ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЯМР)

Ядра многих элементов имеют спин, то-есть вращаются как волчки, а значит, и магнитный момент. Их можно уподобить магнитной стрелке компаса. Когда вещество помещено в магнитное поле в напряжённостью Р, согласно квантовой механике возможны несколько ориентаций магнитных моментов относительно Н, характеризуемые магнитным квантовым числом. У ядер водорода спин ядра равен 1/2 и возможны 2 ориентации магнитного момента относительно магнитного поля - по полю и против поля, с энергиями взаимодействия Е₁ и Е₂. Разность Е₂-Е₁ пропорциональна напряжённости магнитного поля Н. Если облучить образец радиоволнами такой частоты, что энергия их квантов совпадает с этой разностью, наступит резонанс - спины будут переходить с нижнего уровня на верхний, кванты поглощаются, что обнаруживается радиотехническим методом и записывается как сигнал ЯМР. Условие резонанса:

w=gH,

где Н - напряжённость магнитного поля, w - частота облучающего ЭМИ, g - константа, характерная для каждого вида ядер.

Блок-схема ЯМР-спектрометра приведена на рисунке. Образец вещества помещается в катушку, находящуюся в магнитном поле; на катушку подается радиочастота; при медленном изменении (сканировании) магнитного поля в момент резонанса обнаруживается поглощение образцом радиочастотной энергии, что записывается в виде спектра. Если все ядра водорода находятся в одинаковом окружении, сигнал ЯМР - одиночная узкая линия.

В веществе ядра находятся в неодинаковом окружении. Электроны в магнитном поле совершают вращательное движение, создавая магнитное поле, направленное против внешнего. Это называется диамагнитным экранированием. Ядро находится в локальном поле, равном H(1-s), сигма называется постоянной экранирования. Она имеет порядок 10^-6 и зависит от электронной плотности. В молекуле обычно есть несколько сортов атомов водорода, например, в этиловом спирте есть атомы водорода метильной, метиленовой и гидроксильной групп. Электронное окружение каждого сорта атомов различно, следовательно, различны постоянные экранирования. Спектр ЯМР состоит из трёх линий с относительной интегральной интенсивностью 1:2:3, пропорционально числу атомов водорода в группе (рис). Сдвиг каждой линии относительно эталонного сигнала ТМС называется химическим сдвигом и является характерным свойством типа атомов.. Такое расщепление линий называется тонкой структурой спектров, величина сдвигов растёт с ростом Н.

Часто линии дополнительно расщеплены за счет косвенного (черезэлектронного) спин-спинового взаимодействия между магнитными моментами близких магнитных ядер. Это называется сверхтонкой структурой спектра. На рисунке спектр ЯМР этанола в спектрометре высокого разрешения. Число компонентов зависит от числа соседних ядер и их спина. Химический сдвиг зависит от Н, а сверхтонкое расщепление не зависит. Спектры ЯМР даже сложных органических веществ состоят из многих острых линий и по информативности их можно сравнить с отпечатками пальцев. Поскольку интенсивность линий связана с концентрацией веществ, спектр ЯМР может быть использован для количественного анализа. Главное достоинство ЯМР - высокая разрешающая способность спектров. Недостаток метода - низкая чувствительнеость.

Энергия радиочастотного поля мала, поэтому исследуемое вещество не разрушается.. Это позволяет использовать ЯМР для томографического обследования человека, менее вредного, чем рентгеновская томография. Человек помещается внутри большой катушки и с помощью компьютера происходит послойное сканирование, получаются контрастные изображение различных тканей на мысленных срезах, весьма полезные для медицинской диагностики. Обнаруживаются нарушения внутренних органов, опухоли и т.п..

Спектры ЯМР дают не только ядра водорода, но и другие, например, ²H, ¹³С, ¹⁴N, ¹⁵N, ¹⁷О, ¹⁹F, ³¹Р, ³³S. Поскольку некоторые из этих ядер содержатся в веществах в небольшой концентрации, иногда применяется изотопное обогащение образца. Эти спектры расширяют возможности идентификации веществ. Если спектр очень сложный, его можно упростить, применяя избирательное замещение протонов атомами дейтерия, записывая спектр при разных напряженностях магнитного поля..