Реферат
на тему:
"Експерименти з ЯМР-спектрометром"
2009
Введення
Проаналізуємо експериментальні методи і принципову схему ЯМР-спектрометра. Історично більш рання версія 5ШР - безперервний 5ШР - в даний час в значній мірі витіснена фур'є-спектроскопією. Слід зазначити, однак, що безперервний ЯМР істотно простіше для розуміння, оскільки тут, як у класичній спектроскопії, поглинання електромагнітних квантів є функцією їх частоти. На противагу цьому в імпульсної спектроскопії ЯМР-сигнал залежить від часу і детектується як спад вільної індукції. Тільки математична процедура - перетворення Фур'є - перетворює цей сигнал у тимчасовому поданні в сигнал у частотному поданні, тобто в частотний спектр, який, принаймні в простих випадках, еквівалентний спектру, одержуваному при безперервній реєстрації. Однак фур'є-спектроскопія по порівнянні з методами безперервної реєстрації значно перевершує їх по своєї чутливості та гнучкості. Як побачимо надалі, ЯМР-спектрометри мають багато спільних властивостей, незважаючи на те що, наприклад, ЯМР-томограф за своїм просторовому вирішенню, очевидно, відрізняється від спектрометра високої дозволу.
1. Безперервний ЯМР
У найпростішому варіанті ЯМР-спектроскопії, який застосовувався перші двадцять років з моменту відкриття цього методу для вимірювання спектрів ЯМР високого дозволу, зразок поміщається в однорідне магнітне поле і піддається безперервному впливу РЧ поля, яке варіюється по частоті в області існування ліній поглинання ЯМР для даного зразка. Цей метод називається cw-ЯМР.
У загальному випадку частота - в обертовій системі координат - дорівнюють нулю):
Для дуже слабких РЧ полів сигнал поглинання описується лоренцева кривої. Сигнали поглинання і дисперсії представлені на рис. 1.12.
Якщо швидкість поглинання енергії поля Bi порівнянна по величині або перевищує швидкість спін-граткової релаксації Т , то амплітуда сигналу поглинання зменшується, так як різниця населенностей енергетичних рівнів N + - N убуває в порівняно з рівноважною, визначеної законом розподілу Больцмана. Одночасно зростає ширина лінії. Цей ефект називається насиченням. Звичайно, ступінь насичення залежить, з одного боку, від часів релаксації Т] і Тг, ​​а з іншого - від величини поля В.
Кількісно ступінь насичення в резонансі: може бути виміряна через коефіцієнт насичення s:
Внаслідок насичення амплітуда спостережуваного сигналу поглинання при значенні
вище Bi opt убуває, де значення B/ opt дається виразом
Значення Р€i opt обмежує область лінійної залежності амплітуди сигналу від поля В ). З зростанням В виникаюче розширення ліній вимагає введення коефіцієнта сигналу поглинання представлені на рис.
2. Імпульсний ЯМР
У найпростішому випадку схема проведення імпульсного ЯМР-експерименту виглядає наступним чином: 90 В°-ний імпульс повертає вектор намагніченості М в площину ху і потім проводиться спостереження спаду вільної індукції. На екрані осцилографа спад вільної індукції має вигляд функції часу f. Якщо проводиться реєстрація одиночного сигналу ЯМР, наприклад, сигналу водню води, і значення ш в точності збігається з резонансною частотою - просто спадна експоненціальна функція. Цією експоненціально спадною функції можна поставити у відповідність функціюв частотному просторі. Форма лінії при цьому є лоренцева. Обидві ці функції - у часовій і частотній областях - пов'язані між собою перетвореннями
Ці перетворення по імені французького математика Жана Батіста де Фур'є називаються фур'є-перетвореннями.
Типове значення тривалості 90 В°-ного імпульсу для ЯМР-спектроскопії високого дозволу за порядком величини дорівнює 10 ~ 5 с. На відміну від безперервного РЧ випромінювання, спектр такого імпульсу не буде монохроматичним, він включає в себе певну частотну область зліва і праворуч від частоти заповнення імпульсу О). Відповідний частотний спектр отримують в результаті фур'є-перетворення цього імпульсу, який для прямокутного імпульсу шірінойможет бути описаний функцією наступного виду:
Це частотний розподіл завжди буде тим ширше, ніж менше 2 А г, тобто в граничному випадку маємо нескінченно вузький імпульс, в частотній області і функція f в тимчасовій області повинні в рівній мірі містити таку інформацію. Однак людське око і мозок можуть набагато краще розрізняти спектральні лінії в частотній області. На ріс.1.14 в якості прикладу наведено такий спектр у часовій і частотній областях, складається з двох ліній.
Успіхи імпульсної спекроскопіі ЯМР в порівнянні з безперервними методами в основному пов'язані з її більшою чутливістю. У cw-спектроскопії в кожен даний момент часу випромінюється одна частота, і відповідно збуджуються тільки ті ядерні спини, для яких ця частота є резонансною. Очевидно, що такий метод реєстрації з точки зору витрат часу є мало ефективним, тому що сигнали детектируются при проходженні резонансної лінії. На відміну від цього в ЯМР з фур'є-перетворенням одночасно збуджується і детектується весь спектр. Це дозволяє також поліпшити значення відношення сигнал/шум, оскільки при цьому складається велике число спектрів.
Як і в будь-якому фізичному експерименті, сигнал прямо пропорційний числу п накопичуваних процесів вимірювання, а статистичний шум пропорційний п 1 ^ 2 , так що відношення сигнал/шум при збільшенні п зростає пропорційно п 1 ^ 2 :
Так як для окремої послідовності, що складається з РЧ імпульсу і спаду вільної індукції, необхідно приблизно 1 с, то за 10 ТОВ з можна зареєструвати 10 ТОВ накопичень і після фур'є-перетворення мати 100-кратне поліпшення відношення сигнал/шум у порівнянні з тим, яке досягається при одному накопиченні. Правда, виграш у відношенні сигнал/шум, якщо мова йде про реєстрацію великого числа окремих ліній і на реєстрацію затрачається час Та, буде не настільки великий, як слід було б очікувати з наведених вище міркувань. При повільному накопиченні можна працювати з передавачем при невеликій смузі пропускання, а в фур'є-спектроскопії ширина смуги пропускання задається повної шириною спектру в частотній області. Однак виграш у чутливості все ще буде значним. Кількісно він визначається відношенням ширини смуги пропускання в частотній області до ширини окремої резонансної лінії
Для оцінки оптимальної величини відношення сигнал/шум ми повинні ще врахувати явище насичення. Як уже зазначалося, в cw-експерименті амплітуда сигналу при низькому рівні РЧ випромінювання пропорційна величині поля Bi. Однак із зростанням поля Bi внаслідок зменшення різниці населенностей зєємановських рівнів спостерігається все більшого відхилення від лінійного росту, причому це супроводжується додатковим розширенням спектральних ліній, і в граничному випадку, коли потужність РЧ випромінювання максимальна, сигнал взагалі не спостерігається.
Аналогічний ефект насичення необхідно враховувати і в імпульсному ЯМР. Для того щоб різниця між населенням двох зєємановських рівнів відновилася до значення, наближено рівного вихідного, тобто до значення, відповідного розподілу Больцмана, необхідно почекати інтервал часу, що перевищує в 3-4 рази значення часу спін-граткової релаксації Т . При вирішенні завдань, пов'язаних з встановленням структури біологічних молекул, типовим значенням Ti є 3-5 с. Слід зазначити, однак, що в фур'є-спектроскопії відсутній ефект уширення при насиченні, який спостерігається в cw-ЯМР. Ця перевага фур'є-спектроскопії не піддається прямій оцінці і тому не настільки очевидно.
Якщо потрібно з величини відносної інтенсивності резонансних ліній оцінити число ядер, що ...
