Э. Дероум - Современные методы ЯМР для химических исследований (1125882), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Однако существует н дру>ой лимитирующий фактор, пе позволяющий использовать малое число прохождений даже для протонных спектров. Усреднение сигналов позволяет повысить степень подавления паразн>ных пиков, если нестабильность прибора, приводящая к их появлению, носит случайный характер. В этом случае мы достигнем улучшения подавления паразитиых пиков по сравнению с одним прохождением в число раз, равное квадратному корню из числа прохождений, как и прн улучшении отношения сигнал>'шум. Но нестабильность прибора помимо случайных факторов может содержать также и систематические дрейфы параметров, возникающие, например, за счег постепенного измевеввя температуры. Поэтому лучше всего через некоторые промежутки времени чередовать накопление васыщаемого и ненасыщаемого спектров.
Например, мы можем сделать 16 прохождеввй с облучением сигнала, затем 16 без облучения и повторить всю эту процедуру 1О раз, чтобы получить в сумме 160 прохождений в каждом ССИ. Таким образом мы можем добиться дополнительного уменьшения интенсивности остаточных пиков в 10 — 12 раз. Это значит, что если вам н конечном счете нужна ошибка 0,144, то точность при вычитапив ССИ для простой пары прохождений не должна превышать 1 — 24>ы Добиться хорошего воспроизведения амплитуды сигналов на практике достаточно легко. Значительно труднее устранить нестабильность фазы и частоты. Это два аспекта одного и того же явления, так как шум фазы непосредственно связан с модуляцией частоты.
Но мы будем рассматривать их раздельно, поскольку они дают различные результаты. Ннш подход основан ва анализе реального развосгного спектра после преобразования. т.е. спектра в частотной области. Сначала рассмотрим последствия небольшо> о изменения фазы 1р при переходе от одного прохождения к другому. Будем считать, что реальная часть ССИ после первого прохождения содержи> чисто абсорбционный си>нал.
Тогда прн втором прохождении (см. гл. 4), результат которого мы собираемся вычитать из первого. сигнал за счет сдвига фазы будет представлять собой эг = Асоз>р — Пз!пй> (5.18) Поскольку 1р — малый угол (если, конечно, спектромстр не сломан), мы можем значительно упростить это выражение. Градиент соз 1р при 1р = 0 минимален, а градиент яп 1р максимален.
Небольшие отклонения 1р от нуля вызовут незначительное изменение абсорбциовиой составляющей, в то время как дисперсионпая часть существенно вырастез. Таким ооразом, мы можем считать, что в разностном спектре с небольшим сдвигом фазы 1р абсорбциовная составляющая исчезнет полностью, а остаточные сигналы будут состоять только из днсперсиониой части с амплитудой, пропорциональной яп>р. Остаточные сигналы такого типа можно легко найти почти во всех спектрах этой главы.
Возьмем конкретный пример: сели 9> = 1*, то соз >р = 0,99985, а яп >р = 0,017, т. е. даже тикая небольшая ошибка фазы приводит к появлению предельно допустимых остаточных сигналов. Спектрометр с частотой 500 МГц, на котором получено большинство спектров для иллюстраций этой книги (самый совершенный прибор с цифровой генерацией частот и фаз), имеет среднюю нестабильность фазы порядка + 2 . Такая ошибка легко объясняе> появление в разноствых спектрах значительных остаточных сигналов. В этом отношении коммерческие приГ>оры нуждаются в дальнейшем усовершенствовании. Ядерный эффект Оверкаузера 173 Глава 6 172 Ряс.
5.16. При вычитании двух лоренцевых линий, даже совсем немного отличающихся по частоте, остается зна- чательны Й сигнал (в левой части рисунка различие частот едва заметно). Остаточные пики могут появляться и при вычитании сигналов с одинаковой амплитудой н фазой, во различными частотами (рис. 5.16). Похожая ситуация встречается и в фазочувствнтельной двумерной спектроскопии (гл.
8) при перекрывании двух линий с противоположными фазами. В гл. 3 мы уже записывали уравнение лоренцевой ливии с амплитудой А н шириной ва полувысоте И'(рис. 3.3): А И'г Игг + 4(но н)г (5.19) Рассмотрим две линии с и„= (+ 112)р И'и ( — 1/2)р И'(т.е. разделенные ва р ширин линий; нас интересуют случаи, когда р меньше 1). Пусть х = 2н/И', тогда нх разногтв можно записать как 1 1 У4'рр А 1+( — х)г 1+( +х)г (5.20) Это выражение ве соответствует точно днсперсиоввой лоревцевой форме, во задаваемая им линия также проходит в центре через иулгы в точке х = 0 или посредине между двумя лореицевымн ливиями (рнс. 5.16). Нам нужно узнать амплитуду этой линии, и мы найдем х-координаты ее максимума и минимума. Проднфференцировав (5,20), приравняв полученное уравнение нулю и решив его относительно х, получим =-- — В'ггрр'гр'гг — В' /3 (5.21) Это очень интересное уравнение Из него следует, что даже для сравнительно больших величин р измеряемая разность частот двух противофазных пиков значительно отличается от их действительной разности.
Например, для р = 4 ошибка составляет 17%. Об этом важно помнить при измерении в двумерном фазочувствительиом спектре константы спин-спниового взаимодействия протонов порядка нескольких герц по двум линиям с противоположными фазамн примерно той же ширины. рео о ао Техника таких измерений рассматривается в гл. 8, где приведено графическое решение уравнения (5.21). Амплитуда остаточных пиков задается довольно сложным выражением (эта зависимость изображена графически ва рнс. 5.17), во пас с точки зрения разиостиой спектроскопии интересуют только малые величины р.
Выражение (5.21) имеет предел х = + 1!нгЗ при р — О, т. е. расстояние между максимумами близко к И) г3 при любых достаточно малых р. При этом условии амплитуда линии, т.е. разность интенсивностей самой положительной и самой отрицательной точек, отнесенная к амплитуде исходных линий, будет иметь вид 3,г'3 р -441П = (5.22) Таким образом, для того чтобы интенсивность остаточных сигналов не превышала 2%, частота ливий не должна изменяться от прохождения к прохождению более чем ва 1% их ширины.' Это значит, что для типичных протонных линнй шириной 1 Гц флуктуации поля не должны превышать 1О мГц, т.е. 5 1О 'в ва 500 МГц. Это близко к пределу стабильности частоты термостатироваввых кварцевых генераторов, Такая стабильность может быть достигнута, во это требует использования оптимальных конструкций приборов н тщательного контроля условий эксперимента. Использование при обработке данных экспоненциального умножения ССИ уменьшает амплитуду остаточных сигналов этого типа, поэтому желательно использовать зкспоненциальную функцию с большим ушнрением ливии, чем в оптимальном фильтре.
Оптямальиые условна разностной спектроскопии ЯЭО. Нам стало ясно, что измерение небольших ЯЭО требует от спектрометра предельной реализации всех его возможностей. Поэтому нужно выяснить, что Г 1ВО 4 140 , по 1 1ао 1 во 40 ~ 40 4 КО г Рис. 5.17. Зависимость амплитуды ос- таточных сигналов разностного саектв аг аг а4 аз ав аг ак ар гр а Гг гг 14 гг Ра от расстояния Мегклу лоренаевымя Р 4 ныагвР1 1 р 1 лнннямн. Ядерный эффект Оверхауэера Глава 5 175 174 можно сделать для увеличения ЯЭО и улучшения подавления остаточных сигналов. Сначала рассмотрим последний вопрос. Стабильность спектрометра может зависеть от таких аспектов эксперимента, как дейтериевый лок и параметры окружающей среды образца.
В гл. 3 мы уже рассматривали систему лока, в разд. 5.3.4 дан более подробный ес разбор. Здесь мы постараемся выяснить, какие факторы. связанные с условиями, в которых находн1ся образеп, могут дестабилизировать эксперимент. Наиболее вероятный фактор — нестабильная температура. Химические сдвиги во многих случаях обладают значительной зависимостью от температуры, которая может проявляться на интересующих нас сигналах как непосредственно, так и через изменение химического сдвига опорного сигнала пока.
Особенно сильно это проявляется в водных растворах. Таким образом, прн измерении ЯЭО очень хорошо использовать температурную стабилизацию, которая легко достигается нагреванием образца чуть выше комнатной температуры. Нагреванне полезно еще и потому, что оно приближает образец к области предельного сужения. При работе с большими молекулами может оказаться необходимым использовать максимально допустимую для раствора температуру. Следуе~ иметь в виду, что обычный температурный блок спектрометра ЯМР-довольно грубое устройство с точки зрения поддержания температуры, близкой к комнатной.
По возможности. лучше купить нли сделать самому более качественный блок [8). В любом случае следует экспериментально проверить, дает использование температурного контроля улучшение или нег. Другой фактор,влияющий на качество развостных эксперыментов,— это, по рассказам ЯМР-спектроскопистов. перемещение людей и больших предметов возле лаборатории. Поэтому эксперименты по ЯЭО рекомендуется делать ранним утром или в воскресенье, хотя, по опыту автора, увеличение времени выборки позволяет полностью исключить влияние этих факторов.
Но все-таки во время проведения развостиых экспериментов лучше стараться избегать всяких движений в комнате, где стоит спектрометр, особенно если это прибор с высокой напряженностью поля. Другое направление, в котором мы можем частично контролировать эксперимент по ЯЭО,— это сама величина ЯЭО. Минимизируя р' н обеспечивая условия предельного сужения, мы тем самым увеличиваем шанс измерения чистой кросс-релаксации.
Это означает, что мы должны работать с разбавленными, тщательно обезгажеивыми образцамн в дейтерировавиых растворителях высокой изотопной чистоты. Желательно выбирать наименее вязкий из подходящих растворителей. Надо провери гь, достаточен ли период насыщения для установления новой равновесной заселенности, т.е. длительность облучения должна быть как минимум в 3 раза больше максимального Т„а лучше — еще больше. Особенно медленно возникает непрямой трехспиновый ЯЭО, поскольку установление промежуточного прямого ЯЭО, который должен появить- ся первым, само требует времени порядка Т,. Очень полезно предварительно оценить Т, по быстрой методике (гл. 7, разд. 7.5.3), особенно это важно в случае протонов, где в одной и той же молекуле Т, может меня1ься от долей секунды до 5 с и более.
Величины Т, могут помочь и в интерпретации данных ЯЭО, поскольку необычно большие Т, свидетельствуют об относительной изоляции протона от всточников диполь-дипольной релаксации. Выводы из величин ЯЭО ва таком протоне следует делать очень осторожно (вспомните протон Н„ четырехспииовой системы, обсуждавшейся в конце разд. 5.2.4). Селентивиоеть и проблема селектнвного переноса заселенности. До снх пор мы предполагали, что можем произвольно насыщать все ливии любого мультиплета.
Однако на практике насыщение одного сигнала в сложном спектре без возмущения остальных может представлять собой столь сложную проблему, что именно ова часто определяет возможность применения разностиого метода измерения ЯЭО. Решить ее можно только методом проб и ошибок, используя различные напряженности радиочастотного поля и оценивая насыщение желательных и нежелательных сигналов (общее обсуждение проблемы селективного облучения полями малой напряженности см. в гл. 7, разд. 7.7.2). Обычно, чтобы избежать насыщения находящихся поблизости сигналов, мы вынуждены использовать неполное насыщение интересующего нас мультиплета, что приводит к понижению величин ЯЭО. В связанных сливовых системах эта проблема может усложняться еще и эффектом, известным под названном селектнвного переноса заселенности (БРТ, от англ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
