Материал: спектроскопические методы анализа

Наиболее важная часть спектрометра – магнит, создающий необходимое для метода ЯМР постоянное однородное магнитное поле. В магнит помещается ампула с анализируемым образцом, который, как правило, представляет раствор исследуемого соединения в дейтерированном растворителе. Вокруг ампулы в спектрометре располагается радиочастотный мост, получающий сигнал от передатчика электромагнитного излучения и облучающий анализируемое вещество. Он зачастую используется и для детекции сигнала ЯМР от образца. Далее сигнал передается на усилитель, а с него – на самописец.

CW метод обычно адекватен спектрам чувствительных ядер (1H, 19F, 31P) с I = 1/2, большим магнитным моментом и высоким природным содержанием. При этом были практически невозможны рутинные измерения низкочувствительных, например 13С, а также сильно разбавленных растворов. Кроме того, как и для всех прочих спектрометров подобного типа, каждый эксперимент занимал довольно длительное время, при этом большую часть времени проводилось сканирование области, не содержащей сигналов.

Для спектрометров важнейшей инновацией было создание криомагнитов, в которых за счет явления сверхпроводимости возможно было достичь значительно больших магнитных полей, чем обеспечивали постоянные магниты или электромагниты.

Решающей ступенью было быстрое развитие компьютерной технологии, которое стимулировали в ЯМР пионерские работы Эрнста. Таким образом появилась новая генерация спектрометров и методик –

импульсные методы.

В импульсном методе все ядра одного типа возбуждаются одновременно радиочастотным импульсом. Из чего состоит такой импульс и как он генерируется?

Радиочастотный генератор обычно действует при фиксированной частоте ν1. Однако, если он включается только на очень короткое время τP, получается импульс, который содержит не только частоту ν1, но и протяженную полосу частот, симметрично расположенных вокруг центральной частоты. Однако, только часть частотной полосы эффективна в возбуждении переходов и эта часть примерно пропорциональна τP-1. В

121

ЯМР эксперименте длительность импульса τP порядка нескольких мс. Пример схематичного представления импульса в ЯМР-спеткроскопии представлен на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Схематическое представление импульса. Радиочастотный генератор (частота ν1) включается на время от t0 до t1

Простой монохроматический радиочастотный импульс имеет эффективную ширину полосы возбуждения, которая зависит от длительности импульса. Короткий интенсивный импульс возбуждает широкое частотное окно. Длительный слабый импульс дает более селективный профиль возбуждения.

Выбор частоты ν1 определяется В0 и типом ядра. Например, в поле В0 = 4,70 Т для протона требуемая частота генератора 200 МГц, в то время как для резонанса 13С эта частота составляет 50,3 МГц.

Длительность импульса, необходимая для эксперимента, зависит от ширины спектра. Например, если длительность импульса 10-5 с, то ширина частотной полосы 105 Гц.

Амплитуды частот уменьшаются с удалением от несущей частоты. Для того, чтобы все ядра, насколько это возможно, были возбуждены одинаково в эксперименте, требуются очень короткие, или жесткие, импульсы. Длительность импульса выбирается таким образом, чтобы частотная полоса покрывала ширину спектра в 10–100 раз. Уровень мощности обычно составляет несколько ватт (рис. 4.7).

122

Рис. 4.7. Схема обычного одномерного эксперимента

В импульсной спектроскопии, как правило, используется несколько последовательных циклов, что позволяет усилить интенсивность сигналов, повысить чувствительность и получить более разрешенные спектры. Один цикл (или сканирование) состоит из релаксационной задержки (RD) – времени, необходимого для восстановления в системе больцмановского равновесия. Далее следует короткий по времени, но широкий по частотам, жесткий радиочастотный импульс (PW), за которым следует время сканирования (AQ). После его завершения эксперимент можно повторять столько раз, сколько необходимо для данного конкретного образца.

4.7. Практические аспекты применения методов ЯМР-спектроскопии для анализа органических и биологически активных веществ

Что происходит с образцом исследуемого вещества в спектрометре и как создаются ЯМР-спектры? При помещении образца в магнитное поле снимается вырождение спиновых состояний ядер в этом образце. Часть

123

ядер оказывается ориентирована «по полю» (состояние ), а другая часть – «против поля» (состояние ). Разница энергий этих состояний такова, что можно считать, что самопроизвольного перехода не происходит, и распределение ядер по этим состояниям близко к 1:1.

При облучении образца химического вещества электромагнитной волной соответствующей частоты такие переходы будут наблюдаться (явление ЯМР), что физически проявляется в (резонансном) поглощении энергии. Химическая значимость данного явления состоит в том, что ядра в образце находятся в несколько различающихся магнитных полях, что обусловлено экранированием электронными оболочками других ядер (химический сдвиг) либо из-за наличия ядер-соседей с разными спинами, вносящими вклад в локальное магнитное поле (спин-спиновое взаимодействие), и поэтому резонансные частоты спиновых переходов ядер с разным химическим окружением различны. Зависимость количества ядер, в которых происходит резонансный переход, от величины энергии перехода называется спектром ЯМР.

Простейший способ получения спектра ЯМР – помещение образца в постоянное магнитное поле и последовательное облучение всеми частотами, близкими к резонансной для данного типа ядер (эксперимент с непрерывной частотной разверткой, развертка по полю, см. раздел 4.6). Если какие-либо переходы в образце взаимодействовуют с внешним излучением, наблюдается поглощение энергии. Недостаток данного метода состоит в том, что для разрешения двух линий с разницей, например, в 1 Гц, потребуется делать развертку со скоростью не более 1 Гц/с (из принципа неопределенности), следовательно для накопления спектра шириной 1 КГц потребуется более 15 мин. В импульсном методе образец облучается мощным кратковременным импульсом на частоте, близкой к резонансной (чем короче этот импульс, тем большую полосу частот он возбуждает – вследствие принципа неопределенности), а затем в течении некоторого небольшого времени записывается реакция образца (какая именно, будет рассмотрено ниже). В результате получается сумма синусоид, огибающая которой спадает экспоненциально, она называется спадом свободной индукции (ССИ, FID, Free Induction Decay). Зависимость амплитуды от времени или ССИ и спектр ЯМР (зависимость

124

амплитуды от частоты) связаны однозначной математической операцией – преобразованием Фурье, FT, и являются разными представлениями одних и тех же процессов (рис. 4.8).

Рис. 4.8. ССИ до и после преобразования Фурье

Линии в спектре ЯМР всегда имеют конечную ширину (в методе с непрерывной разверткой это связано со скоростью изменения частоты, в импульсном методе – с тем, что в связи с релаксационными процессами, ССИ спадает до нуля через некоторое время, и чем быстрее он спадает, тем шире будут линии в его фурье-образе).

Теперь кратко рассмотрим процессы, происходящие в образце во время импульсного эксперимента. При помещении образца в магнитное поле, собственный магнитный момент каждого ядра начинает прецессировать вокруг оси магнитного поля (ось 0z) наподобие гироскопа с частотой, зависящей от напряженности магнитного поля и типа ядер (рис. 4.9) – ларморовой частотой.

125