Приборы, применяемые в ЯМР-спектроскопии. 
Виды ЯМР-спектроскопии

По назначению ЯМР — спектрометры делят на приборы высокого и низкого разрешения. Граница здесь условная, и все чаще характеристики ЯМР — спектрометров высокого и низкого разрешения объединяют в одном универсальном приборе. Типичный прибор низкого разрешения должен иметь магнит, обеспечивающий относительное разрешение порядка 10−6 ч-1, возможность регистрации ЯМР многих магнитных ядер в широком интервале температур, сопряжение с системой обработки данных, гониометр для кристаллофизических измерений [6].

Спектрометры высокого разрешения по способу нахождения условий резонанса разделяются на стационарные и импульсные спектрометры. В стационарных спектрометрах резонанс находится изменением (разверткой) одного из параметров (частота или величина магнитного поля) при фиксировании другого. В импульсных спектрометрах при постоянном внешнем поле образец облучают коротким высокочастотным импульсом, при котором возбуждаются все соответствующие переходы ЯМР, дающие откликсигнал спада свободной индукции. Фурьепреобразование этого сигнала дает обычный спектр ЯМР.

Фурье-ЯМР спектрометры. Приборы данного семейства позволяют использовать до 10 рабочих радиоканалов, каждый из которых поддерживает широкий диапазон частот: от 10 МГц до 1 ГГц. При этом каждый канал управляется независимо от других. ECA спектрометры обеспечивают генерацию импульсов произвольной формы, в зависимости от решаемой задачи. Управление частотой, фазой и амплитудой сигнала осуществляется с высокой скоростью и точностью.

ЯМР-спектрометр 60. Эта управляемая компьютером экономичная ЯМР-система предназначена для исследования протонов 1H. Использование постоянного магнита обеспечивает высокое качество, стабильность работы и простоту технического обслуживания. Управление прибором максимально упрощено, дружественный интерфейс штатного программного обеспечения позволяет выполнять любые операции в один «клик» мышью. JNM-MY60 имеет также функцию сбора и хранения информации, а также обеспечивает необходимую точность их обработки, поскольку все операции выполняются в цифровом виде. Он представлен на рисунке 6. Эта модель идеальна как для работы (проверка результатов органического синтеза), так и для обучения [6]. А Фурье-модификация (FT NMR) этого прибора позволяет проводить исследования на еще более высоком уровне: позволяет наблюдать спектры всех магнитных ядер [9].

В последнее время приобретают все большую популярность импульсные методы регистрации широких линий ЯМР в твердых телах, однако здесь возникают свои трудности. Чтобы одинаковым образом возбудить все переходы в спиновой системе, необходимо применять очень короткие импульсы, что требует мощных источников радиочастотных колебаний. Кроме того, временный отклик спиновой системы для широких линий затухает очень быстро; чтобы за несколько микросекунд произвести достаточное число отсчетов, необходим аналого-цифровой преобразователь с быстродействием порядка 0,1 мкс канал.

Большие трудности возникают из-за звона контура в датчике и перегрузки приемника после мощного импульса. Преимуществом импульсной техники является то, что в одном эксперименте могут быть определены все параметры ядерного магнетизма в образце — моменты, форма линии и времена релаксации. По теореме Фурье, большие частоты соответствуют малым временам. Поэтому создаются импульсные методы для анализа явлений, происходящих через ничтожно малое время после окончания импульса. Они повышают точность определения высших моментов линии ЯМР вплоть до n=14.

В ЯМР-спектроскопии используют двойной и тройной резонанс. Для упрощения сложных спектров ЯМР на образец накладывают второе радиочастотное поле Н 2, частота которого совпадает с положением сигнала, мешающего расшифровке спектра. Амплитуда магнитного поля выбирается достаточной для насыщения переходов соответствующего ядра, устраняя ССВ этого ядра с др. ядрами молекулы. Если наложить на поле Н 2 шумовую модуляцию, то достигается выключение ССВ всех ядер в выбранном спектральном интервале. Такое подавление широко применяют при наблюдении ЯМР 13С и других ядер. Методом тройного резонанса ЯМР 13С-{1Н}-57 Fе измерялись химические сдвиги в органических соединениях железа. Применяют многочисленные разновидности множественных резонансов.

Двумерная и многомерная фурье-спектроскопия. Двумерная фурье-спектроскопия — естественное обобщение методов двойного резонанса. В одномерной спектроскопии спектр получают как фурье-образ отклика G (t) спин-системы на зондирующий импульс. В двумерной спектроскопии эксперимент начинается с приготовления спин-системы в некотором заданном состоянии посредством импульса или серии импульсов. Время эволюции системы после ее приготовления разбивается на равные интервалы. После каждого i-го интервала t2i = ni xt2 (ni= 1, 2, 3, …, N2) производится обычная регистрация получившегося i-гo отклика Gi (t1). После N2 фурье-преобразований получают N2 спектров, отображающих в частотной области (от спектра к спектру) эволюцию спин-системы на интервале t2. Эволюция каждого соответственного пика в этих спектрах создает интерферограмму Gj (t2). После необходимого числа фурье-преобразований получают двумерный спектр, отображающий выбранные парные взаимодействия в изучаемой системе. Чаще всего такой спектр изображают в виде карты, пики на которой окружены замкнутыми изолиниями. Двумерную спектроскопию ЯМР применяют для анализа протон-протонных, протон-углеродных, углерод-углеродных и т. п. спин-спиновых взаимодействий. в самых сложных молекулах, для исследования многопозиционного химического обмена, структурного анализа белков в растворах. Разбив при помощи удачно подобранной импульсной последовательности период эволюции на две части, вводят в эксперимент время t3 и переходят к 3-мерной спектроскопии; ведутся успешные работы по 4- и 5-мерной фурье-спектроскопии ЯМР.

Многоквантовая фильтрация. Использование импульсных последовательностей позволяет, помимо разрешенных переходов можно наблюдать также первоначально запрещенные переходы m = 3 и т. д. (т. наз. n-квантовая фильтрация). При включении в схему эксперимента двухквантового фильтра из сложного спектра высокого разрешения будут удалены все линии первого порядка. Это существенно облегчает интерпретацию спектров олигои полипептидов и др. сложных молекул.

Релаксационная спектроскопия. Ядерная магнитная релаксация обусловлена процессами обмена энергией между ядерными спинами. Переориентация спинов в поле Н 0 происходит под действием флуктуирующих локальных магнитных или электростатических. полей. В зависимости от механизма обмена энергией различают диполь-дипольную, квадрупольную, спин-вращательную и др. типы релаксации.

Поскольку различные типы внутренних движений имеют различные времена корреляции, они м. б. выявлены с помощью измерения зависимостей времен спин-решеточной и спин-спиновой релаксации Т 1и Т 2 от частоты магнитных полей и температуры. Измерения Т 2и обнаружение максимумов скорости спин-решеточной релаксации позволяют отнести наблюдаемые изменения к конкретным типам движений специфичных молекулярных фрагментов, однозначно указывают на последовательность «размораживания» различных типов подвижности. Смещения максимумов Т 1−1при изменении Н 0 дают возможность измерить частоты соответствующих движений и на основании известных теоретических моделей измерить термодинамические параметры различных процессов в изучаемом образце. В простых случаях, если доминирует диполь-дипольный механизм релаксации, то из данных релаксационной спектроскопии ЯМР извлекают сведения о межъядерных расстояниях в молекулах жидкостей.

Квадрупольные эффекты. В твердых телах для ядер со спином I>½ возникают уровни энергии. Если e2Qq < 1 МГц, где eQ — электрический квадрупольный момент ядра, eq — градиент напряженности электрического поля (ГЭП) на ядре, то для монокристалла наблюдается 2I-1 линий, расстояния между которыми закономерно меняются при изменении ориентации кристалла в поле В 0. Из этих зависимостей находят положения главных осей тензора ГЭП, значения параметра его асимметрии и e2Qq. Выявляется химическая и кристаллографическая неэквивалентность. Это полезно при исследовании фазовых переходов и динамики решетки в сегнетоэлектриках, цеолитах и др. практически важных веществах. Примеси, вакансии, дислокации, любые напряжения решетки создают на квадрупольных ядрах разброс ГЭП, размывая линии ЯМР. Если МГц, то в хороших кристаллах соответствующие переходы можно наблюдать без поля Н 0. Это ядерный квадрупольный резонанс.