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 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 10 |

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

-- [ Страница 6 ] --

Для того чтобы понять происходящие в нем процессы, мы должны подробнее рассмотреть уровни энергии спиновой системы и их заселен ности. Мы проанализируем систему АХ, которую можно представлять себе состоящей из протона и ядра 1 3 С, но это может быть и любая другая пара ядер со спином 1/2. На рис. 6.1 изображена диаграмма энергетических уровней этой системы и спектры каждого из ядер. Мы остановимся на нескольких существенных деталях рисунка. Энергии протонных и углеродных переходов переданы в масштабе. Ларморова частота протонов в 4 раза выше частоты углерода, поэтому протонные переходы имеют в 4 раза большую энергию. Различия энергий двух переходов (Hj и Н 2, С х и С 2 ), обусловленные спин-спиновым взаимодей ствием, настолько малы в сравнении с общей энергией, что в масштабе диаграммы не видны. Нас больше интересует разность заселенностей по каждому из переходов. В условиях теплового равновесия, которое наблюдается в начале эксперимента, разность заселенностей по протон ным переходам должна в соответствии с законом Больцмана в 4 раза превышать разность по углеродным переходам. Будем обозначать эти разности 2АН и 2ДС, тогда АН = 4АС. Реальная заселенность каждого уровня и, следовательно, численные величины разностей зависят от Рис. 6.1. Энергетические уровни гетероядерной системы АХ и их заселенности.

Перенос поляризации и редактирование спектров общего числа присутствующих ядер N. Но нам удобнее пользоваться не собственно заселенностями уровней, а их отличием от JV/4 (этот прием мы уже использовали для двухуровневой системы в разд. 4.2.6 гл. и для гомоядерной двухспиновой системы в разд. 5.2.2 гл. 5);

именно эти значения и приведены на диаграмме.

Теперь мы уже можем кое-что сказать об относительных интенсив ностях сигналов С и ' Н в нашей системе. Избыток заселенности по протонным переходам в 4 раза больше углеродного, кроме того, протонный магнитный момент в 4 раза превышает углеродный (по скольку он пропорционален у);

следовательно, воздействие я/2-импуль са на протоны создает в 16 раз большую поперечную намагниченность, чем в случае С. Сигнал, наводимый в катушках приемника прецессией этой намагниченности, пропорционален скорости самой прецессии (в 4 раза большей у протонов). Таким образом, регистрируемый сигнал протонов будет в 64 раза интенсивнее сигнала углерода (т. е. в общем случае интенсивность сигнала ЯМР ядер с гиромагнитным отношением у пропорциональна у ). Помимо этого, низкое природное содержание изотопа С уменьшает сигнал еще примерно в 100 раз, но это уже несущественно для нашего обсуждения. Мы можем считать, что рабо таем с веществом, обогащенным изотопом С.

Именно по причине пропорциональности сигнала ЯМР величине у наблюдение протонов оказывается наиболее удобным. Следующее за ними ядро, представляющее широкий интерес (в отличие от ядер 1 9 F, Н, 3 Не и двух изотопов таллия, не представляющих интереса),-это 3 1 Р, имеющее у, в 2,5 раза меньшее, чем у протонов, что приводит к 16-крат ному понижению чувствительности, т. е. к увеличению в 256 раз времени накопления спектра для получения того же отношения сигнал/шум в предположении равных скоростей релаксации. Если же взять, напри мер, родий ( 1 0 3 Rh) с у, составляющим только 3% от Х Н, то мы получим снижение чувствительности в 32 тысячи раз, несмотря на 100%-ное природное содержание этого ядра.

Эксперимент по SPI позволяет очень простым способом сделать зависимость от у только квадратичной. Наша система дает спектр первого порядка, поэтому каждая наблюдаемая в нем линия соответст вует переходу отдельного ядра. Теперь представим себе, что одна из протонных линий подверглась воздействию селективного тс-импульса, в результате чего заселенности по соответствующему переходу инверти ровались. На практике это достигается при использовании достаточно низкой мощности радиочастотного поля протонного декаплера, напри мер импульса длительностью 20 мс при амплитуде поля 25 Гц.

На рис. 6.2 изображено состояние системы после селективной инвер сии заселенности. Оно отличается от равновесного только тем, что заселенности по переходу Н1 поменялись местами. Но посмотрите, что произошло с разностями заселенностей. Их величины по протонным переходам не изменились, не считая того, что одна из разностей поменяла знак. По углеродному же переходу С1, где разность раньше Глава Рис. 6.2. Новые заселенности после инверсии одного из протонных переходов.

составляла 2 АС, теперь мы получаем (АН + АС) — ( — АН — АС) или 2АН + 2АС. По переходу С 2, наоборот, получаем ( — АН + АС) — (АН — — АС) или —2АН + АС. Таким образом, мы перенесли протонные разности заселенностей на углеродные переходы и прибавили их к су ществующим разностям! Если сразу после этого подействовать на углеродную намагниченность тс/2-импульсом и зарегистрировать сиг нал, то мы получим дублет с интенсивностями компонент + 5 и — (относительно интенсивности сигналов при прямом наблюдении без селективной инверсии), поскольку АН = 4АС. Так как один из переходов получает отрицательный вклад от протонов, а другой-положительный, то говорят, что суммарный перенос намагниченности отсутствует, но наблюдается разностный перенос поляризации. Заметим, наконец, что полная инверсия заселенностей не обязательна, достаточно будет любо го неравного их возмущения. Именно в такой ситуации возникает SPT-эффект, обсуждавшийся в разд. 5.3.3 гл. 5. На рис. 6.3 представлен результат эксперимента SPI.

Существует несколько проблем, связанных с экспериментом SPI.

Первая-это его селективность;

при выполнении эксперимента нам придется инвертировать не сами протонные линии, а их 13 С-сателлиты.

Кроме того, SPI не может использоваться для получения спектров с развязкой от протонов, поскольку включение декаплера приведет к частичной компенсации противофазных линий, т.е. восстановлению нормальных интенсивностей. Таким образом, эксперимент SPI интере сен не сам по себе. Он важен тем, что открывает путь к целому классу Перенос поляризации и редактирование спектров Рис. 6.3. Эксперимент SPI, выполненный для хлорофор ма: а-инвертирование сател лита в слабом иоле;

б-ин вертирование сателлита в сильном поле;

в-нормаль й 100 f ° ный спектр.

-° гц более общих методов переноса поляризации, разработанных после 1980 г. Обсуждаемые в этой главе эксперименты обычно осуществляют перенос поляризации от одного ядра к другому, сопровождающийся аз увеличением интенсивности регистрируемого сигнала в 4jy2 Р 6.3. INEPT 6.3.1. Введение Основная идея. Основное ограничение эксперимента SPI-это не достаточная общность. Если мы найдем какой-либо способ поляризации всех протонных переходов независимо от частоты, то мы, очевидно, получим многообещающий эксперимент. Мы должны предложить та кую последовательность импульсов, которая, как и SPI, придает парам протонных переходов противоположные фазы, но делает это с помощью неселективных импульсов и независимо от химических сдвигов. Такая последовательность может использовать спиновое эхо для ориентации компонент дублетов вдоль различных осей:

S: (к/2)х - т - кх - т - (я/2), I: (я/2), пх Выборка...

В этой записи, которая была приведена в первом сообщении об экспе рименте INEPT [2] (Insensitive Nuclei Enhanced by Polarisation Transfer низкочувствительные ядра, усиленные с помощью переноса поляри зации), буква S (sensitive) обозначает чувствительные ядра, т. е. дающие мощный сигнал, a I (insensitive)-низкочувствительные со слабым сигна лом (в нашем случае ' Н и 1 3 С соответственно). К сожалению, не все авторы придерживаются этого обозначения, и во многих публикациях можно встретить использование буквы I для ядра, с которого перено сится поляризация, и буквы S для ядра, на которое она переносится.

Конечно, это совершенно произвольное обозначение, но от авторов 13- 194 Глава US, - h - «г к Рис. 6.4. Последовательность INEPT для системы АХ.

можно было бы ожидать большей последовательности. Везде в этой главе буквой S будут обозначаться ядра, с которых переносится поля ризация, и буквой I-ядра, на которые она переносится (независимо от того, какое из них чувствительнее).

Мы легко можем проанализировать воздействие приведенной выше последовательности на систему АХ с константой J (рис. 6.4). Задержка т выбирается равной 1/4/, и компоненты дублета (прецессирующие во вращающейся системе координат с частотой +J/2 Гц) успевают за это время пройти 1/8 полного цикла. я-Импульс на частоте ядра S переносит эти компоненты во вторую половину плоскости х-у, а импульс на частоте ядра I предохраняет его от рефокусировки с помощью из менения направления прецессии. Во время второй задержки т химические сдвиги и неоднородность поля рефокусируются, и в дальнейшем их можно не учитывать. В конце второй задержки компоненты дублета ядра S находятся на осях ±х. Два заключительных я/2-импульса на ядрах S и I обычно производятся одновременно, но для облегчения понимания мы будем считать, что сначала производится S-импульс.

Будучи (я/2)у-импульсом, он помещает находящиеся на осях +х компо ненты на ось z: одна из них оказывается направленной вверх, а другая вниз. В результате мы получили требующуюся противофазную ориен тацию компонент дублета и после я/2-импульса на ядре I можем регистрировать более интенсивный сигнал, как и в случае SPI (рис. 6.5).

Исходная намагниченность ядра I. При воздействии на систему последовательностей SPI и INEPT перенесенная разность заселенностей накладывается на уже существующую разность по переходам ядра I. По этой причине интенсивности регистрируемых положительных и отри цательных сигналов не равны и в случае дублета 1 3 С составляют + и —3. Во многих применениях переноса поляризации такое влияние исходной намагниченности переходов ядра I оказывается нежелатель ным, поэтому требуется принимать какие-то меры для его исключения.

Существует несколько способов, позволяющих устранить влияние Перенос поляризации и редактирование спектров Ii I 85 95 80 Рис. 6.5. INEPT позволяет получить на всех дублетах эффект, который SP позволяет только на одном.

исходной намагниченности. Поскольку поляризация ядра I не требуется на протяжении всей последовательности, его можно, например, на сытить до начала эксперимента. Для этого подойдут широкополосное облучение (но оно обычно недоступно на отличных от протонов ядрах), один или несколько я/2-импульсов на частоте I или создание градиента поля Во вслед за тг/2-импульсом (т.е. нарушающий однородность им пульс - homospoil pulse). В разд. 6.4.6 мы обсудим эксперимент по переносу поляризации, использующий предварительное насыщение, но в обычных случаях при переносе поляризации с протонов на низко частотные ядра предварительное насыщение не требуется. Исходную намагниченность ядра I можно нейтрализовать с помощью фазового цикла, поскольку она не так велика по сравнению с переносимой поляризацией.

В таком цикле должна изменяться фаза заключительного я/2-им пульса на частоте ядра S (обычно протонов). Замена (я/2)у на (я/2)_у поменяет знак протонной поляризации;

это значит, что те компоненты дублета, которые раньше были направлены по оси +z, теперь окажутся на оси — z и наоборот (рис. 6.6). В результате компонента намагни ченности ядра I, обусловленная перенесенной поляризацией, будет про тивоположной, и для правильной ее регистрации необходимо изменить фазу приемника. Исходная же поляризация спина I создает сигнал с постоянной фазой (просто сигнал ядра I после я/2-импульса), поэтому Глава состоят*'Н перед последним им (~ 4f), РИС. 6.6. Подавление исходной намагниченности ядра I при чередовании фазы заключительного импульса ядра S.

1 1 1 1 1 1 ' 1 ' I ' 1 ' а 100 -100 100 0 -МО гц Гц Рис. 6.7. Спектры INEPT ядра С без использования (левый) и с использованием (правый) подавления исходной намагниченности.

перемена фазы приемника полностью его нейтрализует. Обычно такое вычитание позволяет уменьшить интенсивность нежелательных сигна лов в несколько сот раз, чего вполне достаточно при переносе поля ризации с протонов на гетероядра (рис. 6.7).

INEPT с рефокусировкой. Спектры последовательности INEPT не могут быть получены с применением развязки от протонов, поскольку компоненты мультиплетов имеют противоположные фазы. Однако этот недостаток легко преодолеть с помощью небольшой задержки А перед выборкой данных. Правильный выбор длительности А позволяет ком понентам спиновых мультиплетов снова стать синфазными, например Перенос поляризации и редактирование спектров °с ~ Рис. 6.8. Рефокусировка в системе АХ позволяет использовать во время выборки широкополосную развязку.

для дублетов требуется Д = 1/2J (рис. 6.8). Чтобы предотвратить влия ние различия химических сдвигов, понадобится дополнительное спино вое эхо в виде я-импульса посредине задержки:

1 1 /*\ A A к Выборка (±х).

& Эта последовательность известна под названием INEPT с рефокуси ровкой. Она обладает очень интересными свойствами с точки зрения изменения длительности А (разд. 6.3.3), но пока при получении спектров с развязкой от протонов (рис. 6.9) мы будем считать А постоянной.

В отличие от дублетов, для которых оптимальная задержка составляет 1/2J, другим мультиплётам нужны другие величины А (см. табл. 6. в разд. 6.3.3), поэтому при наличии в спектре различных мультиплетов необходимо выбрать некоторое компромиссное значение. Для случая ей ' А ' 4 "-Jo' ' 'кЬ' J '-«' ЮО О -KB г« ГЦ ГЦ Рис. 6.9. Различные спектры хлороформа. В спектре INEPT с рефокусировкой можно заметить некоторое уменьшение интенсивности в сравнении с простым INEPT;

это частично объясняется поперечной релаксацией во время периода рефокусировки и частично-неидеальностью импульсов.

198 Глава углеродных спектров, которые могут состоять только из дублетов, триплетов и квартетов, подойдет величина 0,3/JCH- НО поскольку сама константа J C H может изменяться, такая задержка, конечно, не идеальна.

6.3.2. Характеристики спектров INEPT Влияние на чувствительность. Повышение чувствительности для ядер I в ys/y, раз, т.е. замена зависимости интенсивности наблюдаемого сигнала вида у на у -фундаментальное свойство последовательности INEPT. Однако это не такое уж и большое повышение, поскольку получаемую интенсивность правильнее будет сравнивать не с равно весной для сигналов ядер I, а с сигналом, полученным в условиях развязки от протонов. Широкополосная развязка от протонов будет повышать интенсивность сигнала за счет ЯЭО, который также зависит от отношения гиромагнитных постоянных. Правильное сравнение будет выглядеть так:

7s INEPT*: I = I Yi ЯЭО: / =J 2Y, Здесь буквой / обозначается интенсивность усиленного сигнала, а / 0 - интенсивность сигнала без усиления (обычно величина ЯЭО оце нивается через коэффициент усиления ц, а не через конечную интен сивность сигнала;

в этой главе буквой / будет обозначаться именно конечная интенсивность, за исключением тех случаев, где это специально оговаривается). Важно отметить, что интенсивность сигнала последо вательности INEPT зависит от модуля отношения гиромагнитных постоянных, в то время как ЯЭО зависит и от его знака. Таким образом, ЯЭО между протонами и ядром с отрицательным у может вызывать не увеличение интенсивности, а, наоборот, ее понижение;

если величина г| окажется близкой к — 1, то сигнал может исчезнуть вообще (разд. 5.2. гл. 5). Вскоре мы вернемся к этой проблеме.

Проводя сравнение спектров, полученных с помощью INEPT, и спектров с полным ЯЭО, мы должны также учитывать релаксационные свойства ядер. Для эксперимента по ЯЭО важна величина Тх наблю даемых ядер, в то время как в эксперименте INEPT на интенсивность конечного сигнала оказывает влияние только разность заселенностей ядра S, обычно протонов, и именно их Ti определяет частоту повторения прохождений. В результате частота прохождений в эксперименте INEPT не зависит от Tj ядра I, что на практике часто оказывается важнее, чем сам перенос поляризации.

* Такое соотношение достигается при наличии одного ядра S. При другом количестве ядер S коэффициент усиления слегка изменится (см. табл. 6.2).

Перенос поляризации и редактирование спектров Таблица 6.1. Сравнение интенсивностей сигналов при прямом наблюдении гетероядра в условиях полного ЯЭО со стороны протонов с результа том переноса поляризации с протонов на гетеро ядро. Приведенные значения вычислены относи тельно интенсивности сигнала при прямом на блюдении ядра без ЯЭО Ядро Максимальный ЯЭО Перенос поляризации 31р 2,24 2, "С 2,99 3, Si -1,52 5, 15 -3,94 9, N "Fe 16,48 30, Rh 31, - 14, Теперь мы можем рассмотреть реальные случаи. В табл. 6.1 срав ниваются теоретические интенсивности сигналов некоторых ядер в спектрах INEPT (по отношению к равновесным величинам без ЯЭО) с интенсивностями при максимальном ЯЭО. Как мы видим, результаты довольно близки, хотя нельзя забывать о том, что условия эксперимента иногда не позволяют использовать INEPT и реализовать максимальный ЯЭО. Величина ЯЭО зависит от величины вклада ядер S в релаксацию ядра I по механизму диполь-дипольного взаимодействия, поэтому в зависимости от обстоятельств ЯЭО может быть небольшим или вообще отсутствовать, а в случае ядер с отрицательным у он может оказаться близким к — 1, что приведет к нулевой интенсивности сигнала. В таких случаях INEPT будет намного эффективнее даже без учета увеличения частоты повторения прохождений.

Однако для атомов 1 3 С, связанных с протонами, чаще бывает характерен полный ЯЭО, а их времена релаксации ненамного пре вышают времена релаксации связанных протонов, поэтому исполь зование INEPT с рефокусировкой, вероятно, не даст существенных преимуществ при регистрации спектров с развязкой от протонов. Для получения неразвязанных спектров, где ЯЭО отсутствует, использование переноса поляризации может оказаться очень полезным;

к этому вопро су мы вернемся в дальнейшем.

В полной мере преимущества INEPT реализуются на ядрах с очень большим ^ я в особенности на ядрах с отрицательным у. Распро страненные ядра, обладающие такими свойствами,-это 2 9 Si и 1 5 N.

Рассмотрим гипотетическое вещество, содержащее ядро 1 5 N и связанные с атомом азота протоны. Даже при наличии полного ЯЭО (отно сительная интенсивность —4) эксперимент INEPT будет в 2 раза эффективнее (относительная интенсивность 10). Помимо этого, величина 7\ азота может составлять 32 с, в то время как 7\ протонов-порядка 2 с.

В результате за один и тот же промежуток времени мы сможем получить 200 Глава в эксперименте ШЕРТ в 16 раз больше прохождений, чем при не посредственном наблюдении азота, что приведет к дополнительному четырехкратному повышению отношения сигнал/шум. Таким образом, в реальной ситуации с помощью INEPT мы легко можем добиться 10-кратного повышения чувствительности на ядре 1 S N (рис. 6.10;

см.

также рис. 6.14 с примерами спектров 2 9 Si). Сочетание этих двух досто инств эксперимента INEPT создает широкие возможности для наблю дения низкочастотных, медленно релаксирующих ядер.

Другая область, где повышение чувствительности позволяет по лучать новые результаты,-это спектроскопия ЯМР на ядрах переходных металлов. Для многих комплексных соединений из спектров металлов можно извлечь очень ценную информацию, но чрезвычайно низкая чувствительность и малое природное содержание ядер со спином 1/2, таких, как 1 0 3 R h или 1 0 9 Ag, создают серьезные трудности при изме рениях их спектров ЯМР. Для переноса поляризации требуется наличие значительной константы взаимодействия протон-металл, которая не всегда присутствует в реальных комплексах. Однако почти всегда есть константа взаимодействия с ядром 3 1 Р, обусловленная широкой рас пространенностью фосфиновых лигандов. Обычно отношение yfhmclai довольно велико, и перенос поляризации в этих условиях оказывается очень эффективным. На рис. 6.11 сравниваются спектры прямого на блюдения родия со спектрами переноса поляризации с фосфора на родий Рис. 6.10. Различные способы регистрации спектров " N. В нижней части рисунка приведены спектры с полной релаксацией (одинаковое число прохождений), а1 5в верхней-с частотой повторения, оптимизированной по соответствующему ( N или 1 Н) времени Г, (одинаковое время регистрации). В использованном соединении (фталимиде) имеется протон, непосредственно связанный с азотом, поэтому время релаксации 1 5 N сравнительно невелико (примерно в 2 раза больше, чем протона). Для азота, не связанного непосредственно с протонами, но все же имеющего с «ими заметную константу спин-спинового взаимодействия, можно ожидать еще большего увеличения интенсивности.

Перенос поляризации и редактирование спектров INEPT нормальный спектр I ^480,0 -5dO,O -S20.0 -540,0 -560,0 -5*1, и. а.

Рис. 6.11. Усиление сигнала ядра 1 0 3 Rh при переносе поляризации с 3 1 Р. (С любезного разрешения д-ра Бревара, фирма Broker Spectrospin, и д-ра Тевиссена с сотрудниками, фирма ITC-TNO, Утрехт, Нидерланды.) с помощью последовательности INEPT. Мы видим, что спектры, ка завшиеся ранее недоступными, теперь можно получить достаточно просто. К сожалению, выпускаемые промышленностью спектрометры очень редко оборудуются для таких экспериментов (необходимы датчик, настраивающийся одновременно на две Х-частоты, и двухканальный широкополосный передатчик), но в будущем ситуация несомненно из менится.

Влияние иа спектры без развязки. В спектрах INEPT, полученных без рефокусировки и развязки, мультиплетная структура сохраняется, но их вид становится совсем необычным. Дублеты, как мы уже видели, представляются парами линий в противофазе. Можно показать, что триплеты теряют свою центральную линию и дают сигналы с ин тенсивностями — 1 : 0 : 1, а квартеты имеют структуру — 1: — 1:1:1 (в гл. 8 вы увидите, что эти интенсивности, так же как и кросс-пики эквивалентных ядер в спектрах COSY, соответствуют правилу «проти вофазного треугольника»). Такую мультиплетную структуру можно считать как полезной (рис. 6.12), так и вредной, отвлекающей внимание.

Описанная в разд. 6.4 последовательность DEPT позволяет получать спектры без развязки с нормальной мультиплетной структурой.

Глава I Т I I I so to 30 «5 Рис. 6.12. Структура мультиплетов в спектрах INEPT без развязки.

6.3.3. Задержка Получение оптимальной чувствительности. Исследуем более тщатель но роль задержки А в последовательности INEPT с рефокусировкой.

Сначала рассмотрим условия получения оптимальной интенсивности сигналов в спектре с развязкой. Как мы уже видели в разд. 6.3.1, величина 1/2J, подходящая для дублетов, совершенно не подойдет для триплетов (рис. 6.13). В конце периода задержки компоненты триплета окажутся в противофазе, что приведет к исчезновению сигнала при включении декаплера. Та же картина будет наблюдаться и для всех остальных мультиплетов, поэтому спектры, полученные с задержкой А = 1/2J, будут содержать только дублеты спиновых систем IS. С по мощью несложных вычислений [3] мы получаем, что для произвольной спиновой системы IS,, оптимальное значение А последовательности INEPT с рефокусировкой и развязкой равно (6.1) В табл. 6.2 приведены некоторые величины А и соответствующие им коэффициенты усиления сигнала, зависящие от числа ядер п. Во многих случаях переноса поляризации на ядра, отличные от С, в спектрах Перенос поляризации и редактирование спектров максимальный Эубпащ ' 4J ' • * - Рис. 6.13. Различное поведение дублетов и триплетов во время периода рефо кусировки последовательности INEPT-основа для редактирования спектров.

Таблица 6.2. Оптимальные значения Д (в единицах 1/J) и соот ветствующее им усиление (в единицах Ys/y,) для последователь ности INEPT с рефокусировкой при переносе поляризации с и ядер со спином 1/ 0,5 0, Д(х 1/J) 0,196 0, 0,25 0, 1,0 1, 1,0 1, 1,15 1, ( х Ys/r,) встречается только один тип мультиплетов, что позволяет выбрать оптимальную величину А. Например, спектр 2 9 Si широко распростра ненной триметилсилильной группы лучше всего получать с помощью INEPT с задержкой Д, соответствующей и = 9 (рис. 6.14).

Редактирование спектров. Изменение величины А позволяет опреде лить число ядер S, связанных с ядром 1, т. е. провести редактирование спектра в соответствии с мультиплетностью его сигналов. Например, в спектроскопии 13С можно получить отдельные спектры для групп СН, СН 2 и С Н 3. Информацию, получаемую из неразвязанных спектров таким образом, мы можем получить в условиях широкополосной раз вязки, повышающей как чувствительность, так и разрешение. Вскоре мы рассмотрим практические способы регистрации таких спектров с по мощью последовательности DEPT (разд. 6.4.3), но основные принципы легче изучить на примере INEPT.

Пусть 9 - угол, определяемый условием 8 = к JA. Проанализировав прецессию компонент мультиплетов групп СН, СН 2 и СН 3 во время Глава INEPT -JL» разАяшм иЯЭО SO SO -so о 50 - О -SO г» Гц Рис. 6.14. Спектр INEPT ядра Si с переносом поляризации с ' Н демонстрирует отчетливое увеличение интенсивности сигналов (все спектры получены с опти мальной частотой повторения за одинаковые промежутки времени).

задержки Л, мы можем выразить интенсивность сигнала каждой группы (в условиях развязки) как функцию угла 6:

СН: /ос sin СН 2 : /ос sin20 (6.2) СН 3 : / ос - (sin 0 +sin 30) Легко видеть, что рассмотренный ранее случай (Л = 1/2J, т. е. 0 = л/2) согласуется с этими формулами. Чтобы выделить сигналы углеродов трех различных типов, необходимо зарегистрировать три спектра с такими задержками Л, чтобы соответствующие им углы 0 были равны л/4, л/2 и Зл/4. В табл. 6.3 приведены относительные интенсивности каждой группы в таких спектрах.

Таблица 6.3. Относительные интенсивности сигна лов при редактировании спектров СН, СН СН, ж/4 3/2^ Чу/г к/2 О Зя/4 - Чу/г 3/2^ Важность этих величин станет понятнее после анализа некоторых спектров (рис. 6.15). Спектр 0 = л/4 содержит сигналы всех групп, спектр 0 = л/2-только групп СН, а спектр 0 = Зя/4 опять содержит все ре зонансы, но сигналы групп С Н 2 инвертированы. Как мы вскоре увидим, складывая и вычитая эти спектры определенным образом, можно получить подспектры групп СН, С Н 2 и С Н 3.

Перенос поляризации и редактирование спектров SO 45 40 55 30 25 20 И м.З.

Рис. 6.15. Вид сигналов групп СН, С Н 2 и С Н 3 при редактировании спектров.

Как раз из таких манипуляций с фазами и интенсивностями сигналов и состоит редактирование спектров. В нем вообще нет ничего необычно го. Механизм изменения фазы в последовательности DEPT будет менее понятен (поскольку в нем используется концепция гетероядерной много квантовой когерентности), однако основные принципы останутся не изменными. Но эксперимент INEPT также требует весьма глубокого анализа. Мы избежали ситуаций, в которых векторная модель оказы вается несостоятельной только потому, что ограничились случаем дуб лета и выбрали определенный порядок следования заключительных я/2-импульсов.

Для лучшего понимания редактирования спектров попробуйте срав нить процессы, происходящие во время задержки Л последовательности INEPT и во время периода эволюции эксперимента по гетероядерному J-модулированному спиновому эху (разд. 10.2 гл. 10). Начальные со стояния спиновых систем в этих экспериментах различны, но в ос тальном они очень похожи.

6.4. DEPT 6.4.1. Введение Буква D в названии эксперимента происходит от слова „Distortion less"-«без искажений» (расшифровать остальные буквы вы сможете сами). Эта последовательность осуществляет аналогичный эксперименту INEPT перенос поляризации, но с той существенной разницей, что все сигналы нечувствительных ядер перед началом выборки оказываются синфазными. Таким образом, спектры с развязкой от протонов можно получать, не прибегая к дополнительной рефокусировке с задержкой А, а спектры без развязки сохраняют обычную мультиплетную структуру, 206 Глава именно это и подразумевается под словами «без искажений». Это и многие другие достоинства делают DEPT наиболее удобной после довательностью для практического редактирования спектров с по мощью переноса поляризации.

6.4.2. Последовательность DEPT как многоквантовый фильтр В разд. 6.4 в качестве наиболее часто встречающегося объекта для применения последовательности DEPT мы будем рассматривать пере нос поляризации с протонов на углерод, но при этом не будем забывать о том, что их можно заменить любой другой парой ядер со спином 1/2.

Последовательность DEPT выглядит так:

е± п Развязка -h- ~h- '~h- С: (^) п Выборка (±х)...

\2/х где 6 +у~протонный импульс переменной длительности, который, как мы вскоре увидим, выполняет те же функции, что и задержка А в INEPT.

Переключение фазы этого импульса (вместе с переключением режима сложение/вычитание приемника) служит для устранения исходной на магниченности 1 3 С. Фазы обоих я-импульсов также можно переключать для уменьшения интенсивности ложных сигналов. Во время выборки в зависимости от требований к спектру можно использовать, а можно и не использовать широкополосную развязку от протонов.

Если вы попытаетесь с помощью векторной модели во вращающейся системе координат проанализировать воздействие этой последова тельности на спиновую систему, то обнаружите, что ситуация после углеродного тс/2-импульса окажется не очень простой. Поперечная на магниченность будет одновременно присутствовать на углеродной и протонной частях связанной спиновой системы, и имеющихся у нас знаний оказывается недостаточно для предсказания ее поведения. Дей ствительно, очень трудно описать это состояние системы (известное под названием гетероядерной многоквантовой когерентности) в терминах классической векторной модели [4]. Мы столкнемся с некоторыми проблемами и при попытках предсказать эффект G-импульса без прив лечения квантовой механики. В результате механизм эксперимента DEPT остается для нас не совсем понятным. Однако предварительно ознакомившись с гл. 8 (где в разд. 8.3.5 излагается, хотя и несколько метафизически, многоквантовая когерентность), вы вполне сможете понять дальнейшие комментарии к последовательности DEPT. В про тивном случае вам не стоит их читать. Если вы не хотите нарушать порядок чтения книги и переходить к гл. 8, то пропустите оставшуюся часть до разд. 6.4.3.

Перенос поляризации и редактирование спектров Рассмотрим сначала другую последовательность [5]:

!) -±-к-±-(1) \2U\2j-x (*) 2/ 23 Ф С: к -~Выборка (±х)...

()х Ее существенное отличие от DEPT состоит в том, что 9-импульс заменен парой где ф-произвольная фаза (не обязательно х или у), определяющаяся через угол с осью у. Вы, наверное, сможете самостоятельно убедиться (хотя бы начиная с z-намагниченности) в том, что эта пара импульсов эквивалентна одному импульсу Qy, где ср = 0, поэтому DEPT и описанная последовательность оказываются одинаковыми. Группа импульсов до (я/2)ф включительно может рассматриваться как эквивалент критерия многоквантовой когерентности (разд. 8.4.3 гл. 8), расширенный для случая гетероядер. Таким образом, непосредственно перед (тс/2)_х-им пульсом существует двухквантовая когерентность для группы СН, трех квантовая для группы СН 2 и четырехквантовая для группы С Н 3.

Заключительный протонный импульс-это импульс «чтения», он вос станавливает одноквантовую когерентность углерода, пригодную для регистрации. В соответствии с рецептом, данным в гл. 8, изменение фазы последовательности возбуждения по отношению к фазе импульса «чте ния» должно сделать возможным разделение сигналов по кратности квантовой когерентности, т.е. многоквантовую фильтрацию. Это и создает возможность редактирования спектров.

Такой способ редактирования был реализован в эксперименте с названием POMMIE [6] (это и есть приведенная выше последова тельность с небольшими фазовыми поправками). Но мы не будем обсуждать этот метод, поскольку большинство доступных в настоящий момент спектрометров не способно создавать фазовый сдвиг, необ ходимый для разделения сигналов с квантовой когерентностью раз личного порядка. Если ваш спектрометр обладает таким свойством, то вам имеет смысл сравнить эту последовательность с DEPT, чтобы выбрать наиболее подходящую. Поскольку фазовый сдвиг в POMMIE эквивалентен 0-импульсу в DEPT, различие методик будет определяться не их принципиальными свойствами, а характеристиками спектрометра.

6.4.3. Редактирование спектров с помощью DEPT Введение. Если вы пропустили разд. 6.4.2 и решили продолжить чтение с этого места, то принцип редактирования спектров при ис пользовании 0-импульса в последовательности DEPT будет вам не 208 Глава совсем понятен. Однако для практических нужд вполне достаточно понимать, что эксперимент DEPT с заключительным в^-импульсом будет давать такой же результат, как и INEPT с задержкой Л = 9/jrJ.

Следовательно, весь материал разд. 6.3.3 может быть без изменений перенесен на случай последовательности DEPT, только вместо nJA следует читать 0. В последовательности INEPT величина А зависит от J;

например, оптимальная чувствительность на системе IS n достигается l при Д = (l/nJ)sin~ (l/y/n) [уравнение (6.1)]. Тогда в соответствующем эксперименте DEPT величина в оказывается независящей от J. В этом состоит его принципиальное преимущество. Конечно, в последователь ности еще есть зависящие от J величины, но процесс редактирования спектров к ним менее чувствителен.

Редактирование. Для разделения подспектров групп СН, СН 2 и С Н мы регистрируем спектры с 0-импульсом, равным я/4, я/2 и Зя/4, таким же образом, как мы это делали с помощью изменения задержки Л в INEPT [7]. В эксперименте 0 = я/2 требуется зарегистрировать в 2 раза больше прохождений для получения одинакового с остальными спектрами отношения сигнал/шум. Как и в разностной спектроскопии ЯЭО, для уменьшения влияния медленных дрейфов экспериментальных условий очень хорошо через равные промежутки времени чередовать накопление разных спектров (разд. 5.3.3 гл. 5). Общее число прохожде ний определяется обычными требованиями чувствительности. По табл. 6.3 мы можем легко определить операции, необходимые для получения подспектров.

СН-подспектр мы получаем в эксперименте с в = я/2. Но он на верняка содержит ложные пики (в основном принадлежащие метальным группам), которые можно устранить после получения остальных под спектров (см. далее). Спектры 8 = я/4 и 0 = Зя/4 отличаются друг от друга только фазами сигналов групп С Н 2. Их разность даст нам СН2-подспектр. Сложив результаты этих двух экспериментов, мы по лучим спектр, содержащий сигналы групп СН и С Н 3. Вычитание из него данных эксперимента 0 = я/2 (умноженных на 1Л/2) приведет к СНъ-подспектру. В заключение можно из спектра 0 = я/2 вычесть не большую часть суммы (в = я/4) + (0 = Зя/4) (которую мы уже получали при работе над СН3-подспектром) с целью уменьшения в нем ин тенсивности метальных сигналов. Однако, по личному опыту автора, это требуется довольно редко. На рис. 6.16 изображен полный процесс получения подспектров.

Как наилучшим образом проделать все эти сложения и вычитания?

Мы могли бы, например, поступить так же, как и в случае разностной спектроскопии ЯЭО, складывая и вычитая ССИ с необходимыми мас штабирующими множителями. Однако на практике гораздо удобнее работать в частотной области, что позволяет анализировать комби нации спектров по мере их получения. Для этого программное обес печение спектрометра должно позволять работать с двумя спектрами Перенос поляризации и редактирование спектров 1-я ступень 2-я ступень Рис. 6.16. Полный процесс редактирования спектров в эксперименте DEPT (см.

текст).

в интерактивном режиме;

особенно удобно складывать и вычитать спектры с подбором масштабирующего множителя в реальном времени.

В этом случае вам не нужно помнить о том, что 1Д/2 = 0,707;

вы просто складываете спектры и подбираете их соотношение таким образом, чтобы исчезли нежелательные пики. При этом практически всегда легко отличить СН-пики от С Н 2 и т.д., поэтому не стоит беспокоиться о возможной потере информации. Такой способ позволяет автома тически скомпенсировать отклонения амплитуд сигналов различных групп от их теоретических величин. Если все сигналы группы имеют одинаковые ошибки, то редактирование сохраняет свою эффективность.

Какова точность редактирования? Нетрудно догадаться о причинах, по которым процесс редактирования может оказаться несовершенным.

Например, амплитуды сигналов зависят от угла поворота О-импульса, и неправильная его калибровка или неоднородность поля В 2 вызовут появление ошибок. Далее, три входящие в последовательность задержки должны соответствовать величине прямой константы спин-спинового взаимодействия протон-углерод, которая может изменяться от 125 до 14 210 Глава 210 Гц. Обычно выбирается компромиссное значение 150 Гц, если в соединении есть олефиновые углероды или углероды, связанные с электроотрицательными заместителями, и 130 Гц во всех остальных случаях. Если соответствующая константа какого-либо углерода значи тельно отличается от этой величины, то в подспектрах могут появляться принадлежащие ему ложные сигналы [7]. В литературе по ЯМР этим проблемам уделялось много внимания, и в результате обе они были решены: DEPT GL [8] допускает большее различие констант спин спинового взаимодействия, а модифицированный DEPT с составными импульсами [9] менее чувствителен к точности калибровки углов пово рота импульсов.

В этих более совершенных экспериментах используются весьма сложные импульсные последовательности и фазовые циклы, и химику, поставившему своей задачей отнесение мультиплетов, не обязательно в них разбираться. Важно то, что даже при наличии ложных пиков анализ отдельных спектров DEPT позволяет отнести сигналы совер шенно однозначно. Спектр 9 = тс/4 содержит сигналы всех протониро ванных углеродов значительной интенсивности. При 0, близком к л/2, амплитуды сигналов групп СН 2 и С Н 3 должны значительно умень шиться. Пусть они и не станут точно нулевыми;

одни останутся положительными, другие исчезнут, третьи станут отрицательными, но все они обязательно уменьшатся. При дальнейшем увеличении 9 в спектре могут происходить самые разные изменения, но сигналы групп СН 3 в отличие от С Н 2 никогда не станут отрицательными (есть одно редкое исключение, когда частота повторения прохождений слишком велика для изолированных, свободно вращающихся метальных групп в молекулах с заторможенными конформационными переходами;

см.

работу [7], с. 283, и работу [10]). Сравнение исходных спектров по зволяет полностью разобраться во всех непонятных пиках. А затем можно получить подспектры, которые можно считать наиболее под ходящим способом представления результатов для большинства сиг налов.

6.4.4. DEPT для спектров без развязки Как мы выяснили в разд. 6.3, повышение чувствительности ядра 1 3 С с помощью переноса поляризации с протонов-очень эффективный метод регистрации углеродных спектров без развязки. В этом случае DEPT позволяет получать спектры с точно такой же мультиплетной структурой, как и при прямом наблюдении без развязки от протонов.

Однако из-за различия констант спин-спинового взаимодействия про тон-углерод могут появляться некоторые искажения формы линии. Для подавления этих эффектов были предложены два эксперимента [11]:

DEPT + и D E P T + +. Первый из них, видимо, представляет собой самый лучший компромисс между сложностью реализации и качеством по лучаемых результатов. Последовательность DEPT + такова:

Перенос поляризации и редактирование спектров DEPT + (неправильная мвержка) 41-, DEPT (неправильная задержка) 1.DEPT I I so ts 3S M 15 2S M.8.

РИС. 6.17. Устранение фазовых ошибок в спектрах DEPT без развязки с помощью последовательности DEPT +. Два верхних спектра получены с задержкой, в 2 раза превышающей правильную.

13, С: п Выборка (±х)..

Она в точности повторяет DEPT с дополнительным протонным л-им пульсом на каждом втором прохождении. Так же как и DEPT, она требует точного подбора длительности задержек, но при наличии некоторого диапазона констант этот эксперимент дает меньшие фазовые искажения сигналов (рис. 6.17). Влияние неправильно установленных задержек сводится в DEPT + к изменению интенсивности компонент мультиплетов. Возникающие при этом ошибки интенсивностей можно попробовать удалить с помощью DEPT + +, который описан в работе [11].

Этот гс-импульс должен создаваться при каждом втором прохождении.

212 Глава 6.4.5. Квадрупольные ядра Сфера применения переноса поляризации не ограничивается ядрами со спином 1/2. Любое из ядер спиновой системы или оба могут быть квадрупольными [12]. Единственное ограничение состоит в том, что суммарная длительность импульсной последовательности должна быть намного меньше времени релаксации. Эта длительность, очевидно, зависит как от величины константы спин-спинового взаимодействия (чем она больше, тем лучше), так и от релаксационных характеристик соединения. При выполнении этого условия можно попробовать про вести все описанные выше типы экспериментов (повышение чувстви тельности в спектрах без развязки, редактирование и т.д.). Однако для наиболее общего случая редактирования неразвязанных спектров спи новой системы из произвольных ядер выбор параметров становится очень сложным [13], и мы не будем его рассматривать в нашей книге.

Такой эксперимент может понадобиться только в весьма экзотических ситуациях. Мы сосредоточим свое внимание на повышении чувстви тельности в обычных спектрах с развязкой. Одним из наиболее ин тересных для химиков случаем может быть наблюдение дейтерия с раз вязкой от протонов. Для работы с квадрупольными ядрами последова тельность DEPT следует несколько изменить:

I: гс рх Выборка (±х)...

Эта последовательность получила название UPT (Universal Polari sation Transfer-универсальный перенос поляризации), хотя введение нового названия при изменении длительности всего лишь одного им пульса может показаться излишним. Для оптимальной чувствитель ности необходимо подобрать 0, исходя из спина и числа ядер S, и ср, исходя из спина и числа ядер I. И в том и в другом случае это делается следующим образом. Пусть мы имеем N ядер со спином s. Каждое конкретное ядро / может находиться в состоянии, определяющемся спиновым квантовым числом т{, которое может принимать 2s + значение в диапазоне от —sppsc шагом 1. Если мы определим число М как то оно будет принимать значения от — Ns до Ns (2Ns + 1 значение).

Оптимальный угол поворота а для последовательности UPT (т. е. 0, если рассматриваются ядра, с которых переносится поляризация, и ф в случае ядер, на которые она переносится) можно найти из уравнения Перенос поляризации и редактирование спектров M cos2Ma = 0 (6.3) м где DM-вырождение состояния М. Общую формулу для DM вывести не так просто, но в реальных случаях ее можно рассчитать прямым способом. Например, для двух ядер со спином 1 состояние М = О имеет вырождение DM = 3, поскольку оно реализуется в трех случаях: (0, 0), (1, — 1) и (— 1, 1). В общем случае можно выписать все члены суммы (6.3) и получить из нее некий полином относительно cos a, который можно решить численно [13]. Таким образом, в общем случае рассчитать 0 и ф не так просто, но обычно хотя бы одно из ядер имеет спин 1/2, что позволяет при вычислении оптимального угла поворота пользоваться довольно простой формулой (6.1).

6.4.6. «Обращенные» эксперименты Введение. Все применения переноса поляризации, с которыми мы до сих пор встречались, заключаются в переносе поляризации с ядра с большим у на ядро с меньшим у. В принципе нет никаких причин считать это «прямое» направление единственно возможным, вполне возможно провести перенос, например, с 1 3 С на ХН или с 2 Н на 1 3 С.

Однако такие эксперименты могут показаться бессмысленными, по скольку они неизбежно должны приводить к потере чувствительности в сравнения с прямым наблюдением. Но, с другой точки зрения, подобные эксперименты могут оказаться полезными. Сравним спектро скопию *Н и 1 3 С. Первая из них обладает той особенностью, что протоны присутствуют практически во всех объектах. Интересующие нас сигналы в протонных спектрах многих распространенных систем, таких, как среды с химическими реакциями или живые клетки, полностью закрываются интенсивными сигналами воды или других растворителей или таких распространенных в биохимии веществ, как липиды. Ядро С, напротив, имеет низкое природное содержание, что позволяет пометить им интересующие нас объекты или их части, которые далее можно контролировать с помощью 1 3 С-ЯМР, не встречая помех со стороны интенсивных протонных сигналов. Таким образом, протонам присуща высокая чувствительность, а углероду (и другим ядрам с низ ким природным содержанием) - высокая селективность.

Теперь мы можем представить себе эксперимент, где «обратное»

направление переноса поляризации могло бы оказаться полезным.

В идеальном случае эксперимент (с помощью фазового цикла или другими путями) полностью подавляет исходную намагниченность чувствительных ядер. Если при этом мы будем переносить на протоны намагниченность с редких ядер, использованных в качестве меток, то в результате протонные спектры будут обладать селективностью редких ядер. Этот процесс, конечно, будет сопровождаться некоторой потерей чувствительности по сравнению с непосредственным наблюдением. На 214 Глава пример, при переносе поляризации с С на протоны разность за селенностей в самом худшем случае будет в 4 раза меньше наблюдаемой в обычном эксперименте, в результате в 4 раза понизится чувстви тельность. Но полученный спектр будет обладать достоинствами угле родных спектров в том смысле, что мы увидим сигналы только тех объектов, которые содержат ядра С. Поэтому правильнее проводить его сравнение с наблюдением углерода, а не протонов. Сигнал С при прочих равных условиях в 64 раза слабее сигнала Н, поэтому обратный перенос поляризации позволит в сравнении с непосредственным наблю дением углерода получить 16-кратное усиление. Далее, если мы будем облучать протоны в перерывах между прохождениями, то ЯЭО на углероде увеличит его разность заселенностей еще примерно в 3 раза.

В результате чувствительность составит 3/4 прямого наблюдения про тонов, что в 50 раз выше, чем при прямом наблюдении С.

Но с практической точки зрения такие оценки могут оказаться слишком оптимистичными. Например, сигналы С всегда синглетны, тогда как протоны часто входят в состав сложных спиновых систем. При каждом расщеплении линии на две части отношение сигнал/шум умень шается в 2 раза. В то же время константы спин-спинового взаимо действия дают дополнительную информацию о структуре. Другая проб лема состоит в том, что частота повторения прохождений ограничи вается релаксацией редких ядер, которая может быть достаточно мед ленной. Поэтому вопрос об эффективности такого эксперимента надо решать в каждом конкретном случае. Например, времена релаксации углеродов пептида, спектры которого мы увидим ниже, очень неболь шие, но для других соединений может наблюдаться обратная картина.

Это необходимо учитывать при планировании эксперимента. Наконец, в реальном эксперименте мы можем и не получить теоретических интенсивностей. У большинства датчиков, настраивающихся на какое либо гетероядро, катушка для наблюдения протонов (катушка декап лера) редко оптимизируется по чувствительности. Однако очень хорошее подавление исходных сигналов протонов можно получить с помощью описываемой далее процедуры. Все эти моменты обязательно нужно учитывать при сравнении обратного DEPT с другими альтернативными методами, например с методом разностного спинового эха из гл. 10.

Обратный DEPT. Импульсную последовательность для реализации обратного переноса поляризации легко построить на основании прин ципов эксперимента UPT, описанного в предыдущем разделе [14].

Наибольший интерес представляет перенос поляризации с одного ядра со спином 1/2 (например, метка 1 3 С) на несколько ядер со спином 1/ (например, на два протона в группе СН 2 ). Из уравнения (6.3) мы получаем величину 0-импульса я/2, а величина ср будет зависеть от числа ядер, на которые переносится поляризация. Если мы его заранее не знаем, то можно использовать компромиссное значение, позволяющее получить заметные интенсивности всех групп ХН„;

для случая 13С такой Перенос поляризации и редактирование спектров - i - бШкцжо t x 'Н I на РИС. 6.18. Схема обратного эксперимента DEPT.

величиной будет ф = л/4. Таким образом, для осуществления обратного DEPT нам потребуется последовательность, изображенная на рис. 6.18.

Фазовый цикл последовательности должен быть похожим на обыч ный DEPT, его основная функция - чередование фаз заключительного импульса С и фазы приемника с целью подавления исходной на магниченности протонов. Поскольку исходная намагниченность про тонов гораздо больше переносимой поляризации, одного фазового цикла будет, по-видимому, недостаточно для полного ее подавления, и чередование фаз следует сочетать с предварительным насыщением протонов с помощью широкополосного облучения. Насыщение, помимо этого, будет создавать на гетероядрах ЯЭО, соответствующим образом повышающий их чувствительность, поэтому предварительное облучение следует считать существенным элементом последовательности. Широ кополосная же развязка от гетероядер во время выборки-это необя зательный элемент. Она, с одной стороны, увеличивает интенсивность сигналов, но с другой-лишает спектр дополнительной информации, поэтому ее использование оказывается желательным далеко не всегда.

8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5fl 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 tf tfi \fi м.д.

Рис. 6.19. В верхней части представлен нормальный протонный спектр три пептида, помеченного ядром С. На нижнем спектре сигналы протонов у по меченного углерода получены отдельно от остальных с помощью обратного DEPT с широкополосной развязкой от 1 3 С во время выборки (эксперимент GARP-1, гл. 7). Другие небольшие сигналы, чуть видимые в спектре, возникают за счет природного содержания ядер 1 3 С в положениях, связанных спин-спиновым взаимодействием с другими протонами.

216 Глава Кроме того, широкополосная гетероразвязка от ядер типа 1 3 С с их широким диапазоном химических сдвигов-далеко не простая задача (см. разд. 7.4 гл. 7).


На рис. 6.19 представлен спектр, полученный с помощью такой последовательности. Очень хорошее подавление протонных сигналов было достигнуто с помощью сочетания фазового цикла с насыщением протонов в течение 1 с перед каждым прохождением. С точки зрения отношения сигнал/шум полученный спектр сравним с прямым наблю дением протонов, но, как мы уже упоминали ранее, это соединение имеет очень благоприятные релаксационные свойства. Возможности экспе римента и его аналогов, которые обсуждаются в гл. 10, выглядят весьма внушительными, однако на сегодняшний день мы знаем лишь несколько примеров их применения [15].

Литература 1. Styles P., Saffe N., J. Mag. Res., 50, 397-404 (1984).

2. Morris G.A., Freeman R., J. Amer. Chem. Soc, 101, 760-762 (1979).

3. Pegg D. Т., Doddrell D. M., Brooks W. M., Bendall M. R., J. Mag. Res., 44, 32- (1981).

4. Такие попытки делались;

см.: Lynden-Bell R. M., Bulsing J. M., Doddrell D. M., 3.

Mag. Res., 55, 128-144 (1983).

5. Levitt M.H., Ernst R.R., Mol. Phys., 50, 1109-1124 (1983). Основная тема этой работы не включает DEPT, но он упоминается как многоквантовый фильтр в связи с поиском источников ошибок в импульсных последовательностях.

6. Bulsing J.M., Brooks W.M., Field J., Doddrell D.M., J. Mag. Res., 56, 167- (1984).

7. Bendall M.R., Pegg D. Т., J. Mag. Res., 53, 272-296 (1983).

8. Sjrensen O.W., Bildsje S., Bilds^e #., Jakobsen H.J., J. Mag. Res., 55, 347- (1983).

9. Pegg D. Т., Bendall M.R., J. Mag. Res., 60, 347-351 (1984).

10. Bendall M.R., Pegg D. Т., J. Mag. Res., 53, 40-48 (1983).

11. Sfrensen 0. W., Ernst R.R., J. Mag. Res., 51, 477-489 (1983).

12. Pegg D. Т., Bendall M.R., J. Mag. Res., 55, 51-63 (1983).

13. Pegg D.T., Bendall M.R., J. Mag. Res., 58, 14-26 (1984).

14. Bendall M.R., Pegg D. Т., Doddrell D.M., Field J., J. Mag. Ress., 51, 520 (1983).

15. См.: Brooks W.M., Irving M.G., Simpson S.J., Doddrell D.M., i. Mag. Res., 56, 521-526 (1984);

Doddrell DM., Staunton J., Laue E.D., J. Chem. Soc. Chem.

Commun., 602-605 (1983).

Глава Дополнительные сведения об экспериментальных методах 7.1. Введение В этой главе мы рассмотрим экспериментальные проблемы, с ко торыми часто приходится сталкиваться в практической многоимпульс ной спектроскопии ЯМР. Эта книга, как мы уже говорили в гл. 1, не претендует на роль исчерпывающего учебника по практическому ЯМР.

В первую очередь мне хотелось бы сосредоточить внимание на про цедурах, связанных с выбором параметров эксперимента, которые при ходится выполнять каждый день, и описать, как их следует правильно выполнять. Описываемые далее некоторые современные приемы ра боты-это не «методы экспериментального ЯМР» в полном смысле слова. Они в сочетании с другими методиками позволяют повысить производительность спектрометра или ослабить влияние ошибок экс периментатора и недостатков спектрометра на качество получаемых результатов. Многие современные эксперименты чрезвычайно чувстви тельны к тщательному выбору длительностей импульсов, задержек и фазовых сдвигов и к тому, насколько точно заданные параметры воспринимаются спектрометром. К сожалению, к большинству спектро метров следует относиться с известным скептицизмом, поскольку очень часто реальные сигналы на выходе передатчика могут быть слабо связаны с тем, что мы от него требовали. Это в особенности относится к таким экспериментам, как, например, упоминающиеся в разд. 7. составные импульсы, где последовательность некоторых действий про изводится в микросекундном масштабе времени.

При любых многоимпульсных экспериментах нужно тщательно ка либровать длительности импульсов, это особенно необходимо при первом выполнении нового эксперимента. Чтобы уменьшить вероят ность ошибок и путаницы, важно изучить сущность вашего экспери мента и знать характеристики вашего спектрометра, наиболее для него критичные. Перед проведением нового эксперимента его следует от тестировать на таком объекте, для которого результат уже известен, а выполнение эксперимента не требует много времени. Это значит, что нужно использовать концентрированные растворы простых соединений, сложность которых, однако, еще достаточна для демонстрации воз можностей эксперимента. Для увеличения частоты повторения полезно сократить величины Т2 с помощью добавления ацетилацетоната 218 Глава хрома(Ш) (в органические растворы) или хлорида марганца(Н) (в водные растворы). Для работы с протонными спектрами полезно иметь образцы, дающие спектр с единственным сигналом (например, хлоро форм в дейтерохлороформе с небольшой добавкой релаксационного реагента для сокращения 7^ до 1 или 2 с), и с двух- и трехспиновой системами первого порядка (вполне подойдут р-хлоракиловая кислота и 1,2-дибромпропионовая кислота в дейтерохлороформе). Количество тестовых образцов для работы с гетероядерными системами может быть бесконечным. Тестирование большинства протон-углеродных экспери ментов удобно проводить с помощью обогащенного по 1 3 С метилиоди да. Часто бывает нужно дополнительно сократить Тх.

7.2. Длительность импульса и напряженность поля 7.2.1. Введение: шкала мощности в децибелах При настройке спектрометра перед проведением многоимпульсного эксперимента часто приходится измерять мощности нескольких радио частотных полей. Различные названия этой операции-калибровка дли тельности импульсов или измерение напряженности поля - отражают только разные стороны определения одного и того же параметра. Для измерения амплитуды радиочастотного поля можно использовать еди ницы типа гаусс (Гс) или тесла (Т): IT = 10000 Гс, но с точки зрения ЯМР ее наиболее удобно выражать, как мы это уже делали в гл. 4, через скорость прецессии ядерной намагниченности. В этом случае связь между амплитудой поля В в герцах, т. е. в числе поворотов намаг ниченности в секунду, и длительностью л-импульса tn, вызывающего поворот намагниченности на 1/2 цикла, выглядит особенно просто (tK = 1/25). Например, обычный жесткий я-импульс длительностью 10 мкс соответствует амплитуде поля 50 кГц, а обычная для гомоядер ной развязки амплитуда поля 50 Гц эквивалентна мягкому я-импульсу длительностью 10 мс. Термины «жесткий» и «мягкий» довольно часто неправильно применяются для обозначения неселективных и селектив ных импульсов. Поэтому точное значение этих терминов зависит от контекста. Для измерения амплитуды радиочастотного поля нам по требуется некоторое чувствительное к этой величине явление ЯМР. Мы рассмотрим целый набор таких явлений, а выбор конкретного из них будет зависеть от обстоятельств.

Обычно передатчик и декаплер, если последний используется в им пульсном режиме, работают на максимально возможной мощности.

Однако во многих экспериментах, например при получении мягких импульсов заданной длительности или для селективной развязки, нужно использовать некоторую конкретную мощность. Более низкая мощность обычно получается делением максимальной мощности с помощью аттенюатора. Нам будет полезно иметь представление о том, как параметр, отражающий отношение мощностей (децибел или дБ), связан Допопнительные сведения об экспериментальных методах с амплитудой радиочастотного поля в ЯМР-эксперименте. Децибел (дБ) дает нам логарифмическую шкалу отношения мощностей и определяет ся как () (7.1) где Р1 и Р2-жае сравниваемые мощности. Очень часто удобнее срав нивать не мощности, а напряжения сигналов, которые связаны с мощ ностью соотношением V При выполнении расчетов, исходя из величин напряжений, нужно поль зоваться соотношением (7.3) Как мы видим, децибелы характеризуют отношение величин. Поэтому их обычное использование в качестве некоторой абсолютной величины в выражениях типа «громкость звука взлетающего самолета превышает 150 дБ» или в более важном для ЯМР (если, конечно, ваша лаборатория находится не возле аэропорта) «выходная мощность синтезатора со ставляет + 10дБм» может несколько озадачить. Фокус состоит в том, что в этих выражениях говорится об отношении интересующей нас величины к некоторой стандартной;

последняя, как предполагается, всем известна. Для обычных единиц измерения радиочастотной мощности (дБм и дБВт) эта величина составляет 1 мВт и 1 Вт соответственно.

Обычные генераторы прямоугольных сигналов имеют на выходе мощ ность в несколько дБм, а обычные импульсные передатчики спектро метров ЯМР могут давать + 20 дБВт.

Двукратное снижение мощности соответствует ее изменению на — 3,01 дБ (101g0,5), или, можно считать, просто на — 3 дБ. Однако мощность радиочастотного поля пропорциональна напряжению сигна ла, прикладываемого к катушке, поэтому для понижения напряженности поля в 2 раза нужно снизить напряжение сигнала на 6 дБ. Запомнив это простое соотношение, вы легко сможете подобрать величину соот ветствующего параметра для получения нужной амплитуды радио частотного поля.

7.2.2. Импульсы на частоте наблюдаемых ядер В случае высокой чувствительности. Длительность импульса пере датчика измеряется легче всего, когда чувствительность ядер и кон центрация образца достаточны для получения хорошего отношения сигнал/шум за одно прохождение. В этом случае мы можем искать Глава JL. "Г Рис. 7.1. Калибровка длительности импульса. Интенсивность сигналов проходит через нуль при углах поворота импульса п, 2я...

длительность я-импульса, исходя из того, что ему должен соответ ствовать сигнал нулевой интенсивности. Сначала следует получить спектр с помощью короткого импульса, угол поворота которого за ведомо меньше те/2. На обычных передатчиках спектрометров высокого разрешения таким требованиям должна удовлетворять длительность 1 -2 мкс. По этому спектру следует подобрать условия коррекции фазы для получения положительного сигнала поглощения. Повторение этого эксперимента с увеличивающейся длительностью импульса позволяет найти точку нулевого сигнала, соответствующую я-импульсу. Пред варительное определение условий коррекции фазы облегчает поиск нулевой точки, поскольку после прохождения через нее сигналы ин вертируются (рис. 7.1). Имейте в виду, что некоторые спектрометры автоматически масштабируют каждый новый спектр. Поэтому для получения таких спектров, как на рис. 7.1, автоматическое масштаби рование необходимо отключить.


На практике такая процедура сопряжена с рядом сложностей. Если вы еще не очень освоились со спектрометром и не имеете представления о возможной длительности я-импульса, то убедитесь, что найденная вами нулевая интенсивность действительно первая. Аналогичные точки нулевой интенсивности соответствуют импульсам с углами поворота 2я, Зя и т.д., поэтому начинающему пользователю очень полезно иметь представление о приблизительных величинах длительностей импульсов на различных ядрах. Еще одно препятствие состоит в том, что оператору надо решить, какой спектр принять за «нулевой». я-Импульс не может Дополнительные сведения об экспериментальных методах Рис. 7.2. Остаточный сигнал, полу ^^^^^^^^^^^^_^^^^^_^^^ ченный с помощью я-импульса. На I,..1, и и i^. •,.,,..,^,,,,|,,. ^ w. M.,., конкретном приборе его вид опре Гц деляется конструкцией датчика.

быть идеальным, и во всех спектрах обязательно будут наблюдаться какие-либо остаточные сигналы. Одна из причин этого состоит в чувствительности я-импульсов к расстройке резонансных условий (гл. 4).

Ее легко исключить, просто поместив несущую частоту точно на измеряемую линию. Но из-за неоднородности поля В1 специфические остаточные сигналы все равно сохранятся (рис. 7.2), и вам самостоя тельно придется принимать решение о том, какая длительность им пульса наиболее близка к искомой. При этом лучше всего учитывать среднюю часть линии сигнала, которая отражает поведение основного объема образца, и не обращать внимания на ее боковые части.

В случае низкой чувствительности. Если с одного прохождения ста новится трудно зарегистрировать сигнал образца, то при измерении длительности импульса приходится проявлять больше изобретатель ности и терпения. В зависимости от того, насколько плоха чувстви тельность, можно использовать различные пути. Если сигналы, видимые в некоторых спектрах, исчезают в шуме при приближении к я-импульсу, то может быть достаточно определить последний видимый положи тельный сигнал и первый видимый отрицательный и взять среднюю между ними величину. Кроме того, если оператору хватит терпения, можно использовать накопление. При калибровке длительности им пульса большинства ядер делать задержку в несколько Т х, достаточную для полного восстановления z-намагниченности между прохождениями, не так просто. Можно повторять импульсы и не дожидаясь полной релаксации, но при этом выборка данных должна проводиться только после установления стационарного режима. В этом случае более эффек тивным будет поиск второго «нуля», соответствующего 2я-импульсу, поскольку длительность этого импульса и «нуль» я-импульса связаны довольно просто [1].

Если за разумные промежутки времени не удается увидеть вообще 222 Глава никаких сигналов, то необходимо использовать предварительную ка либровку. Можно, например, описанными ранее способами определить длительность импульса на концентрированном образце. При тщатель ной настройке датчика (гл. 3) эта величина должна воспроизвестись и на разбавленном образце. Исключение составляют случаи, когда интере сующий нас образец сильно отличается по электрическим свойствам от раствора, на котором производилась калибровка. Это может быть при попытке работать с водными растворами электролитов, когда исполь зуются длительности импульсов, полученные на органических раство рах. Значительно лучше приготовить образец, похожий по свойствам на исследуемый, но с достаточной для калибровки я-импульса концентра цией. Полученная таким образом величина может применяться без дополнительной настройки спектрометра. Некоторые ядра, например многие металлы, не позволяют получить видимые сигналы ни при каких концентрациях растворов. Если вам приходится заниматься экспери ментами на таких ядрах, то единственный способ калибровки им пульсов - это использование описываемого далее метода, когда импульс для интересующего вас ядра калибруется с применением гетероядерного спин-спинового взаимодействия с другими ядрами.

7.2.3. Импульсы на других ядрах Во многих экспериментах импульсы должны производиться на час тоте других ядер, связанных с наблюдаемыми. Это прежде всего эксперименты по переносу поляризации, такие, как DEPT, и соответ ствующие двумерные эксперименты. Чаще всего другим ядром ока зывается *Н, а наблюдаемым- С или еще какое-либо гетероядро.

Протонный импульс создается протонным декаплером, поэтому опре деление длительности я-импульса часто называют «калибровкой дли тельности импульса декаплера». По мы сохраним этот термин для случая, когда нас будет интересовать именно развязка. Во множестве экспериментов протоны не используются в качестве «других» ядер. Это, например, DEPT с переносом поляризации с Р на металл или обрат ный перенос поляризации с 1 3 С на протоны. Во всех этих случаях задача остается той же: найти длительность я-импульса ядер, не наблюдаю щихся непосредственно.

Все методы калибровки можно разделить на группы по типу за висимости интенсивности сигналов наблюдаемых ядер от угла поворота импульса, воздействующего на связанные с ними другие ядра. На пример, вот простая последовательность [2]:

X: I —I — х-Выборка...

Y: а где Х-наблюдаемое ядро, Y-«другое» ядро, оба со спином 1/2. Для калибровки требуется спиновая система XY (т. е. дублет сигнала X). При Дополнительные сведения об экспериментальных методах импульс 'Н 21 мкс 23 мкс 25 мкс мкА^Л'о-НмЧл ••"I I о -too 0 - Г Ч Гц Гц Рис. 7.3. Калибровка импульсов на системе связанных ядер (первый метод).

т, равном 1/2JXY импульс на ядре Y с углом поворота а = я/2 (заметьте, я/2, а не я) приведет к регистрации сигнала нулевой интенсивности.

Компоненты дублета всегда оказываются в противофазе. При переходе длительности а-импульса через точку я/2 фазы компонент инверти руются (рис. 7.3). Основной недостаток этого эксперимента состоит в невозможности развязки от ядра Y при выборке сигнала X, что приводит к потере чувствительности. Кроме того, оптимальная частота повторения прохождений определяется величиной 7\ ядра X, что может вызвать затруднения в наиболее распространенном случае, когда Y-протон, а Х-малочувствительное и, возможно, медленно релак сирующее ядро.

Лучше использовать последовательность DEPT (гл. 6), где допус кается развязка от Y, а частота повторения прохождений определяется величиной Ti ядер Y. Начиная с небольшого импульса 8 для настройки фазовой коррекции, нужно найти такую длительность 9-импульса, при которой сигналы групп XY2 и/или XY3 становятся нулевыми;

эта величина будет соответствовать 9 = я/2 (рис. 7.4). При переносе по ляризации с протонов на углерод можно вполне точно откалибровать длительность импульса на сильно разбавленных образцах, суммируя 8-16 прохождений, повторяющихся через 1 или 2 с. Но предварительно необходимо измерить длительность импульса на углероде и подобрать длительность входящей в последовательность задержки в соответствии с ожидающейся величиной константы спин-спинового взаимодействия протон - углерод.

Два этих метода пригодны для калибровки только достаточно сильных радиочастотных полей (соответствующих неселективным им пульсам). Калибровка мягких импульсов на системе связанных ядер, которая требуется для проведения эксперимента SPI, может оказаться 224 Глава 21 мне Рис. 7.4. Калибровка им пульсов на системе свя занных ядер с помощью последовательности DEPT.

(2 мкс гораздо сложнее. Вероятно, для этого лучше использовать первый из описанных методов с резонансным импульсом на ядре Y при достаточно большой напряженности поля (например, около 1 кГц), чтобы его можно было считать неселективным. Когда найдена длительность им пульса для этой напряженности поля, ее можно снизить до нужной величины с помощью точного аттенюатора.

7.2.4. Мощность радиочастотного поля при гомоядернои развязке Если нам необходимо осуществить непрерывное облучение ядер сигналом малой мощности, например при гомоядернои развязке, то удобнее использовать амплитуду поля, а не длительность импульса. Для выбора параметров эксперимента с целью получения эффективной раз вязки или оптимальной селективности удобно иметь таблицу, отра жающую связь амплитуды поля и мощности декаплера. Расчет эф фективной амплитуды поля декаплера по длительности его тг-импульса может оказаться очень сложным, поскольку на фурье-спектрометрах гомоядерная развязка реализуется при помощи облучения короткими импульсами (развязка с разделением времени), которая снижает эф фективную амплитуду поля на неизвестную в общем случае величину.

Значительно лучший способ измерения амплитуды слабого поля для гомоядернои развязки состоит в использовании так называемых сдвигов Блоха-Зигерта. Они представляют собой изменение частоты сигналов относительно их обычного положения при облучении системы на близкой частоте (рис. 7.5). Это изменение связано с амплитудой поля декаплера (В2) и разностью частот сигнала и облучения следующим образом:

(7.4) 2 (v - v,) Дополнительные сведений об экспериментальных методах Рис. 7.5. Сдвиг Блоха-Зигерта. Внизу изображен нормальный спектр, вверху спектр, полученный при облучении системы на нулевой частоте;

остальные параметры регистрации те же. Вычисленная из величины сдвига напряженность поля составляет около 20 Гц.

где В j выражается в герцах, v - исходная частота наблюдаемого сигнала, V,-- частота облучения и В2 « v — v,. Это измерение удобно проводить с помощью разностного метода: нормальный спектр, содержащий одну линию, вычитается из спектра, облучаемого на близкой частоте, что позволяет непосредственно измерить сдвиг частоты. Частота облучения должна быть удалена от сигнала на расстояние, значительно большее ожидающегося сдвига Блоха-Зигерта. Серия таких экспериментов с различными аттенюаторами должна показать линейную зависимость напряженности поля от коэффициента деления в дБ.

7.2.5. Мощность радиочастотного поля при гетероядерной развязке Измерение мощности поля при гетероядерной развязке (т. е. развязке от ненаблюдаемых ядер) обычно требуется в двух случаях-в качестве предварительного эксперимента при определении длительности импульса по методу, описанному в разд. 7.2.3, и для настройки развязки от гетероядер. Конечно, длительность импульса можно определить и без измерения мощности поля. Но если вы определяете импульс на каком либо экзотическом ядре или на незнакомом датчике, то предварительная калибровка поля альтернативным способом поможет ускорить экспе римент и снизит вероятность ошибок. Более важная сторона такого подхода состоит в том, что современные методики широкополосной развязки требуют использования фазовых сдвигов декаплера в соот ветствии с заданной последовательностью, скорость которых определяется мощностью поля (разд. 7.4). Если гетероядерный пере датчик допускает работу в непрерывном режиме, то определение мощ ности поля позволяет обойтись вообще без процедуры, упомянутой в разд. 7.2.3.

Простой и не очень точный метод состоит в наблюдении эффектов развязки в нерезонансных условиях. Рассмотрим в качестве примера 15- Глава группу СН. Сигнал углерода без развязки от протонов представляет собой дублет с константой J. Если мы будем с достаточной ин тенсивностью облучать систему точно на частоте протонов, то дублет углерода превратится в синглет. Смещение частоты облучения в сторону от протонного сигнала приведет к восстановлению дублета, но с мень шим расстоянием между линиями. В приближении значительно большей напряженности поля по сравнению с разностью частот протонного сигнала и облучения его можно выразить через величину остаточного расщепления:

J5v (7.5) где J r - остаточное расщепление, 8v-разность частот протонного сиг нала и облучения. Существует и более точная формула:

(7.6) но при В2 » 5v приближение (7.5) вполне приемлемо. Общая процедура будет состоять из измерения константы спин-спинового взаимодействия, измерения точной частоты протонного сигнала и последующего не резонансного облучения с 5v, выбранным таким образом, чтобы полу чить небольшое, но надежно измеряемое остаточное расщепление (рис. 7.6). Такие измерения не очень точны, поэтому их можно ис пользовать только в качестве предварительной оценки перед прове дением калибровки более точными методами. Описанный метод больше подходит для измерения средних и высоких напряженностей поля декаплера в отличие от метода сдвигов Блоха-Зигерта, который лучше работает на слабых полях.

расстройка декаплера Рис. 7.6. Использование эффекта расстройки резо нансных условий для из мерения напряженности поля гетероядерной раз вязки.

Дополнительные сведения об экспериментальных методах 7.3. Уменьшение неидеальности импульсов 7.3.1. Введение Сколько бы сил вы ни затратили на точное измерение длительности импульсов с помощью описанных выше процедур, вам все же не удастся достичь эффекта идеального 71/2-или я-импульса. Объясняется это двумя причинами — неоднородностью поля В1 по объему образца, обуслов ленной несовершенством конструкции катушки передатчика, и откло нением эффективного угла поворота намагниченности, обусловленным конечной величиной напряженности поля В1 (гл. 4, разд. 4.3.2). В ру тинной одномерной спектроскопии, где используются только я/2-им пульсы или более короткие, ни один из этих эффектов не заметен.

Отклонение угла поворота намагниченности вызывает появление в спектре фазовых ошибок, которые суммируются с ошибками из других источников и корректируются при обработке данных, поскольку они приблизительно линейно зависят от величины расстройки резонансов.

Небольшие изменения в эффективной длительности импульса, обус ловленные неоднородностью поля B t по объему образца, не оказывают заметного влияния на результаты.

Однако все виды многоимпульсных экспериментов могут быть в значительной степени подвержены влиянию этих факторов. Простым примером этого может служить упомянутый в гл. 4 метод инвер сии-восстановления для измерения величин Tt. В этом методе из меряется скорость, с которой намагниченность, помещенная я-импуль сом на ось — z, возвращается к состоянию равновесия. Легко догадаться, что некорректная отработка импульса приведет к получению неверных результатов. Другой пример, более важный для химических прило жений,-это многие современные эксперименты по переносу поляри зации, использующие прием размещения векторов намагниченности вдоль определенных осей. В эту категорию попадают рассмотренные ранее эксперименты INEPT и DEPT, их двумерные аналоги (гл. 9), а также другие одномерные и двумерные эксперименты, такие, как INADEQUATE (гл. 8). Отклонение векторов намагниченности от их идеального положения, которое может быть обусловлено их вращением вокруг наклонной оси или неправильным углом поворота, снижает чувствительность этих экспериментов, а в некоторых случаях может вызывать появление ложных сигналов. Потеря чувствительности может быть особенно нежелательна, поскольку многие из этих экспериментов разработаны специально для ее повышения. К дефектам импульсов очень чувствительны также все эксперименты, использующие спиновое эхо. В двумерных экспериментах, известных под названием J-спектро скопии, некорректность импульсов создает целые наборы ложных сиг налов (гл. 10).

228 Глава 7.3.2. Составные импульсы Одно из направлений борьбы с дефектами импульсов-это чисто аппаратурное совершенствование конструкции датчиков. Оно решает обе проблемы, поскольку позволяет повысить как однородность, так и амплитуду поля Вх. Последний параметр, казалось бы, должен в большей степени зависеть не от датчика, а от передатчика, поскольку амплитуду поля fix можно повысить, просто увеличивая напряжение радиочастотного сигнала. Действительно, на практике нет реальных препятствий (кроме стоимости прибора), мешающих повысить выходное напряжение, передатчика на несколько порядков. Препятствия создают именно компоненты датчика, которые должны работать при высоких напряжениях без деформаций и пробоя изоляторов. В настоящее время на датчиках небольших диаметров можно создать поля В^ с амплитудой в 20-50 кГц (длительность я/2-импульса 12,5-5 мкс) и выше. Однако параллельно с совершенствованием конструкций датчиков происходит и рост напряженности постоянных магнитных полей, что требует дальнейшего расширения спектральных диапазонов. При амплитуде радиочастотного поля 20 кГц отклонение частоты импульса от ре зонанса на 3,5 кГц приводит к существенному (10°) наклону оси поворота намагниченности. При наблюдении ядра 1 3 С на спектрометре с рабочей частотой 500 МГц для протонов диапазон 3,5 кГц составляет только 28 м. д., а полный спектральный диапазон может быть около +120 м. д.

Таким образом, неидеальность импульсов необходимо компенси ровать каким-либо способом. Одним из самых впечатляющих дости жений последних лет стали попытки разработки комплексных (состав ных) импульсов, эквивалентных в сумме одному п- или тг/2-импульсу, но менее чувствительных к отклонению от резонанса и/или неоднородности поля Вг. Исследования в этой области еще продолжаются, и проблема пока не решена, но достигнутые к настоящему времени успехи по зволяют надеяться на ее решение. Для большинства последователь ностей, реализующих составные импульсы, вполне очевидно, что же лаемый эффект будет достигнут только в случае идеальности каждого из входящих в них импульсов. Иногда влияние на последовательность отклонения от резонанса или неоднородности поля можно изобразить графически в терминах векторной модели, как это сделано на рис. 7.7.

Но в общем случае для правильного понимания этих эффектов вам нужно ознакомиться с оригинальными работами.

В первых попытках построения составных импульсов проблемы отклонения от резонанса и неоднородности поля BY решались отдельно [3]. Дальнейшие последовательности разрабатывались для одновре менного решения обеих проблем. Особое внимание уделялось я-им пульсам, поскольку они в большей степени чувствительны к отклонению Дополнительные сведения об экспериментальных методах Рис. 7.7. Диаграмма движения намагниченности системы после составного я-им пульса. Движение начинается на оси + z и представлено в виде серии линий на поверхности сферы. Каждая линия соответствует уменьшению длительности тс/2-импульса с шагом 5° от номинальной величины. Для различных величин В строится несколько серий. Траектории заканчиваются гораздо ближе к оси — z, чем можно было бы ожидать в случае обычного тс-импульса с той же ошибкой в напряженности поля.

от резонанса [4, 5]. Два первых составных импульса, эквивалентных п и 71/2-импульсам, выглядят так:

л 2' Ы Входящие в них импульсы должны создаваться без промежуточных задержек, но на практике это недостижимо, и между импульсами иногда нужно вставлять задержки в несколько микросекунд. Наибольший ин терес для нас представляет тс-импульс, который применяется как для инверсии z-намагниченности, так и для создания спинового эха. Мы еще вернемся к нему в гл. 10. Для того чтобы понять его работу, нужно рассмотреть траектории компонент намагниченности, первоначально находящихся на оси z, с увеличивающейся ошибкой компонент импульса (см., например, рис. 7.7). Составной импульс вставляется в нужную последовательность на место своего эквивалента. Для изменения его фазы следует на равные величины изменить фазы его компонент, так чтобы относительные фазы остались прежними.



Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |   ...   | 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.