10. Спектроскопия магнитного резонанса

(Радиочастотные спектральные методы)

Ядра атомов и электроны вращаются вокруг своей оси, создавая магнитное поле, и обладают магнитным моментом. В сильном магнитном поле они способны ориентироваться определенным образом, занимая одно из нескольких возможных положений. Под действием высокочастотных электромагнитных колебаний определенной энергии (т.е. наиболее длинноволновой части электромагнитного спектра - микроволн и радиоволн) происходит переориентация частиц, равноценная их переходу из одного энергетического состояния в другое. При этом поглощается часть энергии высокочастотного поля, что может быть зарегистрировано в виде спектра резонансного поглощения вещества. Согласно квантовой механике существует 21+1 возможных ориентации и, следовательно, столько же энергетических уровней. Это значит, что протон, например, имеет два таких уровня. Разность энергий между ними описывается выражением вида:

Е = μ*Н/l

где m - магнитный момент вращающегося ядра;

1 - спиновое квантовое число;

Н - внешнее магнитное поле.

Энергия радиочастотного поля с частотой v поглощается системой ядер, если выполняется условие hv = ΔЕ. Эта характеристическая частота является частотой прецессии диполей и называется ЛАРМОРОВОЙ ЧАСТОТОЙ. Обычно вводят угловую частоту прецессии ω, которая равна 2πω. Отношение ω/Н = γ есть основная постоянная, характерная для любого ядра с ненулевой величиной спинового квантового числа 1. Она называется гиромагнитным отношением и обозначается буквой γ.

При частоте 100МГц (одна из обычно используемых частот) разность энергий Е примерно равна 10^-2кал/моль. Это означает, что радиочастотный генератор может быть не очень мощным, но детектор должен быть высокочувствительным.

Воздействие приложенного радиочастотного поля на ларморовой частоте приводит к тому, что все вращающиеся ядра прецессируют в фазе. Таким образом мы, имеем множество ядерных осцилляторов, которые согласно электромагнитной теории должны изучать энергию. Поскольку все они находятся в фазе друг с другом, они действуют как когерентный излучатель. Их излучение можно уловить с помощью другой катушки, находящейся вблизи образца, если ось этой катушки взаимно перпендикулярна оси генераторной катушки и направлению постоянного поля.

Существуют два основных типа спектрометров для наблюдения измерения ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В более простом из них измеряется либо поглощение энергии, либо испускание резонансного излучения в момент совпадения частот магнитного и радиочастотного полей (точка резонанса). В приборах второго типа используется фурье-преобразование, что позволяет значительно увеличить отношение сигнал/шум.

Ядерный магнитный резонанс проявляется у ядер атомов, обладающих магнитным моментом. Спином и магнитным моментом обладают ядра, имеющие нечетное массовое число или нечетный атомный номер (¹Н, ¹³С, ¹⁵N, ³¹Р и др.). Чаще всего наблюдают спектры ЯМР протонов, находящихся в химических соединениях - протонный магнитный резонанс (ПМР).

Для наблюдения спектра ПМР образец вещества помещают в сильное постоянное магнитное поле напряженностью Н₀ и действуют на него электромагнитным излучением с возрастающей переменной частотой. В магнитном поле происходит ориентация протонов по полю или против поля. При частоте электромагнитных колебаний v, отвечающей уравнениям E=hv=2μH₀ и v=γ*H₀/2π, возникают переходы протонов из одного состояния в другое. Часть энергии поля при этом поглощается, и в спектре ПМР появляется сигнал в виде пика поглощения. В веществе поглощающий протон окружен электронами и другими ядрами атомов вещества, которые в определенной степени экранируют поглощающий протон от электромагнитного поля. Поэтому химическое окружение протона вызывает изменение энергии, необходимое для перехода протона из одного состояния в другое, что связано с изменением частоты электромагнитного поля. Изменение частоты электромагнитного поля, поглощаемого протоном, регистрируется в спектрах ЯМР и называется химическим сдвигом. Величина химического сдвига определяется относительно резонансной частоты стандартного вещества. В качестве стандарта выбран тетраметилсилан (CH₃)₄Si, протоны которого обладают наиболее высокой энергией резонанса. В спектре ЯМР сигналы протонов сдвинуты относительно эталона на величину, зависящую от местоположения протона и химического окружения, что позволяет сделать выводы о химическом строении вещества. Интенсивность сигнала протонов зависит от их количества в молекуле, что делает возможность количественную оценку вещества.

Кроме химических сдвигов, спектры ЯМР характеризуются величиной спин-спинового взаимодействия. Спин-спиновое взаимодействие возникает у протонов вследствие их взаимного влияния друг на друга через валентные электроны. В итоге происходит спин-спиновое расщепление химического сдвига, и вместо одного сигнала появляется расщепленный более слабый сигнал-дуплет. Так как на состояние протона может воздействовать несколько других протонов молекулы, в спектре ЯМР может появиться несколько расщепленных сигналов - триплетные, квадруплетные и т.д. Характер и величина спин-спинового расщепления дают ценные сведения о структуре соединения.

Снятие спектра ЯМР производят на спектрометрах ЯМР, состоящих из мощного постоянного электромагнита, генератора радиочастоты, катушки, детектора и регистрирующего устройства.

Рис. 14. Схема спектрометра ЯМР

В катушку помещается ампула с образцом. Магнитное поле расщепляет энергетические уровни магнитных ядер, радиочастотный генератор возбуждает высокочастотное электромагнитное поле, частота которого изменяется в некотором интервале. При определенной частоте происходит резонансное поглощение энергии поля веществом, которое регистрируется приемником-детектором и самописцем. Одновременно с ампулой образца в ячейку помещают ампулу с эталоном либо эталон добавляют к раствору вещества.

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) - сходен по своей сути с явлением ЯМР. Теория магнитного резонанса применима не только к ядрам, но и к электронам, поскольку последние также имеют спин и магнитный момент. В спектрах ЭПР фиксируется резонансное поглощение электронов, энергетические уровни которых расщепляются в магнитном поле на два подуровня с ориентацией спинов электронов либо по полю, либо против поля. Резонансное поглощение наблюдается у неспаренных электронов, молекул и радикалов веществ в электромагнитном поле не радиочастотного (отличие от ЯМР), а микроволнового диапазона. В связи с этим спектрометры ЭПР отличаются по устройству от спектрометра ЯМР генератором и приемником (детектором) микроволновых колебаний. Спектрометры ЭПР работают на частоте около 9000МГц и широко применяются для изучения радикалов, структуры химических соединений, особенно полимеров и биополимеров.

Спектр ЭПР часто представляют не только в виде зависимости интенсивности поглощения от напряженности поля, но и в виде зависимости первой производной поглощения по напряженности от напряженности магнитного поля.

Дифференциальный метод дает более четкое представление о спектре, положении максимума и полуширине полосы. Взаимодействие спинов электрона и ядра стимулирует так называемое сверхтонкое расщепление спектра ЭПР на отдельные компоненты, обусловленное этим взаимодействием. Сверхтонкое расщепление дает очень ценную информацию о природе связи, электронной структуре и т.д.

Чувствительность спектров ЭПР очень высока, в благоприятных условиях может быть зарегистрировано до Юг вещества и обнаружено до 10моль/л примесей.

Рис. 15. Схема сигнала ЭПР

а) кривая поглощения; б) дифференциальная кривая поглощения

Вопросы для самоконтроля

1. В чем состоят теоретические основы метода спектроскопии магнитного резонанса?

2. У каких атомных ядер проявляется ядерный магнитный резонанс?

3. Что такое химический сдвиг?

4. Чем обусловлен сигнал-дуплет в спектре ядерно-магнитного резонанса?

5. Как вы представляете себе принципиальную схему ЯМР-спектрометра?

6. Какое резонансное поглощение электронов фиксируется в спектрах электронного парамагнитного резонанса?

Тест по теме

Какое вещество используется в качестве стандарта в методе ядерно-магнитного резонанса:

1. бензол?

2. тетраметилсилан?

3. уксусная кислота?