Міністерство Освіти та НаукиУкраїни
Національний ТехнічнийУніверситет України
Київський ПолітехнічнийІнститут
Реферат
на тему: ЯМР-спектроскопія
Київ 2010
1. Суть методу
Явище ядерного магнітного резонансу (ЯМР), відкрите в1946 р., поклало початок новій області радіоспектроскопії, що знайшла широкезастосування, особливо у хімічних дослідженнях. В органічній хіміїспектроскопія ЯМР високої роздільної здатності дала в руки вчених новийпотужний структурний і аналітичний метод, що дозволяє отримувати інформацію пробудову складних молекул, недоступну іншим існуючим хімічним і фізичним методам.Величина «хімічного зсуву» стала в останній час обов’язковою структурноюхарактеристикою складних органічних сполук.
У випадку аморфних та кристалічних твердих тіл,особливо високомолекулярних сполук, спектроскопія ЯМР дає можливість слідкуватиза конфігураційними змінами, розморожуванням внутрішньомолекулярних іміжмолекулярних степенів свободи та іншими «тонкими» процесами, які доостаннього часу залишались недоступними для спостереження.[1]
Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) — це явище резонансного поглинаннярадіочастотних хвиль речовинами, що містять ядра з ненульовим спіном і непарнимчислом протонів в зовнішньому магнітному, обумовлене переорієнтацією магнітнихмоментів ядер. В таблиці1 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 вивченняречовин, що базується на ядерному магнітному резонансі (ЯМР). Найчастішезастосовується для органічних сполук. На сьогодні ЯМР-спектроскопія дозволяєідентифікувати сполуку маючи менше 1 мг речовини. Зразок розчиняють внепротонному (часто дейтерованому) розчиннику, ампулу вміщують в ЯМРспектрометр, після нетривалого (для простих сполук порядку 30 сек) накопиченнясигналу отримують спектр, де по положенню піків (частоті поля збудження)окремих протонів (для ПМР — протонного магнітного резонансу) характеризуютьсполуку. Широкому використанню заважає тільки висока ціна пристроїв (від 1мільйона 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 сигналуна двух котушках не є обов’язковою. В принципі обидві котушки можуть бутирозміщенні по одній осі і, отже, замінені однією котушкою, яка одночасновикористовується як приймаюча і передаюча. Блок-схема найпростішогооднокотушечного спектрометра ЯМР (рис.2.2) включає наступні суттєві елементи:магніт з напруженістю 1-2 Тл, котушку приймаюче передаючої системи, розташованув зазорі магніту і орієнтовану перпендикулярно осі z, мостову схему, водно плече якої включена котушка, генератор високої частоти />, підібраний увідповідності з величинами /> і />. Крім того, спектрометр повиненмістити систему розгортки (наприклад, по частоті), підсилювачі по високійчастоті 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 досліджуваноготипу.[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 медичнихдосліджень. Зокрема це уточнення хімічного складу новоутворень без хірургічноговтручання[5][6], а також дослідження різноманітнихорганічних сполук (їх хімічний склад, зв’язки, об’ємна модель, тощо).[7]
Також існують лабораторії, які займаються дослідженнямтвердих нерозчинних сполук.[8] В якостіоб'єкта для дослідження методом спектроскопії ЯМР твердого тіла можутьвиступати всілякі тверді матеріали:
полімери, біополімери;
молекулярні сита (цеоліти, нанокристалічні цеоліти таін.);
наноматеріали (фулерени, нанотрубки і ін..);
гібридні системи; скла, кераміки, мінерали;
композитні матеріали;
напівпровідники і тверді іонніпровідники;
вуглецеві матеріали;
ліки (мультикристалічний поліморфізм фармацевтичнихсполук, структура і активність фармакологічних агентів в полімерних матрицях,фазові переходи між кристалічними і аморфними формами, зміна структури привиробництві і стабільність лікарських з’єднань);
природні сполуки;
харчові продукти;
промислові та індустріальні твердотільні з'єднання(вугілля, металургійні кокси, полімерні і біополімерні плівки, газороздільнімембрани, сорбенти та ін..).[9]
4. Основні результати
ЯМР дослідження – тисячі томографів в медичнихзакладах, і також велика кількість різноманітних ЯМР спектрометрів вдослідницьких центрах і лабораторіях по всьому світу. Тож основні результати,це – різноманіття методів, безліч статей в яких описано дослідження різнихвластивостей органічних та неорганічних сполук, які цікавили дослідників.
Ось кілька прикладів:[10]
· 05.09-19Б1.279Спектроскопия ЯМР 1H в недейтерированном растворителе (НЕD-ЯМР-спектоскопия) как удобный метод анализа растворов литийорганическихсоединений (RLI), RMGX И LDA. Журнал: РЖ 19АБ-1. Общие вопросы химии.Физическая химия (Строение молекул). Издательство: ООО «НТИ-КОМПАКТ».2005 ISSN 0208-1695.
· 06.15-19Б2.4592H-ЯМР- спектоскопия адсорбации дейтерия на одностеночных углеродныхнанотрубках. Журнал: РЖ 19Б-2. Физическая химия (Кристаллохимия. Химия твердоготела. Газы. Жидкости. Аморфные тела. Поверхностные явления. Химия коллоидов).Издательство: ООО «НТИ-КОМПАКТ». 2006 ISSN 0208-1717.
· Контрольэкологической безопасности и качества зерна и муки злакових культур методомЯМР. 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 Российскогоуниверситета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности.Российский университет дружбы народов. 2008.
Висновки
ЯМР-спектроскопія – прогресуюча область дослідженьхімічного складу і будови найрізноманітніших сполук, що дає високоточнірезультати навіть при мізерній кількості ОК. Потребує висококваліфікованогонаукового персоналу і дорого обладнання.
Використана література
1. Дж. Робертс. Ядерный магнитныйрезонанс. Приинение в органической химии. Москва 1961. ИИЛ. стр.5.
2. Эверт Блинк. Основы МРТ: Физика.2000. стр.12.
3. uk.wikipedia.org/wiki/ЯМР-спектроскопія
4. Н.М. Сергеев. Спектроскопия ЯМР (дляхимиков-органиков). ИМУ 1981. УДК 541.6+543.422.25+547. стр.22-24.
5. MRI Spectroscopy (MRS): www.rcnd.com/MRS.html
6. en.wikipedia.org/wiki/In_vivo_magnetic_resonance_spectroscopy
7. www.bionmr.chem.au.dk/
8. www.fkf.mpg.de/jansen/p210/english/research.html
9. Центр спектроскопии ЯМР твердоготела: www.ssnmr.ru/
10. Научнаяэлектронная библиотека: elibrary.ru/