Измерение спектров протонного магнитного резонанса

В ЯМР-спектроскопии на исследуемое вещество действуют одновременно два магнитных поля - одно постоянное, а другое - радиочастотное. Образец помещают в датчик спектрометра между полюсными наконечниками магнита (рис. 3).

Рис. 3. Принципиальная схема простейшего ЯМР-спектрометра

Магнит вызывает расщепление энергетических уровней магнитных ядер, т.е. создает необходимые условия для поглощения радиочастотного излучения. Радиочастотный генератор возбуждает переменное магнитное поле, перпендикулярное к постоянному полю. При определенном соотношении этих полей наступает резонансное поглощение энергии, которое регистрируется радиочастотным детектором. Условия резонанса можно достичь либо изменением напряженности постоянного магнитного поля, либо изменение частоты генератора. На практике используется первый принцип.

В настоящее время в зависимости от целей исследования используются спектрометры протонного магнитного резонанса с рабочей частотой от 100 до 500 МГц. В последние годы все шире используются импульсные спектрометры ЯМР с преобразованием Фурье, использование которых открывает новые возможности перед исследователями, особенно в области повышения чувствительности.

Вещество, в первую очередь, должно растворяться в выбранном растворителе. Растворители для ПМР-спектроскопии не должны содержать протонов, это может быть четыреххлористый углерод (CCl4), сероуглерод (CS2) или дейтерированные растворители. Для неполярных соединений почти всегда можно использовать CCl4, а для полярных соединений подходит хлороформ (CHCl3, резонансный сигнал d=7,23 м.д.). Лучше использовать дейтерированный хлороформ для избежания наложения сигнала обычного хлороформа на ароматические протоны химических соединений. Если продукт не растворяется в хлороформе, используют другие дейтерированные растворители: диметилсульфоксид- d₆, ацетон- d₆, ацетонитрил- d₃ , бензол- d₆ и D₂O. Измерения, проводимые в различных растворителях, или с использованием различных стандартов, приводят к одним и тем же результатам, если отсутствуют специфические взаимодействия между растворителем и стандартом или исследуемым продуктом.

Измерение ПМР-спектров органических соединений, полученных на приборах без накопителей сигналов, проводится для растворов достаточно высокой концентрации (5-20%). Исследуемый продукт растворяют в растворителе и помещают в ампулу. В качестве стандарта выбирают тетраметилсилан (ТМС), гексаметилдисилоксан (ГМДС), а используются циклогексан, метиленхлорид или бензол. Стандарт может быть внутренним (непосредственно добавляется в анализируемый раствор) или внешним, когда стандарт находится в коаксиальном капилляре, расположенном внутри исследуемого образца.

Влияние на качество спектров, а именно на наблюдаемую ширину и релаксационные свойства образца оказывает вязкость растворителя. Можно разделить растворители для ЯМР спектроскопии на вязкие (бензол, ДМФА, ДМСО, пиридин, толуол и вода) и невязкие (ацетон, ацетонитрил, хлороформ, хлористый метилен и метанол). Достаточно высокое разрешение можно получить только в невязких растворителях, например, в ацетоне.

Качественные спектры регистрируют только на веществах, свободных от твердых частиц и от взвешенной пыли, поэтому необходимо проводить фильтрование растворов образца непосредственно при их переносе в ампулу.

Применение ПМР

1. Качественный анализ.

Вскоре после открытия явления ЯМР в конденсированных средах стало ясно, что ЯМР будет основой мощного метода исследования строения вещества и его свойств. Действительно, исследуя спектры ЯМР, мы используем в качестве резонирующей систему ядер, чрезвычайно чувствительных к магнитному окружению. Локальные же магнитные поля вблизи резонирующего ядра зависят от внутри- и межмолекулярных эффектов, что и определяет ценность этого вида спектроскопии для исследования строения и поведения молекулярных систем.

В настоящее время трудно указать такую область естественных наук, где бы в той или иной степени не использовался ЯМР. Методы спектроскопии ЯМР широко применяются в химии, молекулярной физике, биологии, агрономии, медицине, при изучении природных образований (слюд, янтаря, полудрагоценных камней, горючих минералов и другого минерального сырья), то есть в таких научных направлениях, в которых исследуются строение вещества, его молекулярная структура, характер химических связей, межмолекулярные взаимодействия и различные формы внутреннего движения.

2. Количественный анализ. При использовании ЯМР как метода количественного анализа нет необходимости в чистом образце определяемого вещества. Однако, используется какое-либо индивидуальное вещество в качестве внутреннего стандарта.

3. Применение ЯМР в биологии и медицине.

В настоящее время получены спектры ЯМР многих белков; используется для наблюдения за структурными изменениями, сопровождающими функционирование белков. Метод ЯМР широко используется для изучения состояния воды в разнообразных биологических объектах.

В ЯМР-спектрометрах магнитное поле стараются сделать как можно более однородным, это нужно для улучшения спектрального разрешения. Но если магнитное поле внутри образца, наоборот, сделать очень неоднородным, это открывает принципиально новые возможности для использования ЯМР. Неоднородность поля создается так называемыми градиентными катушками, которые работают в паре с основным магнитом. В этом случае величина магнитного поля в разных частях образца будет разная, а это значит, что сигнал ЯМР можно наблюдать не от всего образца, как в обычном спектрометре, а только от его узкого слоя, для которого соблюдаются резонансные условия, т.е. нужное соотношение магнитного поля и частоты. Меняя величину магнитного поля (или, что по сути то же самое, частоту наблюдения сигнала), можно менять слой, который будет давать сигнал.

Таким образом, можно «просканировать» образец по всему объему и «увидеть» его внутреннюю трехмерную структуру, не разрушая образец каким-либо механическим способом. К настоящему времени разработано большое число методик, позволяющих измерять различные параметры ЯМР (спектральные характеристики, времена магнитной релаксации, скорость самодиффузии и некоторые другие) с пространственным разрешением внутри образца.

Самое интересное и важное, с практической точки зрения, применение ЯМР-томографии нашлось в медицине. В этом случае исследуемым «образцом» является человеческое тело. ЯМР-томография является одним из самых эффективных и безопасных (но также и дорогих) диагностических средств в различных областях медицины, от онкологии до акушерства..

Вопросы для собеседования

1. Ядра, имеющие магнитный момент.

2. Теоретические основы метода.

3. Химический сдвиг. Эталонное вещество. Факторы, влияющие на величину химического сдвига.

4. Спин-спиновое взаимодействие.

5. Аналитические параметры ПМР-спектра.

6. Приборы. Применение ПМР.

Тестовые задания

1. Что определяют в ЯМР-спектроскопии?

а) напряженность поля; б) энергию поля; в) магнитную восприимчивость;

г) магнитную индукцию.

2. По какой формуле определяется химический сдвиг?

а) δ = (Δν/ν₀)·10⁶ = (ΔН/Н₀)·10⁶;

б) δ = (Δν/ν₀);

в) δ = (ΔН/Н₀);·

г) δ = (Δν/ν₀)/(ΔН/Н₀).

3. Чем обусловлен вклад в константу экранирования, влияющей на значения химического сдвига?

а) парамагнитной составляющей; б) диамагнитной составляющей;

в) разницей составляющих; г) суммой составляющих.

4. По каким основным характеристикам в ЯМР-спектроскопии устанавливается структура соединения?

а) мультиплетность; б) химический сдвиг; в) интегральная интенсивность;

г) всеми перечисленными.

5. Положение сигнала протона гидроксильной группы в ЯМР-спектре зависит от

а) мультиплетности групп; б) концентрации, температуры; в) числа протонов продукта; д) рабочей частоты спектрометра.

6. В ПМР-спектре смеси циклогексана, тетраметилсилана и бензола содержатся три пика при d= 0; 7,27; и 1,4 м.д. Определите, какой сигнал относится к какому растворителю.

а) 0 м.д. - циклогексан; 1,4 м.д. - тетраметилсилан; 7,27 м.д. - бензол;

б) 1,4 м.д. - циклогексан; 0 м.д. - тетраметилсилан; 7,27м.д. - бензол;

в) 7,27 м.д. - циклогексан; 0 м.д. - тетраметилсилан; 1,4 м.д. - бензол;

г) 7,27 м.д. - циклогексан; 7,27 м.д. - тетраметилсилан; 0 м.д. - бензол.

7. В ПМР-спектре наблюдается система сигналов: дублет и квартет, относящихся к алифатическому соединению. Определите сочетание групп:

а) -СН₂-СН₂-; б) -СН=СН₂; в) -СН-СН₃; г) СН₃-СН₃.

8. В ПМР-спектре наблюдаются три синглета при химических сдвигах d, равных 7.27; 7.33; 2.5 м.д.. Установлено, что это смесь из трех растворителей. Выберите растворители:

а) гексаметилдисилоксан, хлороформ; ацетон; б) бензол, хлороформ, ацетон; в) хлороформ, диметилформамид, бензол; г) ацетон, этиловый спирт, бензол.

9. Какая система называется гомоядерной? Образована:

а) только протонами; б) протоном и углеродом; в) протоном и фтором; г) протоном и азотом.

10. Какое из свойств растворителя оказывает влияние на качество спектров?

а) вязкость; б) показатель преломления; в) сольватационные свойства;

г)вязкость, сольватационные свойства.