Э. Дероум - Современные методы ЯМР для химических исследований (1125882), страница 42
Текст из файла (страница 42)
8. 6.2. Селективный перенос заселенности Как это ни странно, метод, позволяющий перенести интересующие вас свойства протонов на другие ядра, известен уже много лет под названием селективяага переноса заселенности БРТ !Бе!есбче Рорц1айоп Тгапз!ег) или, что более точно соответствует нашему эксперименту, селективной инверсии заселенности БР1 (Бе!еспче Роро!абоп 1пчегз!оп).
Для того чтобы понять происходящие в нем процессы. мы должны подробнее рассмотреть уровни энергии спиновой системы и их заселенности. Мы проанализируем систему АХ, которую можно представлять себе состоящей из протона и ядра "С, во это может быть и любая другая пара ядер со спином 1!2. На рис.
6.1 изображена диаграмма энергетических уровней этой системы и спектры каждого из ядер. Мы остановимся на нескольких существенных деталях рисунка. Энергии протонных и углеродных переходов псрсдавы в масштабе. Ларморова частота протонов в 4 раза выше частоты углерода, поэтому протонные переходы имеют в 4 раза большую энергию. Разлвчия энергий двух переходов (Н, и Н, С, и С~), обусловленные спин-спиновым взаимодействием, настолько малы в сравнении с общей энергией, что в масштабе диаграммы не видны.
Нас больше интересует разность заселеивостей по каждому из переходов. В условиях теплового равновесия, которое наблюдается в начале эксперимента, разность заселеввостей по протонным переходам должна в соответствии с законом Больпмана в 4 раза превышать разность по углеродным переходам. Будем обозначать эти разяагти 2ЛН и 2ЛС, тогда ЛН = 4ЛС. Реальная заселенность каждого уровня и, следовательно, численные величины разностей зависят от "С 'Ь ° ~ь — ~ — ~-— Рис. 6.!.
Энергетические уровни ге~ероялерной системы АХ и их заселенности. общего числа присутствуюших ядер А', Но нам удобнее пользоваться ве собственно заселенностями уровней, а их отличием от А!/4 (этот прием мы уже использовали для двухуровневой системы в разд. 4.2.6 гл. 4 и для гомоядервой двухспиновой системы в разд. 5.2.2 гл. 5); именно эти значения и приведены на диаграмме. Теперь мы уже можем кое-что сказать об относительных интенсивностях сигналов ' С и 'Н в нашей системе.
Избыток заселенности по протонным переходам в 4 раза больше углеродного, кроме того, протонный магнигный момент в 4 раза превышает углеродный (поскольку ов пропорционален у); следовательно, воздействие к~'2-импульса иа протоны создает в 16 раз большую поперечную намагниченность. чем в случае "С. Сигнал,наводимый в катушках приемника прецессией этой намагниченности, пропорционален скорости самой прецессии (в 4 раза большей у протонов). Таким образом, регистрируемый сигнал протонов будет в 64 раза ингевсивнее сигнала углерода (т.с. в общем случае интенсивность сигнала ЯМР ядер с гиромагиитным отношением у пропорциональна уз).
Помимо этого, низкое природное содержание изотопа "С уменьшает сигнал еше примерно в 100 раз, во это уже несущественно для вашего обсуждения. Мы можем считать, что работаем с веществом, обогащенным изотопом 'зС. Именно по причине пропорциональности сигнала ЯМР величине уз наблюдение протонов оказывается наиболее удобным. Следующее за ними ядро, представляюшее широкий интерес (в отличие от ядер "Р, зН, зНе и двух изотопов таллия, ве представляющих интереса),— это "Р, имеющее у, в 2,5 раза меньшее, чем у протонов, что приводит к 16-кратному понижению чувствительности, т.е. к увеличению в 256 раз времени накопления спектра для получения того же отношения сигнал,'шум в нредположевии равных скоростей релаксации.
Если же взять, например, родий !'ьзК)г) с у, составляющим только 3;гь от 'Н, то мы получим снижение чувствительности в 32 тыгячи раз, несмотря ва 100ьгь-ное природное содержание этого ядра. Эксперимент по БР! позволяет очень простым способом сделать зависимость от у только квадратичной. Наша система дает спектр первого порядка, поэтому каждая наблюдаемая в нем линия соответствует переходу отдельного ядра.
Теперь представим себе, что одна вз протонных линий подверглась воздействию селективвого к-импульса, в результате чего заселенности по соответствуюшему переходу иивертиравались. На практике это достигается при использовании достаточно низкой мощности радиочастотного поля протонного декаплера, например импульса длительностью 20 мс при амплитуде поля 25 Рц, На рис. 6.2 изображено состояние системы после селективной инверсии заселенности. Оно отличается от равновесного только тем, что заселенности по переходу Н, поменялись местами.
Но посмотрите, чзо произошло с разпост.ями засслснностей. Их величины цо протонным переходам не изменились, пс считая зого, ч~о одна нз разностей поменяла знак. По углеродному же переходу С,, где разность раньше Глава 6 192 сн- сс ) цн) сн сс Рис. 6.3. Эксперимент БР!, выполненный лля хлороформа: а — инвертирование сателлита в слабом иоле; б — инвертирование сателлита в сильном поле; в — нормальямя спектр. "с ~ нс.» Гс 6.3. !МЕРТ 6.3.1. Введение и-и Рис.
6.2. Новые заселенности после инверсии одного из протонных персхолов. составляла 2ЛС, теперь мы получаем (ЛН -~ ЛС) — ( — ЛН вЂ” ЛС) или 2ЛН -~ 2ЛС. По переходу Сх, наоборот, получаем ( — ЛН -~ ЛС) — (ЛН— — ЛС) или — 2ЛН -~ ЛС. Таким образом, мы перенесли протонные разности заселенностей на углеролные переходы и прибавили их к существуюшнм разностям! Если сразу после этого подействовать на углеродную намагниченность а/2-импульсом и зарегистрировать сигнал, то мы получим дублет с интенсивностями компонент +5 и — 3 (относительно интенсивности сигналов при прямом наблюдении без селективной инверсии), поскольку ЛН = 4ЛС.
Так как один из переходов получает отрицательный вклад от протонов, а другой — положительный, то говорят, что сум.иарпый перенос намагниченности отсутствует, ио наблюдается разноетиый перенос поляризапии. Заметим, наконец, ч).о полная инверсия заселенностей не обязательна, лоста) очно будет любого неравного их возмущения. Именно в такой ситуации возникает БРТ-эффект, обсуждавшийся в разл. 5.3.3 гл.
5. На рис. 6.3 представлен результат эксперимента БР1. Существует несколько проблем, связанных с экспериментом БР1. Первая — это его сепективпоеть; при выполнении эксперимента нам придется инвертировать не сами протонные линии, а их С-сателлиты. )з Кроме то)о, БР! не может использоваться лля получения спектров с развязкой от протонов, поскольку включение декаплера приведет к частичной компенсации противофазных линий, т.е. восстановлению нормальных интенсивностей. Таким образом, эксперимент БР1 интересен не сам по себе.
Он важен тем, что открывает путь к целому классу Перенос поляризации и редактирование спектров 193 более общих методов переноса поляризации, разработанных после !980 г. Обсуждаемые в этой главе эксперименты обычно осуществляют перенос поляризации от одного ядра к другому, сопровождающийся увеличением интенсивности регистрируемого сигнала в 7)/7, Раз. Основная идея. Основное ограничение эксперимента БР1-это недостаточная общность. Если мы иайлем какой-либо способ поляризации всех протонных переходов независимо от частоты, то мы, очевилио, получим многообещающий эксперимент.
Мы должны предложить такую последовательность импульсов, которая, как и БР1, придает парам протонных переходов противоположные фазы, но делает- это с помощью иеселективных импульсов и независимо от химических сдвигов. Такая последовательность может использовать спиновое эхо лля ориентации компонент дублетов вдоль различных осей: Б.
(х, 2)н — г — я„— т — (я/2)у 1: (я/2), Выборка... В этой записи, которая была приведена в первом сообщении об эксперименте 1ХЕРТ [2] (1пзепыйче Хпс!е! Епйапсес! Ьу Ро!апвайоп Тгапа(ег— низкочувствительные ядра, усиленные с помощью переноса поляризации), буква Б (зепГйбче) обозначает чувствительные ядра, т.е. дающие мощный сигнал, а 1 (пжепяйке) — низкочувствительные со слабым сигналом (в нашем случае 'Н и "С соответственно). К сожалению, не все авторы придерживаются этого обозначения, и во многих публикациях можно встретить использование буквы 1 лля ядра, с которого переносится поляризация, и буквы Б лля ядра, на которое она переносится.
Конечно, это совершенно произвольное обозначение, ио от авторов Глава 6 194 -++ + аз аа эз эо и а. Рис. 6.4. Последоаательносгь !!ЧЕРТ для системы АХ. можно было бы ожидать большей последовательности. Везде в этой главе буквой 3 будут обозначаться ядра, с которых переносится поляризация, и буквой ! — ядра, на которые она переносится (независимо от того, какое из ннх чувствительнее), Мы легко можем проанализировать воздействие приведенной выше последовательности иа систему АХ с константой ! (рис.
6.4). Задержка т выбирается равной !/4л, и компоненты дублета (прецсссирующие во вращающейся системе координат с частотой Ь У!2 Гц) успевают за это время пройти !/8 полного цикла. к-Импульс на частоте ядра б переносит эти компоненты во вторую половину плоскости х — у, а импульс на частоте ядра ! предохраняет его от рефокусировки с помощью изменения направления прецессии. Во время второй задержки т химические сдвиги и неоднородность поля рефокусируются, и в дальнейшем их можно не учитывать. В конце второй задержки компоненты дублета ядра $ находятся на осях +х.
Два заключительных н/2-импульса на ядрах Я и 1 обычно производятся одновременно, но для облегчения понимании мы будем считать, что сначала производится З-импульс. Будучи (х(2),.-иьгнульсом, он помешает находящиеся на осях + х компоненты на ось з: одна из них оказывается направленной вверх, а другая— вниз. В результате мы получили требующуюся противофазную ориентацию компонент дублета и после н,!2-импульса на ядре 1 можем регистрировать более интенсивный сигнал, как и в случае ЗР! (рис.
6.5). Исходиан намагниченяость ядра 1. Прн воздействии иа систему последовательностей ЗР1 и !ХЕРТ перенесенная разность заселенностей накладываетси на уже существующую разность по переходам ядра 1. По этой причине интенсивности регистрируемых положительных и отрицательных сигналов не равны и н случае дублета С составляют +5 гз и — 3. Во многих применениях переноса поляризации такое нлияние исходной намагниченности переходов ядра 1 оказывается нежелательным, поэтому требуется принимать какие-то меры для его исключения.
Существует несколько способов, позволяющих устранить влияние Перенос поляризации и редактирование спектров 196 Рнс. блй !!ЧЕРТ позволяет получить на всех дублетах эффект, который 9Р! позволяет только на одном. исходной намагниченности. Поскольку полярнзщгия ядра 1 не требуется на протяжении всей последовательности, его можно, например, насытить до начала эксперимента. Для этого подойдут широкополосное облучение (но оно обычно недоступно на отличных от протонов ядрах), один или несколько к/2-импульсов на частоте 1 или создание градиента поля Ве вслед за н/2-импульсом (т.с. ларугигнои(ий ог5нородггость импульс — Ьотозрой рц!зе).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
