Spectroscopie RMN. RMN pentru manechine, sau Zece fapte de bază despre rezonanța magnetică nucleară. Vedeți ce este „spectroscopie RMN” în alte dicționare

Spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară, spectroscopie RMN- o metodă spectroscopică de studiere a obiectelor chimice, folosind fenomenul de rezonanță magnetică nucleară. Fenomenul RMN a fost descoperit în 1946 de către fizicienii americani F. Bloch și E. Purcell. Cele mai importante pentru chimie și aplicații practice sunt spectroscopia de rezonanță magnetică de protoni (spectroscopie PMR), precum și spectroscopia RMN pe carbon-13 (spectroscopie 13 C RMN), fluor-19 (spectroscopie 19 F RMN), fosfor-31 ( 31 P). Spectroscopie RMN). Dacă un element are un număr atomic impar sau un izotop al oricărui element (par par) are un număr de masă impar, nucleul unui astfel de element are un spin diferit de zero. Dintr-o stare excitată la o stare normală, nucleele se pot întoarce, transferând energia de excitație în „rețeaua” înconjurătoare, ceea ce înseamnă în acest caz electroni sau atomi de alt tip decât cei studiati. Acest mecanism de transfer de energie se numește relaxare spin-latice, iar eficiența lui poate fi caracterizată printr-o constantă T1, numită timp de relaxare spin-latice.

Aceste caracteristici fac din spectroscopia RMN un instrument convenabil atât în chimia organică teoretică, cât și pentru analiza obiectelor biologice.

Tehnica de bază RMN

O probă dintr-o substanță pentru RMN este plasată într-un tub de sticlă cu pereți subțiri (fiolă). Când este plasat într-un câmp magnetic, nucleele active RMN (cum ar fi 1 H sau 13 C) absorb energie electromagnetică. Frecvența de rezonanță, energia de absorbție și intensitatea semnalului emis sunt proporționale cu puterea câmpului magnetic. Deci, într-un câmp de 21 Tesla, un proton rezonează la o frecvență de 900 MHz.

Deplasare chimică

În funcție de mediul electronic local, diferiți protoni dintr-o moleculă rezonează la frecvențe ușor diferite. Deoarece atât această schimbare de frecvență, cât și frecvența de rezonanță fundamentală sunt direct proporționale cu mărimea inducției câmpului magnetic, această deplasare este convertită într-o cantitate adimensională independentă de câmpul magnetic, cunoscută sub numele de deplasare chimică. Deplasarea chimică este definită ca o modificare relativă față de unele probe de referință. Deplasarea frecvenței este extrem de mică în comparație cu frecvența RMN principală. Deplasarea de frecvență tipică este de 100 Hz, în timp ce frecvența de bază RMN este de ordinul a 100 MHz. Astfel, schimbarea chimică este adesea exprimată în părți per milion (ppm). Pentru a detecta o diferență de frecvență atât de mică, câmpul magnetic aplicat trebuie să fie constant în interiorul volumului probei.

Deoarece o schimbare chimică depinde de structura chimică a unei substanțe, este utilizată pentru a obține informații structurale despre moleculele dintr-o probă. De exemplu, spectrul pentru etanol (CH 3 CH 2 OH) dă 3 semnale distinctive, adică 3 deplasări chimice: unul pentru grupul CH 3, al doilea pentru grupul CH 2 și ultimul pentru OH. Deplasarea tipică pentru o grupare CH3 este de aproximativ 1 ppm, pentru o grupare CH2 atașată la OH este de 4 ppm și pentru OH este de aproximativ 2-3 ppm.

Datorită mișcării moleculare la temperatura camerei, semnalele celor 3 protoni metil sunt mediate în timpul procesului RMN, care durează doar câteva milisecunde. Acești protoni degenerează și formează vârfuri la aceeași schimbare chimică. Software-ul vă permite să analizați dimensiunea vârfurilor pentru a înțelege câți protoni contribuie la aceste vârfuri.

Interacțiune spin-spin

Cele mai utile informații pentru determinarea structurii într-un spectru RMN unidimensional este furnizată de așa-numita interacțiune spin-spin între nucleele active RMN. Această interacțiune rezultă din tranzițiile între diferitele stări de spin ale nucleelor din moleculele chimice, ducând la divizarea semnalelor RMN. Această divizare poate fi simplă sau complexă și, în consecință, poate fi fie ușor de interpretat, fie poate fi confuză pentru experimentator.

Această legare oferă informații detaliate despre legăturile atomilor din moleculă.

Interacțiune de ordinul doi (puternic)

Cuplarea simplă spin-spin presupune că constanta de cuplare este mică în comparație cu diferența de deplasări chimice dintre semnale. Dacă diferența de deplasare scade (sau constanta de interacțiune crește), intensitatea multipleților de probă devine distorsionată și devine mai dificil de analizat (mai ales dacă sistemul conține mai mult de 2 rotiri). Cu toate acestea, în spectrometrele RMN de mare putere, distorsiunea este de obicei moderată și acest lucru permite interpretarea cu ușurință a vârfurilor asociate.

Efectele de ordinul doi scad pe măsură ce diferența de frecvență între multipleți crește, astfel încât un spectru RMN de înaltă frecvență prezintă mai puțină distorsiune decât un spectru de frecvență joasă.

Aplicarea spectroscopiei RMN la studiul proteinelor

Cele mai multe dintre inovațiile recente în spectroscopie RMN sunt făcute în așa-numita spectroscopie RMN a proteinelor, care devine o tehnică foarte importantă în biologia și medicina modernă. Un obiectiv comun este obținerea de structuri de proteine tridimensionale de înaltă rezoluție, similare imaginilor obținute în cristalografia cu raze X. Datorită prezenței mai multor atomi într-o moleculă de proteină în comparație cu un compus organic simplu, spectrul de bază 1H este aglomerat cu semnale care se suprapun, făcând imposibilă analiza directă a spectrului. Prin urmare, au fost dezvoltate tehnici multidimensionale pentru a rezolva această problemă.

Pentru a îmbunătăți rezultatele acestor experimente, metoda atomului marcat este utilizată folosind 13 C sau 15 N. În acest fel, devine posibilă obținerea unui spectru 3D al unei probe de proteine, care a devenit o descoperire în produsele farmaceutice moderne. Recent, s-au răspândit tehnici (atât cu avantaje, cât și cu dezavantaje) de obținere a spectrelor 4D și a spectrelor de dimensiuni mai mari, bazate pe metode de eșantionare neliniară cu restabilirea ulterioară a semnalului de dezintegrare a inducției libere folosind tehnici matematice speciale.

Analiza RMN cantitativă

În analiza cantitativă a soluțiilor, aria vârfului poate fi utilizată ca măsură a concentrației în metoda grafică de calibrare sau metoda de adăugare. Există, de asemenea, metode cunoscute în care un grafic gradat reflectă dependența de concentrație a deplasării chimice. Utilizarea metodei RMN în analiza anorganică se bazează pe faptul că în prezența substanțelor paramagnetice, timpul de relaxare nucleară se accelerează. Măsurarea ratei de relaxare poate fi efectuată prin mai multe metode, una fiabilă și universală este, de exemplu, versiunea în impulsuri a metodei RMN sau, așa cum se numește de obicei, metoda spin echo. Atunci când se măsoară prin această metodă, probei studiate sunt aplicate impulsuri de radiofrecvență de scurtă durată într-un câmp magnetic la anumite intervale în regiunea de absorbție rezonantă.În bobina receptoare apare un semnal ecou de spin, a cărui amplitudine maximă este legată la timpul de relaxare printr-o relație simplă. Pentru a efectua determinări analitice convenționale nu este nevoie să găsiți valorile absolute ale ratelor de relaxare. În aceste cazuri, ne putem limita la măsurarea unei cantități proporționale cu acestea, de exemplu, amplitudinea semnalului de absorbție rezonantă. Măsurătorile de amplitudine pot fi efectuate folosind un echipament simplu, mai accesibil. Un avantaj semnificativ al metodei RMN este gama largă de valori ale parametrului măsurat. Folosind setarea ecoului de spin, timpul de relaxare poate fi determinat de la 0,00001 la 100 s. cu o eroare de 3...5%. Acest lucru face posibilă determinarea concentrației unei soluții într-un interval foarte larg de la 1...2 la 0,000001...0000001 mol/l.Tehnica analitică cea mai frecvent utilizată este metoda graficului de calibrare. Heberlen U., Mehring M. RMN de înaltă rezoluție în solide. - M.: Mir. - 1980.

Lundin A. G., Fedin E. I. Spectroscopie RMN. - M.: Știință. - 1980.

Gabuda S. P., Pletnev R. N., Fedotov M. A. Rezonanța magnetică nucleară în chimia anorganică.- M: Nauka.- 1988. - 214 p.

Gabuda S. P., Lundin A. G. Mobilitatea internă într-un solid. - Novosibirsk: Știință.- 1986. - 176 p.

Gabuda S. P., Rzhavin A. F. Rezonanța magnetică nucleară în hidrații cristalini și proteinele hidratate. - De la: Știință. Novosibirsk - 1978.- 160 p.

Sergheev N. A., Ryabushkin D. S. Fundamentele teoriei cuantice a rezonanței magnetice nucleare.- M.: Logos.- 2013. - 270 p.

Ershov B. A., Spectroscopia RMN în chimie organică. - Manual pentru universități. - De la: Universitatea de Stat din Sankt Petersburg - 1995. - 263 p.

Ionin B.I., Ershov B.A., Koltsov A.I., Spectroscopie RMN în chimie organică: publicație științifică. - Ed. a II-a, Editura: Universitatea de Stat din Leningrad, Chimie, Leningrad. catedra.- 1983. - 269 p.

V.P. Vasiliev. Chimie analitică. - "Facultate". - M., 1989.- 384 p.

Spectroscopie RMN

Spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară, spectroscopie RMN- o metodă spectroscopică de studiere a obiectelor chimice, folosind fenomenul de rezonanță magnetică nucleară. Cele mai importante pentru chimie și aplicații practice sunt spectroscopia de rezonanță magnetică de protoni (spectroscopie PMR), precum și spectroscopia RMN pe carbon-13 (spectroscopie 13 C RMN), fluor-19 (spectroscopie în infraroșu, RMN dezvăluie informații despre structura moleculară a substanțelor chimice). Cu toate acestea, oferă informații mai complete decât IS, permițând studierea proceselor dinamice dintr-o probă - pentru a determina constantele de viteză ale reacțiilor chimice, valoarea barierelor energetice în calea rotației intramoleculare.Aceste caracteristici fac din spectroscopia RMN un instrument convenabil atât în plan organic teoretic. chimie şi pentru analiza obiectelor biologice.

Tehnica de bază RMN

Deplasare chimică

În funcție de mediul electronic local, diferiți protoni dintr-o moleculă rezonează la frecvențe ușor diferite. Deoarece atât această schimbare de frecvență, cât și frecvența de rezonanță fundamentală sunt direct proporționale cu puterea câmpului magnetic, această deplasare este convertită într-o cantitate adimensională independentă de câmpul magnetic cunoscut sub numele de schimbare chimică. Deplasarea chimică este definită ca o modificare relativă față de unele probe de referință. Deplasarea de frecvență este extrem de mică în comparație cu frecvența RMN principală. Deplasarea de frecvență tipică este de 100 Hz, în timp ce frecvența de bază RMN este de ordinul a 100 MHz. Astfel, schimbarea chimică este adesea exprimată în părți per milion (ppm). Pentru a detecta o diferență de frecvență atât de mică, câmpul magnetic aplicat trebuie să fie constant în interiorul volumului probei.

Interacțiune spin-spin

Această legare oferă informații detaliate despre legăturile atomilor din moleculă.

Interacțiune de ordinul doi (puternic)

Aplicarea spectroscopiei RMN la studiul proteinelor

Cele mai multe dintre inovațiile recente în spectroscopie RMN sunt făcute în așa-numita spectroscopie RMN a proteinelor, care devine o tehnică foarte importantă în biologia și medicina modernă. Scopul general este de a obține structura tridimensională a unei proteine la rezoluție înaltă, similară imaginilor obținute în cristalografia cu raze X. Datorită prezenței mai multor atomi într-o moleculă de proteină în comparație cu un compus organic simplu, spectrul de bază 1D este aglomerat cu semnale care se suprapun, făcând imposibilă analiza directă a spectrului. Prin urmare, au fost dezvoltate tehnici multidimensionale pentru a rezolva această problemă.

Pentru a îmbunătăți rezultatele acestor experimente se folosește metoda atomului marcat, folosind 13 C sau 15 N. În acest fel, devine posibilă obținerea unui spectru 3D al unei probe de proteine, care a devenit o descoperire în produsele farmaceutice moderne. Recent, s-au răspândit tehnici (care prezintă atât avantaje, cât și dezavantaje) de obținere a spectrelor 4D și a spectrelor de dimensiuni mai mari, bazate pe metode de eșantionare neliniară cu restabilirea ulterioară a semnalului de dezintegrare a inducției libere folosind tehnici matematice speciale.

Literatură

Gunther X. Curs de introducere în spectroscopie RMN. - Per. din engleza - M., 1984.

Fundația Wikimedia. 2010.

Vedeți ce este „spectroscopie RMN” în alte dicționare:

Spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară pe nucleele de carbon 13, 13C Spectroscopia RMN este una dintre metodele spectroscopiei RMN care utilizează nuclee ale izotopului de carbon 13C. Nucleul 13C are un spin de 1/2 în starea sa fundamentală, conținutul său în natură... ... Wikipedia

Imaginea unui creier uman pe un tomograf RMN medical Rezonanța magnetică nucleară (RMN) absorbția rezonantă a energiei electromagnetice de către o substanță care conține nuclei cu spin diferit de zero într-un câmp magnetic extern, cauzată de reorientare ... ... Wikipedia

Spectroscopie RMN

spectroscopie de rezonanță magnetică- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių reiškin rezoniu. atitikmenys: engl. RMN...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. spectroscopie RMN; spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; RMN Spektroskopie, f rus. spectroscopie nucleară… Fizikos terminų žodynas

Magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškin. atitikmenys: engl. RMN...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

spectroscopie de rezonanță nucleară- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. spectroscopie RMN; spectroscopie de rezonanță magnetică nucleară vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; RMN Spektroskopie, f rus. spectroscopie nucleară… Fizikos terminų žodynas

Un set de metode de cercetare. în VA în funcție de spectrele de absorbție ale atomilor, ionilor și moleculelor lor. mag. unde radio. Radiația include metode paramagnetice de electroni. rezonanță (EPR), magnetic nuclear. rezonanță (RMN), rezonanță ciclotronică etc... Științele naturii. Dicţionar enciclopedic

Imaginea unui creier uman pe un tomograf RMN medical Rezonanța magnetică nucleară (RMN) absorbția sau emisia de energie electromagnetică de către o substanță care conține nuclei cu spin diferit de zero într-un câmp magnetic extern, la o frecvență ν ... ... Wikipedia

Metoda spectroscopiei RMN se bazează pe proprietățile magnetice ale nucleelor. Nucleele atomilor poartă o sarcină pozitivă și se rotesc în jurul axei lor. Rotirea sarcinii duce la apariția unui dipol magnetic.

Momentul unghiular de rotație, care poate fi descris prin numărul cuantic de spin (I). Valoarea numerică a numărului cuantic de spin este egală cu suma numerelor cuantice de spin ale protonilor și neutronilor incluși în nucleu.

Numărul cuantic de spin poate lua valoarea

Dacă numărul de nucleoni este par, atunci valoarea I = 0 sau un număr întreg. Acestea sunt nucleele C 12, H 2, N 14; astfel de nuclee nu absorb radiația de radiofrecvență și nu produc semnale în spectroscopia RMN.

I = ± 1 / 2 H 1 , P 31 , F 19 - absorb radiația de radiofrecvență și produc un semnal de spectru RMN.

I = ± 1 1/2 CL 35, Br 79 - distribuție nesimetrică a sarcinii pe suprafața nucleului. Ceea ce duce la apariția unui moment quadropol. Astfel de nuclee nu sunt studiate prin spectroscopie RMN.

PMR - spectroscopie

Valoarea numerică a lui I (I = ±1/2) determină numărul de orientări posibile ale nucleului într-un câmp magnetic extern în conformitate cu formula:

Din această formulă este clar că numărul de orientări este 2.

Pentru a face tranziția unui proton situat la un nivel inferior la unul superior, trebuie să i se acorde o energie egală cu diferența de energie a acestor niveluri, adică iradiat cu radiații de o puritate strict definită. Diferența de niveluri de energie (ΔΕ) depinde de mărimea câmpului magnetic impus (H 0) și de natura magnetică a nucleelor, descrisă de momentul magnetic (μ). Această valoare este determinată de rotație:

, Unde

h – constanta lui Planck

Mărimea câmpului magnetic extern

γ – coeficientul de proporționalitate, numit raport giromagnetic, determină relația dintre numărul cuantic de spin I și momentul magnetic μ.

– ecuația RMN de bază, conectează mărimea câmpului magnetic extern, natura magnetică a nucleelor și puritatea radiației la care are loc absorbția energiei radiațiilor și nucleele se deplasează între niveluri.

Din înregistrarea de mai sus este clar că pentru aceleași nuclee, protoni, există o relație strictă între valoarea lui H 0 și μ.

Deci, de exemplu, pentru ca nucleele de protoni dintr-un câmp magnetic extern de 14000 Gauss să se deplaseze la un nivel magnetic mai înalt, ei trebuie să fie iradiați cu o frecvență de 60 MHz; dacă până la 23000 Gauss, atunci radiația cu o frecvență de 60 MHz. Va fi necesar 100 MHz.

Astfel, din cele de mai sus rezultă că părțile principale ale unui spectrometru RMN ar trebui să fie un magnet puternic și o sursă de radiație de radiofrecvență.

Substanța de analiză se pune într-o fiolă din tipuri speciale de sticlă de 5 mm grosime. Amplasam fiola in golul unui magnet, pentru o distributie mai uniforma a campului magnetic in interiorul fiolei, acesta se roteste in jurul axei acesteia, cu ajutorul unei bobine radiatia este generata continuu de radiatia de radiofrecventa. Frecvența acestei radiații variază într-un interval mic. La un moment dat, când frecvența corespunde exact cu ecuația spectroscopiei RMN, se observă absorbția energiei radiației și protonii își reorientează spinul - această absorbție de energie este înregistrată de bobina receptoare sub forma unui vârf îngust.

În unele modele de spectrometre μ=const, iar în culoarul mici valoarea lui H 0 se modifică. Pentru înregistrarea spectrului este nevoie de 0,4 ml de substanță; dacă o substanță solidă este dizolvată într-o soluție adecvată, este necesar să se ia 10-50 ml/g de substanță.

Pentru a obține un spectru de înaltă calitate, este necesar să se utilizeze soluții cu o concentrație de 10-20%. Limita de sensibilitate RMN corespunde la 5%.

Pentru a crește sensibilitatea folosind un computer, se folosesc multe ore de acumulare de semnal, în timp ce semnalul util crește în intensitate.

În îmbunătățirea ulterioară a tehnicii de spectrodistribuție RMN, a început utilizarea conversiei Fourier - semnal. În acest caz, proba nu este iradiată cu radiații cu o frecvență care variază lent, ci cu radiații care conectează toate frecvențele într-un singur pachet. În acest caz, radiația de o frecvență este absorbită, iar protonii se deplasează la nivelul de energie superior, apoi pulsul scurt este oprit și după aceea protonii excitați încep să piardă energia absorbită și să treacă la nivelul inferior. Acest fenomen energetic este înregistrat de sistem ca o serie de impulsuri de milisecunde care se diminuează în timp.

Solventul ideal este o substanță care nu conține protoni, adică tetraclorură de carbon și sulf de carbon, dar unele substanțe nu se dizolvă în aceste soluții, astfel încât orice solvenți în moleculele cărora atomii izotopului ușor H1 sunt înlocuiți cu atomi. ale izotopului greu deuteriu se folosesc. Frecvența izotopului trebuie să corespundă cu 99%.

СDCl 3 – deuteriu

Deuteriul nu produce semnal în spectrele RMN. O dezvoltare ulterioară a metodei a fost utilizarea unui computer de mare viteză și conversia ulterioară a semnalului. În acest caz, în locul ultimei scanări a frecvenței radiației, eșantionului se suprapune radiația instantanee care conține toate frecvențele posibile. În acest caz, are loc excitarea instantanee a tuturor nucleelor și reorientarea spinurilor lor. După ce radiația este oprită, nucleele încep să elibereze energie și să se deplaseze la un nivel de energie mai scăzut. Această explozie de energie durează câteva secunde și constă dintr-o serie de impulsuri de microsecunde, care sunt înregistrate de sistemul de înregistrare sub forma unei furci.

Esența fenomenului
În primul rând, trebuie remarcat faptul că, deși numele acestui fenomen conține cuvântul „nuclear”, RMN nu are nimic de-a face cu fizica nucleară și nu are nicio legătură cu radioactivitatea. Dacă vorbim despre o descriere strictă, atunci nu există nicio modalitate de a face fără legile mecanicii cuantice. Conform acestor legi, energia de interacțiune a miezului magnetic cu un câmp magnetic extern poate lua doar câteva valori discrete. Dacă nucleele magnetice sunt iradiate cu un câmp magnetic alternativ, a cărui frecvență corespunde diferenței dintre aceste niveluri de energie discrete, exprimate în unități de frecvență, atunci nucleele magnetice încep să se miște de la un nivel la altul, absorbind în același timp energia alternantei. camp. Acesta este fenomenul rezonanței magnetice. Această explicație este corectă din punct de vedere formal, dar nu foarte clară. Există o altă explicație, fără mecanică cuantică. Miezul magnetic poate fi imaginat ca o minge încărcată electric care se rotește în jurul axei sale (deși, strict vorbind, nu este așa). Conform legilor electrodinamicii, rotația unei sarcini duce la apariția unui câmp magnetic, adică momentul magnetic al nucleului, care este îndreptat de-a lungul axei de rotație. Dacă acest moment magnetic este plasat într-un câmp extern constant, atunci vectorul acestui moment începe să preceseze, adică să se rotească în jurul direcției câmpului extern. În același mod, axa vârfului precesează (se rotește) în jurul verticalei dacă nu este deztors strict vertical, ci sub un anumit unghi. În acest caz, rolul câmpului magnetic este jucat de forța gravitației.

Frecvența de precesiune este determinată atât de proprietățile nucleului, cât și de puterea câmpului magnetic: cu cât câmpul este mai puternic, cu atât frecvența este mai mare. Apoi, dacă, pe lângă un câmp magnetic extern constant, miezul este afectat de un câmp magnetic alternativ, atunci miezul începe să interacționeze cu acest câmp - pare să balanseze mai puternic miezul, amplitudinea precesiei crește, iar miezul absoarbe energia câmpului alternant. Totuși, acest lucru se va întâmpla numai în condițiile rezonanței, adică a coincidenței frecvenței de precesiune și a frecvenței câmpului alternativ extern. Acesta este similar cu exemplul clasic de la fizica școlii - soldații care mărșăluiesc peste un pod. Dacă frecvența pasului coincide cu frecvența naturală a podului, atunci podul se balansează din ce în ce mai mult. Experimental, acest fenomen se manifestă prin dependența absorbției unui câmp alternativ de frecvența acestuia. În momentul rezonanței, absorbția crește brusc, iar cel mai simplu spectru de rezonanță magnetică arată astfel:
Spectroscopie cu transformată Fourier
Primele spectrometre RMN au funcționat exact așa cum este descris mai sus - proba a fost plasată într-un câmp magnetic constant și i s-a aplicat în mod continuu radiația de frecvență radio. Apoi, fie frecvența câmpului alternativ, fie intensitatea câmpului magnetic constant a variat fără probleme. Absorbția energiei câmpului alternativ a fost înregistrată de o punte de frecvență radio, semnalul de la care a fost transmis către un înregistrator sau un osciloscop. Dar această metodă de înregistrare a semnalului nu a fost folosită de mult timp. În spectrometrele moderne RMN, spectrul este înregistrat folosind impulsuri. Momentele magnetice ale nucleelor sunt excitate de un scurt impuls puternic, după care se înregistrează semnalul indus în bobina RF de momentele magnetice care preced liber. Acest semnal scade treptat la zero pe măsură ce momentele magnetice revin la echilibru (acest proces se numește relaxare magnetică). Spectrul RMN este obținut din acest semnal folosind transformata Fourier. Aceasta este o procedură matematică standard care vă permite să descompuneți orice semnal în armonici de frecvență și astfel să obțineți spectrul de frecvență al acestui semnal. Această metodă de înregistrare a spectrului vă permite să reduceți semnificativ nivelul de zgomot și să efectuați experimente mult mai rapid.

Un impuls interesant pentru înregistrarea unui spectru este cel mai simplu experiment RMN. Cu toate acestea, într-un experiment pot exista multe astfel de impulsuri de diferite durate, amplitudini, cu întârzieri diferite între ele etc., în funcție de ce fel de manipulări trebuie să efectueze cercetătorul cu sistemul de momente magnetice nucleare. Cu toate acestea, aproape toate aceste secvențe de impulsuri se termină în același lucru - înregistrarea unui semnal de precesie liberă urmată de o transformată Fourier.
Interacțiuni magnetice în materie
Rezonanța magnetică în sine ar rămâne nimic mai mult decât un fenomen fizic interesant dacă nu ar fi interacțiunile magnetice ale nucleelor între ele și cu învelișul de electroni a moleculei. Aceste interacțiuni afectează parametrii de rezonanță, iar cu ajutorul lor, metoda RMN poate oferi o varietate de informații despre proprietățile moleculelor - orientarea lor, structura spațială (conformația), interacțiunile intermoleculare, schimbul chimic, dinamica rotațională și translațională. Datorită acestui fapt, RMN a devenit un instrument foarte puternic pentru studierea substanțelor la nivel molecular, care este utilizat pe scară largă nu numai în fizică, ci mai ales în chimie și biologie moleculară. Un exemplu de astfel de interacțiune este așa-numita schimbare chimică. Esența sa este următoarea: învelișul de electroni a unei molecule răspunde la un câmp magnetic extern și încearcă să-l ecraneze - ecranizarea parțială a câmpului magnetic are loc în toate substanțele diamagnetice. Aceasta înseamnă că câmpul magnetic din moleculă va diferi de câmpul magnetic extern printr-o cantitate foarte mică, ceea ce se numește schimbare chimică. Cu toate acestea, proprietățile învelișului de electroni în diferite părți ale moleculei sunt diferite, iar schimbarea chimică este, de asemenea, diferită. În consecință, condițiile de rezonanță pentru nucleele din diferite părți ale moleculei vor diferi și ele. Acest lucru face posibilă distingerea nucleelor neechivalente din punct de vedere chimic în spectru. De exemplu, dacă luăm spectrul nucleelor de hidrogen (protoni) din apă pură, atunci va exista o singură linie, deoarece ambii protoni din molecula de H 2 O sunt exact aceiași. Dar pentru alcoolul metilic CH 3 OH vor exista deja două linii în spectru (dacă neglijăm alte interacțiuni magnetice), deoarece există două tipuri de protoni - protonii grupului metil CH 3 și protonul asociat atomului de oxigen. Pe măsură ce moleculele devin mai complexe, numărul de linii va crește, iar dacă luăm o moleculă atât de mare și complexă ca proteină, atunci în acest caz spectrul va arăta cam așa:
Miezuri magnetice
RMN poate fi observată pe diferite nuclee, dar trebuie spus că nu toate nucleele au un moment magnetic. Se întâmplă adesea ca unii izotopi să aibă un moment magnetic, dar alți izotopi ai aceluiași nucleu nu. În total, există mai mult de o sută de izotopi ai diferitelor elemente chimice care au nuclee magnetice, dar în cercetare, de obicei, nu se folosesc mai mult de 1520 de nuclee magnetice, totul este exotic. Fiecare nucleu are propriul său raport caracteristic între câmp magnetic și frecvență de precesiune, numit raport giromagnetic. Pentru toate nucleele aceste relaţii sunt cunoscute. Folosindu-le, puteți selecta frecvența la care, sub un anumit câmp magnetic, va fi observat un semnal din nucleele de care are nevoie cercetătorul.

Cele mai importante nuclee pentru RMN sunt protonii. Sunt cele mai abundente din natură și au o sensibilitate foarte mare. Nucleii de carbon, azot și oxigen sunt foarte importanți pentru chimie și biologie, dar oamenii de știință nu au avut prea mult noroc cu ei: cei mai comuni izotopi ai carbonului și oxigenului, 12 C și 16 O, nu au un moment magnetic, cel natural. izotopul de azot 14 N are un moment, dar din mai multe motive este foarte incomod pentru experimente. Există izotopi 13 C, 15 N și 17 O care sunt potriviți pentru experimentele RMN, dar abundența lor naturală este foarte scăzută și sensibilitatea lor este foarte scăzută în comparație cu protonii. Prin urmare, probe speciale îmbogățite cu izotopi sunt adesea pregătite pentru studiile RMN, în care izotopul natural al unui anumit nucleu este înlocuit cu cel necesar pentru experimente. În cele mai multe cazuri, această procedură este foarte dificilă și costisitoare, dar uneori este singura oportunitate de a obține informațiile necesare.
Rezonanța paramagnetică a electronilor și cvadrupolară
Vorbind despre RMN, nu putem să nu menționăm alte două fenomene fizice înrudite - rezonanța paramagnetică a electronilor (EPR) și rezonanța cvadrupolului nuclear (NQR). EPR este în esență similară cu RMN, diferența este că rezonanța se observă la momentele magnetice nu ale nucleelor atomice, ci ale învelișului de electroni a atomului. EPR poate fi observată numai în acele molecule sau grupuri chimice a căror înveliș electronic conține așa-numitul electron nepereche, atunci învelișul are un moment magnetic diferit de zero. Astfel de substanțe se numesc paramagneți. EPR, ca și RMN, este, de asemenea, utilizat pentru a studia diferite proprietăți structurale și dinamice ale substanțelor la nivel molecular, dar domeniul său de utilizare este semnificativ mai restrâns. Acest lucru se datorează în principal faptului că majoritatea moleculelor, în special în natura vie, nu conțin electroni nepereche. În unele cazuri, puteți utiliza o așa-numită sondă paramagnetică, adică o grupare chimică cu un electron nepereche care se leagă de molecula studiată. Dar această abordare are dezavantaje evidente care limitează capacitățile acestei metode. În plus, EPR nu are o rezoluție spectrală atât de mare (adică capacitatea de a distinge o linie de alta în spectru) ca în RMN.

Este cel mai dificil de explicat natura NQR „pe degete”. Unele nuclee au ceea ce se numește un moment cvadrupol electric. Acest moment caracterizează abaterea distribuției sarcinii electrice a nucleului de la simetria sferică. Interacțiunea acestui moment cu gradientul câmpului electric creat de structura cristalină a substanței duce la scindarea nivelurilor de energie ale nucleului. În acest caz, se poate observa o rezonanță la o frecvență corespunzătoare tranzițiilor dintre aceste niveluri. Spre deosebire de RMN și EPR, NQR nu necesită un câmp magnetic extern, deoarece divizarea nivelului are loc fără acesta. NQR este folosit și pentru studiul substanțelor, dar domeniul său de aplicare este chiar mai restrâns decât cel al EPR.
Avantajele și dezavantajele RMN

RMN este cea mai puternică și informativă metodă de studiere a moleculelor. Strict vorbind, aceasta nu este o singură metodă, este un număr mare de tipuri diferite de experimente, adică secvențe de impulsuri. Deși toate se bazează pe fenomenul RMN, fiecare dintre aceste experimente este conceput pentru a obține unele informații specifice specifice. Numărul acestor experimente este măsurat în multe zeci, dacă nu în sute. Teoretic, RMN poate, dacă nu totul, atunci aproape tot ceea ce pot toate celelalte metode experimentale pentru studierea structurii și dinamicii moleculelor, deși în practică acest lucru este fezabil, desigur, nu întotdeauna. Unul dintre principalele avantaje ale RMN este că, pe de o parte, sondele sale naturale, adică nucleele magnetice, sunt distribuite în întreaga moleculă și, pe de altă parte, permite să distingeți aceste nuclee unul de celălalt și să obțineți date selective spațial. asupra proprietăților moleculei. Aproape toate celelalte metode oferă informații fie în medie pentru întreaga moleculă, fie doar pentru o parte a acesteia.

RMN are două dezavantaje principale. În primul rând, este o sensibilitate scăzută în comparație cu majoritatea altor metode experimentale (spectroscopie optică, fluorescență, ESR etc.). Acest lucru duce la faptul că, pentru a media zgomotul, semnalul trebuie să fie acumulat mult timp. În unele cazuri, un experiment RMN poate fi efectuat chiar și pentru câteva săptămâni. În al doilea rând, este scump. Spectrometrele RMN sunt printre cele mai scumpe instrumente științifice, costând cel puțin sute de mii de dolari, iar cele mai scumpe spectrometre costă câteva milioane. Nu toate laboratoarele, în special în Rusia, își permit să aibă astfel de echipamente științifice.
Magneți pentru spectrometre RMN
Una dintre cele mai importante și mai scumpe părți ale spectrometrului este magnetul, care creează un câmp magnetic constant. Cu cât câmpul este mai puternic, cu atât sensibilitatea și rezoluția spectrală sunt mai mari, așa că oamenii de știință și inginerii încearcă în mod constant să obțină câmpuri cât mai înalte posibil. Câmpul magnetic este creat de curentul electric din solenoid - cu cât curentul este mai puternic, cu atât câmpul este mai mare. Cu toate acestea, este imposibil să creșteți curentul la infinit; la un curent foarte mare, firul solenoidului va începe pur și simplu să se topească. Prin urmare, pentru o perioadă foarte lungă de timp, spectrometrele RMN cu câmp înalt au folosit magneți supraconductori, adică magneți în care firul solenoidului este într-o stare supraconductoare. În acest caz, rezistența electrică a firului este zero și nu se eliberează energie la nicio valoare a curentului. Starea supraconductoare poate fi atinsă doar la temperaturi foarte scăzute, doar câteva grade Kelvin, temperatura heliului lichid. (Supraconductivitatea la temperatură înaltă este încă domeniul cercetării pur fundamentale.) Cu menținerea unei temperaturi atât de scăzute sunt asociate toate dificultățile tehnice în proiectarea și producerea magneților, care îi fac scumpi. Un magnet supraconductor este construit pe principiul unui termos-matryoshka. Solenoidul este situat în centru, în camera de vid. Este înconjurat de o coajă care conține heliu lichid. Acest înveliș este înconjurat de un înveliș de azot lichid printr-un strat de vid. Temperatura azotului lichid este de minus 196 de grade Celsius; azotul este necesar pentru a se asigura că heliul se evaporă cât mai lent posibil. În cele din urmă, învelișul de azot este izolat de temperatura camerei printr-un strat exterior de vid. Un astfel de sistem este capabil să mențină temperatura dorită a unui magnet supraconductor pentru o perioadă foarte lungă de timp, deși acest lucru necesită adăugarea regulată de azot lichid și heliu la magnet. Avantajul unor astfel de magneți, pe lângă capacitatea de a obține câmpuri magnetice mari, este, de asemenea, că nu consumă energie: după pornirea magnetului, curentul trece prin fire supraconductoare fără pierderi practic timp de mulți ani.
Tomografie
În spectrometrele RMN convenționale, acestea încearcă să facă câmpul magnetic cât mai uniform posibil, acest lucru fiind necesar pentru a îmbunătăți rezoluția spectrală. Dar dacă câmpul magnetic din interiorul probei, dimpotrivă, este foarte neomogen, acest lucru deschide posibilități fundamental noi pentru utilizarea RMN. Neomogenitatea câmpului este creată de așa-numitele bobine de gradient, care lucrează în tandem cu magnetul principal. În acest caz, mărimea câmpului magnetic în diferite părți ale probei va fi diferită, ceea ce înseamnă că semnalul RMN poate fi observat nu din întreaga probă, ca într-un spectrometru convențional, ci doar din stratul său îngust, pentru care sunt îndeplinite condițiile de rezonanță, adică relația dorită între câmp magnetic și frecvență. Schimbând mărimea câmpului magnetic (sau, care este în esență același lucru, frecvența de observare a semnalului), puteți schimba stratul care va produce semnalul. În acest fel, este posibil să „scanăm” proba pe întregul său volum și să „vezi” structura sa tridimensională internă fără a distruge proba în vreun mod mecanic. Până în prezent, au fost dezvoltate un număr mare de tehnici care fac posibilă măsurarea diferiților parametri RMN (caracteristici spectrale, timpi de relaxare magnetică, viteza de autodifuzie și altele) cu rezoluție spațială în interiorul probei. Cea mai interesantă și importantă, din punct de vedere practic, aplicarea tomografiei RMN a fost găsită în medicină. În acest caz, „specimenul” studiat este corpul uman. Imagistica RMN este unul dintre cele mai eficiente și sigure (dar și costisitoare) instrumente de diagnostic în diverse domenii ale medicinei, de la oncologie la obstetrică. Este interesant de observat că medicii nu folosesc cuvântul „nuclear” în numele acestei metode, deoarece unii pacienți îl asociază cu reacțiile nucleare și cu bomba atomică.
Istoria descoperirii

Anul descoperirii RMN este considerat a fi 1945, când americanii Felix Bloch din Stanford și, independent de el, Edward Purcell și Robert Pound de la Harvard au observat pentru prima dată semnalul RMN pe protoni. Până în acel moment, se știau deja multe despre natura magnetismului nuclear, efectul RMN în sine fusese prezis teoretic și s-au făcut mai multe încercări de a-l observa experimental. Este important de menționat că, cu un an mai devreme, în Uniunea Sovietică, la Kazan, fenomenul EPR a fost descoperit de Evgeniy Zavoisky. Acum este bine cunoscut faptul că Zavoisky a observat și semnalul RMN, acesta a fost înainte de război, în 1941. Cu toate acestea, a avut la dispoziție un magnet de calitate scăzută, cu o uniformitate slabă a câmpului; rezultatele erau slab reproductibile și, prin urmare, au rămas nepublicate. Pentru a fi corect, trebuie remarcat faptul că Zavoisky nu a fost singurul care a observat RMN înainte de descoperirea sa „oficială”. În special, fizicianul american Isidor Rabi (câștigător al Premiului Nobel în 1944 pentru studiul său asupra proprietăților magnetice ale nucleelor din fasciculele atomice și moleculare) a observat și el RMN la sfârșitul anilor 30, dar a considerat-o un artefact instrumental. Într-un fel sau altul, țara noastră păstrează prioritate în detectarea experimentală a rezonanței magnetice. Deși Zavoisky însuși a început să se ocupe de alte probleme imediat după război, descoperirea sa a jucat un rol imens în dezvoltarea științei în Kazan. Kazan rămâne încă unul dintre cele mai importante centre științifice din lume pentru spectroscopie EPR.
Premiul Nobel pentru rezonanță magnetică
În prima jumătate a secolului al XX-lea, au fost acordate mai multe premii Nobel unor oameni de știință fără a căror activitate descoperirea RMN nu ar fi putut avea loc. Printre aceștia se numără Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Dar au existat patru premii Nobel legate direct de RMN. În 1952, premiul a fost acordat lui Felix Bloch și Edward Purcell pentru descoperirea rezonanței magnetice nucleare. Acesta este singurul premiu Nobel „RMN” pentru fizică. În 1991, elvețianul Richard Ernst, care a lucrat la celebra ETH din Zurich, a primit premiul pentru chimie. I-a fost premiat pentru dezvoltarea metodelor de spectroscopie RMN multidimensională, care au făcut posibilă creșterea radicală a conținutului de informații al experimentelor RMN. În 2002, câștigătorul premiului, tot la chimie, a fost Kurt Wüthrich, care a lucrat cu Ernst în clădirile învecinate la aceeași școală tehnică. El a primit premiul pentru dezvoltarea metodelor de determinare a structurii tridimensionale a proteinelor în soluție. Anterior, singura metodă pentru a determina conformația spațială a biomacromoleculelor mari era analiza de difracție de raze X. În cele din urmă, în 2003, americanul Paul Lauterbur și englezul Peter Mansfield au primit premiul medical pentru inventarea tomografiei RMN. Descoperitorul sovietic al EPR, E.K. Zavoisky, din păcate, nu a primit Premiul Nobel.

1.Esența fenomenului

În primul rând, trebuie remarcat faptul că, deși numele acestui fenomen conține cuvântul „nuclear”, RMN nu are nimic de-a face cu fizica nucleară și nu are nicio legătură cu radioactivitatea. Dacă vorbim despre o descriere strictă, atunci nu există nicio modalitate de a face fără legile mecanicii cuantice. Conform acestor legi, energia de interacțiune a miezului magnetic cu un câmp magnetic extern poate lua doar câteva valori discrete. Dacă nucleele magnetice sunt iradiate cu un câmp magnetic alternativ, a cărui frecvență corespunde diferenței dintre aceste niveluri de energie discrete, exprimate în unități de frecvență, atunci nucleele magnetice încep să se miște de la un nivel la altul, absorbind în același timp energia alternantei. camp. Acesta este fenomenul rezonanței magnetice. Această explicație este corectă din punct de vedere formal, dar nu foarte clară. Există o altă explicație, fără mecanică cuantică. Miezul magnetic poate fi imaginat ca o minge încărcată electric care se rotește în jurul axei sale (deși, strict vorbind, nu este așa). Conform legilor electrodinamicii, rotația unei sarcini duce la apariția unui câmp magnetic, adică momentul magnetic al nucleului, care este îndreptat de-a lungul axei de rotație. Dacă acest moment magnetic este plasat într-un câmp extern constant, atunci vectorul acestui moment începe să preceseze, adică să se rotească în jurul direcției câmpului extern. În același mod, axa vârfului precesează (se rotește) în jurul verticalei dacă nu este deztors strict vertical, ci sub un anumit unghi. În acest caz, rolul câmpului magnetic este jucat de forța gravitației.

Frecvența de precesiune este determinată atât de proprietățile nucleului, cât și de puterea câmpului magnetic: cu cât câmpul este mai puternic, cu atât frecvența este mai mare. Apoi, dacă, pe lângă un câmp magnetic extern constant, miezul este afectat de un câmp magnetic alternativ, atunci miezul începe să interacționeze cu acest câmp - pare să balanseze mai puternic miezul, amplitudinea precesiei crește, iar miezul absoarbe energia câmpului alternant. Totuși, acest lucru se va întâmpla numai în condițiile rezonanței, adică a coincidenței frecvenței de precesiune și a frecvenței câmpului alternativ extern. Acesta este similar cu exemplul clasic de la fizica școlii - soldații care mărșăluiesc peste un pod. Dacă frecvența pasului coincide cu frecvența naturală a podului, atunci podul se balansează din ce în ce mai mult. Experimental, acest fenomen se manifestă prin dependența absorbției unui câmp alternativ de frecvența acestuia. În momentul rezonanței, absorbția crește brusc, iar cel mai simplu spectru de rezonanță magnetică arată astfel:

2. Spectroscopie Fourier

Primele spectrometre RMN au funcționat exact așa cum este descris mai sus - proba a fost plasată într-un câmp magnetic constant și i s-a aplicat în mod continuu radiația de frecvență radio. Apoi, fie frecvența câmpului alternativ, fie intensitatea câmpului magnetic constant a variat fără probleme. Absorbția energiei câmpului alternativ a fost înregistrată de o punte de frecvență radio, semnalul de la care a fost transmis către un înregistrator sau un osciloscop. Dar această metodă de înregistrare a semnalului nu a fost folosită de mult timp. În spectrometrele moderne RMN, spectrul este înregistrat folosind impulsuri. Momentele magnetice ale nucleelor sunt excitate de un scurt impuls puternic, după care se înregistrează semnalul indus în bobina RF de momentele magnetice care preced liber. Acest semnal scade treptat la zero pe măsură ce momentele magnetice revin la echilibru (acest proces se numește relaxare magnetică). Spectrul RMN este obținut din acest semnal folosind transformata Fourier. Aceasta este o procedură matematică standard care vă permite să descompuneți orice semnal în armonici de frecvență și astfel să obțineți spectrul de frecvență al acestui semnal. Această metodă de înregistrare a spectrului vă permite să reduceți semnificativ nivelul de zgomot și să efectuați experimente mult mai rapid.

Un impuls de excitație pentru înregistrarea unui spectru este cel mai simplu experiment RMN. Cu toate acestea, într-un experiment pot exista multe astfel de impulsuri de diferite durate, amplitudini, cu întârzieri diferite între ele etc., în funcție de ce fel de manipulări trebuie să efectueze cercetătorul cu sistemul de momente magnetice nucleare. Cu toate acestea, aproape toate aceste secvențe de impulsuri se termină în același lucru - o înregistrare a unui semnal de precesie liberă urmată de o transformată Fourier.

3. Interacțiuni magnetice în materie

Rezonanța magnetică în sine ar rămâne nimic mai mult decât un fenomen fizic interesant dacă nu ar fi interacțiunile magnetice ale nucleelor între ele și cu învelișul de electroni a moleculei. Aceste interacțiuni afectează parametrii de rezonanță, iar cu ajutorul lor, metoda RMN poate oferi o varietate de informații despre proprietățile moleculelor - orientarea lor, structura spațială (conformația), interacțiunile intermoleculare, schimbul chimic, dinamica rotațională și translațională. Datorită acestui fapt, RMN a devenit un instrument foarte puternic pentru studierea substanțelor la nivel molecular, care este utilizat pe scară largă nu numai în fizică, ci mai ales în chimie și biologie moleculară. Un exemplu de astfel de interacțiune este așa-numita schimbare chimică. Esența sa este următoarea: învelișul de electroni a unei molecule răspunde la un câmp magnetic extern și încearcă să-l ecraneze - ecranizarea parțială a câmpului magnetic are loc în toate substanțele diamagnetice. Aceasta înseamnă că câmpul magnetic din moleculă va diferi de câmpul magnetic extern printr-o cantitate foarte mică, ceea ce se numește schimbare chimică. Cu toate acestea, proprietățile învelișului de electroni în diferite părți ale moleculei sunt diferite, iar schimbarea chimică este, de asemenea, diferită. În consecință, condițiile de rezonanță pentru nucleele din diferite părți ale moleculei vor diferi și ele. Acest lucru face posibilă distingerea nucleelor neechivalente din punct de vedere chimic în spectru. De exemplu, dacă luăm spectrul nucleelor de hidrogen (protoni) din apă pură, atunci va exista o singură linie, deoarece ambii protoni din molecula de H 2 O sunt exact aceiași. Dar pentru alcoolul metilic CH 3 OH vor exista deja două linii în spectru (dacă neglijăm alte interacțiuni magnetice), deoarece există două tipuri de protoni - protonii grupului metil CH 3 și protonul asociat atomului de oxigen. Pe măsură ce moleculele devin mai complexe, numărul de linii va crește, iar dacă luăm o moleculă atât de mare și complexă ca proteină, atunci în acest caz spectrul va arăta cam așa:

4. Miezuri magnetice

RMN poate fi observată pe diferite nuclee, dar trebuie spus că nu toate nucleele au un moment magnetic. Se întâmplă adesea ca unii izotopi să aibă un moment magnetic, dar alți izotopi ai aceluiași nucleu nu. În total, există mai mult de o sută de izotopi ai diferitelor elemente chimice care au nuclee magnetice, dar în cercetare, de obicei, nu se folosesc mai mult de 1520 de nuclee magnetice, totul este exotic. Fiecare nucleu are propriul său raport caracteristic între câmp magnetic și frecvență de precesiune, numit raport giromagnetic. Pentru toate nucleele aceste relaţii sunt cunoscute. Folosindu-le, puteți selecta frecvența la care, sub un anumit câmp magnetic, va fi observat un semnal din nucleele de care are nevoie cercetătorul.

Cele mai importante nuclee pentru RMN sunt protonii. Sunt cele mai abundente din natură și au o sensibilitate foarte mare. Nucleii de carbon, azot și oxigen sunt foarte importanți pentru chimie și biologie, dar oamenii de știință nu au avut prea mult noroc cu ei: cei mai comuni izotopi ai carbonului și oxigenului, 12 C și 16 O, nu au un moment magnetic, cel natural. izotopul azotului 14N are un moment, dar din mai multe motive este foarte incomod pentru experimente. Există izotopi 13 C, 15 N și 17 O care sunt potriviți pentru experimentele RMN, dar abundența lor naturală este foarte scăzută și sensibilitatea lor este foarte scăzută în comparație cu protonii. Prin urmare, probe speciale îmbogățite cu izotopi sunt adesea pregătite pentru studiile RMN, în care izotopul natural al unui anumit nucleu este înlocuit cu cel necesar pentru experimente. În cele mai multe cazuri, această procedură este foarte dificilă și costisitoare, dar uneori este singura oportunitate de a obține informațiile necesare.

5. Rezonanța paramagnetică a electronilor și cvadrupolară

Vorbind despre RMN, nu putem să nu menționăm alte două fenomene fizice înrudite - rezonanța paramagnetică a electronilor (EPR) și rezonanța cvadrupolului nuclear (NQR). EPR este în esență similară cu RMN, diferența este că rezonanța se observă la momentele magnetice nu ale nucleelor atomice, ci ale învelișului de electroni a atomului. EPR poate fi observată numai în acele molecule sau grupuri chimice a căror înveliș electronic conține așa-numitul electron nepereche, atunci învelișul are un moment magnetic diferit de zero. Astfel de substanțe se numesc paramagneți. EPR, ca și RMN, este, de asemenea, utilizat pentru a studia diferite proprietăți structurale și dinamice ale substanțelor la nivel molecular, dar domeniul său de utilizare este semnificativ mai restrâns. Acest lucru se datorează în principal faptului că majoritatea moleculelor, în special în natura vie, nu conțin electroni nepereche. În unele cazuri, puteți utiliza o așa-numită sondă paramagnetică, adică o grupare chimică cu un electron nepereche care se leagă de molecula studiată. Dar această abordare are dezavantaje evidente care limitează capacitățile acestei metode. În plus, EPR nu are o rezoluție spectrală atât de mare (adică capacitatea de a distinge o linie de alta în spectru) ca în RMN.

Este cel mai dificil de explicat natura NQR „pe degete”. Unele nuclee au ceea ce se numește un moment cvadrupol electric. Acest moment caracterizează abaterea distribuției sarcinii electrice a nucleului de la simetria sferică. Interacțiunea acestui moment cu gradientul câmpului electric creat de structura cristalină a substanței duce la scindarea nivelurilor de energie ale nucleului. În acest caz, se poate observa o rezonanță la o frecvență corespunzătoare tranzițiilor dintre aceste niveluri. Spre deosebire de RMN și EPR, NQR nu necesită un câmp magnetic extern, deoarece divizarea nivelului are loc fără acesta. NQR este folosit și pentru studiul substanțelor, dar domeniul său de aplicare este chiar mai restrâns decât cel al EPR.

6. Avantajele și dezavantajele RMN

RMN este cea mai puternică și informativă metodă de studiere a moleculelor. Strict vorbind, aceasta nu este o singură metodă, este un număr mare de tipuri diferite de experimente, adică secvențe de impulsuri. Deși toate se bazează pe fenomenul RMN, fiecare dintre aceste experimente este conceput pentru a obține unele informații specifice specifice. Numărul acestor experimente este măsurat în multe zeci, dacă nu în sute. Teoretic, RMN poate, dacă nu totul, atunci aproape tot ceea ce pot toate celelalte metode experimentale pentru studierea structurii și dinamicii moleculelor, deși în practică acest lucru este fezabil, desigur, nu întotdeauna. Unul dintre principalele avantaje ale RMN este că, pe de o parte, sondele sale naturale, adică nucleele magnetice, sunt distribuite în întreaga moleculă și, pe de altă parte, permite să distingeți aceste nuclee unul de celălalt și să obțineți date selective spațial. asupra proprietăților moleculei. Aproape toate celelalte metode oferă informații fie în medie pentru întreaga moleculă, fie doar pentru o parte a acesteia.

RMN are două dezavantaje principale. În primul rând, este o sensibilitate scăzută în comparație cu majoritatea altor metode experimentale (spectroscopie optică, fluorescență, ESR etc.). Acest lucru duce la faptul că, pentru a media zgomotul, semnalul trebuie să fie acumulat mult timp. În unele cazuri, un experiment RMN poate fi efectuat chiar și pentru câteva săptămâni. În al doilea rând, este scump. Spectrometrele RMN sunt printre cele mai scumpe instrumente științifice, costând cel puțin sute de mii de dolari, cele mai scumpe spectrometre costând câteva milioane. Nu toate laboratoarele, în special în Rusia, își permit să aibă astfel de echipamente științifice.

7. Magneți pentru spectrometre RMN

Una dintre cele mai importante și mai scumpe părți ale spectrometrului este magnetul, care creează un câmp magnetic constant. Cu cât câmpul este mai puternic, cu atât sensibilitatea și rezoluția spectrală sunt mai mari, așa că oamenii de știință și inginerii încearcă în mod constant să obțină câmpuri cât mai înalte posibil. Câmpul magnetic este creat de curentul electric din solenoid - cu cât curentul este mai puternic, cu atât câmpul este mai mare. Cu toate acestea, este imposibil să creșteți curentul la infinit; la un curent foarte mare, firul solenoidului va începe pur și simplu să se topească. Prin urmare, pentru o perioadă foarte lungă de timp, spectrometrele RMN cu câmp înalt au folosit magneți supraconductori, adică magneți în care firul solenoidului este într-o stare supraconductoare. În acest caz, rezistența electrică a firului este zero și nu se eliberează energie la nicio valoare a curentului. Starea supraconductoare poate fi atinsă doar la temperaturi foarte scăzute, doar câteva grade Kelvin, temperatura heliului lichid. (Supraconductivitatea la temperatură înaltă este încă domeniul cercetării pur fundamentale.) Tocmai cu menținerea unei temperaturi atât de scăzute sunt asociate toate dificultățile tehnice în proiectarea și producerea magneților, care îi fac scumpi. Un magnet supraconductor este construit pe principiul unui termos-matryoshka. Solenoidul este situat în centru, în camera de vid. Este înconjurat de o coajă care conține heliu lichid. Acest înveliș este înconjurat de un înveliș de azot lichid printr-un strat de vid. Temperatura azotului lichid este de minus 196 de grade Celsius; azotul este necesar pentru a se asigura că heliul se evaporă cât mai lent posibil. În cele din urmă, învelișul de azot este izolat de temperatura camerei printr-un strat exterior de vid. Un astfel de sistem este capabil să mențină temperatura dorită a unui magnet supraconductor pentru o perioadă foarte lungă de timp, deși acest lucru necesită adăugarea regulată de azot lichid și heliu la magnet. Avantajul unor astfel de magneți, pe lângă capacitatea de a obține câmpuri magnetice mari, este, de asemenea, că nu consumă energie: după pornirea magnetului, curentul trece prin fire supraconductoare fără pierderi practic timp de mulți ani.

8. Tomografie

În spectrometrele RMN convenționale, acestea încearcă să facă câmpul magnetic cât mai uniform posibil, acest lucru fiind necesar pentru a îmbunătăți rezoluția spectrală. Dar dacă câmpul magnetic din interiorul probei, dimpotrivă, este foarte neomogen, acest lucru deschide posibilități fundamental noi pentru utilizarea RMN. Neomogenitatea câmpului este creată de așa-numitele bobine de gradient, care lucrează în tandem cu magnetul principal. În acest caz, mărimea câmpului magnetic în diferite părți ale probei va fi diferită, ceea ce înseamnă că semnalul RMN poate fi observat nu din întreaga probă, ca într-un spectrometru convențional, ci doar din stratul său îngust, pentru care sunt îndeplinite condițiile de rezonanță, adică relația dorită între câmp magnetic și frecvență. Schimbând mărimea câmpului magnetic (sau, care este în esență același lucru, frecvența de observare a semnalului), puteți schimba stratul care va produce semnalul. În acest fel, este posibil să „scanăm” proba pe întregul său volum și să „vezi” structura sa tridimensională internă fără a distruge proba în vreun mod mecanic. Până în prezent, au fost dezvoltate un număr mare de tehnici care fac posibilă măsurarea diferiților parametri RMN (caracteristici spectrale, timpi de relaxare magnetică, viteza de autodifuzie și altele) cu rezoluție spațială în interiorul probei. Cea mai interesantă și importantă, din punct de vedere practic, aplicarea tomografiei RMN a fost găsită în medicină. În acest caz, „specimenul” studiat este corpul uman. Imagistica RMN este unul dintre cele mai eficiente și sigure (dar și costisitoare) instrumente de diagnostic în diverse domenii ale medicinei, de la oncologie la obstetrică. Este interesant de observat că medicii nu folosesc cuvântul „nuclear” în numele acestei metode, deoarece unii pacienți îl asociază cu reacțiile nucleare și cu bomba atomică.

9. Istoria descoperirii

Anul descoperirii RMN este considerat a fi 1945, când americanii Felix Bloch din Stanford și, independent de el, Edward Purcell și Robert Pound de la Harvard au observat pentru prima dată semnalul RMN pe protoni. Până în acel moment, se știau deja multe despre natura magnetismului nuclear, efectul RMN în sine fusese prezis teoretic și s-au făcut mai multe încercări de a-l observa experimental. Este important de menționat că, cu un an mai devreme, în Uniunea Sovietică, la Kazan, fenomenul EPR a fost descoperit de Evgeniy Zavoisky. Acum este bine cunoscut faptul că Zavoisky a observat și semnalul RMN, acesta a fost înainte de război, în 1941. Cu toate acestea, a avut la dispoziție un magnet de calitate scăzută, cu o uniformitate slabă a câmpului; rezultatele erau slab reproductibile și, prin urmare, au rămas nepublicate. Pentru a fi corect, trebuie remarcat faptul că Zavoisky nu a fost singurul care a observat RMN înainte de descoperirea sa „oficială”. În special, fizicianul american Isidor Rabi (câștigător al Premiului Nobel în 1944 pentru studiul său asupra proprietăților magnetice ale nucleelor din fasciculele atomice și moleculare) a observat și el RMN la sfârșitul anilor 30, dar a considerat-o un artefact instrumental. Într-un fel sau altul, țara noastră păstrează prioritate în detectarea experimentală a rezonanței magnetice. Deși Zavoisky însuși a început să se ocupe de alte probleme imediat după război, descoperirea sa a jucat un rol imens în dezvoltarea științei în Kazan. Kazan rămâne încă unul dintre cele mai importante centre științifice din lume pentru spectroscopie EPR.

10. Premiile Nobel pentru rezonanță magnetică

În prima jumătate a secolului al XX-lea, au fost acordate mai multe premii Nobel unor oameni de știință fără a căror activitate descoperirea RMN nu ar fi putut avea loc. Printre aceștia se numără Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Dar au existat patru premii Nobel legate direct de RMN. În 1952, premiul a fost acordat lui Felix Bloch și Edward Purcell pentru descoperirea rezonanței magnetice nucleare. Acesta este singurul premiu Nobel „RMN” pentru fizică. În 1991, elvețianul Richard Ernst, care a lucrat la celebra ETH din Zurich, a primit premiul pentru chimie. I-a fost premiat pentru dezvoltarea metodelor de spectroscopie RMN multidimensională, care au făcut posibilă creșterea radicală a conținutului de informații al experimentelor RMN. În 2002, câștigătorul premiului, tot la chimie, a fost Kurt Wüthrich, care a lucrat cu Ernst în clădirile învecinate la aceeași școală tehnică. El a primit premiul pentru dezvoltarea metodelor de determinare a structurii tridimensionale a proteinelor în soluție. Anterior, singura metodă pentru a determina conformația spațială a biomacromoleculelor mari era analiza de difracție de raze X. În cele din urmă, în 2003, americanul Paul Lauterbur și englezul Peter Mansfield au primit premiul medical pentru inventarea tomografiei RMN. Descoperitorul sovietic al EPR, E.K. Zavoisky, din păcate, nu a primit Premiul Nobel.