Ядерный магнитный резонанс

Спектрометр ядерного магнитного резонанса (ЯМР) Bruker 700 МГц.

Ядерный магнитный резонанс ( ЯМР ) - это физическое явление, при котором ядра в сильном постоянном магнитном поле возмущаются слабым колеблющимся магнитным полем (в ближнем поле ^[1] ) и реагируют, создавая электромагнитный сигнал с частотной характеристикой магнитного поля. поле в ядре. Этот процесс происходит около резонанса , когда частота колебаний совпадает с собственной частотой ядер, которая зависит от силы статического магнитного поля, химической среды и магнитных свойств изотопа ; в практических приложениях со статическими магнитными полями до прибл. 20 тесла , частота аналогична телевизионным передачам в диапазонах УКВ и УВЧ (60–1000 МГц). ЯМР является результатом определенных магнитных свойств определенных атомных ядер. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса широко используется для определения структуры органических молекул в растворах 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).

Все изотопы, которые содержат нечетное число протонов и / или нейтронов (см. Изотоп ), имеют собственный ядерный магнитный момент и угловой момент , другими словами, ненулевой ядерный спин , в то время как все нуклиды с четными номерами обоих имеют общий спин, равный нулю. Наиболее часто используемые ядра:¹
ЧАС
и ¹³
C
, хотя изотопы многих других элементов можно изучать и с помощью высокопольной ЯМР-спектроскопии.

Ключевой особенностью ЯМР является то, что резонансная частота конкретного вещества образца обычно прямо пропорциональна силе приложенного магнитного поля. Именно эта функция используется в методах визуализации; если образец помещен в неоднородное магнитное поле, то резонансные частоты ядер образца зависят от того, где в поле они расположены. Поскольку разрешение метода визуализации зависит от величины градиента магнитного поля , прилагаются большие усилия для получения увеличенной напряженности градиентного поля.

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 колеблющимся магнитным полем, обычно называемое 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 катушке обнаружения прецессией ядерных спинов вокруг B ₀ . После радиочастотного импульса обычно происходит прецессия с собственной ларморовской частотой ядра и сама по себе не включает переходы 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 на общую намагниченность ( M ) ядерных спинов анализируются в ЯМР-спектроскопии и магнитно-резонансной томографии . Оба используют приложенные магнитные поля ( B ₀ ) большой силы, часто создаваемые большими токами в сверхпроводящих катушках , для достижения дисперсии частот отклика и очень высокой однородности и стабильности для обеспечения спектрального разрешения , подробности которого описаны. по химическим сдвигам , то эффект Зеемана, и сдвиги Найта (в металлах). Информация, предоставляемая ЯМР, также может быть увеличена с помощью гиперполяризации и / или с использованием методов двумерных, трехмерных и многомерных измерений.

Явления ЯМР также используются в ЯМР слабого поля , ЯМР-спектроскопии и МРТ в магнитном поле Земли (называемом ЯМР поля Земли ) и в некоторых типах магнитометров .

История [ править ]

Ядерный магнитный резонанс был впервые описан и измерен в молекулярных пучках Исидором Раби в 1938 году ^[2] путем расширения эксперимента Штерна – Герлаха , а в 1944 году Раби был удостоен Нобелевской премии по физике за эту работу. ^[3] В 1946 году Феликс Блох и Эдвард Миллс Перселл расширили технику для использования с жидкостями и твердыми телами, за что они разделили Нобелевскую премию по физике в 1952 году. ^{[4] [5]}

Евгений Завойский, вероятно, наблюдал ядерный магнитный резонанс в 1941 году, задолго до Феликса Блоха и Эдварда Миллса Перселла, но отклонил результаты как невоспроизводимые. ^{[ необходима цитата ]}

Рассел Х. Вариан зарегистрировал «Метод и средства для корреляции ядерных свойств атомов и магнитных полей», патент США 2561 490 от 24 июля 1951 года. В 1952 году компания Varian Associates разработала первый ЯМР-блок под названием ЯМР HR-30 ^[6].

Перселл работал над развитием радиолокации во время Второй мировой войны в Массачусетском технологическом институте «s Радиационной лаборатории . Его работа во время этого проекта по производству и обнаружению радиочастотной энергии и по поглощению такой радиочастотной мощности материей заложила основу для его открытия ЯМР в массивной материи.

Раби, Блох и Перселл наблюдали, что магнитные ядра, такие как 1ЧАС и 31 годп, мог поглощать РЧ-энергию, когда помещался в магнитное поле и когда РЧ-энергия имела частоту, специфичную для идентичности ядер. Когда происходит это поглощение, ядро ​​описывается как находящееся в резонансе . Различные атомные ядра в молекуле резонируют на разных (радио-) частотах при одинаковой напряженности магнитного поля. Наблюдение таких частот магнитного резонанса ядер, присутствующих в молекуле, позволяет любому обученному пользователю обнаружить важную химическую и структурную информацию о молекуле.

Развитие ЯМР как метода аналитической химии и биохимии идет параллельно с развитием электромагнитной технологии и передовой электроники и их внедрением в гражданское использование.

Теория ядерного магнитного резонанса [ править ]

Ядерное вращение и магниты [ править ]

Все нуклоны, то есть нейтроны и протоны , составляющие любое атомное ядро , обладают внутренним квантовым свойством спина , собственным угловым моментом, аналогичным классическому угловому моменту вращающейся сферы. Общий спин ядра определяется числом спинового квантового S . Если количество и протонов, и нейтронов в данном нуклиде четное, тогда S = 0 , то есть нет общего спина. Затем, как электроны объединяются в пары на невырожденных атомных орбиталях , так и четное число протонов или четное число нейтронов (оба из которых также являются спиновыми 1 2 {\ textstyle {\ frac {1} {2}}} частицами и, следовательно,фермионы ), что дает нулевой общий спин.

Однако, протон и нейтрон ^{[ править ]} будет иметь меньшую энергию , когда их спины параллельны, а не анти-параллельно. Это параллельное выравнивание спинов различимых частиц не нарушает принцип исключения Паули . Понижение энергии для параллельных спинов связано с кварковой структурой этих двух нуклонов. ^{[ необходимая цитата ]} В результате основное состояние спина для дейтрона (ядро дейтерия , изотоп ² H водорода), которое 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 полным нулевым спином для пары нейтрон-спин), а также протон со спином1/2. Следовательно, значение полного ядерного спина трития снова равно1/2, как и в случае с более простым изотопом водорода, ядром ¹ H ( протон ). Частота поглощения ЯМР для трития также аналогична частоте поглощения ¹ Н. Во многих других случаях нерадиоактивных ядер общий спин также отличен от нуля. Например,27AlЯдро имеет общий спин значение S = ⁵ / ₂ .

Ненулевой спин всегда связан с ненулевым магнитным дипольным моментом , посредством соотношения${\ displaystyle {\ vec {S}}}$${\ displaystyle {\ vec {\ mu}}}$

${\displaystyle {\vec {\mu }}=\gamma {\vec {S}}}$

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 которой увеличивается пропорционально частоте вращения. Именно магнитный момент и его взаимодействие с магнитными полями позволяет наблюдать сигнал ЯМР, связанный с переходами между уровнями ядерного спина во время резонансного радиочастотного 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 проявляют сигнала ЯМР. Например,18О является примером нуклида, который не дает сигнала ЯМР, тогда как 13C, 31 годп, 35 годCl и 37Clявляются нуклидами, которые демонстрируют спектры ЯМР. Последние два ядра имеют спин S > 1/2 и поэтому являются квадрупольными ядрами.

Электронный спиновой резонанс (ЭПР) - это родственная технология, в которой обнаруживаются переходы между электронными, а не ядерными спиновыми уровнями. Основные принципы схожи, но инструментарий, анализ данных и подробная теория существенно различаются. 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, ESR имеет гораздо более высокий сигнал на спин, чем ЯМР.

Значения спинового углового момента [ править ]

Ядерный спин - это квантованный собственный угловой момент . Это означает, что величина этого углового момента квантуется (т.е. S может принимать только ограниченный диапазон значений), а также что x, y и z-компоненты углового момента квантуются, ограничиваясь целым числом или половиной. -целые кратные ħ . Целочисленное или полуцелое квантовое число, связанное со спиновой составляющей вдоль оси z или приложенным магнитным полем, известно как магнитное квантовое число , m , и может принимать значения от + S до -S с целыми шагами. Следовательно, для любого данного ядра существует всего 2 S+1 состояния с угловым моментом.

Следовательно, z -компонента вектора углового момента ( ) равна S _z = mħ , где ħ - приведенная постоянная Планка . Компонента z магнитного момента просто:${\displaystyle {\vec {S}}}$

${\displaystyle \mu _{z}=\gamma S_{z}=\gamma m\hbar .}$

Энергия спина в магнитном поле [ править ]

Рассмотрим ядра с половинным спином, например 1ЧАС, 13C или же 19F. Каждое ядро ​​имеет два линейно независимых спиновых состояния с m =1/2или m = -1/2(также называемые состояниями спина со спином вверх и вниз, или иногда с состояниями спина α и β соответственно) для z-компоненты спина. В отсутствие магнитного поля эти состояния вырождены; то есть у них одинаковая энергия. Следовательно, количество ядер в этих двух состояниях будет практически одинаковым при тепловом равновесии .

Однако если ядро ​​поместить в магнитное поле, 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:

${\displaystyle E=-\mu _{\mathrm {z} }B_{0}\ ,}$

или альтернативно:

${\displaystyle E=-\gamma m\hbar B_{0}\ .}$

В результате различные состояния спина ядра имеют разные энергии в ненулевом магнитном поле. Менее формальным языком мы можем говорить о двух спиновых состояниях спина1/2как выровненные либо с магнитным полем, либо против него. Если γ положительный (верно для большинства изотопов, используемых в ЯМР), то m =1/2 это более низкое энергетическое состояние.

Разница в энергии между двумя состояниями составляет:

${\displaystyle \Delta {E}=\gamma \hbar B_{0}\ ,}$

и это приводит к небольшому смещению населения в пользу более низкого энергетического состояния в тепловом равновесии. Если больше спинов направлено вверх, чем вниз, получается результирующая намагниченность спинов вдоль магнитного поля B ₀ .

Прецессия спиновой намагниченности [ править ]

Центральным понятием в ЯМР является прецессия спиновой намагниченности вокруг магнитного поля в ядре с угловой частотой

${\displaystyle \omega =-\gamma B}$

где относится к частоте колебаний, а B - величина поля. ^[7] Это означает, что намагниченность спина, которая пропорциональна сумме векторов спинов ядер в магнитно-эквивалентных узлах ( математическое ожидание вектора спина в квантовой механике), перемещается по конусу вокруг поля B. Это аналогично прецессионному движению оси наклоненного волчка вокруг гравитационного поля. В квантовой механике - это частота Бора ^[7] значений и математического ожидания. Прецессия неравновесной намагниченности в приложенном магнитном поле B ₀${\displaystyle \omega =2\pi \nu }$${\displaystyle \nu }$${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle \Delta {E}/\hbar }$${\displaystyle S_{x}}$${\displaystyle S_{y}}$ происходит с ларморовской частотой

${\displaystyle \omega _{L}=2\pi \nu _{L}=-\gamma B_{0}}$,

без изменения населенностей уровней энергии, поскольку энергия постоянна (не зависящий от времени гамильтониан). ^[8]

Магнитный резонанс и радиочастотные импульсы [ править ]

Возмущение ориентации ядерных спинов из равновесия будет происходить только при приложении осциллирующего магнитного поля, частота которого ν _rf достаточно близко совпадает с частотой ларморовской прецессии ν _L ядерной намагниченности. Популяции уровней спин-вверх и -вниз энергии затем подвергаются Раби колебания , ^[7] , которые анализируются наиболее легко в терминах прецессии спина намагниченности вокруг эффективного магнитного поля в системе координат , вращающейся с частотой v , _ВЧ . ^[9]Чем сильнее осциллирующее поле, тем быстрее колебания Раби или прецессия вокруг эффективного поля во вращающейся системе отсчета. Через некоторое время порядка 2–1000 микросекунд резонансный РЧ-импульс переворачивает спиновую намагниченность в поперечную плоскость, то есть он составляет угол 90 ^o с постоянным магнитным полем B ₀ (« импульс 90 ^o »), в то время как по прошествии вдвое большего времени начальная намагниченность была инвертирована (« импульс 180 ^o »). Это поперечная намагниченность, генерируемая резонансным осциллирующим полем, которая 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.

Химическая защита [ править ]

Из вышесказанного может показаться, что все ядра одного и того же нуклида (и, следовательно, одного и того же γ ) будут резонировать с точно такой же частотой. Это не тот случай. Наиболее важным возмущением частоты ЯМР для приложений ЯМР является «экранирующий» эффект окружающих оболочек электронов. ^[10] Электроны, подобно ядру, также заряжаются и вращаются со спином, создавая магнитное поле, противоположное приложенному магнитному полю. Как правило, это электронное экранирование уменьшает магнитное поле на ядре.(что определяет частоту ЯМР). В результате частота, необходимая для достижения резонанса, также уменьшается. Этот сдвиг частоты ЯМР из-за связи электронных молекулярных орбиталей с внешним магнитным полем называется химическим сдвигом , и он объясняет, почему ЯМР может исследовать химическую структуру молекул, которая зависит от распределения электронной плотности на соответствующих молекулярных орбиталях. . Если ядро ​​в определенной химической группе в большей степени защищено более высокой электронной плотностью окружающей его молекулярной орбитали, то его частота ЯМР будет смещена «в большую сторону» (то есть, более низкий химический сдвиг), тогда как если она меньше экранированный такой окружающей электронной плотностью, его частота ЯМР будет сдвинута "в слабое поле" (то есть в более высокий химический сдвиг).

Если локальная симметрия таких молекулярных орбиталей не очень высока (приводящая к «изотропному» сдвигу), экранирующий эффект будет зависеть от ориентации молекулы по отношению к внешнему полю ( B ₀ ). В твердотельной ЯМР- спектроскопии вращение под магическим углом требуется для усреднения этой ориентационной зависимости с целью получения значений частоты при средних или изотропных химических сдвигах. В этом нет необходимости в традиционных ЯМР-исследованиях молекул в растворе, поскольку быстрое «вращение молекул» усредняет анизотропию химического сдвига (CSA). В этом случае «средний» химический сдвиг (ACS) или изотропный химический сдвиг часто называют химическим сдвигом.

Расслабление [ править ]

Процесс релаксации населения относится к ядерным спинам, которые возвращаются к термодинамическому равновесию в магните. Этот процесс также называется T 1 , « спин-решеточная » или «продольная магнитная» релаксация, где T ₁ относится к среднему времени, в течение которого отдельное ядро ​​возвращается в свое тепловое равновесное состояние спинов. После релаксации заселенности ядерных спинов ее можно исследовать снова, поскольку она находится в исходном равновесном (смешанном) состоянии.

В прецессирующих ядрах также могут выпадать из выравнивания друг с другом и постепенно прекратить производство сигнала. Это называется Т 2 или поперечной релаксацией . Из-за различий в действующих механизмах релаксации (например, межмолекулярное и внутримолекулярное магнитные диполь-дипольные взаимодействия) T ₁ обычно (за исключением редких случаев) больше, 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 спада свободной индукции (до1/еначальной амплитуды сразу после резонансного ВЧ-импульса) также зависит от неоднородности статического магнитного поля, что весьма существенно. (Существует также меньший, но значительный вклад в наблюдаемое сокращение FID из-за высокочастотной неоднородности резонансного импульса). ^{[ Править ]} В соответствующем ФТ-ЯМР - спектр-означая преобразование Фурье от свободной индукции распада -The Т ₂ * время находится в обратной зависимости от ширины сигнала ЯМР в единицах частоты. Таким образом, ядро ​​с большим временем релаксации Т ₂ дает очень острый пик ЯМР в спектре ЯМР -Фурье для очень однородного ( «хорошо смещенного»)) статическое магнитное поле, тогда как ядра с более короткими значениями T ₂ дают широкие пики FT-ЯМР, даже когда магнит хорошо регулируется. И T _1, и T ₂ зависят от скорости молекулярных движений, а также от гиромагнитных отношений как резонирующих, так и их сильно взаимодействующих ядер, ближайших соседей, которые не находятся в резонансе.

Hahn эхо - распад эксперимент может быть использован для измерения времени расфазировку, как показано на анимации ниже. Размер эхо-сигнала регистрируется для разных интервалов между двумя импульсами. Это выявляет декогеренцию, которая не рефокусируется 180-градусным импульсом. В простых случаях измеряется экспоненциальный спад, который описывается временем T ₂ .

ЯМР-спектроскопия [ править ]

ЯМР-спектроскопия - один из основных методов, используемых для получения физической, химической, электронной и структурной информации о молекулах из-за химического сдвига резонансных частот ядерных спинов в образце. Также полезно расщепление пиков из-за J- или диполярной связи между ядрами. ЯМР-спектроскопия 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 количеству задействованных спинов, интегралы пиков могут использоваться для количественного определения состава.

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 уширения магнитного « диполь-дипольного » взаимодействия (или просто дипольного уширения), которое всегда намного меньше силы квадрупольного взаимодействия, потому что это эффект магнитного взаимодействия вместо электрического.

Дополнительная структурная и химическая информация может быть получена путем проведения экспериментов двухквантового ЯМР для пар спинов или квадрупольных ядер, таких как 2ЧАС. Кроме того, ядерный магнитный резонанс - один из методов, который использовался для разработки квантовых автоматов, а также для создания элементарных квантовых компьютеров . ^{[11] [12]}

Непрерывная (CW) спектроскопия [ править ]

В первые несколько десятилетий развития ядерного магнитного резонанса в спектрометрах использовалась методика, известная как непрерывная (CW) спектроскопия, при которой поперечная спиновая намагниченность, создаваемая слабым колеблющимся магнитным полем, регистрируется как функция частоты колебаний или напряженности статического поля B. ₀ . ^[9] Когда частота колебаний совпадает с частотой ядерного резонанса, поперечная намагниченность максимальна, и в спектре наблюдается пик. Хотя спектры ЯМР могли быть и были получены с использованием фиксированного постоянного магнитного поля и изменения частоты осциллирующего магнитного поля, было удобнее использовать источник фиксированной частоты и изменять ток (и, следовательно, магнитное поле) в электромагните.наблюдать резонансные сигналы поглощения. Это источник противоречивой, но все еще распространенной терминологии «сильное поле» и «слабое поле» для низкочастотной и высокочастотной областей спектра ЯМР, соответственно.

По состоянию на 1996 год приборы непрерывного действия все еще использовались для рутинной работы, потому что 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, охватывая диапазон частот, в то время как другая ортогональная катушка, предназначенная не для приема излучения от передатчика, принимала сигналы от ядер, которые переориентировались в растворе. ^[13] По состоянию на 2014 год, модернизированные низкопроизводительные системы 60 МГц и 90 МГц продавались как приборы FT-NMR, ^{[14] [ необходимы пояснения ],} а в 2010 году «средний рабочий» прибор ЯМР был настроен на 300 МГц. ^{[15] [требуется разъяснение ]}

CW-спектроскопия неэффективна по сравнению с методами анализа Фурье (см. Ниже), поскольку она последовательно исследует отклик ЯМР на отдельных частотах или напряженности поля. Поскольку сигнал ЯМР по своей природе слабый, наблюдаемый спектр страдает плохим отношением сигнал / шум . Это можно смягчить усреднением сигнала, т. Е. Сложением спектров повторных измерений. В то время как сигнал ЯМР одно и то же при каждом сканировании и так добавляет линейно, то случайный шум добавляет более медленно - пропорционально к квадратному корню из числа спектров (см блуждание ). Следовательно, общее отношение сигнал / шум увеличивается как квадратный корень из числа измеренных спектров.

Спектроскопия с преобразованием Фурье [ править ]

Большинство применений ЯМР включают полные спектры ЯМР, то есть интенсивность сигнала ЯМР как функцию частоты. Ранние попытки получить спектр ЯМР более эффективно, чем простые методы непрерывного излучения, включали одновременное освещение цели более чем на одной частоте. Революция в ЯМР произошла, когда стали использоваться короткие радиочастотные импульсы с частотой, сосредоточенной в середине спектра ЯМР. Проще говоря, короткий импульс заданной "несущей" частоты "содержит" диапазон частот, сосредоточенных вокруг несущей частоты , причем диапазон возбуждения ( полоса пропускания ) обратно пропорционален длительности импульса, то есть преобразованию Фурье.короткого импульса содержит вклады всех частот в окрестности основной частоты. ^[16] Ограниченный диапазон частот ЯМР сделал относительно простым использование коротких (1 - 100 микросекунд) радиочастотных импульсов для возбуждения всего спектра ЯМР.

Применение такого импульса к набору ядерных спинов одновременно возбуждает все одноквантовые ЯМР-переходы. С точки зрения вектора суммарной намагниченности, это соответствует отклонению вектора намагниченности от его положения равновесия (выровненного вдоль внешнего магнитного поля). Затем вектор неравновесной намагниченности прецессирует вокруг вектора внешнего магнитного поля на частоте ЯМР спинов. Этот колеблющийся вектор намагничивания индуцирует напряжение в соседней катушке датчика, создавая электрический сигнал, колеблющийся с частотой ЯМР. Этот сигнал известен как затухание свободной индукции (FID), и он содержит сумму ответов ЯМР от всех возбужденных спинов. Чтобы получить спектр ЯМР в частотной области(Интенсивность поглощения ЯМР в зависимости от частоты ЯМР) этот сигнал во временной области (интенсивность в зависимости от времени) должен быть преобразован Фурье . К счастью, развитие ЯМР с преобразованием Фурье (FT) совпало с развитием цифровых компьютеров и цифрового быстрого преобразования Фурье . Методы Фурье применимы ко многим типам спектроскопии. (См. Полную статью о спектроскопии с преобразованием Фурье .)

Ричард Р. Эрнст был одним из пионеров импульсного ЯМР и получил Нобелевскую премию по химии в 1991 году за свою работу по ЯМР с преобразованием Фурье и развитие многомерной ЯМР-спектроскопии.

Многомерная ЯМР-спектроскопия [ править ]

Использование импульсов различной длительности, частоты или формы в специально разработанных шаблонах или последовательностях импульсов.позволяет ЯМР-спектроскописту извлекать множество различных типов информации о молекулах в образце. В многомерной ядерной магнитно-резонансной спектроскопии есть по крайней мере два импульса, и по мере повторения эксперимента время импульсов систематически изменяется, а колебания спиновой системы исследуются точка за точкой во временной области. Многомерное преобразование Фурье многомерного сигнала времени дает многомерный спектр. В двумерном ядерном магнитном резонансе будет один систематически изменяемый период времени в последовательности импульсов, который будет модулировать интенсивность или фазу обнаруженных сигналов. В 3D ЯМР два периода времени будут меняться независимо, а в 4D ЯМР - три. Остающийся «размер» всегда обеспечивается непосредственно обнаруженным сигналом.

Таких экспериментов много. В некоторых случаях фиксированные интервалы времени позволяют (среди прочего) перенос намагниченности между ядрами и, следовательно, обнаружение видов ядерно-ядерных взаимодействий, которые допускают передачу намагниченности. Обнаруживаемые взаимодействия обычно делятся на два типа. Существуют сквозные связи и межпространственные взаимодействия, последнее является следствием диполярного взаимодействия в твердотельном ЯМР и ядерного эффекта Оверхаузера в растворе ЯМР. Для установления расстояний между атомами могут быть использованы эксперименты, подобные разнообразию ядерных экспериментов Оверхаузера, например, методом 2D-FT ЯМР молекул в растворе.

Хотя фундаментальная концепция 2D-FT ЯМР была предложена Джином Джинером из Свободного университета Брюсселя на международной конференции, эта идея была в значительной степени развита Ричардом Эрнстом, который в 1991 году получил Нобелевскую премию по химии за свою работу в области FT ЯМР, включая многократные измерения. -мерный ЯМР Фурье и особенно ЯМР 2D-Фурье малых молекул. ^[17] Многомерные эксперименты с ЯМР Фурье были затем развиты в мощные методологии изучения молекул в растворах, в частности, для определения структуры биополимеров, таких как белки или даже небольшие нуклеиновые кислоты . ^[18]

В 2002 году Курт Вютрих разделил Нобелевскую премию по химии (с Джоном Беннеттом Фенном и Коити Танака ) за его работу с ЯМР белка с Фурье-спектрометрией в растворе.

Твердотельная ЯМР-спектроскопия [ править ]

Этот метод дополняет рентгеновскую кристаллографию тем, что он часто применим к молекулам в аморфном или жидкокристаллическом состоянии, тогда как кристаллография, как следует из названия, выполняется на молекулах в кристаллической фазе. В материалах с электронной проводимостью рыцарский сдвиг резонансной частоты может предоставить информацию о мобильных носителях заряда. Хотя ядерный магнитный резонанс используется для изучения структуры твердых тел, сложные структурные детали на атомном уровне сложнее получить в твердом состоянии. Из-за расширения за счет анизотропии химического сдвига (CSA) и диполярного взаимодействия с другими ядерными спинами без специальных методов, таких как MASили диполярная развязка радиочастотными импульсами, наблюдаемый спектр часто представляет собой только широкую гауссову полосу для неквадрупольных спинов в твердом теле.

Профессор Раймонд Эндрю из Ноттингемского университета в Великобритании первым разработал твердотельный ядерный магнитный резонанс с высоким разрешением . Он был первым, кто сообщил о введении метода MAS (вращение образца под магическим углом; MASS), который позволил ему достичь спектрального разрешения в твердых телах, достаточного для различения химических групп с разными химическими сдвигами или различными сдвигами Найта . В MASS образец вращается с частотой несколько килогерц вокруг оси, которая образует так называемый магический угол θ _m (который составляет ~ 54,74 °, где 3cos ² θ _m -1 = 0) по отношению к направлению 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 необходимо для компенсации уширения анизотропии химического сдвига. Существуют разные углы вращения образца относительно приложенного поля для усреднения электрических квадрупольных и парамагнитных взаимодействий, соответственно ~ 30.6 ° и ~ 70.1 °. В аморфных материалах остаточное уширение линий сохраняется, поскольку каждый сегмент находится в немного разном окружении, поэтому демонстрирует немного другую частоту ЯМР.

Диполярные и J-связи с соседними ядрами ¹ H обычно удаляются с помощью радиочастотных импульсов, прикладываемых с частотой ¹ H во время обнаружения сигнала. Концепция кросс-поляризации, разработанная Свеном Хартманном и Эрвином Ханом, была использована для переноса намагниченности от протонов к менее чувствительным ядрам М. Г. Гибби, Алексом Пайнсом и Джоном С. Во . Затем Джейк Шефер и Эд Стейскал продемонстрировали мощное использование кросс-поляризации в условиях MAS (CP-MAS) и разделения протонов, которое в настоящее время обычно используется для измерения спектров высокого разрешения ядер с низким содержанием и низкой чувствительностью, таких как углеродные. 13, кремний-29 или азот-15 в твердых телах. Значительное дальнейшее усиление сигнала может быть достигнуто за счетдинамическая поляризация ядер от неспаренных электронов к ядрам, обычно при температурах около 110 К.

Чувствительность [ править ]

Поскольку интенсивность сигналов ядерного магнитного резонанса и, следовательно, чувствительность метода зависят от силы магнитного поля, эта технология также развивалась на протяжении десятилетий с разработкой более мощных магнитов. Достижения, достигнутые в аудиовизуальных технологиях, также улучшили возможности генерации сигналов и обработки новых инструментов.

Как отмечалось выше, чувствительность сигналов ядерного магнитного резонанса также зависит от присутствия магниточувствительного нуклида и, следовательно, либо от естественного содержания таких нуклидов, либо от способности экспериментатора искусственно обогащать исследуемые молекулы. с такими нуклидами. Наиболее распространенные изотопы водорода и фосфора, встречающиеся в природе (например), обладают магнитной восприимчивостью и легко используются для спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Напротив, углерод и азот имеют полезные изотопы, но встречаются только в очень низком естественном количестве.

Другие ограничения чувствительности связаны с квантово-механической природой явления. Для квантовых состояний, разделенных энергией, эквивалентной радиочастотам, тепловая энергия из окружающей среды заставляет населенности состояний быть близкими к равным. Поскольку входящее излучение с одинаковой вероятностью вызывает стимулированное излучение (переход из верхнего состояния в нижнее), как и поглощение, эффект ЯМР зависит от избытка ядер в нижних состояниях. Несколько факторов могут снизить чувствительность, в том числе:

• Повышение температуры, которое выравнивает население штатов. И наоборот, низкотемпературный ЯМР иногда может давать лучшие результаты, чем ЯМР при комнатной температуре, если образец остается жидким.
• Насыщение образца энергией резонансной радиочастоты. Это проявляется как в непрерывном, так и в импульсном ЯМР; в первом случае (CW) это происходит из-за использования слишком большой продолжительной мощности, которая полностью поддерживает верхние уровни вращения; во втором случае (импульсный), каждый импульс (то есть по меньшей мере, 90 ° импульса) покидает образец насыщенного, а четыре-пять раз (продольное) время релаксации (5 Т ₁ ) должны пройти до следующего импульса или последовательности импульсов может быть применено. Для экспериментов с одним импульсом могут использоваться более короткие радиочастотные импульсы, которые отклоняют намагниченность менее чем на 90 °, что приводит к потере некоторой интенсивности сигнала, но допускает более короткие задержки повторного цикла . Оптимальный вариант называется углом Эрнста в честь нобелевского лауреата.. Особенно в твердотельном ЯМР или в образцах, содержащих очень мало ядер со спином (алмаз с природным 1% углерода-13 здесь особенно проблематичен), времена продольной релаксации могут составлять несколько часов, в то время как для протонного ЯМР они равны. больше в пределах одной секунды.
• Немагнитные эффекты, такие как электрическая квадрупольная связь спина-1 и спина-1.3/2 ядра с их локальным окружением, которые уширяют и ослабляют пики поглощения. 14N, многочисленное ядро ​​со спином 1, трудно изучать по этой причине. Вместо этого ЯМР высокого разрешения исследует молекулы с помощью более редких15N изотоп, имеющий спин1/2.

Изотопы [ править ]

Многие изотопы химических элементов можно использовать для анализа ЯМР. ^[19]

Обычно используемые ядра:

• 1ЧАС, наиболее часто используемый спин-1/2Ядро в исследовании ЯМР, было изучено с использованием многих форм ЯМР. Водород очень распространен, особенно в биологических системах. Это ядро ​​наиболее чувствительно к сигналу ЯМР (кроме3ЧАСкоторый обычно не используется из-за его нестабильности и радиоактивности). Протонный ЯМР дает узкий химический сдвиг с резкими сигналами. Быстрое получение количественных результатов (пиковые интегралы в стехиометрическом соотношении) возможно благодаря короткому времени релаксации. В1ЧАСsignal было единственным диагностическим ядром, используемым для клинической магнитно-резонансной томографии (МРТ).
• 2ЧАС, ядро ​​со спином 1, обычно используемое в качестве среды без сигнала в виде дейтерированных растворителей во время протонного ЯМР, чтобы избежать помех сигнала от водородсодержащих растворителей при измерении1ЧАСрастворенные вещества. Также используется для определения поведения липидов в липидных мембранах и других твердых или жидких кристаллах, так как это относительно спокойная метка, которая может выборочно заменять1ЧАС. В качестве альтернативы,2ЧАС могут быть обнаружены в средах, специально помеченных 2ЧАС. Дейтериевый резонанс обычно используется в ЯМР-спектроскопии высокого разрешения для контроля дрейфа напряженности магнитного поля (фиксации) и улучшения однородности внешнего магнитного поля.
• 3Он, очень чувствителен к ЯМР. В природном гелии очень низкий процент, поэтому его необходимо очищать от4Он. Он используется в основном в исследованиях эндоэдральных фуллеренов , где его химическая инертность способствует установлению структуры захватывающего фуллерена.
• 11B, более чувствительный, чем 10B, дает более четкие сигналы. Ядерный спин ¹⁰ B равен 3, а спин ¹¹ B равен3/2. Необходимо использовать кварцевые трубки, поскольку боросиликатное стекло мешает измерению.
• 13C вращение-1/2, широко используется, несмотря на относительную нехватку природного углерода (около 1,1%). Он устойчив к ядерному распаду. Поскольку в природном углероде низкий процент, получение спектра на образцах, которые не были экспериментально обогащены13Cзанимает много времени. Часто используется для маркировки соединений в синтетических и метаболических исследованиях. Имеет низкую чувствительность и умеренно широкий диапазон химического сдвига, дает четкие сигналы. Низкий процент делает его полезным, так как предотвращает спин-спиновые связи и делает спектр менее насыщенным. Медленная релаксация означает, что спектры не интегрируются, если не используется длительное время сбора данных.
• 14N, спин-1, ядро ​​средней чувствительности с широким химическим сдвигом. Его большой квадрупольный момент мешает получению спектров высокого разрешения, ограничивая применимость меньших молекул и функциональных групп с высокой степенью симметрии, таких как головные группы липидов.
• 15N, вращение-1/2, относительно часто используется. Может использоваться для маркировки соединений. Ядро очень нечувствительно, но дает резкие сигналы. Низкое содержание природного азота в сочетании с низкой чувствительностью требует высоких концентраций или дорогостоящего изотопного обогащения.
• 17О, вращение-5/2, низкая чувствительность и очень низкое естественное содержание (0,037%), широкий диапазон химических сдвигов (до 2000 ppm). Квадрупольный момент, вызывающий уширение линии. Используется в метаболических и биохимических исследованиях при изучении химического равновесия.
• 19F, вращение-1/2, относительно часто измеряется. Чувствительный, дает четкие сигналы, имеет широкий диапазон химического сдвига.
• 31 годп, вращение-1/2, 100% натуральный фосфор. Средняя чувствительность, широкий диапазон химических сдвигов, дает четкие линии. Спектры обычно имеют умеренное количество шумов. Используется в биохимических исследованиях и в координационной химии, где задействованы фосфорсодержащие лиганды.
• 35 годCl и 37Cl, широкий сигнал. 35 годCl значительно более чувствителен, предпочтительнее 37Clнесмотря на его немного более широкий сигнал. Органические хлориды дают очень широкие сигналы. Его использование ограничено неорганическими и ионными хлоридами и очень маленькими органическими молекулами.
• 43 годCa, используется в биохимии для изучения связывания кальция с ДНК, белками и т. д. Умеренно чувствительный, очень низкое естественное содержание.
• 195Pt, используемый при исследовании катализаторов и комплексов.

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

Приложения [ править ]

ЯМР широко используется в медицине в форме магнитно-резонансной томографии . ЯМР используется в промышленности в основном для рутинного анализа химических веществ. Этот метод также используется, например, для измерения соотношения между водой и жиром в пищевых продуктах, контроля потока агрессивных жидкостей в трубах или для изучения молекулярных структур, таких как катализаторы. ^[20]

Медицина [ править ]

Применение ядерного магнитного резонанса, наиболее известное широкой общественности, - это магнитно-резонансная томография для медицинской диагностики и магнитно-резонансная микроскопия в исследовательских учреждениях. Тем не менее, он также широко используется в биохимических исследованиях, в частности , в ЯМР - спектроскопии , такие как протонного ЯМР , углерод-13 ЯМР , дейтерий ЯМР и фосфор-31 ЯМР. Биохимическая информация также может быть получена из живой ткани (например, опухолей головного мозга человека ) с помощью метода, известного как магнитно-резонансная спектроскопия in vivo или ЯМР-микроскопия с химическим сдвигом .

Эти спектроскопические исследования возможны, потому что ядра окружены вращающимися электронами, которые представляют собой заряженные частицы, которые генерируют небольшие локальные магнитные поля, которые добавляют или уменьшают внешнее магнитное поле и, таким образом, частично экранируют ядра. Степень защиты зависит от конкретной окружающей среды. Например, водород, связанный с кислородом, будет защищен иначе, чем водород, связанный с атомом углерода. Кроме того, два ядра водорода могут взаимодействовать посредством процесса, известного как спин-спиновая связь , если они находятся в одной и той же молекуле, что будет различимо расщеплять линии спектра.

В качестве одного из двух основных спектроскопических методов, используемых в метаболомике , ЯМР используется для получения метаболических отпечатков пальцев из биологических жидкостей для получения информации о болезненных состояниях или токсических поражениях.

Химия [ править ]

Изучая пики спектров ядерного магнитного резонанса, химики могут определять структуру многих соединений. Это может быть очень селективный метод, позволяющий различать множество атомов в молекуле или совокупность молекул одного типа, но которые различаются только с точки зрения их локального химического окружения. ЯМР-спектроскопия используется для однозначной идентификации известных и новых соединений и поэтому обычно требуется научными журналами для подтверждения идентичности синтезированных новых соединений. См. Статьи о ЯМР углерода-13 и протонном ЯМР для подробного обсуждения.

Химик может определить идентичность соединения, сравнив наблюдаемые частоты ядерной прецессии с известными частотами. Дополнительные структурные данные могут быть выяснены , наблюдая спин-спиновое взаимодействие , процесс, с помощью которого на частоту прецессии ядра может влиять ориентация спина химически связанного ядра. Спин-спиновое взаимодействие легко наблюдается в ЯМР водорода-1 (¹
ЧАС
 ЯМР), так как его естественное содержание составляет почти 100%.

Поскольку шкала времени 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 в циклогексане можно различить аксиальный и экваториальный атомы водорода.

Примером ядерного магнитного резонанса, используемого для определения структуры, является структура бакминстерфуллерена (часто называемого «бакиболлы», состав C ₆₀ ). Эта теперь известная форма углерода состоит из 60 атомов углерода, образующих сферу. Все атомы углерода находятся в идентичном окружении и поэтому должны видеть одно и то же внутреннее поле H. К сожалению, бакминстерфуллерен не содержит водорода, поэтому13C необходимо использовать ядерный магнитный резонанс. 13C спектры требуют более длительного времени сбора, поскольку углерод-13 не является обычным изотопом углерода (в отличие от водорода, где 1ЧАСявляется обычным изотопом). Однако в 1990 г. спектр был получен Р. Тейлором и его сотрудниками из Университета Сассекса, и было обнаружено, что он содержит единственный пик, подтверждающий необычную структуру бакминстерфуллерена. ^[21]

Определение чистоты (w / w ЯМР) [ править ]

Хотя ЯМР в основном используется для определения структуры, 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 будет иметь высокую молекулярную массу для облегчения точного взвешивания, но относительно небольшое количество протонов, чтобы дать четкий пик для более позднего интегрирования, например, 1,2,4,5-тетрахлор-3-нитробензол . Точно взвешенные порции стандарта и образца объединяют и анализируют методом ЯМР. Выбирают подходящие пики для обоих соединений и определяют чистоту образца 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, с поправкой на количество протонов в этой функциональной группе.
• n [H] _spl : интегрированная площадь пика, выбранного для сравнения в образце, с поправкой на количество протонов в этой функциональной группе.
• MW _std : молекулярная масса стандарта.
• MW _spl : молекулярная масса образца
• P : чистота внутреннего стандарта

Неразрушающий контроль [ править ]

Ядерный магнитный резонанс чрезвычайно полезен для неразрушающего анализа образцов. Радиочастотные магнитные поля легко проникают сквозь многие типы материи и все, что не является очень проводящим или по своей природе ферромагнитным . Например, различные дорогие 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 деструктивные биохимические эксперименты. Это также делает ядерный магнитный резонанс хорошим выбором для анализа опасных образцов. ^{[ необходима цитата ]}

Сегментарные и молекулярные движения [ править ]

Помимо предоставления статической информации о молекулах путем определения их трехмерной структуры, 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, дипольного взаимодействия или электрического квадрупольного взаимодействия в мгновенную частоту ЯМР в анизотропной молекулярной среде. ^[22] Когда молекула или сегмент, содержащий наблюдаемое ЯМР ядро, меняет свою ориентацию относительно внешнего поля, частота ЯМР изменяется, что может привести к изменениям в одномерном или двумерном спектре или во временах релаксации, в зависимости от время корреляции и амплитуда движения.

Сбор данных в нефтяной промышленности [ править ]

Еще одно применение ядерного магнитного резонанса - это 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 инструменты были выпущены только в начале 1990-х годов. ^[23] скважина пробурена в породу и осадочных пород , в котором ядерный магнитный резонанс каротажа оборудование опускают. Ядерно-магнитный резонансный анализ этих скважин используется для измерения пористости породы, оценки проницаемости по распределению пор по размерам и определения поровых флюидов (воды, нефти и газа). Эти инструменты обычно представляют собой спектрометры ЯМР с низким полем .

ЯМР-каротаж, подкатегория электромагнитного каротажа, измеряет индуцированный магнитный момент ядер водорода (протонов), содержащихся в заполненном жидкостью поровом пространстве пористой среды (породы-коллектора). В отличие от традиционных измерений каротажа (например, акустических, плотности, нейтронного и удельного сопротивления), которые реагируют как на матрицу породы, так и на свойства флюида и сильно зависят от минералогии, измерения методом ЯМР реагируют на присутствие водорода. Поскольку атомы водорода в основном присутствуют в поровых флюидах, ЯМР эффективно реагирует на объем, состав, вязкость и распределение этих флюидов, например нефти, газа или воды. Журналы ЯМР предоставляют информацию о количествах 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 породы
• Рок-композиция
• Тип и количество жидких углеводородов
• Возможность добычи углеводородов

Основное измерение керна и каротажа - это затухание Т ₂ , представленное как распределение амплитуд Т _{2 в} зависимости от времени на каждой глубине образца, обычно от 0,3 мс до 3 с. Т ₂ затухания дополнительно обрабатывают , чтобы дать общий объем пор (общая пористость) и объем пор в пределах различных диапазонов Т ₂ . Наиболее распространенные объемы - это связанная жидкость и свободная жидкость. Оценка проницаемости выполняется с использованием преобразования, такого как преобразования проницаемости Тимура-Коутса или SDR. Запустив каротаж с различными параметрами сбора данных, можно получить прямое типирование углеводородов и усиленную диффузию.

Датчики потока для ЯМР-спектроскопии [ править ]

Недавно были разработаны приложения ЯМР в режиме реального времени в жидких средах с использованием специально разработанных датчиков потока (узлов проточных ячеек), которые могут заменить стандартные пробирочные зонды. Это позволило использовать методы, которые могут включать использование высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) или других устройств для ввода пробы с непрерывным потоком. ^[24]

Управление процессом [ править ]

ЯМР теперь вышел на арену управления технологическими процессами в реальном времени и оптимизации процессов на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах. Два разных типа ЯМР-анализа используются для обеспечения анализа сырья и продуктов в реальном времени с целью управления и оптимизации работы агрегата. Спектрометры ЯМР во временной области (TD-ЯМР), работающие в низком поле (2–20 МГц для1ЧАС) дают данные о затухании свободной индукции, которые можно использовать для определения абсолютных значений содержания водорода , реологической информации и компонентного состава. Эти спектрометры используются в горнодобывающей промышленности , производстве полимеров , косметики и пищевых продуктов, а также при анализе угля . Фурье-ЯМР-спектрометры высокого разрешения, работающие в диапазоне 60 МГц с экранированными системами постоянных магнитов, обеспечивают высокое разрешение.1ЧАССпектры ЯМР нефтеперерабатывающих и нефтехимических потоков. Наблюдаемые вариации в этих спектрах с изменением физических и химических свойств моделируются с использованием хемометрии для получения прогнозов на неизвестных образцах. Результаты прогноза передаются в системы управления через аналоговые или цифровые выходы спектрометра.

ЯМР поля Земли [ править ]

В магнитном поле Земли частоты ЯМР находятся в диапазоне звуковых частот или в полосах очень низких и сверхнизких частот радиочастотного спектра. ЯМР поля Земли (EFNMR) обычно стимулируется путем приложения относительно сильного импульса постоянного магнитного поля к образцу и, после окончания импульса, анализа результирующего низкочастотного переменного магнитного поля, которое возникает в магнитном поле Земли из-за спада свободной индукции. (FID). Эти эффекты используются в некоторых типах магнитометров., EFNMR-спектрометры и MRI-устройства. Их недорогой портативный характер делает эти инструменты ценными для использования в полевых условиях и для обучения принципам ЯМР и МРТ.

Важной особенностью EFNMR-спектрометрии по сравнению с высокопольным ЯМР является то, что некоторые аспекты молекулярной структуры можно более четко наблюдать в низких полях и низких частотах, тогда как другие аспекты, наблюдаемые в сильных полях, не наблюдаются в низких полях. Это 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 при фундаментальном резонансе около 2 кГц ». Действительно, кажется, что это улучшенное разрешение. возможно из-за больших времен спиновой релаксации и высокой однородности поля, которые преобладают в EFNMR ». ^[25]
• Химические сдвиги в несколько частей на миллион четко разделены в спектрах ЯМР высокого поля, но имеют разделение всего в несколько миллигерц на частотах EFNMR протонов, поэтому обычно не разрешаются.

ЯМР с нулевым полем [ править ]

В ЯМР в нулевом поле все магнитные поля экранированы, так что достигаются магнитные поля ниже 1 нТл ( нанотесла ), а частоты ядерной прецессии всех ядер близки к нулю и неразличимы. В этих условиях наблюдаемые спектры больше не диктуются химическими сдвигами, а в первую очередь J- связывающими взаимодействиями, которые не зависят от внешнего магнитного поля. Поскольку схемы индуктивного обнаружения не чувствительны на очень низких частотах, порядка J- связи (обычно от 0 до 1000 Гц), используются альтернативные схемы обнаружения. В частности, чувствительные магнитометрыоказались хорошими детекторами для ЯМР в нулевом поле. Окружающая среда с нулевым магнитным полем не обеспечивает никакой поляризации, поэтому именно комбинация ЯМР с нулевым полем со схемами гиперполяризации делает ЯМР с нулевым полем привлекательным.

Квантовые вычисления [ править ]

В квантовых вычислениях ЯМР в качестве кубитов используются спиновые состояния ядер внутри молекул . ЯМР отличается от других реализаций квантовых компьютеров тем, что в нем используется ансамбль систем; в данном случае молекулы.

Магнитометры [ править ]

Различные магнитометры используют эффекты ЯМР для измерения магнитных полей, в том числе магнитометры прецессии протонов (PPM) (также известные как протонные магнитометры ) и магнитометры Оверхаузера . См. Также ЯМР поля Земли .

SNMR [ править ]

Поверхностный магнитный резонанс (или магнитно-резонансное зондирование) основан на принципе ядерного магнитного резонанса (ЯМР), и измерения могут использоваться для косвенной оценки содержания воды в насыщенных и ненасыщенных зонах в недрах земли. ^[26] SNMR используется для оценки свойств водоносного горизонта, включая количество воды, содержащейся в водоносном горизонте , пористость и гидравлическую проводимость .

Изготовители оборудования для ЯМР [ править ]

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

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Джон Д. Робертс (1959). Ядерный магнитный резонанс: приложения к органической химии . Книжная компания Макгроу-Хилл. ISBN 9781258811662.
• JAPople ; WGSchneider ; HJBernstein (1959). Ядерный магнитный резонанс высокого разрешения . Книжная компания Макгроу-Хилл.
• А. Абрагам (1961). Принципы ядерного магнетизма . Кларендон Пресс. ISBN 9780198520146.
• Чарльз П. Слихтер (1963). Принципы магнитного резонанса: на примерах из физики твердого тела . Харпер и Роу. ISBN 9783540084761.
• Джон Эмсли ; Джеймс Фини; Лесли Ховард Сатклифф (1965). Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения . Пергамон. ISBN 9781483184081.
• Дэвид М. Грант; Робин Кингсли Харрис (2002). «Достижения в области ЯМР». Энциклопедия ядерного магнитного резонанса . Джон Вили. ISBN 9780471490821.
• Гэри Э. Мартин ; AS Zektzer (1988). Двумерные методы ЯМР для установления молекулярной связи . Нью-Йорк: Wiley-VCH . п. 59. ISBN 978-0-471-18707-3.
• JW Akitt; Б. Е. Манн (2000). ЯМР и химия . Челтнем, Великобритания: Стэнли Торнс. стр. 273, 287. ISBN 978-0-7487-4344-5.
• GM Clore ; AM Gronenborn (1991). «Структуры более крупных белков в растворе: трехмерная и четырехмерная гетероядерная спектроскопия ЯМР» . Наука . 252 (5011): 1390–1399. Bibcode : 1991Sci ... 252.1390M . DOI : 10.1126 / science.2047852 . ОСТИ  83376 . PMID  2047852 .
• JP Hornak. «Основы ЯМР» . Проверено 23 февраля 2009 года .
• Дж. Киллер (2005). Понимание спектроскопии ЯМР . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-470-01786-9.
• Курт Вютрих (1986). ЯМР белков и нуклеиновых кислот . Нью-Йорк (Нью-Йорк), США: Wiley-Interscience . ISBN 978-0-471-11917-3.
• JM Tyszka; С. Е. Фрейзер; RE Джейкобс (2005). «Магнитно-резонансная микроскопия: последние достижения и применения». Текущее мнение в области биотехнологии . 16 (1): 93–99. DOI : 10.1016 / j.copbio.2004.11.004 . PMID  15722021 .
• Р.Л. Ханер; П.А. Кейфер (2009). «Датчики потока для ЯМР-спектроскопии». Энциклопедия магнитного резонанса . Джон Вили. DOI : 10.1002 / 9780470034590.emrstm1085 . ISBN 978-0470034590.
• KVR Chary , Girjesh Govil (2008) ЯМР в биологических системах: от молекул до человека. Springer. ISBN 978-1-4020-6680-1 . 

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы, связанные с ядерным магнитным резонансом .

Учебник [ править ]

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

Анимации и симуляции [ править ]

• Эта анимация показывает вращение, изменение вращения с помощью магнитного поля и ВЧ-импульса, последовательности спинового эха, последовательность восстановления инверсии, последовательность градиентного эха и релаксацию спина.
• Бесплатное интерактивное моделирование принципов ЯМР

Видео [ править ]

• введение в ЯМР и МРТ
• Ричард Эрнст, Нидерланды - разработчик методов многомерного ЯМР Видео в формате Freeview, предоставленное Vega Science Trust.
• Видео «Интервью с Куртом Вутрихом» Freeview от Vega Science Trust (Вютрих был удостоен Нобелевской премии по химии в 2002 г. «за разработку спектроскопии ядерного магнитного резонанса для определения трехмерной структуры биологических макромолекул в растворе»).

Другой

• Qian, C .; Pines, A .; Мартин, Р.В. (сентябрь 2007 г.). "Вращение под магическим углом". Журнал магнитного резонанса . 188 (1): 183–189. DOI : 10.1016 / j.jmr.2007.06.006 . PMID  17638585 .
• Взгляд на ядерный магнитный резонанс: вечный метод