35. Поняття про двовимірну спектроскопію ямр. Типи двовимірних спектрів.

Двомірні методики здебільшого виявляють відповідність спектральних параметрів одного атома спектральним параметрам іншого. Зокрема COSY(CОrelationSpectroscopY)дозволяє знайти відповідність між КССВ різних атомів, тобто виявити сигнали, між якимиіснуєспіновий зв'язок. Іншідвомірні методики шукають відповідність між хімічними зсувами зв'язаних ядер. Тому більшість двомірних методик також є кореляційними. З цієїпричини сигнали (кроспіки) в двомірних спектрах часто називають кореляціями.

Базовою двомірною методикою, що призначена для виявлення спіново-зв'язаних ядер єCOSY. Вона дозволяє одержати повну карту наявних у молекуліспін-спінових взаємодій. Оскільки часто вимірювання спектра COSY дозволяє провести повне віднесення сигналів у спектрі,то ця методика найбільш часто застосовується в органічній хімії.Більш складніi трудомісткі методики вико­ристовуються тільки тоді, коли після застосування COSY залишаються невирішеними деякі структурні питання.

Як це витікає з назви, у двомірних експериментах присутні два частотних виміри. Цим вони відрізняються від одномірних методик, що мають тільки один частотний вимір. У будь-якому різновиді двомірної спектроскопії ЯМР в кожному вимірі представлена залежність інтенсивності сигналу відчастоти. При графічному представленні двомірного спектру вважають, що виміри в спектріє ортогональними, хоча, насправді, оскільки мова не йде про геометричні координати, вони могли б бути розташованими під будь-яким кутом один до одного без суттєвого впливу на результативність методу. Частотні виміри можуть відповідати різним комбінаціям хімічного зсуву та скалярної спін-спіновоївзаємодії.

Широке застосування двомірних методик базується на тому,що вони дають карту внутрішньомолекулярних, аіноді i міжмолекулярних взаємодій. Cпocтepeжyвaнi взаємодії (кореляції) можна розділити на три категорії, що icтотно розрізняються за фізичною природою. Це взаємодії через спін-спіновий зв'язок, взаємодії черезпpocтip i через хімічний обмін. Перша з них підрозділяється на гомоядерну (наприклад ¹Н—¹Н) i гетероядерну (наприклад між ядрами ¹Н—¹³С). За її допомоги вдається ідентифікувати структурні фрагменти молекули та об'єднати їху щось ціле. Взаємодія черезпpocтіpє основою ядерного ефекту Оверхаузера. Найбільш часто він використовується для з'ясуваннястеpeoxiмії iконформаційного стану молекули.

Загальна процедура формування частотного виміру полягає у фіксації інтенсивнocтi сигналу через задані інтервали часу. Сукупність таких даних дає інтерферограму, або СВ1. Яким би методом ми не отримали CBI, його можна перетворити на відповідний спектр ЯМР шляхом Фур'є-перетворення. Цю ідею можна поширити на два частотних виміри. У цьому випадку спектр повинен являти собою залежність інтенсивності сигналувіддвох частот,f₁if₂. Для його одержання необхідно зафіксувати залежність ітенсивності сигналу від двох незалежних часів t₁ i t₂, тобто отримати двомірний масив даних. Кожний рядок такого масиву є функцієюt₁,а кожна колонка - функцією t₂. Зрозуміло, що один часовий інтервал i, відповідно, один частотний вимір відповідає звичайному періоду детектування (t₂ на рис. 1). Однак звідки береться другий вимір? Відповідь на це питання i є ключем до розуміння принципів двомірної спектроскопії ЯМР.

Незалежно від природи параметру, що вивчається методом двомірної спек­троскопії, всі імпульсні послідовності двомірних методик включають 4 етапи. Вони називаються: підготовчий період, період еволюції, період змішування i період детектування (рис. 1).

Рис. 1. Загальна схема будь-якого двомірного експерименту.

P: Підготовка, Е: Еволюція, M: Змішування й D: Детектування

Підготовчий період, як правило, включає релаксаційний пpoмiжoк, необхідний для переходу спінової системи у стаціонарний стан. Цей період закінчується збуджуючим імпульсом. Пе­ріод змішування найчастіше включає імпульс або групу імпульсів i/або фіксовані часові інтервали. Bін служить для перерозподілу намагніченостіміж спіновими станами. У деталях, залежно від типу експерименту, ці періоди можуть суттєво розрізнятися. Період детектування є цілком аналогічним відповідному періоду в одномірних одноімпульсних спектрах. Під час цього періоду відбувається оцифровування сигналу та запис CBI збуджених спінів.Період еволюції є ключовим для формування другого виміру. Biнявляє собою проміжок часу, на протязі якого збуджена спінова система набуває необхідних для експерименту властивостей. Особливістю періоду ево­люції у двомірній спектроскопії є те, що його тривалість є змінною. Стан, що набуває система у період еволюції впливає на вигляд сигналу CBI, що утворюється в період детектування.

Розглянемо просту імпульсну послідовність, у якій підготовчий період, так i період змішування містять лише по одному 90_х° імпульсу (рис. 2). Ці імпульси розділяє період еволюції, час якого позначимоt₁.

Рис. 2. Ілюстративна двомірна послідовність, у якійP i Mє 90°iмпульсом. Це — базова послідовність COSY

Нехай послідовність впливає на зразок, молекули якого містять єдиний про­тон, наприклад, це може бути хлороформ. Будемо вважати, що хімічний зсув зразка дорівнює v Гц. Відповідно до векторноїмoдeлi (рис. 3), початковий 90_х° імпульс перевертає рівноважну намагніченість у площину х—у i розташовуєїї уздовж oci +у. Після цього вектор намагніченості прецесує (еволюціонує) відповідно до величини його хімічного зсувуv. У сис­темі координат, що обертається, через час t₁(тривалість періоду еволюції) вектор повернеться на кут 360vt₁градусів. У цей момент на нього впливає другий імпульс. Для розуміння результату впливу другого імпульсу припустимо, що вектор намагніченості складається iз двох ортогональних компонентів. Одна з них спрямована уздовж ociу,її величина становить M_ocos360vt₁. Iнша компонента розташовується уздовж oci х i дорівнює M_osin360vt₁. Другий 90_х° імпульс розташовуєу-компоненту уздовж oci –z. При цьому х-компонента не змінюється i продовжуєпрецесувати у площині х—у. Цей компонент продукує сигнал CBI. Фур'є перетворення даногоCBIдає спектр iзєдиною лінією, інтенсивність якоївизначається фактором 360vt₁. Ця ситуація відрізняється від звичайного одномірного експерименту тим, що дру­гий імпульс виводить частину намагніченості з поперечної площини, тому інтенсивність сигналу, який можна отримати післяФур'є-перетворення залежить від періоду t₁.

Рис. 3. Дія послідовності COSY, рис. 2, на одиничний, сигнал, що не маєспінового зв'язку

Інтенсивність сигналу змінюється за синусоїдальним законом. Можна сказати, що амплітуда сигна­лу є модульованою синусоїдальною функцією. Якщо кожний сигнал CBI (вінє функцієюt₂) піддати Фур'є-перетворенню, одер­жимо серію спектрівз єдиним сигналом, інтенсивність якого буде функцією від 360vt₁, (рис.4).

Рис. 4. Модуляція амплітуди резонансу синглету як функція періоду еволюції t₁.При зростанні t₁інтенсивність сигналу зменшується через спінову релаксацію

Якщо з кожного спектру взяти лише одну точку, що відповідає максимуму сигналу, то отримаємо масив даних, який нічим не відрізняється від CBI, за винятком способу його отримання.Таким чином, інтенсивність сигналу відносноt₁ змінюється ідентично сигналу спаду вільної індукції. Такий CBI був отриманий непрямим методом (рис. 5.).

Рис. 5. Зміна пікової інтенсивностіамплітудно модульованого сигналу, рис. 4, даєCBI (інтерферограму) для вим1руt₁

Для формування непрямого виміру доводиться слідкувати за інтенсивністю сигналів у всіх точках спектру з певними проміжками мiж ними i для кожного варіанту виконувати Фур'є-перетворення. Таким чином, для побудови двомір-ного спектру проводиться моніторинг інтенсивності кожної точки даних у вимірі f₂як функціїt₁. У цьому випадку одержимо повний двомірний набір даних. HacтупніФур'є-перетворення відносноt₁ формують новий частотний вимір, що у сукупностіiз частотним виміромf₁ дає двомірний спектр. У такому спектрі в обох вимірах присутній єдиний сигнал із частотою v Гц (рис. 6).

Рис. 6. Двомірний спектр, отриманий за допомогою послідовності, що наведена на рис. 2, для зразка, який містить єдиний спін,що не має спінового зв'язку. Пік має зсув v Гц в обох вимірах