Исследование состава веществ с помощью радиоизлучения: ядерный магнитный резонанс

Картинка Pikisuperstar, Freepik

Уже к середине XX века химия превратилась в одно из существенных направлений науки, обеспечивая прогресс в медицине, лёгкой промышленности, фармацевтике и других областях. Был разработан внушительный список методов для синтезирования миллионов химических соединений с использованием реакций между органическими и неорганическими веществами.

Тем не менее, в то же время появилась проблема, которая заключалась в том, что наблюдался недостаток надёжных методов анализа строения синтезированных веществ.

На тот момент, в середине XX века, с целью исследования структуры химических веществ использовались методы классического химического анализа, что существенно замедляло работу химиков из-за необходимости проводить множество длительных экспериментов. К тому же, непосредственно сам анализ структуры молекул зачастую занимал больше времени, чем их синтезирование.

Наиболее передовой метод в то время представлял собой использование инфракрасных спектрометров, которые хотя и позволяли анализировать молекулы, но не могли различить молекулы, близкие друг другу по своей химической природе.

Из-за подобных проблем постоянно шёл поиск методов, позволяющих решить их, и настоящим скачком стало открытие метода ядерного магнитного резонанса.

▍ Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) как новый метод исследования структуры веществ

Так как к тому времени строение атома и его модель уже были известны, было сделано допущение, что поглощение радиоизлучения образцом, который внесён магнитное поле, существенно отличается от поглощения в отсутствии магнитного поля.

Причина этого заключается в том, что при наличии магнитного поля увеличивается число различающихся энергетических уровней атома, из-за чего происходит увеличение спектра частот поглощения (что сразу видно на экране осциллографа).

Исследователями был проведён эксперимент, в ходе которого было зарегистрировано поглощение радиоволн образцом.

В ходе эксперимента были использованы самодельные излучатели, облучающие исследуемый образец радиоволнами в широком диапазоне частот. При этом генератор излучения мог менять свою частоту в широком диапазоне, что позволяло исследователям наблюдать поглощение на разных частотах.

Для наблюдения поглощения использовался осциллограф, который выводил на экране картинку, где каждый пик (его высота) показывал величину поглощённой энергии:


Анализируя полученные изображения, можно было сделать ряд выводов. Например, в случае этанола подобная картинка содержала три пика, что полностью соответствует строению молекулы этанола, которая в своём составе имеет гидроксильный протон, пару протонов группы метилена, а также три протона метильной группы.

Другими словами, полученное изображение позволяет понять, где в молекуле находятся атомы водорода.

При этом экспериментальным путём было установлено, что исследование жидких образцов имеет преимущество перед твёрдыми, так как жидкие составы дают более узкие пики, позволяющие более точно понять состав исследуемого соединения.

Благодаря открытию метода ЯМР производительность лабораторий по анализу химических соединений многократно увеличилась, так как пропала потребность в долгом анализе соединений и проведении экспериментов.

Теперь достаточно всего лишь получить и проанализировать спектр ЯМР (который представляет собой изображение, наподобие того, которое приведено было ранее, в случае с этанолом представляющее собой «расчёску» из трёх пиков), и строение вещества становится достаточно понятным. Мало того, таким способом можно легко определять наличие примесей в веществе, так как эти примеси дают свои ярко выраженные пики в общем составе спектра.

Таким образом, можно сказать, что каждый из сигналов имеет ряд параметров, которые отражают связь со структурой молекулы.

Среди таких параметров можно выделить:

• Химический сдвиг (другими словами, расположение сигнала на картинке спектра): частота необходимого электромагнитного излучения, которая поглощается исследуемым образцом.
• Интенсивность: подразумевается относительное различие между силами разных сигналов.
• Форма сигнала: одни из ядер дают хорошо читаемые узкие сигналы, линии в которых составляет от 1 до 3 Гц. Другие же в противовес им дают широкие сигналы с шириной линии от 10 до 10 000 Гц. Такие ядра называются квадрупольными, из-за их несимметричного распределения заряда по поверхности.

▍ Магнитные свойства ядра

Так как ядерный магнетизм представляет собой сложное явление, гораздо проще представить его в виде упрощений, с ядром атома, представляющим собой положительно заряженный шарик, где заряд вращается по кольцевой орбите, в процессе этого движения порождая очень маленький кольцевой ток. Любой ток индуцирует магнитное поле — исключением не является и наш заряд.

Таким образом, ядро можно представить как очень маленький магнит, где момент этого магнита направлен вдоль его оси вращения (но не совсем точно, так как наблюдается прецессия относительно этой оси). Таким образом, по своей сути, его можно считать очень маленьким стержневым магнитом, обладающим рядом спиновых и магнитных свойств.

Положительно заряженное ядро окружено отрицательно заряженными электронами, которые принято считать квантовыми частицами. Следствием этого является то, что их энергия не может изменяться плавно, и смена состояния происходит скачкообразно, из-за чего атом переходит на другой энергетический уровень, количество которых для атома фиксировано.

Разные энергетические уровни для атома требуют разного количества энергии. Исключением из этого правила являются только те из них, которые различаются значением спинового квантового числа. Такие уровни называют вырождёнными, так как энергия для перехода с одного такого уровня на другой требуется одинаковая. Чтобы эти вырождённые уровни стали различаться между собой, атом помещают в магнитное поле, в результате чего энергия перехода с уровня на уровень становится разной, и на спектре появляются новые полосы.

Именно на этом свойстве электронов и основан ещё один способ исследования, так называемый «электронный парамагнитный резонанс».

Если же говорить об атоме, то, к сожалению, все его энергетические уровни являются одинаковыми, и отследить переход с одного уровня на другой не представляется возможным в обычном состоянии (при отсутствии приложенного внешнего магнитного поля).

В случае же появления магнитного поля подобная вырождённость пропадает, и уровни начинают различаться, что уже позволяет отслеживать переходы между ними.

Причём имеется чёткая зависимость между силой магнитного поля и простотой регистрации результатов, так как чем сильнее магнитное поле, тем выше разница энергии между различными уровнями, что, соответственно, упрощает регистрацию различий этих уровней.

▍ Конструкции ЯМР-спектрометров

Для наблюдения за спектрами ЯМР используется два принципиально отличающихся типа конструкций спектрометров:

• С непрерывной развёрткой радиочастоты или магнитного поля

1 — ампула с исследуемым веществом, 2 — электромагнит, 3 — «свипирующие» катушки, 4 — приёмная катушка, 5 — генератор, 6 — усилитель, 7 — устройство вывода или обработки полученных данных.

Сам эксперимент протекает следующим образом: исследуемое соединение помещается в стеклянную ампулу, которая вращается в магнитном поле (вращение используется для компенсации неоднородности магнитного поля).

Для исследования органических соединений используется раствор исследуемого вещества в дейтерированном растворителе (в котором протоны замещены на дейтерий: уксусная кислота-d4, ацетон-d6, ацетонитрил-d3, бензол-d6, хлороформ-d1, оксид дейтерия-d2, дихлорметан-d2, N,N-диметилформамид-d7, диметилсульфоксид-d6, метанол-d4, пиридин-d5, тетрагидрофуран-d8, толуол-d8, трифторуксусная кислота-d1, трифторэтанол-d3).

Растворитель выбирается таким образом, чтобы исследуемый образец мог раствориться в нём, а также линии спектра растворителя не перекрывали исследуемые линии спектра образца.

Ампула представляет собой тонкостенную трубку из тугоплавкого стекла с очень точно выдержанными по длине диаметром (обычное значение = 5 мм) и толщиной стенок.

Ампула должна быть химически чистой — не допускается химических или механических примесей на её внутренних и внешних стенках.

Вещество, помещённое в ампулу, должно содержаться в требуемой концентрации и чистоте (используется фильтрование и центрифугирование образцов).

Для веществ с небольшой молекулярной массой (до 500) достаточно образца массой в 10 мг, так как большее количество приводит к размыванию спектральных линий (они становятся более широкими и труднее определить, чему они соответствуют).

Вокруг ампулы расположена охватывающая катушка, в которую подаётся переменный ток нужной частоты. При этом частота генератора радиоизлучения остаётся постоянной, а величина магнитного поля изменяется до момента достижения резонанса для каждой группы сигналов, в результате чего возникает картина спектра.

Либо можно пойти противоположным путём и изменять частоту генератора, оставляя магнитное поле постоянным — результат будет тем же самым.

• Импульсные спектрометры с фурье-преобразованием

В подобного типа спектрометрах магнитное поле, которое воздействует на образец, сохраняется постоянным, причём в исследовании используют мощные поля, создаваемые с помощью сверхпроводящих магнитов.

Эксперимент, проводящийся с помощью подобных устройств, заключается в кратковременном (1-50 микросекунд) воздействии на исследуемый образец мощного радиочастотного импульса прямоугольной формы, который повторяется через заданные промежутки времени.

Воздействие импульса приводит к тому, что в результате него возникает одновременно резонанс всех ядер заданного типа.

По окончании воздействия импульса индуцированная намагниченность ядер пропадает в результате процесса, называемого релаксацией, и восстанавливается изначальное больцмановское распределение.

В процессе этого затухания происходит регистрация множества затухающих кривых, каждая из которых соответствует определённой резонансной частоте. Анализируя эти кривые с помощью компьютера, используя математическую операцию фурье-преобразования, а также многократно повторяя эксперимент (по сути, регистрируя данные после каждого импульса), получают усреднённое значение спектра.

Подобный подход позволяет регистрировать ядра веществ, находящихся в исследуемом образце в малом количестве (например, если это природный образец с низким содержанием).

Подытоживая, можно сказать, что появление в своё время метода ЯМР дало совершенно новый метод исследование веществ, в том числе сложных химических смесей, с малым процентным содержанием компонентов, исследовать устройство молекул, расположение отдельных их составляющих.

Отдельным подвидом исследования с применением метода ЯМР стоит магнитно-резонансная томография, более известная нам как МРТ, позволяющая исследовать живые организмы.

В настоящее время исследование с помощью метода ЯМР стало обычной рутиной для химиков и существенно ускорило исследовательские процессы.

Интересующиеся могут посмотреть любопытное видео по самостоятельной сборке ЯМР-спектрометра на известном канале «Прикладная наука» (на английском языке):

Использованная литература:

1. И.Э.Нифантьев, П.В.Ивченко — «Практический курс спектроскопии ядерного магнитного резонанса». МГУ им. М.В.Ломоносова, 2006 г.
2. Воловенко Ю.М., Карцев В.Г., Комаров И.В., Туров А.В., Хиля В.П. — «Спектроскопия ядерного магнитного резонанса для химиков», 2011 г.

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх