ЯМР: Ядерный магнитный резонанс (спектроскопия)

ЯМР-спектроскопия — это исследование изменений спина на ядерном уровне при поглощении радиочастотной энергии в присутствии магнитного поля. Ядра с нечетным массовым числом дают только ЯМР-спектры, например, 1H, 13C, 19F, 35Cl и т. д., поскольку они имеют асимметричное распределение заряда. Спиновое квантовое число (I) для таких ядер равно ½, 3/2, 5/2 и т. д. Для 1H оно равно ½, и поэтому оно имеет (2I + 1) ориентаций. (I — спиновое квантовое число) Другие ядра, такие как 12C, 16O, 32S, 14N, 2H и т. д., не дают ЯМР-спектров из-за симметричного распределения заряда, и их спиновое квантовое число является целым числом. Электронные оболочки и их вращение: K-оболочка (n=1): самая внутренняя оболочка, ближайшая к ядру. L-оболочка (n=2): Вторая оболочка, расположенная дальше от ядра, чем K-оболочка. M-оболочка (n=3): Третья оболочка, расположенная дальше от ядра, чем L-оболочка. N-оболочка (n=4): Четвертая оболочка и так далее. В атомной структуре K, L, M и N-оболочки соответствуют значениям главного квантового числа (n) 1, 2, 3 и 4 соответственно, представляющим энергетические уровни или электронные оболочки вокруг ядра атома. Частота Лармора: Когда атомные ядра подвергаются воздействию магнитного поля, угловая скорость ω0 этой прецессии определяется формулой ω0 = γ B0. Эта скорость называется частотой прецессии Лармора. где γ — гиромагнитное отношение, а B₀ — напряженность магнитного поля. Теперь предположим, что дополнительное небольшое магнитное поле B1 приложено перпендикулярно B0 в плоскости, образованной магнитным моментом µ, и поле B1 будет действовать на µ, увеличивая угол Ө. Если поле B1 вращается вокруг B0 с частотой прецессии Лармора ω0, то создаваемый крутящий момент будет постоянно изменять угол Ө. Когда частота вращения магнитного поля B1 равна частоте прецессии ядра, ядерная система наблюдает энергию, и происходит переход с более низкого энергетического уровня на более высокий. Из-за этого вектор магнитного момента «переворачивается» из одной ориентации в другую. Поглощение ядерной энергии вращающимся магнитным полем в присутствии постоянного магнитного поля называется ядерным магнитным резонансом (ЯМР). (Явление резонанса происходит только тогда, когда угловая скорость вращающегося поля равна частоте прецессии Лармора магнитного момента.) ЯМР регистрирует различия в магнитных свойствах различных присутствующих магнитных ядер. • Можно определить наличие различных типов окружения в молекуле. • Можно определить, какой атом находится в соседних группах. • Также можно определить количество атомов. В ЯМР-спектроскопии типичная ячейка для образцов имеет длину 8,5 см и диаметр 0,3 см. Держатель образца должен быть химически инертным, долговечным и прозрачным для радиочастотного излучения. Стеклянные трубки часто прочны, практичны и недороги. Для получения спектров высокого разрешения образец должен находиться в жидком состоянии или растворе. Магнит должен создавать однородное магнитное поле. Напряженность магнитного поля велика, поскольку химические изменения связаны с напряженностью поля. Два критерия имеют решающее значение при проектировании магнита: i. однородность или равномерность поля и постоянство напряженности поля; ii. максимально достижимая напряженность поля. В спектрометрах, работающих на частотах от 100 до 230 МГц, обычно используются постоянные и обычные электромагниты. Пара катушек (катушек Гельмгольца), расположенных параллельно поверхности магнита, может использоваться для изменения приложенного поля на небольшом расстоянии. Это изменяет силу ранее приложенного магнитного поля. Для резонанса ядра частота прецессии должна быть равна частоте приложенного поля или радиочастотного излучения. В методе сканирования поля частота радиочастотного излучения остается постоянной, в то время как частота прецессии изменяется путем изменения приложенного магнитного поля. Метод сканирования частоты используется для резонанса ядра. Частота радиочастотного излучения изменяется таким образом, чтобы она равнялась резонансной частоте или частоте прецессии. Для генерации радиочастот используется генератор радиочастот. Обычно используется генератор с фиксированной частотой 60 МГц. Для максимального взаимодействия радиочастотного излучения с образцом катушка генератора обматывается вокруг контейнера с образцом. Катушка наматывается перпендикулярно приложенному магнитному полю. Катушка использовалась для направления радиочастотного сигнала, генерируемого резонирующими ядрами. Электрический сигнал, генерируемый в катушке, необходимо усилить, прежде чем его можно будет записать. Детектор помогает определить неабсорбированные радиочастоты. Принимаемые ВЧ-детектором сигналы ЯМР записываются регистратором. В спектре протонного ЯМР этилметилового эфира (метоксиэтана, CH3OCH2CH3) вы увидите два сигнала: триплет для метильной группы (CH3) и квартет для метиленовой группы (CH2), возникающие в результате расщепления сигналов соседними протонами.