Ядерный магнитный резонанс

Спектроскопический метод, основанный на изменении состояния ядерного спина

Спектрометр ядерного магнитного резонанса (ЯМР) Bruker 700 МГц.

Основные принципы ядерного магнитного резонанса (ЯМР)

Ядерный магнитный резонанс ( ЯМР ) — это физическое явление , при котором ядра в сильном постоянном магнитном поле возмущаются слабым осциллирующим магнитным полем (в ближнем поле ^[1] ) и реагируют, производя электромагнитный сигнал с частотной характеристикой магнитного поля в ядре. Этот процесс происходит вблизи резонанса , когда частота колебаний совпадает с собственной частотой ядер, которая зависит от силы статического магнитного поля, химической среды и магнитных свойств задействованного изотопа ; в практических приложениях со статическими магнитными полями до примерно 20  тесла частота аналогична телевизионным трансляциям в диапазонах VHF и UHF (60–1000 МГц). ЯМР возникает из-за специфических магнитных свойств определенных атомных ядер. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения широко используется для определения структуры органических молекул в растворе и изучения молекулярной физики и кристаллов , а также некристаллических материалов. ЯМР также обычно используется в передовых методах медицинской визуализации , таких как магнитно-резонансная томография (МРТ). Первоначальное применение ЯМР в физике конденсированных сред в настоящее время в основном посвящено сильно коррелированным электронным системам. Он выявляет большие многочастичные связи с помощью быстрого широкополосного обнаружения и его не следует путать с твердотельным ЯМР, который направлен на устранение эффекта тех же связей с помощью методов Magic Angle Spinning .

Наиболее часто используемые ядра:1ЧАСи13С, хотя изотопы многих других элементов, таких как19Ф,31П, и29Си, также можно изучать методом ЯМР-спектроскопии с высоким полем. Для взаимодействия с магнитным полем в спектрометре ядро ​​должно иметь собственный угловой момент и ядерный магнитный дипольный момент . Это происходит, когда изотоп имеет ненулевой ядерный спин , что означает нечетное число протонов и/или нейтронов (см. Изотоп ). Нуклиды с четным числом обоих имеют общий спин, равный нулю, и поэтому не являются ЯМР-активными.

В применении к молекулам эффект ЯМР может наблюдаться только в присутствии статического магнитного поля. Однако в упорядоченных фазах магнитных материалов на ядрах магнитных ионов (и близких лигандов) создаются очень большие внутренние поля, что позволяет проводить ЯМР в нулевом приложенном поле. Кроме того, радиочастотные переходы ядерного спина I > ⁠1/2⁠ при достаточно большой электрической квадрупольной связи с градиентом электрического поля в ядре может также возбуждаться в нулевом приложенном магнитном поле ( ядерный квадрупольный резонанс ).

В доминирующем химическом приложении использование более сильных полей повышает чувствительность метода (отношение сигнал/шум масштабируется приблизительно как мощность ⁠3/2⁠ с напряженностью магнитного поля) и спектральным разрешением. Разработаны и широко используются коммерческие ЯМР-спектрометры, использующие охлаждаемые жидким гелием сверхпроводящие магниты с полями до 28 Тесла . ^[2]

Ключевой особенностью ЯМР является то, что резонансная частота ядер в конкретном веществе образца обычно прямо пропорциональна силе приложенного магнитного поля. Именно эта особенность используется в методах визуализации; если образец помещен в неоднородное магнитное поле, то резонансные частоты ядер образца зависят от того, в каком месте поля они находятся. Этот эффект лежит в основе магнитно-резонансной томографии .

Принцип ЯМР обычно включает три последовательных этапа:

• Выравнивание (поляризация) магнитных ядерных спинов в приложенном постоянном магнитном поле B ₀ .
• Возмущение этого выравнивания ядерных спинов слабым осциллирующим магнитным полем, обычно называемым радиочастотным (РЧ) импульсом. Частота колебаний, необходимая для значительного возмущения, зависит от статического магнитного поля ( B ₀ ) и ядер наблюдения.
• Обнаружение сигнала ЯМР во время или после РЧ-импульса, из-за напряжения, индуцированного в детекторной катушке прецессией ядерных спинов вокруг B _{0 . После РЧ-импульса прецессия обычно происходит с} частотой Лармора ядер и сама по себе не включает переходов между спиновыми состояниями или уровнями энергии. ^[1]

Два магнитных поля обычно выбираются перпендикулярными друг другу, поскольку это максимизирует силу сигнала ЯМР. Частоты отклика сигнала времени полной намагниченностью ( M ) ядерных спинов анализируются в спектроскопии ЯМР и магнитно-резонансной томографии. Оба используют приложенные магнитные поля ( B0 ) большой силы, обычно создаваемые большими токами в сверхпроводящих катушках, для достижения дисперсии частот отклика и очень высокой однородности и стабильности для обеспечения спектрального разрешения , детали которого описываются _{химическими} сдвигами , эффектом Зеемана и сдвигами Найта (в металлах). Информация, предоставляемая ЯМР, также может быть увеличена с помощью гиперполяризации и/или с помощью двумерных, трехмерных и многомерных методов.

Явления ЯМР также используются в ЯМР низкого поля , ЯМР-спектроскопии и МРТ в магнитном поле Земли (называемой ЯМР поля Земли), а также в нескольких типах магнитометров .

История

Ядерный магнитный резонанс был впервые описан и измерен в молекулярных пучках Исидором Раби в 1938 году ^[3], расширив эксперимент Штерна-Герлаха , и в 1944 году Раби был удостоен Нобелевской премии по физике за эту работу. ^[4] В 1946 году Феликс Блох и Эдвард Миллс Перселл расширили метод для использования в жидкостях и твердых телах, за что они разделили Нобелевскую премию по физике в 1952 году. ^{[5] [6]}

Рассел Х. Вариан подал заявку на патент США № 2 561 490 «Метод и средства корреляции ядерных свойств атомов и магнитных полей» 21 октября 1948 года, которая была принята 24 июля 1951 года. В 1952 году компания Varian Associates разработала первый ЯМР-аппарат под названием NMR HR-30. ^[7]

Перселл работал над разработкой радара во время Второй мировой войны в Лаборатории радиации Массачусетского технологического института . Его работа в этом проекте по производству и обнаружению радиочастотной энергии и поглощению такой радиочастотной энергии веществом заложила основу для его открытия ЯМР в объемном веществе. ^{[ необходима цитата ]}

Раби, Блох и Перселл наблюдали, что магнитные ядра, такие как1ЧАСи31П, может поглощать энергию RF при помещении в магнитное поле и когда RF имеет частоту, специфичную для идентичности ядер. Когда происходит это поглощение, ядро ​​описывается как находящееся в резонансе . Различные атомные ядра внутри молекулы резонируют на разных (радио) частотах в одном и том же приложенном статическом магнитном поле из-за различных локальных магнитных полей. Наблюдение таких частот магнитного резонанса ядер, присутствующих в молекуле, позволяет определить существенную химическую и структурную информацию о молекуле. ^[8]

Улучшения метода ЯМР извлекли выгоду из развития электромагнитной технологии и передовой электроники и их внедрения в гражданское использование. ^{[ требуется ссылка ]} Первоначально как исследовательский инструмент он был ограничен в первую очередь динамической ядерной поляризацией , работами Анатоля Абрагама и Альберта Оверхаузера , и физикой конденсированного состояния , где он произвел одну из первых демонстраций справедливости теории сверхпроводимости БКШ путем наблюдения Чарльзом Слихтером эффекта Гебеля-Слихтера. Вскоре он показал свой потенциал в органической химии , где ЯМР стал незаменимым, и к 1990-м годам улучшение чувствительности и разрешения спектроскопии ЯМР привело к его широкому использованию в аналитической химии , биохимии и материаловедении . ^{[ требуется ссылка ]}

В 2020-х годах был разработан ядерный магнитный резонанс с нулевым и сверхнизким полем ( ZULF NMR ), форма спектроскопии , которая обеспечивает обильные аналитические результаты без необходимости в больших магнитных полях . Он сочетается со специальной техникой, которая позволяет гиперполяризовать атомные ядра . ^[9]

Теория ядерного магнитного резонанса

Ядерные спины и магниты

Все нуклоны, то есть нейтроны и протоны , составляющие любое атомное ядро , обладают внутренним квантовым свойством спина , внутренним угловым моментом, аналогичным классическому угловому моменту вращающейся сферы. Общий спин ядра определяется спиновым квантовым числом S. Если число как протонов, так и нейтронов в данном нуклиде четное, то S = 0 , т. е. общего спина нет. Тогда, подобно тому, как электроны объединяются в пары в невырожденных атомных орбиталях , так же поступают и четные числа протонов или нейтронов (оба из которых также имеют спин- ⁠1/2⁠ частицы и, следовательно, фермионы ), что дает нулевой общий спин. ^{[ необходима цитата ]}

Однако неспаренный протон и неспаренный нейтрон будут иметь более низкую энергию, когда их спины параллельны, а не антипараллельны. Это параллельное выравнивание спинов различимых частиц не нарушает принцип исключения Паули . Понижение энергии для параллельных спинов связано с кварковой структурой этих двух нуклонов. ^{[ необходима цитата ]} В результате основное состояние спина для дейтрона (ядра дейтерия , изотопа водорода ² H), который имеет только протон и нейтрон, соответствует значению спина 1 , а не нулю . С другой стороны, из-за принципа исключения Паули изотоп трития водорода должен иметь пару антипараллельных спиновых нейтронов (с общим спином ноль для спиновой пары нейтрона), плюс протон со спином ⁠1/2⁠ . Таким образом, полное значение ядерного спина трития снова равно ⁠1/2⁠ , как и более простой, распространенный изотоп водорода, ядро ^​​1 H ( протон ). Частота поглощения ЯМР для трития также близка к частоте поглощения ¹ H. Во многих других случаях нерадиоактивных ядер общий спин также не равен нулю и может иметь вклад от орбитального углового момента неспаренного нуклона . Например,27ЭлЯдро имеет общее значение спина S = ⁠5/2⁠ .

Ненулевой спин связан с ненулевым магнитным дипольным моментом, , через соотношение где γ - гиромагнитное отношение . Классически это соответствует пропорциональности между угловым моментом и магнитным дипольным моментом вращающейся заряженной сферы, оба из которых являются векторами, параллельными оси вращения, длина которых увеличивается пропорционально частоте вращения. Именно магнитный момент и его взаимодействие с магнитными полями позволяют наблюдать сигнал ЯМР, связанный с переходами между уровнями ядерного спина во время резонансного РЧ-облучения или вызванный ларморовской прецессией среднего магнитного момента после резонансного облучения. Нуклиды с четным числом как протонов, так и нейтронов имеют нулевой ядерный магнитный дипольный момент и, следовательно, не демонстрируют сигнал ЯМР. Например, ${\displaystyle {\vec {S}}}$ ${\displaystyle {\vec {\mu }}}$ $${\displaystyle {\vec {\mu }}=\gamma {\vec {S}}}$$18Оявляется примером нуклида, который не производит сигнала ЯМР, тогда как13С,31П,35Кли37Клявляются нуклидами, которые демонстрируют спектры ЯМР. Последние два ядра имеют спин S > ⁠1/2⁠ и поэтому являются квадрупольными ядрами.

Электронный спиновый резонанс (ЭСР) — это родственная техника, в которой обнаруживаются переходы между электронными, а не ядерными спиновыми уровнями. Основные принципы схожи, но аппаратура, анализ данных и подробная теория существенно отличаются. Более того, существует гораздо меньшее количество молекул и материалов с неспаренными электронными спинами, которые демонстрируют поглощение ЭПР (или электронного парамагнитного резонанса (ЭПР)), чем те, которые имеют спектры поглощения ЯМР. С другой стороны, ЭСР имеет гораздо более высокий сигнал на спин, чем ЯМР. ^{[ необходима цитата ]}

Значения спинового момента импульса

Ядерный спин — это внутренний момент импульса , который квантуется. Это означает, что величина этого момента импульса квантуется (т. е. S может принимать только ограниченный диапазон значений), а также что x, y и z-компоненты момента импульса квантуются, будучи ограниченными целыми или полуцелыми кратными ħ , приведенной постоянной Планка . Целое или полуцелое квантовое число, связанное с компонентой спина вдоль оси z или приложенного магнитного поля, известно как магнитное квантовое число , m , и может принимать значения от + S до − S , с целыми шагами. Следовательно, для любого данного ядра существует в общей сложности 2 S + 1 состояний момента импульса. ^{[ необходима цитата ]}

z - компонента вектора момента импульса ( ) равна, следовательно, S _z = mħ . Z -компонента магнитного момента равна просто: ${\displaystyle {\vec {S}}}$ $${\displaystyle \mu _{z}=\gamma S_{z}=\gamma m\hbar .}$$

Энергия спина в магнитном поле

Расщепление спиновых энергий ядер во внешнем магнитном поле

Интуитивная модель. Ядра со спином имеют магнитные моменты ( спиновые магнитные моменты ). Само по себе нет энергетической разницы для любой конкретной ориентации ядерного магнита (только одно энергетическое состояние, слева), но во внешнем магнитном поле есть высокоэнергетическое состояние и низкоэнергетическое состояние в зависимости от относительной ориентации магнита к внешнему полю, и в тепловом равновесии низкоэнергетическая ориентация является предпочтительной. Средняя ориентация магнитного момента будет прецессировать вокруг поля. Внешнее поле может быть создано большим магнитом, а также электронами и другими ядрами поблизости.

Рассмотрим ядра со спином в половину, например1ЧАС,13Сили19Ф. Каждое ядро ​​имеет два линейно независимых спиновых состояния, причем m = ⁠1/2⁠ или м = − ⁠1/2⁠ (также называемые спин-вверх и спин-вниз, или иногда состояниями спина α и β соответственно) для z-компоненты спина. В отсутствие магнитного поля эти состояния вырождены; то есть они имеют одинаковую энергию. Следовательно, число ядер в этих двух состояниях будет по существу равным при тепловом равновесии . ^{[ необходима цитата ]}

Однако, если ядро ​​со спином поместить в магнитное поле, то два состояния больше не будут иметь одинаковую энергию в результате взаимодействия между ядерным магнитным дипольным моментом и внешним магнитным полем. Энергия магнитного дипольного момента в магнитном поле B ₀ определяется по формуле: ${\displaystyle {\vec {\mu }}}$ $${\displaystyle E=-{\vec {\mu }}\cdot \mathbf {B} _{0}=-\mu _{x}B_{0x}-\mu _{y}B_{0y}-\mu _{z}B_{0z}.}$$

Обычно ось z выбирается вдоль B ₀ , и приведенное выше выражение сводится к: или альтернативно: $${\displaystyle E=-\mu _{\mathrm {z} }B_{0}\,,}$$ $${\displaystyle E=-\gamma m\hbar B_{0}\,.}$$

В результате различные состояния ядерного спина имеют различные энергии в ненулевом магнитном поле. На менее формальном языке мы можем говорить о двух состояниях спина ⁠1/2⁠ как выровненный либо по магнитному полю, либо против него. Если γ положительно (это справедливо для большинства изотопов, используемых в ЯМР), то m = ⁠1/2⁠ («спин вверх») — это состояние с более низкой энергией.

Разница энергий между двумя состояниями составляет: и это приводит к небольшому смещению заселенности в пользу состояния с более низкой энергией в тепловом равновесии. При большем количестве спинов, направленных вверх, чем вниз, возникает чистая намагниченность спина вдоль магнитного поля B ₀ . $${\displaystyle \Delta {E}=\gamma \hbar B_{0}\,,}$$

Прецессия спиновой намагниченности

Центральным понятием в ЯМР является прецессия спиновой намагниченности вокруг магнитного поля в ядре с угловой частотой, где относится к частоте колебаний , а B - величина поля. ^[10] Это означает, что спиновая намагниченность, которая пропорциональна сумме спиновых векторов ядер в магнитно-эквивалентных местах (математическое ожидание спинового вектора в квантовой механике), движется по конусу вокруг поля B. Это аналогично прецессионному движению оси наклонного волчка вокруг гравитационного поля. В квантовой механике - это частота Бора ^[10] значений и ожиданий. Прецессия неравновесной намагниченности в приложенном магнитном поле B ₀ происходит с частотой Лармора без изменения заселенностей энергетических уровней, поскольку энергия постоянна (независимый от времени гамильтониан). ^[11] $${\displaystyle \omega =-\gamma B}$$ ${\displaystyle \omega =2\pi \nu }$ ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle \Delta {E}/\hbar }$ ${\displaystyle S_{x}}$ ${\displaystyle S_{y}}$ $${\displaystyle \omega _{L}=2\pi \nu _{L}=-\gamma B_{0},}$$

Магнитный резонанс и радиочастотные импульсы

Возмущение ядерных спиновых ориентаций от равновесия произойдет только при приложении осциллирующего магнитного поля, частота которого ν _rf достаточно близко соответствует частоте прецессии Лармора ν _L ядерной намагниченности. Затем популяции уровней энергии со спином вверх и вниз подвергаются осцилляциям Раби ^[10] , которые проще всего анализировать в терминах прецессии спиновой намагниченности вокруг эффективного магнитного поля в системе отсчета, вращающейся с частотой ν _rf . ^[12] Чем сильнее осциллирующее поле, тем быстрее осцилляции Раби или прецессия вокруг эффективного поля во вращающейся системе отсчета. Через определенное время порядка 2–1000 микросекунд резонансный РЧ-импульс переворачивает спиновую намагниченность в поперечную плоскость, т. е. она составляет угол 90° с постоянным магнитным полем B ₀ («импульс 90°»), в то время как через вдвое большее время исходная намагниченность инвертируется («импульс 180°»). Это поперечная намагниченность, создаваемая резонансным осциллирующим полем, которое обычно обнаруживается в ЯМР, во время приложения относительно слабого радиочастотного поля в старомодном непрерывном ЯМР или после относительно сильного радиочастотного импульса в современном импульсном ЯМР. ^{[ необходима ссылка ]}

Химическая защита

Из вышесказанного может показаться, что все ядра одного и того же нуклида (и, следовательно, одного и того же γ ) будут резонировать на одной и той же частоте, но это не так. Самым важным возмущением частоты ЯМР для приложений ЯМР является эффект «экранирования» оболочек электронов, окружающих ядро. ^[13] Электроны, подобно ядру, также заряжены и вращаются со спином, создавая магнитное поле, противоположное приложенному магнитному полю. В общем, это электронное экранирование уменьшает магнитное поле в ядре (которое и определяет частоту ЯМР). В результате частота, необходимая для достижения резонанса, также уменьшается.

Этот сдвиг частоты ЯМР из-за связи электронной молекулярной орбитали с внешним магнитным полем называется химическим сдвигом , и он объясняет, почему ЯМР способен исследовать химическую структуру молекул, которая зависит от распределения электронной плотности в соответствующих молекулярных орбиталях. Если ядро ​​в определенной химической группе экранировано в большей степени более высокой электронной плотностью окружающих его молекулярных орбиталей, то его частота ЯМР будет смещена «вверх по полю» (то есть более низкий химический сдвиг), тогда как если оно менее экранировано такой окружающей электронной плотностью, то его частота ЯМР будет смещена «вниз по полю» (то есть более высокий химический сдвиг).

Если только локальная симметрия таких молекулярных орбиталей не очень высока (что приводит к «изотропному» сдвигу), эффект экранирования будет зависеть от ориентации молекулы относительно внешнего поля ( B ₀ ). В твердотельной ЯМР- спектроскопии требуется вращение под магическим углом для усреднения этой ориентационной зависимости с целью получения значений частоты при средних или изотропных химических сдвигах. Это не нужно в обычных ЯМР-исследованиях молекул в растворе, поскольку быстрое «молекулярное кувыркание» усредняет анизотропию химического сдвига (CSA). В этом случае «средний» химический сдвиг (ACS) или изотропный химический сдвиг часто просто называют химическим сдвигом.

Расслабление

Визуализация времен релаксации T ₁ и T ₂ .

Процесс релаксации популяции относится к ядерным спинам, которые возвращаются к термодинамическому равновесию в магните. Этот процесс также называется T 1 , « спин-решеточной » или «продольной магнитной» релаксацией, где T ₁ относится к среднему времени для отдельного ядра, чтобы вернуться к своему тепловому равновесному состоянию спинов. После того, как популяция ядерных спинов релаксировала, ее можно снова исследовать, поскольку она находится в исходном, равновесном (смешанном) состоянии. ^{[ необходима цитата ]}

Прецессирующие ядра также могут выпасть из выравнивания друг с другом и постепенно прекратить производить сигнал. Это называется T 2 или поперечной релаксацией . Из-за разницы в фактических задействованных механизмах релаксации (например, межмолекулярных и внутримолекулярных магнитных диполь-дипольных взаимодействий), T ₁ обычно (за исключением редких случаев) длиннее, чем T ₂ (то есть более медленная спин-решеточная релаксация, например, из-за меньших эффектов диполь-дипольного взаимодействия). На практике значение T ₂ *, которое является фактически наблюдаемым временем затухания наблюдаемого сигнала ЯМР, или затуханием свободной индукции (до ⁠1/е⁠ начальной амплитуды сразу после резонансного РЧ-импульса), также зависит от неоднородности статического магнитного поля, которая может быть весьма значительной. (Существует также меньший, но существенный вклад в наблюдаемое сокращение ССИ от РЧ-неоднородности резонансного импульса). ^{[ необходима цитата ]} В соответствующем спектре FT-ЯМР — то есть преобразовании Фурье распада свободной индукции — ширина сигнала ЯМР в частотных единицах обратно пропорциональна времени T ₂ *. Таким образом, ядро ​​с большим временем релаксации T ₂ * дает очень острый пик ЯМР в спектре FT-ЯМР для очень однородного ( «хорошо шиммированного» ) статического магнитного поля, тогда как ядра с более короткими значениями T ₂ * дают широкие пики FT-ЯМР даже при хорошем шиммировании магнита. Как T ₁ , так и T ₂ зависят от скорости молекулярных движений, а также от гиромагнитных отношений как резонирующих, так и их сильно взаимодействующих, соседних ядер, которые не находятся в резонансе. ^{[ необходима цитата ]}

Эксперимент по затуханию эха Хана , измеряющий время дефазировки.

Эксперимент по распаду эха Хана можно использовать для измерения времени дефазировки, как показано в анимации. Размер эха регистрируется для разных интервалов между двумя импульсами. Это выявляет декогеренцию, которая не перефокусируется импульсом 180°. В простых случаях измеряется экспоненциальный распад , который описывается временем T ₂ .

ЯМР-спектроскопия

900 МГц, 21,2  Т ЯМР-магнит в HWB-NMR, Бирмингем, Великобритания

Спектроскопия ЯМР является одним из основных методов, используемых для получения физической, химической, электронной и структурной информации о молекулах из-за химического сдвига резонансных частот ядерных спинов в образце. Расщепления пиков из-за J- или дипольных связей между ядрами также полезны. Спектроскопия ЯМР может предоставить подробную и количественную информацию о функциональных группах, топологии, динамике и трехмерной структуре молекул в растворе и твердом состоянии. Поскольку площадь под пиком ЯМР обычно пропорциональна числу вовлеченных спинов, интегралы пиков могут быть использованы для количественного определения состава. ^{[ необходима цитата ]}

Структуру и молекулярную динамику можно изучать (с вращением под «магическим углом» (MAS) или без него) методом ЯМР квадрупольных ядер (то есть со спином S > ⁠1/2⁠ ) ​​даже при наличии магнитного « диполь -дипольного» уширения взаимодействия (или просто дипольного уширения), которое всегда намного меньше силы квадрупольного взаимодействия, поскольку это эффект магнитного, а не электрического взаимодействия. ^{[ необходима ссылка ]}

Дополнительную структурную и химическую информацию можно получить, проведя двухквантовые эксперименты ЯМР для пар спинов или квадрупольных ядер, таких как2ЧАС. Кроме того, ядерный магнитный резонанс является одним из методов, который использовался для проектирования квантовых автоматов, а также для создания элементарных квантовых компьютеров . ^{[14] [15]}

Непрерывно-волновая (CW) спектроскопия

В первые несколько десятилетий ядерного магнитного резонанса спектрометры использовали технику, известную как непрерывно-волновая (CW) спектроскопия, где поперечная спиновая намагниченность, генерируемая слабым осциллирующим магнитным полем, регистрируется как функция частоты колебаний или статической напряженности поля B ₀ . ^[12] Когда частота колебаний совпадает с частотой ядерного резонанса, поперечная намагниченность максимизируется, и в спектре наблюдается пик. Хотя спектры ЯМР могли быть получены и были получены с использованием фиксированного постоянного магнитного поля и качания частоты осциллирующего магнитного поля, было удобнее использовать источник с фиксированной частотой и изменять ток (и, следовательно, магнитное поле) в электромагните для наблюдения сигналов резонансного поглощения. Это является источником контринтуитивной, но все еще распространенной терминологии «высокое поле» и «низкое поле» для низкочастотных и высокочастотных областей, соответственно, спектра ЯМР.

По состоянию на 1996 год приборы CW все еще использовались для повседневной работы, поскольку старые приборы были дешевле в обслуживании и эксплуатации, часто работая на частоте 60 МГц с соответственно более слабыми (несверхпроводящими) электромагнитами, охлаждаемыми водой, а не жидким гелием. Одна радиокатушка работала непрерывно, прокручивая диапазон частот, в то время как другая ортогональная катушка, разработанная не для приема излучения от передатчика, принимала сигналы от ядер, которые переориентировались в растворе. ^[16] По состоянию на 2014 год, восстановленные системы 60 МГц и 90 МГц низкого уровня продавались как приборы FT-NMR, ^{[17] [ необходимо разъяснение ]} , а в 2010 году «средний рабочий» прибор NMR был настроен на 300 МГц. ^{[18] [ необходимо разъяснение ]}

CW-спектроскопия неэффективна по сравнению с методами анализа Фурье (см. ниже), поскольку она исследует ЯМР-ответ на отдельных частотах или напряженностях поля последовательно. Поскольку сигнал ЯМР по своей природе слаб, наблюдаемый спектр страдает от плохого соотношения сигнал/шум . Это можно смягчить путем усреднения сигнала, т. е. сложения спектров из повторных измерений. В то время как сигнал ЯМР одинаков при каждом сканировании и, таким образом, складывается линейно, случайный шум добавляется медленнее – пропорционально квадратному корню из числа добавленных спектров (см. случайное блуждание ). Следовательно, общее соотношение сигнал/шум увеличивается как квадратный корень из числа измеренных спектров. Однако мониторинг сигнала ЯМР на одной частоте как функции времени может лучше подходить для кинетических исследований, чем импульсная Фурье-преобразование ЯМР-спектроскопия. ^[19]

Фурье-спектроскопия

Большинство приложений ЯМР включают в себя полные спектры ЯМР, то есть интенсивность сигнала ЯМР как функцию частоты. Ранние попытки получить спектр ЯМР более эффективно, чем простые методы CW, включали освещение цели одновременно более чем одной частотой. Революция в ЯМР произошла, когда начали использовать короткие радиочастотные импульсы с частотой, центрированной в середине спектра ЯМР. Проще говоря, короткий импульс заданной «несущей» частоты «содержит» диапазон частот, центрированных вокруг несущей частоты , причем диапазон возбуждения ( полоса пропускания ) обратно пропорционален длительности импульса, то есть преобразование Фурье короткого импульса содержит вклады от всех частот в окрестности основной частоты. ^[20] Ограниченный диапазон частот ЯМР для большинства легких спин- ⁠1/2⁠ ядер позволило относительно легко использовать короткие (1–100 микросекунд) радиочастотные импульсы для возбуждения всего спектра ЯМР.

Приложение такого импульса к набору ядерных спинов одновременно возбуждает все одноквантовые переходы ЯМР. В терминах вектора чистой намагниченности это соответствует наклону вектора намагниченности от его равновесного положения (выровненного вдоль внешнего магнитного поля). Затем вектор неравновесной намагниченности прецессирует вокруг вектора внешнего магнитного поля на частоте ЯМР спинов. Этот колеблющийся вектор намагниченности индуцирует напряжение в соседней приемной катушке, создавая электрический сигнал, колеблющийся на частоте ЯМР. Этот сигнал известен как спад свободной индукции (ССИ), и он содержит сумму ответов ЯМР от всех возбужденных спинов. Чтобы получить спектр ЯМР в частотной области (интенсивность поглощения ЯМР против частоты ЯМР), этот сигнал во временной области (интенсивность против времени) должен быть преобразован Фурье. К счастью, развитие преобразования Фурье (ПФ) ЯМР совпало с развитием цифровых компьютеров и цифрового быстрого преобразования Фурье (БПФ). Методы Фурье могут применяться во многих типах спектроскопии. Ричард Р. Эрнст был одним из пионеров импульсного ЯМР и получил Нобелевскую премию по химии в 1991 году за свою работу по преобразованию Фурье ЯМР и разработку многомерной ЯМР-спектроскопии.

Многомерная ЯМР-спектроскопия

Использование импульсов различной длительности, частоты или формы в специально разработанных шаблонах или последовательностях импульсов позволяет получить спектр, содержащий множество различных типов информации о молекулах в образце. В многомерной спектроскопии ядерного магнитного резонанса есть по крайней мере два импульса: один приводит к непосредственно обнаруженному сигналу, а другие влияют на начальную намагниченность и состояние спина до него. Полный анализ включает повторение последовательности с систематически изменяющимися временными интервалами импульсов для того, чтобы исследовать колебания спиновой системы по точкам во временной области. Многомерное преобразование Фурье многомерного временного сигнала дает многомерный спектр. В двумерной спектроскопии ядерного магнитного резонанса (2D-ЯМР) будет один систематически изменяемый временной период в последовательности импульсов, который будет модулировать интенсивность или фазу обнаруженных сигналов. В 3D-ЯМР будут изменяться два временных периода независимо, а в 4D-ЯМР будут изменяться три.

Существует много таких экспериментов. В некоторых из них фиксированные временные интервалы позволяют (помимо прочего) перенос намагниченности между ядрами и, следовательно, обнаружение видов ядерно-ядерных взаимодействий, которые допускают перенос намагниченности. Взаимодействия, которые можно обнаружить, обычно делятся на два вида. Существуют взаимодействия через связи и через пространство . Взаимодействия через связи относятся к структурной связанности атомов и предоставляют информацию о том, какие из них напрямую связаны друг с другом, связаны посредством одного другого промежуточного атома и т. д. Взаимодействия через пространство относятся к фактическим геометрическим расстояниям и углам, включая эффекты дипольной связи и ядерного эффекта Оверхаузера .

Хотя фундаментальная концепция 2D-FT NMR была предложена Жаном Дженером из Свободного университета Брюсселя на международной конференции, эта идея была в значительной степени развита Ричардом Эрнстом , который получил Нобелевскую премию по химии 1991 года за свою работу в области FT NMR, включая многомерный FT NMR, и особенно 2D-FT NMR малых молекул. ^[21] Многомерные эксперименты FT NMR затем были дополнительно развиты в мощные методологии для изучения молекул в растворе, в частности для определения структуры биополимеров, таких как белки или даже небольшие нуклеиновые кислоты . ^[22]

В 2002 году Курт Вютрих разделил Нобелевскую премию по химии (с Джоном Беннетом Фенном и Коичи Танакой ) за работу с ЯМР-спектроскопией белков в растворе.

Спектроскопия ЯМР твердого тела

Этот метод дополняет рентгеновскую кристаллографию , поскольку он часто применим к молекулам в аморфном или жидкокристаллическом состоянии, тогда как кристаллография, как следует из названия, выполняется на молекулах в кристаллической фазе. В электронно-проводящих материалах сдвиг Найта резонансной частоты может предоставить информацию о подвижных носителях заряда. Хотя ядерный магнитный резонанс используется для изучения структуры твердых тел, получить обширные структурные детали на атомном уровне в твердом состоянии сложнее. Из-за уширения за счет анизотропии химического сдвига (CSA) и дипольных связей с другими ядерными спинами, без специальных методов, таких как MAS или дипольная развязка с помощью радиочастотных импульсов, наблюдаемый спектр часто представляет собой только широкую гауссову полосу для неквадрупольных спинов в твердом теле.

Профессор Рэймонд Эндрю из Ноттингемского университета в Великобритании был пионером в разработке твердотельного ядерного магнитного резонанса высокого разрешения . Он был первым, кто сообщил о внедрении техники MAS (magic angle sample spinning; MASS), которая позволила ему достичь спектрального разрешения в твердых телах, достаточного для различения химических групп с различными химическими сдвигами или различными сдвигами Найта . В MASS образец вращается со скоростью в несколько килогерц вокруг оси, которая образует так называемый магический угол θ _m (который составляет ~54,74°, где 3cos ² θ _m -1 = 0) относительно направления статического магнитного поля B ₀ ; в результате такого вращения образца под магическим углом широкие полосы анизотропии химического сдвига усредняются до соответствующих им средних (изотропных) значений химического сдвига. Правильное выравнивание оси вращения образца как можно ближе к θ _m имеет важное значение для компенсации уширения анизотропии химического сдвига. Существуют различные углы для вращения образца относительно приложенного поля для усреднения электрических квадрупольных взаимодействий и парамагнитных взаимодействий, соответственно ~30,6° и ~70,1°. В аморфных материалах сохраняется остаточное уширение линий, поскольку каждый сегмент находится в немного иной среде, поэтому демонстрирует немного иную частоту ЯМР.

Расширение или расщепление линий дипольными или J-связями с близлежащими ядрами ¹ H обычно устраняется радиочастотными импульсами, приложенными на частоте ¹ H во время обнаружения сигнала. Концепция кросс-поляризации, разработанная Свеном Хартманном и Эрвином Ханом, была использована для передачи намагниченности от протонов к менее чувствительным ядрам MG Gibby, Alex Pines и John S. Waugh . Затем Джейк Шефер и Эд Стейскал продемонстрировали мощное использование кросс-поляризации в условиях MAS (CP-MAS) и развязки протонов, которая в настоящее время обычно применяется для измерения спектров высокого разрешения ядер с низкой распространенностью и низкой чувствительностью, таких как углерод-13, кремний-29 или азот-15, в твердых телах. Значительное дальнейшее усиление сигнала может быть достигнуто путем динамической ядерной поляризации от неспаренных электронов к ядрам, обычно при температурах около 110 К.

Чувствительность

Поскольку интенсивность сигналов ядерного магнитного резонанса и, следовательно, чувствительность метода зависят от силы магнитного поля, этот метод также продвинулся вперед за десятилетия с разработкой более мощных магнитов. Достижения в области аудиовизуальных технологий также улучшили возможности генерации и обработки сигналов новых инструментов.

Как отмечено выше, чувствительность сигналов ядерного магнитного резонанса также зависит от присутствия магнитно-восприимчивого нуклида и, следовательно, либо от естественного содержания таких нуклидов, либо от способности экспериментатора искусственно обогащать изучаемые молекулы такими нуклидами. Наиболее распространенные в природе изотопы водорода и фосфора (например) являются магнитно-восприимчивыми и легко применимыми для спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Напротив, углерод и азот имеют полезные изотопы, но они встречаются только в очень низком естественном содержании.

Другие ограничения чувствительности возникают из-за квантово-механической природы явления. Для квантовых состояний, разделенных энергией, эквивалентной радиочастотам, тепловая энергия из окружающей среды приводит к тому, что заселенности состояний становятся близкими к равным. Поскольку входящее излучение с одинаковой вероятностью может вызвать как стимулированное излучение (переход из верхнего состояния в нижнее), так и поглощение, эффект ЯМР зависит от избытка ядер в нижних состояниях. Несколько факторов могут снизить чувствительность, в том числе:

• Повышение температуры, что выравнивает популяцию состояний Больцмана . Наоборот, низкотемпературный ЯМР иногда может давать лучшие результаты, чем ЯМР при комнатной температуре, при условии, что образец остается жидким.
• Насыщение образца энергией, приложенной на резонансной радиочастоте. Это проявляется как в непрерывном, так и в импульсном ЯМР; в первом случае (непрерывном) это происходит из-за использования слишком большой непрерывной мощности, которая полностью заполняет верхние спиновые уровни; во втором случае (импульсном) каждый импульс (то есть импульс не менее 90°) оставляет образец насыщенным, и должно пройти от четырех до пяти раз больше (продольного) времени релаксации (5 T ₁ ), прежде чем можно будет применить следующий импульс или последовательность импульсов. Для экспериментов с одиночными импульсами можно использовать более короткие РЧ-импульсы, которые наклоняют намагниченность менее чем на 90°, что приводит к потере некоторой интенсивности сигнала, но позволяет сократить задержки повторного цикла . Оптимум там называется углом Эрнста , в честь лауреата Нобелевской премии . Особенно в твердотельном ЯМР или в образцах, содержащих очень мало ядер со спином (алмаз с естественным содержанием углерода-13 в 1% здесь особенно проблематичен), времена продольной релаксации могут находиться в диапазоне часов, тогда как для протонного ЯМР они часто находятся в диапазоне одной секунды.
• Немагнитные эффекты, такие как электрическое квадрупольное взаимодействие спина-1 и спина- ⁠3/2⁠ ядер с их локальным окружением, которые расширяют и ослабляют пики поглощения.14Н, распространенное ядро ​​со спином 1, трудно изучать по этой причине. Высокое разрешение ЯМР вместо этого исследует молекулы, используя более редкие15Низотоп, имеющий спин- ⁠1/2⁠ .

Изотопы

Многие изотопы химических элементов могут быть использованы для ЯМР-анализа. ^[23]

Обычно используемые ядра:

• 1ЧАС, наиболее часто используемый спин- ⁠1/2⁠ ядро ​​в исследованиях ЯМР, изучалось с использованием многих форм ЯМР. Водород очень распространен, особенно в биологических системах. Это ядро, обеспечивающее самый сильный сигнал ЯМР (кроме3ЧАС, который обычно не используется из-за его нестабильности и радиоактивности). Протонный ЯМР имеет узкий диапазон химического сдвига, но дает резкие сигналы в состоянии раствора. Быстрое получение количественных спектров (с пиковыми интегралами в стехиометрических соотношениях) возможно благодаря короткому времени релаксации.1ЧАСЯдро предоставило единственный диагностический сигнал для клинической магнитно-резонансной томографии (МРТ).
• 2ЧАС, ядро ​​со спином 1, обычно используется для обеспечения среды без сигнала в виде дейтерированных растворителей для протонного ЯМР, чтобы избежать помех сигнала от водородсодержащих растворителей при измерении1ЧАСЯМР растворенных веществ. Он также используется для определения поведения липидов в липидных мембранах и других твердых телах или жидких кристаллах, поскольку это относительно невозмущающая метка, которая может выборочно заменять1ЧАС. В качестве альтернативы,2ЧАСможет быть обнаружен в средах, специально маркированных2ЧАСДейтериевый резонанс обычно используется в ЯМР-спектроскопии высокого разрешения для контроля дрейфа напряженности магнитного поля (блокировки) и для контроля однородности внешнего магнитного поля.
• 3Оночень чувствителен к ЯМР. Он существует в очень низкой концентрации в природном гелии и может быть очищен от4Он. Он используется в основном в исследованиях эндоэдральных фуллеренов , где его химическая инертность полезна для выяснения структуры захватывающего фуллерена.
• 11Бболее чувствителен, чем10Би дает более резкие сигналы. Ядерный спин ¹⁰ B равен 3, а ¹¹ B равен ⁠3/2⁠ . Необходимо использовать кварцевые трубки, поскольку боросиликатное стекло мешает измерениям.
• 13С, спин- ⁠1/2⁠ ядро, широко используется, несмотря на его относительную малочисленность в природном углероде (приблизительно 1,1%). Он устойчив к ядерному распаду. Поскольку в природном углероде его процент низкий, получение спектра на образцах, которые не были обогащены13Сзанимает много времени. Часто используется для маркировки соединений в синтетических и метаболических исследованиях. Имеет низкую чувствительность и умеренно широкий диапазон химического сдвига, дает резкие сигналы. Низкий процент делает его полезным, предотвращая спин-спиновые связи и делая спектр менее переполненным. Медленная релаксация ¹³ C, не связанного с водородом, означает, что спектры не интегрируются, если не используется длительное время получения.
• 14Н, спин-1, является ядром средней чувствительности с широким диапазоном химического сдвига. Его большой квадрупольный момент мешает получению спектров высокого разрешения, ограничивая полезность для более мелких молекул и функциональных групп с высокой степенью симметрии, таких как головные группы липидов.
• 15Н, спин- ⁠1/2⁠ , используется относительно часто. Может использоваться для изотопной маркировки соединений. Очень нечувствителен, но дает резкие сигналы. Низкий процент в природном азоте вместе с низкой чувствительностью требует высоких концентраций или дорогостоящего изотопного обогащения.
• 17О, спин- ⁠5/2⁠ , низкая чувствительность и очень низкая естественная распространенность (0,037%), широкий диапазон химического сдвига (до 2000 ppm). Его квадрупольный момент вызывает уширение линии. Используется в метаболических и биохимических исследованиях химического равновесия.
• 19Ф, спин- ⁠1/2⁠ , относительно часто измеряется. Чувствительный, дает резкие сигналы, имеет широкий диапазон химического сдвига.
• 31П, спин- ⁠1/2⁠ , 100% природного фосфора. Средняя чувствительность, широкий диапазон химического сдвига, дает четкие линии. Спектры, как правило, имеют умеренный уровень шума. Используется в биохимических исследованиях и в координационной химии с фосфорсодержащими лигандами.
• 35Кли37Кл, спин- ⁠3/2⁠ , широкий сигнал.35Клзначительно более чувствителен, предпочтительнее37Клнесмотря на его немного более широкий сигнал. Органические хлориды дают очень широкие сигналы. Его использование ограничено неорганическими и ионными хлоридами и очень маленькими органическими молекулами.
• 43Ca, спин- ⁠7/2⁠ , относительно небольшой квадрупольный момент, умеренно чувствительный, очень низкая естественная распространенность. Используется в биохимии для изучения связывания кальция с ДНК, белками и т. д.
• ¹⁹⁵
  Пт
  , используемый при изучении катализаторов и комплексов.

Другие ядра (обычно используемые при изучении их комплексов и химических связей или для обнаружения присутствия элемента):

• 6Ли,7Ли
• ⁹
  Быть
  
• 19Ф
• 21Не
• 23На
• 25Мг
• 27Эл
• 29Си
• 31П
• 33С
• 39К,40К,41К
• 45Сц
• 47Ти,49Ти
• 50В,51В
• 53Кр
• 55Мн
• 57Фе
• 59Ко
• 61Ни
• 63Cu,65Cu
• 67Zn
• 69Га,71Га
• 73Ге
• ⁷⁵
  Как
  
• 77Сэ
• 81Бр
• ⁸⁷
  Руб.
  
• 87Ср
• 95Мо
• ¹⁰⁹
  Аг
  
• ¹¹³
  Кд
  
• ¹¹⁹
  Сн
  
• ¹²⁵
  Те
  
• 127я
• ¹³³
  Сс
  
• ¹³⁵
  Ба
  ,¹³⁷
  Ба
  
• ¹³⁹
  Ла
  
• ¹⁸³
  Вт
  
• ¹⁹⁹
  рт.ст.
  

Приложения

ЯМР широко используется в медицине в форме магнитно-резонансной томографии . ЯМР широко используется в органической химии и в промышленности, в основном, для анализа химических веществ. Этот метод также используется для измерения соотношения воды и жира в пищевых продуктах, контроля потока едких жидкостей в трубах или для изучения молекулярных структур, таких как катализаторы. ^[24]

Лекарство

Медицинская МРТ

Применение ядерного магнитного резонанса, наиболее известное широкой публике, — это магнитно-резонансная томография для медицинской диагностики и магнитно-резонансная микроскопия в исследовательских целях. Однако он также широко используется в биохимических исследованиях, в частности в ЯМР-спектроскопии, такой как ЯМР протонов , ЯМР углерода-13 , ЯМР дейтерия и ЯМР фосфора-31. Биохимическая информация также может быть получена из живой ткани (например, опухолей человеческого мозга ) с помощью техники, известной как магнитно-резонансная спектроскопия in vivo или ЯМР-микроскопия химического сдвига .

Эти спектроскопические исследования возможны, поскольку ядра окружены вращающимися электронами, которые являются заряженными частицами, генерирующими небольшие локальные магнитные поля, которые добавляются или вычитаются из внешнего магнитного поля, и таким образом частично экранируют ядра. Степень экранирования зависит от точной локальной среды. Например, водород, связанный с кислородом, будет экранироваться иначе, чем водород, связанный с атомом углерода. Кроме того, два ядра водорода могут взаимодействовать посредством процесса, известного как спин-спиновая связь , если они находятся на одной молекуле, что разделит линии спектров узнаваемым образом.

ЯМР является одним из двух основных спектроскопических методов, используемых в метаболомике , и применяется для создания метаболических отпечатков биологических жидкостей с целью получения информации о болезненных состояниях или токсических воздействиях.

Химия

Вышеупомянутый химический сдвиг стал разочарованием для физиков, которые надеялись, что резонансная частота каждого вида ядер будет постоянной в заданном магнитном поле. ^[25] Но около 1951 года химик SS Dharmatti первым нашел способ определения структуры многих соединений путем изучения пиков спектров ядерного магнитного резонанса. ^[25] Это может быть очень селективный метод, различающий множество атомов в молекуле или набор молекул очень похожего типа, но которые отличаются только с точки зрения их локального химического окружения. ЯМР-спектроскопия используется для однозначной идентификации известных и новых соединений и, как таковая, обычно требуется научным журналам для подтверждения идентичности синтезированных новых соединений. См. статьи о ЯМР углерода-13 и протонном ЯМР для подробного обсуждения.

Химик может определить идентичность соединения, сравнивая наблюдаемые частоты ядерной прецессии с известными или предсказанными частотами. Дальнейшие структурные данные могут быть выяснены путем наблюдения спин-спиновой связи , процесса, посредством которого частота прецессии ядра может зависеть от ориентации спина химически связанного ядра. Спин-спиновая связь легко наблюдается в ЯМР водорода-1 (¹
ЧАС
 ЯМР), поскольку его естественная распространенность составляет почти 100%.

Поскольку временная шкала ядерного магнитного резонанса довольно медленная по сравнению с другими спектроскопическими методами, изменение температуры эксперимента T ₂ * также может дать информацию о быстрых реакциях, таких как перегруппировка Коупа , или о структурной динамике, такой как переворот кольца в циклогексане . При достаточно низких температурах можно провести различие между аксиальными и экваториальными атомами водорода в циклогексане.

Примером ядерного магнитного резонанса, используемого для определения структуры, является бакминстерфуллерен (часто называемый «бакиболлами», состав C ₆₀ ). Эта ныне известная форма углерода имеет 60 атомов углерода, образующих сферу. Все атомы углерода находятся в одинаковом окружении и поэтому должны видеть одно и то же внутреннее поле H. К сожалению, бакминстерфуллерен не содержит водорода, поэтому13Снеобходимо использовать ядерный магнитный резонанс.13Сспектры требуют более длительного времени получения, поскольку углерод-13 не является распространенным изотопом углерода (в отличие от водорода, где1ЧАСявляется распространенным изотопом). Однако в 1990 году спектр был получен Р. Тейлором и его коллегами в Университете Сассекса и было обнаружено, что он содержит один пик, подтверждающий необычную структуру бакминстерфуллерена. ^[26]

Определение чистоты (масс-спектральный ЯМР)

Хотя ЯМР в основном используется для структурного определения, его также можно использовать для определения чистоты, при условии, что известны структура и молекулярная масса соединения. Этот метод требует использования внутреннего стандарта известной чистоты. Обычно этот стандарт имеет высокую молекулярную массу для облегчения точного взвешивания, но относительно мало протонов, чтобы дать четкий пик для последующей интеграции, например, 1,2,4,5-тетрахлор-3-нитробензол . Точно взвешенные порции стандарта и образца объединяются и анализируются с помощью ЯМР. Выбираются подходящие пики из обоих соединений, и чистота образца определяется с помощью следующего уравнения.

${\displaystyle \mathrm {Purity} ={\frac {w_{\mathrm {std} }\times n[\mathrm {H} ]_{\mathrm {std} }\times MW_{\mathrm {spl} }}{w_{\mathrm {spl} }\times MW_{\mathrm {std} }\times n[\mathrm {H} ]_{\mathrm {spl} }}}\times P}$

Где:

• w _std : вес внутреннего стандарта
• w _spl : вес образца
• n [H] _std : интегрированная площадь пика, выбранного для сравнения в стандарте, скорректированная с учетом числа протонов в этой функциональной группе
• n [H] _spl : интегрированная площадь пика, выбранного для сравнения в образце, скорректированная с учетом числа протонов в этой функциональной группе
• MW _std : молекулярная масса стандарта
• MW _spl : молекулярная масса образца
• P : чистота внутреннего стандарта

Неразрушающий контроль

Ядерный магнитный резонанс чрезвычайно полезен для неразрушающего анализа образцов. Радиочастотные магнитные поля легко проникают во многие типы материи и во все, что не обладает высокой проводимостью или не является по своей природе ферромагнитным . Например, различные дорогостоящие биологические образцы, такие как нуклеиновые кислоты , включая РНК и ДНК , или белки , можно изучать с помощью ядерного магнитного резонанса в течение недель или месяцев, прежде чем использовать разрушительные биохимические эксперименты. Это также делает ядерный магнитный резонанс хорошим выбором для анализа опасных образцов. ^{[ необходима цитата ]}

Сегментарные и молекулярные движения

Помимо предоставления статической информации о молекулах путем определения их трехмерных структур, одним из замечательных преимуществ ЯМР перед рентгеновской кристаллографией является то, что его можно использовать для получения важной динамической информации. Это связано с ориентационной зависимостью вкладов химического сдвига, дипольной связи или электрической квадрупольной связи в мгновенную частоту ЯМР в анизотропной молекулярной среде. ^[27] Когда молекула или сегмент, содержащий наблюдаемое ЯМР ядро, изменяет свою ориентацию относительно внешнего поля, частота ЯМР изменяется, что может привести к изменениям в одномерных или двумерных спектрах или во временах релаксации в зависимости от времени корреляции и амплитуды движения.

Сбор данных в нефтяной промышленности

Другое применение ядерного магнитного резонанса — сбор данных в нефтяной промышленности для разведки и добычи нефти и природного газа . Первоначальные исследования в этой области начались в 1950-х годах, однако первые коммерческие приборы были выпущены только в начале 1990-х годов. ^[28] Скважина бурится в скальных и осадочных слоях, в которые опускается оборудование для ядерного магнитного резонанса. Ядерно-магнитный резонансный анализ этих скважин используется для измерения пористости породы, оценки проницаемости по распределению размеров пор и идентификации поровых жидкостей (воды, нефти и газа). Эти приборы, как правило, представляют собой ЯМР -спектрометры с низким полем .

ЯМР-каротаж, подкатегория электромагнитного каротажа, измеряет индуцированный магнитный момент ядер водорода (протонов), содержащихся в заполненном жидкостью поровом пространстве пористых сред (коллекторных пород). В отличие от обычных измерений каротажа (например, акустических, плотностных, нейтронных и удельного сопротивления), которые реагируют как на матрицу породы, так и на свойства жидкости и сильно зависят от минералогии, измерения ЯМР-каротаж реагируют на присутствие водорода. Поскольку атомы водорода в основном встречаются в поровых жидкостях, ЯМР эффективно реагирует на объем, состав, вязкость и распределение этих жидкостей, например, нефти, газа или воды. ЯМР-каротаж предоставляет информацию о количестве присутствующих жидкостей, свойствах этих жидкостей и размерах пор, содержащих эти жидкости. Из этой информации можно сделать вывод или оценить:

• Объем (пористость) и распределение (проницаемость) порового пространства горной породы
• Рок-композиция
• Тип и количество жидких углеводородов
• Добыча углеводородов

Базовым измерением керна и каротажа является затухание T ₂ , представленное как распределение амплитуд T ₂ в зависимости от времени на каждой глубине образца, обычно от 0,3 мс до 3 с. Затухание T ₂ далее обрабатывается для получения общего объема пор (общей пористости) и объемов пор в различных диапазонах T ₂ . Наиболее распространенными объемами являются связанная жидкость и свободная жидкость. Оценка проницаемости выполняется с использованием преобразования, такого как преобразования проницаемости Тимура-Коутса или SDR. При запуске каротажа с различными параметрами сбора данных возможны прямая типизация углеводородов и улучшенная диффузия.

Датчики потока для ЯМР-спектроскопии

Приложения ЯМР в реальном времени в жидких средах были разработаны с использованием специально разработанных проточных зондов (сборок проточных ячеек), которые могут заменить стандартные трубчатые зонды. Это позволило использовать методы, которые могут включать использование высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) или других устройств для непрерывного ввода образца. ^[29] Эти проточные зонды использовались в различных онлайн-процессах мониторинга, таких как химические реакции, ^[30] деградация загрязняющих веществ в окружающей среде. ^[31]

Управление процессом

ЯМР теперь вышел на арену управления процессами в реальном времени и оптимизации процессов на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах. Два различных типа ЯМР-анализа используются для обеспечения анализа сырья и продуктов в реальном времени с целью управления и оптимизации работы установок. Спектрометры ЯМР во временной области (TD-NMR), работающие в низком поле (2–20 МГц для1ЧАС) дают данные о свободном затухании индукции , которые можно использовать для определения абсолютных значений содержания водорода , реологической информации и состава компонентов. Эти спектрометры используются в горнодобывающей промышленности , производстве полимеров , косметике и пищевых продуктах, а также в анализе угля . Высокоразрешающие спектрометры FT-NMR, работающие в диапазоне 60 МГц с экранированными постоянными магнитными системами, дают высокое разрешение1ЧАССпектры ЯМР нефтеперерабатывающих и нефтехимических потоков. Изменение, наблюдаемое в этих спектрах при изменении физических и химических свойств, моделируется с использованием хемометрики для получения прогнозов на неизвестных образцах. Результаты прогнозирования передаются в системы управления через аналоговые или цифровые выходы спектрометра.

ЯМР-поле Земли

В магнитном поле Земли частоты ЯМР находятся в диапазоне звуковых частот или в очень низких и сверхнизких диапазонах частот радиочастотного спектра. ЯМР поля Земли (EFNMR) обычно стимулируется путем приложения к образцу относительно сильного импульса постоянного магнитного поля и, после окончания импульса, анализа результирующего низкочастотного переменного магнитного поля, которое возникает в магнитном поле Земли из-за распада свободной индукции (FID). Эти эффекты используются в некоторых типах магнитометров , спектрометрах EFNMR и томографах МРТ. Их недорогая портативная природа делает эти приборы ценными для использования в полевых условиях и для обучения принципам ЯМР и МРТ.

Важной особенностью спектрометрии EFNMR по сравнению с высокопольным ЯМР является то, что некоторые аспекты молекулярной структуры можно наблюдать более четко в низких полях и на низких частотах, тогда как другие аспекты, наблюдаемые в высоких полях, не наблюдаются в низких полях. Это происходит потому, что:

• Электронно-опосредованные гетероядерные J -связи ( спин-спиновые связи ) не зависят от поля, создавая кластеры из двух или более частот, разделенных несколькими Гц, которые легче наблюдать в фундаментальном резонансе около 2 кГц. «Действительно, кажется, что улучшенное разрешение возможно из-за длительного времени релаксации спина и высокой однородности поля, которые преобладают в EFNMR». ^[32]
• Химические сдвиги в несколько ppm четко разделяются в спектрах ЯМР с высоким полем, но имеют разделения всего в несколько миллигерц на частотах протонного ЭФЯМР, поэтому обычно не разрешаются.

ЯМР в нулевом поле

В ЯМР с нулевым полем все магнитные поля экранируются таким образом, что достигаются магнитные поля ниже 1 нТл ( нанотесла ), а частоты ядерной прецессии всех ядер близки к нулю и неразличимы. При таких обстоятельствах наблюдаемые спектры больше не диктуются химическими сдвигами, а в первую очередь взаимодействиями J -связей, которые не зависят от внешнего магнитного поля. Поскольку индуктивные схемы обнаружения нечувствительны на очень низких частотах, порядка J -связей (обычно от 0 до 1000 Гц), используются альтернативные схемы обнаружения. В частности, чувствительные магнитометры оказываются хорошими детекторами для ЯМР с нулевым полем. Среда с нулевым магнитным полем не обеспечивает никакой поляризации, поэтому именно сочетание ЯМР с нулевым полем и схем гиперполяризации делает ЯМР с нулевым полем желательным.

Квантовые вычисления

Квантовые вычисления ЯМР используют спиновые состояния ядер внутри молекул в качестве кубитов . ЯМР отличается от других реализаций квантовых компьютеров тем, что использует ансамбль систем; в данном случае — молекул.

Магнитометры

Различные магнитометры используют эффекты ЯМР для измерения магнитных полей, включая магнитометры прецессии протонов (PPM) (также известные как протонные магнитометры ) и магнитометры Оверхаузера .

СНМР

Поверхностный магнитный резонанс (или магнитно-резонансное зондирование) основан на принципе ядерного магнитного резонанса (ЯМР), и измерения могут быть использованы для косвенной оценки содержания воды в насыщенных и ненасыщенных зонах в недрах Земли. ^[33] ЯМР используется для оценки свойств водоносного горизонта, включая количество воды, содержащейся в водоносном горизонте , пористость и гидравлическую проводимость .

Производители оборудования ЯМР

Основными производителями ЯМР-приборов являются Thermo Fisher Scientific , Magritek , Oxford Instruments , Bruker , Spinlock SRL , General Electric , JEOL , Kimble Chase , Philips , Siemens AG и бывшая Agilent Technologies (которая приобрела Varian, Inc. ).

Смотрите также

• Настольный ЯМР-спектрометр
• Уравнение Лармора (не путать с формулой Лармора ).
• Спектральный анализ методом наименьших квадратов
• Жидкий азот
• ЯМР-кристаллография
• База данных спектров ЯМР
• Ядерный магнитный резонанс в пористых средах
• Ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР)
• Динамика белков
• цикл Раби
• Релаксометрия
• Спин-эхо
• Задание на основе структуры

Ссылки

1. Hoult, DI; Bhakar, B. (1997). "Прием сигнала ЯМР: Виртуальные фотоны и когерентное спонтанное излучение". Концепции магнитного резонанса . 9 (5): 277–297. doi : 10.1002/(SICI)1099-0534(1997)9:5<277::AID-CMR1>3.0.CO;2-W .
2. Куинн, Кейтлин М.; Ван, Минчжан; Поленова, Татьяна (2018). «ЯМР макромолекулярных сборок и машин на частоте 1 ГГц и выше: новые возможности трансформации для молекулярной структурной биологии». ЯМР белков . Методы в молекулярной биологии. Т. 1688. С. 1–35. doi :10.1007/978-1-4939-7386-6_1. ISBN 978-1-4939-7385-9. PMC  6217836 . PMID  29151202.
3. Раби, II; Захариас, JR; Миллман, С. и Куш, П. (1938). «Новый метод измерения ядерного магнитного момента». Physical Review . 53 (4): 318–327. Bibcode :1938PhRv...53..318R. doi : 10.1103/PhysRev.53.318 .
4. "Нобелевская премия по физике 1944 года". NobelPrize.org .
5. Филлер, Аарон (2009). «История, развитие и влияние компьютерной визуализации в неврологической диагностике и нейрохирургии: КТ, МРТ и DTI». Nature Precedings . doi : 10.1038/npre.2009.3267.4 .
6. "Нобелевская премия по физике 1952 года". NobelPrize.org .
7. Ли, В. Дэвид; Дражен, Джеффри; Шарп, Филлип А.; Лангер, Роберт С. (2014). От рентгеновских лучей до ДНК: как инженерия управляет биологией . MIT Press. С. 161–162. ISBN 978-0-262-01977-4.
8. Банвелл, Колин Н.; Маккэш, Элейн М. (1994). "Глава 7 Спектроскопия спинового резонанса". Основы молекулярной спектроскопии (4-е изд.). McGraw-Hill. стр. 214–242. ISBN 0-07-707976-0.
9. Гигерих, Петра (1 сентября 2022 г.). «Меньше риска, меньше затрат: портативные спектроскопические устройства вскоре могут стать реальностью». phys.org (пресс-релиз). Universitaet Mainz.
10. C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloe, Квантовая механика , т. 1, Wiley VCH, 1977.
11. Р. П. Фейнман, Р. Б. Лейтон, М. Сэндс, Фейнмановские лекции по физике , том 3.
12. А. Абрагам, Принципы ядерного магнетизма , Гл. 2, Oxford Clarendon Press, 1961.
13. Принцип экранирования и деэкранирования Архивировано 26 сентября 2011 г. на Wayback Machine . NMRCentral.com (август 2011 г.)
14. Квантовый автомат и квантовые вычисления Архивировано 17 января 2010 г. на Wayback Machine (см. также ссылки там)
15. Вандерсипен, Ливен МК; Штеффен, Маттиас; Брейта, Грегори; Яннони, Костантино С.; Шервуд, Марк Х.; Чуан, Айзек Л. (2001). «Экспериментальная реализация квантового алгоритма факторизации Шора с использованием ядерного магнитного резонанса». Nature . 414 (6866): 883–887. arXiv : quant-ph/0112176 . Bibcode :2001Natur.414..883V. doi :10.1038/414883a. PMID  11780055. S2CID  4400832.
16. Брайан М. Тиссью (1996). «Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР)». Технический университет Брауншвейга.
17. "Объявлено о 2-й ежегодной конференции по практическим применениям ЯМР в промышленности (PANIC)". Process NMR. 2014. Архивировано из оригинала 17 мая 2017 г. Получено 30 марта 2017 г.
18. Дерек Лоу (22 октября 2010 г.). «Новейшие технологии».
19. Далитц, Франц; Кудай, Маркус; Майвальд, Михаэль; Гутхаузен, Гизела (январь 2012 г.). «Мониторинг процессов и реакций с помощью спектроскопии ЯМР в слабом поле». Прогресс в области спектроскопии ядерного магнитного резонанса . 60 : 52–70. doi :10.1016/j.pnmrs.2011.11.003. PMID  22293399.
20. Рёго Кубо; Казухиса Томита (1954). «Общая теория магнитно-резонансного поглощения». Журнал Физического общества Японии . 9 (6): 888–919. Bibcode : 1954JPSJ....9..888K. doi : 10.1143/JPSJ.9.888.
21. «Ядерно-магнитно-резонансная Фурье-спектроскопия» Нобелевская лекция Эрнста. (Включает упоминание о предложении Джинера.)
22. Baianu, IC "Двумерные преобразования Фурье". 2D-FT NMR и MRI . PlanetMath. Архивировано из оригинала 8 марта 2009 года . Получено 22 февраля 2009 года .
23. Многоядерный ЯМР
24. "Глава девятнадцать Немедицинское применение ЯМР и МРТ". Магнитный резонанс (11-е изд.). Июнь 2017 г. Получено 18 декабря 2017 г.
25. Freeman, Ray; Robert, JB (1991). Robert, JB (ред.). "Краткая история ЯМР высокого разрешения". ЯМР в очень сильном поле . Берлин, Гейдельберг: Springer: 1–16. doi :10.1007/978-3-642-48814-6_1. ISBN 978-3-642-48814-6.
26. Тейлор, Р.; Харе, Дж. П.; Абдул-Сада, АК и Крото, Х. В. (1990). «Выделение, разделение и характеристика фуллеренов С ₆₀ и С ₇₀ : третья форма углерода». Журнал химического общества, Химические коммуникации . 20 (20): 1423–1425. doi :10.1039/c39900001423.
27. К. Шмидт-Рор, Х. В. Шписс, Многомерный твердотельный ЯМР и полимеры, Гл. 2, Academic Press, 1994.
28. Клейнберг, Роберт Л.; Джексон, Джаспер А. (1 января 2001 г.). «Введение в историю ЯМР-каротажа скважин». Концепции магнитного резонанса . 13 (6): 340–342. doi : 10.1002/cmr.1018 . ISSN  1099-0534.
29. Haner, RL & Keifer, PA (2009). "Проточные зонды для ЯМР-спектроскопии". Энциклопедия магнитного резонанса . doi :10.1002/9780470034590.emrstm1085. ISBN 978-0470034590.
30. Foley, DA; Bez, E.; Codina, A.; Colson, KL; Fey, M.; Krull, R.; Piroli, D.; Zell, MT & Marquez, BL (2014). "ЯМР-проточная трубка для онлайн-мониторинга ЯМР-реакций". Аналитическая химия . Т. 86. С. 12008–12013. doi :10.1021/ac502300q. PMID  25375410.
31. Wu, B.; Majumdar, RD; Lysak, DH; Biswas, RG; Tabatabaei-Anaraki, M.; Jenne, A.; You, X.; Soong, R.; Lane, D.; Helm, PA; Codina, A.; Decker, V.; Simpson, MJ & Simpson, AJ (2021). «На пути к кинетическому мониторингу очистки сточных вод в реальном времени: исследование случая обработки неконцентрированных сточных вод солнечным светом и озоном с использованием проточного ЯМР». Chemical Engineering Journal . Vol. 405. p. 126696. doi :10.1016/j.cej.2020.126696. S2CID  224971456.
32. Robinson JN; et al. (2006). "Двумерная ЯМР-спектроскопия в магнитном поле Земли" (PDF) . Журнал магнитного резонанса . 182 (2): 343–347. Bibcode :2006JMagR.182..343R. doi :10.1016/j.jmr.2006.06.027. PMID  16860581.
33. Легченко, Анатолий (2013). Магнитно-резонансная томография грунтовых вод . John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-64947-3.^{[ нужна страница ]}

Дальнейшее чтение

• А. Абрагам (1961). Принципы ядерного магнетизма . Clarendon Press. ISBN 9780198520146.
• JW Akitt; BE Mann (2000). ЯМР и химия . Челтнем, Великобритания: Stanley Thornes. стр. 273, 287. ISBN 978-0-7487-4344-5.
• KVR Чари, Гирджеш Говил (2008) ЯМР в биологических системах: от молекул до человека. Springer. ISBN 978-1-4020-6680-1 . 
• GM Clore ; AM Gronenborn (1991). "Структуры более крупных белков в растворе: трех- и четырехмерная гетероядерная ЯМР-спектроскопия". Science . 252 (5011): 1390–1399. Bibcode :1991Sci...252.1390M. doi :10.1126/science.2047852. OSTI  83376. PMID  2047852.
• Джон Эмсли ; Джеймс Фини; Лесли Говард Сатклифф (1965). Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения . Pergamon. ISBN 9781483184081.
• Фейнмановские лекции по физике, том II, гл. 35: Парамагнетизм и магнитный резонанс
• Дэвид М. Грант; Робин Кингсли Харрис (2002). «Достижения в области ЯМР». Энциклопедия ядерного магнитного резонанса . John Wiley. ISBN 9780471490821.
• RL Haner; PA Keifer (2009). "Проточные зонды для ЯМР-спектроскопии". Энциклопедия магнитного резонанса . John Wiley. doi :10.1002/9780470034590.emrstm1085. ISBN 978-0470034590.
• JP Hornak. "Основы ЯМР" . Получено 23 февраля 2009 г.
• J. Keeler (2005). Понимание ЯМР-спектроскопии . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-01786-9.
• Gary E. Martin ; AS Zektzer (1988). Двумерные методы ЯМР для установления молекулярной связности. Нью-Йорк: Wiley-VCH . стр. 59. ISBN 978-0-471-18707-3.
• JAPople ; WGSchneider ; HJBernstein (1959). Ядерный магнитный резонанс высокого разрешения . McGraw-Hill Book Company.
• Джон Д. Робертс (1959). Ядерный магнитный резонанс: применение в органической химии. McGraw-Hill Book Company. ISBN 9781258811662.
• Чарльз П. Слихтер (1963). Принципы магнитного резонанса: с примерами из физики твердого тела . Harper & Row. ISBN 9783540084761.
• JM Tyszka; SE Fraser; RE Jacobs (2005). «Магнитно-резонансная микроскопия: последние достижения и приложения». Current Opinion in Biotechnology . 16 (1): 93–99. doi :10.1016/j.copbio.2004.11.004. PMID  15722021.
• Курт Вютрих (1986). ЯМР белков и нуклеиновых кислот . Нью-Йорк (NY), США: Wiley-Interscience . ISBN 978-0-471-11917-3.

Внешние ссылки

Учебник

• Учебник по ЯМР/МРТ
• Библиотека ЯМР Концепции ЯМР
• Заметки к курсу ЯМР
• Загружаемые упражнения ЯМР в виде файлов PowerPoint (английский/немецкий) и PDF (только немецкий)

Анимации и симуляции

• Бесплатная интерактивная симуляция принципов ЯМР
• Интерактивное моделирование на сфере Блоха

Видео

• введение в ЯМР и МРТ
• Ричард Эрнст, Нидерланды – разработчик методов многомерного ЯМР. Бесплатное видео предоставлено Vega Science Trust.
• Видео «Интервью с Куртом Вютрихом» от Vega Science Trust (Вютрих был удостоен Нобелевской премии по химии в 2002 году «за разработку спектроскопии ядерного магнитного резонанса для определения трехмерной структуры биологических макромолекул в растворе»).
• Лауреат Нобелевской премии - Документальный фильм о Рихарде Р. Эрнсте Лукаса Шварценбахера и Сюзанны Шмид (на швейцарском немецком языке с английскими субтитрами)

Другой

• Qian, C.; Pines, A.; Martin, RW (сентябрь 2007 г.). «Вращение под магическим углом». Журнал магнитного резонанса . 188 (1): 183–189. Bibcode : 2007JMagR.188..183Q. doi : 10.1016/j.jmr.2007.06.006. PMID  17638585.
• В центре внимания ядерный магнитный резонанс: вечная техника