Спектрометр ЯМР

Якщо Ви зайдете до лабораторії ЯМР, то перше, що приверне Вашу увагу, буде магніт. Він здебільшого має значні розміри і більше за все нагадує собою промисловий хімічний реактор. Часто магніт – це блискуча діжка до якої з різних боків ідуть різноманітні шланги та кабелі . Зверху магніт містить „роги” – пристосування для заливки рідких кріоагентів – азоту та гелію. Крім магніту в лабораторії ЯМР містяться шафи з електронікою та комп’ютер для управління приладом. Дивлячись на це електронне обладнання неможливо з’ясувати для себе, що саме містить прилад, тому його будову найчастіше показують за допомогою схем. За їхньої допомоги можна дізнатись, які саме пристрої використовуються у спектрометрі і як вони взаємодіють один з одним. Нижче на Рис. 2.1. наведено схему сучасного спектрометра ЯМР.

Рис.2.1.Схематичне зображення сучасного спектрометра. Білі прямокутники - основні компоненти спектрометра, чорні - додаткове устаткування (імпульсні градієнти поля в нових приладах є стандартними).

Основною вимогою для одержання високого розділення в спектрі є наявність потужного статичного магнітного поля, що зараз отримують винятково за допомогою надпровідних магнітів з котушкою з ніобієвого сплаву. Вони здатні створити стабільне й однорідне магнітне поле з напруженістю до 20 Тесла. Така напруженість відповідає поглинанню протонів на 900 Мгц. Просування до максимально можливих магнітних полів обумовлене прагненням до максимальної чутливості приладу та найвищого розділення сигналів у спектрах. Соленоїд магніту працює в резервуарі з рідким гелієм (при 4 К), а резервуар, у свою чергу, охолоджується рідким азотом (при 77 К). Кріоагенти ізольовані за допомогою високого вакууму. Побудована в такий спосіб система виявляється виключно ефективною. Заряджений один раз магніт може функціонувати багато років без будь-якого споживання енергії. Він вимагає тільки періодичної доливки кріоагентів – звичайно 1 раз на 1-2 тижні – рідкого азоту і 1 раз на 2-12 місяців – рідкого гелію, залежно від віку та конструкції магніту. Центральний отвір кріостата магніту перебуває при температурі навколишнього середовища. У ньому розміщено набір електричних котушок, що називаються шимами. Подаючи в шими певний струм, можна створити додаткові магнітні поля, що використовуються для коригування поля основного магніту. При цьому досягається підвищення однорідності магнітного поля. Процес оптимізації магнітного поля за допомогою шимуючих котушок називають шимуванням. Він проводиться для кожного вимірюваного зразка. Усередині шимуючих котушок, приблизно в центрі магніту розташовується датчик – серце будь-якого спектрометра ЯМР. Він містить високочастотні котушки та пов'язані з ними контури, що діють як антени. Вони здатні опромінювати зразок і фіксувати поглинання електромагнітного випромінювання. Навколо цих котушок можуть бути також розташованими котушки, що створюють імпульсні градієнти, які здатні створити контрольовану неоднорідність магнітного поля Зараз імпульсні градієнти є основою багатьох сучасних експериментів. Для управління струмом у градієнтних котушках використовується спеціальний передавач. Зразок вміщують у циліндричну скляну трубку, яку закріплюють у турбінці (спінері) і занурюють у магніт за допомогою пневматичного ліфта. При проведенні одномірних експериментів для того, щоб наблизити до нуля неоднорідності магнітного поля в площині х-у, перпендикулярній до напрямку поля магніту, зразок обертають у магніті із частотою 10-20 Гц. При цьому в спектрі досягається підвищення розділення сигналів. У багатомірних експериментах на сучасних спектрометрах обертання зразка використовується нечасто, оскільки воно може викликати небажану модуляцію сигналів і появу в спектрі артефактів. Для цього потрібне одержання достатньо високого розділення для нерухомого зразка. Це забезпечується сучасною технологією шимування. На старих приладах обертання застосовують у всіх випадках.

Датчики спектрометра, залежно від конструкції магніту, можуть мати різні величини діаметру та довжини. На їхні розміри впливає також діаметр трубки, що застосовується для зразка. Найбільш часто застосовуються трубки з діаметром 5 мм. Використовуються також трубки з діаметром 3, 8 і 10 мм. Датчик може бути призначений для роботи на одній частоті (селективні датчики), а може мати можливість настроювання в широкому діапазоні частот (широкосмуговий датчик). Він може також настроюватися на декілька магнітних ядер (наприклад, 4-ядерний датчик). У будь-якому разі датчик містить котушку, яка настроєна на сигнал поглинання дейтерію, що використовується для стабілізації магнітного поля (у середовищі спектроскопістів ЯМР така стабілізація називається «lock» що українською мовою означає «замок»; внаслідок того, що цей еквівалент не є цілком вдалим і може сприйматися неоднозначно, ми надалі будемо використовувати українську транскрипцію англійського терміна - «лок»). Як правило, живлення системи локу відбувається за допомогою окремого передавача та приймача. Ще одна додаткова (зовнішня) котушка використовується для одночасної подачі імпульсів на одне або декілька додаткових магнітних ядер.

У багатьох випадках магніт розміщується на спеціальному антивібраційному стенді, що захищає його від вібрацій підлоги, які виникають через резонанс будинку, роботу кондиціонерів, ходіння по лабораторії і т.д. Вібрації можуть внести помітні викривлення у форму сигналів, особливо поблизу інтенсивних піків (Рис. 2.2).

Рис. 2.2.Вібрації підлоги можуть приводити до небажаних артефактів поблизу інтенсивного сигналу (a) вони можуть бути в значній мірі усунутими при встановленні магніту на антивібраційну платформу (б)

В електронному блоці спектрометра розташовані радіочастотні передавачі та системи детектування по декільком радіочастотним каналам спостереження. Є також додаткові передавальні канали для лока і для імпульсних градієнтів. Більшість спектрометрів містять два або три робочих канали плюс канал лока. Спектрометр керується за допомогою зовнішнього комп'ютера, що в останні роки використовує операційну систему UNIX і спеціальний інтерфейс. Управляючий комп’ютер сполучається з внутрішнім комп’ютером спектрометра за допомогою окремого мережевого входу. У ряді випадків застосовується робоча станція на стандартному ПК. Електричний аналоговий сигнал ЯМР, який утворюється в датчику спектрометра, перетворюється в цифрову форму, що необхідна для зовнішнього комп'ютера, за допомогою аналого-цифрового перетворювача (АЦП). Комп'ютер здійснює також обробку накопичених даних, хоча це можна робити і поза спектрометром з використанням численних програм для ПК, що призначені для цієї мети.

Спектрометр може включати також і різноманітне додаткове устаткування, таке як блок зміни температури, пристрій автоматичного занурення зразків та ін. Зараз реалізовані сполучення ЯМР спектрометра з іншими аналітичними приладами, такими як рідинні хроматографи. Такі гібридні прилади особливо популярні у фармацевтичній промисловості. Необхідність у таких приладах визначається колом розв'язуваних за їхньої допомоги задач.

При виборі приладу часто виникає бажання використовувати спектрометр із максимально можливою робочою частотою. Тому для сучасних лабораторій намагаються придбати прилад, що працює при максимальних магнітних полях. При вивченні біологічних макромолекул це є цілком виправданим і дозволяє одержати в спектрах більш високу чутливість і роздільну здатність. Якщо ж вивчати малі молекули або молекули середнього розміру, краще зосередити увагу на можливостях реалізації сучасних спектроскопічних методик. Так, обмеження в роздільній здатності часто можна зняти при застосуванні відповідних двомірних експериментів. Обмеження в чутливості, які виникають через нестачу зразка та проблемами з його розчинністю і агрегацією, можна перебороти за допомогою специфічних датчиків для зразків малого об’єму.