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 | 1
H |
1/2 | 42.6 |
| Вуглець | 13
C |
1/2 | 10.7 |
| Кисень | 17
O |
5/2 | 5.8 |
| Фтор | 19
F |
1/2 | 40.0 |
| Натрій | 23
Na |
3/2 | 11.3 |
| Магній | 25
Mg |
5/2 | 2.6 |
| Фосфор | 31
P |
1/2 | 17.2 |
| Сірка | 33
S |
3/2 | 3.3 |
| Залізо | 57
Fe |
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 розташованавздовж осі х,живитьсянапругоюз частотою ω, що лінійнозмінюється в часі. Приймаюча котушка, розташована вздовж осі у,приймає компоненту ядерної намагніченості Мy. Фазовий детектор виділяє обіскладові Му — дисперсіюпоглинання.
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 зрозгорткою
по частоті
3. Об’єкт контролю
ЯМР-спектроскопія використовується в першу чергу для біологічних медичних
[6]
, 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 1
H 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
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. 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/
[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/