лаборатория / Lab_04 / ЯМР_Описание_рус

P6.5.3.1

Атомная и Ядерная Физика

Ядерная Физика

Ядерный Магнитный Резонанс

Ядерный магнитный резонанс в полистероле, глицерине и тефлоне.

Цели

Исследование Ядерного Магнитного Резонанса (ЯМР) на протонах, в жидких и твердых образцах.

Определение ширины резонансной линии.

Определение g-фактора

Принципы

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) был обнаружен Блохом и Парселлом в 1945. ЯМР-спектроскопия – в настоящее время важный стандартный метод в химии и биологии. В медицине он получил название Отображающий Магнитный Резонанс, как способ отображения клинического диагноза, дополнительного к рентгеновским и ультразвуковым методам. Этот эксперимент демонстрирует основное явление ЯМР в жидких и твердых образцах и дает первоначальные сведения о применении спектроскопии в химии и биологии.

ЯМР основан на магнитных свойствах ядер. Атомы с ядрами, которые обладают ядерным спином I, имеют магнитный момент μ_n согласно соотношению:

μ = –g·μ_n·I (1)

μ_n – ядерный магнетон, g – фактор

Ядерные магнитные моменты μ могут ориентировать только в определённых направлениях относительно постоянного магнитного поля B₀. Каждая ориентация вращения соответствует специфическому уровню энергий, который дается выражением:

Ek = –g·μ_n·B₀·k, k = –I; –I+1; …; +I (2)

Когда образец помещен в постоянное магнитное поле B₀, ядерные спины распределены по уровням энергий согласно уравнению Больцмана:

, k_b – постоянная Больцмана, N_k – номер спина на уровне k

Спины могут быть возбуждены для прыжка на смежный энергетический уровень, если образец помещён в магнитное поле B₁ высокой частоты ν, которое является перпендикулярным к постоянному полю B₀. Поэтому частота ν должна точно соответствовать интервалу энергии, совпадающему с энергией перехода с одного энергетического уровня на другой. Это называется резонансом (∆k = 1):

h·ν = E_k+1 – E_k = –g·μ_n·B₀, h – постоянная Планка

В этом эксперименте ЯМР сигналы наблюдаются на водородных ядрах (протонах) и ядрах фтора. Оба ядра имеют спин I = ½, и таким образом согласно уравнению (2) они имеют только две возможных ориентации относительно постоянного магнитного поля B₀ (рис.1). Чтобы обнаружить переходы спинов между этими двумя энергетическими уровнями, образец помещен в катушку переменного поля, которая расположена между катушками постоянного магнитного поля B₀. Таким образом в этой установке резонансный сигнал наблюдается в зависимости от магнитного поля. Каждый раз, когда выполняется условие резонанса, т.е. спин поглощает квант переменного электромагнитного поля равный энергии перехода он перескакивает на соседний более высокий энергетический уровень.

Например, ядра водорода имеют резонансную частоту приблизительно равную 42,5 МГц. Точное значение зависит от химической окружающей среды водородного атома, поскольку в дополнение к внешнему магнитному полю B₀ имеются внутренние поля соседних электронов в атоме и других окружающих ядер. Это называется химическим сдвигом и делает ЯМР к важным спектрометрическим методом исследования строения вещества в химии и биологии.

Ширина линии ЯМР, линии резонанса, подвержена влияниям природы окружающих элементов и температуры. Анализ ширины линии как функции этих факторов выдает всестороннюю информацию относительно химических и физических характеристик различных типовых компонентов. Полуширина максимума (рис.1) позволяет определять время релаксации T₂:

∆B ~ ∆ν ~ T₂^–1

Рис.1: Энергия перехода ядра со спином ½ в магнитном поле B₀. Одна линия наблюдается в ЯМР-спектре по которой определяется полуширина максимума.

Установка

- Установить две катушки на U-образном сердечнике.

- Двигать катушки модуляции по основаниям полюсов, и установить ЯМР-пробу равномерно на U-образном сердечнике.

- Соединить две катушки последовательно с источником постоянного тока согласно рис.2.

- Соединить катушки модуляции последовательно с выходом “MODULATION” источника ЯМР сигнала.

- Соединить выход 2 со входом “PROBE” ЯМР источника.

- Соединить выход “NMR SIGNAL” с каналом вертикального отклонения осциллографа и вход “∆B SIGNAL” c каналом горизонтального отклонения осциллографа.

Рис. 2: Электрическая установка ЯМР-эксперимента, схематично.

Оборудование

1 Блок управления ЯМР....................................................514 606

1 Источник питания ЯМР.................................................514 602

1 U-образный сердечник с хомутом.................................562 11

2 Катушки, 10 A, 480 витков….........................................562 131

1 Источник постоянного тока 0 ... 16 V, 0 ... 5 A.............521 545

1 Аналоговый осциллограф НМ 303…............................575211

2 Соединительные кабели, 1 м...........................................501 02

Или

1 Датчик CASSY USB…………….....................................524010USB

1 CASSY Lab........................................................................524 200

2 Экранированный кабель BNC/4мм.................................575 24

1 Соединитель Безопасности, 50 см красный...................500 621

1 Соединитель Безопасности, 100 см красный.................500 641

1 Соединитель Безопасности, 100 см синий.....................500 642

Дополнительно рекомендуемый:

1 Универсальный Измерительный Прибор Физика.........531 835

1 Датчик магнитного поля..................................................5240381

1 Удлинитель с 15 полюсами…………………………….501 11

Выполнение эксперимента

a) ЯМР на жидких и твердых образцах с протонами

- Установить осциллограф в xy-моду

- Выбрать fast sweep, и установить амплитуду модуляции на самый большой предел

- Установить регулятор частоты на максимальную величину

- Медленно увеличивайте амплитуду, пока не загорится красный огонёк, а частота не станет приблизительно равной 19 МГц

- Уменьшить частоту до величины приблизительно 18,5 МГц

- Аккуратно поместите трубочку с глицерином (8 протонов) так, чтобы образец был расположен приблизительно в центре измеряющей палаты

Замечание: если трубочку с глицерином вставлять под углом со слишком большой силой, то катушка переменного поля может быть повреждена.

- Медленно увеличьте ток через 10 амперную катушку до появления ЯМР-сигнала на экране осциллографа

- Оптимизировать ЯМР-сигнал, медленно изменяя амплитуду

- Переместить ЯМР-сигнал к центру экрана осциллографа, изменяя магнитный поток или частоту, не забывайте регулировать амплитуду модуляции

- Регулировать фазу сигнала, пока амплитуда сигнала вверх и вниз не совпадает

Замечание: Если Вы хотите делать запись сигналов, соедините аппарат с датчиком CASSY.

- Повторить эксперимент для образцов из полистирола и тефлона

b) ЯМР твердых образазцов с ядрами фтора

- Повторить эксперимент части a) для образца тефлона (PTFE).

- Определить цену деления на экране осциллографа в горизонтальном отклонении в единицах частоты

- Измерить ширину резонансной линии на половине высоты максимума – определить полуширину резонанса.

c) Применение ЯМР в химии (ЯМР-спектроскопия)

В качестве введения по применению ЯМР-спектроскопии в химии исследуется ЯМР-сигнал от ручного крема. Крем для рук естественно содержит большое количество глицерина и в зависимости от типа крема также воду.

Спин водородных ядер молекул глицерина может быть обнаружен по сравнению с образцом глицерина из части эксперимента a) и затем сравнить с сигналом от ручного крема.

- Приготовить часть соломки длиной приблизительно 50 мм и заполнить её кремом для рук на высоту приблизительно 10 мм к 15 мм).

- Очистить соломку, убедившись, что крем не загрязнит измерительной палаты.

- Поместить соломку так, чтобы образец крема был расположен приблизительно в центре измерительной палаты.

- Оптимизируйте ЯМР-сигнал и сравните его с сигналом для образца глицерина согласно части эксперименту a).

- Тщательно удалите образец глицерина из измерительной палаты.

- Можно исследовать ЯМР-сигнал в зависимости от количества образца.

d) Применение ЯМР в Биологии (спектроскопия)

В качестве введения по применению спектроскопии в биологии исследуется ЯМР-сигнал яблока или растения. Плоды подобные яблокам естественно содержат воду. Тот же самое касается растений.

Спины водородных ядер водной молекулы могут быть обнаружены по сравнению образцом глицерина согласно части эксперимента a). ЯМР-сигнал глицерина сравнивается с ЯМР-сигналом яблока или растения.

- Приготовить часть соломки длиной приблизительно 50 мм и заполнить её плотью плода на высоту приблизительно 10 мм к 15 мм).

- Поместить соломку так, чтобы никакие части яблока не попали в измерительную палату, а образец был расположен приблизительно в центре измерительной палаты.

- Оптимизируйте ЯМР-сигнал и сравните его с сигналом для образца глицерина согласно части эксперименту a).

- Тщательно удалите образец из измерительной палаты.

- Можно исследовать ЯМР-сигнал в зависимости от количества образца.

- Точно так же ЯМР-сигнал протонов наблюдаться в стебле растений.

e) Определение g-фактора (требуется тесламетр)

- Настроить ЯМР-сигнал согласно части эксперимента a) для образца глицерина при частоте приблизительно равной 18 МГц, и измерить частоту.

- Аккуратно удалите образец из измерительной палаты, и измерьте тангенциальную составляющую магнитного поля с помощью тесламетра в измерительной палате.

- Настроить ЯМР-сигнал для водного образца при более низких и более высоких частотах, изменяя ток через катушки постоянного поля, и измерить частоту и магнитное поле потока.

- Повторить эксперимент для образца тефлона (PTFE).

Пример измерения

a) ЯМР на жидких и твердых образцах с протонами

Рис.4. Глицерин, ν = 18,25 МГц, I = 3,6 A.

Рис.5. Полистирол, ν = 18,25 МГц, I = 3,6 A.

Рис.6. Тефлон, ν = 17,17 МГц, I = 3,6 A.

b) ЯМР твердого образца с ядрами фтора

Единица осциллографа ∆ в единицах частоты:

∆ = ν₁ – ν₂ = 18,2921 МГц – 18,2763 МГц = 7,9 кГц

который дает полуширину в единицах частоты: ∆ ν = 6 кГц

c) Применение в химии (ЯМР-спектроскопия)

Форма и положение сигнала - приблизительно то же самое что для образца глицерина, показанного на рис.4. Интенсивность зависит от количества водородных ядер в исследованном образце.

d) Применение в Биологии (спектроскопия)

Форма и положение сигнала - приблизительно то же самое что для водного образца. Интенсивность зависит от количества водородных ядер в исследованном образце.

e) Определение g-фактора

Таблица 1: Резонансная частота ν и магнитное поле B₀ для образца глицерина. Величина магнитного поля B₀ была измерена теслометром в измерительной палате.

Таблица 2: Резонансная частота ν и магнитное поле B₀ для образца тефлона. Величина магнитного поля B₀ была измерена теслометром в измерительной палате.

Оценка и результаты

a) NMR на жидких и твердых образцах с протонами

Если образец содержит водородные ядра, NMR сигнал может наблюдаться(соблюдаться). Образец может быть жидкость или твердый (порошковый) образец. Однако, из-за структуры образца существенное различие в ширине линии наблюдается(соблюдается) для NMR на Водородных ядрах, e. G. Образец глицерина (жидкость) имеет меньшую ширину линии, сравненную с (твердым) образцом пенопласта.

b) NMR твердых образец с ядрами фтора

Ширина линии в половине максимума линии резонанса фтора может быть определена к

??? 6 КГЦ. Ширина линии главным образом определена однородностью магнитной области(поля) B0, который имеет заказ(порядок) 3 кГц (? 80? T).

c) Заявление(применение) по Химии (NMR Spectroscopy)

От факта, в что NMR сигнал для глицерина и ручных сливок появляется относительно той же самой частоты резонанса и магнитной области(поля), оказывается(доказывает), что NMR может использоваться, чтобы исследовать химические элементы. Продвинутым NMR spectroscopy использует это, чтобы определить номер(число) и тип химических групп молекул.

d) Заявление(применение) в Биологии (Spectroscopy)

В зависимости от свежести образца яблока (много водородных ядер) интенсивный сигнал может наблюдаться(соблюдаться). Это показывает, что NMR может применяться также к в vitro образцах. Этот факт позволяет современным NMR-МЕТОДАМ получать изображения(образы) от органа(тела) и таким образом стал важным диагностическим методом, дополнительным к рентгену и ultra-sonics.

e) Определение(намерение) g-фактора (Teslameter требуемый)

Согласно условию(состоянию) резонанса (уравнение (IV)) g-фактор глицерина и polytetrafluorethylene (PTFE)

Может быть оценен, определяя наклон? /B0 от заговора(участка) частоты резонанса как функция магнитной области(поля) (рис. 7).

Ценность для Водорода: gH = 5.8

Литература: 5.5857

Ценность для фтора: gF = 5.6

Литература: 5.2567

Рис. 7: частота Резонанса глицерина (серого) и PTFE (черный) как функция магнитной области(поля) B0, чтобы определить g-фактор.

Дополнительная информация

Ядерное вращение e. G. Из протона может ориентироваться способом из двух путей относительно магнитной области(поля). Степень, к которой ориентация (государство(состояние) энергии) одобрена по, , другой зависит на основании маленького ядерного магнита (пропорциональный gyromagnetic отношению = 2?? G?? N/h) и сила магнитной области(поля) B0.

Практически, довольно огромный номер(число) (приближающийся к номеру(числу) Авогадро) ядер находится в образце, который помещен в магнитную область(поле). Распределение ядер в различных государствах энергии (то есть ориентация ядерных вращений) при условиях(состояниях), в которых ядерная система вращения является невозмутимой заявлением(применением) любой rf энергии, может быть оценено при помощи Boltzmann уравнения (III). В температурах комнаты(места) различие между более низким и верхний уровень для протонов (население государств вращения) в От B0 до 1 T - только приблизительно 10-6! Без этого маленького номера(числа) избытка ядер в более низком государстве(состоянии) энергии, NMR сигнал не мог быть обнаружен.

По этой причине современные заявления(применения) NMR spectroscopy используют более высокие области(поля) B0 и согласно условию(состоянию) резонанса (уравнение (IV)) более высокие частоты. Это позволяет решать различные линии резонанса в NMR спектре, которые являются из-за различных ядер образца. Далее сигнал измерен в области времени сложным(искушенным) pulsed NMR методы. NMR-СПЕКТР получен (Fast-Fourier-Transformation (FFT). Таким образом NMR spectroscopy стал важным инструментом в многих областях (e. G. Нефть, косметика и фармацевтические отрасли промышленности) для определения(намерения) молекулярных структур и анализа содержания образца (e. G. В контроле(управлении) качества). Для 3D-NMR отображение методов как используется в медицинских заявлениях(применениях) в дополнение к pulsed NMR методы полевой градиент необходим отличить NMR сигнал вращений от различных местоположений в пределах образца.