Перенесення когерентності як механізм утворення кроспіків

Тепер давайте розглянемо більш загальний випадок дії імпульсної послідовності, що зображена на Рис. 5.2 на спінову систему двох однакових ядер, між якими існує спін-спінова взаємодія. Спектр такої системи містить чотири лінії, що зосереджені у двох дублетах. Дія першого імпульсу послідовності приводить до перенесення всіх компонентів намагніченості у поперечну площину і зосередження їх вздовж однієї осі, що визначається фазою першого імпульсу. Таким чином, перший імпульс зумовлює когерентність векторів намагніченості, що описують хімічні зсуви та КССВ наявних сигналів. Далі, у період еволюції, в СКО починається розходження векторів, відповідно до частот їхньої прецесії. Найцікавішим в імпульсній послідовності є результат впливу другого імпульсу в період змішування. Цей імпульс, на відміну від першого, діє на намагніченість, що перебуває в поперечній площині. При розгляді одномірних спектрів ми вже стикалися з тим явищем, що у спінових системах, де присутня ССВ, можливе перенесення населеностей з одного спіну на інший. Цей процес ми називали переносом поляризації. Для його ефективного протікання необхідно, щоб компоненти намагніченості, що відповідають мультиплетній структурі сигналів, мали протилежну орієнтацію в поперечній площині. Але цей процес, хоча і менш ефективно, протікає і при інших взаємних орієнтаціях даних векторів. Перенос поляризації є окремим випадком більш загального явища переносу когерентності. Перенесення когерентності полягає в тому, що при дії імпульсу на спіново-зв’язану систему, намагніченість якої перебуває у поперечній площині, спіни стають нерозрізненними, вони ніби об’єднуються в один кластер. При цьому дане утворення містить всі частоти, що були притаманні кожному окремому спіну. По закінченні дії імпульсу такий кластер спінів розпадається, але частоти спінів тепер не можуть знайти своїх первинних хазяїв і розподіляються рівномірно між всіма спінами. Тому в результаті дії другого імпульсу первинна намагніченість одного спіна перерозподіляється на всі інші спіни, що мають з ним спіновий зв'язок. Цей процес відомий як перенесення когерентності. Він реалізується тільки за наявності КССВ.

У випадку гетероядерної взаємодії процес перенесення когерентності можна легко проілюструвати за допомогою діаграм населеності і векторної моделі (послідовність INEPT), оскільки вплив імпульсів на протонах і на вуглеці можна розглядати окремо. У випадку гомоядерних взаємодій зробити це набагато складніше, оскільки всі спіни піддаються впливу імпульсів одночасно. При цьому простої ілюстрації фізичних процесів отримати не вдається. Проте, в усіх різновидах двомірної спектроскопії в період змішування відбувається саме процес перенесення когерентності. Подальше підтвердження такої аналогії витікає з порівняння базової послідовності COSY на Рис. 5.2. і послідовності INEPT на рис. 4.56а. Якщо не звертати уваги на рефокусуючий 180^о імпульс в INEPT, то дві послідовності виявляються практично ідентичними. У них обох після первинного збудження міститься період еволюції, після чого обидва зв'язаних спіни піддаються впливу імпульсу, що викликає перенесення когерентності. Концепція когерентності і перенесення когерентності є загальною для більшості експериментів ЯМР. Ключовим моментом є той факт, що перенесення намагніченості протікає виключно між зв'язаними спінами. Розглянемо, як це відбувається в спектрі COSY на прикладі найпростішого випадку двох спіново-зв’язаних протонів. Нехай є спіни А і Х, між якими існує КССВ J_АХ. Протони мають хімічні зсуви n_A і n_Х. Намагніченість, що зв'язана зі спіном А після первинного 90^о імпульсу під час періоду t₁ прецесує у відповідності до його хімічного зсуву n_A. Аналогічно веде себе і намагніченість спіну Х. Вона також дією першого імпульсу переноситься в поперечну площину і прецесує відповідно до хімічного зсуву ядра Х на частоті n_Х. Як ми вже це знаємо, компоненти дублетів А та Х під час своєї еволюції в поперечній площині з певною періодичністю набувають антипаралельної орієнтації. Оскільки ми обговорюємо не реальні ядерні спіни, а лише сукупні вектори їхньої намагніченості, то можна вважати, що в кожний довільний момент часу існує певний внесок таких антипаралельних компонентів намагніченості, що змінюється в часі відповідно до синусоїдальної функції. Другий 90^о імпульс рівномірно перерозподіляє намагніченість між зв’язаними спінами у випадку антипаралельної орієнтації компонентів одного з мультиплетів. Таким чином, він переносить деяку частину цієї намагніченості від спіну А на зв'язаний з ним спін Х, а частина намагніченості залишається зв'язаною зі спіном А.

Рис. 5.11. COSY спектр спіново-зв’язаної, системи AX. Діагональні піки еквівалентні тим, які спостерігаються в одномірних спектрах, а кроспіки свідчать про наявність ССВ між піками. ССВ у даному випадку є параметром кореляції

Та намагніченість, що залишається пов'язаною з А, у період детектування продовжує прецесувати із частотою n_A., так само, як це було і у період t₁. Тому в кінцевому спектрі вона дасть пік з координатами n_A в обох вимірах. Його можна позначити (n_A, n_A). Таким чином, даний пік еквівалентний тому, що спостерігався за відсутності ССВ для системи АХ, що наведена на рис. 5.9. Оскільки пік має однакову частоту в обох вимірах, він розташовується на діагоналі 2D спектра і називається діагональним піком. На відміну від цього, перенесена намагніченість під час періоду t₂ буде прецесувати на частоті «нового хазяїна» - спіна Х. Тому вона дасть пік, що має у двох вимірах різні хімічні зсуви (n_A, n_Х). Цей пік розташований поза діагоналлю і тому називається недіагональним або, більш часто, кроспіком (Рис. 5.11). Цей пік являє особливий інтерес, оскільки він є свідченням наявності спінового зв'язку між ядрами А і Х. Цілком аналогічний процес перенесення когерентності здійснюється і у зворотному напрямку. Частина намагніченості від Х переноситься на А. При цьому утвориться діагональний пік (n_Х, n_Х) і кроспік (n_Х, n_А).

Таким чином, спектр COSY містить два типи сигналів – діагональні, що є повними аналогами сигналів у відповідному одномірному спектрі та кроспіки, що виникають за рахунок перенесення когерентності. Спектр являє собою квадрат, симетричний відносно діагоналі з кроспіками по обидва боки від неї.