Физические методы исследования белков и нуклеиновых кислот - Лазуркина Ю.С.
Скачать (прямая ссылка):
Н = Н0(\— а),
где а — постоянная экранирования, зависящая от характера электронного окружения.
Ядра одного вида в разных химических соединениях различаются распределением электронной плотности вокруг них и, следовательно, имеют разные значения а. В результате появление резонанса данного ядра в разных химических группах
Рис. 6. Спекпр высокого разрешения протонов этильной группы подкисленного этанола при 40 мггц
происходит при различных внешних полях, их полосы поглощения смещены одна относительно другой и составляют некоторый спектр. На рис. 5 показаны химические сдвиги отдельных групп этилового спирта в спектре протонного магнитного резонанса (ПМР) среднего разрешения. Спектр состоит из трех линий — линии группы СН3, линии группы СН2 и линии группы ОН. Интенсивность линий 3:2:1 соответствует количеству протонов в этих группах.
Возможные
ориентации
спинов
(п+1)
Протоны группы СН,
+ / О -1
Протоны группы СН.
+ /46 + 46
- 1*/г
Рис. 7. Возможные ориентации ядерных спинов протонов этильной группы и ожидаемое спин-спиновое расщепление линий
Сверхтонкое расщепление. В спектрах высокого разрешения ЯМР происходит симметричное расщепление сигналов отдельных химических групп (рис. 6). Это расщепление вызвано спин-'спиновым взаимодействием ядер различных химических групп через их электронное окружение. В отличие от прямого диполь-дипольного взаимодействия оно не усредняется при тепловом движении молекул и в отличие от химических сдвигов не зависит от величины приложенного поля. В соответствии с возможными ориентациями спинов, например при взаимодействии метиленовой и метильной групп, расщепление для метиленовой группы СН2 представляет квартет с отношением интенсивностей 1 :3:3: 1, а для метильной группы— триплет с отношением интенсивностей 1:2:1 (рис. 7).
Энергия спин-спинового взаимодействия через электронное окружение может быть представлена в виде скалярного произведения ядерных векторов /(1) и /(2):
En=J1J(\)I{2),
где /12 — константа спин-спинового расщепления (/\2 имеет размерность энергии и обычно выражается в герцах).
в. Экспериментальное наблюдение ядерного магнитного резонанса
Схематически устройство спектрометра ЯМР показано на рис. 8. Аппаратура состоит из трех основных частей: магнитной системы, системы приема резонансного сигнала и детекторной системы.
Магнитная система включает в себя магнит, обычно электромагнит, источник питания обмоток электромагнита и систему управления магнитным полем. Как правило, резонанса достигают медленным линейным изменением напряженности магнитного поля при фиксированной частоте генератора. Магнитная система создает постоянное магнитное поле в направлении оси г и обеспечивает развертку спектра ЯМР.
Система приема -резонансного сигнала состоит из генератора высокочастотного напряжения, создающего поле Яь и приемника сигнала ЯМР. На ампулу с исследуемым образцом надета небольшая катушка, расположенная в плоскости ху, на которую от генератора подается высокочастотное напряжение. При резонансе регистрируют либо падение высокочастотного напряжения на настроенном контуре, в схему которого входит катушка с образцом, из-за уменьшения 2-компоненты намагниченности (сигнал поглощения ЯМР), либо появление наведенной электродвижущей силы в катушке, распо-
ложенной перпендикулярно полю Н0 и катушке генератора, за счет появления при резонансе намагниченности в плоскости ху, вращающейся с резонансной частотой вокруг направления поля Н0 (сигнал ядерной индукции).
Детекторная система представлена детектором, серией каскадов усиления и регистрирующим устройством.
Общий вид спектрометра ЯМР высокого разрешения показан на рис. 9.
Современная фирменная аппаратура ЯМР позволяет наблюдать резонанс протонов на частотах 40,
60 и даже 100 Мгц. Разрешающая способность современных спектрометров достигает свыше 10~8 от резонансной частоты. Чувствительность при оптимальных условиях составляет около 5 -1017 протонов в образце. Однако обычно требуется 1018—1019 протонов для получения необходимого превышения сигнала над шумом.
г. Применение спектроскопии ЯМР высокого разрешения
Наиболее важным параметром спектров ЯМР высокого разрешения является химический сдвиг. Положение линий в шкале химических сдвигов отсчитывают от определенных эталонных опорных сигналов. Эти расстояния выражают либо в единицах напряженности магнитного поля или частоты, либо в более удобных безразмерных единицах 6, определяемых равенством
Н — я
g образца этало на e jq®
Н
пэталона
и измеряются в миллионных долях (м. д.).
В качестве опорного сигнала удобно брать узкий сигнал, удаленный от других линий спектра. Обычно в исследуемое
Система питания электромагнита и управления магнитным полем
