Э. Дероум - Современные методы ЯМР для химических исследований (1125882), страница 58
Текст из файла (страница 58)
Что же мы получим, записав зти точки как функцию Ч? Просто график амплитуды сигнала, которая осциллирует с частотой ч н затухает экспоненциально с постоянной времени Т,, как это изображено на рис. 8.3. Я надеюсь, вы сразу увидите, что этот график выглядит как некий ССИ. Конечно же, так она и есть — это синусоидальная осцилляция, экспоненциально затухающая, и мы оцифровали ее, выбирая значения Ч с некоторым шагом. Действительно, это ССИ, но не существующий в «реальном времени» как сигнал, который мы регистрируем в обычном ЯМР-эксперименте. Он генерируется точка за точкой как функция переменной г,. Чтобы-подчеркнуть это, мы назовем такой график интерферограммой. Рис.
8.2. Результат использования последовательности, изображенной яа ряс. 8. 1, с различными <,. Рас. 8ЕК Изменение амплитуды сигнала в спектре, представленном ие ряс. 8.2. Приведено сечение параллельно оси ьд секущая плоскость проходит через вершины пиков. Глава 8 Двумерная корреляционная сяектроскопия ЯМР 288 М ( »» Рис. 8.4. Результат преобразования по второй координате — двумерный сигнал поглощения. Альтернативное контурное представление (справа) обсуждается ниже в тексте. Сейчас мы отчетливо представляем себе, что если провести фурье- преобразование такого набора данных, то получится частотный спектр, содержащий лоренцеву линию с шириной ЦяТэ н частотой ч. Другими словами, то же самое мы уже получили нз «обычного» ССИ, составляющего основу этого эксперимента. Большей общности, чем при преобразовании только точек, соответствующих максимумам сигнала хлороформа, мы добьемся при фурье-преобразовании каждого столбца точек, взятого нз полного набора ССИ Это равнозначно двумерной обработке нашего набора данных, т.
е. вместо функции одной временной переменной, как в случае простого ССИ, это будет функция двух переменных Г(1» 1 ). Первый временной параметр ~, соответствует интервалу между двумя нмпульсамн (это первое время в эксперименте, следовательно, 1,), а второй параметр является «реальным временем», в течение которого производится выборка данных. Двумерное преобразование Фурье переводит наши данные в двумерный спектр частот Дч„ч ), н сейчас нам следует проработать вопрос о том, какую смысловую нагрузку несут переменные ч, н ч Очевидно, что чг является мерой химического сдвига ч сигнала н, как мне кажется, легко видеть, что переменная ч, также определяет химический сдвиг сигнала ч, поскольку полученная нами интерферограмма имеет осцилляцнн с частотой ч, Итак, мы получилн квадратный спектр с двумя ортогональнымн осами и с сигналом, имеющим в частотном представлении максимум в точке с координатами (ч, ч), т.е.
на диагонали (рнс. 8.4). Сечением этого спектра через его центр в направлении осей ч, илн ч является лоренцева линия с шириной 1(яТэ. Это наш первый двумерный ЯМР-эксперимент. Я могу согласиться, что он не слишком впечатляющий, поскольку не содержит никакой дополнительной информации по сравнению с обычным спектром. Однако ои имеет все необходимые элементы прототипа двумерного эксперимента (рнс.
8.5), в котором сигнал модулируется как функция переменной 1, н затем регистрируется как функция в . Все двумерневе эксперименты Ряс. 8.5. «Прототип» двумерного эксперимента. асуществллттсл таким образом. Я хочу особо выделить эту мысль, чтобы обратить внимание на то, что идея, лежащая в основе двумерной спектроскопии, на самом деле исключительно проста. Композиция некоторого «нечто» и некоторого «нечто другое» на рис. 8.5 может быть сложным делом, но концепция модуляции намагниченности перед ее регистрацией проста. Причина, по которой выбранный нами эксперимент выглядит недостаточно впечатляюще, заключается в том, что намагниченность претерпевает одинаковую модуляцию как в течение времени ем так н в течение времени ~, (прецессня на собственной ларморовой частоте).
Более интересны такие эксперименты, в которых в обоих временных интервалах происходят различные процессы. В общем мы стараемся проводить двумерные эксперименты таким образом, чтобы намагниченность, которая совершала эволюцию с какой-то частотой за время г, (т.е. была «помечена» этой частотой), прецессировала с другой (отличной от первой) частотой в течение времени 1 . Последняя частота в экспериментах всех типов будет описывать и химические сдвиги, и константы спин-спннового взаимодействия.
Это приводит к сигналам прн (ч,, ч ) с различающимися ч, н ч, т.е. к недиагональным нли кросс-пикам. Для того чтобы понять, как интерпретировать эксперимент, нам нужно знать, что представляют собой частотные оси (в нашем примере онн обе являются протонными химическими сдвигами, но могут быть и сдвигами разных ядер илн константами спин-спинового взаимодействия н химическими сдвигами и т. д.). Важно также знать, как СааэаНЫ НаМаГННЧЕННОСтн В ПЕРИОД 1, И Ьм ИЛИ, ДРУГИМИ СЛОВаМИ, Чта приводит к появлению кросс-пиков. Когда мы проводим двумерный эксперимент, нам необходимо задать диапазон изменения 1, и величину приращения между отдельными значениями (инкремент) 1,. Более подробно этот вопрос мы обсудим ниже, но сейчас я хотел бы отметить, что оцифровка интервалов (, полностью аналогична оцифровке обычных ССИ.
Таким образом мы используем понятие ширины спектральной полосы (которая определяется диапазоном ожидаемьгх частотных модуляций в течение времени П) для того, чтобы определить инкремент г, в соответствии с критерием Найквнста. Мы также используем понятие цифрового разрешения для определения общего объема выборки данных по этой временной координате. Прн этом мы сразу сталкиваемся с серьезными практическими проблемамн. Вспомним пример из гл.
2, в котором мы оцнфровывали протонный спектр с рабочей частотой 500 МГц, занимающий область химических сдвигов 1О м.д. Для того чтобы получить цифровое разрешение 0,2 Гц на точку, необходимо использовать время выборки Глава 8 Двумерная корреляционная спектроскопия ЯМР 267 данных 5 с и объем памяти, достаточный для хранения 50000 действительных чисел (или 25000 комплексных чисел при использовании квадратурного детектирования). Все этн параметры являются практически достижимыми для спектрометров, оснащенных современными системами обработки данных. Если мы попытаемся провести описанный выше двумерный эксперимент с использованием такой же полосы частот и такого же цифрового разрешения в обоих измерениях, то для этого потребуется 50000 слов для представления переменной 1, и дважды по 25 000 слов для 1„что в целом составит 2 500000000 слов! Общее время такого эксперимента можно оценить следующим образом: это 7,5 с (средняя величина 1, плюс время выборки данных по г,), повторенное 25 000 раз, и все это помножено на 8 (из-за технических ограничений это, по-видимому, минимальное число прохождений для каждого значения а„как мы увидим в дальнейшем).
Это составит 17 суток! Очевидно, нам необходимо уточнить наши представления об оцифровке спектров, когда мы приступаем к двумерным ЯМР-экспериментам. Чтобы не показалось, что двумерная спектроскопия несет с собой только одни бесконечные технические проблемы, мы сейчас перейдем к рассмотрению таких ситуаций, когда этн эксперименты оказываются в высшей степени информативными. Действительно, определенные трудности возникают при обработке двумерных массивов данных. Накопив определенный запас энергии и энтузиазма, мы вернемся к рассмотрению этих проблем. 8.3. Эксперимент Джинера 8.3.1.
Введение Та последовательность, которую мы сейчас изучали, фактически являющаяся первым двумерным ЯМР-экспериментом, предложена Джннером в 1971 г. Ее полезность станет очевидной, когда мы рассмотрим, что произойдет при действии второго импульса на систему, которая имеет гомоядерную спин-спиновую связь. Однако перед тем, как перейти к этому вопросу, я хочу обратиться к эксперименту, который, хотя и является в высшей степени непрактичным, очевидно, мог бы оказаться полезным, если бы его можно было бы реализовать.
В дальнейшем станет ясно, что основные недостатки этого вымышленного эксперимента не характерны для эксперимента Джинера, в то время как информационная емкость каждого из них сравнима. 8.3.2. Двумерный эксперимент. Непрерывная развертка — преобразование Фурье Гомоядерная развязка является старым и очень информативным экспериментом. Как известно, она позволяет определить, какие группы ядер в молекуле связаны спин-спиновым взаимодействием, что в свою очередь часто подтверждает или опровергает гипотезы о ее строении. Подтверждение спин-спинового взаимодействия с помощью этого эксперимента принято считать более «солидным» доказательством типа структуры, чем простое рассмотрение данных по химическим сдвигам и константам спин-спинового взаимодействия, причем мнение это достаточно распространено.
Оно основано на нашей уверенности в том, что, например, в протонных спектрах большие константы будут редко наблюдаться между ядрами, разделенными более чем тремя связями. В сравнении с этим информация, полученная из величин химических сдвигов, может оказаться в существенной степени неоднозначной, поскольку сдвиги подвержены влиянию большого числа факторов, и мы не знаем точно их действие. Поэтому опасно опираться только на данные по химическим сдвигам при определении структуры.
Назначение этой книги состоит в том, чтобы в ряде случаев нам избавиться от необходимости так поступать. При определении характера спин-спиновой связи с помощью гомо- ядерной развязки возникают некоторые проблемы. Если мы имеем дело со сложным спектром, то может оказаться неочевидным, облучение каких сигналов будет наиболее информативным. При этом мы можем потратить массу времени на проведение тех экспериментов, которые окажутся совершенно неинформативными. Даже если мы знаем, какие сигналы следует облучить, не всегда в спектре, имеющем сильное перекрывание сигналов, можно провести облучение с необходимой селективностью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
