Перенесення поляризації

Дотепер при обговоренні ефектів, що супроводжують використання декаплера, ми торкалися повного насичення обраного сигналу. Для цього ми використовували додаткове радіочастотне опромінювання зразка полем В₁ такої потужності, що забезпечувала одночасний вплив на всі компоненти мультиплету сигналу, що обраний для насичення. Але, якщо зменшити інтенсивність опромінювання, то воно може впливати не на весь мультиплет, а лише на один його компонент. Така ситуація відповідає селективному насиченню певного енергетичного переходу. У цьому випадку спостерігається цікаве явище, що полягає в зміні інтенсивностей всіх інших переходів, що пов’язані з тим, що опромінюється. Це явище називається перенесенням поляризації. На початкових етапах розвитку ЯМР це явище використовувалось для вивчення зв’язаності спінів. Для цього навіть була розроблена спеціальна методика, що називається INDOR. Але зараз вона має лише історичний інтерес. Але саме явище переносу поляризації широко застосовується у більшості новітніх експериментів ЯМР. Методи перенесення поляризації дозволяють збільшити інтенсивність сигналу за рахунок обміну населеностей між ядрами з великим та малим гіромагнітними відношеннями. Якщо перенесення поляризації відбувається від протонів на ядра Х (а такий експеримент проводять найбільш часто) у такий спосіб відбувається збільшення інтенсивності сигналу в g_H/g_X разів. Для розуміння фізичних основ явища перенесення поляризації припустимо, що є система ядер ¹³С і ¹Н, між якими існує ССВ, причому природний вміст обох ядер становить 100%. Енергетична діаграма такої системи наведена на рис. 1.65.

Рис 1.65. Діаграма енергетичних рівнів для двохспінової 'H-¹³C системи. Два переходи для кожного ядра відповідають двом лініям у кожному дублеті.

У тепловій рівновазі населеності кожного із чотирьох переходів визначаються розподілом Больцмана. Схематично це показано на Рис.1.66а. Нехай різниця населеностей для протонних і вуглецевих переходах становлять відповідно 2DH і 2DC. Оскільки населеності лінійно залежать від g, 2DH / 2DC = g_H/g_X =4. Тому інтенсивність сигналу протонів повинна бути в 4 рази більшою, ніж сигналу вуглецю (Рис. 1.66б). Тепер подивимося, що відбудеться, якщо селективно інвертувати один з компонентів дублету ¹Н, наприклад Н¹. Зробити це можна за допомогою слабкого селективного 180^о імпульсу. При цьому для відповідного переходу відбудеться інверсія населеностей рівнів (Рис. 1.66в). Оскільки перехід Н² залишився незбудженим, то й різниця населеностей у цьому переході буде такою самою, що і до експерименту. Ключовим моментом є те, що в результаті інверсії змінилися населеності обох вуглецевих переходів. Так для С¹ різниця населеності становитиме -2DH+2DC, а для переходу С² -2DH+2DC. Таким чином, різниця населеностей, що спочатку спостерігалася для протонів, тепер перенесена на вуглець. Оскільки 2DH є в 4 рази більшою, ніж 2DC, то для С-переходів відносні інтенсивності становитимуть –3:5. Таким чином, якщо після такої початкової інверсії компонента протонного спектра подати неселективний імпульс на частоті атомів вуглецю, то отримаємо спектр, в якому міститься дублет, одна з компонентів якого є інвертованою, причому інтенсивність компонентів буде більшою, ніж в одноімпульсному експерименті на вуглеці (Рис. 1.66г). Для пари ¹Н-¹⁵N інтенсивності компонентів сигналу ¹⁵N при перенесенні поляризації від протонів становлять +11 і –9 (g_H/g_N = 10) і зростання інтенсивності сигналу буде ще більшим. Хоча половина населеності спіна Н інвертована, однак інтенсивності компонентів протонного сигналу залишились незмінними. Тому сумарного перенесення намагніченості від протонів до вуглецю не відбувається. Інтегральна інтенсивність усього дублета вуглецю також не відрізняється від тієї, котра мала місце до збудження. Тому можна говорити про диференціальне перенесення поляризації, коли змінюються лише інтенсивності компонентів мультиплетів.

Рис. 1.66. Перенесення поляризації у двохспіновій системі. (a) населеності і різниці населеностей для кожного переходу в стані рівноваги. (б) спектри, що отримані після збудження свідчать про чотириразове зростання різниці населеностей (див. текст). (в) ситуація після селективної інверсії половинки протонного дублета і (д) спектр, що ілюструє зростання інтенсивності сигналу вуглецю.

Описаний вище експеримент називається селективним перенесенням поляризації, SPT (Seleсtive Population Transfere) або, що більш точно для випадку інверсії протонного спіна - селективною інверсією населеності (SPI). Треба, однак, відзначити, що інверсія обох компонентів сигналу протонів не приводить до ефекту SPT. Його викликає лише будь-яке нерівноважне збурювання окремих ліній мультиплету протонів, наприклад насичення однієї з ліній протонного мультиплету. В експериментах з гетероядерного перенесення поляризації (населеності) у протонному спектрі об'єктом впливу служать сателіти основного сигналу, що пов'язані з розщепленням на вуглеці. Ефект легко може бути реалізованим і в гомоядерних системах. При цьому його можна виявити за зміною інтенсивностей компонентів спіново-зв’язаного сигналу при насиченні одного з компонентів мультиплету його партнера по ССВ. На Рис. 1.67 показано результат селективного збудження одного з компонентів дублета дублетів і зміни інтенсивностей компонентів мультиплету його партнера по ССВ. Найкраще такі зміни видно в різницевому спектрі.

Рис.1.67. Селективне перенесення населеності (SPT) спотворює інтенсивність протонного мультиплету, якщо сигнал спіново-зв’язаного партнера насичується нерівномірно (б). Зміни інтенсивності краще видні в різницевому спектрі (в), що отриманий шляхом віднімання від (б) незбуреного спектра (а).

Незважаючи на виникнення викривлень, інтегральна інтенсивність спінових мультиплетів в умовах SPT залишається незмінною через наявність еквівалентних негативних і позитивних внесків в зміни інтенсивностей компонентів сигналів (Рис. 1.66в). Спостережувані в різницевому спектрі зміни інтенсивностей схожі на ті, які виникають внаслідок ЯЕО.

Найбільшим обмеженням експерименту SPI є їхня недостатня загальність. Одночасно ми можемо опромінювати лише одну лінію в спектрі і спостерігати за зміною інтенсивності інших сигналів. Для дослідження даним методом більш-менш складного спектра доводиться покроково насичувати компоненти окремих мультиплетів, що вимагає значних витрат часу. Зрозуміло, що більш ефективно було б насичувати одночасно по одному з переходів у кожному протонному сигналі в одному експерименті. Це завдання вирішує імпульсна послідовність INEPT, що описана у відповідному розділі книги.

Зміни, що виникають у гомоядерних та гетероядерних спектрах при інверсії певного енергетичного переходу відображають важливе фізичне явище, що зветься переносом когерентності. Зміна інтенсивностей компонентів зв’язаних мультиплетів свідчить про те, що зміна населеності одного з переходів (тобто його збудження) поширюється на всю систему спінів, що мають спільні енергетичні рівні. Тобто відбувається процес перерозподілу енергії в спіново-зв’язаній системі. Оскільки сигнали ЯМР пов’язані з виникненням когерентності ядерних моментів в площині х-у, то можна казати, що відбувається перенос когерентності з одного переходу на інший. Явища переносу когерентності широко використовується в багатьох методиках ЯМР, оскільки протифазна орієнтація компонентів мультиплетів за певних обставин може виникнути сама собою. Для цього достатньо після подачі збуджуючого імпульсу витримати певний час, що визначається величиною КССВ (J/2 для дублету). Якщо в цей момент подати на систему ще один імпульс, то він перерозподілить намагніченість між всіма можливими переходами, а крім того, при цьому виникне також намагніченість, в якій квантове число у порівнянні з рівноважним станом змінюється менше, або більше ніж на 1. Це так звані нуль-квантова та двохквантова когерентності. Всі отримані компоненти намагніченості можна виділити окремо і отримати найрізноманітніші спектри. Як проводяться такі експерименти стане ясно з подальшого обговорення.