35

Глава 7. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ямр) Протонный магнитный резонанс.

Спирихин Л.В. Лобов А.Н.

Метод ЯМР изучает поглощение электромагнитной энергии веществом в необычных условиях формирования спектра: в отличие от оптических молекулярных спектров спектр ЯМР получается при поглощении радиочастотного облучения веществом, находящимся в очень сильном однородном магнитном поле.

Ядра некоторых атомов, подобно электронам, имеют спин. Наличие спина у этих заряженных частиц, связанного с циркуляцией атомного заряда вокруг оси ядра, создает магнитный момент вдоль оси спина, так что эти ядра действуют как крошечные магниты. Одним из таких ядер является протон, ядро обычного атома водорода ¹H.

В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты или спины ядер не имеют определенной ориентации. Если магнитные ядра со спином ¹₂ поместить в магнитное поле, то часть ядерных спинов расположится параллельно магнитным силовым линиям, другая часть  антипараллельно. Эти две ориентации энергетически уже не эквивалентны и говорят, что спины распределены на двух энергетических уровнях. Количество энергии, необходимое для этого «поворота», зависит от напряженности внешнего поля: чем сильнее поле, тем больше тенденция сохранить ориентацию по полю и тем более высокая частота излучения требуется для осуществления «поворота».

Спины с ориентацией магнитного момента по полю  ¹₂ обозначают символом , с ориентацией антипараллельно полю  ¹₂ - символом . Распределение спинов между энергетическими состояниями подчиняется закону Больцмана, согласно которому число спинов N_ в состоянии , т.е. число спинов на верхнем энергетическом уровне, деленное на число спинов N_ в состоянии , равно е - е ^{- } , где  - разность энергий между этими состояниями.

Переход спина с одного энергетического уровня на другой уровень равнозначен изменению направления, т.е. переориентации спина. При этом будет поглощаться или выделяться энергия в виде электромагнитного излучения. Однако, следует заметить, что самопроизвольные переходы не происходят. Для того, чтобы происходили переходы спинов, необходимо на систему спинов, находящуюся в постоянном магнитном поле Н₀ , воздействовать переменным электромагнитным полем с частотой , квант которого h был бы равен разности энергии между двумя состояниями спинов, E = h. При этом будут происходить переходы спинов как с верхнего на нижний, так и с нижнего на верхний уровни. Это состояние называется резонансом. Явление резонанса наступает при выполнении условия

  ¹_2 _N  _0, (7.1)

где _ - константа пропорциональности, называемая гиромагнитным отношением

Вероятности обоих этих переходов равны. Однако, поскольку число спинов на нижнем уровне превышает число спинов на верхнем уровне, то число переходов с нижнего уровня на верхний больше числа обратных переходов и происходит поглощение энергии переменного радиочастотного поля. Этот процесс поглощения регистрируется аппаратурой спектрометра и называется ядерным магнитным резонансом.

При комнатной температуре различие в заселенности уровней незначительно, примерно на каждый 10⁶ спинов, находящихся на верхнем уровне, избыток на нижнем уровне составляет примерно 6 спинов. С понижением температуры этот избыток возрастает, что следует из распределения Больцмана

_  _  е ^{- }. (7.2)

В результате этого чувствительность метода при 150⁰ С, например, составляет примерно ¹₂ чувствительности при 40⁰ С, а при -100⁰ С почти вдвое превышает ее.

Таким образом, при наложении постоянного магнитного поля на систему спинов, помещенную в зонд магнита т.е. в постоянное магнитное поле, происходит распределение спинов по энергетическим уровням, а наложение осциллирующего магнитного поля, магнитный вектор которого перпендикулярен направлению постоянного поля, вызывает с равной вероятностью переходы из состояния  в  и из  и . Поскольку число переходов из  в  больше числа обратных переходов, то в принципе по истечении некоторого времени различие в заселенности уровней должно выравниваться и сигнал исчезнуть. Это явление называется насыщением. Однако, явление насыщения наступает лишь в определенных условиях.

Для избежания явления насыщения необходимо в системе спинов, подвергающейся действию постоянного магнитного поля Н₀ и перпендикулярного электромагнитного переменного поля Н₁, постоянно поддерживать различие в заселенности уровней. Это достигается в результате взаимодействия спинов с решеткой, так называемой спин-решеточной релаксацией. Время, в течение которого после наложения на систему спинов магнитного поля устанавливается тепловое равновесие спинов, называется временем спин решеточной релаксацией. Т₁. В результате спин-решеточной релаксации некоторая часть избыточной энергии спинов передается решетке и затем рассеивается в виде тепла.

Рис. 1. ЯМР-спектр.

В принципе можно поместить вещество в магнитное поле постоянной напряженности и затем наблюдать спектр так же, как инфракрасный или ультрафиолетовый, пропуская через вещество излучение постепенно меняющейся частоты и отмечая частоту, при которой происходит поглощение. При какой-то напряженности магнитного поля энергия, необходимая для «поворота» протона, соответствует энергии излучения, происходит поглощение и наблюдается сигнал. Такой спектр называется спектром протонного магнитного резонанса (ПМР), а в общем случае – спектром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) (рис. 1).

Если бы все было так просто, как описано, то все протоны органической молекулы поглощали бы при одной и той же напряженности поля и спектр состоял бы из одного сигнала, который давал бы мало сведений о строении молекулы. Но частота, при которой поглощает протон, зависит от магнитного поля, которое он «чувствует», и эта напряженность эффективного магнитного поля (H') не совсем такая же, как напряженность приложенного магнитного поля (Н₀). Напряженность эффективного магнитного поля для каждого протона зависит от его окружения, в частности от электронной плотности около протона и наличия других соседних протонов (эффект экранирования). Окружение каждого протона – или, точнее, каждой группы эквивалентных протонов – будет несколько отличаться от окружения любой другой группы протонов, и, следовательно, напряженность приложенного поля для создания такого же эффективного поля (т. е. напряженности, при которой происходит поглощение) будет несколько отличной:

H' = k Н₀ , (7.3)

где k – константа экранирования.

При данной радиочастоте все протоны поглощают при одинаковой напряженности. эффективного магнитного поля, но при различной напряженности приложенного поля. Именно эту напряженность приложенного поля измеряют, и относительно нее откладывают поглощение.

В результате получается спектр, имеющий ряд пиков. Относительное положение этих пиков поглощения, отражающее различное окружение протонов, может дать очень подробную информацию о строении молекулы. В частности, число сигналов – свидетельствует о том, сколько различных типов протонов имеется в молекуле; положение сигналов – дает информацию об электронном окружении протонов каждого типа; интенсивность сигналов – указывает на число протонов каждого типа; расщепление сигналов на несколько пиков – дает информацию об окружении протона другими соседними протонами.

Необходимо отметить, что различия напряженностей в разных местах органических молекул невелико: для протонов, как правило, – не более одной тысячной доли процента. Поэтому для определения структуры молекул необходимо использовать спектры ЯМР высокого разрешения, которые могут быть получены на приборах с высокой степенью однородности магнитного поля. При этом высокое разрешение может быть достигнуто лишь в условиях, обеспечивающих малую собственную ширину сигналов, зависящую от скорости релаксационных процессов. В твердых телах и вязких жидкостях времена релаксации малы, вследствие чего сигналы ЯМР слишком широки для наблюдения структурных эффектов, и такие вещества с целью получения спектров высокого разрешения растворяют в маловязких жидкостях.