ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Что можно сделать с помощью ЯМР из "Современные методы ЯМР для химических исследований" Говорят, что стоит попытаться обрисовать перспективу последних достижений в области ЯМР. Применение спектроскопии ЯМР охватывает очень широкий круг задач с простого определения структуры к исследованию конформаций ферментов в растворе и далее к мониторингу метаболизма in vivo и медицинской диагностике- Несмотря на все это разнообразие, фактически существует всего несколько главных идей, лежащих в основе всех экспериментов. Следующие разделы могут стать более понятными позднее, когда вы дочитаете книгу до конца, но тем не менее приходится начинать именно с них. [c.20] Все эксперименты, описанные в книге, основаны на наличии связи между магнитными ядрами. Скалярное спин-спнновое взаимодействие (J-взаимодейсавие) хорошо известно. Это оно вызьшает расщепление линий в обычных спектрах. Такое взаимодействие является важным для всех экспериментов, кроме тех, которые основаны на ЯЭО. Сам по себе ЯЭО также определяется взаимодействием между ядрами, но это диполь-ное взаимодействие, о котором подробнее рассказано в гл. 5. [c.20] Важность спии-спинового взаимодействия при определении структуры достаточно ясна из одномерных протонных спектров. Изучая структуру мультиплетов, мы часто можем решить, сколько соседей имеет протон. Мы даже можем проследить последовательность соседних протонов, анализируя расщепления. Эксперименты с гомоядерной развязкой еще более облегчают идентификацию ядер-соседей. Высокая информативность КССВ связана с тем, что их величины легко предсказать для разных фрагментов. Для протонов константы через 2 и 3 связи всегда лежат примерно в области от 2 до 20 Гц, а константы через большее число связей очень малы. Предсказуемость КССВ, а также тот факт, что они позволяют определить пары взаимодействующих ядер, делают их чувствительным индикатором молекулярной структуры, В противоположность этому химические сдвиги позволяют только грубо оценить химическое окружение индивидуального ядра. [c.20] Вторая большая область современного ЯМР-применение метода Фурье для анализа данных. В следующей главе будет показано, что это ускоряет процесс получения информации, что весьма существенно, поскольку сигналы ЯМР имеют низкую интенсивность. Использование метода получения данных как функции временн в экспериментах, включающих две или более временные переменные, может дать исключительные преимущества как в скорости, так и в разрешающей способности (гл. 8-10). Двумерное преобразование Фурье является важным дополнением к представлениям о взаимодействии, на которых основаны новые эксперименты. Оно увеличивает эффективность обработки данных. С его помощью можно косвенным методом обнаруживать такие явления, как, например, переходы между энергетическими уровнями, запрещенные квантовомеханическимн иравиламн отбора. [c.21] Чтобы понять, о чем мы говорим в последующих главах, познакомимся с современным высокочастотным спектрометром и его важнейшими компонентами (рис. 1.3). Наблюдать протонные спектры на резонансных частотах выше 100 МГц можно только с использованием сверхпроводящих магнитов. Соленоид (рис. 1.4), намотанный из сплавов ниобия, погружен в емкость с жидким гелием, которая находится внутрн высококачественного криостата (большой цилиндр справа на рис. 1,3), Криостат имеет внешнюю охлаждающую рубашку для охлаждения радиационного экрана , заполненную жидким азотом. Продуманная конструкция и тща1ельное изготовление криостата обеспечивают низкий расход жидкого гелия. Его добавляют в криостат каждые 2-9 мес в зависимости от модели конструкции. Спектрометр на рис. 1.3 дает возможность наблюдать протоны на частоте 500 МГц, т. е. напряженность поля в центре магнита составляет 11,7 Т. [c.21] Пульт спектрометра содержит генератор радиочастотных импульсов и приемник для регистрации сигналов ЯМР. Оба этих блока похожи на обычные радиоустройства. В частности, приемник весьма похож на приемный тракт в радио илн телевизоре. В современных спектрометрах предусматриваются возможности для получения самых разных импульсных последовательностей с различной продолжительностью и фазой, т. е. для осуществления импульсного программирования . Все функции спектрометра обычно находятся под контролем компьютера, который также используется для обработки данных и представления результатов. Электрические сигналы ЯМР превращаются в цифровые данные для ввода в компьютер с помощью аналого-цифроеого преобразователя. Именно он часто является узким местом, ограничивающим класс экспериментов, которые мы можем выполнять (см. гл. 2 и 3). [c.22] Набор датчиков ЯМР разной формы и размеров для образцов различного диаметра и магнитов с различными теплыми отверсгиями. [c.23] Внутреннее уоройство датчика. Образец удерживается внутри приемно-передающей катушки. Ниже можно видеть некоторые компоненты резонансного контура (см. гл, 3). [c.23] Разные стандартные компьютерные периферийные устройства (печатающее устройство, дисковод, 1 рафопостроитель и т.п.) применяются для обработки и представления данных. Почти все спектры в этой книге получены иа спектрометре, показанном на рис. 1.3. [c.23] Регистрация спектров методом непрерывной развертки кажется естественной. При этом простой и очевидной представляется идея воздействия иа образец монохроматического излучения, частота которого варьируется для локализации максимума поглощения. Измерение поглощения энергии до сих пор довольно часто используется в оптической спектроскопии инфракрасной (ИК) и ультрафиолетовой (УФ). Почему же в таком случае нам необходимо рассматрнва ь столь неочевидную альтернативу, как импульсное возбуждение в случае ЯМР Чтобы найти ответ на этот вопрос, надо познакомиться поближе с некоторыми особенностями ЯМР (рис. 2.1), На первый взгляд этот спектр выглядит достаточно красиво, но как только мы усилим его в 4 раза, мы обнаружим проклятие всех ЯМР-спектроскопистов - шум. [c.24] Одним из способов улучшения отношения сигнал/шум, позволяющим обойти естественные ограничения спектрометра, является накопление и усреднение сигналов. Мы воспользуемся тем, что можем записать один и тот же спектр несколько раз. Сигналы ЯМР каждый раз появляются на одном и том же месте, и, таким образом, их интенсивность растет пропорционально чнслу повторений. При этом судьба случайно возникающего шума немного сложнее он не усредняется , как это часто ошибочно полагают, но растет медленнее, чем сигнал. Фактически через п повторений амплитуда сигнала увеличивается ровно в п раз, а амплитуда шума при этом увеличивается примерно в у/п раз. Таким образом, отношение сигнал/шум улучшается как Доказательство того, что шум растет как квадратный корень из числа экспериментов, нетривиально, и если этот вопрос вас интересует, то обратитесь к центральной предельной теореме в учебниках по статистике. [c.25] Заметим, что сложность возникла из-за того, что нам требуются измерения с высоким разрешением . Если мы смягчим требования по разрешению, то сможем быстрее выполнить измерение. Это соотношение между скоростью регистрации nei rpa и разрешением необходимо учитывать не только для спектроскопии ЯМР, но и для всех видов спектроскопии. Просто для ЯМР эта проблема встает наиболее остро. При регистрации спектров ЯМР ядер со спином 1/2 в жидкостях или в растворах режим с непрерывной разверткой, как будет показано ниже, оказывается, заметно уступает импульсному методу. Прн регистращш широких линий, например, в спектрах твердых тел, недостатки метода непрерывной развертки не столь существенны, но в этой книге мы не рассматриваем такие спектры. Для регнения наиболее важных химических задач нам нужно найти такой быстрый способ регистрации спектра, который бы позволил более эффективно использовать накопление и усреднение сигналов. Однако сначала обратимся к проблеме колоколов, хотя она и кажется здесь не относящейся к делу. [c.26] Мы можем предложить схему, немного похожую на следующую. Установим на колокол источник звука, например громкоговоритель, и какой-нибудь вид принимающего устройства, например микрофон, С помощью низкочастотного генератора будем создавать в колоколе звук и варьировать его частоту от самых низких до самых высоких, воспринимаемых человеческим слухом. Скорость, с которой мы изменяем частоту, будет ограничена требуемой точностью измерения н свойствами самого колокола. Регистрируемый микрофоном отклик колокола будет изменяться при изменении частоты. Мы сможем зафиксировать все его характеристические резонансные частоты, если подадим выходной сигнал на графопостроитель, с помощью которого получим спектр откликов как функции частоты. Получив спектр, мы можем снять с колокола слой металла и повторять всю процедуру до получения нужного отклика. Этим способом можно выполнить настройку, но работа займет очень много времени, поскольку мы воспользовались методом измерений с непрерывной разверткой. [c.27] При настройке колокола методом непрерывной развертки мы применяли слабое механическое возбуждение, а для выполнения эксперимента в импульсном режиме нам было необходимо сильное возбуждение. Поскольку в методе ЯМР с непрерывной разверткой также используется облучение слабым радиочастотным генератором, то, как легко представить, в импульсном эксперименте нужен мощный генератор. Это так, но нз все10 этого не.тп,зя понять, что означает слабый или мощный в данном контексте, или как определить, что такое достаточно короткий импульс в эксперименте ЯМР. Для правильного понимания этих вопросов нам надо дойти до гл, 4. Тогда наши знания будут достаточными для точною анализа процессов, протекающих внутри образца, когда он подвергается действию импульса. Однако уже на основании самых общих соображений мы можем доказать, чго радиочастотный импульс должен иметь определенные характеристики. [c.28] Следовательно, для монохроматического излучения появляется неопределенность по частоте, равная 1/Д Гц, если его длительность составляет Дг с. В импульсном эксперимевте Д -это ширина импульса. Поэтому, чтобы возбудить все сигналы в нашем спектре шириной 1000 Гц, нужен импульс не длиннее 1 мс. И вновь ито лишь грубая оценка по порядку величины на основе самых общих принципов. Позднее мы поймем, почему импульс должен быть намного короче (порядка нескольких микросекунд). И все же из этого по крайней мере стало ясно, какой тип импульса требуется в ЯМР. [c.29] Вернуться к основной статье