Міністерство Освіти та Науки України
Національний Технічний Університет України
Київський Політехнічний Інститут
Реферат
на тему: ЯМР-спектроскопія
Київ 2010
1. Суть методу
Явище ядерного магнітного резонансу (ЯМР), відкрите в 1946 р., поклало початок новій області радіоспектроскопії, що знайшла широке застосування, особливо у хімічних дослідженнях. В органічній хімії спектроскопія ЯМР високої роздільної здатності дала в руки вчених новий потужний структурний і аналітичний метод, що дозволяє отримувати інформацію про будову складних молекул, недоступну іншим існуючим хімічним і фізичним методам. Величина «хімічного зсуву» стала в останній час обов’язковою структурною характеристикою складних органічних сполук.
У випадку аморфних та кристалічних твердих тіл, особливо високомолекулярних сполук, спектроскопія ЯМР дає можливість слідкувати за конфігураційними змінами, розморожуванням внутрішньомолекулярних і міжмолекулярних степенів свободи та іншими «тонкими» процесами, які до останнього часу залишались недоступними для спостереження.1
Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) — це явище резонансного поглинання радіочастотних хвиль речовинами, що містять ядра з ненульовим спіном і непарним числом протонів в зовнішньому магнітному, обумовлене переорієнтацією магнітних моментів ядер. В таблиці 1 наведені деякі із них:2
Ізотоп | Позначення | Спінове квантове число | Гіромагнітне відношення (МГц/Тл) |
Водень | 1H | 1/2 | 42.6 |
Вуглець | 13C | 1/2 | 10.7 |
Кисень | 17O | 5/2 | 5.8 |
Фтор | 19F | 1/2 | 40.0 |
Натрій | 23Na | 3/2 | 11.3 |
Магній | 25Mg | 5/2 | 2.6 |
Фосфор | 31P | 1/2 | 17.2 |
Сірка | 33S | 3/2 | 3.3 |
Залізо | 57Fe | 1/2 | 1.4 |
ЯМР-спектроскопія — метод ідентифікації та вивчення речовин, що базується на ядерному магнітному резонансі (ЯМР). Найчастіше застосовується для органічних сполук. На сьогодні ЯМР-спектроскопія дозволяє ідентифікувати сполуку маючи менше 1 мг речовини. Зразок розчиняють в непротонному (часто дейтерованому) розчиннику, ампулу вміщують в ЯМР спектрометр, після нетривалого (для простих сполук порядку 30 сек) накопичення сигналу отримують спектр, де по положенню піків (частоті поля збудження) окремих протонів (для ПМР — протонного магнітного резонансу) характеризують сполуку. Широкому використанню заважає тільки висока ціна пристроїв (від 1 мільйона гривень та вище).3
2. Схема пристрою
Рис.
2.1. Система датчика
сигналів ЯМР
на двух котушках.
Передаюча
котушка, що
розташована
вздовж осі
х, живиться
напругою з
частотою ω
, що лінійно
змінюється
в часі. Приймаюча
котушка, розташована
вздовж осі
у, приймає
компоненту
ядерної намагніченості
Мy. Фазовий
детектор виділяє
обі складові
Му — дисперсію
поглинання
.
Система
датчиків ЯМР
сигналу на двух
котушках не
є обов’язковою.
В принципі
обидві котушки
можуть бути
розміщенні
по одній осі
і, отже, замінені
однією котушкою,
яка одночасно
використовується
як приймаюча
і передаюча.
Блок-схема
найпростішого
однокотушечного
спектрометра
ЯМР (рис.2.2) включає
наступні суттєві
елементи: магніт
з напруженістю
1-2 Тл, котушку
приймаюче
передаючої
системи, розташовану
в зазорі магніту
і орієнтовану
перпендикулярно
осі z,
мостову схему,
в одно плече
якої включена
котушка, генератор
високої частоти
,
підібраний
у відповідності
з величинами
і
.
Крім того,
спектрометр
повинен містити
систему розгортки
(наприклад, по
частоті), підсилювачі
по високій
частоті та по
частотам модуляції,
а також пристрій
для реєстрації
сигналів ЯМР,
наприклад
самопишучий
потенціометр,
на одну вісь
якого подається
напруга сигналу,
а на іншу — напруга,
пропорційна
частоті розгортки
(при частотному
свипі). Розуміється,
«серцем» усієї
системи є зразок,
що являє собою
ампулу, що містить
ядра досліджуваного
типу.4
Рис. 2.2. Блок-схема найпростішого спектрометра ЯМР з розгорткою
по частоті
3. Об’єкт контролю
ЯМР-спектроскопія використовується в першу чергу для біологічних медичних досліджень. Зокрема це уточнення хімічного складу новоутворень без хірургічного втручання56, а також дослідження різноманітних органічних сполук (їх хімічний склад, зв’язки, об’ємна модель, тощо).7
Також існують лабораторії, які займаються дослідженням твердих нерозчинних сполук.8 В якості об'єкта для дослідження методом спектроскопії ЯМР твердого тіла можуть виступати всілякі тверді матеріали:
полімери, біополімери;
молекулярні сита (цеоліти, нанокристалічні цеоліти та ін.);
наноматеріали (фулерени, нанотрубки і ін..);
гібридні системи; скла, кераміки, мінерали;
композитні матеріали;
напівпровідники і тверді іонні провідники;
вуглецеві матеріали;
ліки (мультикристалічний поліморфізм фармацевтичних сполук, структура і активність фармакологічних агентів в полімерних матрицях, фазові переходи між кристалічними і аморфними формами, зміна структури при виробництві і стабільність лікарських з’єднань);
природні сполуки;
харчові продукти;
промислові та індустріальні твердотільні з'єднання (вугілля, металургійні кокси, полімерні і біополімерні плівки, газороздільні мембрани, сорбенти та ін..).9
4. Основні результати
ЯМР дослідження – тисячі томографів в медичних закладах, і також велика кількість різноманітних ЯМР спектрометрів в дослідницьких центрах і лабораторіях по всьому світу. Тож основні результати, це – різноманіття методів, безліч статей в яких описано дослідження різних властивостей органічних та неорганічних сполук, які цікавили дослідників.
Ось кілька прикладів:10
05.09-19Б1.279 Спектроскопия ЯМР 1H в недейтерированном растворителе (НЕ D-ЯМР-спектоскопия) как удобный метод анализа растворов литийорганических соединений (RLI), RMGX И LDA. Журнал: РЖ 19АБ-1. Общие вопросы химии. Физическая химия (Строение молекул). Издательство: ООО "НТИ-КОМПАКТ". 2005 ISSN 0208-1695.
06.15-19Б2.459 2H-ЯМР- спектоскопия адсорбации дейтерия на одностеночных углеродных нанотрубках. Журнал: РЖ 19Б-2. Физическая химия (Кристаллохимия. Химия твердого тела. Газы. Жидкости. Аморфные тела. Поверхностные явления. Химия коллоидов). Издательство: ООО "НТИ-КОМПАКТ". 2006 ISSN 0208-1717.
Контроль экологической безопасности и качества зерна и муки злакових культур методом ЯМР. Е.Д. Скаковский, Л.Ю. Тычинская, О.А. Гайдукевич, А.Н. Кулакова, С.В. Рыков, А.В. Воронин, Д.В. Голубев. Экологический Центр Общество восстановления и охраны природы г. Москвы, Новинский бульвар, 28/35, Москва, Россия, 121069. Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. Российский университет дружбы народов. 2008.
Висновки
ЯМР-спектроскопія – прогресуюча область досліджень хімічного складу і будови найрізноманітніших сполук, що дає високоточні результати навіть при мізерній кількості ОК. Потребує висококваліфікованого наукового персоналу і дорого обладнання.
Використана література
Дж. Робертс. Ядерный магнитный резонанс. Приинение в органической химии. Москва 1961. ИИЛ. стр.5.
Эверт Блинк . Основы МРТ:Физика. 2000. стр.12.
http://uk.wikipedia.org/wiki/ЯМР-спектроскопія
Н.М. Сергеев. Спектроскопия ЯМР (для химиков-органиков). ИМУ 1981. УДК 541.6+543.422.25+547. стр.22-24.
MRI Spectroscopy (MRS): http://www.rcnd.com/MRS.html
http://en.wikipedia.org/wiki/In_vivo_magnetic_resonance_spectroscopy
http://www.bionmr.chem.au.dk/
http://www.fkf.mpg.de/jansen/p210/english/research.html
Центр спектроскопии ЯМР твердого тела: http://www.ssnmr.ru/
Научная электронная библиотека: http://elibrary.ru/
1 Дж. Робертс. Ядерный магнитный резонанс. Приинение в органической химии. Москва 1961. ИИЛ. стр.5.
2 Эверт Блинк . Основы МРТ:Физика. 2000. стр.12.
3 http://uk.wikipedia.org/wiki/ЯМР-спектроскопія
4 Н.М. Сергеев. Спектроскопия ЯМР (для химиков-органиков). ИМУ 1981. УДК 541.6+543.422.25+547. стр.22-24.
5 MRI Spectroscopy (MRS): http://www.rcnd.com/MRS.html
6 MRI Spectroscopy (MRS): http://en.wikipedia.org/wiki/In_vivo_magnetic_resonance_spectroscopy
7 http://www.bionmr.chem.au.dk/
8 http://www.fkf.mpg.de/jansen/p210/english/research.html
9 Центр спектроскопии ЯМР твердого тела: http://www.ssnmr.ru/
10 Научная электронная библиотека: http://elibrary.ru/