Если наложить на поле В₂шумовую модуляцию, то достигается выключение ССВ всех ядер в выбранном спектральном интервале. Такое подавление широко применяют при наблюдении ЯМР¹³С и др. ядер. Методом тройного резонанса ЯМР¹³С-{¹Н}-⁵⁷Fe измерялись хим. сдвиги в орг. соед. железа. Применяют многочисленные разновидности множественных резонансов.

Двумерная и многомерная фурье-спектроскопия. Двумерная фурье-спектроскопия — естественное обобщение методов двойного резонанса. В одномерной спектроскопии спектр отображающий выбранные парные взаимод. в изучаемой системе. Чаще всего такой спектр изображают в виде карты, пики на которой окружены замкнутыми изолиниями. Двумерную спектроскопию ЯМР применяют для анализа протон-протонных, протон-углеродных, углерод-углеродных и т. п. спин-спиновых взаимод. в самых сложных молекулах, для исследования многопозиционного хим. обмена, структурного анализа белков в растворах. Разбив при помощи удачно подобранной импульсной последовательности период эволюции на две части, вводят в эксперимент время t₃ и переходят к 3-мерной спектроскопии; ведутся успешные работы по 4- и 5-мерной фурье-спектроскопии ЯМР.

Многоквантовая фильтрация. Использование импульсных последовательностей позволяет, помимо разрешенных переходов сm = 3 и т. д. (т. наз. n-квантовая фильтрация). При включении в схему эксперимента двухквантового фильтра из сложного спектра высокого разрешения будут удалены все линии первого порядка. Это существенно облегчает интерпретацию спектров олиго- и полипептидов и др. сложных молекул.

Хим. обмен и спектры ЯМР (динамич. ЯМР). Параметрами двухпозиционного обмена А При дальнейшем росте температуры эта объединенная линия становится узкой. Сопоставление эксперим. спектра с расчетным позволяет для каждой температуры указать точную частоту хим. обмена, по этим данным вычисляют термодинамич. характеристики процесса. При многопозиционном обмене в сложном спектре ЯМР теоретич. спектр получают из квантовомех. расчета. Динамич. ЯМР — один из осн. методов изучения стереохим. нежесткости, конформационных равновесий и т. п.

Механизмы релаксации. Релаксационная спектроскопия. Ядерная магн. релаксация обусловлена процессами обмена энергией между ядерными спинами. Переориентация спинов в поле В₀происходит под действием флуктуирующих локальных магн. или электростатич. полей. В зависимости от механизма обмена энергией различают диполь-дипольную, квадрупольную, спин-вращательную и др. типы релаксации.

Поскольку разл. типы внутр. движений имеют разл. времена корреляции, они м. б. выявлены с помощью измерения зависимостей времен спин-решеточной и спин-спиновой релаксации Т₁и Т₂ от частоты магн. полей и температуры. Измерения Т₂и обнаружение максимумов скорости спин-решеточной релаксации позволяют отнести наблюдаемые изменения к конкретным типам движений специфич. мол. фрагментов, однозначно указывают на последовательность "размораживания" разл. типов подвижности. Смещения максимумов Т₁⁻¹при изменении В₀ дают возможность измерить частоты соответствующих движений и на основании известных теоретич. моделей измерить термодинамич. параметры разл. процессов в изучаемом образце. В простых случаях, если доминирует диполь-дипольный механизм релаксации, то из данных релаксационной спектроскопии ЯМР извлекают сведения о межъядерных расстояниях в молекулах жидкостей.

Вращение под магическим углом. Выражение для потенциала диполь-дипольного взаимод. содержит множители=arccos 3^−1/2 = 54°44' ("магический" угол) эти множители обращаются в нуль, т. е. исчезают соответствующие вклады в ширину линии. Если закрутить твердый образец с очень большой скоростью вокруг оси, наклоненной под магич. углом к В₀, то в твердом теле можно получить спектры высокого разрешения с почти столь же узкими линиями, как в жидкости.

Широкие линии в твердых телах. В кристаллах с жесткой решеткой форма линии ЯМР обусловлена статич. распределением локальных магн. полей. Все ядра решетки, за исключением кластера, в трансляционно-инвариантном объеме V₀ вокруг рассматриваемого ядра, дают гауссово распределение g(v) = exp(-v²/2a²), где v — расстояние от центра линии; ширина гауссианы а обратно пропорциональна среднему геом. объемов V₀ и V₁,причем V₁ характеризует среднюю по всему кристаллу концентрацию магн. ядер. Внутри V₀ концентрация магн. ядер больше средней, и ближние ядра благодаря диполь-дипольному взаимод. и хим. сдвигам создают спектр, ограниченный на интервале (-b, b), где b примерно вдвое больше а. В первом приближении спектр кластера можно считать прямоугольником, тогда фурье-образ линии, т. е. отклик спин-системы на 90°-ный импульс будет

Параметры а и b позволяют определять координаты легких ядер, а их температурная зависимость — изучать динамику кристаллич. решетки, диффузию и др.

Квадрупольные эффекты. В твердых телах для ядер со спином I>¹/₂ возникают дополнит. уровни энергии. Если e²Qq < 1 МГц, где eQ — электрич. квадрупольный момент ядра, eq — градиент напряженности электрич. поля (ГЭП) на ядре, то для монокристалла наблюдается 2I-1 линий, расстояния между которыми закономерно меняются при изменении ориентации кристалла в поле В₀. Из этих зависимостей находят положения главных осей тензора ГЭП, значения параметра его асимметрии МГц, то в хороших кристаллах соответствующие переходы можно наблюдать без поля В₀. Это ядерный квадрупольный резонанс.

Применение спектроскопии ЯМР. Спектроскопия ЯМР относится к неразрушающим методам анализа. Совр. импульсная ЯМР фурье-спектроскопия позволяет вести анализ по 80 магн. ядрам. ЯМР спектроскопия — один из осн. физ.-хим. методов анализа, ее данные используют для однозначной идентификации как промежут. продуктов хим. реакций, так и целевых веществ. Помимо структурных отнесений и количеств. анализа, спектроскопия ЯМР приносит информацию о конформационных равновесиях, диффузии атомов и молекул в твердых телах, внутр. движениях, водородных связях и ассоциации в жидкостях, кето-енольной таутомерии, металлo- и прототропии, упорядоченности и распределении звеньев в полимерных цепях, адсорбции веществ, электронной структуре ионных кристаллов, жидких кристаллов и др. Спектроскопия ЯМР — источник информации о структуре биополимеров, в т. ч. белковых молекул в растворах, сопоставимой по достоверности с данными рентгеноструктурного анализа. В 80-е гг. началось бурное внедрение методов спектроскопии и томографии ЯМР в медицину для диагностики сложных заболеваний и при диспансеризации населения.

Число и положение линий в спектрах ЯМР однозначно характеризуют все фракции сырой нефти, синтетич. каучуков, пластмасс, сланцев, углей, лекарств, препаратов, продукции хим. и фармацевтич. промышленности и др.

Интенсивность и ширина линии ЯМР воды или масла позволяют с высокой точностью измерять влажность и масличность семян, сохранность зерна. При отстройке от сигналов воды можно регистрировать содержание клейковины в каждом зерне, что так же, как и анализ масличности, позволяет вести ускоренную селекцию с.-х. культур.

Применение все более сильных магн. полей (до 14 Тл в серийных приборах и до 19 Тл в эксперим. установках) обеспечивает возможность полного определения структуры белковых молекул в растворах, экспресс-анализа биол. жидкостей (концентрации эндогенных метаболитов в крови, моче, лимфе, спинномозговой жидкости), контроля качества новых полимерных материалов. При этом применяют многочисленные варианты многоквантовых и многомерных фурье-спектроскопич. методик.

Явление ЯМР открыли Ф. Блох и Э. Пёрселл (1946), за что были удостоены Нобелевской премии (1952).

^{Лит.: Абрагам А., Ядерный магнетизм, пер. с англ., М., 1963; Эмсли Дж., Финей Дж., Сатклиф Л., Спектроскопия ЯМР высокого разрешения, пер. с англ., т. 1–2, М., 1968–69; Фаррар Т., Беккер Э., Импульсная и фурье-спектроскопия ЯМР, пер. с англ., М., 1973; Бови Ф. А., ЯМР высокого разрешения макромолекул, пер. с англ., М., 1977; Лундин А.Г., Федин Э.И., ЯМР-спектроскопия, М., 1986; Эрнст Р., Боденхаузен Дж., Бакаун А., ЯМР в одном и двух измерениях, пер. с англ., М., 1990; Зеер Э. П., Зобов В. Е., Фалалеев О. В., Новые ("кросс-сингулярные") эффекты в ЯМР поликристаллов, Новосиб., 1991; Дероум Э., Современные методы ЯМР для химических исследований, пер. с англ., М., 1992; Rand all J., Polymer sequence determination: Carbon-13 NMR Method, N. Y., 1977.}

_{Э. И. Федин}

Химическая энциклопедия

ядерный магнитный резонанс

Значения в других словарях