Глава 5

ТЕХНИКА РЕГИСТРАЦИИ СПЕКТРОВ ЯМР

§ 1. Современный спектрометр ямр

В основе конструкции любого, спектрометра лежит осуществление условий ядерного магнитного резонанса (гл. 1):

v₀=#tf₀,

что требует двух систем: генератора высокой частоты v₀ и магни­та, создающего поляризующее поле Я₀. Как правило, спектромет­ры конструируют на основе магнита с фиксированным значением максимальной напряженности поля #₀. Переход от спектров ЯМР одного ядра с гиромагнитной постоянной у* к спектрам другого ядра с постоянной yj осуществляется путем переключения диапа­зона генерируемых частот.

1. Принцип генерации ВЧ-поля. Стационарный метод и импульсная Фурье-спектроскопия

Важнейший принцип, лежащий в основе классификации спектро­метров ЯМР, состоит в способе генерирования высокой частоты. В связи с этим различают спектрометры стационарного (или неп­рерывного) типа с непрерывной генерацией высокой частоты и импульсные спектрометры с импульсной генерацией высокой частоты. В импульсных спектрометрах используется Фурьенпреоб- разование, поэтому спектрометры указанного типа называют им­пульсными Фурье-спектрометрами.

Блок-схема спектрометра непрерывного типа. Блок-схема спектрометра ЯМР непрерывного типа приводилась ранее (гл. 1, § 4; рис. 1.11), и в целом она не претерпела принципиальных из­менений. В- современных спектрометрах используются высокоста­бильные генераторы частоты и синтезаторы частоты, позволя­ющие получить любые стабильные частоты в некотором диапазо­не частот.

При регистрации спектра частота vo изменяется в резонансной области SW, ограниченной некоторыми начальным и конечным значениями v_n и vk. Развертка частоты проводится либо с по­

мощью непосредственного изменения несущей частоты ВЧ-лоля vo, либо путем изменения частоты модуляции. В стационарном методе -спектры, как правило, регистрируют в условиях медлен­ного прохождения (гл. 1, § 5). Для этого время прохождения 7_С

Генератора

/ ^л '

Рис. 5.1. Система N генераторов и N приемников, позволяющая осуществить одновременную генерацию и прием сигналов ЯМР во всем диапазоне частот

через сигнал, имеющий ширину Avw2, должно быть больше эффек­тивного времени поперечной релаксации Т₂= (пА\ц2)~¹,<Т_с.

Рнс. 5.2. Импульс высокочастотных колебаний с частотой v₀ длительности i_p эквивалентен генерации диапазона частот от Vo—\}t_v до Vo+l//p. Увеличение длительности импульса приво­дит к -монохроматизации облучения

стема вряд ли осуществима -практически. Импульсные методики (предлагают другой способ генерации частоты.

Короткий импульс высокой частоты с длительностью t_v воз­буждает не только несущую частоту v₀, но и целый диапазон ча- .стот от vo—1 jt_p до vo+1 /t_v (рис. 5.2) (если длительность импуль­са велика, то мы приходим к стационарному варианту генера­ции). Например, для того чтобы облучить диапазон частот в 1 ООО Гц, достаточно использовать им-пульс с длительностью около 1 мс. Предполагается, что во время действия ВЧ-импульса -при­емная система блокируется и включается только после действия импульса. Достаточно широкополосный приемник будет шрини-

Импульсная Фурье-спектроскопия. Трудности, возникающие при реализации условий медленного прохождения в стационарном методе, отчасти устраняются в импульсной Фурье-опектроскопии. Для того чтобы рассмотреть принцип этого метода, представим себе следующий способ записи спектра ЯМР- Разобьем весь диа­пазон частот iia'JV дискретных частот v_b V2, ..., vn с соответству­ющими генераторами частоты. N генераторам будет соответ­

ствовать N приемников, настроенных на частоты v_b V2, vn- С помощью подобной системы можно было бы осуществить сле­дующий эксперимент: одновременно возбуждаются все генерато­ры и одновременно регистрируются сигналы ЯМР по каждому из N каналов (рис. 5.1). Огибающая напряжений на всех каналах будет представлять собой спектр ЯМР. К сожалению, такая си-

мать сигналы ядерной индукции, излучаемые спиновой системой на всех резонансных частотах. Из классической модели ЯМР (гл. 1, § 3) известно, что релаксационные процессы приводят к постепенному затуханию сигнала свободной индукции.

Возникает проблема: как принимать такие сигналы? Во-пер­вых, прием их должен осуществляться достаточно оперативно, поскольку через промежуток времени порядка Т₂ сигналы спада

Рис. 5:3. а — интерферограмма, соответствующая сигналу ССИ ¹³С ме­тального углерода ацетона-^; б — обычный спектр ¹³С ацетоиа-^б, полу­ченный после Фурье-преобразования интерферограммы; в спектре содер­жится семь линии

свободной индукции (ССИ) исчезнут. Во-вторых, если возбуж­даются несколько резонансных частот, то суммарный сигнал бу­дет иметь весьма сложный характер, т. е. будет состоять из не­скольких спадающих синусоидальных колебаний типа sin (Av;/) ■е-ч^т\ где Avi = v₀—V; (разность несущей v₀ и резонансной м частот). Такая суперпозиция сигналов свободной индукции назы­вается интерферограммой. На рис. 5.3 приведена интерферограм- • ма сигнала ЯМР ядер ¹³С, представляющая собой наложение, семи затухающих колебаний. Очевидно, что для выделения частот резонансных линий необходимо провести анализ интерферограм­мы.

Поскольку интерферограмма представляет собой временное представление сигнала ЯМР, то необходима процедура, которая позволяет перейти от временного представления к частотному. Та­кая процедура хорошо известна в математике как преобразование Фурье.

Преобразование Фурье можно провести и вручную, но такая перспектива вряд ли кого вдохновит. Именно поэтому . в общем

довольно очевидные идеи импульсного возбуждения с последу­ющим Фурье-анализом сигнала свободной индукции оставались нереализованными до тех пор, пока в середине 60-х гг. не появи­лись быстродействующие мини-компьютеры (около 10⁶ операций в секунду), обладающие достаточной памятью (4—8 К, т. е. 4096 или 8192 слова). Весьма важным оказалось то, что для та­ких ЭВМ удалось разработать программы для быстрого Фурье- преобразования. По существу на ЭВМ-были возложены обе функ­ции: запоминания сигнала свободной индукции и его последу­ющего Фурье-преобразования с получением спектра в обычном частотном представлении. Серийные спектрометры ЯМР с им­пульсной Фурье-техникой появились в конце 60-х гг., а в настоя­щее время этот метод приобретает лидирующее значение.

2. Приемник

Приемник ЯМР сигналов представляет собой устройство, пред­назначенное для усиления, детектирования и фильтрации сигна­лов ЯМР. Приемник обычно включает приемную катушку, усили­тели высокочастотного напряжения, фазовый детектор. Приемная катушка вместе с измерительной ампулой размещается непосред-

Поле н,

v

Рис. 5.4. Амплитудная модуляция высокочастотных колебаний.

В частотном представлении модуляция с частотой v_m эквива­лентна появлению боковых полос с частотами v₀±v_m

ственно в магнитном поле. Возникающая в приемной катушке

э. д. с. ядерной намагниченности (гл. 1, § 4) представляет собой колебания с частотой v_; и амплитудой порядка нескольких микро­вольт, которые усиливаются до уровня нескольких вольт. Детек­тор по высокой частоте позволяет выделить фазовые компоненты сигнала ЯМР.

Часто используемый метод приема сигналов ЯМР основыва­ется на модуляционной технике. В одном из вариантов этого ме­тода высокая частота vo, подаваемая на приемную катушку, моду­лируется по амплитуде низкой частоты v_m (рис. 5.4). Можно пока­зать, что облучение спиновой системы таким амллитудно-модули-

рованным толем эквивалентно облучению сразу тремя частотами: •Vo—v_m, vo и vo+Vm (считая, что глубина модуляции мала). Следо­вательно, при изменении магнитного /поля Н условия для резо­нанса будут выполняться три раза.

Частоты Резонансные поля v₀ v_m Я₀-|-ДЯ

V₀ я₀

v₀ + v_m Я₀ —ДЯ

Здесь ДЯ — дополнительное поле, равное v_m/ft. Сигнал при Я —Я₀ называют центральной полосой, а сигналы при Я₀+АЯ н

У/д/Г*

■ I I

⁴ '

Нижняя боковая по­лоса

L I |.

\

V '

Верхняя боковая по - лоса

Центральная полоса

Рис. 5.5. Боковые полосы в спектре с полевой разверткой. Частота модуляции v_m подбирается так, чтобы три спек­тра не перекрывались между собой

Я₀—ДЯ называют высокопольной и низкопольноп боковыми по­лосами соответственно (рис. 5.5). Модуляционный метод исполь­зуется в системах развертки. Кроме того, этот метод позволяет решить проблему нулевой базисной линии, что весьма важно для интегрирования сигналов ЯМР.

3. Магниты для спехтрометроз ЯМР высокого разрешения

Магниты для ЯМР спектрометров высокого разрешения должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Обеспечивать достаточно высокую напряженность магнит­ного поля Я₀. Как правило, напряженности поля Я₀ спектромет­ров ЯМР лежат в диапазоне 1—7 Т, что соответствует резонан­сной частоте протонов в диапазоне 40—300 МГц.

2. Магнит должен иметь зазор, достаточный для размещения там образца—ампулы с веществом. Стандартная ампула пред­ставляет собой цилиндр диаметром 5—20 мм; необходимость раз­мещения в том же зазоре датчика заставляет использовать магни­ты с зазором 20—40 мм.

3. Магнитное поле должно быть достаточно однородным в той части ампулы, которая находится в резонансной катушке (факти­чески эта область представляет собой цилиндр высотой 10 мм и диаметром 5 мм).

4. Магнитное поле должно быть достаточно стабильным во времени. Запись спектра ЯМР длится достаточно долго (до не­скольких часов в режиме накопления), поэтому важно, чтобы маг­нитное поле в образце заметно не изменилось в течение этого времени.

Все эти требования чрезвычайно осложняют конструирование магнитов для ЯМР спектрометров. Неудивительно, что «львиную долю» стоимости современного спектрометра (до 70%) составля­ет стоимость магнита и относящихся к нему систем (питание, ста­билизация и т. д.).

В спектроскопии ЯМР нашли применение магниты трех типов:

«постоянные магниты, электромагниты и сверхпроводящие соленоп- tf

ДЫ.

Однородность магнитного поля. Имеется несколько специаль­ных приемов, позволяющих улучшить однородность магнитного ■коля для каждого из трех указанных типов магнитов. В частно­сти, чтобы избежать краевых эффектов, используют относительно большие диаметры полюсных наконечников (для обычных магни­тов) и достаточно длинные соленоиды (для сверхпроводящих магнитов). Важное значение имеет также терморегуляция: посто­янство температуры магнита (для обычных магнитов), сложная' система дьюаров (для сверхпроводящих соленоидов).

Практически важными оказались два способа увеличения од­нородности: 1) вращение образца вокруг продольной оси, 2) ис­правление пространственной функции поля Н (х, у, z) с помощью специальных дополнительных магнитных полей, создаваемых электрическими катушками. Эти катушки получили название шим- .мирующих катушек или просто шцмм (от англ. shims — «про­кладки», поскольку эти катушки, как правило, накладываются и виде тонкого слоя на полюсные наконечники или на боковые по­верхности датчика).

Простой п эффективный способ улучшения однородности с •помощью вращения ампулы с образцом был впервые предло­жен Блохом.

Вращение ампулы со скоростью 20—30 об/с эффективно усред­няет градиенты поля вдоль осей, перпендикулярных к оси враще­ния, что приводит к резкому сужению спектральной линии. Вра­щение может сопровождаться появлением дополнительных сигна­лов по обеим сторонам основного (так называемые боковые от

вращения). В самом деле, из-за неоднородности магнитное поле в любой точке образца будет представлять собой периодическую, функцию времени с периодом 2я/а>_Вр. Подобная модуляция поля должна вызвать появление около основного сигнала серии экви­дистантно расположенных боковых сигналов. Амплитуда первых боковых, расположенных на частотах (t>o+(o_Bp и а>₀—w_BP, пропор­циональна величине градиента поля АН.

Шиммы, представляющие собой круговые, прямоугольные (или более сложной формы) витки со слабыми токами, силу которых можно изменять, располагаются в окрестности образца. Система шимм включает множество таких витков, которые настраиваются в определенной последовательности..