ЯМР-спектроскопія
Міністерство Освіти та Науки
України
Національний Технічний
Університет України
Київський Політехнічний
Інститут
Реферат
на тему: ЯМР-спектроскопія
Київ 2010
1. Суть методу
Явище ядерного магнітного резонансу (ЯМР), відкрите в
1946 р., поклало початок новій області радіоспектроскопії, що знайшла широке
застосування, особливо у хімічних дослідженнях. В органічній хімії
спектроскопія ЯМР високої роздільної здатності дала в руки вчених новий
потужний структурний і аналітичний метод, що дозволяє отримувати інформацію про
будову складних молекул, недоступну іншим існуючим хімічним і фізичним методам.
Величина «хімічного зсуву» стала в останній час обов’язковою структурною
характеристикою складних органічних сполук.
У випадку аморфних та кристалічних твердих тіл,
особливо високомолекулярних сполук, спектроскопія ЯМР дає можливість слідкувати
за конфігураційними змінами, розморожуванням внутрішньомолекулярних і
міжмолекулярних степенів свободи та іншими «тонкими» процесами, які до
останнього часу залишались недоступними для спостереження.[1]
Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) — це явище резонансного поглинання
радіочастотних хвиль речовинами,
що містять ядра з ненульовим спіном і непарним числом протонів в зовнішньому
магнітному, обумовлене переорієнтацією магнітних моментів ядер. В таблиці 1 наведені деякі із
них:[2]
Ізотоп
|
Позначення
|
Спінове квантове число
|
Гіромагнітне відношення (МГц/Тл)
|
Водень
|
1H
|
1/2
|
42.6
|
Вуглець
|
13C
|
10.7
|
Кисень
|
17O
|
5/2
|
5.8
|
Фтор
|
19F
|
1/2
|
40.0
|
Натрій
|
23Na
|
3/2
|
11.3
|
Магній
|
25Mg
|
5/2
|
2.6
|
Фосфор
|
31P
|
1/2
|
Сірка
|
33S
|
3/2
|
3.3
|
Залізо
|
57Fe
|
1/2
|
1.4
|
ЯМР-спектроскопія — метод ідентифікації та вивчення
речовин, що базується на ядерному магнітному резонансі (ЯМР). Найчастіше
застосовується для органічних сполук. На сьогодні ЯМР-спектроскопія дозволяє
ідентифікувати сполуку маючи менше 1 мг речовини. Зразок розчиняють в
непротонному (часто дейтерованому) розчиннику, ампулу вміщують в ЯМР
спектрометр, після нетривалого (для простих сполук порядку 30 сек) накопичення
сигналу отримують спектр, де по положенню піків (частоті поля збудження)
окремих протонів (для ПМР — протонного магнітного резонансу) характеризують
сполуку. Широкому використанню заважає тільки висока ціна пристроїв (від 1
мільйона гривень та вище).[3]
2. Схема пристрою
Рис. 2.1. Система
датчика сигналів ЯМР на двух котушках. Передаюча котушка, що розташована вздовж осі х, живиться напругою з частотою ω , що лінійно змінюється в часі. Приймаюча котушка, розташована вздовж осі
у, приймає компоненту ядерної намагніченості Мy. Фазовий детектор виділяє обі складові Му — дисперсію поглинання .
Система датчиків ЯМР сигналу
на двух котушках не є обов’язковою. В принципі обидві котушки можуть бути
розміщенні по одній осі і, отже, замінені однією котушкою, яка одночасно
використовується як приймаюча і передаюча. Блок-схема найпростішого
однокотушечного спектрометра ЯМР (рис.2.2) включає наступні суттєві елементи:
магніт з напруженістю 1-2 Тл, котушку приймаюче передаючої системи, розташовану
в зазорі магніту і орієнтовану перпендикулярно осі z, мостову схему, в
одно плече якої включена котушка, генератор високої частоти , підібраний у відповідності
з величинами і
. Крім того,
спектрометр повинен містити систему розгортки (наприклад, по частоті), підсилювачі
по високій частоті та по частотам модуляції, а також пристрій для реєстрації
сигналів ЯМР, наприклад самопишучий потенціометр, на одну вісь якого подається напруга
сигналу, а на іншу — напруга, пропорційна частоті розгортки (при частотному
свипі). Розуміється, «серцем» усієї системи є зразок, що являє собою ампулу, що
містить ядра досліджуваного типу.[4]
Рис. 2.2. Блок-схема найпростішого спектрометра ЯМР з розгорткою
по частоті
3. Об’єкт контролю
ЯМР-спектроскопія використовується в першу чергу для біологічних медичних
досліджень. Зокрема це уточнення хімічного складу новоутворень без хірургічного
втручання[5][6], а також дослідження різноманітних
органічних сполук (їх хімічний склад, зв’язки, об’ємна модель, тощо).[7]
Також існують лабораторії, які займаються дослідженням
твердих нерозчинних сполук.[8] В якості
об'єкта для дослідження методом спектроскопії ЯМР твердого тіла можуть
виступати всілякі тверді матеріали:
полімери, біополімери;
наноматеріали (фулерени, нанотрубки і ін..);
гібридні системи; скла, кераміки, мінерали;
композитні матеріали;
напівпровідники і тверді іонні
провідники;
вуглецеві матеріали;
ліки (мультикристалічний поліморфізм фармацевтичних
сполук, структура і активність фармакологічних агентів в полімерних матрицях,
фазові переходи між кристалічними і аморфними формами, зміна структури при
виробництві і стабільність лікарських з’єднань);
природні сполуки;
харчові продукти;
промислові та індустріальні твердотільні з'єднання
(вугілля, металургійні кокси, полімерні і біополімерні плівки, газороздільні
мембрани, сорбенти та ін..).[9]
4. Основні результати
ЯМР дослідження – тисячі томографів в медичних
закладах, і також велика кількість різноманітних ЯМР спектрометрів в
дослідницьких центрах і лабораторіях по всьому світу. Тож основні результати,
це – різноманіття методів, безліч статей в яких описано дослідження різних
властивостей органічних та неорганічних сполук, які цікавили дослідників.
Ось кілька прикладів:[10]
·
05.09-19Б1.279
Спектроскопия ЯМР 1H в недейтерированном растворителе (НЕ
D-ЯМР-спектоскопия) как удобный метод анализа растворов литийорганических
соединений (RLI), RMGX И LDA. Журнал: РЖ 19АБ-1. Общие вопросы химии.
Физическая химия (Строение молекул). Издательство: ООО "НТИ-КОМПАКТ".
2005 ISSN 0208-1695.
·
06.15-19Б2.459
2H-ЯМР- спектоскопия адсорбации дейтерия на одностеночных углеродных
нанотрубках. Журнал: РЖ 19Б-2. Физическая химия (Кристаллохимия. Химия твердого
тела. Газы. Жидкости. Аморфные тела. Поверхностные явления. Химия коллоидов).
Издательство: ООО "НТИ-КОМПАКТ". 2006 ISSN 0208-1717.
·
Контроль
экологической безопасности и качества зерна и муки злакових культур методом
ЯМР. Е.Д. Скаковский, Л.Ю.
Тычинская, О.А. Гайдукевич, А.Н. Кулакова, С.В. Рыков, А.В. Воронин, Д.В.
Голубев. Экологический Центр Общество восстановления и охраны природы г.
Москвы, Новинский бульвар, 28/35, Москва, Россия, 121069. Вестник Российского
университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности.
Российский университет дружбы народов. 2008.
Висновки
ЯМР-спектроскопія – прогресуюча область досліджень
хімічного складу і будови найрізноманітніших сполук, що дає високоточні
результати навіть при мізерній кількості ОК. Потребує висококваліфікованого
наукового персоналу і дорого обладнання.
Використана література
1. Дж. Робертс. Ядерный магнитный
резонанс. Приинение в органической химии. Москва 1961. ИИЛ. стр.5.
2. Эверт Блинк . Основы МРТ:Физика.
2000. стр.12.
[2] Эверт
Блинк . Основы МРТ:Физика. 2000. стр.12.
[3] #"#_ftnref4" name="_ftn4" title="">[4] Н.М. Сергеев. Спектроскопия ЯМР (для химиков-органиков). ИМУ 1981. УДК
541.6+543.422.25+547. стр.22-24.
[5] MRI Spectroscopy (MRS): #"#_ftnref6" name="_ftn6" title="">[6] MRI Spectroscopy (MRS): #"#_ftnref7" name="_ftn7" title="">[7] #"#_ftnref8" name="_ftn8" title="">[8] #"#_ftnref9" name="_ftn9" title="">[9] Центр
спектроскопии ЯМР твердого тела: #"#_ftnref10" name="_ftn10" title="">[10] Научная
электронная библиотека: http://elibrary.ru/