ЯМР-спектроскопія: Визначення молекулярної структури з обертових ядер

Ядерний спін: Які атоми навіть розмовляють?

Багато атомних ядер взаємодіють так, ніби вони обертаються, і цей оберт дає їм квантову властивість, яка називається ядерним спіном, позначений I. Ядро з ненульовим спіном діє як маленький барометр, що обертається, з пов’язаною магнітною моментом, тоді як ядро з спіном рівним нулю не має такої моменту і повністю невидиме для NMR. Чи має ядро ​​спін залежить від того, скільки протонів і нейтронів воно містить: ядра з парною кількістю протонів та парною кількістю нейтронів завжди мають нульовий спін, тому поширений ізотоп вуглецю-12 (шість протонів, шість нейтронів) є безшумним для NMR, незважаючи на те, що вуглець всюди в органічній хімії. Водень-1, з одним неспареним протоном і без нейтрону, має спін 1/2 та надзвичайно сильний магнітний момент, роблячи його основним ядром для щоденного NMR. Вуглець-13, рідкісний ізотоп, який становить близько 1,1% природного вуглецю, також має спін 1/2 і є активним для NMR, тому хіміки звичайні використовують окремі спектри водню (протона) та вуглецю-13 для молекули, щоб побудувати повну структурну картину. Інші корисні активні ядра NMR включають азот-15, фосфор-31 і фтор-19, кожне з яких має свою власну характеристичну чутливість та діапазон частот.

Прецесія, Ларморова частота та розпад вільної індукції

Зовні магнітного поля спін-магніти в зразку вказують у випадковому напрямку і скасовують один одного. Коли зразок поміщають всередину сильного зовнішнього магнітного поля сили B, ядра з півспіном можуть лише вирівнюватися в два дозволені положення відносно поля, одне трохи нижче енергії, ніж інше, тому утворюється невеликий надлишок населення в нижчому енергетичному положенні і зразок розвиває чисту магнітну намагніченість, спрямовану вздовж поля. Важливо, що кожне ядро не стоїть на місці; воно коливається навколо напрямку поля, як нахилена обертається верхня частина, з частотою, яка називається Ларморовою частотою: f = гамма помножене на B, де гамма - це нуклеоспецифічний гіромагнітний коефіцієнт (постійна, властива для кожного ізотопу, така як водню-1 або вуглецю-13), а B - це місцева магнітна сила, що відчувається цим ядром. Короткий потужний імпульс радіочастотної енергії, налаштований на цю Ларморову частоту, змушує чисту намагніченість відхилитися від вирівнювання з полем, і коли імпульс припиняється, нахилена намагніченість коливається назад до рівноваги, викликаючи невелику, розвіювальну осцилюючий напругу в сусідній детекторній котушці. Цей розвіюючий сигнал називається розпадом вільної індукції або FID, а застосування математичної обертової перетворення до нього перетворює необроблену часову хвилястий сигнал на чисту частотну область, яка показує, які Ларморові частоти були присутні в зразку.

Хімічний зсув: Електрони захищають кожен ядро по-різному

Якщо кожен атом водню-1 в молекулі резонував би з абсолютною однаковою частотою, NMR був би майже безкорисним для визначення структури. У реальності електрони навколо кожного ядра обертаються у відповідь на зовнішнє поле та генерують власне невелике місцеве магнітне поле, яке частково протидіє йому, явище, що називається захистом. Місцеве поле, яке відчуває ядро, є трохи меншим за застосоване, і оскільки різні хімічні середовища відтягують електронну густину від ядра по-різному, кожен окремий водень або вуглець у молекулі захищений на трохи різний ступінь і резонує з трохи іншою частотою. Водень, зв’язаний поруч із електронегативним киснем, є дещо незахищеним (електронна густина відтягується, резонує при відносно вищій частоті), порівняно з водяним, пов’язаним лише з вуглецем та іншими воднями. Оскільки ці відмінності частот є невеликими частками величезної базової частоти і в іншому випадку залежали б від того, який саме спектрометр ви використовували, хіміки повідомляють про них як про хімічний зсув у частинах на мільйон: хімічний зсув у ppm дорівнює частоті резонансу зразка мінус частота резонансу посилального компонента, поділена на частоту експлуатації спектрометра, помножена на один мільйон. Оскільки і чисельник, і знаменник масштабуються разом із магнітним полем спектрометра, цей відношення залишається практично незмінним між приладами, тому хімічний зсув, виміряний на невеликому стольному спектрометрі та хімічний зсув, виміряний на величезному надпровідному дослідницькому магніті, описують одне й те саме хімічне середовище і можуть бути порівняні безпосередньо.

Зв’язок спінів: Піки, що діляться на візерунки”, “paragraphs”: [

Тільки хімічний зсув дає вам уявлення про те, в якому хімічному середовищі знаходиться ядро, але другий ефект розкриває, як ядра пов’язані між собою. Сусідні ядра NMR-активності, зазвичай розділені на два або три хімічні зв'язки, можуть відчувати орієнтацію спінів один одного через електронні зв’язки, що перетинають їх, явище, яке називається зв’язком спінів (або паруванням J). Замість того, щоб з’являтися як одна чітка лінія, ядро з n магнітно еквівалентними воднями розділяється на n плюс 1 лінії, закономірність, яка підсумовується простим правилом n плюс 1: один сусід дає подвійну лінію (два піки), два рівнозначні сусіди дають потрійний пік (три лінії з відносними інтенсивністю, що відповідають рядку трикутника Паскаля, наприклад 1 до 2 до 1), три рівнозначні сусіди дають квіртет, а так далі. Відстань між розділеними лініями, яка називається константою зв’язку J і вимірюється герц, не змінюється залежно від поля спектрометра (на відміну від хімічного зсуву), а її розмір залежить від кількості зв’язків та геометрії, що з’єднує два ядра. Зчитування цих багатопролетних візерунків дозволяє хіміку відновити, які вуглець і водень сидять поруч із якими іншими, перетворюючи спектр на щось схоже на карту зв'язків у всій молекулі.

З колби до всього людського тіла: МРТ

Магнітно-резонансна томографія базується на тих самих фундаментальних фізичних принципах, що й хімічне ЯМР, але спрямована на надлишок протонів водню-1 у молекулах води та жиру всього людського тіла, а не на невеликий розчинений зразок. Пацієнт лежить всередині великого, надзвичайно рівномірного магнітного поля, і радіочастотні імпульси змушують загальну протонову магнітизацію тіла повернутися до того ж способу, що й змушують повертатися до рівноваги протони в колбі, створюючи сигнали вільної індукції розслаблення, коли протони повертаються до рівноваги. Ключова додаткова техніка, яка перетворює це на зображення, а не на єдиний спектр, – це додавання просторових градієнтних полів: менших магнітних полів, навмисно варіюючи їхню силу в різних напрямках у тілі, щоб локальне поле B, і відповідно частота Лоренда f = гамма * B, відрізнялася на незначну величину від місця до місця. Оскільки резонансна частота тепер кодує фізичне положення, сканер може розшифровувати, звідки походить кожний елемент виявленого сигналу, і реконструювати повний просторовий зріз слайс за слайсом. Різні тканини також повертаються до рівноваги після закінчення імпульсу на різних характерних швидкостях, і сканування МРТ використовує ці відмінні часи розслаблення для створення різкого контрасту між, наприклад, м’якими тканинами, рідиною та кістками, все це без використання іонізуючого випромінювання.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте NMR Spectroscopy: Reading Molecular Structure from Spinning Nuclei і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.