Принципиальная схема ЯМР-спектрометра. 
Спектры ЯМР и их интерпретация

Впервые явление ядерного магнитного резонанса осуществил на практике в своем эксперименте Пурселлом. Сердцем спектрометра ЯМР является мощный магнитный образец, помещенный в стеклянную ампулу диаметром около 5 мм, заключается между полюсами сильного электромагнита. Затем ампула начинает вращаться, а магнитное поле, действующее на нее, постепенно усиливают. В качестве источника излучения используется радиочастотный генератор высокой добротности. Под действием усиливающегося магнитного поля начинают резонировать ядра, на которые настроен спектрометр. При этом экранированные ядра резонируют на частоте чуть меньшей, чем номинальная частота резонанса (и прибора).

Поглощение энергии фиксируется радиочастотным мостом и затем записывается самописцем. Частоту увеличивают до тех пор, пока она не достигнет некого предела, выше которого резонанс невозможен.

Рис. 1 Схема спектрометра ЯМР: 1 — катушка с образцом; 2 — полюса магнита; 3 -генератор радиочастотного поля; 4 -усилитель и детектор; 5 — генератор модулирующего напряжения; 6 — катушки модуляции поля Н 0; 7 — осциллограф.

Так как идущие от моста токи весьма малы, снятием одного спектра не ограничиваются, а делают несколько десятков проходов. Все полученные сигналы суммируются на итоговом графике, качество которого зависит от отношения сигнал/шум прибора.

В данном методе образец подвергается радиочастотному облучению неизменной частоты, в то время как сила магнитного поля изменяется, поэтому его еще называют методом постоянного поля (CW).

Традиционный метод ЯМР-спектроскопии имеет множество недостатков. Во-первых, он требует большого количества времени для построения каждого спектра. Во-вторых, он очень требователен к отсутствию внешних помех, и, как правило, получаемые спектры имеют значительные шумы. В-третьих, он непригоден для создания спектрометров высоких частот (300, 400, 500 и более МГц). Поэтому в современных приборах ЯМР используется метод так называемой импульсной спектроскопии (PW), основанной на фурье-преобразованиях полученного сигнала. В настоящее время все ЯМР-спектрометры строятся на основе мощных сверхпроводящих магнитов с постоянной величиной магнитного поля.

В отличие от CW-метода, в импульсном варианте возбуждение ядер осуществляют не «постоянной волной», а с помощью короткого импульса, продолжительностью несколько микросекунд. Амплитуды частотных компонент импульса уменьшаются с увеличением расстояния от н0. Но так как желательно, чтобы все ядра облучались одинаково, необходимо использовать «жесткие импульсы», то есть короткие импульсы большой мощности. Продолжительность импульса выбирают так, чтобы ширина частотной полосы была больше ширины спектра на один-два порядка. Мощность достигает нескольких ватт.

В результате импульсной спектроскопии получают не обычный спектр с видимыми пиками резонанса, а изображение затухающих резонансных колебаний, в котором смешаны все сигналы от всех резонирующих ядер — так называемый «спад свободной индукции» (FID, free induction decay). Для преобразования данного спектра используют математические методы, так называемое фурье-преобразование, по которому любая функция может быть представлена в виде суммы множества гармонических колебаний.

На рисунке 3 представлен ЯМР-спектрометр. Большая часть его — это просто большой «холодильник», заполненный двумя очень холодными жидкостями, жидким азотом и жидким гелием. Жидкий азот обладает температурой -195oC, а жидкий гелий кипит при -269oC.Жидкий гелий находится в самой центральной части холодильника, и он охлаждает сверхпроводящую катушку, которая создает магнитное поле при -269oC, а все это окружено жидким азотом, который предотвращает слишком быстрое испарение жидкого гелия.

Отверстие в верхней части прибора (на которое показывает лаборант) используется для загрузки образцов в спектрометр. Когда образец попадает в машину, то струя воздуха вращает пробирку, чтобы при сканировании образец был более однородным.

Когда образец готовится для ЯМР-спектроскопии в виде раствора, то растворитель или его часть должна быть насыщена дейтерием. Это означает, что часть атомов водорода в молекуле растворителя должна быть заменена атомами дейтерия. У атома водорода ядро состоит из единственного протона, а у дейтерия — из протона и нейтрона. Это необходимо, чтобы «привязать» ЯМР к фиксированной частоте, чтобы во время снятия спектра не возникло систематической ошибки.

Радиочастотный генератор посылает к образцу «импульсы», то есть короткие всплески радиоволн. Эти волны поглощаются и передаются через образец в приемник, который улавливает сигнал от образца. Затем информация передается в компьютер, связанный с ЯМР-спектрометром, в котором данные переводятся, и происходит их анализ.

Я опишу метод для 1H, поскольку именно в этом случае наглядно проявляются свойства ЯМР-спектроскопии.

Все ядра обладают положительным зарядом и постоянно вращаются как волчок. Движущийся заряд создает магнитное поле. В ЯМР, когда мы облучаем ядро электромагнитным излучением радиодиапазона, это заставляет ядро и его магнитное поле поворачиваться (то есть возникает ядерный магнитный резонанс, отсюда и название ЯМР). В ЯМР-спектрометре существует проволочная катушка, которая окружает образец. Мы также знаем из физики, что магнит, движущийся внутри проволочной катушки, вызывает перемещение зарядов в этой катушке. Поэтому когда магнитное поле ядра поворачивается, это вызывает появление в проволоке тока, который может быть зафиксирован компьютером.

Информация на выходе спектрометра выглядит примерно вот так:

Рисунок 4.

Данный спектр называется Свободным Затуханием Индукции или СЗИ. Он выглядит именно так потому, что когда на ядра действует электромагнитный импульс, то спины одинаковых ядер группируются вместе, а после того, как импульс закончился, они медленно разбредаются в разные стороны, поэтому сигнал затухает. После преобразования получают вот такой спектр:

Рисунок 5.

Прежде, чем определять, какой из пиков соответствует определенному ядру, необходимо задать масштаб для химических сдвигов спектров. Химический сдвиг — это характеристика положения пика в спектре. Для того, чтобы проградуировать шкалу спектра, необходим стандарт. Таким стандартом часто служит тетраметилсилан или ТМС.

ТМС используется потому, что это одна из наиболее сильно экранированных молекул, а все ее протоны эквивалентны. Поэтому эта молекула должна проявиться в спектре как единственный пик, который может потом быть использован для задания точки отсчета в спектре. Его пик находится в нулевой точке графика вверху.

Но на спектре присутствуют не просто несколько отдельных пиков, а некоторые отдельные пики, некоторые — двойные, а иногда и большие группы пиков. Каждая из этих групп пиков соответствуют одному типу ядер, а не разным, как можно предположить. Причиной же того, является то, что атомы водорода, присоединенные к одному атому углерода, взаимодействуют, то есть испытывают влияние со стороны магнитных полей соседних атомов водорода. Это взаимодействие «расщепляет» сигнал на несколько пиков, видимых в спектре. Это расщепление следует правилу, которое называется «правило N + 1». Оно заключается в том, что количество пиков для каждого типа водорода равно количеству атомов водорода на соседних ядрах (N) плюс единица.

Для качественного анализа при помощи ЯМР используют анализ спектров, основанный на таких свойствах данного метода:

• · сигналы ядер атомов, входящих в определенные функциональные группы, лежат в строго определенных участках спектра;
• · интегральная площадь, ограниченная пиком, строго пропорциональна количеству резонирующих атомов;
• · ядра, лежащие через 1−4 связи, способны давать мультиплетные сигналы в результате т. н. расщепления друг на друге.

Положение сигнала в спектрах ЯМР характеризуют химическим сдвигом их относительно эталонного сигнала. В качестве последнего в ЯМР 1Н и 13С применяют тетраметилсилан Si (CH₃)₄. Единицей химического сдвига является миллионная доля (м.д.) частоты прибора. Если принять сигнал ТМС за 0, а смещение сигнала в слабое поле считать положительным химическим сдвигом, то мы получим так называемую шкалу д. Если спектр вещества слишком сложен для интерпретирования, можно воспользоваться квантовохимическими методами расчета констант экранирования и на их основании соотнести сигналы [7].