Перенесення поляризації як метод підвищення чутливості

При вимірюванні спектрів ЯМР на ядрах, що дають малоінтенсивні сигнали, майже завжди доводиться стикатися з тим, що для отримання достовірних результатів доводиться накопичувати сигнал впродовж тривалого часу. При цьому збільшення інтенсивності сигналу вдвічі потребує подовження часу експерименту в 4 рази. І навпаки, якщо завдяки особливостям експерименту вдається збільшити інтенсивність сигналу вдвічі, експеримент потребуватиме вчетверо меншого часу. Тому підвищення чутливості методу ЯМР є основним завданням розробників як спектрометрів ЯМР так і імпульсних послідовностей і методів збору даних, що застосовуються у дослідженнях. Розробка магнітів з усе більш сильним полем у сукупності з іншими приладовими вдосконаленнями дозволяє значно підвищити чутливість методу. При цьому виникає можливість вивчення магнітних ядер з малим магнітним моментом і дуже низьким природним вмістом. Але кардинальним чином ситуацію покращити не вдається, тим більше, що без якихось технологічних проривів побудувати магніти з більшою напруженістю поля, ніж це вже досягнуто ввижається малоймовірним. Тому актуальним є питання підвищення чутливості за допомогою застосування імпульсних послідовностей, що можуть змінювати різницю між населеностями малочутливих ядер за рахунок більш чутливих ядер. Здебільшого такі підходи базуються на явищі переносу поляризації, що коротко було розглянуто у першому розділі. Найбільш доцільно здійснювати перенос поляризації від ядер з високим гіромагнітним співвідношенням на ядра з низьким g. Це зумовлене такими чинниками:

Чутливість ядра визначається гіромагнітним відношенням, причому гіромагнітне відношення впливає одразу на три параметри:

- резонансну частоту, що визначає різницю в енергіях переходів між енергетичними рівнями і, відповідно, їхніх населеностях у згоді до розподілу Больцмана;

- величину магнітного моменту і, відповідно, інтенсивність сигналу;

- інтенсивність прецесії, що визначає величину сигналу в котушці приймача.

Тому сумарний вплив на інтенсивність сигналу ЯМР є пропорційним до g^3. Однак, якщо врахувати, що інтенсивність шуму зростає пропорційно квадратному кореню частоти, то відношення сигнал/шум пропорційне g^5/2. Якщо врахувати, що залежність сигналу від напруженості зовнішнього поля є пропорційною до В_о^3/2, то для чутливості ядра, яка характеризується відношення сигнал/шум справедливим є співвідношення:

S/N = NAT^-1 В_о^3/2g_збуд g^3/2_спостТ₂*(NS)^1/2 (4.18)

Де N кількість молекул у досліджуваному об'ємі зразка, А – частка досліджуваних спінів у природній суміші, Т – температура, В_о – напруженість зовнішнього магнітного поля, g_збуд і g_спост – гіромагнітні відношення збуджуваних і спостережуваних ядер, T₂* - ефективний час поперечної релаксації, NS – загальна кількість накопичених сканів. Високе гіромагнітне відношення для протонів разом з 100%-вим природним вмістом пояснює, чому дослідження спектрів ЯМР протонів виявляється найкращим у ЯМР високого розділення. Як видно з наведеного рівняння, до нього входять гіромагнітні відношення як ядра, що піддається збудженню, так і того ядра, на якому проводиться вимірювання спектру. При вимірюванні звичайного одномірного спектру і збудження і вимірювання спектру проводиться на одному ядрі, тобто g_збуд = g_спост. Якщо вимірюється спектр на ядрі з малим g, то сумарна інтенсивність сигналу також виявиться малою. Тому дуже перспективним є використання методик, завдяки яким g_С вдається замінити на значно більше за величиною g_Н.

У даному розділі будуть описані ті широко розповсюджені одномірні методики, які дозволяють провести пряме вивчення ядер Х з малими гіромагнітними відношеннями (¹³С, ¹⁵N, ²⁹Si). Методи полягають в первинному збудженні спіна ядра з більшим g, (найчастіше ¹Н, ¹⁹F, ³¹Р) і наступному перенесенні поляризації з них на ядро з малим g, з яким перше ядро має спіновий зв'язок. У такому випадку, відповідно до рівняння 4.15, досягається виграш у чутливості, що дорівнює g_H/g_X. Явище перенесення поляризації було описано в параграфі 1.19. Воно полягає у збільшенні різниці населеностей (і, відповідно інтенсивності сигналу) ядра Х при інвертуванні за допомогою 180^о імпульсу компонентів мультиплету протонів, що виникають за рахунок гетероядерної спін-спінової взаємодії. Необхідною умовою виникнення ефекту переносу поляризації є антипаралельне розташування векторів намагніченості спінів Н, що відповідають гетероядерним КССВ. Як було відзначено в попередньому розділі, значне підвищення інтенсивності сигналу ядра з низьким g можна одержати також і за рахунок ЯЕО при насиченні, наприклад, протонів. Цей метод, однак, не застосовується для ядер з негативним g, оскільки в цьому випадку інтенсивність сигналу через ЯЕО зменшується. Методи перенесення поляризації позбавлені цього недоліку і у багатьох випадках можуть забезпечити набагато більше зростання інтенсивності сигналу, ніж просто ЯЕО. Крім того, дані експерименти є альтернативним методом редагування спектрів відповідно до мультиплетності сигналів. Вони дозволяють спостерігати окремо сигнали атомів вуглецю, що мають зв’язок з різною кількістю протонів. Зокрема таку можливість надає методика DEPT.