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:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 10 |

«Modern NMR Techniques for Chemistry Research Andrew E. Derome The Dyson Perrins Laboratory, University of Oxford, UK Pergamon ...»

-- [ Страница 2 ] --

Дополнение нулями. Если нас интересует только получение хорошо разрешенных линий, то установление времени регистрации в соответ ствии с требуемым расстоянием между линиями автоматически обеспе чит подходящее цифровое разрешение. Однако существует большая разница между тем, чтобы обнаружить расщепление сигналов и иметь возможность полностью охарактеризовать их форму реальными точка ми данных. В последнем случае требуется более высокое цифровое разрешение, чем мы могли бы получить при увеличении А,. Тогда для Рис. 2.14. Дополнение нулями данных во временной области увеличивает число точек в частотном спектре, улучшая его вид.

44 Глава улучшения 3td может быть использован метод дополнения нулями полу ченного ССИ, который спадает до величины, близкой к нулю, в конце А,.

Если это так, то дальнейшее увеличение времени регистрации А, не приводит к получению дополнительной информации, а поэтому мы можем, не увеличивая А„ просто использовать компьютер для дополне ния данных нулями перед преобразованием (рис. 2.14). Это дает прямой выигрыш, поскольку легко использовать дополнительную память ком пьютера, а времени для накопления сигнала всегда не хватает.

Улучшение за счет дополнения нулями оказывается лишь космети ческим, поскольку никакой дополнительной информации в спектре не прибавляется. Тем не менее часто оно полезно. При работе с одномер ным спектром обычно применяют дополнение нулями в сочетании со специальными приемами увеличения разрешения для улучшения вида сложных мультиплетов (см. разд. 2.5.4). В двумерных экспериментах, где время регистрации иногда бывает слишком коротким, дополнение нуля ми часто с успехом используется для улучшения вида спектра по крайней мере по одной из координат. Несколько подробнее этот вопрос обсужда ется в гл. 8. При регистрации двумерных спектров или в других случаях, когда оказывается неверным предположение о том, что ССИ спадает почти до нуля в течение А„ нужна большая аккуратность для выполне ния корректной аподизации (см. ниже).

2.5.3. Обрезание и аподизация С оцифрованными линиями ЯМР случаются довольно странные вещи, если At оказывается коротким по отношению к естественному времени затухания ССИ. При таких условиях регистрации спектра мы имеем дело с данными, которые как будто бы являются произведением «полного» ССИ и ступенчатой функции, т. е. функции, равной 1 в интер вале t от 0 до At и равной 0 за пределами этого интервала. Такое умножение обрубает сигнал в момент времени At. В частности, такой вид имеет дополненный нулями ССИ на рис. 2.15. Оказывается, что фурье образ этого произведения двух функций является в некотором смысле смешением (конволюцией) фурье-образов каждой из них, т. е. нечто вроде текущего среднего двух кривых. Преобразование ступенчатой функции дает функцию (sinx)/x, которую часто обозначают как sine л: (рис. 2.16).

Ее конволюция с линией лоренцевой формы приводит к «виглям»

в основании линии (рис. 2.17).

Этот тип искажения формы линии наблюдается только при относи тельно коротких At, поэтому он редко встречается в рутинных одномер ных протонных спектрах, но иногда проявляется в появлении пьедестала у сигналов растворителя. Однако в гетероядерном и двумерном ЯМР устранение «виглей», вызванных обрезанием, становится важной пробле мой. Ключ к ее решению лежит в том, чтобы сгладить «острый край»

в конце ССИ, ответственный за появление «виглей». Если это сделать, то «вигли» исчезают. Край может быть сглажен умножением ССИ на Рис. 2.15. Один из способов представления данных, полученных при слишком коротком А,: это результат умножения полного ССИ на ступенчатую функцию.

Рис. 2.16. Фурье-преобразование ступенчатой функции довольно часто встречает ся в фурье-спектроскопии ЯМР;

оно представляет собой функцию sine x.

Рис. 2.17. Преобразование обрезанных данных (внизу) является «конволюциеи»

лоренцевой линии и функции sine;

сглаживание обрезания ССИ при аподизации устраняет «вигли», но уширяет линию (вверху).

46 Глава функцию, которая начинается с 1 и плавно спадает до нуля к концу At.

Пример использования такой взвешивающей функции перед преобра зованием Фурье показан на рис. 2.17. Такую операцию называют аподи зацией («отсечением ступней»). В следующем разделе приведены при меры функций, используемых для этой цели.

2.5.4. Взвешивающие функции Введение. Описанная в предыдущем разделе аподизация-это только один пример из целого ряда эффектов, которые можно получить при обработке ССИ перед преобразованием. По существу, подбирая форму огибающей затухания ССИ, мы можем управлять отношением сигнал/ шум и разрешением в преобразованном спектре. Используемые для этого средства применяются не только в фурье-спектроскопии ЯМР, но доступность данных в форме временного представления в этом случае делает требуемые вычисления довольно простыми. (Отметим также, что спектрометры с непрерывной разверткой обычно не имеют встроенных компьютеров.) Использование взвешивающих функций-существенная часть процесса анализа спектров. Их применение имеет целью либо оптимизацию чувствительности или разрешения, либо просто аподиза цию данных. Предел возможностей спектрометра реализуется тогда, когда найдена и испробована оптимальная для данной задачи взвеши вающая функция. Из большого набора функций, которые были пред ложены для этих целей, мы рассмотрим две: одну, предназначенную для увеличения чувствительности, и другую-для улучшения разре шения.

Чувствительность-согласованный фильтр. Сигнал ЯМР спадает во времени при каждом прохождении, а амплитуда шума остается постоян ной. Поэтому, понижая относительный вклад хвоста в конце ССИ, можно улучшить отношение сигнал/шум. Это достигается умножением ССИ на спадающую экспоненциальную функцию. Естественный спад сигнала описывается выражением т (2.7) у = Ае-ч г (В гл. 4 будет показано, почему символ Т2 используется для временной постоянной этого спада.) Умножим ССИ на взвешивающую функцию &:

(2.8) = е-ч° Если а положительно, то произойдет нужное нам уменьшение вклада хвоста (рис. 2.18). Однако мы должны соблюдать некоторую осторож ность. Такое умножение ускоряет наблюдаемое затухание сигнала.

В частном представлении это приведет к уширению линии, поскольку очевидно, что у нас была возможность уменьшить в эксперименте время выборки сигнала. Ширина на полувысоте лоренцевой линии 8v соотно Некоторые вопросы импульсного ЯМР Рис. 2.18. Применение согласованного фильтра улучшает чувствительность.

сится с временной постоянной Т2 следующим образом:

(2.9) 5v = пТ Применение взвешивающей функции & понижает значение Т2 до эф фективного Т'2, давая f4 + i 2ло 2 Но при таком уширении линии понижается ее высота. Следовательно, отношение высоты пика к амплитуде шума при умножении ССИ на S не обязательно улучшается. Тщательный анализ проблемы показывает, что чрезмерное уширение линии, т. е. выбор слишком маленькой величины а, понижает чувствительность. В то же время большие величины а не дают заметного эффекта. Существует оптимальный баланс между понижени ем шума и эффектами уширения линии, достигаемый при а = Т2, т. е.

тогда, когда взвешивающая функция удваивает ширину линии в частот ном представлении. Эта взвешивающая функция известна как согласо ванный фильтр и является наиболее подходящей для получения лучшей чувствительности (рис. 2.18). Отметим, что термин «согласованный»

означает «согласованность с ССИ по скорости спада огибающей», так что, если огибающая - экспонента, идеальный согласованный фильтр также экспоненциальный.

Требуемую величину а легко определить практически. Для этого сначала проведем преобразование ССИ без использования взвешиваю щей функции и выясним ширины интересующих нас сигналов. (Предва 48 Глава рительно нужно убедиться, что 0td подобрано правильно. Если не обходимо, то следует провести дополнение нулями.) Затем вычислим Т по уравнению (2.9). Теперь, приняв а = Т2, умножим ССИ на взвешиваю щую функцию и повторим преобразование. Специальная программа в компьютере многих спектрометров сама рассчитывает параметр такой взвешивающей функции как фактор уширения линии. В таком случае нет необходимости считать в уме. Взвешивающие функции этого вида, или так называемое экспоненциальное умножение, могут оказаться полезны ми и для аподизации. Однако обычно при этом степень уширения линий не соответствует условию согласованного фильтра. В таком случае лучшие результаты можно получить, если использовать функцию, описанную в следующем разделе.

Разрешение-преобразование лоренцевой формы линии в гауссову. По скольку ускорение спада ССИ при экспоненциальном умножении уширя ет линии в частотном представлении, можно ожидать, что противо положный эффект достигнут при ослаблении его затухания. Другими словами, обратный знак а в уравнении (2.8) должен дать нам функцию улучшения разрешения. Это верно, но есть определенные проблемы:

происходящее при этом усиление конечной части ССИ увеличивает уровень шума и может приводить к возникновению больших «виглей».

Лучший результат получается при использовании функции, которая сильно уменьшает затухание начальной части ССИ, но к концу гладко спадает до нуля. Существует много функций, обладающих этим свойством. Одна из самых популярных-функция (2.11), которая осу ществляет преобразование лоренцевой формы линии в гауссову:

д = е-Чае-'21Ь (2.11) В этом случае а выбирается равным — Т2, а Л-положительным. Затем можно отрегулировать параметр Ъ в соответствии с требуемым резуль татом. На некоторых спектрометрах нельзя прямо вводить Ъ, но обязательно есть параметр, связанный с ним, и нужно только выяснить из описания к программам, каким соотношением они связаны. Описыва емая функция улучшает разрешение двояким образом. Прежде всего некоторые значения Ъ действительно уменьшают ширину линии на полувысоте;

однако при этом заметно понизится отношение сигнал/ шум. Но возможно, что более важным оказывается изменение формы линии, которая становится гауссовой (рис. 2.19). Гауссовы линии намно Рис. 2.19. Лоренцева (А) и гаус сова (Б) линии с равными шири нами на полувысоте;

гауссова линия намного уже в основании.

Некоторые вопросы импульсного ЯМР го уже у основания, чем соответствующие им лоренцевы. Например, при равных ширинах на полувысоте на расстоянии от основания пика, соответствующем 1% его амплитуды, гауссова линия в 5 раз уже, чем лоренцева. Именно это свойство преобразования лоренцевой формы линии в гауссову делает его столь полезным.

Лучший способ использования данной методики на практике-это метод проб и ошибок. Сначала определяют а тем же способом, который был описан выше, а затем варьируют Ъ (или его эквивалент). Каждый раз при изменении параметров повторяется обработка данных и иссле дуется частотное представление спектра, чтобы увидеть, произошло ли желаемое улучшение. Поскольку а зависит от естественных ширин линий, задача выбора величины, оптимальной одновременно для всех пиков, может оказаться невыполнимой. Для сложного спектра часто необходимо применять несколько различных взвешивающих функций.

Это тот случай, когда настойчивость и терпение определенно вознаграж даются, и в результате иногда удается выявить поразительно тонкую ИР1* Рис. 2.20. Улучшение разрешения при преобразовании лоренцевой формы линии в гауссову. Внизу показаны естественный ССИ и его преобразование. Вверху показан спектр, полученный после преобразования ССИ, у которого с помощью взвешивающей функции была ослаблена начальная часть (одновременно эта же функция обеспечивает аподизацию). Столь сильное воздействие можно при менять к данным только с очень высоким отношением сигнал/шум.

4- Глава структуру сигналов, имевших вид безнадежных бугров и холмов (рис. 2.20). Но такой результат можно получить лишь тогда, когда холмы действительно состоят из многих перекрывающихся линий.

Попытки обузить сигналы, широкие по своей природе (например, вследствие обмена), приведут только к потере чувствительности. С боль шими значениями а и Ь, подобранными так, чтобы понизить ССИ до нуля к концу At, преобразование лоренцевой формы линии в гауссову также хорошо подходит для уменьшения «виглей», вызванных обреза нием. На рис. 2.17 показан результат обработки данных именно таким способом.

2.5.5. Распознавание отраженных пиков Явление отражения, описанное в разд. 2.4.2, может причинять замет ные неудобства. Даже при работе с «обычными ядрами», такими, как *Н, не всегда есть уверенность в том, что ширина спектра включает все пики.

Время от времени возникают такие неожиданности, как протоны, включенные в водородную связь или присоединенные непосредственно к металлу. Следовательно, важно уметь находить в спектре отраженные пики. Существует несколько характерных для них признаков.

Обычно в протонном спектре большинство пиков находится внутри спектрального диапазона, а один или два необычных сигнала попадают за его пределы. В этом случае легко идентифицировать отраженные пики, поскольку они имеют отличающуюся от других фазу (рис. 2.21).

правильный спектр lid отраженный пик РИС. 2.21. Идентификация отраженных пиков на основании их фазовых свойств.

Некоторые вопросы импульсного ЯМР 'Г' ттутт ' I ' '' 100 -100 200 ГЦ Гц Рис. 2.22. При отсутствии других пиков, относительно которых можно делать сравнение по фазе, попытаемся сместить спектральное окно. Слева показан результат для правильно охарактеризованного пика, а справа-для сигнала, отраженного от границы спектрального окна. Во втором случае результат будет зависеть от того, как на спектрометре детектируются сигналы, но в любом случае положение отраженного сигнала будет неверным.

Но если спектр содержит только один сигнал, как это часто случается при работе с гетероядрами, то этот способ непригоден, поскольку нельзя провести сравнение фаз. В этом случае или если есть другие основания предполагать, что сигналы не попали в спектральный диапазон (напри мер, при исследовании необычных ядер), нужно провести тест для проверки на отражение. Для этого смещают окно спектра на значитель ную величину, скажем на 100 Гц. Неотраженные пики, естественно, оказываются сдвинутыми в направлении, противоположном сдвигу спектрального окна, но на ту же самую величину (рис. 2.22). В то же время отраженные пики либо сместятся в том же (т.е. неверном) направлении, либо на другую (т. е. неверную) величину в зависимости от того, насколько их истинные частоты превышают частоту Найквиста.

2.6. Преобразование Фурье-не единственный способ Все рассматриваемые в этой книге спектры получены с помощью преобразования Фурье. Однако, как уже указывалось в разд. 2.3.3, это не единственный путь выделения частотного спектра из данных во времен ном представлении. Альтернативная методика, известная как метод максимальной энтропии (MEM, от англ. Maximum Entropy Method), привлекла в последнее время столь пристальное внимание и много численные комментарии, что нам показалось уместным упомянуть о ней, хотя в дальнейшем мы не будем ее использовать. В грубом 52 Глава приближении метод основан на реконструкции ССИ путем численного моделирования в виде суммы осцилляторов, т.е. линий ЯМР, и на построении соответствующего сигнала во временном представлении.

Полученный модельный сигнал сравнивают с экспериментальным ССИ и по методу наименьших квадратов проводят оценку близости модели.

Затем проводят варьирование модельного спектра и находят тот, кото рый наилучшим образом совпадает с экспериментальным ССИ. Слож ность заключается в том, что у этой задачи не существует единственного решения, поскольку экспериментальные данные не полные-они содер жат шум и были измерены в течение ограниченного времени. Кроме того, поиск решения может быть очень долгим.

Как выбрать правильное решение из многих возможных, которые кажутся одинаково «близкими» к экспериментальным данным. Согласно критерию максимума энтропии, самый подходящий спектр тот, который содержит минимум информации, т.е. максимум энтропии. При таком подходе не существует риска получить из экспериментальных данных лишней информации, которую они не содержат. Этот подход широко используется в других областях, таких, как радиоастрономия и улучше ние оптических изображений, когда необходимо проанализировать дан ные с шумом. Первые примеры применения MEM в ЯМР [2] породили надежду, что в спектрах, обработанных таким образом, можно получить намного более высокую чувствительность, так как MEM дает независи мый от экспериментатора критерий идентификации пиков. Эта точка зрения все еще находит своих сторонников, но кажется, что действитель ные преимущества здесь весьма иллюзорны. Пока не ясно, является ли обработка спектра с помощью MEM лучшим способом выделения сигналов из данных с шумом, чем просто применение согласованного фильтра и выбор порога над уровнем шумов, ниже которого пики должны быть отброшены. Количественный ответ на этот вопрос еще не получен, причем складывается мнение, что между двумя этими метода ми в данном отношении нет большой разницы.

MEM действительно имеет большие преимущества при обработке либо очень неполных данных, либо спектров, накопленных с коротким временем регистрации. Используя в этом случае преобразование Фурье, мы должны применять аподизацию. При этом какую бы взвешивающую функцию мы ни выбирали, она неизбежно будет уширять линии. При меняя MEM, мы подбираем модельный сигнал во временной области независимо от уровня шума, и проблема обрезания просто не возникает (рис. 2.23). Весьма возможно, что MEM окажется особенно полезным при обработке двумерных спектров, для которых часто используются довольно короткие времена регистрации [3]. Большинство современных спектрометров еще не оснащено программами для применения MEM при обработке данных. Объем вычислений здесь больше, чем при использовании преобразования Фурье. Однако нет сомнений в том, что в скором времени такие программы станут доступными.

Некоторые вопросы импульсного ЯМР преобразованы Фурье обычный метод обратное преобразование Фурье метоЭ максимальной энтропии РИС. 2.23. Обработка сильно обрезанного ССИ с использованием метода макси мальной энтропии (ср. с рис. 2.17).

Литература 1. В рамках качественного подхода в этой книге мы не будем пытаться объяснить смысл преобразования Фурье или обсуждать его математические свойства. Эти вопросы разбираются во многих других руководствах по ЯМР и по физике.

См., например (по мере повышения трудности): Mullen К., Pregosin P.S., Fourier Transform NMR Techniques: A Practical Approach (Chapter 1), Academic Press, 1976;

Shaw D., Fourier Transform NMR Spectroscopy, 2nd. edition (Chap ter 3), Elsevier, 1984;

Arfken G., Mathematical Methods for Physicists, 3rd. edition (Chapters 14, 15), Academic Press, 1985.

2. SibisiS., Nature (London), 301, 134 (1983);

Sibisi S., Skilling J., Brereton R.G., Lam E.D., Staunton J., Nature (London), 311, 446 (1984).

3. Hore P.J., J.Mag.Res., 62, 561-567 (1985).

Глава Основные экспериментальные методы 3.1. Введение Эта глава-первая из двух глав (гл. 3 и 7), посвященных эксперимен тальным методам спектроскопии ЯМР. Наибольший интерес они пред ставляют для тех, кто хочет научиться самостоятельно работать на спектрометре. Однако некоторые из обсуждаемых тем имеют прямое отношение и к химикам (приготовление образцов), и к тем, кто соби рается купить спектрометр (тесты на качество прибора). Покупая при бор, очень полезно полностью владеть всеми тонкостями процедур тестирования, поскольку производители спектрометров по вполне по нятным причинам стремятся слегка подтасовать получаемые результаты в свою пользу. Некоторые полезные, но не очень распространенные тесты обсуждаются в гл. 7. В двух коротких главах нельзя дать полный обзор всех экспериментальных методов, поэтому в них включены только те вопросы, которые вызывают наибольшие сложности у начинающих работать с импульсными спектрометрами, а также изложение общих принципов выполнения экспериментов, описанных в оставшейся части книги.

3.2. Приготовление образцов 3.2.1. Введение В этом разделе основное внимание будет уделено вопросам, чаще всего возникающим при приготовлении образцов. Многие из обсуждае мых здесь факторов имеют принципиальное значение только для про тонных спектров, однако нужно помнить о них и при выполнении всех других экспериментов. Возможно, содержание первых параграфов пока жется вам очевидным и тривиальным, но пренебрежение этими просты ми правилами приводит обычно к неудачам в практической работе и отсутствию понимания более сложных проблем, рассматриваемых в других главах книги. Подготовка к измерению спектра ЯМР вызывает вполне понятное оживление, поскольку она завершает многомесячный труд по синтезу вещества. Поэтому приготовление образца и помещение его в спектрометр часто производят с излишней поспешностью. А ведь несколько минут, потраченных на планирование этих действий, могут сэкономить вам часы приборного времени.

Основные экспериментальные методы 3.2.2. Выбор растворителя Конечно же, прежде всего ваше вещество должно растворяться в выбранном растворителе. Но растворимость не обязательно должна быть очень высокой, особенно если вы собираетесь регистрировать протонный спектр. В этом случае 1 мг вещества в 0,4 мл растворителя вполне достаточно для получения хорошего спектра на приборе со средним и сильным полем. Растворитель может повлиять на получаемые результаты еще несколькими путями. При наблюдении протонов и угле рода сигналы растворителя могут закрывать некоторые области спект ра. Вязкость растворителя влияет на разрешение в спектре, особенно при работе с протонами. Некоторые растворители, например вода и мета нол, содержат способные к обмену атомы водорода, что не позволяет наблюдать сигналы обменивающихся протонов в изучаемом веществе.

Если планируются температурные эксперименты, то необходимо учесть температуры кипения и замерзания растворителей, равно как и возмож ные температурные изменения растворимости исследуемого вещества.

Растворители ароматической природы, такие, как бензол и пиридин, могут вызывать большие изменения химических сдвигов в спектре растворенного вещества по сравнению со спектрами, полученными при использовании неароматических растворителей. Интенсивность и шири на сигнала дейтерия от растворителя могут оказывать влияние на результаты некоторых экспериментов, таких, как, например, разностная спектроскопия. И наконец, цены на дейтерированные растворители различаются очень сильно, что может оказаться важным фактором при выборе методик для ежедневного приготовления и измерения спектров большого числа образцов. От тщательного учета всех перечисленных факторов может во многом зависеть успех всего эксперимента.

В настоящее время в продаже имеется большое число частично или полностью дейтерированных соединений. В табл. 3.1 приведены некото рые физические свойства наиболее широко используемых в ЯМР раство рителей. Самые дешевые из них-вода и хлороформ, причем свойства хлороформа значительно больше подходят для использования в ЯМР.

Стоимость других растворителей растет пропорционально трудности получения их в дейтерированной форме. Так, стоимость наиболее распространенных в органических синтезах растворителей, таких, как бензол, толуол, диметилсульфоксид (ДМСО), ацетон, ацетонитрил, ме танол, хлористый метилен, диметилформамид (ДМФ) и пиридин, оказа лась приблизительно одинаковой. В то же время тетрагидрофуран (ТГФ) и циклогексан стоят значительно дороже.

Если нужно записать протонные спектры образцов, содержащих менее нескольких миллиграммов исследуемого вещества, то при выборе растворителя необходимо учитывать положение в спектре сигналов остаточных протонов растворителя. Существуют три источника допол нительных сигналов в спектре: остаточные протоны дейтерированного растворителя, растворенная вода и другие растворенные примеси. Обыч 56 Глава Таблица 3.1. Свойства некоторых распространенных дейтерированных ЯМР-раст ворителей. Знак «~» перед величиной указывает на то, что она относится к соответствующему недейтерированному препарату. В столбце «Цена» приво дятся примерные цены (в фунтах стерлингов за 10 г) на мелкорасфасованные растворители в Великобритании на 1985 г.

Растворитель 5C 8'H Цена т„ л, °c 178,4;

20, 15,8 115,5 11,53;

2,03 Уксусная кислота Ацетон -93,8 55,5 2,05 206,0;

29,8 Ацетонитрил 48,0 80,7 1,95 118,2;

1,3 Бензол 6,8 79,1 7,16 128,0 Хлороформ -64,0 60,9 7,27 77,0 Циклогексан ~6,5 78,0 1,38 26,4 Хлористый метилен 97,0 40,0 5,32 53,8 Диметилформамид 61,0 ~ 153,0 8,01;

2,91;

167,7;

35,2;

0 /*т Z, 1A Диметилсульфоксид ~ 18,0 ~ 190,0 39^5 2, ~ 12,0 ~ 100, Диоксан 3,53 66,5 Метанол ~ - 98,0 65,4 3,31 49,0 Нитробензол - 5, 0 ~ 210,0 8,11;

7,67;

148,6;

134,8;

7,50 129,5;

123, Нитрометан 29,0 100,0 4,33 62,8 8,71;

7,55;

Пиридин 42,0 114,4 149,9;

135,5;

7 19 123 Тетрагидрофуран 3,58;

1,73 67,4;

25,2 - 106,0 65, Толуол ~ - 93,0 110,0 7,09;

7,00;

137,5;

128,9;

6,98;

2,09 128,0;

125,2;

20, Трифторуксусная ~ - 15,0 75,0 11,30 163,8;

115,7 кислота Вода 3,8 101,4 4,63 Источники: Aldrich Catalogue Handbook of Fine Chemicals 1985;

Merck, Sharp and Dohme NMR reference data;

Aldrich Library of NMR Spectra 1983;

PretschK, Seibl J., Simon W.,Clerc Т., Tabellen zur Strukturaufklarung organischer Verbindungen, Springer-Verlag, 1981.

но в спецификациях растворителей указывается содержание только остаточных протонов, но не меньшие осложнения могут вызвать и два других источника (особенно вода).

Продажные растворители обычно содержат от 99,5 до 99,995% дейтерия, при этом более чистые растворители часто поставляются в небольших (0,5 мл) ампулах. Чем выше чистота препарата, тем он дороже. Важно помнить, что в спецификациях указывается только степень дейтерирования, и в них не всегда есть указания о содержании остальных примесей. В растворителях большой степени дейтерирования содержание воды и других примесей иногда близко или даже превышает содержание остаточных протонов. Определить, нужен вам для данного эксперимента более чистый растворитель или нет, вы сможете, только накопив опыт его использования.

Основные экспериментальные методы При идеальном подборе растворителя сигналы его остаточных про тонов не должны перекрываться с сигналами растворенных веществ.

Конечно, на практике это недостижимо, и приходится идти на компро мисс. Сигналы из некоторой области, расположенной вблизи сигналов растворителя (их положение заранее известно), приходится считать недостоверными. Эта область может быть достаточно большой, по скольку в общем случае сигналы остаточных протонов представляют собой мультиплеты за счет спин-спинового взаимодействия с дейтерием.

Исключения из этого правила составляют хлороформ и вода. Остаточ ные сигналы таких растворителей, как ацетон или диметилсульфоксид, представляют собой квинтеты и могут легко закрывать участки спектра шириной до нескольких десятых миллионных долей. При концентрации изучаемого вещества порядка 2 мг на 0,4 мл (для веществ средней молекулярной массы) интенсивность остаточных сигналов раствори телей «нормальной» чистоты (т.е. 99,5-99,9%) превышает интенсив ность сигналов.

Вода часто еще больше, чем сигналы остаточных протонов, мешает наблюдению спектров. Почти все ЯМР-растворители содержат воду, а большинство из них весьма гигроскопично. Например, сигнал воды в обычном хлороформе, как правило, интенсивнее сигнала остаточных протонов. Кроме того, этот широкий сигнал находится в неудобной области спектра (около 1,6 м. д.). С некоторыми растворителями, напри мер с ДМСО, следует работать в инертной атмосфере с помощью шприцевой техники. Только в этом случае они останутся достаточно сухими для приготовления сильно разбавленных растворов. Дейтери рованная вода тоже гигроскопична, и ее следует хранить в эксикаторе.

Содержание воды в растворителе можно значительно уменьшить фильт рованием раствора через осушающие агенты, если, конечно, образец это позволяет. Обезвоживание можно совместить с фильтрованием образца с целью удаления твердых частиц при переносе его прямо в ампулу для ЯМР. Это позволяет избежать дополнительных процедур. Для обезво живания можно использовать большинство обычных осушителей. Во многих случаях подходит активированный оксид алюминия. Менее удобны молекулярные сита, поскольку при фильтровании через них в раствор попадают очень мелкие, ухудшающие разрешение частицы, которые потом трудно отделить.

Значительное влияние на наблюдаемую ширину линии и релаксаци онные свойства образца оказывает вязкость растворителя. Эти эффекты будут подробно обсуждаться далее. В первом приближении можно разделить применяемые для ЯМР растворители на вязкие (бензол, ДМФ, ДМСО, пиридин, толуол и вода) и невязкие (ацетон, ацетонитрил, хлороформ, хлористый метилен и метанол). Предельно высокое разре шение можно получить только в невязких растворителях. Наиболее подходящими для использования в ЯМР свойствами среди них обладает ацетон, который обычно и применяется при изготовлении образцов для тестов на разрешение. В рутинных экспериментах ЯМР вязкость раство 58 Глава u.

о 9 8 5 м.а.

рителя обычно не создает затруднений, но в прецизионных измерениях, особенно на обезгаженных образцах, она приобретает онень важное значение.

Для облегчения выбора растворителя на рис. 3.1 приведены спектры нескольких растворителей на частоте 500 МГц. Для измерений были использованы образцы дейтерированных растворителей с самым низким содержанием дейтерия фирмы Aldrich, поставляемые в ампулах по 5 или 10 мл. Растворители, хранившиеся какое-то время, обычно содержат Основные экспериментальные методы 111 11 1 1 111 111111111 1 1 11 1 1 1 7 5. 5 2 1 м. 8.

Рис. 3.1. Протонные спектры распространенных ЯМР-растворителей на частоте 500 МГц: а-хлороформ, б -метанол, в-бензол, г-ацетон, д-диметилсульфо ксид, е- хлористый метилен, ж - в о д а, з-толуол, и-ацетонитрил, к -пиридин.

Сигналы растворителя помечены буквой Р, воды-буквой В. Иногда видны и некоторые другие примеси (см. текст).

60 Глава значительно большее количество воды. Сигналы посторонних примесей малой концентрации приведены с усилением в 128 раз. Возможно, ващ растворитель не содержит этих примесей, но все же перед работой с очень разбавленными образцами обязательно проверьте его чистоту.

3.2.3. Ампула для регистрации спектров ЯМР Фирма Wilmad, основной производитель и поставщик стекла для ЯМР, предлагает очень широкий выбор самых разнообразных ампул.

Нужен определенный опыт, чтобы правильно выбрать ампулу для эксперимента, поскольку невозможно надежно предсказать, что про изойдет при изменении, допустим, ее концентричности. При этом чем выше поле вашего спектрометра, тем больший смысл имеет покупать дорогостоящие высококачественные ампулы. Чаще всего признаком неправильно выбранной ампулы служат большие боковые линии от вращения. Они тем интенсивнее, чем больше дефектная ампула отклоня ется от осевой симметрии.

Но как бы ни были хороши ваши ампулы, вы не получите качествен ных результатов, если не будете хранить их чистыми, без пыли и цара пин. После того как из ампулы вылит раствор, ее можно вымыть без риска оцарапать опусканием в подходящий обезжиривающий раствор.

Лучше не использовать традиционные ершики. Затем ампулы нужно вынуть из раствора и промыть дистиллированной водой или ацетоном.

Сушить их можно продуванием через ампулу профильтрованного азота с помощью пипетки. Для фильтрования достаточно поместить в пипетку небольшую ватную пробочку. Обычный способ мытья ампул с последу ющей сушкой в печи создает массу возможностей для попадания в них пыли и порчи.

Обратите внимание на то, что совсем новые, только что распакован ные ампулы обычно недостаточно чисты. Очень часто бывает так, что химик, решивший приготовить образец для очень точных измерений, специально для этого достает новую ампулу, не моет ее и получает в спектре целый лес огромных пиков от смазки, диоктилфталата или чего-нибудь еще. Храня свои ампулы постоянно в чистоте, вы легко избежите таких драматических историй.

3.2.4. Объем образца Если мы располагаем для регистрации спектра неограниченным (разумеется, в масштабах эксперимента ЯМР) количеством вещества, то объем раствора можно сделать достаточно большим, и поэтому его точное количество не будет иметь значения. Но если мы приближаемся к пределу чувствительности прибора, что обычно и происходит даже при использовании спектрометров с самым сильным полем, подбор опти мального объема образца становится очень важным. Причина этого проста: катушки приемника регистрируют только сигналы ядер, находя Основные экспериментальные методы шихся внутри некоторого конечного объема, а весь остальной образец для них как бы отсутствует. К сожалению, невозможно сконцентриро вать все вещество внутри чувствительного объема датчика, поскольку, если внутрь его попадут границы раствор/воздух, это значительно снизит однородность поля, приведет к искажению формы линии и соот ветственно понизит чувствительность. В дальнейшем мы обсудим этот вопрос более подробно.

С практической точки зрения для каждого конкретного датчика лучше всего экспериментально найти минимальный объем образца и соответствующее ему положение ампулы в турбинке, позволяющие получить приемлемое разрешение. Их важно знать и в тех случаях, когда требуется очень высокое разрешение: взяв объем образца, в 1,5 раза больший минимального, вам легче будет настроить разрешение.

Имеется несколько приспособлений, облегчающих работу с образца ми минимального объема. Наиболее важное из них-это так называемый подавитель мениска, представляющий собой тефлоновый или стеклян ный вкладыш, выполненный точно по внутреннему диаметру ампулы.

Он вставляется в ампулу и опускается до плотного касания поверхности раствора. Таким образом удается предотвратить образование глубоких «водоворотов» в ампулах большого диаметра. Кроме того, на границе раствор/тефлон не происходит столь резкого искажения поля, как на границе раствор/воздух. По этой причине подавитель мениска стоит использовать даже в ампулах диаметром 5 мм. Но надо помнить, что тефлон имеет очень большой коэффициент термического расширения и поэтому непригоден для температурных экспериментов. При низкой температуре вкладыш погрузится в раствор, а при высокой-раздавит ампулу.

Существуют тефлоновые вкладыши, которые помещают в нижнюю округлую часть ампулы, чтобы вытеснить исследуемый раствор в рабо чий объем датчика. Эта идея уменьшения объема нашла свое воплоще ние в микроячейках различных конструкций. Обычно они представляют собой небольшие полые стеклянные шарики или цилиндры с образцом, помещаемые внутрь обычных ампул. Тогда удается расположить обра зец полностью внутри чувствительного рабочего объема и с целью уменьшения искажений поля окружить его не воздухом, а растворите лем. Этот метод оправдывает себя при использовании ампул диаметром 10 мм и более. Однако для повышения чувствительности лучше все-таки приобрести датчик с ампулами меньшего диаметра (см. разд. 3.4.3). При попытках использовать микроячейки в ампулах диаметром 5 мм, по крайней мере при регистрации протонных спектров на спектрометре с высоким полем, по моему личному опыту, потеря разрешения оказыва ется настолько большой, что перекрывает выигрыш в чувствительности.

Но для некоторых сочетаний конструкций датчиков и магнитов примене ние микроячеек может оказаться полезным, поэтому стоит их испро бовать.

62 Глава 3.2.5. Приготовление образца Спектры высокого разрешения можно получить только на образцах, полностью свободных от взвешенной пыли и других твердых частиц.

Поэтому лучше всего ввести в свою постоянную практику обязательное фильтрование растворов непосредственно при их переносе в ампулу.

Удивительно эффективным фильтром служит небольшая ватная про бочка, помещенная в сужение пипетки Пастера. При этом необходимо предварительно промыть ее небольшим количеством растворителя для удаления отделившихся волокон. Свежая медицинская вата не содер жит растворимых в органических растворителях загрязнений, но этого совсем нельзя сказать о кусочках ваты, лежащих в лаборатории в тече ние месяцев. Поэтому храните вату в герметичных коробочках. Некото рые растворы способны реагировать с хлопковой ватой. В этом случае подойдет стеклянная вата, но она фильтрует не так хорошо. Тонкие суспензии можно удалить из образца фильтрованием через цеолиты.

Неплохо также дополнить эту процедуру упоминавшимся ранее обезво живанием раствора.

Еще ряд проблем, связанных с загрязнением, возникает при работе с разбавленными водными растворами. Следы пота из отпечатков пальцев каким-то образом часто попадают в такие образцы. Поэтому при приготовлении образцов, содержащих несколько сотен микрограмм вещества, необходимо надевать перчатки. Признаками загрязнения за счет отпечатков пальцев в спектрах образца служат появление дублета при 1,4 м. д. с константой 7 Гц и соответствующего ему квартета при 4 м. д. (эти сигналы, по-видимому, принадлежат аланину или молочной кислоте).

В преддверии обсуждения шиммирования в разд. 3.3.4 заметим, что оно сильно облегчается для образцов с достаточно высоким столбиком раствора. Если вы готовите образец добавлением концентрированного раствора вещества в ампулу с требующимся количеством растворителя, то его необходимо тщательно перемешать. Причиной удивительного и необъяснимого ухудшения разрешения может оказаться наличие непе ремешавшихся слоев разной концентрации в ампуле диаметром 5 мм.

Образование воронок в таких слоях очень сильно ухудшает разрешение, особенно в сильных полях.

3.2.6. Ядра, отличные от протонов Остаточные сигналы растворителя не создают проблем при наблю дении гетероядер, т. е. ядер, отличных от протонов. В этом случае образцы можно готовить в обычных растворителях, добавив лишь такое количество дейтерированного, чтобы сигнал дейтерия был достаточно интенсивным для нормальной работы системы лока (см. разд. 3.3.4).

При наблюдении спектров углерода все же лучше использовать полностью дейтерированные растворители. Это обусловлено тем, что Основные экспериментальные методы интенсивность углеродных сигналов в их спектрах значительно ниже, чем в спектрах недейтерированной формы, поскольку для них отсутст вует ядерный эффект Оверхаузера (см. гл. 5), а сами линии расщеплены в мультиплеты за счет спин-спинового взаимодействия с дейтерием.

В особенно трудных ситуациях, когда сигналы растворителя накладыва ются на сигналы растворенного вещества, можно использовать спе циальные растворители, не содержащие ядер углерода-13.

3.3. Настройка разрешения 3.3.1. Введение Настроив прибор на предельно высокое разрешение, исследователь всегда испытывает большое удовлетворение. Но иногда настройка может причинять и огромные неприятности, особенно если спектрометр решил заупрямиться, а вы как раз собрались провести самые высокоточ ные измерения или за вашей работой начал наблюдать шеф. В разд. 3.3. мы расскажем о методах шиммирования магнитов с высокой напряжен ностью поля, которые позволяют быстро получать нужный результат.

Ошибочно считать, что от качества настройки разрешения зависит только ширина линии. От нее также зависит чувствительность. Хорошая настройка нужна и для проведения экспериментов по разностной и дву мерной спектроскопии, где требуется высокая стабильность отношения поле/частота. Каждый оператор, работающий на спектрометре с высо кой напряженностью поля, должен уметь уверенно настраивать разреше ние на любом образце. В первой части этого раздела обсуждаются методы измерения разрешения, которые особенно важны для тех, кто покупает новый прибор или занимается обслуживанием спектрометров.

И все же, если вы только осваиваете ЯМР, но уже имеете доступ к прибору, проверьте, сумеете ли вы получить паспортное разрешение вашего прибора или превзойти его. Если вам это удалось, то можете быть уверены, что и для реальных образцов вы сможете получить хорошие результаты.

3.3.2. Критерии разрешения Одной из основных характеристик спектрометра служит получаемое на данной комбинации магнит/датчик «разрешение». Очень важно пони мать, что подразумевается под этим термином и какое большое число взаимосвязанных факторов его определяет. Чаще всего под разреше нием понимается выраженная в герцах ширина некоторой линии ЯМР на ее полувысоте. Это очень простой, но вполне подходящий критерий, поскольку нет параметра, более сложного для оптимизации и более полно характеризующего спектрометр, чем ширина линии. Однако при этом надо учитывать степень отличия формы реальной линии от идеальной лоренцевой (или степень отличия сигнала ССИ от экспонен 64 Глава ты), которая очень важна для правильного определения ширины ли нии.

К сожалению, правильность формы линии в явном виде не учитыва ется в характеристиках спектрометра. Вместо этого ширину линии измеряют на полувысоте и в двух других специальных точках возле ее основания (на высоте 0,55 и 0,11% от максимальной амплитуды).

Необходимо очень аккуратно интерпретировать данные таких измере ний для правильного суждения о характеристиках спектрометра. Описы ваемый далее тест проводится на протонах. Существует набор образцов и для тестов на других ядрах (в частности, на углероде). На широкопо лосных датчиках настройку и измерение разрешения можно проводить при наблюдении протонов через катушку декаплера*.

Стандартный образец для измерения ширины линии в протонном спектре представляет собой 10-15%-ный раствор орто-дихлорбензола (ODCB) в ацетоне. Он обычно поставляется обезгаженным и запаянным в ампулы разных диаметров. Как и многие другие тестовые образцы, ODCB был выбран для этой цели много лет назад, когда существовали только приборы с низкой напряженностью поля и непрерывной разверт кой. Он очень прочно укрепился в этой роли, но по нескольким причинам его все же нельзя считать идеальным для современных спектрометров с высоким полем.

Спектр ароматических протонов ODCB представляет собой систему АА'ВВ', которая содержит 24 линии. Каждая из них может использо ваться для измерения ширины. Но в сильных полях и сравнительно концентрированных растворах начинает проявляться эффект радиочас тотного затухания, вызывающий уширение линии, поэтому надежные измерения можно делать только на самых слабых сигналах, находящих ся с края мультиплетов. Радиочастотное затухание-это ускорение спада сигнала свободной индукции за счет индуктивной связи с резонансным окружением датчика. Оно в меньшей степени оказывается на сигналах малой интенсивности и может быть ослаблено небольшой преднамерен ной расстройкой приемного контура. На приборах с частотой 400 МГц и выше можно использовать 1%-ные растворы ODCB. На рис. 3. приведены тестовые спектры приборов на 250 и 500 МГц. Еще одно неудобство представляют собой заметные изменения в спектрах второго порядка при переходе к более сильным полям. Обычно на 5-мм датчиках легко получается разрешение 0,1 Гц или немного меньше. Производите ли спектрометров в большинстве случаев гарантируют разрешение 0,2 Гц.

Измерения формы линии (т.е. ширины в точках на 0,55 и 0,11% высоты) производятся для раствора хлороформа СНС13 в дейтероацето не. Опять стандартные запаянные образцы оказываются слишком кон центрированными для тестирования приборов с высоким полем. К сожа лению, здесь нельзя использовать очень разбавленные растворы, по * От англ. „decoupler", что означает «развязыватель».-/7/гш. перев.

Основные экспериментальные методы 18 16 14 12 Ю 8 6 4 2 О 18 16 14 12 10 8 6 4 2 Рис. 3.2. Тест на разрешение с образцом о/?то-дихлорбензола на приборах с частотой 250 МГц (А) и 500 МГц (Б);

ширина линии в последнем спектре равна 0,06 Гц.

скольку за малое число прохождений требуется получить достаточно высокое отношение сигнал/шум.

Производители спектрометров приводят некоторые максимальные значения ширины линии на двух высотах. Упоминавшиеся ранее высоты выбраны потому, что они соответствуют полной интенсивности 13С-са теллитов линии СНС13 и их одной пятой доле. Однако реальный смысл этих величин становится ясен только при сравнении со значениями, вычисленными для идеальной лоренцевой линии той же ширины на полувысоте. Идеальные величины легко рассчитать по уравнению на рис. 3.3. Из него получаем, что на 0,55% высоты линия должна быть в 13,5 раз шире, чем на полувысоте, а на 0,11% высоты-в 30 раз. При Рис. 3.3. Лоренцеву линию можно опи сать с помощью ее амплитуды А и ши рины на полувысоте W:

AW У= *~+ Цх0 - х)2' 5- Глава ширине линии 0,25 Гц это будет 3,4 Гц на 0,55% высоты и 7,5 Гц на 0,11% высоты. Обычные паспортные данные составляют 10-15 и 20-30 Гц соответственно, что заметно больше теоретических значений.

Если тест на форму линии выполнен с помощью усреднения несколь ких прохождений, то очень интересно сравнить времена релаксации Tj основной линии хлороформа и ее 13С-сателлитов (объяснение 7\ см.

в гл. 4). Сателлиты имеют время релаксации, в 2 раза меньшее, чем у основной линии (обычно 15 и 30 с), поэтому основная линия случайно может оказаться насыщенной. В результате интенсивность сателлитов окажется завышенной. Это приведет к слишком хорошим показателям формы линии. Поэтому сначала следует проверить интенсивность сател литов, которая должна составить 0,55% от интенсивности основной линии.

На практике часто удается превзойти паспортные величины, и неред ко можно видеть линию, более узкую на высоте 0,55%, чем соответст -0,3% •9Гц, 4-J mmvmm fwm**™**»** 120 100 80 60 40 О -20 -40 -60 -80 -ЮО - Рис. 3.4. Пример теста на форму линии (протонный спектр на 500 МГц). Ширина линии на полувысоте 0,3 Гц;

получены ожидаемые для лоренцевой формы ширины в тестовых точках ~А и 9 Гц. Видны боковые полосы первого порядка с интенсивностью, вполне допустимой для таких магнитов, и небольшие горбы справа от основного сигнала, от которых, по-видимому, можно избавиться за счет настройки ATY-градиентов высших порядков.

Основные экспериментальные методы вующая лоренцева. Такой ситуации лучше избегать, поскольку эта форма линии столь же неправильна, как и при слишком большой ширине на 0,55% высоты. Необходимо сначала измерить ширину тестируемой линии на полувысоте и по этим данным вычислить нужную ширину у основания. Конечно, лучше характеризовать форму линии степенью отклонения ее контура от идеального лоренцева, но пока нет способов для проведения такой оценки.

Второй параметр, измеряемый при выполнении теста на форму линии,-интенсивность боковых полос от вращения. Это сателлитные сигналы, находящиеся по обе стороны от основной линии на расстоя ниях, кратных скорости вращения образца (выраженной в герцах). Если в настройке поля не допущено очень грубых ошибок, то будут видны только две пары боковых полос, отделенные от основной линии расстоя ниями в одну и две скорости вращения. В соответствии с характеристи ками прибора интенсивность боковых полос не должна превышать 1% амплитуды основного сигнала. Их реальная интенсивность сильно зави сит от конкретного магнита, и на приборах со средним и низким полем боковые полосы часто вообще не видны. Природа возникновения боковых полос будет подробно обсуждаться в дальнейшем. На рис. 3. приведен тест на форму линии и боковые полосы, выполненный на 5-мм датчике прибора на 500 МГц.

3.3.3. Факторы, влияющие на разрешение Отклонения формы линии от идеальной лоренцевой при небольших ширинах обусловлены большим числом факторов. Некоторые из них находятся под контролем оператора спектрометра, и умение обращаться с ними составляет большое искусство. Ряд других факторов определяет ся технологией изготовления блоков спектрометра, они составляют главную область соперничества различных фирм. Поскольку от качества формы линии зависит множество других характеристик спектрометра, при покупке нового прибора ее следует тестировать с особой тщатель ностью.

Все линии ЯМР имеют свою собственную естественную ширину, определяемую релаксационными процессами. Однако при наблюдении ядер со спином 1 /2 в веществах с низкой молекулярной массой в невяз ких растворителях вклад естественной ширины линии в большинстве случаев пренебрежимо мал. Например, естественная ширина линии ядра С может составлять 0,02 Гц и менее, в то время как обычно наблюдае мая величина как минимум в 10 раз больше. Таким образом, отклонения от идеальной формы объясняются разнообразными аппаратурными дефектами. Существуют три основных источника этих дефектов: посто янное магнитное поле, датчик и сам образец.

На спектрометре с частотой 500 МГц можно наблюдать линию шириной 0,1 Гц. Это значит, что однородность постоянного магнитного поля в пределах образца поддерживается с точностью до 10 ~ 9. Посколь 68 Глава ку информация о любом спектре собирается в течение некоторого конечного промежутка времени, поле должно быть постоянным еще и во времени. Хорошими характеристиками с обеих точек зрения обладают соленоиды высокопольных сверхпроводящих магнитов, но и в них без корректировки однородности и стабилизации во времени обойтись нельзя. Корректировка и стабилизация осуществляются с помощью градиентных катушек, так называемых шиммов, и системы стабилиза ции отношения поле/частота. Хорошее представление об этих системах составляет непременное условие успешного проведения прецизионных экспериментов. Мы рассмотрим их далее в этой главе, а системе стабилизации, кроме того, посвящена и гл. 5.

Датчик неизбежно выполнен из каких-то материалов, и некоторые из них, в частности катушки, должны быть расположены вплотную к образ цу. Если магнитная восприимчивость этих материалов отлична от нуля, то неизбежно возникают искажения постоянного магнитного поля.


Очень часто именно эти искажения, а не собственная неоднородность поля являются причиной плохой формы линии и низкого разрешения.

Исправить их с помощью градиентных катушек намного сложнее, чем собственные неоднородности поля магнита, поскольку искажениям в местах скачков магнитной восприимчивости соответствуют большие изменения напряженности поля на коротких расстояниях. В последние годы интенсивная разработка материалов с низкой магнитной воспри имчивостью и подходящими электрическими свойствами позволила значительно уменьшить такие эффекты и, следовательно, поднять разре шение и чувствительность. В результате современные спектрометры значительно превосходят по своим характеристикам более ранние при боры с той же напряженностью поля. Однако вы легко можете усовер шенствовать старый прибор простой заменой уже имеющихся датчиков более новыми. Конечно, можно поменять и некоторые другие элементы спектрометров, но смена датчиков обычно дает наибольший эффект.

Второй фактор, зависящий от конструкции датчика и влияющий на форму линии,-это коэффициент, с которым катушка принимает или передает радиочастотную энергию в различные части образца. Его называют однородностью радиочастотного поля Bt (постоянное поле обозначается Во). Этот параметр чрезвычайно важен для успешного проведения большинства сложных многоимпульсных экспериментов, описываемых далее. Он будет часто упоминаться в книге. Методики измерения однородности поля Ву не рассматриваются в данной книге, но мы приведем несколько примеров экспериментов, чувствительных к этой характеристике. К сожалению, однородность поля В1 обычно не входит в паспортные характеристики датчика.

Сам образец также неизбежно вносит искажения в постоянное маг нитное поле. Искажения создаются во всех местах, где изменяется его магнитная восприимчивость. Это происходит и на торцах столбика жидкости, и на границах раствор/стекло или раствор/воздух (или раст вор/тефлон при использовании подавителя мениска). По этой причине Основные экспериментальные методы хорошее разрешение можно получить только на образцах со стобликом жидкости, который заметно больше высоты чувствительной области датчика. Посмотрите на стандартный тестовый образец: высота стол бика его раствора составляет много сантиметров. Но это не значит, что если вам нужно высокое разрешение, то следует разбавлять образец обязательно до этого объема. Лучше найти минимально допустимую высоту столбика, как это описывалось ранее. Однородность поля может нарушаться и изменениями каких-либо характеристик внутри раствора, например концентрации, температуры или при наличии взвешенных частиц. Эти факторы, которые легко устранить, уже обсуждались в пре дыдущем разделе. Наиболее неприятны температурные градиенты, по скольку они создают конвекционные потоки. Поэтому при выполнении температурных экспериментов необходимо делать значительную паузу после каждого изменения температуры образца.

3.3.4. Шиммирование Введение. Этот курьезный термин пришел из инженерной практики использования небольших металлических пластинок (называющихся шиммами, т. е. клинышками) для точной подгонки друг к другу каких либо механических частей. В спектроскопии ЯМР шиммами называются магнитные поля небольшой напряженности, которыми исправляют не однородности сильного постоянного поля. При каждой смене образца в магните необходимо подобрать новые шиммы, и для эффективного проведения этого процесса потребуется некоторое умение. Трудности подбора шиммов возрастают (но не обязательно линейно) с увеличением напряженности поля магнита, резонансной частоты наблюдаемых ядер и объема катушки приемника. Таким образом, самая трудная ситуация возникает при наблюдении протонов на частоте 600 МГц (а в будущем и на более высоких частотах) в датчике большого диаметра. Затрачивае мые на настройку разрешения усилия и получаемый результат в огром ной степени зависят от сочетания магнита и датчика. Рекомендации, которые даются в этой книге, больше относятся к сложным случаям, таким, как настройка спектрометра на 500 МГц или работа с датчиком очень большого диаметра. Только ваш собственный опыт сможет подсказать, сколько нужно подстроить градиентов и на какую величину, чтобы получить заданный результат.

Шиммы. В сверхпроводящих магнитах существует несколько уровней настройки однородности поля. В основном это зависит от конструкции соленоида, которая разрабатывается таким образом, чтобы по возмож ности оставлять наиболее простые, легко подстраиваемые градиенты.

Существуют два набора градиентных катушек. Сверхпроводящие катуш ки, обычно называемые холодными шиммами, настраиваются только при зацуске магнита и в дальнейшем не используются. Шиммы, находя щиеся при комнатной температуре, или теплые шиммы, подстраиваются 70 Глава для каждого образца. Оператор спектрометра обычно настраивает только теплые шиммы. Чаще всего он работает лишь с небольшим числом имеющихся градиентов.

В магнитах с общепринятым вертикальным расположением зазора шиммовые катушки выполнены методом печатного монтажа на вставля емом в магнит цилиндрическом каркасе (рис. 3.5). Затем внутрь этого каркаса вставляется датчик так, чтобы его рабочий объем оказался в центре катушки Z-градиента. Расположение всего набора шиммов в свою очередь должно быть согласовано с расположением холодных шиммов, находящихся внутри криостата. Катушки, поле которых ориен тировано вдоль вертикальной оси магнита, называются Z-градиентами (например, Z, Z 2, Z 3 и т.д.). Катушки, поля которых ориентированы вдоль двух других перпендикулярных осей, называют Х- и У-градиента ми различных порядков (или горизонтальными градиентами, или гра диентами без вращения, см. ниже). В набор шиммов должна также входить катушка, позволяющая в некоторых пределах изменять общую напряженность магнитного поля. Она иногда называется катушкой Рис. 3.5. Различные наборы теплых шиммов и их компоненты;

на двух компонен тах справа видны градиентные катушки. (Снимок любезно предоставлен фирмой Oxford Instruments.) Основные экспериментальные методы развертки, или ^-градиентом. Диапазон подстройки поля с ее помощью обычно не превышает 100-200 м. д.

Если вы знакомы с выпускавшимися ранее спектрометрами с посто янными магнитами или электромагнитами, то. вы заметите, что в сверх проводящих магнитах используются другие названия шиммов. Это объясняется тем, что в них направление поля совпадает с вертикальной осью образца, а не перпендикулярно ей. Два важнейших градиента 2 Z и Z сверхпроводящих магнитов соответствуют Y и R (последний иногда называется «кривизной») в случае электромагнитов. Исполь зуемые в этом разделе названия шиммов соответствуют стандартам фирмы Oxford Instruments.

Между градиентами, параллельными оси образца и перпендикуляр ными ей, есть существенное различие. Вращение образца с некоторой скоростью вокруг своей оси позволяет усреднить многие дефекты поля в плоскости х-у, но не оказывает влияния на вертикальные градиенты.

Поэтому настройка однородности поля по вертикальной оси более существенна для получения хорошего результата и требует более тща тельного подхода. Для настройки сверхпроводящих магнитов использу 2 ются теплые Z-градиенты до четвертого порядка (т. е. Z, Z, Z и Z ).

Иногда имеется и градиент Z, но обычно только в магнитах на 500 МГц или в магнитах с широким зазором. Настройка этих градиен тов сильно влияет на ширину и форму получаемой линии. В отличие от них для подстройки горизонтального поля используются только шиммы до третьего порядка. Это X и У (первый порядок), XZ, YZ, XYn X2 — Y (второй порядок) и XZ2 и YZ2 (третий порядок). На магнитах с высокой напряженностью поля могут также использоваться X3, Y3, ZXY, Z(X2 — — Y2) и др. Горизонтальные градиенты оказывают наиболее сильное влияние на упоминавшиеся ранее боковые полосы от вращения, но градиенты высших порядков частично влияют и на форму линии.

Глядя на изобилие регулировок, представленных на старых прибо рах в виде ужасающего количества ручек, можно прийти в отчаяние.

И действительно, начальная настройка магнита после его запуска-очень трудная задача, которой по возможности лучше избегать. Но, к счастью, после того как получено приличное разрешение на конкретном датчике в конкретном магните, переход от образца к образцу не требует серьезных регулировок. В дальнейшем при изложении методов шимми рования я буду исходить из того, что, если даже у вас пока и нет необходимости заниматься полной настройкой только что запущенного магнита, вам могут встретиться другие «сложные» задачи, как, напри мер, настройка прибора с очень сильным полем или наблюдение спектров при большом объеме образца. Поэтому я постараюсь не надоедать вам длинным и скучным изложением. Но в то же время я не предлагаю вам просто покрутить Z и Z 2 и закончить на этом. Превос ходное подробное описание процесса шиммирования появилось не сколько лет назад в журнале фирмы Nicolet Instruments (сейчас это фирма GE NMR Instruments), издававшемся для внутреннего пользова 72 Глава ния, и среди спектроскопистов ходило множество сделанных без разре шения копий этой статьи. Сейчас она опубликована, и я привожу здесь ссылку на нее [1].

В идеальном случае шиммирование могло бы быть очень простым процессом, поскольку градиенты конструируются таким образом, чтобы каждый из них не зависел от остальных. Поэтому, казалось бы, настрой ку каждого по очереди градиента можно проводить просто по достиже нии максимального разрешения. К сожалению, на практике невозможно полностью реализовать идеальную форму магнитного поля с помощью реальных катушек. И образец, который в идеале должен быть сферичес ким, на самом деле таким не бывает. Кроме того, изменение тока в катушке любого градиента неизбежно приводит к изменению других, «примешанных» к нему градиентов. В этом состоит основная сложность шиммирования: подбирая один градиент, мы тем самым сбиваем оптимизированные ранее. Если бы каждый градиент содержал в качестве примесей все другие, то при шиммировании было бы почти невозможно достичь хоть какого-нибудь прогресса. К счастью, не все так плохо.


В действительности можно определить пары или небольшие группы градиентов, оказывающих сильное влияние друг на друга. Работа с взаимодействующими парами градиентов может быть продемонстри рована на примере очень часто подстраиваемой пары Z.JZ2. Но сначала мы должны установить, каким способом будем определять, повышается ли однородность поля при изменении градиента.

Дейтериевая стабилизация (лок*). Наиболее важным критерием одно родности поля служит форма линии. Однако на практике довольно сложно после каждого изменения градиента получать новый спектр и проверять форму линии. На современных спектрометрах существуют два более простых способа определения однородности-по опорному сигналу дейтерия в канале стабилизации и по спаду свободной индукции.

При решении обычных спектральных задач вполне достаточно первого метода;

определенные преимущества второго мы обсудим позднее.

Дейтериевый лок используется для поддержания постоянной напря женности магнитного поля в течение длительных промежутков времени.

Более подробное обсуждение работы этой системы проводится в гл. 5, где вводится необходимая для этого терминология. Но основная идея метода очень проста: наблюдается заданный сигнал ЯМР, его частота сравнивается с некоторой эталонной и затем производится подстройка поля до совпадения частоты сигнала с эталоном. Такой метод превраща ет задачу по поддержанию высокой стабильности магнитного поля * От английского „lock"-замок, запор. Подразумевается, что система стаби лизации как бы «запирает» магнитное поле, не дает ему изменяться. В общем случае под словом «лок» подразумевается вся система стабилизации поля.

Однако часто, например в выражениях типа «сигнал лока» или «уровень лока», имеется в виду сигнал ядер дейтерия, регистрируемый в канале стабилиза ции.- Прим. перев.

Основные экспериментальные методы в задачу по поддержанию высокой стабильности частоты. Если у вас есть наручные кварцевые часы, то вам совершенно ясно, что эту задачу решить гораздо проще. В качестве наблюдаемого сигнала удобно использовать сигнал дейтерия ядер дейтерированного растворителя, что и делается во всех современных спектрометрах. Они обычно оборудова ны индикатором уровня дода. Для этой цели можно использовать простой стрелочный индикатор или графический дисплей. Амплитуда сигнала лока зависит от нескольких факторов и в том числе от однородности поля. Поэтому ее можно использовать в качестве крите рия при шиммировании. Для корректного шиммирования и корректной работы спектрометра в целом важно правильно выбрать условия регист рации сигнала лока.

По существу канал лока представляет собой самостоятельный спект рометр, работающий на частоте дейтерия совместно с основным спект рометром, работающим на частоте наблюдаемых вами ядер. В таком случае для оптимальной работы необходимо установить как минимум три параметра: мощность радиочастотного сигнала, использующегося для возбуждения резонансной линии дейтерия (мощность передатчика лока), усиление принимаемого сигнала (амплитуда лока или усиление лока) и опорную фазу приемника (объяснение этого термина дается в гл. 5). В описаниях спектрометров разных фирм применяются различ ные названия этих параметров. Полезно заполнить наиболее употреби тельные английские термины (мощность радиочастотного сигнала-lock transmitter power;

усиление в канале лока-lock gain;

фаза приемника лока-lock reference phase). Из этих трех параметров особенно важно правильно установить мощность передатчика и фазу приемника. Описы ваемая ниже настройка градиентов должна производиться уже при настроенном канале лока. Методика его настройки зависит от конкрет ного спектрометра. Подробное описание настройки канала лока вы можете найти в руководстве к своему прибору.

На первый взгляд может показаться, что мощность передатчика и усиление приемника лока выполняют одинаковые функции. Ведь, изменяя их, мы тем самым заставляем расти или уменьшаться интенсив ность сигнала лока. Но между ними есть существенная разница. Измене ние усиления приемника не влияет на процессы, происходящие в образце, и поэтому его можно менять совершенно свободно. Однако при высоком усилении в сигнале лока появляется дополнительный шум, в большинст ве случаев не создающий затруднений (но см. гл. 5). Напротив, мощ ность передатчика можно увеличивать только до насыщения, т.е. до возникновения такой ситуации, когда в образец посредством облучения радиочастотным полем вводится больше энергии, чем он может рас сеять с помощью релаксационных процессов (гл. 4). Одним из проявле ний насыщения может служить уширение наблюдаемой линии, другим непонятные постоянные изменения амплитуды лока. И то и другое крайне нежелательно в работе канала стабилизации.

С одной стороны, недопустимо работать с сигналом лока в условиях 74 Глава насыщения, а с другой-желательно использовать по возможности большую мощность передатчика, чтобы получить максимальное отно шение сигнал/шум. Значительное насыщение можно определить по большим случайным изменениям амплитуды сигнала лока, которые легко заметны. Небольшое насыщение на его первых стадиях можно обнаружить с помощью следующего эксперимента. Слегка увеличьте мощность передатчика и посмотрите на сигнал лока. Сначала он будет расти, но, если насыщение уже достигнуто, через короткий промежуток времени его амплитуда станет меньше первоначальной. Только в том случае, если сигнал вырастет на некоторую величину и после этого не изменится, можно утверждать, что насыщение отсутствует. Тот же эксперимент можно проделать и в обратном направлении. Понизим мощность передатчика и определим, произошло ли понижение амплиту ды или после некоторого уменьшения она вновь восстановилась. Таким путем можно легко подойти вплотную к точке насыщения и затем установить подходящую амплитуду сигнала лока с помощью усиления приемника.

Важность установки опорной фазы приемника лока обсуждается в гл. 5. Обычно фаза подбирается просто по максимуму сигнала. Однако такая установка не будет правильной, если форма линии сигнала дейтерия существенно отличается от лоренневой. Лучше поступить следующим образом: после обнаружения сигнала лока подстроить его фазу, затем подстроить градиенты Z и Z 2 и снова вернуться к фазе.

Неправильно установленная фаза может привести к нестабильности амплитуды сигнала. Такую нестабильность легко спутать с насыщением.

При неправильно установленной фазе могут также отсутствовать замет ные изменения амплитуды лока при подстройке шиммов. Понять причину такой нечувствительности может только оператор, достаточно освоившийся со спектрометром. Совершенно неправильная фаза сделает стабилизацию поля вообще невозможной. Методика предварительной настройки фазы до обнаружения сигнала лока зависит от конкретного спектрометра, поэтому следует внимательно изучить руководство к ва шему прибору.

Настройка разрешения. Правильно настроенная система лока позво ляет получать информацию об однородности магнитного поля, необхо димую при настройке разрешения. Амплитуда сигнала лока зависит в первом приближении от однородности магнитного поля, поэтому цель настройки шиммов состоит в достижении ее максимума. Существование связей между определенными наборами шиммирующих катушек не позволяет разработать определенную схему этого процесса. Искусство шиммирования основано на знании того, какие именно катушки связаны друг с другом и как справиться с этим взаимным влиянием. Очень важно также чувствовать, насколько нужно изменить градиент для получения определенного эффекта и с какой скоростью его можно менять, чтобы не произошел сбой условий стабилизации. Здесь каждый конкретный спект Основные экспериментальные методы рометр имеет свои особенности, поэтому для надежной настройки целесообразно сначала научиться «чувствовать» новый магнит. Попрак тикуйтесь в настройке пары ZJZ, что в реальной работе приходится делать постоянно. Очень часто процедура шиммирования на этом и заканчивается. Но все же не думайте, что это так просто.

При настройке пар градиентов мы будем следовать такому важному правилу: не заканчивать регулировку на шимме более высокого порядка (например, Z ). Лучше еще раз подстроить градиент более низкого порядка (Z) и только потом судить об общем эффекте-произошло улучшение или нет. Приводимая ниже процедура может быть использо вана для настройки Z и Z.

Подвигайте Z-градиент в ту и другую сторону;

уровень сигнала лока должен подниматься и опускаться. Выберите величину Z, при которой уровень максимален, и запомните ее. Это удобно сделать, если вы можете, подбирая усиление приемника, установить уровень на какую либо отметку по делениям стрелочного измерителя или сетке графичес кого дисплея. Теперь измените Z до появления смещения уровня сигнала, не обращая внимания на то, в какую сторону он изменился.

Иными словами, не беспокойтесь, если он упадет или поднимется;

пусть он поменяется хоть как-нибудь. После того как произошло заметное изменение в ту или другую сторону, подберите Z по максимальному сигналу. Сравнивая полученный уровень с установленным ранее, вы сможете определить, лучше или хуже стала новая комбинация шиммов.

Если лучше, продолжайте смещать Z 2 в ту же сторону, каждый раз заново подстраивая Z, до тех пор, пока наблюдается повышение уровня сигнала лока. Если хуже, изменяйте Z 2 в обратном направлении. Для начинающих спектроскопистов трудно запомнить, в каком направлении менялся Z 2, но, работая на приборе, вы скоро научитесь делать это не задумываясь. Эта процедура несколько отличается от описанной в рабо те [1], где различаются два типа взаимодействия шиммов, но мой опыт показывает, что она вполне отражает сущность шиммирования, без ввода чрезмерных усложнений.

Во многих случаях такая последовательность операций кажется слишком сложной, поскольку прямая настройка каждого градиента по максимуму сигнала часто дает удовлетворительный результат. Причина этого заключается в том, что если настройка шиммов близка к опти мальной, то установка градиентов низших порядков по максимуму сигнала позволяет сразу получить их правильное положение. Такая ситуация может возникать довольно часто, если вы правильно обращае тесь со своим прибором и используете рекомендуемый объем образца.

Но не думайте, что по этой причине можно не изучать полных методик шиммирсвания;

неизбежно придет время, когда они вам понадобятся.

Например, вам нужно будет добиться хорошего разрешения на образце с низким столбиком вещества, а именно высота столбика оказывает наибольшее влияние на величины градиентов.

Или вы можете оказаться счастливчиком, имеющим доступ к прибо 76 Глава ру с очень сильным полем. По причинам, связанным с переходом от односоленоидных к двухсоленоидным конструкциям, усложнение проце дуры шиммирования при переходе от прибора на 400 МГц к прибору на 500 МГц оказывается непропорционально большим. На приборах с час тотой 500 МГц и выше для получения приемлемого разрешения прихо дится настраивать все четыре Z-градиента на каждом образце. Но в то же время разрешение, которое мы считаем «приемлемым», обычно тем больше, чем выше стоимость прибора. Поэтому на сильнопольных спектрометрах в любом случае стоит затратить побольше усилий, чтобы извлечь максимум результата. Но здесь шиммы третьего и более высоких порядков уже не настриваются непосредственно по максимуму сигнала лока, поэтому неизбежно приходится пользоваться описанной процедурой.

При выполнении обычных спектральных работ бывает полезно 3 подстроить и другие градиенты - Z, Z и горизонтальные градиенты 2 низких порядков -X, Y, XZ, YZ и X — Y. Однако их настройка требуется достаточно редко, обычно только на упоминавшихся выше сильнопольных спектрометрах. Она также бывает нужна при некоторых нетрадиционных экспериментах, например при наблюдении протонного спектра с помощью катушки спиновой развязки гетероядерного датчика.

Чтобы судить о необходимости такой настройки, полезно иметь пред X,Y, XZ.YZ правильная (бокобые полосы 1-го поряЭка) Рис. 3.6. Некоторые дефекты формы линии.

Основные экспериментальные методы ставление о том, какого рода искажения в форме линии вызывают ошибки в том или ином градиенте. На рис. 3.6 приводятся примеры линий при неправильно настроенных шиммах, полученные на протон ном 5-мм датчике прибора на 500 МГц. Учтите, что на практике линия может одновременно содержать все эти искажения в различных соотно шениях, что может сделать форму линии совсем непонятной.

Все Z-градиенты оказывают влияние на ширину линии, причем чем выше порядок градиента, тем в более низкой части линии проявляются 3 искажения. Градиенты нечетных порядков (Z, Z, Z ) вызывают симмет 2 ричное уширение, а четных порядков (Z, Z ) - несимметричное (рис. 3.6, б, г и д). Обычно чем выше порядок градиента, тем большие изменения требуются в нем;

на уровне поворота ручки это определяется конструк цией спектрометра. Для получения заметных искажений линии, приве денных на рис. 3.6, использовались довольно большие смещения шим мов от правильного положения. При слабых отклонениях от правильных значений или в случае спектрометра с более слабым полем вместо отчетливых горбов на линии наблюдалось бы только ее уширение.

Теоретически Z-градиенты четных порядков в основном содержат в виде примесей также четные градиенты, а нечетные-в свою очередь примеси нечетных порядков. Таким образом, самое сильное взаимодей ствие будет только между Z и Z 3, Z2 и Z 4. Но на практике на это лучше не полагаться и после каждого изменения какого-либо градиента под страивать все остальные шиммы более низких порядков. Следствием наличия примесей четных порядков в четных градиентах оказывается влияние Z2 и Z 4 на Z 0 (т.е. на напряженность поля), поэтому при слишком быстром их изменении может произойти сбой условий стаби лизации. Это и есть те упоминавшиеся ранее градиенты, для которых на практике требуется определить максимально допустимую скорость из менения.

От горизонтальных шиммов низких порядков зависят интенсивность и форма боковых линий от вращения. Ошибки в Х- и У-градиентах нечетных порядков (т. е. X, У, XZ и YZ) приводят в основном к появле нию боковых линий первого порядка, а ошибки в Х- и У-градиен тах четных порядков (XY, X2 — У 2 )-к линиям второго порядка (рис. 3.6,в и е). Поскольку неоднородности поля, устраняемые с по мощью этих градиентов, усредняются при вращении, их следует на страивать без вращения;

отсюда и произошел термин «шиммы без вращения».

Каждый из перечисленных выше градиентов второго порядка следует считать взаимодействующим и с X, и с У одновременно, поэтому три этих градиента нужно настраивать совместно. Кроме того, после любо го изменения горизонтального шимма, содержащего Z (XZ, YZ), необ ходимо подстраивать Z-градиент. Неплохо также подстраивать Z сразу после выключения вращения, поскольку при этом слегка изменяется высота столбика жидкости в образце относительно датчика.

Для сведения сложностей настройки шиммов к разумному уров 78 Глава ню некоторые их взаимодействия следует считать преобладающими (табл. 3.2) и соответствующие группы шиммов настраивать отдельно.

Не входящие в эти группы градиенты низких порядков требуют под стройки только после значительных изменений в шиммах высоких порядков или при заключительной тонкой регулировке. Боковые полосы от вращения могут возникать не только из-за расстройки градиентов, но и от искажений в форме ампулы, образования воронки в ампуле большого диаметра, наличия в образце твердых частиц, загрязнений или царапин на турбинке;

поэтому, прежде чем тратить время на настройку шиммов без вращения, проверьте, отсутствуют ли перечисленные выше причины.

Таблица 3.2. Основные группы взаимно влияющих друг на друга шиммов. Изменение каждого шимма из первого столбца оказывает сильное влияние на шиммы второго столбца. Значительные изменения первых градиентов могут также создать необходимость подстройки градиен тов третьего столбца Прочие Настраиваемый Основные градиент взаимодействия взаимодействия Z Z2 Z Z Z Z Z Z5 z,z Z z,z3 Z2,Z У X z У X z XZ X z У YZ z ЛГУ 2 X,Y — X -2 У XY X, У XZ 2 XZ X, Z YZ YZ У, z ZXY 2 XY X,Y,Z Z(X - У ) X -Y X,Y,Z Ж3 — X У Y Градиенты высоких порядков (Z 5 и шиммы без вращения третьего порядка) имеют заметно меньшее влияние на однородность поля, чем остальные градиенты. XZ2 и YZ2 часто вызывают похожее на Z симметричное уширение линии, но в еще более низкой ее части. Кроме того, в сочетании с Z 3 и Z 4 они позволяют переходить от линии с узким основанием и большими боковыми полосами к широкой линии без боковых полос и наоборот. В этом случае приходится затрачивать большие усилия для поиска подходящего компромисса методом проб и ошибок, что требует слишком большого времени при проведении рутинных измерений. Расстройка остальных шиммов без вращения Основные экспериментальные методы может вызывать появление небольших (0,1% по интенсивности) горбов, находящихся очень далеко от основной линии (до сотен герц). Эти дефекты не выявляются при обычном тесте на форму линии, но иногда очень мешают проведению измерений. Обнаружив их появление, вам надо сообщить об этом специалистам и предоставить им устранение этих дефектов.

Настройка шиммов по ССИ. Хотя амплитуда лока довольно хорошо отражает однородность поля и вполне достаточна для настройки прибо ра при измерении рутинных спектров, иногда она может вводить оператора в заблуждение. Причина этого станет понятна, если задумать ся, каким образом высота сигнала дейтерия связана с происходящими в магнитном поле изменениями. Сигнал лока-это просто синг летная линия дейтериевого спектра, принадлежащая обычно растворителю.

Однородность магнитного поля не оказывает влияния на площадь под этой линией, но влияет на ее форму. Таким образом, при сужении линии, чтобы сохранить постоянной площадь, должна увеличиваться ее высота, которая как раз и отражает уровень лока. Теперь мы без труда можем вообразить такую ситуацию, когда линия становится выше, но при этом не приближается к идеальной лоренцевой форме. Например, так может произойти при сужении верхней части линии с сохранением широкого основания. Можно сказать, что амплитуда лока отражает в основном изменения ширины линии (в том числе и упомянутого типа), а для более строгой оценки формы линии требуются иные критерии.

Многие спектрометры обладают возможностью вывода на дисплей сигнала спада свободной индукции (ССИ) в масштабе реального време ни после выполнения каждого прохождения. Эта возможность очень полезна при шиммировании. ССИ обладает двумя информативными характеристиками-протяженностью и формой. Протяженность ССИ дает информацию о действительной ширине линии, как и амплитуда сигнала стабилизации. Информация о форме линии содержится в огиба ющей ССИ (экспоненциальная она или нет). Конечно, такая оценка весьма субъективна, но с накоплением опыта она становится более надежной, чем оценка по амплитуде сигнала стабилизации. На рис. 3. показаны формы ССИ до и после настройки шиммов.

ССИ в форме простой затухающей экспоненты наблюдается только на образцах, где доминирует одна мощная синглетная линия (в нашем случае линия хлороформа в тестовом образце). У реальных образцов ССИ имеет огибающую более сложной модулированной формы. На стройка однородности поля по ССИ требует несколько иного стиля работы с градиентами, поскольку информация о происшедших измене ниях становится доступна только после завершения прохождения. Лучше всего иметь возможность одновременно наблюдать ССИ и уровень лока, чтобы одновременно получать и более быструю и более медлен ную, но точную информацию. Удивительно, что эта простая и полезная возможность не всегда предусмотрена даже на современных спектро метрах.

80 Глава Рис. 3.7. Правильная (А) и неправильная (Б) формы ССИ, наблюдаемые при шиммировании.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 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.