8. Способи реєстрації сигналу ямр – метод повільного проходження та Фур’є-спектроскопія.

Фур’є-спектроскопія.

Импульсные спектрометры ЯМР с фурье-преобразованием (их иногда называют просто фурье-спектрометрами ЯМР). Магнитное поле, в котором находится исследуемый образец, в этих приборах постоянно. Как правило, используют очень сильные поля, создаваемые сверхпроводящими магнитами (чем и обусловлена высокая стоимость этих приборов). Образец подвергают не длительному непрерывному облучению, а воздействию кратковременного мощного радиочастотного прямоугольного импульса, повторяющегося через определенные промежутки времени. Продолжительность импульса очень мала (1-50 микросекунд), что в соответствии с принципом неопределенности приводит к тому, что фактически импульс генерирует радиочастотное поле в широком диапазоне, возбуждая одновременный резонанс всех ядер данного типа. По завершении импульса индуцированная намагниченность ядер быстро исчезает вследствие релаксации Т1, и восстанавливается обычное больцмановское распределение. Процесс этого восстановления, называемый "спадом свободной индукции" (ССИ), описывается большим числом затухающих синусоидальных кривых во временной шкале, каждая из которых соответствует некоей

резонансной частоте. Т.к. линия ССИ представляет собой набор гармонических функций, ее можно анализировать с помощью ЭВМ на базе математической операции, называемой фурье-преобразованием - и в результате преобразования временной шкалы в частотную получается обычная спектральная картина, зависимость поглощения излучения образцом от частоты. Многократно повторяя эту процедуру, получают усредненный спектр, при этом снижается соотношение сигнал-шум. В результате с использованием фурье спектроскопии ЯМР можно регистрировать спектры ядер 13С (и других ядер с низким природным содержанием), к тому же существенно сокращается время обычного эксперимента, а получаемый спектр становится существенно информативнее.

В експерименті ЯМР необхідно зі спектра отримати величини частот коливань, які містяться в СВІ, у явному вигляді. Для цього сигнал треба перетворити в залежність інтенсивності поглинання від частоти. Часове і частотне представлення для чистої синусоїди зв’язані простою функцією, що дозволяє здійснити перехід між ними (рис.1).

Часове й частотне представлення є обернено-пропорційними.

Але справа ускладнюється тим, що реальний СВІ являє собою сукупність сотень компонентів, що розрізняються за частотами та амплітудами. На додаток до цього в спектрі може бути присутнім також шум та сигнали, викликані недоліками експерименту. Це унеможливлює безпосереднє отримання зі СВІ інформації про частоти коливань окремих ядер. Перетворення часового представлення спектра в частотне здійснюється за допомогою математичної процедури – Фурє перетворення. У загальному вигляді вона дається формулою f(ω) = Σf(t)e^iωtdt

f(ω), f(t) позначають відповідно частотне та часове подання спектру. З формули витікає, що спектр є похідним від суми всіх коливань Σf(t)e^iωtdt , що містяться в сигналі СВІ. Тому його можна отримати за допомогою математичної обробки СВІ. Множник e^iωt можна записати як (cos ωt + I sin ωt). Це означає, що, базуючись на СВІ, ми можемо точно знайти частоти коливань (ω), але для фази цих коливань є два рівно вірогідних альтернативних значення, що відрізняються на 90⁰. Таким чином, в результаті Фурє перетворення можна отримати два спектри частот, які різняться за фазою сигналів. Спектри, що відповідають функції синуса та косинуса відрізняються один від одного на 90⁰. Їх називають реальною та уявною частинами спектра. Зазвичай використовують частину, що відповідає реальному спектру. Якщо підібрати відповідні фазові коефіцієнти, то реальна частина спектра буде містити чисті сигнали поглинання, а уявна – сигнали дисперсії.

Фур'є перетворення СВІ – це шлях переходу від часового до частотного представлення спектра

Метод повільного проходження.

Как известно, первоначально регистрация спектров ЯМР осуществлялась методом медленного прохождения через сигнал при непрерывном облучении образца слабым радиочастотным полем (непрерывный метод ЯМР), однако же с начала 70-х годов развитие ЯМР-спектроскопии происходило по существу, за счет быстрого совершэнствования импульсных методов, позволивших коренным образом преобразить всю идеологию и информативность ЯМР-эксперимента и проложить путь к беспрецедентному расширению приложений ЯМР. В сочетании с серийным выпуском высококачественной аппаратуры,основанной на новейших достижениях теории,радиоэлектроники, криомагнитной техники, это привело к тому что непрерывные методы ЯМР практически оказались за пределами внимания исследователей и разработчиков ЯМР-аппаратуры.

Следует отметить, что непрерывный ЯМР существенно проще для понимания, поскольку здесь, как в классической спектроскопии, поглощение электромагнитных квантов является функцией их частоты. В противоположность этому в импульсной спектроскопии ЯМР-сигнал зависит от времени и детектируется как спад свободной индукции. Только математическая процедура - преобразование Фурье - превращает этот сигнал во временном представлении в сигнал в частотном представлении, т.е. в частотный спектр, который, по крайней мере в простых случаях, эквивалентен спектру, получаемому при непрерывной регистрации.

Непрерывный ЯМР

В простейшем варианте ЯМР-спектроскопии, который применялся первые двадцать лет с момента открытия этого метода для измерения спектров ЯМР высокого разрешения, образец помещается в однородное магнитное поле и подвергается непрерывному воздействию РЧ поля, которое варьируется по частоте в области существования линий поглощения ЯМР для данного образца. Этот метод называется cw-ЯМР.

В общем случае частота - во вращающейся системе координат - равна нулю):

Для очень слабых РЧ полей сигнал поглощения описывается лоренцевой кривой. Сигналы поглощения и дисперсии представлены на рис. 1.12.

Если скорость поглощения энергии поля B₁ сравнима по величине или превышает скорость спин-решеточной релаксации Т₁, то амплитуда сигнала поглощения уменьшается, так как разность населенностей энергетических уровней N⁺ - N убывает в сравнении с равновесной, определенной законом распределения Больцмана. Одновременно возрастает ширина линии. Этот эффект называется насыщением. Конечно, степень насыщения зависит, с одной стороны, от времен релаксации Т₁ и Т₂, а с другой - от величины поля В.

Количественно степень насыщения в резонансе:  может быть измерена через коэффициент насыщения s:

Вследствие насыщения амплитуда наблюдаемого сигнала поглощения при значении

выше B₁^opt убывает, где значение B₁^opt дается выражением

Значение В₁^opt ограничивает область линейной зависимости амплитуды сигнала от поля В₁. С ростом В₁ возникающее уширение линий требует введения коэффициента  сигнала поглощения представлены на рис.