РАЗДЕЛ 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ЯМР-СПЕКТРОСКОПИИ
ЯМР-спектроскопия хорошо зарекомендовала себя как эффективный и универсальный
способ изучения структуры и динамики молекул в растворах, равновесных состояний
молекулярных систем и происходящих в них релаксационных и обменных процессов в
условиях близких к физиологическим на атомном уровне. Теория метода
ЯМР-спектроскопии представлена в ряде обзорных статей и монографий [113-116].
Здесь будут вкратце рассмотрены физические основы метода и экспериментальные
методики, использованные в диссертационной работе.
Физические основы ЯМР-спектроскопии
ЯМР-спектроскопия – это область спектроскопии, основанная на свойстве атомных
ядер, спин которых не равен нулю, ориентироваться в сильном магнитном поле,
поглощая электромагнитное излучение определенных частот.
Согласно законам квантовой механики величина проекции магнитного момента ядра
на произвольно выбранную ось OZ квантована:
где – магнитное квантовое число, характеризующее стационарные или собственные
состояния ядра. Согласно условию квантования: -I, -I+1, …, I-1, I, где I –
спиновое квантовое число соответствующего ядра.
Пусть ядро находится во внешнем магнитное поле с индукцией 0, сонаправленном с
осью OZ (рис.2.1).
Рис.2.1. Квантование магнитного момента и возможная ориентация магнитного
момента ядра относительно внешнего магнитного поля (г>0, I=1/2).
Потенциальная энергия взаимодействия магнитного момента ядра с внешним
магнитным полем:
, (2.1)
при этом снимается вырождение двух состояний с одинаковой энергией, что
приводит к расщеплению энергетического уровня на подуровни в соответствии со
значением m. Разность энергий двух спиновых состояний: ?Е = (рис.2.2).
Рис.2.2. Образование двух подуровней энергетического уровня для ядра (г>0) со
спином I=1/2 при взаимодействии с внешним магнитным полем 0.
Чтобы вызвать переход из более стабильного состояния с меньшей энергией
(m=+1/2) в состояние с более высокой энергией (m=-1/2), необходим, в
соответствии с боровским условием частот ?Е = hn, квант энергии hn = , или
излучение с частотой:
n = g B0 / 2p.. (2.2)
Уравнение (2.2) описывает так называемое условие резонанса, при котором частота
излучения точно соответствует расстоянию между энергетическими подуровнями. Из
условия резонанса следует, что для получения ЯМР спектра поглощения образца
можно варьировать либо величину поля, либо частоту ввиду прямой
пропорциональности между n и B0. При используемых в ЯМР спектрометрах величинах
индукции B0 ~ 1ё17 Тл значения частот излучения лежат в высокочастотном (ВЧ)
радиодиапазоне.
2.2. Основные экспериментальные параметры в спектроскопии ЯМР
В ЯМР эксперименте резонансные сигналы ядер характеризуются четырьмя основными
экспериментальными параметрами (рис.2.3):
интенсивность сигнала ЯМР;
химический сдвиг, определяющий положение сигнала ЯМР по шкале частот;
мультиплетность спектра, определяемая константой спин-спинового взаимодействия
ядер;
времена релаксации T1 и T2, определяющие ширину резонансного сигнала ЯМР.
Рис.2.3. Основные характеристики ЯМР спектра.
Кратко рассмотрим некоторые из этих параметров, используемые в настоящей
диссертационной работе.
Интенсивность сигнала ЯМР, определяемая как площадь под резонансной кривой,
содержит информацию об относительном числе эквивалентных ядер в группе, дающей
рассматриваемый сигнал.
Распределение электронов в химических связях в молекуле и влияние соседних
атомных групп создаёт собственное магнитное поле , в результате эффективное
магнитное поле Bэфф, фактически действующее на ядро, является суперпозицией
двух полей:
Bэфф = B0 – B’.
Величина пропорциональна : , где у – константа экранирования, зависящая от
характера распределения электронной плотности и, следовательно, от структуры
молекулы. Константа экранирования может быть как положительной, так и
отрицательной. В первом случае наводимое поле направлено против внешнего поля ,
а во втором – сонаправлено.
Как следует из условия резонанса (2.2), изменение величины индукции магнитного
поля сопровождается изменением частоты, на которой происходит поглощение
энергии. Этот эффект получил название химического сдвига:
n = . (2.3)
Константа экранирования у является характеристикой конкретного типа ядер, но ее
применение в практических целях затруднено необходимостью измерения абсолютной
величины изменения магнитного поля под влиянием электронного тока и
зависимостью константы экранирования от индукции магнитного поля спектрометра.
Удобнее определять величину относительного химического сдвига путем сравнения
резонансной частоты исследуемого ядра со значением резонансной частоты
известного образца :
, (2.4)
здесь - рабочая частота используемого спектрометра, сигнал - интенсивный
синглет эталонного соединения тетраметилсилана (ТМС - Si(CH3)4), который
отличается по химическому сдвигу от большинства других сигналов в спектрах
протонного резонанса, химически весьма инертен и легко удаляется из образца
после записи спектра. Полученный таким образом химический сдвиг измеряется в
миллионных долях (млн-1 или ppm) и является универсальной величиной, значение
которой не зависит от индукции магнитного поля конкретного спектрометра.
В общем случае экранирование ядра у можно представить в виде суммы вкладов
различных составляющих:
здесь первые два слагаемых представляют собой локальный диамагнитный и
локальный парамагнитный вклады в константу экранирования соответствующего ядра,
то есть, экранирование от собственных электронов, движущихся вокруг
- Київ+380960830922