авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
-- [ Страница 1 ] --

Modern NMR Techniques

for

Chemistry Research

Andrew E. Derome

The Dyson Perrins Laboratory,

University of Oxford, UK

Pergamon

Press

Oxford • New York • Beijing • Frankfurt

Sao Paulo-Sydney-Tokyo-Toronto

Э. Дероум

Современные

методы

ЯМР

для химических

исследований

Перевод с английского

Ю. М. Дёмина

и

канд. хим. наук В. А. Черткова

под редакцией

д-ра хим. наук, проф. Ю.А. Устынюка Москва «Мир» 1992 ББК 24.5 Д36 УДК 541.1 Дероум Э.

Современные методы ЯМР для химических исследований:

Д36 Пер. с англ.-М.: Мир, 1992.-403 с, ил.

ISBN 5-03-001750-х Монография английского ученого представляет собой руководство по ЯМР, доступное по уровню изложения исследователю, не имеющему специальной под готовки по спектроскопии. В ней наряду с изложением основ стандартных методов ЯМР (импульсный ЯМР и фурье-преобразование сигналов свободной прецессии, методы подготовки образцов, выбор растворителя и т.д.) рассматриваются новые методики одномерной (ядерный эффект Оверхаузера и т.п.) и двумерной спектро скопии ЯМР. Изложение материала имеет ярко выраженную практическую направ ленность, приведены многочисленные примеры решения структурных химических задач.

Для химиков-исследователей, преподавателей и студентов старших курсов хими ческих вузов.

Редакция литературы по химии ISBN 5-03-001750-х (русск.) © 1987 Pergamon Books Ltd.

ISBN 0-08-032513-0 (англ.) © перевод на русский язык, Дёмин Ю.М., Чертков В. А., Предисловие редактора перевода Спектроскопия ЯМР высокого разрешения как наиболее инфор мативный и мощный метод структурных и динамических исследований столь глубоко пронизывает все химические дисциплины, что без овладе ния ее основами нельзя рассчитывать на успех в работе в любой области химии. Поразительная особенность этого метода-необычайно быст рое его развитие на протяжении всех последних 45 лет с момента открытия ЯМР в 1945 г. События последних 10 лет завершились полным обновлением методического арсенала и аппаратуры ЯМР. Основу при борного парка сейчас составляют спектрометры, оснащенные мощными сверхпроводящими соленоидальными магнитами, позволяющими со здавать постоянные и очень однородные поля напряженностью до 14,1 Т. Каждый из таких приборов представляет собой сложный измери тельно-вычислительный комплекс, содержащий помимо магнита и радиоэлектронных блоков один или два компьютера, обладающие высоким быстродействием, большими объемами оперативной памяти и дисками огромной емкости.

Импульсные методики возбуждения и регистрации сигналов с последующим быстрым фурье-преобразованием окончательно вытеснили режим непрерывной развертки, доминировав ший в ЯМР до конца 70-х годов. Как правило, получаемая спектральная информация перед ее отображением в виде стандартного спектра под вергается сложной математической обработке. На несколько порядков возросла чувствительность приборов. Методы двумерной спектроскопии и другие методики, реализующие сложные импульсные последователь ности при возбуждении систем магнитных ядер, кардинально изменили весь методический арсенал исследователей и открыли перед ЯМР новые области применений. Эти новые и новейшие достижения уже нашли свое отражение в нескольких монографиях, появившихся за рубежом и в пере водах на русский язык. Но они рассчитаны на специалистов с хорошей физико-математической подготовкой. Между тем подавляющее боль шинство химиков-экспериментаторов не обладают такой подготовкой.

Более того, для практического приложения современного ЯМР вполне Достаточно ясного понимания лишь основных физических принципов поведения ансамблей магнитных ядер при воздействии радиочастотных полей. Это понимание обеспечивает химику правильный выбор метода Предисловие редактора перевода или совокупности методов при решении многих структурных задач.

Книга Э. Дероума представляет, на мой взгляд, весьма удачную попыт ку изложить современные методы ЯМР в таком практическом аспекте на качественном уровне. В ней автор очень умело воспользовался наглядными графическими схемами, позволяющими легко понять эволюции векторов намагниченностеи в спиновой системе под воздей ствием импульсных последовательностей. В книге, богато иллюстри рованной конкретными примерами спектров всех видов, подробно рас смотрено влияние разных экспериментальных факторов на результирую щий спектр, а также весьма типичные ошибки, возникающие в практи ческой работе. Поэтому такие непростые понятия, как перенос намагни ченности и перенос когерентности, обретают совершенно реальный смысл даже для слабо подготовленного читателя, хотя и приходится мириться с некоторой долей вульгаризации. Я думаю, что тот, кто решил воспользоваться книгой Э. Дероума в качестве практического руководства для освоения современных методик ЯМР, не ошибся в выборе. Она быстро станет настольным руководством в каждой лаборатории ЯМР и вполне может быть использована как лекционный материал для студентов старших курсов и аспирантов.

Ю. Устынюк Предисловие автора Впервые открыв эту книгу и раздумывая, покупать ли ее, вы, возможно, спросите себя: «А зачем мне усложнять себе жизнь?». Ведь в ней много внимания уделяется физическим основам эксперимента ЯМР, хотя и делается это на качественном уровне. Такой подход может испугать химика или биолога. Здесь много экспериментальных деталей, которые могут показаться лишними тому, кто привык доверять спе циалистам решение спектральных проблем. Даже многие из тех, кто наслышан о последних достижениях метода ЯМР, часто получают больше удовольствия, занимаясь вопросами интерпретации и доверяя технические детали кому-то другому. На основании целого ряда сообра жений я считаю, что подобное отношение к методу ЯМР как к «черному ящику» нельзя считать правильным при решении химических и биологи ческих задач. Подробное описание того, что содержится в этой книге, приведено в первой главе.

Почему ЯМР является столь полезным методом? Это вызвано многими причинами, но главная из них в том, что метод ЯМР позволяет устанавливать взаимосвязи между конкретными объектами. Высокая информативность, определяемая большим диапазоном химических сдвигов и интенсивностей сигналов, имеет по существу общий характер для остальных спектральных методов, в том числе для ИК-спектро скопии. В этом отношении ЯМР не имеет больших преимуществ. Его особая ценность обусловлена тонкой структурой спектра, возникающей за счет взаимодействия между ядрами, а также различными другими взаимодействиями, такими, как ядерный эффект Оверхаузера, зависящий от взаимного расположения ядер. Если мы хотим охарактеризовать структуру выделенного чистого соединения, оценить протон-протонные расстояния в белке или выделить сигнал меченого метаболита из сложной природной смеси, то должны обратиться к тем свойствам, которые основаны на взаимодействии одного ядра с другим.

Исключительные достоинства импульсного ЯМР полностью рас крылись за последние примерно 10 лет, что привело к развитию ряда совершенно новых способов использования этих взаимосвязей. На пер вый взгляд один только перечень новых экспериментов может обескура жить. Этих экспериментов так много, что кажется невозможным хоть 8 Предисловие автора как-то начать их понимать. Однако это не так сложно. В разных сочетаниях для этого используется несколько основных принципов. Если усвоить эти принципы, то любой новый эксперимент может быть легко встроен в общую картину. Это важная причина для того, чтобы попытаться понять, что же происходит во время импульсных экспери ментов. Вы сможете оценить, на самом ли деле какой-то новый метод лучше подходит для решения вашей конкретной задачи. Важным свойст вом импульсного ЯМР является то, что в целом его легче понять, чем ЯМР с непрерывной разверткой, даже несмотря на то, что последний метод может быть хорошо знаком. В импульсном эксперименте система большую часть времени совершает эволюцию независимо от внешнего воздействия, поэтому здесь одновременно нужно учитывать меньшее число взаимодействий.

Современный импульсный эксперимент ЯМР выполняется исключи тельно в режиме с фурье-преобразованием. Вопрос о том, почему это так, детально рассматривается в этой книге, но сам факт столь широкого использования метода Фурье заставляет лишний раз задуматься о при роде экспериментов ЯМР. Несомненна польза от реализации этого метода. Особенно эффективные результаты могут быть получены при использовании преобразования в пространстве более чем одной пере менной. Важно при этом понимать и те ограничения, которые характер ны для цифровой обработки сигналов. Оцифровка сигналов и их преобразование с помощью компьютера часто ограничивают точность измерений частоты и интенсивности, а в отдельных случаях могут даже делать невозможной одновременную регистрацию сигналов. В целом это нетрудно понять, но вопрос носит несколько абстрактный характер для тех, кто только начинает знакомство с методом фурье-спектро скопии ЯМР. Даже если вы не собираетесь сами садиться за спектро метр, то вам целесообразно хотя бы бегло ознакомиться с тем, как. связаны между собой следующие параметры: время регистрации и раз решение или интервал между импульсами, время релаксации и интенсив ность сигнала. При использовании современного метода ЯМР много ошибок происходит из-за непонимания возникающих при этом огра ничений.

Другая причина, по которой стоит изучать ЯМР, особенно его практические аспекты, заключается в том, что это просто приятно.

Многие химические, а в последнее время и биологические проекты в своей кульминационной стадии оказываются завязанными на экспе римент ЯМР. После года упорной работы над синтезом какого-то меченого субстрата может потребоваться лишь несколько дней для того, чтобы провести решающий эксперимент методом ЯМР, с помощью которого может быть установлен механизм органической реакции или найден путь метаболизма внутри живой клетки. И несправедливо пере давать специалисту-оператору не только хлопоты, но и радостные волнения при проведении такого эксперимента: учитесь делать это сами. Конечно, определенные усилия придется затратить для начального Предисловие автора ознакомления со спектрометром. Вас ждет несколько бессонных ночей, пока вы наконец не получите хоть какого-то удовлетворения. Придется изо всех сил поработать и для того, чтобы понять саму суть эксперимен тальной техники ЯМР. В итоге вы приобретете глубокое понимание наиболее важного спектрального метода, а заодно получите заряд бодрости и сделаете полезный перерыв в однообразной рутине лабо раторной жизни.

Многие помогали мне в подготовке этой книги, и я выражаю им свою благодарность. Я приношу искренние извинения всем тем, кого по недоразумению не отметил. В первую очередь я признателен Джейн Макинтаир за первоначальное уведомление меня о том, что проект стал возможен. Некоторые мои коллеги из Лаборатории Дайсона Перринса и Лаборатории неорганической химии прочитали текст и сделали много полезных замечаний. Среди них есть и студенты-дипломники, и опера торы ЯМР, и инженеры по электронике, и университетские лекторы, и дипломированные научные сотрудники. Я благодарен Барбаре До мейн-Хейман, Элизабет Макгиннесс, Дермоту О'Харе, Майку Роберт сону, Майку Робинсону, Крису Шофилду и Нику Тернеру. Особенно я признателен Элизабет Макгиннесс и Тине Джексон, которые вынесли основную нагрузку по обеспечению потребностей в ЯМР сотен иссле дователей из многочисленных химических подразделений Оксфорда, что дало мне возможность сосредоточиться на работе над текстом. Майк Робертсон провел значительную модификацию коммерческого спектро метра для некоторых из наиболее необычных экспериментов, а Тина Джексон осуществляла техническую помощь.

Многие исследователи предоставили мне рисунки и химические соединения для проведения вспомогательных экспериментов. Я благо дарен Джону Брауну (рис. 9.6 и 9.7), Джорджу Флиту (соединение 1 в гл.

8-10), Нику Тернеру (соединение 6 в гл. 5) и Робу Янгу (соединение 6 в гл. 8) из Лаборатории Дайсона Перринса (Оксфорд);

Дермоту О'Харе (рис. 8.45, 9.10 и 10.11) из Лаборатории неорганической химии (Окс форд);

Крису Бауэру (рис. 7.19), Рею Фримену (рис. 8.21) и Питеру Хору (рис. 2.23) из Лаборатории физической химии (Оксфорд);

Джонатану Бойду (рис. 8.36) с Биохимического факультета (Оксфорд);

Джеймсу Килеру (рис. 8.24 и 10.13) из университетской химической лаборатории (Кембридж);

Дине Кеглевич (соединение 2 в гл. 8) из Института Рудера Бошковича (Загреб). Фирмы Oxford Instruments и Bruker Spectrospin также предоставили большое число рисунков (я выражаю им благодар ность в соответствующих подписях). Рис. 5.10 воспроизводится с раз решения из книги: Noggle J. H., Schirmer R. E., The Nuclear Overhauser Effect-Chemical Applications, Academic Press, 1972.

Как и другие книги серии «Органическая химия», этот текст под готовлен к печати методом фотокопирования с шаблона. Для того чтобы достичь наивысшего качества, я сам набирал текст с помощью устройства Monotype Lasercomp в службе компьютерного сервиса Оксфордского университета. Я признателен этой службе за предостав 10 Предисловие автора ленную возможность работать с таким устройством и Кэтрин Гриффин за ценные рекомендации по его использованию. Кристин Палмер из Лаборатории неорганической химии (Оксфорд) превосходно выполнила графические работы с моих едва разборчивых эскизов, причем зачастую с высокой скоростью;

я благодарю ее за столь существенную помощь. Окончательное размещение текста выполнено в «Пергамон-пресс» под руководством эксперта Колина Дрейтона, который нашел возможность не огорчать меня даже в тот момент, когда весь проект на месяц отставал от графика.

Эндрю Дероум Предисловие С появлением в 50-х годах промышленных ЯМР-спектрометров высокого разрешения химики получили в руки новый исключительно мощный аналитический инструмент. Структура и симметрия молекул прямо связаны с видом спектра, что позволяет легко и быстро решать такие структурные задачи, которые раньше были под силу лишь не многим ученым, обладающим высоким интеллектом и химической интуицией. В те годы на все исследования, проводимые на спектрометре с мощным электромагнитом или постоянным магнитом, требовалось лишь 100 мг вещества.

Еще один переворот в области ЯМР происходит в наши дни. Он обусловлен внедрением надежных сверхпроводящих магнитов совместно с импульсными методиками и преобразованием Фурье. Разрешение и чувствительность приборов выросли настолько, что исследования можно проводить на микрограммовых количествах вещества. Но, воз можно, еще более важное значение имеет развитие импульсных методик, позволяющих в небывалой степени контролировать намагниченность образца и управлять ею. В результате с помощью импульсной спектро скопии ЯМР химики получают, вероятно, более обширную структурную информацию, чем с использованием любого другого отдельно взятого аналитического метода.

В этой книге Э. Дероум знакомит химиков с практическими аспек тами новых методов ЯМР. С ее помощью любой химик, не имеющий специальной подготовки физика-спектроскописта, сможет понять и ис пользовать для решения структурных задач огромные возможности, заложенные в новом поколении фурье-спектрометров со сверхпроводя щими магнитами. Я настоятельно рекомендую прочитать эту книгу химикам и биологам, работающим как в научных учреждениях, так и в промышленности, чтобы в полном объеме овладеть новыми возмож ностями спектроскопии ЯМР.

Лаборатория Дайсона Перринса Джек Болдуин Оксфордский университет член Королевского общества Введение Сигналы ЯМР отражают влияние целого ряда слабых взаимодей ствий между ядрами и электронами внутри молекулы, между различ ными ядрами одной молекулы и между ядрами соседних молекул. Если бы мы смогли различить и понять природу всех этих взаимодействий, то получили бы чрезвычайно богатый источник информации о структуре и конформации молекул, о межмолекулярных взаимодействиях и моле кулярном движении.

Все это становится возможным благодаря очень большим временам релаксации, свойственным ядрам со спином 1/2 в подвижных жидкостях.

Действительно, спектры с сигналами шириной 0,1 Гц или меньше на частоте 500 МГц кажутся просто невероятными. Ведь это означает, что мы можем различать даже сигналы, расположенные очень близко друг к другу.

Спектры высокого разрешения даже небольших молекул часто ока зываются весьма сложными. Но упоминавшиеся выше взаимодействия являются слабыми, поэтому описывающие их перекрестные члены при измерениях в сильных магнитных полях становятся малыми. В результа те получающиеся спектры интерпретируются достаточно легко, поэтому неудивительно, что спектроскопия ЯМР стала столь незаменима для химиков-органиков.

С увеличением размеров молекул сложность спектров ЯМР быстро возрастает, сигналы начинают перекрываться, и в результате интер претация спектров затрудняется. В этом случае приходится прибегать к гораздо более сложной последовательности экспериментов, и перед химиком-органиком возникает вопрос: насколько глубоко ему следует изучать технические аспекты современного ЯМР? Важно понимать, что, не освоив новых методов спектроскопии ЯМР, химик не будет даже представлять себе, каким же образом спектроскопия ЯМР может помочь ему решить конкретную структурную задачу. Не следует использовать ЯМР как некий «черный ящик», производящий непонятные операции.

Большинству химиков-органиков сегодня просто необходимо знать возможности современной спектроскопии ЯМР. В этой книге д-р Э. Дероум описывает основные принципы и способы практического использования ЯМР на понятном для химиков языке. Несмотря на Введение большой объем книги, ее все же стоит прочитать. Она окажет существен ную помощь в работе тем, кто внимательно ее изучит. Я также надеюсь, что читатели получат большое удовольствие от энтузиазма, прони зывающего весь текст книги. Тем же, кто захочет получить более глубокие знания об описываемых экспериментах, помогут приводимые в книге ссылки на литературу.

Рекс Ричарде член Королевского общества Оксфордский университет Глава О чем эта книга 1.1. Введение На рис. 1.1 показан протонный спектр ЯМР холестерилацетата, зарегистрированный на спектрометре с непрерывной разверткой и с рабочей частотой 60 МГц. В 60-е годы и в начале 70-х годов было исследовано много соединений подобного типа. Тогда такой спектро метр считался прибором высшей категории для научных исследований.

Даже такие грубые спектры произвели настоящую революцию в органи ческой химии, что является прекрасной иллюстрацией больших возмож ностей ЯМР в решении химических задач и доблести первых исследова телей, применявших этот метод.

В настоящее время мы вправе ожидать много большего от наших спектрометров (рис. 1.2), рабочие частоты которых почти в 10 раз больше, но и стоимость по крайней мере в 30 раз выше. Очевидно, что 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 15 1,0 0, 0J м.8.

Рис. 1.1. Спектр ЯМР, зарегистрированный на спектрометре с рабочей частотой 60 МГц в режиме непрерывной развертки.

О чем эта книга 'I' 4, 5,5 5,0 3,5 0, 2,5 2, 4,5 1, м.а.

Рис. 1.2. Спектр того же образца (см. рис. 1.1), записанный на фурье-спектро метре с рабочей частотой 500 МГц.

спектр на рис. 1.2 лучше, однако я хочу подчеркнуть вовсе не это. Этот спектр все же недостаточно хорош. Внутренние ограничения ЯМР таковы, что, несмотря на все наши усилия по улучшению конструкции спектрометра, мы не можем интерпретировать протонные спектры даже относительно простых соединений «с первого взгляда». Такое положение сохранится и в обозримом будущем, если только не будет найдена совершенно новая конструкция магнита. Вспомним, например, что резкий скачок напряженности поля в 3-4 раза произошел при переходе от электромагнитов к сверхпроводящим магнитам. Но дальнейшие усилия по совершенствованию конструкции сверхпроводящих магнитов на протяжении почти 20 лет привели к увеличению напряженности поля только в 2 раза.

Одни лишь успехи в создании новых приборов не смогли бы обеспечить решение наших спектроскопических задач. Но, к счастью, одновременно с совершенствованием спектрометров ЯМР необычайно быстро развивались и наши знания о свойствах ядерных спиновых систем. Примерно в 1980 г. была достигнута некая критическая точка 16 Глава в накоплении этих знаний, что привело к быстрой разработке целого ряда новых экспериментальных методик. Почти каждый химик-исследо ватель сейчас определенно наслышен о том, что в ЯМР произошло что-то необычное. Однако круг тех, кто действительно понимает суть событий, еще достаточно узок. Большинство статей по ЯМР имеет техническую направленность. Они появляются в самых разных и иногда необычных химических, физических и биологических журналах, поэтому неспециалисту трудно быть в курсе самых современных достижений.

В курсах по спектроскопии ЯМР для химиков-органиков импульсная фурье-спектроскопия ЯМР до сих пор иногда остается лишь дополне нием к методу ЯМР с непрерывной разверткой. Современные методы ЯМР в них почти никогда не рассматриваются. Так дальше оставаться не может, потому что понимание того, как использовать ЯМР для решения тех или иных проблем, составляет основу успеха в химических исследованиях.

Я стремился дать введение в современный ЯМР в такой доступной для неспециалиста форме, чтобы в книге можно было найти все необходимое. Конечно, для работы с ней нужны знания основ, о которых сказано в следующем разделе. Книга рассчитана на заинтересованного студента или начинающего научного работника. Она будет полезна и более опытным химикам, желающим познакомиться с новыми мето диками ЯМР. В ее основу положен краткий курс лекций для аспирантов, который я читал в Оксфорде. Правда, в этом курсе не содержалось экспериментальных деталей и описания ряда методик. Я надеюсь, что основное содержание книги будет понятно для студентов старших курсов. Сейчас студентов редко учат применению современных методик ЯМР. Однако это лишь означает, что мы не поспеваем за событиями, и совсем не связано с чрезвычайной концептуальной сложностью предмета.

1.2. Что вам нужно знать Я полагаю, что вы уже сталкивались с «традиционным» ЯМР и близко знакомы с использованием протонного магнитного резонанса (ПМР) для решения структурных задач. В связи с этим книга не содержит разделов о связи химических сдвигов или констант спин-спино вого взаимодействия (КССВ) со структурой, так как эту информацию легко найти в других книгах и учебниках, но не только поэтому. Более важно то, что современные эксперименты ЯМР могут уменьшить нашу зависимость от таких эмпирических корреляций. До сих пор мы чаще всего ограничивались формулировками типа: «Спектр находится в со ответствии со структурой X». Наша цель состоит в том, чтобы перейти к формулировкам: «Доказательство структуры X следует из...». Я надеюсь, что вам знаком метод двойного протон-протонного резонанса, представляющий собой подавление спин-спинового взаимодействия между протонами (гомоядерная развязка). Этот метод несколько раз О чем эта книга упоминается в тексте, но детально не объясняется. Вы могли также встречаться с ядерным эффектом Оверхаузера, ЯЭО (NOE, от англ.

Nuclear Overhauser Effect), которому в книге посвящена гл. 5.

Что касается других ядер, то вам должно быть известно о возмож ности наблюдения ядра С и о трудностях регистрации спектров вследствие низкого естественного содержания этого изотопа. Если вы использовали в работе углеродные спектры, то в таком случае вы должны были встречаться и с экспериментами с внерезонансной раз вязкой, которые дают возможность определить число протонов, связан ных с каждым из углеродов. Химики-неорганики или биологи в большей степени используют спектры Р. Ваш предварительный опыт в этой области не столь важен, так как изложение материала в книге в равной мере относится ко всем типам ядер. Примеры часто будут привлекаться из протонной и углеродной спектроскопии, поскольку я чаще всего использую их в своей работе на кафедре органической химии. Суще ственными являются различия между ядрами со спином 1/2 и ядра ми с большим спином (квадрупольные ядра). Обсуждение большин ства вопросов в этой книге концентрируется вокруг ядер со спином 1/2, но в некоторых случаях рассматриваются и квадрупольные ядра.

Время от времени мы будем использовать простую математику, но это не должно вызывать боязни, так как она не существенна для понимания материала. Эта книга написана не для физикохимиков, в ней нет выводов уравнений или детального математического анализа, но приводятся отдельные действительно полезные формулы. Физическая модель, введенная в гл. 4, требует знания основ тригонометрии и декар товых координат. В нескольких местах также используются уравнения скорости первого порядка, но более трудных математических вычисле ний нет, за исключением небольших по объему векторных вычислений в гл. 4, которые можно опустить без ущерба для понимания. В одном или двух местах потребуется понимание таких компьютерных терминов, как «память» или «байт».

1.3. Что вы найдете в этой книге Эта книга не является полным обзором современных методов ЯМР.

Любая попытка включить такой обзор в текст ограниченного объема не оставила бы возможностей для объяснений или примеров. Вместо этого я решил рассмотреть несколько типичных экспериментов, чтобы продемонстрировать принципы современного ЯМР и его некоторые практические аспекты. При описании новых экспериментов я попытался прежде всего показать их физический смысл и пояснить их в той мере, в какой это возможно без применения математики. Некоторые считают, что следует избегать такого подхода, поскольку он не является опре деленным и информативным. Но это дело личного вкуса, поэтому я надеюсь, что вы отнесетесь ко мне с должной терпимостью, если вам 18 Глава иногда покажется, что я слишком упрощаю объяснения или провожу физические аналогии слишком далеко.

Начальной точкой для наших рассуждений должно быть введение в методы Фурье (гл. 2). Несмотря на то что они широко используются уже много лет, химики все еще имеют слабое представление об их достоинствах и ограничениях. Еще недавно можно было мириться с этой ситуацией, хотя она уже была далека от идеальной, поскольку в простых рутинных одномерных спектрах мы редко встречаемся с ограничениями метода Фурье. Но положение в корне меняется для двумерных экспери ментов, которые описаны в гл. 8-10. Велико искушение пренебречь техническими аспектами спектроскопии ЯМР, особенно когда кажется, что математический смысл их не вполне ясен. Но в этом случае нужно себя перебороть. Спектроскопия ЯМР столь важна для химиков, что мы не можем пользоваться ею в качестве «черного ящика».

При обсуждении импульсных экспериментов нам потребуется не которая модель для их описания. Наглядный способ описания дан в гл. 4. Большая часть содержания книги требует знания материала гл. и 4, поэтому эти главы необходимо прочитать первыми. Остальные главы не так сильно связаны друг с другом. Гл. 5 посвящена только ядерному эффекту Оверхаузера. В гл. 6 идея переноса поляризации изложена сначала на частном примере, а затем развита в более общей форме в гл. 8 и 9. Общее представление о двумерном ЯМР вводится в первой части гл. 8. Эта часть является необходимым введением в последние три главы. Рассуждения о методиках двумерной спектро скопии с преобразованием Фурье отдельно от их приложений выглядят абстрактными, поэтому в гл. 8 также разбирается один из типов двумерного эксперимента-гомоядерная корреляционная спектроскопия.

Гл. 9 посвящена гетероядерной корреляционной спектроскопии, а в гл. 10 описаны различные эксперименты, в которых имеют дело с мультиплетной структурой (J-спектроскопия).

Две оставшиеся главы (3 и 7) посвящены экспериментальным мето дикам. Я думаю, что очень важно уметь запасаться опытом эксперимен тальной работы с ЯМР всякий раз, когда для этого появляется возмож ность. Тогда достаточно сухие и абстрактные рассуждения приобретают совершенно другую окраску. Тот, кто сам постоянно работает на импульсном фурье-спектрометре, без большого труда может понять важность цифрового разрешения, времени регистрации данных, функций фильтра и т. п. Невозможно дать исчерпывающее руководство по всему экспериментальному ЯМР [1] в двух главах, поэтому я вынужден был провести отбор материала. Я сознаю, что мой выбор может показаться довольно странным. Он основан на моих личных наблюдениях за многими исследователями, которые начинали осваивать спектрометры с высокими магнитными полями, и на анализе тех трудностей, с которы ми сталкивались такие новички.

Я включил изложение основ экспериментальной техники в первую часть гл. 3, так как часто имел возможность наблюдать, как многие О чем эта книга новички на чрезвычайно дорогом и трудно доступном спектрометре начинали измерять спектр образца, который непригоден даже для спектрометра на 60 МГц. Высокочастотные спектрометры ЯМР явля ются высокопрецизионными приборами, и образцы для них должны быть тщательно приготовлены. Большая часть гл. 3 посвящена методи ческим трудностям, связанным с разрешением и чувствительностью.

В этой главе также дано критическое обсуждение тестов, используемых для проверки работы спектрометра. Я надеюсь, что оно будет полезно всякому, кто собирается покупать прибор.

В гл. 7 приводится дополнительная информация об эксперименталь ных методах. Новички быстро сообразили, что даже полное понимание теории гетероядернои корреляционной спектроскопии не приносит поль зы, если экспериментатор не может измерить ширину импульса в канале развязки. Навыки таких экспериментов до сих пор передаются изустно.

Собрав вместе несколько простых процедур, я попытался создать более доступное описание этих новых экспериментов. В гл.7 также рассказано о том, каким образом выбрать экспериментальные параметры для получения оптимальной чувствительности или количественных резуль татов. В ней также описаны различные процедуры, такие, как подавление сигналов, составные импульсы и селективное возбуждение, которые не вошли в другие главы, но заслуживают рассмотрения.

1.4. Что можно сделать с помощью ЯМР Многие книги по спектроскопии включают главу по «способам решения задач» или подборки типичных спектров и задач. Несмотря на то что в книгу включено множество примеров, я совершенно намеренно уклонился от попытки подробно рассказать вам, что делать с новым экспериментом. Для этого существуют две причины. Первая полностью личного характера: я понял, что сам никогда не читаю подобные разделы в других книгах. Ведь спектральные проблемы либо тривиаль ны (в этом случае они неинформативны), либо требуют столь больших усилий, что большинство людей не будет в них вникать. Чтобы вы должным образом заставили работать свой мозг, вам нужен стимул.

Изучаемое соединение должно быть творением ваших рук. Однако эта причина не столь важна, как вторая.

К настоящему времени многие новые эксперименты не используются настолько долго, чтобы судить об их полезности. Мой собственный взгляд на это, естественно, обусловлен личным опытом - типом соедине ний, которые мне приходилось изучать, и тем оборудованием, которым я располагал для работы. Это последнее обстоятельство особенно важно. Если бы вы спросили меня в прошлом году: «Что вы думаете о трехквантовой фильтрации?», то я бы ответил так: «Я не знаю, мы не получили достаточно хорошего фазовращателя». В этом году мой ответ звучал бы так: «Кажется работает, но мы еще не решали этим методом реальных задач». И кто знает, как я отвечу в следующем году. Моя 2* 20 Глава позиция состоит в том, что я не хочу навязывать вам мои сегодняшние идеи относительно быстро развивающегося предмета. Намного важнее развить у вас достаточное понимание предмета для того, чтобы вы сами были в состоянии оценить вашу позицию.

Говорят, что стоит попытаться обрисовать перспективу последних достижений в области ЯМР. Применение спектроскопии ЯМР охватыва ет очень широкий круг задач: с простого определения структуры к иссле дованию конформаций ферментов в растворе и далее к мониторингу метаболизма in vivo и медицинской диагностике. Несмотря на все это разнообразие, фактически существует всего несколько главных идей, лежащих в основе всех экспериментов. Следующие разделы могут стать более понятными позднее, когда вы дочитаете книгу до конца, но тем не менее приходится начинать именно с них.

Все эксперименты, описанные в книге, основаны на наличии связи между магнитными ядрами. Скалярное спин-спиновое взаимодействие (J-взаимодействие) хорошо известно. Это оно вызывает расщепление линий в обычных спектрах. Такое взаимодействие является важным для всех экспериментов, кроме тех, которые основаны на ЯЭО. Сам по себе ЯЭО также определяется взаимодействием между ядрами, но это диполь ное взаимодействие, о котором подробнее рассказано в гл. 5.

Важность спин-спинового взаимодействия при определении структу ры достаточно ясна из одномерных протонных спектров. Изучая струк туру мультиплетов, мы часто можем решить, сколько соседей имеет протон. Мы даже можем проследить последовательность соседних протонов, анализируя расщепления. Эксперименты с гомоядерной раз вязкой еще более облегчают идентификацию ядер-соседей. Высокая информативность КССВ связана с тем, что их величины легко пред сказать для разных фрагментов. Для протонов константы через 2 и 3 свя зи всегда лежат примерно в области от 2 до 20 Гц, а константы через большее число связей очень малы. Предсказуемость КССВ, а также тот факт, что они позволяют определить пары взаимодействующих ядер, делают их чувствительным индикатором молекулярной структуры. В противоположность этому химические сдвиги позволяют только грубо оценить химическое окружение индивидуального ядра.

Основу «современного» ЯМР составляет наше возросшее умение воздействовать на связанные системы. Более глубокое понимание их природы позволяет найти наилучшие способы проведения обычных измерений и разработать эксперименты, которые, подобно спиновой развязке, дают возможность создавать полную картину спиновой систе мы (гл. 8 и 9). На нем же основан ряд методов наблюдения ядер с низкими резонансными частотами, в которых их взаимодействие с протонами используется как «рычаг» для усиления их сигнала (гл. 6).

Оба этих приема позволяют осуществлять то, что уже давно возможно и в традиционном ЯМР. Но они облегчают работу, ускоряют экспери мент, делают его более информативным или более общим. Некоторые эксперименты являются совершенно новыми. Примером может служить О чем эта книга многоквантовая фильтрация, которая дает возможность различать спи новые системы по числу ядер в них (см. гл. 6 и 8). В последних главах разные эксперименты рассматриваются с точки зрения их возможных приложений, что делает их понимание более определенным. Но следует иметь в виду, что в основе всех этих экспериментов лежит воздействие на энергетические уровни спиновых систем, возникающие вследствие взаимодействий между магнитными ядрами.

Вторая большая область современного ЯМР-применение метода Фурье для анализа данных. В следующей главе будет показано, что это ускоряет процесс получения информации, что весьма существенно, поскольку сигналы ЯМР имеют низкую интенсивность. Использование метода получения данных как функции времени в экспериментах, включающих две или более временные переменные, может дать исклю чительные преимущества как в скорости, так и в разрешающей способ ности (гл. 8-10). Двумерное преобразование Фурье является важным дополнением к представлениям о взаимодействии, на которых основаны новые эксперименты. Оно увеличивает эффективность обработки дан ных. С его помощью можно косвенным методом обнаруживать такие явления, как, например, переходы между энергетическими уровнями, «запрещенные» квантовомеханическими правилами отбора.

1.5. Маленькая прогулка вокруг спектрометра ЯМР Чтобы понять, о чем мы говорим в последующих главах, познако мимся с современным высокочастотным спектрометром и его важней шими компонентами (рис. 1.3). Наблюдать протонные спектры на резо нансных частотах выше 100 МГц можно только с использованием сверхпроводящих магнитов. Соленоид (рис. 1.4), намотанный из сплавов ниобия, погружен в емкость с жидким гелием, которая находится внутри высококачественного криостата (большой цилиндр справа на рис. 1.3).

Криостат имеет внешнюю охлаждающую рубашку для охлаждения «радиационного экрана», заполненную жидким азотом. Продуманная конструкция и тщательное изготовление криостата обеспечивают низкий расход жидкого гелия. Его добавляют в криостат каждые 2-9 мес в зависимости от модели конструкции. Спектрометр на рис. 1.3 дает возможность наблюдать протоны на частоте 500 МГц, т. е. напряжен ность поля в центре магнита составляет 11,7 Т.

Внутри отверстия магнита помещен набор градиентных катушек для устранения градиентов поля («шиммы», см. гл. 3), а внутри их находится датчик ЯМР (рис. 1.5)..Датчик-самая ответственная часть всей системы.

Он обеспечивает передачу импульсов к образцу и регистрацию сигналов ЯМР. В спектрометре, показанном на рисунке, датчики вставляются снизу с основания криостата в активную область магнита. При необхо димости датчик можно заменить на другой. Образцы для измерений готовятся в обычных цилиндрических ампулах для ЯМР. Образец опускается через верхнее отверстие в зазор криостата и попадает 22 Глава Рис. 1.4. Соленоид Рис. 1.3. Импульсный фурье-спектрометр ЯМР с рабо магнита спектрометра чей частотой 500 МГц.

ЯМР на 470 МГц (лю безно предоставлено Oxford Instruments Ltd.).

в верхнюю часть датчика (рис. 1.6). Образец вращается вокруг верти кальной оси с помощью воздушной турбинки. Шиммирующие катушки для настройки однородности поля, датчик и образец находятся при комнатной температуре, хотя совсем рядом с ними поддерживается температура жидкого гелия 4 К.

Пульт спектрометра содержит генератор радиочастотных импульсов и приемник для регистрации сигналов ЯМР. Оба этих блока похожи на обычные радиоустройства. В частности, приемник весьма похож на приемный тракт в радио или телевизоре. В современных спектрометрах предусматриваются возможности для получения самых разных им пульсных последовательностей с различной продолжительностью и фазой, т.е. для осуществления «импульсного программирования». Все функции спектрометра обычно находятся под контролем компьютера, который также используется для обработки данных и представления результатов. Электрические сигналы ЯМР превращаются в цифровые данные для ввода в компьютер с помощью аналого-цифрового пре образователя. Именно он часто является узким местом, ограничиваю щим класс экспериментов, которые мы можем выполнять (см. гл. 2 и 3).

О чем эта книга Рис. 1.6. Внутрен Рис. 1.5. Набор датчиков ЯМР разной формы и размеров нее устройство дат для образцов различного диаметра и магнитов с различ чика. Образец удер ными теплыми отверстиями.

живается внутри приемно-передаю щей катушки. Ниже можно видеть не которые компонен ты резонансного контура (см. гл. 3).

Разные стандартные компьютерные периферийные устройства (печатаю щее устройство, дисковод, графопостроитель и т. п.) применяются для обработки и представления данных. Почти все спектры в этой книге получены на спектрометре, показанном на рис. 1.3.

Литература I 1. Подробный обзор традиционных аспектов экспериментального ЯМР см.

в книге: Martin M. L., Delpuech J.-J., Martin G. J., Practical NMR Spectroscopy, Heyden, 1980.

Глава Некоторые вопросы импульсного ЯМР 2.1. Введение Регистрация спектров методом непрерывной развертки кажется есте ственной. При этом простой и очевидной представляется идея воздей ствия на образец монохроматического излучения, частота которого варьируется для локализации максимума поглощения. Измерение погло щения энергии до сих пор довольно часто используется в оптической спектроскопии-инфракрасной (ИК) и ультрафиолетовой (УФ). Почему же в таком случае нам необходимо рассматривать столь неочевидную альтернативу, как импульсное возбуждение в случае ЯМР? Чтобы найти ответ на этот вопрос, надо познакомиться поближе с некоторыми особенностями ЯМР (рис. 2.1). На первый взгляд этот спектр выглядит достаточно красиво, но как только мы усилим его в 4 раза, мы обнаружим проклятие всех ЯМР-спектроскопистов-шум.

Трудность состоит в том, что в физически достижимых магнитных полях переходы между уровнями ЯМР имеют очень низкую энергию.

Она мала даже по сравнению с параметром кТ(к-постоянная Больц мана) при комнатной температуре. Вследствие этого разность заселен ностей нижнего и верхнего энергетических уровней также очень мала.

Соответственно, получаемые нами сигналы слабые. Во многих случаях они незначительно превышают шумы, которые неизбежно возникают в электрических цепях спектрометра. Тщательно отрабатывая конструк 1111111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7,5 7,0 6,0 5,5 SJD 4,5 4,0 15 3,0 2,5 2,0 1, м.а Рис. 2.1. Шум - постоянная проблема в спектроскопии ЯМР.

Некоторые вопросы импульсного ЯМР цию, можно снизить до минимума число источников электрического шума, но сигналы ЯМР настолько слабые, что по сравнению с ними заметным оказывается даже тепловое движение электронов в куске проволоки. Поэтому, сколько бы мы ни совершенствовали конструкцию прибора, мы не сможем избежать весьма высокого уровня шума нулевой линии. Следовательно, необходимо найти какой-нибудь другой способ для улучшения отношения сигнал/шум в спектре ЯМР.

Одним из способов улучшения отношения сигнал/шум, позволяю щим обойти естественные ограничения спектрометра, является накопле ние и усреднение сигналов. Мы воспользуемся тем, что можем записать один и тот же спектр несколько раз. Сигналы ЯМР каждый раз появляются на одном и том же месте, и, таким образом, их интенсив ность растет пропорционально числу повторений. При этом судьба случайно возникающего шума немного сложнее;

он не «усредняется», как это часто ошибочно полагают, но растет медленнее, чем сигнал.

Фактически через п повторений амплитуда сигнала увеличивается ровно в п раз, а амплитуда шума при этом увеличивается примерно в ^/п раз.

Таким образом, отношение сигнал/шум улучшается как у/п. Доказа тельство того, что шум растет как квадратный корень из числа экспери ментов, нетривиально, и если этот вопрос вас интересует, то обратитесь к «центральной предельной теореме» в учебниках по статистике.

В спектроскопии ЯМР почти всегда необходимо накопление и усред нение сигналов для улучшения отношения сигнал/шум. В этом состоит отличие ЯМР от других обычных спектральных методов;

чувствитель ность УФ- и ИК-спектрометров значительно выше. Она обычно доста точна для получения спектров высокого качества при однократной записи. Сама по себе необходимость проводить накопление и усреднение многих экспериментов не является тем не менее основанием для ис пользования импульсного возбуждения. В принципе усреднение сигнала может быть применено и в ЯМР с непрерывной разверткой. В началь ный период становления ЯМР действительно применялся такой способ накопления с помощью компьютера (метод CAT, от англ. Computer Averaged Transients). Но этот метод оказался не очень жизнеспособным.

Чтобы понять причину этого, необходимо рассмотреть проблемы, возникающие при многократной записи спектра в режиме с непрерывной разверткой. При этом камнем преткновения становится количество времени, требуемое для получения каждого спектра.

Скорость, с которой мы можем получать данные ЯМР в режиме с непрерывной разверткой, сильно ограничена фундаментальными условиями. Линии ЯМР (спин ядра 1/2) обычно являются «острыми», т. е. энергии соответствующего перехода незначительно изменяются для ядер одного типа. Поэтому нам часто приходится в экспериментах регистрировать близко расположенные линии. Предположим, что наи меньшее расстояние между линиями, которые мы хотели бы разрешить, составляет 1 Гц. Это эквивалентно измерению разности энергий АЕ 26 Глава в h Дж (А - постоянная Планка, Е = hv). Принцип неопределенности гласит:

(2.1) AEAt~h Следовательно, если АЕ = h, то, чтобы выполнить измерение, необхо дим временной интервал порядка 1 с. Что это означает в терминах эксперимента ЯМР с непрерывной разверткой? Измерения проводятся в некоторой полосе частот, где, по нашему мнению, могут находиться резонансные сигналы. Требование проводить измерения каждого интер вала, равного 1 Гц, в течение 1 с ограничивает скорость развертки до 1 Гц/с. В настоящее время типичная ширина протонного спектра состав ляет 10 м.д., т.е. 1000 Гц для спектрометра с рабочей частотой на протонах 100 МГц. Таким образом, для записи такого спектра потре буется 1000 с (около 15 мин). Нам нужно 4 прохождения, чтобы улуч шить отношение сигнал/шум вдвое, и 16-вчетверо, поскольку это соотношение растет пропорционально квадратному корню из числа экспериментов. Тогда, чтобы удвоить сигнал/шум, потребуется 1 ч, а еще раз его удвоить не удастся даже до обеда. Таким образом, применяемая в ЯМР с непрерывной разверткой методика накопления оказывается не очень полезной.

Заметим, что сложность возникла из-за того, что нам требуются измерения с «высоким разрешением». Если мы смягчим требования по разрешению, то сможем быстрее выполнить измерение. Это соотноше ние между скоростью регистрации спектра и разрешением необходимо учитывать не только для спектроскопии ЯМР, но и для всех видов спектроскопии. Просто для ЯМР эта проблема встает наиболее остро.

При регистрации спектров ЯМР ядер со спином 1/2 в жидкостях или в растворах режим с непрерывной разверткой, как будет показано ниже, оказывается, заметно уступает импульсному методу. При регистрации широких линий, например, в спектрах твердых тел, недостатки метода непрерывной развертки не столь существенны, но в этой книге мы не рассматриваем такие спектры. Для решения наиболее важных химичес ких задач нам нужно найти такой быстрый способ регистрации спектра, который бы позволил более эффективно использовать накопление и усреднение сигналов. Однако сначала обратимся к проблеме колоколов, хотя она и кажется здесь не относящейся к делу.

2.2. Настройка колоколов Представим себе большой колокол, скажем церковный, только что отлитый в мастерской. Его еще нельзя использовать. При грубом литье не удается получить красивого гармоничного звучания. Колокол имеет много диссонирующих резонансных частот. Требуется его тщательная настройка, при которой с колокола срезаются слои металла, что изменя ет относительные вклады разных гармоник. Предположим, что в качест Некоторые вопросы импульсного ЯМР ве физиков нас пригласили для того, чтобы изучить возможность автоматизации измерения состава гармоник колокола.

Мы можем предложить схему, немного похожую на следующую.

Установим на колокол источник звука, например громкоговоритель, и какой-нибудь вид принимающего устройства, например микрофон.

С помощью низкочастотного генератора будем создавать в колоколе звук и варьировать его частоту от самых низких до самых высоких, воспринимаемых человеческим слухом. Скорость, с которой мы изменя ем частоту, будет ограничена требуемой точностью измерения и свой ствами самого колокола. Регистрируемый микрофоном отклик колокола будет изменяться при изменении частоты. Мы сможем зафиксировать все его характеристические резонансные частоты, если подадим выход ной сигнал на графопостроитель, с помощью которого получим спектр откликов как функции частоты. Получив спектр, мы можем снять с колокола слой металла и повторять всю процедуру до получения нужного отклика. Этим способом можно выполнить настройку, но работа займет очень много времени, поскольку мы воспользовались методом измерений с непрерывной разверткой.

Тем временем настройщик колоколов, имеющий за плечами годы практики, будет тихо веселиться в углу комнаты, потому что он знает намного более быстрый способ проведения данного эксперимента. Он держит наготове свой верный молоток и, как только мы перестанем путаться под ногами, произведет им по колоколу хороший удар.

Любому, кто не глух к звуковым тонам, тут же станет ясно, что требуемую информацию дает звук колокола. Отклик колокола на импульс (удар молотка) содержит одновременно все характеристические частоты, и мы можем анализировать их прямо на слух. Мы переключи лись с непрерывной развертки на импульсный метод, и преимущество очевидно.

2.3. Импульсный ЯМР 2.3.1. Введение Возможность получить полный частотный отклик системы сразу, с помощью одного эксперимента-это как раз то, что нам нужно для ускорения измерения спектра ЯМР. Способ осуществления «удара мо лотком» в спектроскопии ЯМР, а также способ расшифровки частотной информации в результирующем отклике пока не ясны, но потенциаль ные преимущества этого подхода легко оценить. В эксперименте с не прерывной разверткой для получения разрешения в 1 Гц на ширине спектра в 1000 Гц нужно затратить 1000 с. Но если мы научимся анализировать отклик образца на импульс, то, очевидно, сможем завер шить такой альтернативный эксперимент как раз за 1 с. При этом на измерение каждой частоты по-прежнему будет расходоваться 1 с, по скольку теперь мы измеряем все частоты одновременно, а не одну за Другой. Это очень важный вывод, и поэтому я повторю его еще раз. Мы 28 Глава можем перейти от последовательного измерения (эксперимент с непре рывной разверткой) к одновременному измерению (импульсный экспе римент) и, таким образом, уменьшить полное время эксперимента.

На этом основании можно заключить, что мы получим тысяче кратный выигрыш во времени (преимущество Фелгетта). На самом деле это верно только для единичного измерения. Выигрыш при многократ ном повторении, что необходимо для накопления и усреднения сигнала, будет значительно меньше. До сих пор мы рассмотрели только один фундаментальный вопрос точности. При более близком знакомстве с импульсным экспериментом мы увидим, что другие свойства ядерной системы ограничивают максимальную частоту повторения измерений.


Однако оказывается, что в этом случае использование импульсных методов для возбуждения сигналов ЯМР дает весьма значительную экономию времени. Это и стало изначальным стимулом широкого распространения импульсного ЯМР. Далее в этой главе мы предполага ем показать, как осуществляются импульсные эксперименты и, в част ности, как анализируются получаемые этим методом данные. Помимо быстроты импульсные методы обладают другими многочисленными интересными особенностями, которые и составляют предмет обсужде ния в этой книге.

2.3.2. Возбуждение образца При настройке колокола методом «непрерывной развертки» мы применяли слабое механическое возбуждение, а для выполнения экспери мента в «импульсном» режиме нам было необходимо сильное возбужде ние. Поскольку в методе ЯМР с непрерывной разверткой также исполь зуется облучение «слабым» радиочастотным генератором, то, как легко представить, в импульсном эксперименте нужен мощный генератор. Это так, но из всего этого нельзя понять, что означает «слабый» или «мощный» в данном контексте, или как определить, что такое достаточ но короткий «импульс» в эксперименте ЯМР. Для правильного понима ния этих вопросов нам надо дойти до гл. 4. Тогда наши знания будут достаточными для точного анализа процессов, протекающих внутри образца, когда он подвергается действию импульса. Однако уже на основании самых общих соображений мы можем доказать, что радио частотный «импульс» должен иметь определенные характеристики.

Мы хотим возбудить сигналы ЯМР, лежащие в определенном частотном интервале, но в нашем распоряжении имеется радиочастот ный генератор, настроенный на одну длину волны. Следовательно, мы должны разработать способ использования единственной частоты для возбуждения множества частот. Для того чтобы понять, как это можно сделать, мы вновь воспользуемся принципом неопределенности. Если облучение применяется в течение времени At, то, рассуждая точно так же, как и раньше, мы имеем Некоторые вопросы импульсного ЯМР (2.2) hA\At~h Следовательно, для монохроматического излучения появляется неопре деленность по частоте, равная 1/Д/ Гц, если его длительность составляет Дгс. В импульсном эксперименте А г-это ширина импульса. Поэтому, чтобы возбудить все сигналы в нашем спектре шириной 1000 Гц, нужен импульс не длиннее 1 мс. И вновь это лишь грубая оценка по порядку величины на основе самых общих принципов. Позднее мы поймем, почему импульс должен быть намного короче (порядка нескольких микросекунд). И все же из этого по крайней мере стало ясно, какой тип «импульса» требуется в ЯМР.

Вот основной способ проведения импульсного эксперимента ЯМР.

Образец подвергается короткому, как всплеск, действию радиочастоты длительностью заведомо меньше 1 мс. Время измерения возникающих при этом сигналов зависит от требуемой точности. В обсуждаемом нами примере оно составляет 1 с.Точно так же как колокол перестает звучать совсем благодаря физическому затуханию его вибрации, так и отклик ЯМР спадет в течение следующего за импульсом периода времени.

Такой затухающий отклик называют спадом свободной индукции (ССИ).

Затем мы можем повторить эксперимент для улучшения отношения сигнал/шум. После выполнения достаточного числа повторений мы получаем в свое распоряжение данные, содержащие информацию обо всех частотах в спектре ЯМР, однако в непривычной для нас форме.

В случае колокольного звона интуитивно очевидно, что такая необычная форма содержит такую же информацию, что и эксперимент с непрерыв ной разверткой, и, используя свои органы чувств, мы можем извлечь из нее желаемые детали. Теперь мы должны вернуться к вопросу о том, как выделить нужный нам спектр в его привычном виде из данных ЯМР, полученных в импульсном режиме.

2.3.3. Время и частота Какая разница между сигналами, которые мы получаем в экспери менте с непрерывной разверткой и в импульсном эксперименте? В мето де непрерывной развертки, меняя частоту радиочастотного поля, мы измеряем зависимость амплитуды сигнала от частоты (измерение в частотном представлении). Однако при регистрации данных после импульса мы измеряем то, как амплитуда развивается во времени (т. е.

во временном представлении) (рис. 2.2). По своей природе время и часто та обратно пропорциональны друг другу, поэтому может существовать прямая взаимосвязь между двумя формами представления данных, и оказалось, что это действительно так. Преобразование Фурье позволяет нам переходить от одного представления к другому и является обычным методом анализа результатов импульсных экспериментов. Сам по себе Фурье-анализ составляет целый раздел математики. У нас нет времени подробно рассматривать его в этой книге, но по крайней мере мы можем 30 Глава g Частота Рис. 2.2. Два различных взгляда на одну и ту же электромагнитную волну: амплитуда как функция вре мени (временное представление) и амплитуда как функция частоты (частотный спектр).

убедиться, что переходы от частотного представления к временному и обратно являются реально выполнимыми операциями.

Для этого требуется тщательное рассмотрение природы каждой формы представления данных. Частотный спектр состоит из набора «пиков», интенсивности которых воспроизводят соотношения всех при сутствующих частотных компонент. При предельном разрешении каж дый пик был бы совершенно узким, но в действительности все они имеют конечную ширину по частоте. Во временном представлении в результате наложения всех резонирующих частот мы будем наблюдать осцилляцию, которая является суммой составляющих частот с соот ношениями их амплитуд в частотном представлении. Вопрос о том, можем ли мы найти взаимный переход между этими двумя представле ниями, эквивалентен вопросу, можно ли найти комбинацию частот и амплитуд, которая описывала бы осцилляцию, наблюдаемую во временном представлении. Эту процедуру можно выполнить прямым способом, просто численно моделируя различные комбинации частот и сравнивая результат с экспериментальными данными. В принципе эта процедура должна работать, хотя и неясно, сколько времени это потребовало бы на практике. Фактически ее удается осуществить, но объем вычислений при этом намного больше, чем требует метод фурье-преобразования (см. разд. 2.6).

Более детальный анализ проблемы приводит к следующему извест ному выражению, связывающему два типа представления данных [1]:

f((o)=+ff(t)eiatdt (2.3) ~ ОС Здесь/(/) описывает данные во временном представлении, а /(«^-требу емый частотный спектр. Эта формула имеет ряд неприятных особенно Некоторые вопросы импульсного ЯМР стей. В нее входит интеграл, а подынтегральное выражение включает комплексное число. К счастью, их не так сложно преодолеть. Получен ные сигналы ЯМР могут быть преобразованы к цифровому виду, интеграл может быть аппроксимирован суммой, а для его вычисления существует эффективный алгоритм-алгоритм быстрого фурье-преобра зования Кули и Тьюки. Если принять, что соотношение (2.3) справедли во, то можно перейти к более неотложному вопросу о том, как его можно применять в практической деятельности.

2.4. Практическое выполнение импульсного ЯМР 2.4.1. Введение В этом разделе я хочу показать, как довольно абстрактные идеи разд.

2.3 применяются на практике. Мы уже убедились, что измерять отклик ЯМР (ССИ), следующий за импульсом, весьма выгодно, так как экспе римент можно провести быстрее. Я утверждал, что у нас есть реальные возможности выделять из полученных данных известные спектральные частоты и что преобразование Фурье является наиболее общим спосо бом для этого. Эта идея перехода от одного вида представления данных к другому составляет основную трудность для тех, кто впервые сталки вается с импульсной фурье-спектроскопией ЯМР. Лучший способ пре одолеть ее-посидеть у спектрометра и понаблюдать за ходом вычис лений. Если у вас есть шанс поступить таким образом, то не упустите его. Вы можете кое-что увидеть и понять.

На рис. 2.3 (вверху) показан ССИ образца (смесь H 2 O/D 2 O), в спект ре которого содержится только одна линия. Он имеет ряд ожидаемых нами характерных особенностей. Осцилляции (биения), соответствую щие по частоте химическому сдвигу линии, затухают в течение несколь ких секунд. Почему это происходит, будет ясно из гл. 4. Но из простых физических соображений очевидно, что такой спад должен происходить.

Ниже мы видим результат цифрового преобразования к частотному представлению. ССИ существует в течение конечного времени, поэтому возникает некоторая неопределенность в определении частоты и линия имеет характерную форму. Форму линии, которую мы видим на этом рисунке, называют лоренцевой. Она является результатом преобразова ния экспоненциально спадающего ССИ, что типично для сигналов в спектрах жидкостей.

Существует ряд трудностей, связанных с выполнением этой последо вательности операций в импульсном ЯМР. Сигналы ЯМР представляют собой высокочастотные электромагнитные колебания, а нам необходи мо анализировать их в цифровом виде. Процесс перевода данных ЯМР в удобную для цифрового анализа форму налагает на эксперимент определенные ограничения, которые очень важно понять. Мы должны взять электрическое колебание, превратить его в цифровой ряд и в таком виде записать его в память так, чтобы можно было повторять процесс 32 Глава Рис. 2.3. Преобразование Фурье ~~ переводит сигнал во временном ^ГТП_П_ГТ^ТТ_Г1_ГТТГТ^ГТ1-ПТТ_П^ТТТТТ^ТТ^^ представлении (вверху) в соот що 200 150 100 50 ' ветствующий частотный спектр Гц (внизу).

при накоплении и усреднении сигналов. Каждая из этих операций вносит свои трудности и ограничения. До недавнего времени вычисления при фурье-преобразовании требовали значительного времени на имевшихся компьютерах. Сейчас заметные трудности возникают только в случае двумерных экспериментов, в которых приходится обрабатывать боль шие массивы данных.


2.4.2. Детектирование и регистрация Введение. Преобразование электрических сигналов к цифровому виду является весьма общей задачей. Для этого используются аналого-цифро вые преобразователи (АЦП). АЦП превращает подаваемое на его вход напряжение в двоичное число, воспроизводящее его величину. Важными характеристиками АЦП являются время, затрачиваемое на эту опера цию, и число бит, используемых для двоичного представления чисел {разрешение АЦП). Обе эти характеристики определяют, какой вид эксперимента ЯМР мы можем проводить. В гл. 3 (см. в разд. 3.4. параграф «Динамический диапазон и разрешение АЦП») обсуждается влияние скорости преобразования и разрешения АЦП.

Сигналы ЯМР возникают в приемнике нашего спектрометра, и на первый взгляд можно было бы прямо регистрировать их с помощью АЦП (рис. 2.4). Однако быстро выясняется, что это слишком трудно.

Например, в протонном спектре на частоте 500 МГц все возникающие радиочастотные сигналы имеют частоты, близкие к 500 МГц, и мало различаются в соответствии со своими химическими сдвигами в этом Некоторые вопросы импульсного ЯМР Эотпчик приемник пре9 Л усилшпель авоичные ЛЛ/ числа в ЭВМ -У' импульсы переЗат цик РИС. 2.4. Простейшая, но не самая лучшая схема для проведения фурье-экспери мента ЯМР.

диапазоне. Для протонов типичен диапазон в 10 м. д. или 5000 Гц.

Следовательно, резонансные частоты лежат, в интервале от 500 000 до 500 005 000 Гц. В принципе можно попытаться напрямую оцифровать эти сигналы. Однако задача заметно облегчается, поскольку в действи тельности нам нужно знать только разности резонансных частот (хими ческих сдвигов). Вычтем из сигнала ЯМР некоторую опорную частоту, скажем 500 МГц. Тогда нужно провести оцифровку частот, которые изменяются от 0 до 5000 Гц, в соответствии с диапазоном химических сдвигов. В сущности высокая частота (все мегагерцы) не представляет интереса, поскольку она является всего лишь несущей частотой, а нуж ная информация содержится в химических сдвигах. Подобно этому в радиовещании радиоволны используются для переноса звуковых сигналов от одной точки к другой. Радиопередачи выглядели бы чрезвы чайно странно, если бы мы сразу же не вычитали из сигнала несущую частоту!

Схема реального импульсного спектрометра должна содержать устройство для детектирования сигнала (рис. 2.5). В гл. 4 (разд. 4.3.5) мы увидим, что существуют различные способы детектирования. Здесь же мы можем представить его как- вычитание из сигнала частоты, которая ниже, чем частота самого низкочастотного ожидаемого сигнала в спектре. Выходной сигнал детектора, содержащий частоты от 0 до 5000 Гц для нашего протонного спектра на 500 МГц, направляется к АЦП. Теперь нам предстоит решить, как часто и как долго нужно вести выборку для этого сигнала.

Выборка данных. Мы уже касались вопроса о том, как много времени требует выборка ССИ, и пришли к выводу о преимуществах импульсно го метода. Если мы хотим различить две линии, разделенные в спектре интервалом Av Гц, то выборка должна продолжаться не менее 1/Av с.

При этом мы предполагаем, что сигналы ЯМР существуют в течение всего этого времени. Если же они затухают до нуля раньше, то мы не 3- 34 Глава Рис. 2.5. Более чувствительная схема фурье-эксперимента ЯМР включает детек тирование от опорной частоты.

можем различить так близко расположенные линии, потому что соб ственная ширина линии в образце окажется слишком большой. Время, затрачиваемое на выборку данных, называется временем регистрации А,.

Индекс t может показаться лишним в данный момент, но он нужен для описания экспериментов, где используется несколько времен регистра ции. С ними мы познакомимся позднее.

На практике необходимо, чтобы разрешение было ограничено свой ствами образца, а не методом измерения. Поэтому используется доста точно длинное время регистрации протонных сигналов, чтобы заре гистрировать почти весь ССИ (обычно 2-3 с). Для других ядер достиже ние высокого разрешения не столь важно. Важнее быстро провести регистрацию данных. Поэтому для них мы проводим выборку только начальной части ССИ. Такое обрезание данных дает несколько интерес ных эффектов, обсуждаемых позже.

Продолжительность выборки зависит от минимальной разности частот, которую мы хотим зарегистрировать, а скорость выборки определяется общим диапазоном спектра. Выборка проводится по точ кам через конечные интервалы времени. Ясно, что при этом нельзя точно воспроизвести полностью произвольную форму линии, поскольку не ясно, что происходит между точками. Однако сигналы ЯМР являются периодическими колебаниями, и для каждого эксперимента мы знаем, какая самая высокая частота может присутствовать в спектре. Это означает, что можно вычислить скорость выборки, достаточную для характеристики данных: если присутствуют частоты до Ж Гц, то сигнал должен выбираться каждые 1/2 Jf с.

Самую высокую частоту JT, которая может быть охарактеризована при выборке с такой скоростью, называют частотой Найквиста, но в спектроскопии ЯМР она часто называется просто шириной спектра.

По аналогии с методом ЯМР с непрерывной разверткой иногда ширину спектра, определяемую скоростью выборки, называют «шириной раз Некоторые вопросы импульсного ЯМР вертки». Однако это может ввести в заблуждение, так как нет развертки в импульсном эксперименте. В этой книге мы будем использовать термины «ширина спектра», «спектральный диапазон» или «частота Найквиста». Заметим, что максимально возможная ширина спектра для данного спектрометра определяется качеством его АЦП, поскольку существует верхний предел скорости выборки сигнала. В спектрометрах, предназначенных для регистрации спектров высокого разрешения, время самого короткого преобразования в АЦП обычно лежит в диапазоне от 10 до 3 мкс, при этом максимальная ширина спектра составляет от 50 до 150 кГц.

Вывод соотношения между скоростью выборки и шириной спектра был бы слишком большим отступлением от темы. Однако порядок величины этого соотношения легко оценить при рассмотрении процесса выборки данных (рис. 2.6). Пусть нам необходимо охарактеризовать синусоидальную волну, делая выборку значений напряжения в дискрет ных интервалах. Очевидно, что частота выборки не должна быть много ниже частоты волны, поскольку в таком случае каждый цикл характе ризуется менее чем одной точкой. Подобным же образом не имеет смысла делать выборку много раз в течение одного цикла, так как мы можем восстановить полную форму периодической волны всего по нескольким точкам (фактически по двум).

Интересно рассмотреть, что происходит с формой волны, частота которой больше, чем частота Найквиста (рис. 2.7). Мы видим на рисунке два сигнала: один с частотой F(F Ж) и другой с частотой 2Ж — F (явно больше Ж). Отметим, что оба они проходят через одни и те же точки выборки. Более высокочастотное колебание имеет дополнитель Рис. 2.6. Цифровая выборка двух различных колебаний через равные интервалы (показаны вертикальными линиями). При интервале между точками выборки 100 мкс этот рисунок представляет первые миллисекунды выборки при частоте Найквиста 5 кГц, а два представленных здесь колебания имеют частоты 4, и 1,2 кГц.

36 Глава Рис. 2.7. Попытка провести оцифровку колебания при частоте большей, чем частота Найквиста (детали см. в тексте).

ные максимумы между точками выборки, но после оцифровки информа ция о них будет утеряна. Этот пример демонстрирует очень важную особенность спектроскопии, использующей цифровую выборку: часто ты, лежащие вне полосы, определенной данной скоростью выборки, все же детектируются, но их положения в спектрах неверны. Вследствие этого в спектрах возникают ложные сигналы, которые называют мни мыми или отраженными. Пример их проявления в реальном спектре приведен в разд. 2.5.5.

Эти соображения по поводу выборки имеют важные практические следствия для экспериментальной импульсной спектроскопии ЯМР.

Предположим, что мы хотим иметь разрешение 0,2 Гц в эксперименте с временем регистрации А, = 5 с. Если мы наблюдаем протоны при 500 МГц, то желательно иметь ширину спектра около 5000 Гц. Следова тельно, в соответствии с критерием Найквиста необходимо проводить выборку сигнала каждые 1/10000 с ( = 0,1 мс). В результате за 5 с будет получено 50 000 чисел, которые нужно запомнить и для которых впоследствии нужно выполнить преобразование Фурье. На большинстве современных спектрометров можно легко обрабатывать такие массивы данных, но при выполнении двумерных экспериментов, в которых число точек возрастает в квадрате, оцифровка на основе этого принципа становится немыслимой.

Контроль ширины полосы. При оцифровке сигнал будет содержать информацию о всех частотах, но часть их будет воспроизведена неверно.

Это главный недостаток импульсного ЯМР, и чем больше об этом думаешь, тем хуже все кажется. Наиболее очевидной проблемой являет ся невозможность исключить из спектра неинтересные для нас пики, например интенсивные резонансные сигналы растворителей. В спектро Некоторые вопросы импульсного ЯМР полосовой Эетектор фильтр А П | числа П ЭВМ-контроль опорное напряжение РИС. 2.8. В еще более совершенной схеме импульсного фурье-эксперимента ЯМР перед АЦП помещается полосовой фильтр.

скопии ЯМР с непрерывной разверткой, выбирая соответствующим образом диапазон развертки, мы можем просто не записывать область спектра, где находится такой очень интенсивный пик. Но в импульсном ЯМР импульс неселективно возбуждает все сигналы, а если при этом учесть особенности цифровой выборки, то станет ясно, что мы получим в спектре все пики, хотим мы того или нет. Связанные с этим трудности обсуждаются в гл. 3 (разд. 3.4.3), а различные сопутствующие им обстоятельства - в гл. 7 (разд. 7.7.2).

Даже если нам удастся сделать так, что все пики попадут внутрь спектрального диапазона при заданной нами скорости выборки, то все равно что-нибудь будет лежать за его пределами. Это электрический шум, который содержит бесконечный диапазон частотных компонент (белый шум) и от которого мы старались избавиться. На первый взгляд это кажется фатально слабым местом в схеме импульсного ЯМР.

В сущности в спектре может отразиться неограниченное количество шума, что полностью сведет на нет любой выигрыш в чувствительности, полученный за счет накопления. Чтобы избежать этой катастрофы, необходимо ограничить электрическую ширину полосы спектрометра, поместив полосовой фильтр перед АЦП. Тогда мы получим третью схему приемника, показанную на рис. 2.8.

Для различных спектрометров необходимо задавать различные спектральные диапазоны, должна регулироваться ширина полосы в этом фильтре от нескольких герц до максимально возможной для данного АЦП. При работе спектрометра установка ширины полосы фильтра часто не видна. Ее задает программа компьютера, как только мы установим скорость выборки данных. Однако важно помнить о сущест вовании этого фильтра. На рис. 2.9 показано, как влияет на вид спектра выбор ширины спектра и ширины полосы фильтра. Такой выбор является нетривиальной задачей, а связанные с этим разнообразные искажения в спектрах рассматриваются в других главах.

Глава sooo о -sooo Гц 200 150 SO -SO -100 -ISO - 200 ISO 100 SO -50 -100 -ISO - ГЦ Рис. 2.9. Иллюстрация важности полосового фильтра. На спектре вверху боль шие значения имеют как спектральная ширина, так и ширина полосы фильтра.

Ширина среднего спектра была уменьшена, в то время как фильтр остается неизменным;

все шумы, наблюдаемые в верхнем спектре, отражаются на новую область наблюдения. При правильной установке фильтра, соответствующего новой ширине спектра (внизу), сильно улучшается отношение сигнал/шум.

2.4.3. Преобразование После того как путем накопления и усреднения получено достаточно хорошее отношение сигнал/шум, цифровые данные должны быть пре образованы в частотное представление. В разд. 2.5 обсуждаются практи ческие аспекты этой процедуры, а также ряд очень интересных операций, которые можно провести с временным представлением данных перед их Некоторые вопросы импульсного ЯМР преобразованием. Здесь же, перед более обстоятельным обсуждением методов детектирования в гл. 4, я хочу кратко остановиться на смысле терминов, используемых в преобразовании Фурье. Тот, кто испытывает затруднения, может опустить этот раздел, взяв из него лишь то, что касается двух форм лоренцевой линии.

Вспомним формулу для преобразования Фурье:

/(©)= J f(t)eim (2.3) dt — оо Здесь/(г) может быть комплексной функцией, но при описании экспери мента мы показали, что она действительная и описывает временную зависимость амплитуды сигнала ЯМР. Несмотря на это, /(со) может быть комплексной из-за того, что под знаком интеграла стоит комплекс ная экспонента. На первый взгляд это кажется непонятным, но объясня ется весьма просто. Представим экспоненту в ее альтернативной форме как комбинацию тригонометрических функций:

eim = cos(co t) + «sin (со t) (2.4) Видно, что преобразование в таком случае имеет действительную и мнимую части:

+ Re [/(со)] = J /(/) cos (со t) d t — оо Im[/(co)]= J f(t)sia(a,t)dt (2.5) — Каждая из этих частей содержит представление спектра, однако при этом с различными формами лоренцевой линии. Если выполняются определенные экспериментальные условия (см. гл. 4), то действительная часть преобразования соответствует сигналу поглощения, а мнимая -сиг налу дисперсии (рис. 2.10). Спектры ЯМР принято записывать в форме сигналов поглощения, таким образом, для регистрации используется действительная часть спектра.

Рис. 2.10. Формы представления лоренцевой линии: в виде сигнала поглощения (слева) и в виде сигнала дисперсии (справа);

отметим широкие крылья у линии дисперсии.

40 Глава Рис. 2.11. Два колебания с равными частотой и амплитудой могут различаться по фазе (в данном случае на я/5 рад).

Рис. 2.12. При изменении фазы сигнала во временном представлении (здесь шагами в 10°) в частотном спектре к сигналу поглощения примешивается сигнал дисперсии, что приводит к изменениям формы линии, показанным на рисунке.

Возникновение двух форм спектра при преобразовании показывает, что существует еще одна переменная во временном представлении, которую мы не рассматривали. Каждый сигнал ЯМР имеет свою характерную амплитуду и частоту, но колебание имеет еще и фазу, которая указывает момент времени, соответствующий началу волны (рис. 2.11). Все сигналы могут иметь отличную от нуля одинаковую фазу или различные фазы при различных частотах, что найдет отражение в соотношении действительной и мнимой частей преобразования. В гл. мы рассмотрим этот вопрос более тщательно;

там же предложена схема эксперимента, при которой функция f(t) становится комплексной, т. е.

сигнал во временном представлении имеет две компоненты. Отметим, Некоторые вопросы импульсного ЯМР что изменение фазы во временном представлении приводит к смещению действительной и мнимой частей частотного представления спектра. Это приводит к форме линии, содержащей наряду с компонентой поглоще ния также вклад дисперсии (рис. 2.12).

2.5. Практические аспекты фурье-спектроскопии ЯМР 2.5.1. Введение Химики, использующие фурье-спектроскопию ЯМР от случая к слу чаю, часто не хотят вникать во все детали детектирования, оцифровки, запоминания и преобразования данных, которые рассматриваются в разд. 2.4. Для многих простых приложений ими действительно можно пренебречь, поскольку налагаемые методом ограничения не препят ствуют интерпретации результатов на простом качественном уровне.

Например, пусть протонный спектр шириной 10 м. д. занимает лист бумаги длиной 50 см. При рабочей частоте прибора 500 МГц это означает, что спектр записан в масштабе 100 Гц/см. Точки данных, воспроизводящие спектр, в этом случае располагаются на расстоянии 0,4 Гц друг от друга. Следовательно, на каждом сантиметре рисунка расположено 500 точек, которые образуют практически сплошную линию. Влияние оцифровки здесь незначительно, и в этом случае для нас не важно, что спектр может не быть непрерывной линией. Для рутинных анализов или проверок чистоты образцов таких спектров вполне доста точно. Но как только мы беремся за решение действительно сложных структурных задач, этот подход уже не может нас удовлетворить.

При решении таких задач необходимо использовать спектрометр на пределе его возможностей. Имея мощный и дорогостоящий фурье спектрометр ЯМР, нет смысла применять его подобно прибору с непре рывной разверткой, спектры которого отличаются лишь тем, что не имеют раздражающих «виглей» после сигнала и занимают чуть боль ший диапазон частот. В следующих разделах описываются различные особенности спектров с преобразованием Фурье. Для них существуют как преимущества, так и ограничения.

2.5.2. Цифровое разрешение и время регистрации Введение. До сих пор мы рассматривали параметры, используемые при выборке в основном в терминах времени. Ширина спектра определя ет интервал между измерениями сигнала, а требуемое разрешение-об щую продолжительность выборки. Это удобно при постановке экспери мента, поскольку измерения проводятся во временной области. Однако после преобразования данных более естественным становится проанали зировать эти параметры в терминах частот. Если мы обозначим интер вал между точками выборки данных в частотном спектре через 0tt Гц {цифровое разрешение), то получим 42 Глава тл = i/A, • (2.6) Чтобы охарактеризовать спектральную ширину F, мы проводили вы борку через каждые 1/2 F с. Следовательно, общее число выбранных точек N равно 2F-A,. Поскольку только половина этих точек воспроиз водит действительную часть спектра, цифровое разрешение равно 2F/N.

При ближайшем рассмотрении мы можем видеть, что это абстракт ное рассуждение имеет очень конкретное следствие для спектра (рис. 2.13). Для протонных спектров обычно используется 3tt, равное 0,3-0,4 Гц на точку. Однако ширины протонных линий в спектрах небольших молекул могут быть 0,1 Гц и меньше. Поэтому, если мы хотим наблюдать и интерпретировать тонкую структуру в протонном спектре, нам необходимо улучшить цифровое разрешение, поскольку, для того чтобы правильно воспроизвести форму линии в спектре, Ял должно быть заметно меньше ширины линии. Это достигается либо увеличением А„ либо уменьшением ширины спектра, или же путем 24 22 20 18 16 14 ГЦ Рис. 2.13. Неадекватное цифровое разрешение может полностью скрыть особен ности спектров. В нижнем спектре, зарегистрированном при совершенно «нор мальных» условиях для протонного ЯМР (А, = 2 с, Ял = 0,5 Гц на точку), можно ясно видеть отдельные точки представления данных (спектр как бы составлен из отдельных частей прямых линий). Улучшение оцифровки (верхний спектр, А, = =65 с, #,, = 0,015 Гц на точку) позволяет получить истинный спектр. Форма сигналов в нем определяется естественными ширинами линий и разрешением на данном спектрометре (это тестовый образец для чрезвычайно узких линий)..

Некоторые вопросы импульсного ЯМР увеличения числа точек, используемых для регистрации спектра. Не избежная плата за это-понижение чувствительности, потому что чем больше времени тратится на регистрацию каждого спектра, тем меньшее число накоплений и усреднений сигнала можно сделать.

При регистрации спектров других ядер, даже таких ядер, как С, дающих очень узкие линии в спектрах, принято работать с довольно низким цифровым разрешением (2-3 Гц на точку или хуже). Это вполне естественно, так как обычно в первую очередь приходится заботиться о чувствительности. Многие гетероядра имеют низкое природное содер жание, а тонкая структура в их спектрах отсутствует. Среди обычных ядер заслуживающее упоминания исключение составляет Р. В ЯМР Р высокая резонансная частота сочетается с большим диапазоном химических сдвигов и наличием расщеплений за счет гомоядерного спин-спинового взаимодействия, поэтому достижение адекватного циф рового разрешения может оказаться трудным делом.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.