Введение в ЯМР-спектроскопию

Эйми О'Дрисколл, бакалавр наук, магистр делового администрирования, имеет десятилетний опыт работы химиком-разработчиком и опытный научный писатель. С ней можно связаться по адресу [email protected].

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) позволяет ученым изучать структуру, свойства и динамику молекул путем измерения реакции ядер на магнитное поле. Он неинвазивен и широко используется в ряде областей, включая медицину, фармацевтику, пищевую промышленность, экологию и энергетику. Этот универсальный аналитический метод быстро развивается, и его эффективность часто повышается за счет сочетания с различными методами хроматографии.

ЯМР-спектроскопия основана на открытии того, что некоторые атомные ядра ведут себя как крошечные магниты в результате ядерного вращения. При помещении в приложенное магнитное поле эти ядра выравниваются параллельно или антипараллельно полю. Энергия, необходимая для изменения этого выравнивания, пропорциональна силе магнитного поля.

ЯМР-спектрометр состоит из трех основных частей: магнита, радиочастотного (РЧ) передатчика и радиочастотного приемника. Образец помещается в пробирку или зонд и вставляется в магнит. Магнит создает стабильное однородное магнитное поле, которое заставляет ядра образца выравниваться в определенном направлении. Радиочастотный передатчик генерирует импульс, который возбуждает ядра и меняет их расположение. Возвращаясь к исходному расположению, ядра излучают электромагнитное излучение, которое обнаруживается радиочастотным приемником и преобразуется в спектр ЯМР.

Спектр ЯМР отображает интенсивность сигнала в зависимости от частоты РЧ. Разница между соответствующей радиочастотой пика и опорной частотой известна как химический сдвиг. Каждый пик соответствует определенному ядру, а химический сдвиг позволяет идентифицировать ядро ​​и его химическое окружение, например, типы связей, в которых оно участвует, или окружающий его растворитель.

ЯМР-спектроскопия также позволяет получить информацию о динамике соединения, например о подвижности составляющих его атомов и скорости химических реакций. Эти результаты требуют таких методов, как измерения релаксации — определение скорости, с которой ядра релаксируют до своего первоначального положения, — или изучение ядерного эффекта Оверхаузера, который включает измерение взаимодействия между различными ядрами.

ЯМР-спектроскопия имеет широкий спектр применений. Обычное использование включает определение структуры лекарств, белков, нуклеиновых кислот и других молекул, а также изучение динамики химических реакций. А поскольку ЯМР-спектроскопия предоставляет информацию о химическом окружении атома, она полезна для изучения каталитических процессов. Этот метод также служит основой для магнитно-резонансной томографии (МРТ), широко используемого диагностического инструмента. Тем временем ученые-материаловеды используют ЯМР-спектроскопию для исследования свойств и структур полимеров, керамики и многого другого.

Как и все методы, ЯМР-спектроскопия имеет свои ограничения. В первую очередь он ограничивается измерением ядер с нечетным числом протонов или нейтронов, хотя образцы могут быть обогащены обнаруживаемыми изотопами, такими как углерод-13 и азот-15. Кроме того, ЯМР-спектроскопия имеет относительно низкую чувствительность, а эксперименты могут быть дорогими и трудоемкими.

Итак, каковы некоторые ключевые преимущества использования этого аналитического метода перед другими? ЯМР-спектроскопия может предоставить качественные и количественные данные за один проход. Более того, этот метод неразрушающий, может работать с различными типами проб и требует минимальной подготовки проб. Он также отличается высокой воспроизводимостью и обеспечивает возможность высокого уровня автоматизации. В целом, это мощный метод, который дает ключевую информацию во многих областях.