ЯМР-спектроскопия в исследовании внутримолекулярной подвижности

Метод ЯМР-спектроскопии в принципе схож с методом ЭПР. Во внешнем магнитном поле ядра некоторых атомов ориентируются строго определенным образом. В результате происходит разделение молекул по энергиям и можно записать ту же формулу для разности энергий ядер:

ΔE1 = Е2 - Е1 = g⋅β⋅H

С той лишь разницей, что константы g и β имеют другие численные значения.

Величина ΔЕ может быть выражена и другим способом, а именно ΔЕ⋅=⋅hν, где hν -

величина кванта энергии, необходимого для перевода электрона из одного состояния в другое.

Объединяя оба выражения для ΔЕ, можно записать:

hν = g⋅β⋅H

Это выражение носит название условия резонанса.

Если к находящейся в магнитном поле системе подвести высокочастотное излучение с частотой ν, определяемой условием условием резонанса, то в исследуемой системе возникнут вынужденные переходы между соседними уровнями Е1 и Е2. Переходы с одинаковой вероятностью будут происходить как из состояния Е1 в состояние Е2, так и наоборот. Однако, число переходов снизу вверх больше числа переходов сверху вниз, поскольку в соответствии с законом Больцмана заселенность нижнего уровня выше. Переходы из верхнего состояния в нижнее происходят с испусканием энергии, а переходы из нижнего в верхнее - с поглощением. Но поскольку число переходов снизу вверх больше, то в целом при выполнении условия резонанса в образце будет наблюдаться поглощение высокочастотного излучения. Частота, при которой наблюдается резонансное поглощение высокочастотного излучения образцом, связана с напряженностью магнитного поля:

νβ=gH/h

Из этого выражения видно, что резонансное поглощение можно наблюдать:

а) при изменении частоты ν электромагнитного излучения при постоянстве H

б) при изменении H при постоянстве ν.

Из технических соображений применяется второй способ регистрации.

Метод ЯМР в основном использует измерение сигналов от протонов ядер водорода. Если бы протон был совершенно изолирован, он давал бы одну узкую линию в спектре ЯМР. Но в органических молекулях протон оказывается в магнитном поле, которое складывается из приложенного к образцу внешнего магнитного поля и из локального магнитного поля, сформированного движением электронов по орбиталям внутри молекулы. Суперпозиция внешнего и внутреннего магнитных полей приводит к тому, что положение линии протона в спектре ЯМР сдвигается на ту или иную величину в зависимости от химического строения той группы, в окружении которой этот протон находится. Ценность метода ЯМР при изучении биологических мембран заключается не столько в том, что по спектрам ЯМР можно сказать, сколько тех или иных групп содержит образец (содержание их пропорционально площади соответствующих пиков), сколько в том, что ширина полос позволяет судить о подвижности соответствующих групп в мембранах. Увеличение вязкости микроокружения приводит к уширению полос и уменьшению их амплитуды. Таким образом было показано, что холестерин, встраиваясь в мембрану, ограничивает подвижность в первую очередь восьми-десяти ближайших к сложноэфирной связи атомов жирнокислотных цепей.