РАЗДЕЛ 2
МЕТОД ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
2.1. Явление ядерного магнитного резонанса
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса в настоящее время является наиболее
эффективным экспериментальным методом исследования молекулярных систем в
растворе, их равновесных состояний и происходящих в них релаксационных и
обменных процессов. Метод ЯМР дает возможность получить уникальную информацию о
пространственной организации и динамических особенностях структуры биологически
активных природных соединений на атомном уровне благодаря повышению
чувствительности и разрешающей способности современных ЯМР-спектрометров.
Теория метода ЯМР-спектроскопии подробно изложена в ряде монографий и обзорных
статей [177-180]. Здесь лишь кратко остановимся на некоторых вопросах теории
ЯМР, экспериментальной техники получения и обработки спектров протонного
магнитного резонанса, необходимых для анализа экспериментальных данных.
Физические основы спектроскопии ядерного магнитного резонанса определяются
магнитными свойствами атомных ядер. Ядра, обладающие собственным механическим
моментом или спином I, имеют связанный с ними ядерный магнитный момент, равный
m = g h I,
где g - гиромагнитное отношение для данного типа ядер;
h - постоянная Планка;
I - ядерный спин–вектор.
Энергия взаимодействия магнитного диполя m с полем индукции B0 равна
E = g mI B0 ћ.
Принимая во внимание квантово-механическое правило отбора DmI = ±1, выражение
для изменения энергии при переходе имеет вид
DE = g ћ B0 , (2.1)
где DE - разность энергий верхнего и нижнего уровней.
Из (2.1), учитывая, что ДE = hv, получаем условие резонанса для любых
экспериментов ЯМР:
n = g B0 / 2p. (2.2)
Из (2.2) следует, что для получения ЯМР - спектра поглощения образца можно
варьировать либо величину поля, либо частоту в виду прямой пропорциональности
между n и B0. В первом случае говорят, что используется развертка полем, во
втором – частотой.
На практике наиболее широкое применение получили методики импульсной
ЯМР-спектроскопии, в которых на исследуемый образец, находящийся в стационарном
магнитном поле В0, подаются радиочастотные импульсы определенных длительностей
и последовательностей. Пусть вектор индукции магнитного поля B0 направлен вдоль
оси z, тогда возможны две ориентации z-компонент магнитных моментов протонов по
отношению в направлению внешнего поля: параллельная (при mI =1/2) и
антипараллельная (при mI = -1/2). При этом направление результирующей
намагниченности образца будет совпадать с положительным направлением оси z (рис
2.1).
Таким образом, магнитные моменты ядер вращаются вокруг оси, совпадающей с
направлением вектора B0 с Ларморовой частотой вращения, являющейся частотой ЯМР
поглощения w = 2pn. Вращение может быть по часовой или против часовой стрелки в
зависимости от знака g, но оно одинаковое для любых одинаковых ядер.
2.2. Физические основы одномерной (1М) и двумерной (2М) гомоядерной
ЯМР-спектроскопии
Для характеристики намагничивания образца используется вектор намагниченности
M0 (векторная сумма магнитных моментов ядер, находящихся в единице объема),
направленный вдоль B0. Пусть вектор индукции магнитного поля B0 направлен вдоль
оси z, тогда направление M0 также будет совпадать с осью z. Чтобы привести
вектор M0 в движение в стандартном одномерном ЯМР эксперименте [177-181] к
системе спинов прикладывают 90°-ный импульс В1, направленный вдоль оси C,
создающий поперечную намагниченность, совпадающей по направлению с осью U (рис.
2.2).
По окончании действия импульса поперечная намагниченность будет прецессировать
вокруг оси z, ее спад в катушках детектора создаст сигнал S(t), называемый
сигналом свободной индукции (ССИ). После преобразования Фурье функции S(t)
получают частотный спектр S(w).
Импульсную Фурье-спектроскопию ЯМР высокого разрешения используют для изучения
биологических молекул, являющихся многоатомными системами, и их сложных
многокомпонентных спектров, образуемых группами ядер, которые отличаются по
ларморовой частоте (из-за химического сдвига и скалярного спин-спинового
взаимодействия).
Рис. 2.2. Стандартный одномерный эксперимент ЯМР и поведение системы спинов во
вращающейся системе координат:
а) - импульсная последовательность;
б) - возникновение поперечной намагниченности при включении РЧ-поля,
приложенного вдоль оси x;
в) - усреднение поперечной намагниченности за счет спин-спиновой релаксации;
г) - восстановление продольной намагниченности за счет спин-решеточной
релаксации.
Применение одномерной ЯМР Фурье-спектроскопии обычно ограничивается измерением
химических сдвигов, характеризующих локальное химическое окружение различных
ядер. Однако получить отсюда детальную информацию о пространственной
организации исследуемых ядер невозможно.
Для решения подобной задачи можно использовать двумерный спектр, рассматривая
взаимодействие ядер по взаимно-ортогональным частотным осям [177]. Общей
особенностью методик двумерного ЯМР является получение сигнала как функции двух
независимых времен - времени эволюции t1 и времени детектирования t2 -
S(t1,t2). В реальном ЯМР-эксперименте обычно различают четыре временных
интервала: подготовительный период фp, время эволюции t1, период смешивания фm
и период регистрации t2 (рис. 2.3)
Рис. 2.3. Общая импульсная последовательность для 2M-ЯМР эксперимента
Практически эксперимент выполняют многократным повторением импульсной
последовательности при фиксированном времени смешивания tm, увеличивая время
эволюции t1 на постоянную величину. Сигнал после каждой последовательности
преобразуют в цифровую форму и запоминают на носителе. После двумерного
пре
- Київ+380960830922