РАЗДЕЛ 2
ОСНОВЫ ЯМР - СПЕКТРОСКОПИИ
2.1. Физические основы одномерной ЯМР - спектроскопии
Наиболее эффективным методом исследования молекулярных систем в растворе является спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Метод ЯМР позволяет получить информацию о пространственной организации и динамических особенностях структур биологически активных соедине-ний на атомном уровне в разнообразных условиях: в широком диапазоне концентраций веществ, температуры, состава среды [15, 38, 39, 239-245].
Явление ядерного магнитного резонанса обусловлено наличием у ряда ядер магнитных моментов ? = ? I h, где I и ? - спин и гиромагнитное отношение ядра соответственно. I может быть равным нулю, целым и полуцелым числом. Ядра со спинами отличными от нуля обладают маг-нитным моментом и ориентируются во внешнем постоянном магнитном поле. Энергия взаимодействия магнитного момента частицы с магнит-ным полем , направленным вдоль оси z, определяется формулой E =
-? zB = - ? Iz hB. В случае протона, проекция спина I z принимает два значе-ния ?1/2, что дает два энергетических состояния ядра. При переходах ядер между энергетическими уровнями может поглощаться или испускаться квант электромагнитного излучения с частотой ? = ?B (частотой ларморо-вой прецессии ядерных спинов). При используемых в ЯМР - эксперимен-тах величинах индукции B ~ 1? 17 Тл значения ? лежат в высокочастот-ном (ВЧ) радиодиапазоне. Теория ЯМР - эксперимента состоит в анализе поведения ядерных спинов в постоянном однородном магнитном поле, при воздействии на них ВЧ магнитного поля. Согласно векторной модели ЯМР, магнитные моменты ядер прецессируют вокруг оси z с частотой лар-моровой прецессии [241]. Наиболее просто уравнение магнитного момента выглядит во вращающейся системе координат. В такой системе координат поведение спина определяется эффективным магнитным полем эфф =
-/?, где ?1 угловая скорость вращения системы координат, причем при ?1=? значение эфф = 0 [241]. Циркулярно поляризованная по направле-нию прецессии магнитная составляющая В1, приложенного к образцу в плоскости ху ВЧ-поля, с частотой ?1=? вызывает изменение ориентации ядерных магнитных моментов, т.е. на магнитный момент действует меха-нический момент [243]. Вероятности прямых и обратных вынужденных переходов одинаковы, в случае большой населенности нижних уровней энергия ВЧ- поля будет поглощаться, а при инверсной населенности - из-лучается и, соответственно, наблюдается либо сигнал поглощения, либо излучения в спектре ядерной индукции. Кроме излучательных переходов происходят и безизлучательные переходы различной природы приводящие к релаксации намагниченности образца к равновесному состоянию [ 241]. Релаксационные процессы подразделяют на два типа. В первом из них избыток спиновой энергии распределяется по молекулярному окружению (по решетке) и называется спин- решеточной или продольной релаксацией, характеризующейся временем Т1 [ 243]. Продольная релаксация происхо-дит вследствие движений решетки, на частотах близких к резонансной. Величина Т1 меняется в широких пределах и составляет ~ 10-2 ? 104 с для твердых тел ~ 10-4 ? 10 c для жидкостей [243]. Основным механизмом про-дольной релаксации в жидкостях является диполь-дипольное взаимо-действие. В результате быстрого вращательного и поступательного движе-ния молекул создаются флуктуирующие магнитные поля, в спектре кото-рых могут находится поля с частотой близкой к резонансной частоте. Та-кие поля могут вызвать резонансные переходы. Эффективность этого взаи-модействия сильно зависит от состояния решетки. В твердых телах дви-жение заторможено, поэтому в спектре колебаний решетки более выра-жены низкочастотные компоненты. На основе экспериментальных иссле-дований получено, что время Т1 для неассоциированных молекул в жидко-сти определяется главным образом внутримолекулярными взаимодействи-ями ядер. При этом справедлива зависимость [245]: Т1= const kTr 6/?4 ?V, где r- расстояние от резонирующего ядра до соседних магнитных ядер; ? - коэффициент вязкости растворителя; V - объем молекулы; Т- температура; k- постоянная Больцмана.
Второй тип релаксационных процессов связан с перераспределением избытка спиновой энергии между ядрами, называется спин-спиновой (поперечной) релаксацией. Время поперечной релаксации Т2 характери-зует взаимодействие внутри спиновой системы, приводящее их в равно-весие друг с другом. Обычно для твердых тел Т2 =10 - 4 с, а для жидкостей Т2 ? Т1 . Поскольку взаимодействие ядерных спинов очень быстро убывает с расстоянием, то существенную роль в спин-спиновой релаксации игра-ют только ядра, удаленные друг от друга на расстояния порядка длины химимической связи (~ 0,1? 0,2 нм) [244]. Обмен энергией между ядрами происходит с сохранением общей энергии пары ядер (спин-спиновый об-мен). Время, за которое происходит такое спин -спиновое взаиодействие ядер, часто называют временем фазовой расстройки спинов, так как оно по порядку величины соответствует времени сохранения фаз прецессии ядер (времени когерентности) [15, 243, 244].
Величины Т1 и Т2 оказывают существенное влияние на ширину спектра-льных линий. Действительно, если ядро остается на заданном энергетичес-ком уровне в течении времени ? t порядка Т1, то по соотношению неопре-деленностей ??? t ? h ширина линий должна быть равна ? ? ? 1 / Т1. Уши-рение линий также может быть связано с неоднородностью магнитного поля лабораторного магнита. Этот эффект чисто аппаратурный и устраня-ется специальными приемами коррекции напряженности магнитного поля [239].
Условием стационарной регистрации сигнала ЯМР является наличие достаточно быстрой релаксации избыточной энергии, получаемой систе-мой ядер, резонирующих при определённом значении индукции магнит-ного поля. В противном случае за короткое время заселённость обоих эне-ргетических уровней выравнивается, дальнейшее поглощение энергии пре-кратится и сигнал ЯМР регистрироваться не будет. Произойдёт насыще-ние системы спинов радиочастотной энергией. В проме
- Київ+380960830922