Приветствую всех айтишников и технарей. Я надеюсь, что немного естественных наук вам тоже зайдет. Тем более что технические подробности здесь будут. Сегодня речь пойдет об этой штуке и её более скромных собратьях. В общем, спектрометрах ядерного магнитного резонанса. Зачем они нужны, как работают, ни у вообще почему без них невозможен современный органический синтез и в целом исследование молекулярных веществ. Пост про ЯМР был уже не так давно, но я всё-таки выложу творческую переработку своего старого поста с Пикабу. Может быть, кому-то он больше понравится...
Итак, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, или ЯМР (ЯМР, NMR, Nuclear Magnetic Resonance). Только за сам метод и его развитие было присуждено две Нобелевские премии - по физике за 1952 год и по химии за 1991 год. Плюсом к этому идут ещё две премии - химия за 2002 год, за филигранное использование метода для определения структуры биомолекул, и по физиологии и медицине за 2003 год - за МРТ. А сколько работ в области органической химии, химии полимеров, биохимии, получивших Нобелевскую премию, стали возможными благодаря ЯМР - не счесть!
Метод ЯМР не имеет конкурентов в деле установления строения растворимых молекул. Даже рентгеновская дифракция на монокристаллах обладает куда более скромными возможностями - для неё нужен монокристалл, тогда как ЯМР работает с любыми растворами. Кроме того, ЯМР позволяет анализировать смеси, и даже дает информацию об их составе. Остальные же методы, будь то спектроскопия или что-то другое, безнадежно проигрывают ЯМР в этой области. Вдобавок, метод ЯМР можно использовать для изучения механизмов, кинетики и термодинамики реакций, для конформационного анализа, физико-химических экспериментов таких как измерение коэффициентов диффузии. Большинство журналов, посвященных органической химии, считают ЯМР самым надежным методом установления структуры и чистоты вещества. Мало того, ЯМР приспособили и для исследования твердого тела. Правда, там он далеко не столь мощен и всемогущ, но тоже может кое-что уникальное.
Основы основ
В основе явления, эксплуатируемого методом ЯМР, лежит тот факт, что многие атомные ядра обладают ненулевым собственным магнитным моментом или ядерным спином, обозначаемым I или J. Я буду обозначать J, мне так привычнее. Ядерному спину соответствует набор (2J+1) спиновых состояний ядра, отличающихся направлением вектора магнитного момента ядра μ. Модуль μ является характеристикой ядра и измеряется обычно в единицах ядерного магнетона (μZ/μN), а вектор имеет дискретный набор направлений, отвечающих набору спиновых состояний. Каждое из которых характеризуется проекцией на условную ось вращения ядра, и соответствующие им значения ядерного спинового числа m. Глубже в теорию строения ядра я залезать не буду, ибо я тупой химик и так уже хожу по офигенно тонкому льду.
В контексте явления ЯМР нас интересует то, что ядро имеет несколько спиновых состояний. В сферическом ядре в вакууме (то есть в отсутствие внешнего магнитного поля) эти направления вырождены, т.е. соответствующие им состояния неразличимы, в том числе и по энергии. Однако если мы наведем внешнее магнитное поле, то мы получим точку отсчета - вектор индукции, и вырождение снимется - мы сможем различать между собой состояния m. Далее для простоты изложения и восприятия я в качестве примера буду использовать протон - ядро 1Н, имеющее J = 1/2. Хотя для любого ядра с таким J наши рассуждение будут так же справедливы. Для ядер с большим спином этих состояний будет больше, например для ядер 2H с J = 1 их будет 3, ну и так далее.
И, как водится, если у системы есть два состояния, отличающихся по энергии - система может переходить между этими состояниями. Разумеется, не бесплатно - для того, чтобы попасть на более высокий уровень, система должна откуда-то взять энергию ΔE, а чтобы попасть на более низкий - кому-то эту энергию отдать. В том случае, когда эта энергия поглощается/излучается в виде электромагнитной волны с энергией, равной (ну, или близкой) энергии межуровневого перехода, говорят о резонансном поглощении/испускании. Величина ΔE зависит от индукции приложенного внешнего поля, что логично и вполне интуитивно: повернуть магнит относительно другого магнита легче, когда они слабые. Зависимость эта линейная от индукции поля B0 и от магнитного момента ядра μZ (см. график выше), что не очень важно, но в целом приятно. Индукция поля в рабочей зоне современных приборов для рутинного анализа составляет примерно 10 - 15 Тл, а в высокополевых приборов для тонких измерений доходит до 25 Тл и даже немного выше. Это много, если что. Технически можно и ещё выше сделать, 25 Тл преодолели уже лет 30 назад, но там уже молекулы настолько охреневают от индукции магнитного поля, что возникает магнитная анизотропия образца, и спектр превращается в почти не поддающуюся интерпретации тыкву.
В ЯМР принято оперировать не энергиями, а соответствующими им частотами, которые связаны с B0 посредством производной от μZ и J величины, а именно гиромагнитного отношения γ. В итоге имеет место быть следующее соотношение между резонансной частотой поглощения/испускания:
ν = γB0/2π
Для 9.4 Тл опорная частота резонансного поглощения 1H соответствует примерно 400 МГц, а для 23.5 Тл увеличивается аж до 1 ГГц, то есть мы находимся в дециметровом диапазоне, что уже дает людям знакомым с радиотехникой примерное представление о том, как и на какой элементной базе это собирается. Спойлер: на более-менее обычной. В чем же засада? Почему радиоприемник на том же самом ~гигагерцовом УВЧ диапазоне собирается на сэкономленные со школьного обеда деньги из картошки, гетеродина и транзистора, а ЯМР спектрометр обычно покупают вскладчину на несколько научных групп? А засады три.
Первая засада - разрешение, с которой надо получать частотную характеристику (спектр) образца. А разрешение должно составлять доли ppb (parts per billion), то есть для 600 МГц прибора разрешение выражается в десятых долях герца. Как этого добиваются с радиотехнической точки зрения - понятия не имею, но подозреваю, что это дорого. Но помимо радиотехники, требуется высочайшая однородность поля, внутрь которого помещен образец. Потому что неоднородность поля в 10-6 Тл уже не позволит получить разрешение выше 1 ppb. А типичный размер образца - цилиндрик диаметром 5*50 мм.
Вторая засада - индукция поля. 10+ Тл в таком объеме это много. Такие поля - это сверхпроводящие магниты. Не то, чтобы сейчас это было очень сложно - но всё равно это очень дорого. Постоянные магниты, с которых ЯМР начинался, надолго ушли с арены, и только недавно нашли себе нишу в ЯМР-спектроскопии. Но до сих пор спектрометров на постоянных магнитах с частотой больше ~3 Тл на рынке нет. А у тех, которые на 3 Тл, объем рабочей зоны в десяток-другой раз меньше, от чего, разумеется, страдает чувствительность, ибо SNR (отношение сигнал/шум) пропорционально B03/2.
И третья, самая главная засада. Величины ΔE в таких полях составляют хорошо если ~10-6 эВ, а величина kT (мера тепловой энергии на молекулярном уровне) при комнатной температуре составляет 26 мЭв, то есть спиновые состояния ядра отличаются по энергии на сотые доли процента его внутренней энергии. А это, в свою очередь, приводит к тому, что отношение тепловой (т.е. равновесной при данной температуре) заселенности этих уровней крайне мало отличается от единицы: при наших вводных, если подставить их в уравнение Больцмана, отличие проявляется лишь в 5-м знаке после запятой, то есть избыточная заселенность нижнего энергетического уровня составляет несколько десятков ядер на миллион. Сложные кванты, которые я не в состоянии постичь, говорят, что в резонансное поглощении участвует только избыточная заселенность, да и то не вся, а половина - они поглощают до тех пор, пока заселенность не сравняется (это состояние называют насыщением). То есть в ЯМР активны лишь сотые, а иногда и тысячные доли процента всех ядер. Сравнивая ситуацию с тепловыми уровнями в ИК-спектроскопии, где избыточная заселенность составляет проценты и даже десятки процентов, а уж тем более с электронной спектроскопией, где избыточная заселенность стремится к единице, можно понять, что от ЯМР-спектрометра требуется очень высокая чувствительность. И это если говорить про ядра 1H, или проще говоря протоны. У которых γ = 2.8 и природное изотопное содержание >99%. А как вам ядра 13С, природное содержание которых 1.1%, а γ = 0.7? Почти в 400 раз ниже чувствительность на необогащенных образцах!
Так, а какое вообще это всё отношение имеет к химии, ну есть у ядер какое-то резонансное поглощение, дальше что? А то, что помимо ядер, в молекулах есть электронная плотность, которая как-то крайне прихотливо обволакивает собой эти самые ядра в соответствии с пространственным строением молекулы. И у электронной плотности этой есть также свой магнитный момент, более того - состоящий из двух компонент - орбитального магнитного момента и собственного, тобишь спинового. В теории строения атома им соответствуют квантовые числа m и s, соответственно, в молекулах всё сложнее, особенно у легких атомов у которых не так много остовных электронов, но тем не менее вокруг каждого ядра электронная плотность формирует определенное поле. И вот это поле Be в совокупности с внешним полем B0 дают результирующее поле B1, которое и действует на ядро. И резонансная частота поглощения этого ядра уже не
ν0 = γB0/2π
а
ν = γ(B0+Be)/2π
то есть частота изменяется на
Δν = γBe/2π
Величину -Δν (именно так, с минусом) принято называть химсдвигом δ, что логично, т.к. это сдвиг частоты, вызванный химическим окружением, и измерять в миллионных долях, ppm. Для протонов диапазон шкалы δ, в который укладывается абсолютное большинство диамагнитных молекул, составляет около 15 ppm. Понимаете теперь, зачем высокое разрешение, да? Если есть шкала относительных величин, то нужна и точка отсчета. Для протонов за ноль после долгих лет разброда и шатания был принят сигнал тетраметилсилана, потому что молекула инертная, её сигнал особо ни с чем не перекрывается и слабо зависит от температуры и проч. Молекула, содержащая несколько типов протонов с различными резонансными частотами, а следовательно и разными значениями δ будет давать (в идеале) линейчатый, а на самом деле более сложной формы спектр, который и называется спектром ЯМР.
Перерабатывать пришлось достаточно много, поэтому засим я первую часть, пожалуй, закончу. Хочется посмотреть, как оно вообще зайдет и будет ли кому интересно. На очереди у нас два блока: техническая реализация ЯМР спектроскопии как в смысле приборного исполнения, так и по пробоподготовке, а также химический смысл, интерпретация и применения ЯМР спектров. Я думаю изложить это вместе во второй части поста.
