Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР)

Ядро атома, кроме массы и заряда, обладает третьей характеристикой — моментом количества движения, который обусловлен его вращением вокруг оси (спином). Поскольку ядро заряжено, его вращение вокруг собственной оси приводит к круговому движению заряда, что формально аналогично круговому электрическому току (рис. 26).

Ядерный магнитный диполь

Рис. 26. Ядерный магнитный диполь

Этот круговой ток создает магнитное поле, так что вращающееся ядро подобно крошечному магниту, ось которого совпадает с осью спина, и в результате ядро может характеризоваться магнитным дипольным моментом. Ядра атомов, имеющих четный заряд (порядковый номер) и четное массовое число, не обладают магнитным моментом. Ядра, имеющие нечетный заряд, но четное массовое число, имеют магнитный момент /= 1 (азот). Ядра, имеющие нечетный заряд и нечетное массовое число, имеют магнитный момент /= 1/2 (водород, фтор, фосфор), так же как ядра нуклида углерода 13С6 и нуклида кремния 29Si14, имеющие нечетное массовое число и четный заряд.

Рассмотрим теперь ядро, магнитный диполь которого ориентирован под некоторым углом 0 к направлению силовых линий постоянного магнитного поля Я0 (рис. 27). Это поле обуславливает появление силы, стремящейся расположить ядро-магнит вдоль поля, но поскольку ядро вращается и обладает моментом количества движения, оно сопротивляется этому воздействию, в результате чего наблюдается прецессия магнита-ядра: кроме вращения вокруг своей оси, ядро вращается еще вокруг направления постоянного магнитного поля, подобно тому, как прецессирует волчок, если он наклонен по отношению к силовым линиям гравитационного поля Земли. Угловая скорость этой прецессии (рад/с) не зависит от угла 0, но зависит от напряженности постоянного магнитного поля Я0:

где у — гиромагнитное отношение, куда входит, в частности, ядерный магнитный момент.

Прецессия ядра в магнитных полях Hq и Н

Рис. 27. Прецессия ядра в магнитных полях Hq и Н

Рассмотрим теперь влияние небольшого магнитного поля Я,, перпендикулярного к Я0. Оно стремится отклонить диполь (ось спина) в плоскость XY, однако действие этого поля незначительно. Если же это поле начнет вращаться вокруг направления линий магнитного поля Я() (т.е. если оно будет переменным), то, когда частота этого поля достигнет частоты прецессии ядра, произойдет поглощение ядром кванта энергии. Такое поглощение называется резонансным, а это явление и есть ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

Тот же самый результат может быть получен, если частота переменного поля остается постоянной, а изменяется напряженность постоянного магнитного поля. При изменении напряженности постоянного магнитного поля изменяется частота прецессии ядра, и когда она достигает частоты переменного магнитного поля, также происходит ядерный магнитный резонанс. На практике обычно реализуется второй способ. Таким образом, задача анализа обычно состоит в том, чтобы определить напряженность постоянного магнитного поля, при которой наступает резонанс ядер исследуемого образца в переменном поле определенной частоты v. В этом случае частота v равна частоте ЯМР. В табл. 6 приведены значения частот ЯМР для ядер различных атомов. Ядра кислорода 160 и углерода |2С, спин которых равен нулю, не являются магнитными, поэтому они не способны к ЯМР.

Таблица 6. Частоты ЯМР некоторых ядер

Ядро

Спин

Частота ЯМР в поле 14 100 Гс, МГц

•н

1/2

60

14N

1

4,3

19р

1/2

56,5

160

0

12с

0

13с

1/2

15,09

Что же происходит с ядром в момент резонанса? Поглотив квант энергии, ядро меняет направление своего спина по отношению к направлению постоянного магнитного поля #0 на вполне определенный угол (рис. 28). Таким образом, ЯМР связан с переориентацией спинов ядер.

Для получения спектров ЯМР вещество в количестве 0,2 мг в запаянной стеклянной ампуле помещают в катушку (рис. 29, б), находящуюся в постоянном магнитном поле, которая является частью высокочастотного контура (рис. 29, а). Контур настраивают на определенную частоту переменного магнитного поля, затем увеличивают напряженность #0 постоянного магнитного поля. При определенном значении Н0 наступает резонанс. Обра-

Переориентация спина ядра

Рис. 28. Переориентация спина ядра

Схема высокочастотного контура прибора ЯМР

Рис. 29. Схема высокочастотного контура прибора ЯМР: G — генератор; R — сопротивление; С — конденсатор; А, В — клеммы

зец поглощает энергию: при этом уменьшается сопротивление контура и уменьшается напряжение на клеммах. Это изменение напряжения посредством усилителя фиксируется записывающим устройством в виде сигнала. На рис. 30 приведена часть спектро-

Спектр П М Р воды граммы воды. Сигнал (пик) протонов воды получается при напряженности поля 1180 Гс при частоте переменного поля 5 МГц

Рис. 30. Спектр П М Р воды граммы воды. Сигнал (пик) протонов воды получается при напряженности поля 1180 Гс при частоте переменного поля 5 МГц.

В практике анализа углеводородов нефти применяют метод протонного магнитного резонанса (ПМР) и ядерного магнитного резонанса изотопа углерода 13С (ЯМР 13С).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >