Обязательным условием возникновения ЭПР является наличие у молекул исследуемого вещества неспаренного электрона, т. е. электрона, магнитный момент которого был бы нескомпенсирован магнитными моментами других электронов молекулы. Магнитные моменты электронов могут быть нескомпенсированы только в том случае, если в атомах или ионах соответствующего вещества есть незаполненные электронные оболочки. Такие вещества называются парамагнитными.
Парамагнитные свойства присущи ионным кристаллам, содержащим элементы переходных групп (групп железа, редких земель, актинидов), так как только атомы этих элементов сохраняют в процессе кристаллообразования недостроенные электронные оболочки. Органические соединения в нормальном состоянии не являются парамагнитными, но действием ультрафиолетового, рентгеновского или еще более жесткого γ-излучения всегда можно нарушить спаренность электронов и сделать любое вещество парамагнитным. Молекулы, в которых есть, по крайней мере, один неспаренный электрон, называются свободными радикалами. Изучение этих объектов в твердых телах, жидкостях, газах и растворах является сейчас одной из важнейших областей применения ЭПР.
Положение линии (сигнала) ЭПР определяется значением фактора спектроскопического расщепления g (g-фактора), который является од- ной из важнейших характеристик явления. Для свободного электрона g = 2,0023. Электроны в химических соединениях не являются свободными, и величина их g-фактора отличается от величины g-фактора свободного электрона. Для обычных органических свободных радикалов, содержащих лишь атомы С, Н, N, О, g-фактор близок к его значению для свободного электрона. Отклонение g-фактора на величину, большую ± 0,003, указывает на присутствие в системе тяжелых атомов и на локализацию электрона около них. Например, в случае локализации электрона около атома серы g = 2,024. Таким образом, положение сигнала ЭПР дает сведения о наличии в исследуемом веществе тяжелых атомов (S, Fе) и о характере связи электрона с этими атомами.
В спектрах ЭПР часто наблюдается вместо одного сигнала совокупность сигналов (сверхтонкая структура). Это явление обусловлено взаимодействием магнитного момента неспаренного электрона с магнитным моментом ядер, входящих в состав частиц.
Изучение сверхтонкой структуры дает ценную информацию о природе и свойствах свободных радикалов, являющихся промежуточными продуктами многих реакций органической, биологической и радиационной химии. Спектры ЭПР способны обнаруживать в образце содержание свободных радикалов в количестве 10–12…10–13 моля в промежутке времени менее 100 мкс. Возможность наблюдения столь кратковременных процессов очень важна при исследовании кинетики реакций. При этом ЭПР-спектрометр используется как аналитический прибор для измерения концентрации свободных радикалов в промежуточных продуктах реакции.
Наибольшее количество работ, выполненных с использованием метода ЭПР, посвящено явлениям, происходящим при облучении вещества. Если подвергнуть действию ионизирующего излучения высокой энергии твердое органическое вещество, такое, как белок, полипептид или полимер, то почти всегда образуются сводные радикалы. Стабильность этих радикалов зависит от решетки, в которой они образуются. Часто они существуют в течение нескольких лет. Анализ спектров таких свободных радикалов дает возможность установить, в какой части молекулы происходит стабилизация свободных радикалов. Таким образом, спектры ЭПР дают информацию о законах, управляющих химическими превращениями в твердой фазе.
Метод ЭПР обладает достаточной чувствительностью и избирательностью для непосредственного наблюдения свободных радикалов.
В отличие от ЭПР явление ЯМР свойственно молекулам со скомпенсированными магнитными моментами электронов, т. е. диамагнитным веществам. Наиболее интенсивные сигналы ЯМР дают ядра Н1, F19, Р31. Труднее получить сигналы от ядер С13, Si29, N15; совсем не дают сигнала ЯМР ядра О16,С12, не имеют собственного механического момента количества движений, т. е. их спин, а следовательно, и магнитный момент равны нулю.
Изолированному ядру в спектре ЯМР соответствует одна резонансная линия. В реальных системах явление ЯМР усложнено взаимодействием момента ядра с магнитными моментами ядер и электронов других атомов той же самой молекулы и окружающих ее молекул.
В твердых телах каждое из ядер испытывает действие магнитного поля соседних ядер, величина которого зависит от их взаимного фиксированного расположения, поэтому разные ядра находятся под влиянием не только внешнего магнитного поля Н0, но и внутреннего поля. Вследствие этого резонанс будет наблюдаться в некотором интервале значений напряженности магнитного поля, что приводит к уширению резонансной линии в спектре ЯМР.
В жидкостях все молекулы находятся в постоянном тепловом движении, поэтому поля, создаваемые ядрами соседних молекул, усредняются, напряженность магнитного поля внутри образца определяется лишь экранированием данного ядра электронной оболочкой и взаимодействием ядер одной молекулы. Линии в спектрах жидкостей будут узкими.
Эффект экранирования для ядер, расположенных в разных частях молекулы, может быть различным, а следовательно, будет различной и напряженность внешнего магнитного поля в соответствующих точках. Поэтому для одних и тех же ядер, расположенных в разных частях молекулы, сигналы ЯМР будут различаться. Такое смещение сигнала называется химическим сдвигом σ. Величину химического сдвига измеряют в миллионных долях напряженности поля по отношению к эталонному веществу.
Положение резонансной линии исследуемого вещества в шкале химических сдвигов, т. е. расстояние между этой линией и сигналом от эталонного вещества, связано с окружением, в котором находится ядро в молекуле. Ядра разных молекул, имеющие одинаковое окружение, характеризуются узкой областью в шкале химических сдвигов. Каждое ядро молекулы вносит вклад в интенсивность соответствующей резонансной линии, так что изучение распределения интенсивности позволяет установить относительное число эквивалентных ядер. Наконец, анализ тонкой структуры спектра ЯМР дает вполне определенные сведения о ближних соседях. Расстояние между линиями тонкой структуры не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, это расщепление вызвано взаимодействием ядерных спинов соседних атомов через их электронные оболочки (спин-спиновое взаимодействие).
Достоинствами метода ЯМР является быстрота получения спектров и малое количество вещества, необходимого для анализа (0,01…0,3 мл). Вместе с тем следует отметить, что ЯМР-спектрометры достаточно сложны и еще недостаточно стабильны, чтобы можно было устойчиво прокалибровать магнитное поле. Поэтому вместе с каждым образцом снимают спектр эталона, который дает точку отсчета для определения положения сигналов ЯМР. Эталоны могут быть внешними и внутренними. Внешним эталон является тогда, когда он помещен вне образца, например в капиллярную трубку, которую затем опускают в ампулу с образцом. Внутренний эталон вводится непосредственно в образец. Его выбирают так, чтобы он не оказывал на образец никаких дополнительных воздействий. При работе с растворами внутренний эталон подбирается так, чтобы его резонансные пики сдвигались в ту же сторону и с той же скоростью, что и резонансные пики образца при изменении природы растворителя.
В качестве эталонных веществ для ЯМР используются соединения, имеющие в своих молекулах одинаковые протоны (бензол, вода, циклогексан, СНСl3, тетраметилсилан). Чаще всего значения химических сдвигов определяют по отношению к тетраметилсилану или бензолу как внутренним эталонам.
Порядок работы с эталонами состоит в следующем: сначала образец исследуется для определения относительного расположения резонансных пиков; затем, после введения эталона, он исследуется снова для определения положения пиков по отношению к сигналу эталона.
К недостаткам метода ЯМР высокого разрешения можно отнести возможность анализировать только жидкие образцы (чистые жидкости и растворы).
Растворители, по возможности, не должны содержать протонов (ССl4, СS2, СDСl3, тяжелый ацетон, трифторуксусная кислота), или сигналы от протонов растворителя и исследуемого вещества должны отстоять друг от друга на достаточном расстоянии, т. е. химические сдвиги у них должны быть разными. Влияние растворителя на резонансные пики обнаруживается при изучении образца в нескольких разных по своей природе растворителях.
1. Зачем необходим контроль качества сырья, полуфабрикатов и готовых изделий? Из чего состоят затраты на измерения? От чего зависит необходимая точность измерений?
2. Определение термина «измерение». Прямое и косвенное измерения. Контактное и бесконтактное измерения. Классификация средств измерения.
3. Единицы измерения величин. Независимые и производные величины.
4. Системы единиц.
5. Абсолютная величина и погрешности величин.
6. Генеральная и выборочная совокупности. Случайные погрешности наблюдений.
7. Закон нормального распределения случайных погрешностей.
8. Параметры точности измерений.
9. Наибольшая допустимая погрешность. Интегральная функция Лапласа.
10. Анализ результатов экспериментов. Схемы взаимодействия объекта с внешней средой.
11. Оптимизация параметров. Нахождение оптимальных параметров по схеме Зайделя–Гаусса.
12. Оптимизация параметров. Нахождение оптимальных параметров по методу Бокса.
13. Использование уравнений регрессии для оптимизации параметров.
14. Нахождение уравнений регрессии на ЭВМ.
15. Нахождение оптимальных параметров на ЭВМ.
16. Составление матрицы экспериментальных данных.
17. Аппроксимация экспериментальных данных.
18. Отбор сыпучих продуктов из вагонов, автомашин, танкеров и барж.
19. Отбор проб от партии затаренных сыпучих продуктов.
20. Отбор проб сыпучих продуктов при хранении из складов.
21. Отбор проб материала в производстве.
22. Подготовка проб к анализу. Подсушивание или высушивание.
23. Подготовка проб к анализу. Измельчение.
24. Выбор типа измельчительных устройств.
25. Извлечение растворимых компонентов из твердых и пластичных материалов.
26. Разделение смеси различных веществ на компоненты. Простая перегонка.
27. Разделение смеси различных веществ на компоненты. Ректификация.
28. Разделение смеси различных веществ на компоненты. Молекулярная перегонка.
29. Разделение смеси различных веществ на компоненты. Фракционирование кристаллизацией из растворов.
30. Общая кислотность среды (титруемая кислотность среды). Активная кислотность. Окислительно-восстановительный потенциал.
31. Определение активной кислотности.
32. Электрометрический метод определения рН.
33. Определение рН при помощи рН-метра.
34. Колориметрический метод определения рН.
35. Определение рН при помощи индикаторных бумажек.
36. Определение титруемой кислотности.
37. Титрование с помощью индикаторов.
38. Определение окислительно-восстановительного потенциала.
39. Применение рефрактометрии для анализа пищевых продуктов.
40. Измерение показателя преломления.
41. Измерения с помощью рефрактометров.
42. Прецизионный рефрактометр.
43. Погружаемый рефрактометр.
44. Применение поляриметрии для анализа пищевых продуктов.
45. Устройство поляриметров.
46. Приготовление и осветление раствора анализируемого продукта для поляриметрии.
47. Методы поляриметрического определения.
48. Определение крахмала методом Эверса.
49. Применение колориметрии для анализа пищевых продуктов.
50. Визуальные методы колориметрии.
51. Фотоэлектрический метод колориметрии.
52. Применение анализа в пищевых продуктах.
53. Техника эксперимента и общие приемы люминесцентного анализа.
54. Применение люминесцентного анализа в исследовании пищевых продуктов.
55. Общие понятия и приемы измерения цвета пищевых продуктов.
56. Методики определения цветности пищевых продуктов.
57. Методы хроматографического анализа пищевых продуктов.
58. Адсорбционная молекулярная хроматография пищевых продуктов.
59. Распределительная хроматография пищевых продуктов. Хроматография на бумаге.
60. Распределительная хроматография пищевых продуктов. Хроматография на колонках.
61. Распределительная хроматография пищевых продуктов. Газожидкостная хроматография.
62. Принцип работы и устройство газожидкостного хроматографа.
63. Обработка хроматограмм.
64. Хроматографические колонки хроматографов.
65. Неподвижная фаза хроматографических колонок.
66. Носители неподвижной фазы .
67. Нанесение неподвижной фазы на носитель хроматографических колонок.
68. Заполнение хроматографических колонок.
69. Газ-носитель (подвижная фаза) хроматографических колонок.
70. Детекторы хроматографов.
71. Величина пробы и способы ее введения в колонку.
72. Идентификация компонентов смеси, полученных в хроматографических колонках.
73. Разделение белковых веществ семян методом электрофореза на бумаге.
74. Приборы для электрофореза на бумаге.
75. Подготовка камеры для электрофореза.
76. Приготовление белкового экстракта и приготовление буферных растворов для электрофореза.
77. Выбор бумаги и нанесение белковой вытяжки для электрофореза.
78. Проведение электрофореза. Фиксация и окраска электрофореграмм.
79. Анализ фракций электрофореграмм.
80. Применение спектроскопии в исследовании пищевых продуктов.
81. Общие понятия и терминология спектроскопии.
82. Устройство спектральных приборов.
83. Применение эмиссионного спектрального анализа.
84. Анализ элементов методом пламенной фотометрии.
85. Анализ элементов в дуге.
86. Молекулярный спектральный анализ.
87. Приборы для регистрации электронных спектров поглощения и техника эксперимента. Ультрафиолетовая область.
88. Приборы для регистрации электронных спектров поглощения и техника эксперимента. Видимая область.
89. Использование инфракрасных спектров поглощения в исследовании пищевых продуктов.
90. Количественный анализ по спектрам поглощения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Анализ однокомпонентных смесей.
91. Количественный анализ по спектрам поглощения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Анализ двухкомпонентной смеси.
92. Применение масс-спектрометрии в исследовании пищевых продуктов.
93. Основы метода и техника эксперимента с использованием масс-спектрометрии.
94. Два типа анализаторов, используемых в масс-спектрометрии.
95. Обработка экспериментальных данных в масс-спектрометрии.
96. Применение спектроскопии электронного парамагнитного и ядерного магнитного резонанса в исследовании пищевых продуктов.
97. Использование электронного парамагнитного резонанса.
98. Использование ядерного магнитного резонанса.
99. Некоторые приемы анализа по спектрам ЯМР