Ядерный магнитный резонанс
Основы ЯМР
•у частиц есть момент количества движения (спин)
•если спин отличен от нуля, частица имеет ненулевой магнитный момент μ (т.к. она заряжена), параллельный моменту количества движения
•наложение внешнего магнитного поля H вызывает расщепление энергитического уровня на величину
E 2 H
Расщепление уровней
H |
1 |
|
|
|
|
m |
H |
m 1 |
H |
||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 H |
m 0 |
0 |
|
|
|
|
|||
m |
1 |
H |
m 1 |
H |
|
2 |
|||||
|
|
||||
|
|
I 1 |
|
I 1 |
|
|
|
2 |
|
|
I – спин, m – магнитное квантовое число (проекция магнитного момента)
Зависимость энергии расщепления от напряженности магнитного поля
Явление ЯМР
H0
H1
•при увеличении поля H0 мы лишь увеличим скорость прецессии, но не сориентируем моменты
•приложим дополнительное поле H1 и
начнём вращать его
•если частота вращения H1 близка к
частоте вращения магнитного момента
(ларморовой прецессии), оно вызовет нутацию (раскачивание) последнего
•как только частота вращения H1 становиться равной частоте ларморовой прецессии наступает резонанс – угол
между магнитным моментом и полем H0
будет заметно меняться
Характеристики ядер
Изотоп |
Распростране |
Частота ЯМР в |
|
нность, % |
поле 10 кГс, МГц |
||
|
|||
1H |
99.984 |
42.577 |
|
2H(D) |
0.0156 |
6.536 |
|
10B |
18.83 |
4.575 |
|
11B |
81.17 |
13.660 |
|
13C |
1.108 |
10.705 |
|
14N |
99.635 |
3.076 |
|
15N |
0.365 |
4.315 |
|
19F |
100 |
40.055 |
|
31P |
100 |
17.235 |
Отн.
чувствительн ость1
1.000
0.0096
0.0199
0.165
0.0159
0.0010
0.0010
0.834
0.0664
Магнитный момент2
2.7972
0.8574 -1.1774 1.8006 0.7022 0.4036 -0.2830 2.6273 1.1305
1 При равном числе ядер в постоянном поле Н
Спин3
½
1
3
3/2
½
1
½
½
½
2 В единицах ядерного магнетона eh
4 Mпc (теоретический магнитный момент протона) 3 В единицах h
2
Магнитное экранирование
или чем интересен ЯМР
В 1951 году Арнольд с сотрудниками[1] зарегистрировали спектр этилового спирта, в котором различным химически неэквивалентным ядрам, принадлежащим одной и той же молекуле, соответствовали отдельные линии спектра.
Причина различий резонансных напряженностей магнитного поля
– электронные облака вокруг каждого ядра.
Теперь можно идентифицировать химический состав молекул: как входящие в них протоны, так и число протонов соответствующего типа.
[1] J.T. Arnold, S.S. Dharmatti, M.E. Packard, J. Chem. Phys., 19, 507 (1951)
ЯМР в изучении полимеров
Для примера рассмотрим по одному “представителю” синтетических и биологических полимеров, соответственно
Изучение структуры синтетических полимеров опишем на примере полистирола (исторически, это первый синтетический
полимер, для которого были описаны спектры ЯМР)
Изучение структуры биологических полимеров опишем на примере белков (общие черты “семейства” биополимеров)