Спектроскопия Ядерного Магнитного Резонанса или ЯМР, как ее обычно называют, - это то же самое, что и используемый в медицине метод ОМР или Отображение Магнитного Резонанса, о котором вы, возможно, слышали. Было решено изменить название для метода, используемого в медицине, поскольку слово ядерный могло испугать некоторых людей. Ведь никто не хочет, чтобы с ним работали ядерным методом! Но бояться здесь нечего, поскольку в ЯМР и ОМР для получения данных используются безвредные радиоволны, а не гамма-излучение, возникающее при ядерном взрыве. На самом деле радиоволны находятся на конце электромагнитного спектра противоположном тому, на котором находятся гамма-волны. Посмотрите.

Таким образом, ЯМР является методом спектроскопии, при котором исследуемый образец помещается в магнитное поле и облучается радиоволнами. Эти радиоволны заставляют ядра атомов в молекулах образца петь для нас песенку, которую можно услышать только при помощи специального радиоприемника. Но точно так же, как и в опере, ядра поют на непонятном нам языке, поэтому нам надо использовать некий метод перевода. Этим методом является алгоритм преобразования Фурье. Это сложное уравнение, которое переводит послание с языка ядер на понятный нам язык. Вот этот алгоритм, на случай, если вам любопытно.

Затем песенку ядер анализируют, чтобы определить много разных вещей, относящихся к молекуле и ее окружению, например, структуру молекулы. Это может быть несколько сложным для вас сейчас, но эта страница должна вам дать, по крайней мере, понимание сути этого метода.

Чтобы полностью понять метод ЯМР-спектроскопии, необходимо сначала съежиться до размеров меньше атомных и посмотреть на ядро. Я даю вам секунду на то, чтобы принять соответствующий размер . . .

Вы уже уменьшились? Отлично! Теперь, если бы вы не были уже меньше длины волны видимого света, вы бы увидели, что ядро вращается. Ученые, однако, не могут назвать это просто вращением. Они должны попытаться показать себя очень умными, поэтому они называют это резонансом. Когда положительно заряженное ядро вращается, то его движущийся заряд создает магнитный момент. Вы можете подумать об этом как о вращающемся постоянном магните с размерами меньшими атомных. В отсутствие магнитного поля эти маленькие магнитики направлены случайным образом, но когда вы поместите их в однородное магнитное поле, магнитные моменты все выстроятся по полю. Но хотя магнитные моменты и выстроены магнитным полем, вращение ядра не такое простое и плоское, как вращение карусели. Термическое движение молекулы создает крутящий момент, который заставляет магнитный момент покачиваться, как головка младенца. Когда радиоволны попадают на вращающееся ядро, то оно наклоняется еще больше, а иногда может и вовсе перевернуться. Когда магнитный момент наклонен в сторону от приложенного магнитного поля, то можно обнаружить некоторый магнитный момент в направлении перпендикулярном (90 ^o) приложенному магнитному полю.

Различные ядра резонируют на различных частотах. Это означает, что вы должны попасть в атом углерода радиоволной с частотой отличной от той, что необходима ядру водорода, чтобы заставить его перевернуться. Это также означает, что одинаковые атомы в различных окружениях, как например, атом водорода, прикрепленный к атому кислорода и тот же атом водорода, присоединенный к атому углерода, будут переворачиваться на различных частотах. Наблюдая за тем, на какой частоте переворачиваются различные ядра, можно определить, как устроена молекула, а также еще много других интересных свойств молекулы.

Я понимаю, что два различных атома, как углерод и водород, резонируют на разных частотах, поскольку они различны, но почему два одинаковых атома в различном окружении обладают резонансом на различных частотах?

Это очень хороший вопрос. Ответом является экранирование. Вы спросите: "А что такое экранирование?" Хорошо, я расскажу вам. Электроны, которые окружают вращающееся ядро тоже вращаются и обладают зарядом, а если вы внимательно меня слушали, то вы знаете, что вращающийся заряд создает магнитное поле. Это поле противодействует внешнему магнитному полю. Это уменьшает величину внешнего магнитного поля, которое достигает ядра. Другими словами, электроны "экранируют" ядро от полного приложенного магнитного поля. А поскольку резонансная частота ядра зависит от величины магнитного поля, которое оно "чувствует" . . . Я думаю, что вы поняли общую мысль.

Хорошо, я понял, что делает ЯМР-спектрометр, но как же он работает?

Потерпите немного. Сейчас я об этом расскажу. Вот эта штука на картинке справа, похожая на космический корабль, и есть ЯМР-спектрометр. Большая часть этой машины - просто большой "холодильник", заполненный двумя очень холодными жидкостями, жидким азотом и жидким гелием. Насколько холодными? Жидкий азот обладает температурой -195^oC, а жидкий гелий кипит при -269^oC! Жидкий гелий находится в самой центральной части холодильника, и он охлаждает сверхпроводящую катушку, которая создает магнитное поле при -269^oC, а все это окружено жидким азотом, который предотвращает слишком быстрое испарение жидкого гелия.

Отверстие в верхней части прибора (на которое показывает Фунда) используется для загрузки ваших образцов в спектрометр. Когда образец попадает в машину, то струя воздуха вращает пробирку, чтобы при сканировании образец был более однородным.

Когда образец готовится для ЯМР-спектроскопии в виде раствора, то растворитель или его часть должна быть насыщена дейтерием. Это означает, что часть атомов водорода в молекуле растворителя должна быть заменена атомами дейтерия. У атома водорода ядро состоит из единственного протона, а у дейтерия - из протона и нейтрона. Это необходимо, чтобы "привязать" ЯМР к фиксированной частоте, чтобы во время снятия спектра не возникло систематической ошибки.

Теперь, когда наш образец находится в магнитном поле и вращается, прибор "привязан" к определенной частоте, мы можем начать снимать спектр. Во-первых, радиочастотный генератор посылает к образцу "импульсы", то есть короткие всплески радиоволн. Эти волны поглощаются и передаются через образец в приемник, который улавливает сигнал от образца. Затем информация передается в компьютер, связанный с ЯМР-спектрометром, в котором данные переводятся и происходит их анализ. Нажмите сюда, чтобы прочитать об этом подробнее.

Вернуться в директорию Пятого Уровня

Вернуться в основную директорию Макрогалереи