ЯМР спектроскопиясының техникасы мен тәжірибелі әдістемелері

Қарапайым ЯМР спектрометрдің блок-сызбасы 33-суретте көрсетілген. Ампуладағы (8) үлгі электрмагнит (7) полюстерінің арасындағы күшті біртекті В магнит өрісіне орнатылады. Шарғы (9) арқылы үлгіге қуаты төмен жоғары жиілікті электрмагнит өрісі түсіріледі. Резонансқа генератордың (1) жиілігін өзгертпей, өрісті өзгертіп жеткізу (6) үшін В-нің мәні генератор арқылы бір қалыпты өзгертіледі, сонымен, резонанс аймағында әдіспен баяу сканирлейді. Жиілікті өзгерту арқылы алғанда шарғыға (9) жиілігі уақыт бойынша сызықты өзгеретін кернеу беріледі, ал В-нің мәні тұрақты болып қалады.

Резонанс шартына жеткен кезде, яғни (5.45)-теңдеу орындалғанда, берілген жиілікті электрмагнит сәуленің энергиясы жұтылады, бұл шарғыдағы (9) жоғары жиілікті кернеудің төмендеуінен білінеді. Көпірлі 2-сызбадағы осы кернеу генератордан (1) қуат алатын үлгісі жоқ эталон шарғыдағы кернеумен салыстырылады. Кернеулердің айырымы алдымен жоғары (тасымалдуыш) жиілік бойынша күшейткішпен (3) күшейтіледі, содан кейін детектор (4) арқылы төмен жиілікке айналдырылады, осы ЯМР-сигналы төмен жиілік бойынша қосымша күшейтіліп, тіркеуші (5) құралмен (осциллограф, өзіндік жазғыш, ЭЕМ) тіркеледі.

ЯМР спектрометрлерінің қай түрінде де жоғары жиілікті өрістің магнит компонентасы сыртқы магнит өрісіне перпендикулярлы болу керек. Осы жағдайда (5.45) – резонанс шарты орындалғанда жоғары жиілікті өрістің В-өрістің бойымен бағытталған ядролардың магнит моменттерімен әрекеттесуі ядролардың қайта бағытталуына келтіреді.

ЯМР сигналын алу процесін ядролардың магнит моменттер ансамблі жағынан қарастыру керек, себебі тәжірибе заттың көлемі бойынша жасалады. Демек, үлгідегі ядролардың барлық магнит моменттері векторларының суммасына тең болатын магниттену векторының тәртібімен анықталады. Спиндердің сыртқы магнит өрісінің бойымен бағытталуы энергиялық ұтымды, бірақ мұндай ориентацияға атомдар мен молекулалардың жылулық қозғалысы кедергі жасайды, осы себептен шамалы нәтижелік магниттену байқалады. Ал резонанс жағдайында ядролардың магнит моменттері сыртқы мганит өрісіне және оған кері ориентацияланғандағы күйлердің толықтырылуы теңістіріледі, яғни магниттену векторының өрістің бағытына проекциясы нольге ұмтылады. Шарғы орнатылған үлгінің магниттенуінің осындай өзгеруі шарғыда электрқозғаушы күш қоздырылуға келтіреді. Мұндай күш бос индукцияның кему сигналы делінеді (БИК), бұл сигнал жоғары жиілікті өрістің энергиясының жұтылу өлшемі болып табылады.

ЯМР сигналдарының түрі мен интенсивтігі сканирлеу жылдамдығына, яғни В-өрістің индукциясының резонанс облысынан өту уақытына тәуелді. Мұның себебі – спин жүйесінің релаксация уақытымен анықталатын кейбір инерциялығы болады. Резонанс жағдайында жүйе ЯМР сигналы бірте-бірте жойылып қанығу күйіне (күйлердің толықтырылуы теңістірілу күйі) келеді. Егер жоғары жиілікті өрістің индукциясы жеткілікті кіші, ал сканирлеу жылдамдығы ядролар релаксация себебінен төменгі энергиялық күйіне сәуле шығарусыз келіп үлгеру үшін төмен болса, қанығу болмайды да ЯМР-дың бұрмаланбаған сигналдары тіркеледі. Олардың интенсивтіктері жоғары жиілікті өрістің қуаты өсуімен өседі, осы себептен сезімталдықты арттыру үшін сканирлеу жылдамдығын көтереді, бұл қанығуға келтірмейтін жоғары жиілікті өрістің үлкен индукцияларын пайдалануға мүмкіндік береді. Бірақ мұндай жағдайда релаксацияға сәйкес уақыт аралығында сигналдан кейін бірте-бірте өшетін тербелістер түрінде білінетін ауыспалы эффект (вигли делінетін) байқалуы мүмкін. Резонанстан тез өткеннен кейін үлгідегі магниттену векторының резонанс жиілікті тербелістер шарғыда осындай жиілікті сигнал пайда болуына алып келеді. Вигли - осы тербелістер мен тербелістердің соғылу нәтижесі. Виглилердің болуы сыртқы өрістің жоғарғы біртектілігін көрсетеді және кұралды күйіне келтіргенде пайдаланылады. Тіркеудің алдында БИК сигналы фаза бойынша детекторлену арқылы тасымалдауыш жиіліктен босатылады.

ЭПР жағдайындағыдай, ЯМР сигналының интенсивтігі магнит өрісінің кернеулігі өсуімен өседі (яғни спектрометрлің жұмыс істейтін жиілігімен). Осы себептен қазіргі құралдарда қолданылатын жиіліктер 40-60 МГц-тен 300-600 МГц-ке дейін жетеді, мұндай мүмкіндік ЯМР спектроскопияға аса жоғары өткізгіш магниттердің енгізілуімен байланысты болады. Айыру қабілеті жоғары болу үшін жұмыс істеуші жиіліктің тұрақтылығы және магнит өрісінің кернеулігі мен біртектілігі жоғары болуына тырысады. Көп жағдайда магнит өрісінің біртектілігін арттыру үшін арнаулы түрлі теңестіруші шарғылар (10) пайдаланылады. Магнит өрісінің әр тектілігін орташаландыру үшін үлгісі бар ампуланы (8) өз осі бойымен айналу болмаған кездегі сигналдың енінен жоғары (Гц) жиілікпен айналдырады.

Әдістің негізгі шектеулері: ядроның барлығы да магнитті болмайды, яғни барлық ядролар ЯМР әдісімен зерттелмейді. Әдістің сезімталдығы төмен, бірақ 70-ші жылдарында қуаты жоғары (>1 кВт), қысқа (10^-5-10^-6) с, жиілігі резонанс жиілігіне жақын импульстен алынатын ЯМР сигналын фурье-түрлендіру арқылы жиілік резонанс жиілігіне тең болуы міндетті емес, себебі, импульстың ұзақтығы кіші болғанда оны жиіліктердің тұтас интервалы немесе гармоникалардың шексіз саны ретінде (Фурье қатарына жіктеу) ұсынуға болады. Осы интервалында резонанс жиілігіне тең болатын жиілік қашанда табылады, яғни, магниттену векторы бұрылады да шарғыда БИК сигналы қоздырылады. Мысалы, микросекундты импульс резонанс жиіліктері шамамен 50 кГц интервалда жататын барлық ядролық ауысуларда қоздыру мүмкін. жағдайында стационарлы ЯМР спектрометрінде тез сканирлегенде пайда болатын виглилерге аналогты бейне байқалады, бұл жиіліктері өшетін БИК тербелістеріне негізделеді.

Практика жүзінде көп-импульсты (импульс аралығы бірнеше секунд) тізбек пайдаланады, БИК сигналдары жинақталады да алынған интерферограмма ЭЕМ-да фурье-түрлендіріледі. БИК-тің суперпозициясы ретіндегі интерферограмма уақыт бойынша функция болып табылады, ол фурье-интегралымен (3.6) бейнеленеді. Экспериментаторға керекті жиіліктік функцияға түрлендіру фурье-интегралды (3.7) пайдалануымен жүзеге асырылады. БИК-сигналдарының көп санын ЭЕМ есінде жинақтау мен орташаландыру нәтижесінде әдістің сезімталдығы кенет көтеріледі (он жүз есе). Аса өткізгіш электрмагниті жоғары сезімталды импульсті фурье-спектрометрлер барлық магнитті ядролардың ЯМР-спектрлерін тіркеуге мүмкіндік береді.

ЯМР-спектроскопияның екі-өлшемді әдістері дамытылуда, бұл спектроскопияда спектрлер екі жиілікке тәуелді функция ретінде алынады: өріс импульсының жиілігіне және импульстардың ілесу жиілігіне тәуелді. Бұл мультиплеттердің қиылысуын жоюға және спектлерін дұрыс есептеуге мүмкіндік береді. Осы мақсатпен де қос (кейде-үштік) резонанастың түрлі варианттарын қолданады, мұнда статикалық магнит өрісіне перпендикулярлы жоғары жиілікті қоздырушы өріс түсіріледі. Қоздырушы өрістің жиілігі үлгідегі кейбір ядролар үшін резонансты болып табылады. Қанығу нәтижесінде осы ядролардың сигналы жойылады, бұл жағдайда ядро шешілген дейді, себебі басқа ядролардың спектрлерінде білінбейді. Мысал үшін ¹³С-тің ЯМР спектрлерін кейде протондардан «шешілгенде» алады. Мұндай жағдайда ¹³С-тің мультиплетті сигналының компоненталары бір-бірімен қысылып, синглетке айналып кетеді, сондықтан сигналдың биіктігі үлкееді. Интенсивтіктің қосымша өсуі Оверхаузердің ядролық эффектісі делінетін эффектіге негізделеді – ядролардың төменгі деңгейінің толықтырылуы жоғарғы деңгейінің есебінен өседі, бұл протондарды төменгі деңгейлерін резонансты қанығуға келтіретін жоғарғы және төменгі деңгейлердің толығуының теңістірілуімен байланысты (¹³С-ядролары мен протодардың әрекеттесуі неғұрлым күшті болса, соғұрлым эффект күшті болады).

Қатты денелерде статикалық диполь-дипольді магниттік әрекеттесу ЯМР-дың өте енді сигналдарына алып келеді. Айыру қабілеті жоғары болу үшін осы әрекеттесуді нольге дейін орташаландыру керек. Үлгіні балқытқанда, яғни изотропты сұйыққа ауысқанда, жылулық қозғалыс жылдамдығынан осындай орташаландыру орын алады, ЯМР сигналының ені тез кемиді де сигналдың әлсіз бөлінуі байқала бастайды. Осындай эффект қатты денелі үлгіні тұтас бөлшек ретінде жылдам айналдырғанда, егер айналу осі магнит өрісінің бағытынан 54,7⁰ бұрышына ауып кетсе (осы бұрыш магиялық делінеді) де білінеді. ¹³С-ядролары табиғи мөлшерлі үлгілерде магиялық бұышпен бірнеше кГц жиілікпен айналу сигналдарының ені 1Гц-ке жақын шешілген спектрлерді байқауға мүмкіндік береді. Осындай айналудың жылдамдығын үлгіге жоғары жиілікті импульстердің белгілі тізбектерін түсіріп азайтуға болады.