Одновимірна ЯМР-спектроскопія на ядрах
1. Огляд літератури
1.1 Основні фізичні принципи ЯМР-спектроскопії
Ядра багатьох атомів можуть бути представлені у вигляді дуже маленьких стрижневих магнітів з північним і південним полюсами. Ядро обертається з постійною швидкістю, а вісь обертання точно збігається з лінією між північним і південним полюсами (Мал. 1). Так як ядро ??саме по собі є зарядженою часткою, а будь зарядженачастка при рух створює навколо себе магнітне поле, це означає, що створюється ядерний магнітний момент?. Він пов'язаний зі спінові кутовим моментом, а кількісно пропорційний квантовому числу кутового моменту (спину) I, що виражається через гіромагнітне ставлення:?=I /?.
Малюнок 1
Малюнок 2
Другим принципом є ларморова частота. Це явище полягає в рух макроскопічного магнітного моменту? в однорідному зовнішньому магнітному полі B 0, при цьому? описує конус з кутом? навколо B 0 (Мал. 2). Основною характеристикою прецесії є її частота, яка визначається формулою:? 0=??? * B 0/2? (1). Якщо ж до цієї системи прикласти ще одне зовнішнє РЧ поле B 1, перпендикулярне B 0, то воно також накладе обертаючий момент на? [2]. Можливі два випадки: поле B 1 фіксовано по напрямку і амплітуді, тоді виникнуть слабкі коливання прецесії?, Викликані результуючим полем B 0 + B 1; і поле B 1 може обертатися навколо B 0 з тією ж частотою, що і?. Якщо взаємна орієнтація?, B 0 і B 1 буде як на Рис. 3, то повинна існувати сила F, яка буде спрямована в протилежний бік від B 0 і буде збільшувати кут прецесії?.
Зміна? означатиме поглинання енергії? в B 0, тобто при рівності частот прецесії? поля B 1 і частоти поля B 0 настане резонансне поглинання енергії поля B 0.
При введення ядерного магнітного моменту був згаданий спін I або ядерну квантове число. Відомо, що ядра 1 H і 13 C має спін 1/2, а ядро ??дейтерію, приміром, 1. Якщо обертове навколо своєї осі ядро ??розглядати з позицій квантової механіки, то виявиться, що його ядерний кутовий момент P квантуется. А при приміщенні ядра в сильне поле B 0 кутовий момент P орієнтується так, що його компонента P z розташується у напрямку зовнішнього поля, причому її значення виразиться: P z=m I * h, де h - постійна Планка і m I=I, I - 1, ..., - I - магнітне квантове число. Тобто при включення зовнішнього поля B 0 спінові енергетичні рівні ядер розщеплюються на підрівні. Іншими словами, з його допомогою ми знімаємо енергетичне виродження: ядра з направленими «по полю» (? -орієнтація) І «проти поля» (? -орієнтація) Магнітними моментами мають різну енергію (перша трохи менше другої) - і виникає можливість енергетичного переходу з одного рівня на інший [13]. Цей перехід і є фізичною основою спектроскопії ядерного магнітного резонансу, заснованої на поглинанні електромагнітного випромінювання певними частот ядрами зразка, поміщеного в магнітне поле. У загальному випадку розщеплення енергетичних рівнів в магнітом поле носить назву ефекту Зеемана. Оскільки в даній роботі розглядаються ядра саме з таким спіном, як зазначено в заголовку, то ясно, що розщеплення відбудеться на 2 підрівня з m I=1/2 і m I=- 1/2, а різниця енергії між станами буде дорівнює: ? E =? * H * B 0 (Мал. 4).
Малюнок 4 - Розщеплення енергетичного рівня в магнітному полі
1.2 Ансамбль ядер зі спіном 1/2
ЯМР-спектроскопія, за природою своєю, працює з ансамблями, простіше кажучи, з великим числом ідентичних молекул і ядер в них, що містяться в досліджуваному зразку. А велика кількість ядер припускає деяке їх розподіл по енергіях або заселеність енергетичних рівнів.
Раніше стверджувалося, що?-орієнтація має меншу енергію, ніж?-орієнтація, тоді при знаходженні системи в стан теплової рівноваги в?- Орієнтації ядер буде більше, як і повинно бути згідно з розподілом Больцмана:
?/N? =Exp (-? E/kT)=exp (-? HB о/2? KT),
де N? і N?- Заселеності відповідних станів або енергетичних рівнів [8]. З цього виразу очевидно, що різниця в заселеності енергетичних рівнів N? і N? , Визначальна ймовірність переходу і, отже, інтенсивність сигналу в спектрі, безпосередньо пов'язана з величиною зовнішнього магнітного поля B 0. Чим більше буде B 0, тим більше буде? E і, отже, різниця заселеності, а значить і чутливість спектрометра. Так само чутливість залежить від? (Чим воно більше, тим більше? E), від? і від природного вмісту ядер даного виду в природі. З цих міркувань найбільш ефективними будуть ядра 1 Н.
