Исследование структуры гумусовых кислот методами спектроскопии ЯМР 1Н и 13С (1105574), страница 7
Текст из файла (страница 7)
В литературе не удалосьобнаружить работ по использованию релаксантов в спектроскопии13С ЯМР ГФК. Сдругой стороны, специфика ГФК заключается в наличии в самих молекулах этих веществпарамагнитных центров, преимущественно семихинонов, а также ионов железа [85, 66,12]. В работе [85] отмечалось, что локализация этих центров вблизи наиболее медленнорелаксирующих ядер13C оказывает нивелирующее воздействие на релаксационныехарактеристики различных типов ядер13С в ГФК.
Помимо этого величина T1 всех типовядер в структуре ГФК снижается благодаря низкой подвижности макромолекул этих36соединений. Эти факторы делают возможным получение количественных13С спектровЯМР ГФК без добавок релаксанта. При этом определяющим фактором, влияющим наколичественность получаемых данных остается время задержки между импульсами.Существует ряд работ, посвященных исследованию данной проблемы.Так, в работе [81] было выполнено исследование влияния Тd в интервале 0.03-5 с на13спектральные интенсивности основных диапазоновС ЯМР спектра ГК почв,полученного при использовании 90° импульса.
Согласно полученным данным, дляполучения количественных спектров величина Тd должна быть не ниже 5 с.В работе [91] было выполнено исследование влияния времени задержки импульса13(Td) на интенсивность четырех диапазоновС ЯМР спектра ГФК в интервале времензадержки 0.1 - 2 с (рис. 1.14).
При этом ширина импульса составляла 45°.% от общей интенсивности40СAlkСAlk-OСArCСOOH302010время задержки, сек.000.511.52Рис. 1.14. Влияние времени задержки на интенсивность спектральных диапазонов вспектре 13C ЯМР ГФК. [91]Согласно данным, полученным в этой работе, увеличение времени задержки свыше 1с не вызывало изменений в относительной интенсивности указанных спектральныхдиапазонов. Аналогичные данные были получены в работе [85]. Авторы [91, 85] сделаливывод, что использование Td=0.5-1c позволяет получать количественные 13С ЯМР спектрыГФК. В работе [91] подчеркивалось, что дальнейшее увеличение времени задержкиневыгодно, так как при этом существенно возрастают временные затраты на регистрациюспектров.Следуетотметить,чтоспектрысìàêñèìàëüíîéзадержкой,полученныевперечисленных работах, имели крайне невысокое качество.
Этот факт не позволяетоднозначно оценить достоверность сделанных заключений и безоговорочно принятьрекомендации авторов.37Наиболееподробноеисследованиевлияниярелаксационнойзадержкинаинтегральные интенсивности различных областей спектра было выполнено в работе [66].Авторами были зарегистрированы спектры растворов препаратов ГК и ФК речных вод в12С ДМСО в интервале Td от 0.2 до 10 с при использовании 90° импульса. Полученныеданные позволили оценить величину T1 для различных типов углерода в обоих препаратах(табл.1.9).Таблица 1.9.Времена спин-решеточной релаксации для ядер 13С в структуре ФК и ГКречных вод [403].С=OCOOHArAlk-OAlkФК1.4≤T1≤1.81.4≤T1≤1.80.7≤T1≤1.40.2≤T1≤0.40.1≤T1≤0.2ГКT1≈1.40.7≤T1≤1.80.7≤T1≤1.4T1≈0.4T1≈0.2Авторы рекомендуют для получения количественных13С ЯМР спектров ГФКиспользовать Td порядка 6 с.
Однако данные о скорости релаксации, полученные длярастворов ГФК в ДМСО, вряд ли корректно переносить на водные растворы бездополнительнойпроверки.Однойизпричин,осложняющихприменениевышеизложенной информации может быть различное содержание парамагнитных центровв растворах ГФК в воде и органических растворителях [90].Серьезная проблема, возникающая при интерпретации подобного рода данных,связана с фрагментной неоднородностью исследуемых областей спектра.
В работе [70]был проведен анализ изменения высоты 12-ти наиболее интенсивных пиков в спектре ГКпочв при увеличении времени задержки от 0.5 до 20 с. При этом было показано, чтогруппы сигналов в пределах одной спектральной области характеризуются значительноразличающимися скоростями релаксации. Таким образом, выбор времени задержки взначительнойинформации.мереможетопределятьсяжелаемойдетализациейспектральнойЧастота использования3840%30%20%10%0%<0.50.5123время задержки, сРис. 1.15. Статистика использования различных времен в4138>8С ЯМР ГФК задержки в 56работах (1984 - 1997 г.г.)Таким образом, в настоящий момент не существует единого мнения относительновеличины оптимального времени задержки между импульсами, позволяющего получатьколичественные спектры13С ЯМР ГФК с высоким соотношением сигнал/шум приразумных затратах времени на регистрацию спектра, а используемый различнымиисследователями диапазон времен релаксационной задержки крайне широк (рис.
1.15).Как видно из данного рисунка, подавляющее большинство исследователейиспользуют времена задержки 2 с и менее. При этом авторы, как правило, ссылаются наполученные данные как на результаты количественного исследования, что, к примеру, дляэкспериментов с Td<0.5 c. является сомнительным в свете вышеизложенных результатов.Наиболее важный для количественного анализа ГФК случай проявления ядерногоэффекта Оверхаузера - регистрация спектров ЯМР13C в условиях полной развязки отпротонов [118]. Фактор ЯЭО (η) рассчитывается по формуле:η = (IЯЭО - I)/I,(1.6)где IЯЭО и I - интегральная интенсивность сигнала при наличии и в отсутствие ядерногоэффекта Оверхаузера, соответственно [110].Величина η для ядер углерода может достигать максимального значения 1.988, еслидоминирующий вклад в спин-решеточную релаксацию вносит диполь-дипольныймеханизм [69].
Благодаря присутствию в молекулах ГФК парамагнитных центров,обеспечивающих эффективный электронно-ядерный механизм релаксации, эта величина вслучае ГФК существенно ниже.39Оценка величины фактора ЯЭО для ГК и ФК почв была проведена в работе [91].Согласно данным, полученным на спектрометре с рабочей частотой 62.8 МГц для ядер13С, величина η для различных типов ядер 13С в структуре ГФК не превышает 1. При этомфактор ЯЭО уменьшается в ряду алифатические - карбогидратные - ароматические карбоксильные атомы 13С.Аналогичная закономерность обнаружена в работе [66], выполненной при рабочейчастоте спектрометра 75 МГц для ГК и ФК речных вод (табл.
1.10).Таблица 1.10.Факторы ЯЭО для различных областей спектра ГФК речных вод [66]Спектральнаяобласть, м.д.220-180180-160160-9090-6060-0ФК0.20.350.310.670.9ГК0.110.140.190.480.66Для устранения ядерного эффекта Оверхаузера широко используемым приемомявляется выключение шумовой развязки от протонов на период релаксационной задержки[68, 70, 66, 110]. В упомянутых работах сделан вывод, что при этом ядерный эффектОверхаузера снимается полностью.Существует метод количественного анализа без сохранения истинных соотношенийинтенсивностей в спектре - метод весовых факторов, предусматривающий калибровкусигналов по образцам известной концентрации [15].
Этот метод экспрессен, поскольку нетребует подавления ядерного эффекта Оверхаузера и позволяет использовать оптимальноесоотношение между углом Θ и временем повторения импульсов. Принципиально этотметод способен учесть в итоге все систематические ошибки. Однако он требует строгойстандартизации условий эксперимента и условий релаксации всех интересующих ядер,что накладывает серьезные ограничения по составу и концентрации образца, способуприготовления, вязкости и т.д. Тем не менее, существуют работы, обосновывающиеприменение метода весовых факторов для анализа нефтепродуктов [123]. Однако,применение данного метода для анализа препаратов ГФК представляется на настоящиймомент крайне сложной задачей, в первую очередь, с точки зрения выбора калибровочныхстандартов,неизвестны.посколькусоответствующиерелаксационныехарактеристикиГФК40Твердофазная спектроскопия 13С ЯМР ГФК.В настоящее время общепринятой техникой получения твердофазных13С ЯМРспектров является сочетание перекрестной поляризации с вращением под «магическимуглом» (Cross Polarisation Magic Angle Spinning, CPMAS) [69, 70, 110].
Поскольку прирегистрации13C ЯМР спектров в твердой фазе достигается максимальная концентрацияГФК, то по сравнению с ЯМР растворов получение спектров аналогичного качестватребует значительно меньше времени [124, 110]. В связи со сравнительной дешевизной иэкспрессностью данный метод широко применяется для исследования ГФК.
Однако,выигрыш в качестве получаемых спектров за счет увеличения соотношения сигнал/шумнивелируется существенно большим уширением сигналов [69, 110, 125]. Данный факторприводит к еще более значительному перекрыванию спектральных областей, чтоувеличивает погрешность за счет разбиения спектра на интегрируемые диапазоны [66].Существенным недостатком твердофазной спектроскопии 13C ЯМР считается то, чтов связи с особенностями метода высока доля непроявляющихся в спектре ядер углерода.По некоторым оценкам количество невидимых ядер может достигать 50-70% общегосодержания углерода в структуре ГФК [69, 124], что вызывает обоснованные сомнения вадекватности получаемой структурной информации [30].Помимо этого, при регистрации CPMAS спектров может возникать значительнаянепропорциональность интенсивностей групп сигналов содержанию соответствующихатомов углерода в образце.
Так, в работе [66] указывается, что причинами этого для ГФКмогут являться неблагоприятные соотношения времен, характеризующих скорости кроссполяризации ТСН и спин-решеточной релаксации протонов T1H; а также присутствиепарамагнитных центров и особенности молекулярного движения. В случае, если каждаяинтенсивная полоса в CPMAS спектре ГФК характеризуется отличным от остальныхоптимальнымвременемкросс-поляризационногоимпульса,тополучениеколичественного спектра может оказаться неосуществимым [69, 110, 66].Хотя широко используемые параметры регистрации CPMAS спектров, основанныена времени контакта 1 мс и релаксационной задержке 1 с позволяют получатьколичественные 13С ЯМР спектры большинства простых органических молекул [126, 127],вопрос о возможности получения в этих условиях количественных спектров ГФК остаетсяпредметом дискуссии.В работах [128-130] при сопоставлении спектров CPMAS и в растворе был сделанвывод, что использование времени контакта 1 мс и релаксационной задержки 1 спозволяют получить количественные CPMAS спектры лигнина, ГФК почв и морскихседиментов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
