РАЗДЕЛ 2
ОСНОВЫ СПЕКТРОСКОПИИ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО
РЕЗОНАНСА
2.1. Физические основы одномерной ЯМР спектроскопии
Спектроскопия ЯМР является одним из наиболее эффективных экспериментальных
биофизических методов исследования биомолекул и их комплексов с лигандами в
растворе. Разработанные в последнее время многочисленные методики одно- двух- и
многомерной гомо- и гетероядерной ЯМР-спектроскопии позволяют получить
информацию о структуре и динамике биологически важных молекул в условиях,
близких к физиологическим, на атомном уровне, что обусловило широкое применение
ЯМР-спектроскопии как в биофизических/биохимических исследованиях, так и в
клинической практике [[i],[ii],[iii]].
Явление ядерного магнитного резонанса обусловлено наличием у ряда ядер
магнитных моментов
m = g I , (2.1)
где I и g - механический момент (или спин) и гиромагнитное отношение ядра
соответственно.
Энергия взаимодействия магнитного диполя m с полем индукции B0 равна
E = g mI B0 ћ (2.2)
В соответствии с правилами отбора в квантовой механике DmI = ±1, и,
следовательно, выражение для изменения энергии при резонансном переходе имеет
вид
DE = g ћ B0 , (2.3)
где DE - разность энергий верхнего и нижнего уровней.
Из (2.3), учитывая, что ДE=hv, условие резонанса для любых экспериментов ЯМР
можно записать как:
n = g B0 / 2p. (2.4)
Из (2.4) следует, что для получения ЯМР - спектра поглощения образца можно
варьировать либо величину поля, либо частоту в виду прямой пропорциональности
между n и B0.
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. Рассмотрим поведение ядер (например, протонов) со
спиновым квантовым числом, равным Ѕ. Пусть вектор индукции магнитного поля B0
направлен вдоль оси z, тогда в соответствии с (2.2) возможны 2 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 M0 будет совпадать с
положительным направлением оси z (рис 2.1).
Чтобы привести вектор M0 в движение в стандартном одномерном ЯМР-эксперименте
[50,[iv]] 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 спада свободной индукции (ССИ). После преобразования
Фурье функции S(t) получают частотный спектр S(w) (рис.2.2 в,г).
2.2. Основные экспериментальные параметры спектроскопии ЯМР
В ЯМР-эксперименте резонансные сигналы ядер, входящих в состав исследуемых
молекулярных систем, рассматривают в контексте 4 основных экспериментальных
параметров:
1. Интенсивность сигнала ЯМР.
2. Химический сдвиг, определяющий положение сигнала ЯМР по шкале частот.
3. Мультиплетность спектра, определяемая константой спин-спинового
взаимодействия ядер.
4. Времена релаксации T1 и T2, определяющие ширину резонансного сигнала ЯМР.
Кратко рассмотрим каждый из этих параметров.
Интенсивность сигнала ЯМР, определяемая как площадь под резонансной кривой,
дает информацию об относительном числе эквивалентных ядер в группе, дающей
рассматриваемый сигнал.
Химический сдвиг - это молекулярный параметр, зависящий от электронного
окружения ядер, природы растворителя, концентрации и температуры. Резонансные
частоты для протонов, входящих в состав различных молекул и имеющих различное
химическое окружение, будут несколько отличаться от условий резонанса для
свободного протона. Данный эффект обусловлен тем, что эффективное магнитное
поле В, действующее на протон, отличается от B0 (внешнего магнитного поля,
приложенного к образцу) вследствие появления локального магнитного поля B',
обусловленного влиянием электронных оболочек молекулы и химического окружения
данного протона:
B = B0-B' = B0(1-s), (2.5)
где s - коэффициент пропорциональности между B' и B0, так называемая константа
экранирования. С учетом (2.5) условие резонанса (2.4) запишется как:
n = gB0(1-s)/2p, (2.6)
Таким образом, влияние локальных полей электронного окружения ядер вызывает
изменения положения полосы резонанса для протонов (и других ядер), занимающих
различное место в структуре молекулы. Величина этого сдвига (называемого
химическим сдвигом) пропорциональна приложенному постоянному магнитному полю.
Физическая причина химического сдвига заключается в том, что во внешнем
магнитном поле индуцируются циркуляция электронов и соответствующие электронные
токи в молекуле. Ввиду сложности определения абсолютных значений химических
сдвигов ядер на практике используется параметр d:
d = [(nx - no) / nраб]Ч106 , (2.7)
где nx и no - резонансные частоты исследуемого и стандартного ядер
соответственно; nраб - рабочая частота спектрометра.
Химический сдвиг (2.7) измеряется в миллионных долях (млн-1) и отсчитывается
относительно no. Химические сдвиги протонов обычно измеряют относительно
эталона - резонансного сигнала стандартного инертного соединения,
тетраметилсилана (ТМС) - Si(CH3)4. В водном растворителе, где ТМС практически
нерастворим, в качестве стандартных веществ используются бутиловый спирт (d
=1.231 млн-1), ацетон (d = 2.216 млн-1), диоксан (d = 3.743 млн-1),
(ТМА)-бромид тетраметиламмония (d =3.193 млн-1), (ДСС)- 2,2 -диметил- 2
-силапентан-
- Киев+380960830922