Ядерный магнитный резонанс

Явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР) широко используется в физике, химии, биологии и медицине для определения строения органических соединений, липидных и белковых структур, а также для получения компьютерных изображений органов и тканей человека и других живых организмов.

Это явление обусловлено наличием собственного магнитного момента у ядра атома. Существование такого магнитного момента связано с тем, что протоны и нейтроны, составляющие ядра атомов, обладают собственными магнитными моментами Д_р и Д_л . Полный магнитный момент ядра X равен векторной сумме магнитных моментов всех его нуклонов:

Для большинства естественных ядер магнитные моменты нуклонов скомпенсированы, так как они попарно направлены в противоположные стороны, в результате чего суммарный магнитный момент таких ядер равен нулю. Однако у ядер с нечетным числом нуклонов полный магнитный момент не равен нулю. К ним относятся: *Н, ²Н, ¹³С, ¹⁹F, ³¹Р и др.

Если такое парамагнитное ядро поместить во внешнее магнитное поле индукцией В , то магнитный момент Д ядра будет стремиться сориентироваться вполне определенным образом относительно направления внешнего магнитного поля, в простейшем случае либо вдоль поля, либо против него. В первом случае полная энергия ядра уменьшится, а во втором — увеличится на — ё_ях_яВ, где ё_я — ядерный g-фактор,

2

величина которого для ядер одного вида всегда одна и та же,

ц = ——— = 5,049 • 1СГ²⁷ А • м² — ядерный магнетон, отли- 4тim_p

чающийся от магнетона Бора тем, что масса электрона заменена на массу протона (поэтому он меньше на три порядка). Это приводит, как и в случае ЭПР, к расщеплению прежнего энергетического уровня Е₀ ядра на два новых подуровня Е_г и Е₂ (см. рис. 26.1). Величина расщепления подуровней энергии ядра линейно растет с увеличением индукции внешнего магнитного поля:

Если теперь эти ядра, находящиеся во внешнем магнитном поле В, облучить электромагнитным излучением резонансной частоты

то, как и в случае ЭПР, произойдет его поглощение.

Явление резонансного поглощения электромагнитного излучения парамагнитными ядрами, находящимися в магнитном поле, которое сопровождается переориентацией спина ядра, называют ядерным магнитным резонансом (ЯМР).

Схема установки для наблюдения ЯМ-резонанса полностью аналогична схеме ЭПР-спектроскопии (см. рис. 26.2). Она отличается лишь конструкция излучателя и детектора электромагнитного поля, так как резонансная частота v₀ в ЯМР-спектроскопии на 2-3 порядка меньше частоты, применяемой в ЭПР (это обусловлено тем, что ядерный магнетон ц_я на три порядка меньше магнетона Бора ц_Б). В установках для ЯМР-спектроскопии частота электромагнитного излучения тоже строго фиксирована, а резонансного поглощения добиваются путем изменения величины внешнего магнитного поля В .

ЯМР-спектр представляет собой зависимость коэффициента поглощения К образца от величины внешнего поля В (см. рис. 26.3).

Информация ЯМР-спектров та же, что и в методе ЭПР:

• 1. Площадь S под линией поглощения в спектре ЯМР пропорциональна количеству N исследуемых ядер в образце: N = aS.
• 2. Ширина линий ЯМР несет информацию о физических свойствах среды, в которой находятся исследуемые ядра. Как правило, с увеличением вязкости этой среды линии в ЯМР-спектре расширяются, что позволяет количественно оценивать микровязкость биологических систем (мембран и т.д.) по спектрам ЯМР. По этой же причине в ЯМР-спектрах твердых тел наблюдаются широкие линии поглощения, а в спектрах жидкостей — узкие линии.

На рис. 26.6 приведены спектры ЯМР на ядрах водорода (протонах) для воды и льда (тот же образец, но заморожен). Таким путем оценивают вязкость липидных слоев в биологических мембранах, вязкость цитоплазмы и других биологических структур.

В формуле (26.9) величины h и ц_я— константы, ядерный фактор g_H для данного типа ядер постоянен, казалось бы, одинаковые ядра (например, протоны) должны иметь одну и ту же линию в спектре ЯМР, независимо от того, в какие

Рис. 26.6. Сравнительные ЯМР-спектры воды и льда

химические соединения эти ядра входят. На самом деле это не так. Дело в том, что на ядро атома воздействует не только внешнее магнитное поле В ₀, но и магнитное поле В', создаваемое движущимися по орбитам электронами и ионами, поэтому частота линий поглощения ЯМР смещается относительно ожидаемой частоты v₀ (26.9) на величину Av, зависящую от того электронного и ионного окружения, в котором находится изучаемое ядро:

Величина внутреннего магнитного поля В', в котором находится ядро, зависит от химического строения вещества, поэтому относительный сдвиг Av / v₀ частоты электромагнитного излучения или индукции резонансного поля В'/В₀ называют химическим сдвигом 8. Поскольку он очень мал, его умножают на 10⁶и измеряют в миллионных долях (м.д.):

Из-за наличия химического сдвига разным химическим группам, содержащим одни и те же парамагнитные ядра (например, протоны ОН, СН₂, СН₃ и т.д.), соответствуют разные резонансные линии в спектре ЯМР:

Рис. 26.7. Структурная формула деканола и его ЯМР-спектр.

Цифрами указаны группы протонов и соответствующие им ЯМР-линии

Это хорошо видно на примере ЯМР-спектра деканола (рис. 26.7).

Благодаря химическому сдвигу в спектрах ЯМР, метод ядерного магнитного резонанса является важнейшим методом определения структуры и строения молекул в биологии и физической химии.

Поскольку биологические соединения — это соединения органические, то в них очень много ядер водорода ^ХН (протонов). Это хорошо с точки зрения интенсивности ЯМР-линий, но из-за химического сдвига количество линий очень велико, что затрудняет их идентификацию, т.е. расшифровку ЯМР- спектров. Поэтому ЯМР-спектры биологических объектов часто регистрируют на ядрах изотопов ¹³С и ³¹Р, которые тоже входят во все важные биологические соединения, но в значительно меньших количествах. Наиболее распространенные в естественных условиях изотопы углерода ¹²С и фосфора ³⁰Р не обладают магнитным моментом, поэтому на них невозможно наблюдать явление ЯМР.

Основные преимущества таких спектров в том, что ЯМР- линии получаются более узкими, а химические сдвиги увеличиваются, что улучшает расшифровку ЯМР-спектров на ядрах ¹³С и ³¹Р по сравнению с протонным резонансом. Однако содержание этих изотопов в естественных соединениях невелико, в результате чего сильно уменьшается интенсивность ЯМР-линий и для их регистрации необходимо использовать более чувствительные и более дорогие ЯМР-установки, что является их недостатком.

Рис. 26.8. Спектры фосфорного ЯМР при разной упаковке липидов

Например, в молекулу фосфолипида входит только один атом фосфора и одна из особенностей фосфорного ЯМР состоит в том, что форма ЯМР- линий зависит от упаковки липидов и от условий окружения, в которых находится

парамагнитное ядро ³¹Р. В качестве примера на рис. 26.8 приведены спектры фосфорного ЯМР для бислоя липидов А, гексагональной структуры липидов Б и мицелл В.

Основной недостаток метода ЯМР — малая чувствительность. Она примерно в 10³ раз меньше, чем у метода ЭПР, и соответственно в 10⁵ раз меньше, чем у флуоресцентных методов спектрального анализа.