Физические основы метода

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) основан на поглощении энергии переменного электромагнитного поля определенной частоты ядрами (протонами и др.), помещенными в постоянное магнитное поле [5]. Другими словами, ЯМР обусловлен резонансными переходами между уровнями магнитной энергии атомных ядер во внешнем магнитном поле в области радиочастот (1-500 МГц). Сигналы ЯМР были впервые получены в 1945 г. Блохом на протонах воды и Пурселлом на протонах парафина; за это открытие они были в 1952 г. удостоены Нобелевской премии. Метод ЯМР выгодно отличается от других методов исследования тем, что не требует непосредственного контакта с образцом, не вносит абсолютно никаких возмущений в исследуемые объекты, является экспрессным [6].

Ядерный магнитный резонанс наблюдают в соединениях, молекулы которых имеют ядра, обладающие не только массой и зарядом, но и собственным механическим моментом (моментом количества движения), называемым спином. Наличие спина приводит к существованию собственного магнитного момента ядра, который проявляется лишь в специальных физических экспериментах. К таким ядрам относятся ядра водорода (протоны Н), изотопов азота, фтора (14N, f9F), углерода (13С), кислорода (170) и др. Для характеристики химического строения веществ, в том числе и полимеров, используют ЯМР высокого разрешения на ядрах *Н, 13С, 31Р, 19F, 35С1 [7]. Наиболее ши-роко изучен метод ЯМР *Н - так называемый протонный магнитный резонанс (ПМР).

В отсутствие внешнего магнитного поля ядра ориентированы хаотично и занимают состояния с различной энергией. При наложении магнитного поля ядра могут перейти на другие энергетические уровни и ориентироваться определенным образом по отношению к магнитному полю.

Таким образом, если в веществе, ядра которого имеют магнитный момент ц и которое расположено во внешнем магнитном поле с напряженностью Н0, распространяется электромагнитная волна с частотой v, то возможно резонансное поглощение энергии. Рис. 10.1. Принципиальная схема ядерного магнитного резонанса

В рассмотренном примере грубого приближения спектр поглощения протона представляет собой одну линию. На самом деле на каждый протон воздействуют магнитные поля окружающих его протонов, приводящие к появлению отличной от нуля напряженности локального магнитного поля НЛОК, и условие резонанса имеет вид

hv = 2fi(Ho + HJK„t). Наличие локального поля приводит к расщеплению энергетических уровней; спектр поглощения при резонансе приобретает сложную форму.При обычных условиях происходит самопроизвольный переход ядер с верхнего уровня с большей энергией на нижний уровень с меньшей энергией; это явление называется релаксацией. В результате заселенность нижнего уровня становится выше, и образец в целом поглощает энергию. Процессы релаксации проходят через взаимодействие ядер (спинов) как между собой, так и с окружающей средой (решеткой); в соответствии с этим рассматриваются два механизма релаксации: спинспиновый и спин-решеточный.

Если ядро передает энергию соседним ядрам того же рода в результате обмена спином, этот процесс называется спин-спиновой релаксацией. Он не изменяет населенности спиновых состояний и выражается временем спин-спиновой релаксации Т2.

Процесс передачи ядром части энергии своему окружению посредством безызлучательного перехода называется спин-решеточной релаксацией. При действии на полимер внешнего магнитного поля ориентация спинов определяется поляризацией магнитных моментов ядер, тогда как тепловое движение атомов очень слабо влияет на порядок в расположении спинов. Если приложить магнитное поле к полимерной среде, а затем убрать его, то начинается спад магнитной поляризации ядер, обусловленный их тепловым движением. Явление спин-решеточной релаксации представляет собой спонтанный спад магнитной поляризации в отсутствие внешнего поля, обусловленный тепловым движением. Время спин-решеточной релаксации Ti - это время, в течение которого разность между действительной заселенностью какого-либо уровня и его равновесным значением уменьшается в е раз. Спин-решеточная релаксация наблюдается наиболее отчетливо, когда частота тепловых колебаний сравнима с частотой ЯМР. Если измерения проводят на фиксированной частоте в достаточно широком интервале температур, то оказывается, что время спин-решеточной релаксации проходит через минимум, который для каждого релаксационного процесса в полимере наблюдается при определенной температуре.

Для определения времен релаксации рассмотрим не отдельный магнитный момент ядра, а вектор намагниченности М образца, являющийся геометрической суммой всех магнитных моментов ядер образца, при этом радиочастотное поле действует не постоянно, а в течение малого промежутка времени. Под действием поля Hi вектор М, как и магнитный момент отдельного ядра, отклоняется от первоначального равновесного направления, параллельного постоянному полю Н0, и вращается с угловой скоростью w = у Hh Если напряженность поля Hi велика, а продолжительность импульса так мала, что в течение импульса релаксационными процессами можно пренебречь, то действие поля можно свести к повороту вектора на угол (р- cot.

Под действием 90-градусного импульса вектор М поворачивается в плоскости ХУ. После окончания импульса вектор намагниченности начинает прецессировать в этой плоскости, рассыпаясь при этом в веер. Такое рассыпание происходит потому, что скорость прецессии соо для различных ядер различна вследствие наличия локального поля и неоднородности внешнего магнитного поля. Поскольку прецессия происходит в приемной катушке радиоприемного устройства, то на концах катушки возникает сигнал свободной индукции (ССИ), который со временем достаточно быстро затухает.

Величину Т2 определяют по наклону графика зависимости In А от г, кроме случая исследования маловязких жидкостей.

Для измерения Tj простейшим методом является использование 90-90-градусной последовательности импульсов. Зависимость амплитуды ССИ после второго импульса от промежутка времени т между импульсами определяется выражением

Характеристики спектра ЯМР

Полоса поглощения ЯМР - это область спектра, в которой имеется детектируемый сигнал с одним или несколькими максимумами (обычно спектр состоит из нескольких полос поглощения).Интенсивность сигнала линии поглощения характеризует количество поглощенной образцом энергии и определяется площадью под кривой поглощения. Интенсивность сигнала пропорциональна числу ядер и позволяет оценить их относительное содержание.

Ширина полосы поглощения 6Н - ширина, измеренная на половине максимальной интенсивности и выраженная в Гц. Поскольку обычно записывается первая производная кривой поглощения по напряженности поля, то в этом случае SH находится как расстояние между соответствующими экстремумами спектра.

Второй момент спектральной линии ЛН22 рассматривается как особым способом определенная и усредненная ширина линии; он выражается в единицах напряженности магнитного поля и вычисляется из экспериментальных кривых. Можно теоретически рассчитать значение ЛН2 в зависимости от величины и ориентации межъядерных векторов относительно приложенного внешнего поля. Если задать модель структуры вещества и рассчитать по ней ЛН22 , то сравнение его с экспериментальными значениями позволяет сделать вывод о том, насколько достоверно модель описывает реальную структуру [9].

В твердых телах, в том числе и полимерах, взаимное расположение ядер практически не меняется во времени, обмен энергией происходит очень быстро и время релаксации очень мало. Поэтому ширина линий в спектре твердых тел большая (до 10000 Гц), и метод называется ЯМР широких линий [10]. В растворах, где молекулы совершают интенсивное тепловое движение, время релаксации увеличивается и составляет уже несколько секунд, что приводит к появлению в спектре очень узких линий (доли Гц), метод называется ЯМР высокого разрешения.

Резонанс ядра в атоме наступает в области более высоких полей, чем резонанс ядра, полностью лишенного электронной оболочки. Разность в положении линий поглощения исследуемого ядра и аналогичного ядра без электронной оболочки называют химическим сдвигом (х.с). Поскольку не существует ядер без электронов, на практике для сравнения используют стандартные вещества, относительно которых измеряют химический сдвиг. Таким образом, химический сдвиг -взятая с соответствующим знаком разность напряженности магнитно-го поля (или частот) наблюдаемого сигнала ЯМР и некоторого условно выбранного эталонного сигнала (химический сдвиг выражается в миллионных долях м.д.). Для перевода величин химического сдвига из Гц в м.д. используют соотношение 8(м.д.) - химический сдвиг (Гц) / радиочастота прибора (МГц). Эталонное вещество растворяют в исследуемом образце (внутренний эталон) или помещают в отдельный сосуд, находящийся внутри ампулы с образцом (внешний эталон). Использование внутреннего эталона всегда предпочтительнее. Вещества, используемые в качестве эталонов, должны обладать следующими свойствами:

1. Давать один пик как можно меньшей ширины, который должен легко опознаваться и быть достаточно отдаленным от всех полос поглощения исследуемого образца.

2. Быть химически инертным по отношению к исследуемому веществу и растворителю; растворяться в большом числе различных растворителей.

3. Быть магнитно изотропным.

4. Обладать достаточной летучестью или другим свойством, позволяющим легко удалить его из образца.

Общепринятыми стандартами для ядер Ни 13С являются тет-раметилсилан (ТМС) или гексаметилдисилан (ГМДС). Эталон дает линию высокой интенсивности, расположенную в области более сильных полей, чем сигналы большинства других протонов. Наиболее распространена шкала химических сдвигов, где линия эталона принята за нуль, а все сдвиги, расположенные в более слабых полях, имеют положительный знак.

Для одной и той же группы атомов характерна не одна линия, а некоторый интервал химических сдвигов. Это обусловлено влиянием заместителей, их расположением в пространстве, образованием водородных связей или другими факторами. Заместители в линейных и разветвленных молекулах оказывают разное влияние. Чувствительность химических сдвигов в спектре 13С к структурным изменениям выше, чем в ПМР спектрах, примерно на порядок.

Константа спин-спинового взаимодействия (Гц) - мера непрямого спин-спинового взаимодействия или взаимодействия магнитных моментов двух или более ядер одной молекулы через связываю-щие их электроны. Спин-спиновое взаимодействие может быть геминальным, вицинальным и дальним. Геминальным называется взаимодействие двух ядер, расположенных у одного атома; константы геминального взаимодействия протонов обычно составляют от +5 до -21 Гц. Вицинальным называется взаимодействие двух ядер, разделенных тремя связями, например Н-С=С-Н или Н-С-С-Н; причем в насыщенных системах оно очень сильно зависит от угла между связями углерод-водород. Дальним называется взаимодействие двух ядер, разделенных четырьмя или более связями. Таким образом, спин-спиновое взаимодействие не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, но определяется электронным строением молекулы и, следова­тельно, при конкретном расположении атомов и электронов является постоянной величиной [II].

Константу спин-спинового взаимодействия обозначают V, где п - число а-связей, которыми отделены ядра. Знак постоянной спин-спинового взаимодействия соответствует параллельному (-J) или антипараллельному (+J) расположению магнитных моментов ядер и может быть определен экспериментально только из сложных спектров второго порядка.

Число пиков в спектре, или спин-спиновая мультгтлетностъ, зависит от числа ядер соседних групп п и равно п+1. Соотношение интенсивностей линий при «=/ равно 1:1, при п=2 линия расщепляется на триплет при соотношении интенсивностей 1:2 и т.д.

Боковые полосы - это полосы, расположенные попарно более или менее симметрично относительно основной полосы, которые возникают вследствие быстрого вращения образца во внешнем магнитном поле. Изменение скорости вращения образца влияет на расстояние между боковыми полосами.

Сателлиты пС - пары полос, расположенные почти симметрично относительно основной полосы и возникающие вследствие непрямого спин-спинового взаимодействия исследуемого ядра с ядрами изотопа 13С (естественное содержание которого 1,108 %), находящимися в той же молекуле.


Аппаратурное оформление В общем виде прибор ЯМР состоит из следующих блоков:

Программирующее устройство 1 вырабатывает прямоугольные импульсы электрического напряжения в определенной последовательности. Длительность 90-градусного импульса подбирается так, чтобы амплитуда ССИ была максимальной, и в современных ЯМР-спектрометрах обычно составляет несколько мкс. Генератор является источником радиочастотных электромагнитных колебаний, которые подаются на катушку измерительной ячейки 5 только во время действия импульсов. Внутри катушки 5 в стеклянной ампуле находится исследуемый образец. Сигналы, поступающие от образца, усиливаются, детектируются приемником 3 и наблюдаются с помощью осциллографа 4. Измерение величин сигналов производится или непосредственно с экрана осциллографа, или через компьютер. Термостатирование измерительной ячейки осуществляется с помощью подогретого воздуха и специального электронного устройства 6.

К характеристикам прибора относятся:

• Разрешение спектра ЯМР - минимальная ширина полосы ЯМР, которую позволяет наблюдать данный спектрометр.

• Скорость прохождения - скорость (Гц/с), с которой изменяется напряженность магнитного поля или частота воздействующего на образец радиочастотного излучения при получении спектра ЯМР.

Одной из наиболее серьезных трудностей в спектроскопии ЯМР является низкая чувствительность, для преодоления которой используют несколько способов. Это, например, применение сверхпроводящих магнитов или методики усреднения спектров во времени. В последнем случае проводят многократную развертку спектра и его накопление в памяти ЭВМ. При этом от основных сигналов поступают всегда только положительные вклады, которые медленно накапливаются, тогда как шумовые сигналы поступают беспорядочно с положительными и отрицательными вкладами, что приводит к уменьшению их среднего значения. Теоретически повышение отношения основного сигнала к шумовым сигналам равно квадратному корню из числа разверток спектра. Таким образом, для получения приблизительно 20-кратного улучшения спектра необходимо провести 500-кратную его развертку. Чтобы сократить необходимое для этой процедуры время, используется импульсная техника или методика Фурье-преобразования.

Обычный метод получения спектров ЯМР состоит в том, что при плавной развертке (сканировании) радиочастоты или напряженности магнитного поля в каждый момент времени наблюдают только за одной точкой спектра. Для получения полного спектра требуется 5-10 мин, и по времени методика Фурье-преобразования имеет заметное преимущество. Возбуждая одновременно все ядра образца с помощью короткого, продолжительностью около 100 мкс, импульса мощного радиоизлучения и прослушивая излучаемые им частоты по мере возвращения ядер к равновесному распределению по энергии, можно получить интерференционную картину, содержащую всю информацию о спектре образца; необходимое для этого время составляет порядка 1 с. К сожалению, полученная интерференционная картина не поддается непосредственной интерпретации, однако ее математическая обработка с помощью ЭВМ, называемая преобразованием Фурье, позволяет получить обычный спектр с разверткой по частоте. Швейцарский ученый Рихард Эрнст получил в 1991 г. Нобелевскую премию по химии за предложение Фурье-ЯМР-спектроскопии и многомерной ЯМР-спектроскопии (ученый узнал о присвоении ему премии в самолете, возвращаясь в Нью-Йорк из Москвы, где он читал лекции).

Универсальные приборы ЯМР высшего класса с их предельными чувствительностью и разрешенностью спектров имеют высокую эффективность для контроля промышленных процессов и свойств продуктов даже при большом отдалении ЯМР оборудования от места производства. Приборы среднего класса или приборы, выработавшие моральный ресурс, могут быть включены непосредственно в технологическую цепь в режиме слежения. Для такого рода спектрометров весьма продуктивна идея использования проточных датчиков.

Наиболее удобны специализированные ЯМР приборы, решающие более узкие, конкретные задачи, более компактные, экономичные и простые в обращении. Приборы, использующие релаксационные эффекты в ЯМР, используются для экспрессного контроля определяющих параметров полимеризационного процесса, таких как скорость, конверсия, вязкость раствора, содержание в реакционной смеси влаги (в том числе, и в катализаторе), соотношение эластомера и пластификатора в полимерном продукте и др.

Не менее привлекательно сочетание ЯМР спектрометра с жидкостным хроматографом (рис. 10.2), что позволяет оперативно исследовать смеси растворителей или определять низкомолекулярные включения в полимере. Большие потенциальные возможности тандема высокоэффективный жидкостной хроматограф - импульсный спектрометр ЯМР стали очевидны в конце 70-х годов [12].

Разделение компонентов смеси в хроматографе осуществляется градиентным методом. Детектор хроматографа подключен к специальному аналого-цифровому модулю; при появлении пика, обнаруженного детектором, поток элюента, выходящий из колонки, направляется в коллектор фракций для последующего исследования методом ЯМР. Специальный датчик ЯМР микропроточной конструкции имеет два стандартных устройства ввода пробы. Одно используется при работе в режиме "on-line"; второе в сочетании с кюветой удвоенного объема применяются, когда работа происходит в режиме "off-line"; при этом проба сначала собирается в коллекторе фракций (позволяет собирать до 15 проб), а затем поступает в датчик ЯМР.

Широкие потенциальные возможности метода реализованы в химических исследованиях: мониторинг биопродуктов, анализ изомерных смесей в реакциях синтеза, определение степени полимеризации и модификации продуктов в полимерном синтезе, оценка чистоты материалов и продуктов их термического распада [13, 14]. Кинетику реакций можно изучать с использованием смесительной камеры в методе «остановленной струи» и ЯМР-детектирования.