Чутливість.

У всіх методах, що дозволяють вивчати ядра з невеликим природним вмістом, питання чутливості є першочерговим, оскільки саме воно визначає тривалість експерименту та можливість вивчення невеликих мас зразків. Тому вже перші методики, що були розроблені для вивчення гетероядерних кореляцій, базувалися на явищі перенесення поляризації, що значно підвищує чутливість експерименту. Фактично ці методики є розвитком методу INEPT (розділ 4.15), метою застосування якого є підвищення чутливості ядер з малим гіромагнітним відношенням. Цей метод тривалий час широко використовується в спектроскопії ЯМР. Подальших успіхів було досягнуто після розробки в 90-і роки методу непрямого детектування спектрів. Це зумовило докорінну зміну підходу до збору даних гетероядерних експериментів. Новації полягають у тому, що спостерігаються ядра з великим g, найчастіше протони, а спектр гетероядра утворюється опосередковано. Такі експерименти прийнято називати оберненими кореляціями хімічних зсувів. Їхня основна перевага – значне підвищення чутливості.

Розглянемо коротко, що дає застосування методів непрямого детектування. Залежність інтенсивності сигналу ЯМР від гіромагнітного співвідношення обговорювалася раніше в розділі 4.14, де перенесення поляризації було використане для підвищення чутливості експерименту. Можна показати, що для співвідношення сигнал/шум для експерименту, що включає ядра зі спином ½ справедливим є рівняння:

S/N=NAT^-1B_o^3/2g_excg_obs^3/2T₂*(NS)^1/2 (6.1)

Де N - кількість молекул у вимірюваному об'ємі зразка, А – змінна, що враховує вміст в ізотопній суміші активних у ЯМР спінів, Т – температура, В_о – величина статичного магнітного поля, g_exc і g_obs – гіромагнітні співвідношення для ядер, що опромінюються і спостерігаються відповідно, T₂* - ефективний час поперечної релаксації, NS – загальна кількість сканів при накопиченні.

Якщо намагатися оптимізувати експеримент по гетероядерній кореляції хімічних зсувів, слід обговорити 4 схеми, які представлені на рис. 6.30, що відрізняються тим, який саме спін служить джерелом первинної намагніченості, а який використовується для детектування сигналу. На кожній зі схем представлені очікувані теоретичні інтенсивності для пари Н-Х, що базуються на величинах гіромагнітних співвідношень. На першій схемі, 6.30а, показано схему звичайного експерименту по вимірюванню спектру на ядрах гетероядра з використанням декаплера на протонах. Будемо вважати, що інтенсивність сигналів, що отримані у такий спосіб дорівнює одиниці для кожного з виміряних ядер ( ³¹Р, ¹³С та ¹⁵N) На схемі 6.30б представлений традиційний експеримент по гетероядерній кореляції хімічного зсуву. У ньому первинна намагніченість протона виявляється частотно-міченою під час періоду t₁, а потім передається на спін Х для детектування. Знайдені інтенсивності сигналів показують значне підвищення чутливості експерименту. Подальшого підвищення чутливості можна досягти в експерименті, коли збудження відбувається на ядрах Х, а детектування – на протонах. Але відносно попереднього варіанту експерименту збільшення інтенсивності сигналу виявляється не таким вже й сильним. Найбільш ефективним виявляється експеримент, коли і збудження сигналу і його детектування відбувається на протонах, а ядра Х використовуються лише для відповідної частотної модуляції у період еволюції. Саме таку схему реалізують новітні обернені методики отримання гетероядерних кореляційних спектрів. Схему таких експериментів відображує Рис. 6.30г. Видно, що передбачувана чутливість у цьому випадку є істотно вищою, ніж у традиційному експерименті. Негативний вплив низького гіромагнітного співвідношення для ядер Х повністю зникає, хоча і залишається вплив низького вмісту ядер Х у природній суміші ізотопів. Чим меншим є g для ядра Х, тим сильніше зростає відносна чутливість при детектуванні на протонах. Це можна бачити з порівняння чутливості на ядрах ³¹Р та ¹⁵N. Додаткове підвищення чутливості при детектуванні на протонах в 2 або 3 рази відбувається відповідно для груп ХН₂ і ХН₃.

Рис. 6.30.Чотири основних схеми для одержання гетероядерного 2D кореляційного спектра. Порівняння відносних чутливостей цих методів наведено для експериментів по кореляції протонів з фосфором-31, вуглецем-13, і азотом-15

Величини зміни чутливості, що представлені на рис 6.30 для оберненої методики в порівнянні із традиційною, у реальному експерименті можуть і не реалізовуватися. Важливим фактором при цьому є різне релаксаційне поводження взаємодіючих спінів або наявність розщеплених мультиплетів, що зменшує загальну інтенсивність сигналів і, відповідно, співвідношення сигнал/шум. Проте, якщо задатися цілком реалістичним фактором збільшення інтенсивності сигналів у протон-вуглецевій кореляції, рівним 4, то виграш у часі експерименту досягне 16. Іншими словами, експеримент, що вимагає для накопичення цілої ночі, може бути проведений за 1 годину. Якщо ж необхідно було витратити годину, то тепер досить декількох хвилин.

Використання обернених методик привело також до вдосконалення спектрометрів ЯМР. Сконструйовано зручні датчики, у яких оптимізована чутливість при вивченні ядер з малим гіромагнітним співвідношенням у режимі оберненої спектроскопії. У цих датчиках котушка Х-ядра розташовується якомога ближче до зразка, у той час як котушка для протонів віддалена від нього.