ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЯМР), явление резонансного поглощения радиочастотной электромагн. энергии в-вом с ненулевыми магн. моментами ядер, находящимся во внеш. постоянном мага. поле. Ненулевым ядерным магн. моментом обладают ядра 1 Н, 2 Н, 13 С, 14 N, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P и др. ЯМР обычно наблюдается в однородном постоянном магн. поле В 0 , на к-рое накладывается слабое радиочастотное поле В 1 перпендикулярное полю В 0 . Для в-в, у к-рых ядерный спин I= 1 / 2 (1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P и др.), в поле В 0 возможны две ориентации магн. дипольного момента ядра "по полю" и "против поля". Возникающие два уровня энергии Е за счет взаимод. магн. момента ядра с полем В 0 разделены интервалом
При условии, что илигде h - постоянная Планка , v 0 - частота радиочастотного поля В 1 , - круговая частота,- т. наз. гиромагн. отношение ядра, наблюдается резонансное поглощение энергии поля B 1 , названное ЯМР. Для нуклидов 1 H, 13 C, 31 Р частоты ЯМР в поле В 0 = 11,7 Тл равны соотв. (в МГц): 500, 160,42 и 202,4; значения (в МГц/Тл): 42,58, 10,68 и 17,24. Согласно квантовой модели в поле В 0 возникает 2I+1 уровней энергии, переходы между к-рыми разрешены при 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 в-ва помещают как сердечник в катушку генерирующего контура (поле B 1), расположенного в зазоре магнита, создающего поле В 0 так, что При наступает резонансное поглощение, что вызывает падение напряжения на контуре, в схему к-рого 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 к-рой 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, к-рую позволяет наблюдать данный спектрометр. Скорость прохождения - скорость (в Гц/с), с к-рой 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 В 0 ; 7 - осциллограф.

Поглощенную энергию система перераспределяет внутри себя (т. наз. спин-спиновая, или поперечная релаксация ; характеристич. время Т 2) и отдает в окружающую среду (спин-решеточная релаксация , время релаксации Т 1). Времена Т 1 и Т 2 несут информацию о межъядерных расстояниях и временах корреляции разл. мол. движений. Измерения зависимости Т 1 и Т 2 от т-ры и частоты v 0 дают информацию о характере теплового движения, хим. равновесиях , фазовых переходах и др. В твердых телах с жесткой решеткой Т 2 = 10 мкс, а Т 1 > 10 3 с, т. к. регулярный механизм спин-решеточной релаксации отсутствует и релаксация обусловлена парамагн. примесями. Из-за малости Т 2 естественная ширина линии ЯМР весьма велика (десятки кГц), их регистрация -область ЯМР широких линий. В жидкостях малой вязкости Т 1 T 2 и 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 нек-рого условно выбранного эталонного сигнала к.-л. стандарта к частоте эталонного сигнала (выражается в миллионных долях, м. д.). Хим. сдвиги ЯМР измеряют в безразмерных величинах отсчитанных от пика эталонного сигнала. Если стандарт дает сигнал на частоте v 0 , то В зависимости от природы исследуемых ядер различают протонный ЯМР, или ПМР, и ЯМР 13 С (таблицы величин хим. сдвигов приведены на форзацах тома),. ЯМР 19 F (см. Фторорганические соединения), ЯМР 31 Р (см. Фосфорорганические соединения)и т. д. Величины 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, к-рыми снабжаются совр. спектрометры ЯМР. В рядах близких по строению соединений хим. сдвиг прямо пропорционален электронной плотности на соответствующих ядрах.
Общепринятый стандарт для ПМР и ЯМР 13 С - тетраметилсилан (ТМС). Стандарт м. б. растворен в исследуемом р-ре (внутр. эталон) или помещен, напр., в запаянный капилляр, находящийся внутри ампулы с образцом (внеш. эталон). В качестве р-рителей могут использоваться лишь такие, чье собственное поглощение не перекрывается с областью, представляющей интерес для исследования. Для ПМР лучшие р-рители - те, что не содержат протонов (СС1 4 , CDC1 3 , CS 2 , D 2 O 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 где- постоянная диамагн. экранирования, измеряемая в м. д. Для протонов типичный интервал изменений- 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 В 0 (ССВ). При достаточном разрешении ССВ приводит к дополнит. мультиплетности линий, отвечающих определенным значениям хим. сдвигов: где J ij - константы ССВ; F ij - величины, значения к-рых 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 max (J ij), то ССВ проявляются в виде простых мультиплетов с биномиальным распределением интенсивностей (спектры первого порядка). Так в этильной группе сигнал метильных протонов проявляется в виде триплета с соотношением интенсивностей 1:2:1, а сигнал метиленовых протонов - в виде квадруплета с соотношением интенсивностей 1:3:3:1. В спектрах ЯМР 13 С метиновые группы - дублеты (1:1), а метиленовые и метильные - соотв. триплеты и квадруплеты, но с большими, чем в протонных спектpax, значениями констант ССВ. Хим. сдвиги в спектрах первого порядка равны интервалам между центрами мультиплетов, а J ij - расстояниям между соседними пиками мультиплета. Если условие первого порядка не выполняется, то спектры становятся сложными: в них ни один интервал, вообще говоря, не равен ни 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 р-ре, при неразрушающем локальном хим. анализе живых организмов и т. п. возможности методов ЯМР уникальны.

Ядерная намагниченность в-ва. 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 где k - постоянная Больцмана ; Т - т-ра. При В 0 = 1 Тл и Т=300 К для протонов отношение N + /N - .= 1,00005. Это отношение и определяет величину ядерной намагниченности в-ва, помещенного в поле B 0 . Магн. момент m каждого ядра совершает прецессионное движение относительно оси z, вдоль к-рой направлено поле B 0 ; частота этого движения равна частоте ЯМР. Сумма проекций прецессирующих ядерных моментов на ось z образует макроскопич. намагниченность в-ва M z = 10 18 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), к-рый 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 , действующее в плоскости ху. В этой плоскости поле В 1 можно рассматривать как два вектора с амплитудами В 1т/ 2, вращающихся с частотой в противоположных направлениях. Вводят вращающуюся систему координат x"y"z, ось х" к-рой совпадает с вектором В 1т/ 2, вращающимся в том же направлении, что и векторы Его воздействие вызывает изменение угла при вершине конуса прецессии ядерных магн. моментов; ядерная намагниченность М z начинает зависеть от времени, а в плоскости х"у" появляется отличная от нуля проекция ядерной намагниченности. В неподвижной системе координат эта проекция вращается с частотой т. е. в катушке индуктивности наводится радиочастотное напряжение, к-рое после детектирования и дает сигнал ЯМР - ф-цию ядерной намагниченности от частоты 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 В 1)и М у" (сдвинутый относительно B 1 по фазе на 90 °С). Одновременная регистрация М х" и M y" (квадратурное детектирование) вдвое повышает чувствительность спектрометра ЯМР. При достаточно большой амплитуде В 1т проекции М z = М х" =М у" =0(насыщение ЯМР). Поэтому при непрерывном действии поля В 1 его амплитуда должна быть весьма малой, чтобы сохранить неизменными исходные условия наблюдения.
В импульсном ЯМР величина В 1 ,наоборот, выбирается настолько большой, чтобы за время t и Т 2 отклонить во вращающейся системе координат вектор M z от оси z на угол . При= 90° импульс называют 90°-ным (/2-импульс); под его воздействием вектор ядерной намагниченности оказывается в плоскости х"у", т. е. После окончания импульса вектор M y" начинает убывать по амплитуде со временем Т 2 благодаря расхождению по фазе составляющих его элементарных векторов (спин-спиновая релаксация). Восстановление равновесной ядерной намагниченности М z происходит со временем спин-решеточной релаксации T 1 . При= 180° (импульс) вектор M z укладывается вдоль отрицат. направления оси z, релаксируя после окончания импульса к своему равновесному положению. Комбинации 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 В лок (статич. локальное поле), то вектор М прецессирует во вращающейся системе координат относительно поля При точной настройке в резонанс частота ЯМР во вращающейся системе координат Это позволяет существенно расширить возможности ЯМР при исследовании медленных процессов в в-ве.

Хим. обмен и спектры ЯМР (динамич. ЯМР). Параметрами двухпозиционного обмена А В служат времена пребывания и а также вероятности пребывания иПри низкой т-ре спектр ЯМР состоит из двух узких линий, отстоящих на Гц; затем при уменьшении и линии начинают уширяться, оставаясь на своих местах. Когда частота обмена начинает превышать исходное расстояние между линиями, линии начинают сближаться, а при 10-кратном превышении образуется одна широкая линия в центре интервала (v A , v B), если При дальнейшем росте т-ры эта объединенная линия становится узкой. Сопоставление эксперим. спектра с расчетным позволяет для каждой т-ры 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.

Вращение под магическим углом. Выражение для потенциала диполь-дипольного взаимод. содержит множители где - угол между В 0 и межъядерным вектором r ij . При=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 В 0 , 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 V 0 вокруг рассматриваемого ядра, дают гауссово распределение g(v) = exp(-v 2 /2a 2), где v - расстояние от центра линии; ширина гауссианы а обратно пропорциональна среднему геом. объемов V 0 и V 1 ,причем V 1 характеризует среднюю по всему кристаллу концентрацию магн. ядер. Внутри V 0 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

Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг , который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения.

Энциклопедичный YouTube

• 1 / 5

  В основе явления ядерного магнитного резонанса лежат магнитные свойства атомных ядер, состоящих из нуклонов с полуцелым спином 1/2, 3/2, 5/2…. Ядра с чётными массовым и зарядовым числами (чётно-чётные ядра) не обладают магнитным моментом.

  Угловой момент и магнитный момент ядра квантованы, и собственные значения проекции и углового и магнитного моментов на ось z произвольно выбранной системы координат определяются соотношением

  J z = ℏ μ I {\displaystyle J_{z}=\hbar \mu _{I}} и μ z = γ ℏ μ I {\displaystyle \mu _{z}=\gamma \hbar \mu _{I}} ,

  где μ I {\displaystyle \mu _{I}} - магнитное квантовое число собственного состояния ядра, его значения определяются спиновым квантовым числом ядра

  μ I = I , I − 1 , I − 2 , . . . , − I {\displaystyle \mu _{I}=I,I-1,I-2,...,-I} ,

  то есть ядро может находиться в 2 I + 1 {\displaystyle 2I+1} состояниях.

  Так, у протона (или другого ядра с I = 1/2 - 13 C, 19 F, 31 P и т. п.) может находиться только в двух состояниях

  μ z = ± γ ℏ I = ± ℏ / 2 {\displaystyle \mu _{z}=\pm \gamma \hbar I=\pm \hbar /2} ,

  такое ядро можно представить как магнитный диполь , z-компонента которого может быть ориентирована параллельно либо антипараллельно положительному направлению оси z произвольной системы координат.

  Следует отметить, что в отсутствие внешнего магнитного поля все состояния с различными μ z {\displaystyle \mu _{z}} имеют одинаковую энергию, то есть являются вырожденными. Вырождение снимается во внешнем магнитном поле, при этом расщепление относительно вырожденного состояния пропорционально величине внешнего магнитного поля и магнитного момента состояния и для ядра со спиновым квантовым числом I во внешнем магнитном поле появляется система из 2I+1 энергетических уровней − μ z B 0 , − I − 1 I B 0 , . . . , I − 1 I B 0 , μ z B 0 {\displaystyle -\mu _{z}B_{0},-{\frac {I-1}{I}}B_{0},...,{\frac {I-1}{I}}B_{0},\mu _{z}B_{0}} , то есть ядерный магнитный резонанс имеет ту же природу, что и эффект Зеемана расщепления электронных уровней в магнитном поле.

  В простейшем случае для ядра со спином с I = 1/2 - например, для протона, расщепление

  δ E = ± μ z B 0 {\displaystyle \delta E=\pm \mu _{z}B_{0}}

  и разность энергии спиновых состояний

  Δ E = 2 μ z B 0 {\displaystyle \Delta E=2\mu _{z}B_{0}}

  Наблюдение ЯМР облегчается тем, что в большинстве веществ атомы не обладают постоянными магнитными моментами электронов атомных оболочек вследствие явления замораживания орбитального момента .

  Резонансные частоты ЯМР в металлах выше, чем в диамагнетиках (найтовский сдвиг).

  Химическая поляризация ядер

  При протекании некоторых химических реакций в магнитном поле в спектрах ЯМР продуктов реакции обнаруживается либо аномально большое поглощение, либо радиоизлучение. Этот факт свидетельствует о неравновесном заселении ядерных зеемановских уровней в молекулах продуктов реакции. Избыточная заселённость нижнего уровня сопровождается аномальным поглощением. Инверсная заселённость (верхний уровень заселён больше нижнего) приводит к радиоизлучению. Данное явление называется химической поляризацией ядер .

  Ларморовские частоты некоторых атомных ядер

  ядро	Ларморовская частота в МГц при 0,5 Тесла	Ларморовская частота в МГц при 1 Тесла	Ларморовская частота в МГц при 7,05 Тесла
  1 H (Водород)	21,29	42,58	300.18
  ²D (Дейтерий)	3,27	6,53	46,08
  13 C (Углерод)	5,36	10,71	75,51
  23 Na (Натрий)	5,63	11,26	79.40
  39 K (Калий)	1,00	1,99

  Частота для резонанса протонов находится в диапазоне коротких волн (длина волн около 7 м) .

  Применение ЯМР

  Спектроскопия

  Приборы

  Сердцем спектрометра ЯМР является мощный магнит . В эксперименте, впервые осуществлённом на практике Парселлом , образец, помещённый в стеклянную ампулу диаметром около 5 мм, заключается между полюсами сильного электромагнита. Затем, для улучшения однородности магнитного поля, ампула начинает вращаться, а магнитное поле , действующее на неё, постепенно усиливают. В качестве источника излучения используется радиочастотный генератор высокой добротности . Под действием усиливающегося магнитного поля начинают резонировать ядра, на которые настроен спектрометр. При этом экранированные ядра резонируют на частоте, чуть меньшей, чем ядра, лишённые электронных оболочек. Поглощение энергии фиксируется радиочастотным мостом и затем записывается самописцем. Частоту увеличивают до тех пор, пока она не достигнет некого предела, выше которого резонанс невозможен.

  Так как идущие от моста токи весьма малы, снятием одного спектра не ограничиваются, а делают несколько десятков проходов. Все полученные сигналы суммируются на итоговом графике, качество которого зависит от отношения сигнал/шум прибора.

  В данном методе образец подвергается радиочастотному облучению неизменной частоты, в то время как сила магнитного поля изменяется, поэтому его ещё называют методом непрерывного облучения (CW, continous wave).

  Традиционный метод ЯМР-спектроскопии имеет множество недостатков. Во-первых, он требует большого количества времени для построения каждого спектра. Во-вторых, он очень требователен к отсутствию внешних помех, и как правило, получаемые спектры имеют значительные шумы. В-третьих, он непригоден для создания спектрометров высоких частот (300, 400, 500 и более МГц). Поэтому в современных приборах ЯМР используется метод так называемой импульсной спектроскопии (PW), основанной на фурье-преобразованиях полученного сигнала. В настоящее время все ЯМР-спектрометры строятся на основе мощных сверхпроводящих магнитов с постоянной величиной магнитного поля.

  В отличие от CW-метода, в импульсном варианте возбуждение ядер осуществляют не «постоянной волной», а с помощью короткого импульса, продолжительностью несколько микросекунд. Амплитуды частотных компонент импульса уменьшаются с увеличением расстояния от ν 0 . Но так как желательно, чтобы все ядра облучались одинаково, необходимо использовать «жесткие импульсы», то есть короткие импульсы большой мощности. Продолжительность импульса выбирают так, чтобы ширина частотной полосы была больше ширины спектра на один-два порядка. Мощность достигает нескольких тысяч ватт .

  В результате импульсной спектроскопии получают не обычный спектр с видимыми пиками резонанса, а изображение затухающих резонансных колебаний, в котором смешаны все сигналы от всех резонирующих ядер - так называемый «спад свободной индукции» (FID, free induction decay ). Для преобразования данного спектра используют математические методы, так называемое фурье-преобразование , по которому любая функция может быть представлена в виде суммы множества гармонических колебаний .

  Спектры ЯМР

  Для качественного анализа c помощью ЯМР используют анализ спектров, основанный на таких замечательных свойствах данного метода:

  • сигналы ядер атомов, входящих в определённые функциональные группы, лежат в строго определённых участках спектра;
  • интегральная площадь, ограниченная пиком, строго пропорциональна количеству резонирующих атомов;
  • ядра, лежащие через 1-4 связи, способны давать мультиплетные сигналы в результате т. н. расщепления друг на друге.

  Положение сигнала в спектрах ЯМР характеризуют химическим сдвигом их относительно эталонного сигнала. В качестве последнего в ЯМР 1 Н и 13 С применяют тетраметилсилан Si(CH 3) 4 (ТМС). Единицей химического сдвига является миллионная доля (м.д.) частоты прибора. Если принять сигнал ТМС за 0, а смещение сигнала в слабое поле считать положительным химическим сдвигом, то мы получим так называемую шкалу δ. Если резонанс тетраметилсилана приравнять 10 м.д. и обратить знаки на противоположные, то результирующая шкала будет шкалой τ, практически не используемой в настоящее время. Если спектр вещества слишком сложен для интерпретирования, можно воспользоваться квантовохимическими методами расчёта констант экранирования и на их основании соотнести сигналы.

  ЯМР-интроскопия

  Явление ядерного магнитного резонанса можно применять не только в физике и химии , но и в медицине : организм человека - это совокупность все тех же органических и неорганических молекул.

  Чтобы наблюдать это явление, объект помещают в постоянное магнитное поле и подвергают действию радиочастотных и градиентных магнитных полей. В катушке индуктивности, окружающей исследуемый объект, возникает переменная электродвижущая сила (ЭДС), амплитудно-частотный спектр которой и переходные во времени характеристики несут информацию о пространственной плотности резонирующих атомных ядер, а также о других параметрах, специфических только для ядерного магнитного резонанса. Компьютерная обработка этой информации формирует объёмное изображение, которое характеризует плотность химически эквивалентных ядер, времена релаксации ядерного магнитного резонанса, распределение скоростей потока жидкости, диффузию молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.

  Ядерный магнитный резонанс

  Я́дерный магни́тный резона́нс (ЯМР ) - резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащимядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер. Явление ядерного магнитного резонанса было открыто в 1938 году Исааком Раби в молекулярных пучках, за что он был удостоен нобелевской премии 1944 года . В 1946 году Феликс Блох и Эдвард Миллз Парселл получили ядерный магнитный резонанс в жидкостях и твердых телах (нобелевская премия 1952 года). .

  Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения.

  Мат.описание Магнитный момент ядра мю=у*l где l- спин яра; у- постоянная планка Частота, на которой наблюдается ЯМР

  Химическая поляризация ядер

  При протекании некоторых химических реакций в магнитном поле в спектрах ЯМР продуктов реакции обнаруживается либо аномально большое поглощение, либо радиоизлучение. Этот факт свидетельствует о неравновесном заселении ядерных зеемановских уровней в молекулах продуктов реакции. Избыточная заселённость нижнего уровня сопровождается аномальным поглощением. Инверсная заселённость (верхний уровень заселён больше нижнего) приводит к радиоизлучению. Данное явление называется химической поляризацией ядер

  В ЯМР используется для усиления ядерной намагниченности Ларморовские частоты некоторых атомных ядер

  ядро	Ларморовская частота в МГц при 0,5 Тесла	Ларморовская частота в МГц при 1 Тесла	Ларморовская частота в МГц при 7,05 Тесла
  1 H (Водород )
  ²D (Дейтерий )
  13 C (Углерод )
  23 Na (Натрий )
  39 K (Калий )

  Частота для резонанса протонов находится в диапазоне коротких волн (длина волн около 7 м) .

  Применение ЯМР

  Спектроскопия

  ЯМР-спектроскопия

  Приборы

  Сердцем спектрометра ЯМР является мощный магнит. В эксперименте, впервые осуществленном на практике Пёрселлом, образец, помещенный в стеклянную ампулу диаметром около 5 мм, заключается между полюсами сильного электромагнита. Затем, для улучшения однородности магнитного поля, ампула начинает вращаться, а магнитное поле, действующее на нее, постепенно усиливают. В качестве источника излучения используется радиочастотный генератор высокой добротности. Под действием усиливающегося магнитного поля начинают резонировать ядра, на которые настроен спектрометр. При этом экранированные ядра резонируют на частоте чуть меньшей, чем ядра, лишенные электронных оболочек. Поглощение энергии фиксируется радиочастотным мостом и затем записывается самописцем. Частоту увеличивают до тех пор, пока она не достигнет некого предела, выше которого резонанс невозможен.

  Так как идущие от моста токи весьма малы, снятием одного спектра не ограничиваются, а делают несколько десятков проходов. Все полученные сигналы суммируются на итоговом графике, качество которого зависит от отношения сигнал/шум прибора.

  В данном методе образец подвергается радиочастотному облучению неизменной частоты, в то время как сила магнитного поля изменяется, поэтому его еще называют методом непрерывного облучения (CW, continous wave).

  Традиционный метод ЯМР-спектроскопии имеет множество недостатков. Во-первых, он требует большого количества времени для построения каждого спектра. Во-вторых, он очень требователен к отсутствию внешних помех, и как правило, получаемые спектры имеют значительные шумы. В-третьих, он непригоден для создания спектрометров высоких частот (300, 400, 500 и более МГц). Поэтому в современных приборах ЯМР используется метод так называемой импульсной спектроскопии (PW), основанной на фурье-преобразованияхполученного сигнала. В настоящее время все ЯМР-спектрометры строятся на основе мощных сверхпроводящих магнитов с постоянной величиной магнитного поля.

  В отличие от CW-метода, в импульсном варианте возбуждение ядер осуществляют не «постоянной волной», а с помощью короткого импульса, продолжительностью несколько микросекунд. Амплитуды частотных компонент импульса уменьшаются с увеличением расстояния от ν 0 . Но так как желательно, чтобы все ядра облучались одинаково, необходимо использовать «жесткие импульсы», то есть короткие импульсы большой мощности. Продолжительность импульса выбирают так, чтобы ширина частотной полосы была больше ширины спектра на один-два порядка. Мощность достигает нескольких тысяч ватт.

  В результате импульсной спектроскопии получают не обычный спектр с видимыми пиками резонанса, а изображение затухающих резонансных колебаний, в котором смешаны все сигналы от всех резонирующих ядер - так называемый «спад свободной индукции» (FID, free induction decay ). Для преобразования данного спектра используют математические методы, так называемое фурье-преобразование, по которому любая функция может быть представлена в виде суммы множества гармонических колебаний.

  Спектры ЯМР

  Спектр 1 H 4-этоксибензальдегида. В слабом поле (синглет ~9,25 м.д) сигнал протона альдегидной группы, в сильном (триплет ~1,85-2 м.д.) - протонов метила этоксильной группы.

  Для качественного анализа c помощью ЯМР используют анализ спектров, основанный на таких замечательных свойствах данного метода:

  сигналы ядер атомов, входящих в определенные функциональные группы, лежат в строго определенных участках спектра;

  интегральная площадь, ограниченная пиком, строго пропорциональна количеству резонирующих атомов;

  ядра, лежащие через 1-4 связи, способны давать мультиплетные сигналы в результате т. н. расщепления друг на друге.

  Положение сигнала в спектрах ЯМР характеризуют химическим сдвигом их относительно эталонного сигнала. В качестве последнего в ЯМР 1 Н и 13 С применяют тетраметилсилан Si(CH 3) 4 (ТМС). Единицей химического сдвига является миллионная доля (м.д.) частоты прибора. Если принять сигнал ТМС за 0, а смещение сигнала в слабое поле считать положительным химическим сдвигом, то мы получим так называемую шкалу δ. Если резонанс тетраметилсилана приравнять 10 м.д. и обратить знаки на противоположные, то результирующая шкала будет шкалой τ, практически не используемой в настоящее время. Если спектр вещества слишком сложен для интерпретирования, можно воспользоваться квантовохимическими методами расчета констант экранирования и на их основании соотнести сигналы.

  ЯМР-интроскопия

  Явление ядерного магнитного резонанса можно применять не только в физике и химии, но и в медицине: организм человека - это совокупность все тех же органических и неорганических молекул.

  Чтобы наблюдать это явление, объект помещают в постоянное магнитное поле и подвергают действию радиочастотных и градиентных магнитных полей. В катушке индуктивности, окружающей исследуемый объект, возникает переменная электродвижущая сила (ЭДС), амплитудно-частотный спектр которой и переходные во времени характеристики несут информацию о пространственной плотности резонирующих атомных ядер, а также о других параметрах, специфических только для ядерного магнитного резонанса. Компьютернаяобработка этой информации формирует объёмное изображение, которое характеризует плотность химически эквивалентных ядер, времена релаксации ядерного магнитного резонанса, распределение скоростей потока жидкости, диффузию молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.

  Сущность ЯМР-интроскопии (или магнитно-резонансной томографии) состоит, по сути дела, в реализации особого рода количественного анализа по амплитуде сигнала ядерного магнитного резонанса. В обычной ЯМР-спектроскопии стремятся реализовать, по возможности, наилучшее разрешение спектральных линий. Для этого магнитные системы регулируются таким образом, чтобы в пределах образца создать как можно лучшую однородность поля. В методах ЯМР-интроскопии, напротив, магнитное поле создается заведомо неоднородным. Тогда есть основание ожидать, что частота ядерного магнитного резонанса в каждой точке образца имеет свое собственное значение, отличающееся от значений в других частях. Задав какой-либо код для градаций амплитуды ЯМР-сигналов (яркость или цвет на экране монитора), можно получить условное изображение (томограмму) срезов внутренней структуры объекта.

  ЯМР-интроскопия, ЯМР-томография впервые в мире изобретены в 1960 г. В. А. Ивановым. Заявку на изобретение (способ и устройство) некомпетентный эксперт отклонил «… ввиду явной бесполезности предлагаемого решения», поэтому авторское свидетельство на это было выдано лишь более чем через 10 лет. Таким образом, официально признано, что автором ЯМР-томографии является не коллектив нижеуказанных нобелевских лауреатов, а российский учёный. Невзирая на этот юридический факт, Нобелевская премия была присуждена за ЯМР-томографию вовсе не В. А. Иванову.

  Все элементарные частицы, то есть все, из чего мы состоим, являются маленькими магнитиками - это и протон, и нейтрон, и электрон. Таким образом, ядра, сложенные из протонов и нейтронов, также могут иметь магнитный момент.

  1. Характеристика магнитного момента ядра

  Природа магнитного момента квантовая. Но если попытаться проиллюстрировать ее в более понятном классическом выражении, поведение ядра похоже на поведение маленького вращающегося магнитика. Таким образом, если у нас нет внешнего магнитного поля, то такой магнит может быть ориентирован в любом направлении. Как только мы прикладываем внешнее магнитное поле, то ядро, обладающее магнитным моментом, как любой магнит, начинает чувствовать это магнитное поле, и если его спиновое число равно ½, то появляются два направления его преимущественной ориентации: по направлению и против направления магнитного поля. Эти два состояния различаются по энергии, и ядро, например протон, может переходить из одного состояния в другое. Такое изменение его ориентации относительно внешнего магнитного поля сопровождается поглощением или выделением кванта энергии.

  Энергия эта очень мала. Квант энергии лежит в области радиочастотных излучений. И именно эта малость энергии - одно из неприятных свойств метода ядерного магнитного резонанса, поскольку она определяет близость заселенностей нижнего и верхнего уровней. Но тем не менее, если мы посмотрим на ансамбль таких ядер, то есть на вещество, которое мы поместили в магнитное поле, появляется достаточно большое количество магнитных моментов, направленных вниз и вверх, и между ними возникают переходы. Таким образом, мы можем регистрировать эти переходы и измерять свойства, связанные с ними.

  2. Свойства магнитного момента ядра

  Поскольку квант энергии при переходе с одного уровня на другой зависит только от магнитных свойств исследуемого ядра и от величины внешнего магнитного поля, то так называемая частота магнитной прецессии, или ларморова частота, является фактором этих двух составляющих.

  Однако на самом деле магнитное поле, которое окружает то или иное ядро, неравно тому магнитному полю, которое мы приложили к нему, поместив изучаемый объект в магнит нашего спектрометра. Кроме внешнего магнитного поля нужно учесть и локальные магнитные поля, которые наводятся, например, движением электронов вокруг ядер, действием соседних ядер, таких же магнитов, способных индуцировать локальные магнитные поля, и тому подобное. Таким образом, каждое ядро, находящееся в разной части молекулы, имеет совершенно разное эффективное магнитное поле, которое окружает это ядро. В результате мы можем регистрировать не одиночный резонанс, а их набор, то есть спектр ядерного магнитного резонанса.

  Относительная резонансная частота выражается, как правило, в миллионных долях по отношению к величине внешнего магнитного поля. Этот параметр является стабильной величиной, не зависящей от значения внешнего магнитного поля, но определяемой электронными свойствами изучаемой молекулы.

  Итак, если мы рассматриваем какое-то химическое соединение: в разных положениях находящиеся, например, протоны чувствуют совершенно разное магнитное поле, то таким образом можно идентифицировать, скажем, сигнал протона ароматического остатка, сигнал протона какой-нибудь группы –CH3 и так далее. И сама по себе эта информация чрезвычайно важна со структурной точки зрения.

  3. Взаимодействие ядер, обладающих магнитным моментом

  Из-за того, что магнитные моменты взаимодействуют друг с другом, появляется еще один пласт информации, которую мы можем извлекать. Это информация, которая связана с взаимодействием двух различных ядер друг с другом. Если, например, одно ядро взаимодействует с другим посредством системы электронов, участвующих в образовании химических связей, то это называется непрямым, или спин-спиновым, взаимодействием. Величины спин-спинового взаимодействия ядер чрезвычайно чувствительны к геометрии молекулы, к ее электронным свойствам, например к электронной плотности, окружающей те или иные ядра. Таким образом, мы можем получить ряд очень важных структурных параметров уже из величины взаимодействия.

  Кроме того, два ядра, обладающих магнитным моментом, могут взаимодействовать друг с другом просто через пространство. Это называется «прямое диполь-дипольное взаимодействие», и, опять же, такого сорта взаимодействия чрезвычайно структурно информативны. Например, вектор взаимодействия двух ядер может дать нам информацию о пространственной близости ядер, об ориентации пары взаимодействующих ядер по отношению к внешнему магнитному полю.

  Таким образом, если мы измеряем спектр ядерного магнитного резонанса некоего соединения, мы можем получить очень подробную информацию о его строении. Если мы, например, способны измерить межъядерное расстояние - а это можно сделать, определив свойства, связанные с диполь-дипольным взаимодействием ядер, ведь его величина определяется этим межъядерным расстоянием, - то ЯМР фактически становится структурным методом.

  4. История открытия метода ЯМР

  Спектроскопия ЯМР как метод изучения свойств молекул появилась в середине 40-х годов XX века и за очень короткое время - уже к середине 1950-х годов - стала одним из ключевых методов изучения органических соединений.

  Но реальными первооткрывателями метода ЯМР в жидкостях являются Блох и Парселл - американские ученые, получившие Нобелевскую премию в 1950-е годы за открытие, которое они сделали в 1945–1946 годах. Следует при этом отметить, что наш соотечественник Евгений Константинович Завойский в 1944 году опубликовал работу по детектированию магнитного резонанса электрона. Электрон, как было сказано выше, тоже обладает магнитным моментом, причем величина этого магнитного момента еще больше магнитного момента ядер. Физические принципы метода ядерного магнитного резонанса и метода электронного парамагнитного резонанса очень схожи.

  Но, к сожалению, по тем или иным причинам - причинам скорее политического толка - работа Евгения Константиновича Завойского не была отмечена Нобелевской премией, хотя, безусловно, он должен был войти в число тех людей, кто получил премию за открытие явления магнитного резонанса.

  Чуть раньше Исаак Раби получил Нобелевскую премию за работы, проведенные им в 1930-х годах XX века, за открытие магнитных свойств ядер в газовых пучках. И фактически эти работы послужили импульсом для создания методов ЯМР в жидкости и твердом теле.

  Нобелевские премии часто давали за открытия, связанные с методом ЯМР. Нельзя, например, не отметить премию, присужденную Ричарду Эрнсту, который создал базовую методологию спектроскопии ЯМР, например, импульсную фурье-спектроскопию ЯМР, методы двумерной спектроскопии ЯМР; а также такого ученого, как Курт Вютрих, швейцарского коллегу Ричарда Эрнста, который создал методологию изучения строения белковых молекул с помощью ядерного магнитного резонанса.

  5. Практическое применение метода ЯМР

  Метод ЯМР после его создания начал активно использоваться для изучения органических соединений. Но магнитные моменты присущи не только тем ядрам, которые входят в состав , то есть протону, углероду или его изотопу C-13 и азоту или его изотопу N-15. Фактически вся периодическая система в той или иной степени охвачена теми или иными стабильными изотопами ядер, имеющих магнитные моменты. Этот метод совершенно не связан ни с какими радиоактивными свойствами ядер - только с их магнитными свойствами. Почти каждый элемент периодической системы имеет те или иные изотопы, обладающие удобными для ядерного магнитного резонанса свойствами.

  И вскоре после освоения методик ЯМР для простых органических соединений он начал активно применяться для изучения различных неорганических соединений. В настоящее время метод ядерного магнитного резонанса является, по большинству оценок, наиболее мощным физическим методом изучения соединений самой разной природы.

  1.1. Из истории спектроскопии магнитного резонанса.

  До недавнего времени основой наших представлений о структуре атомов и молекул служили исследования методами оптической спектроскопии. В связи с усовершенствованием спектральных методов, продвинувших область спектроскопических измерений в диапазон сверхвысоких (примерно 10 3 - 10 6 МГц; микрорадиоволны) и высоких частот (примерно 10 -2 - 10 2 МГц; радиоволны), появились новые источники информации о структуре вещества. При поглощении и испускании излучения в этой области частот происходит тот же основной процесс, что и в других диапазонах электромагнитного спектра, а именно при переходе с одного энергетического уровня на другой система поглощает или испускает квант энергии.
  Разность энергий уровней и энергия квантов, участвующих в этих процессах, составляют около 10 -7 эВ для области радиочастот и около 10 -4 эВ для сверхвысоких частот.
  Существование ядерных моментов впервые было обнаружено при изучении сверхтонкой структуры электронных спектров некоторых атомов с помощью оптических спектрометров с высокой разрешающей способностью.

  Сверхтонкая структура атомных спектров навела Паули в 1924 г. на мысль о том, что некоторые ядра обладают моментом количества движения (угловым моментом), а, следовательно, и магнитным моментом, взаимодействующим с атомными орбитальными электронами. Впоследствии эта гипотеза была подтверждена спектроскопическими измерениями, которые позволили определить значения угловых и магнитных моментов для многих ядер.
  Под влиянием внешнего магнитного поля магнитные моменты ядер ориентируются определенным образом, и появляется возможность наблюдать переходы между ядерными энергетическими уровнями, связанными с этими разными ориентациями: переходы, происходящие под действием излучения определенной частоты. Квантование энергетических уровней ядра является прямым следствием квантовой природы углового момента ядра, принимающего 2I + 1 значений. Спиновое квантовое число (спин) I может принимать любое значение, кратное 1/2; наиболее высоким из известных значений I (≥7) обладает 176 71 Lu. Измеримое наибольшее значение углового момента (наибольшее значение проекции момента на выделенное направление) равно Iħ, где ħ=h/2π, а h - постоянная Планка.
  Значения I для конкретных ядер предсказать нельзя, однако было замечено, что изотопы, у которых и массовое число, и атомный номер четные, имеют I = 0, а изотопы с нечетными массовыми числами имеют полуцелые значения спина. Такое положение, когда числа протонов и нейтронов в ядре четные и равны (I = 0), можно рассматривать как состояние с "полным спариванием", аналогичным полному спариванию электронов в диамагнитной молекуле.

  В 1921г. Штерн и Герлах методом атомного пучка показали, что измеримые значения магнитного момента атома дискретны соответственно пространственному квантованию атома в неоднородном магнитном поле. В последующих экспериментах, пропуская через постоянное магнитное поле пучок молекул водорода, удалось измерить небольшой по величине магнитный момент ядра водорода. Дальнейшее развитие метода состояло в том, что на пучок воздействовали дополнительным магнитным полем, осциллирующим с частотой, при которой индуцируются переходы между ядерными энергетическими уровнями, соответствующими квантовым значениям ядерного магнитного момента.

  Если ядерное спиновое число равно I, то ядро имеет (2I+1) равноотстоящих энергетических уровней; в постоянном магнитном поле с напряженностью H расстояние между наивысшим и наинизшим из этих уровней равно 2mH, где m- максимальное измеримое значение магнитного момента ядра. Отсюда расстояние между соседними уровнями равно mH/I, а частота осциллирующего магнитного поля, которое может вызвать переходы между этими уровнями, равна mH/Ih.

  В эксперименте с молекулярным пучком до детектора доходят те молекулы, энергия которых не меняется. Частота, при которой происходят резонансные переходы между уровнями, определяется путем последовательного изменения (развертки) частоты в некотором диапазоне. На определенной частоте происходит внезапное уменьшение числа молекул, достигающих детектора.

  Первые успешные наблюдения ЯМР такого рода были выполнены с основными магнитными полями порядка нескольких кило эрстед, что соответствует частотам осциллирующего магнитного поля в диапазоне 10 5 -10 8 Гц. Резонансный обмен энергией может происходить не только в молекулярных пучках; его можно наблюдать во всех агрегатных состояниях вещества.

  В 1936г. Горнер пытался обнаружить резонанс ядер Li 7 во фтористом литии и ядер H 1 в алюмокалиевых квасцах. Другая безуспешная попытка была предпринята гортнером и Бруром в 1942г. Регистрацию поглощения высокочастотной энергии при резонансе в этих экспериментах предполагалось производить соответственно калориметрическим методом и по аномальной дисперсии. Основной причиной неудач этих опытов был выбор неподходящих объектов. Лишь в конце 1945 года двумя группами американских физиков под руководством Ф. Блоха и Э.М. Пурселла впервые были получены сигналы ядерного магнитного резонанса. Блох наблюдал резонансное поглощение на протонах в воде, а Парселл добился успеха в обнаружении ядерного резонанса на протонах в парафине. За это открытие они в 1952 году были удостоены Нобелевской премии.

  1.2.Технологичекие приложения ЯМР (основные достоинства метода ЯМР).

  Метод ЯМР, хотя он и называется методом ядерного магнитного резонанса, не имеет никакого отношения к ядерной физике, которая, как известно, изучает процессы превращения ядер, т.е. радиоактивные процессы. При этом магнитная энергия (а явление ЯМР имеет место при помещении исследуемого образца в постоянное магнитное поле) не влияет на термодинамические свойства вещества, т.к. она во много раз (а точнее - на несколько порядков) меньше тепловой энергии, характерной для происходящих в обычных условиях процессов, в том числе и биологических.

  Основные достоинства метода ЯМР.

  - Высокая разрешающая способность – на десять порядков больше, чем у оптической спектроскопии.

  Возможность вести количественный учет (подсчет) резонирующих ядер. Это открывает возможности для количественного анализа вещества.

  Спектры ЯМР зависят от характера процессов, протекающих в исследуемом веществе. Поэтому эти процессы можно изучать указанным методом. Причем доступной оказывается временная шкала в очень широких пределах – от многих часов до малых долей секунды.

  Современная радиоэлектронная аппаратура и ЭВМ позволяют получать параметры, характеризующие явление, в удобной для исследователей и потребителей метода ЯМР форме. Данное обстоятельство особенно важно, когда речь идет о практическом использовании экспериментальных данных.

  Главным преимуществом ЯМР по сравнении с другими видами спектроскопии является возможность преобразования и видоизменения ядерного спинового гамильтониана по воле экспериментатора практически без каких-либо ограничений и подгонки его под специальные требования решаемой задачи. Из-за большой сложности картины не полностью разрешенных линий многие инфракрасные и ультрафиолетовые спектры невозможно расшифровать. Однако в ЯМР преобразование гамильтониана таким образом, чтобы можно было подробно проанализировать спектр, во многих случаях позволяет упростить сложные спектры.

  То, с какой легкостью удается преобразовать ядерный спиновый гамильтониан, обусловлено определенными причинами. Благодаря тому, что ядерные взаимодействия являются слабыми, можно ввести сильные возмущения, достаточные для того, чтобы подавить нежелательные взаимодействия. В оптической спектроскопии соответствующие взаимодействия обладают значительно большей энергией и подобные преобразования фактически невозможны.

  Модификация спинового гамильтониана играет существенную роль во многих приложениях одномерной ЯМР - спектроскопии. В настоящее время широкое распространение получило упрощение спектров или повышение их информативности с помощью спиновой развязки, когерентного усреднения многоимпульсными последовательностями, вращения образцов или частичной ориентации в жидкокристаллических растворителях.

  Говоря о достоинствах приборов ЯМР, необходимо исходить из реальных возможностей в приобретении и эксплуатации ЯМР-спектрометров. В этой связи необходимо отметить следующее.

  Операторские обязанности при работе на этих спектрометрах может выполнять любой человек. Но само обслуживание и ремонт требуют высокой квалификации.

  Проведение экспериментов по ЯМР сводится к следующему. Исследуемый образец помещают в постоянное магнитное поле, которое создается постоянным магнитом или, чаще всего, электромагнитом.

  При этом на образец подается радиочастотное излучение, обычно метрового диапазона. Резонанс детектируется соответствующими радиоэлектронными устройствами, обрабатывается ими и выдается в виде спектрограммы, которая может быть выедена на осциллограф или самописец, в виде ряда цифр и таблиц, получаемых с помощью печатающего устройства. Выходной резонансный сигнал может быть также введен в тот или иной технологический процесс для управления этим процессом или циклом.

  Обычно, если речь идет об исследовании в стационарных условиях моно мерных соединений на ядрах водорода с молекулярной массой несколько сотен единиц (а таких веществ при исследовании большинство), масса исследуемого образца должна быть от нескольких миллиграммов до ста миллиграммов. Образец обычно растворяют в том или ином растворителе, причем объем раствора 0.7¸1 мм 3 . При детектировании сигналов ЯМР от других (помимо Н 1) ядер масса образца может достигать двух граммов. Если исследуемое вещество – жидкость, то, естественно, готовить раствор в этом случае не обязательно – все зависит от целей эксперимента.