ЯМР-спектроскопія
ЯМР-спектроскопія — метод ідентифікації та вивчення речовин, що базується на ядерному магнітному резонансі (ЯМР). Найчастіше застосовується для органічних сполук. На сьогодні ЯМР-спектроскопія дозволяє ідентифікувати сполуку маючи менше 1 мг речовини. Зразок розчиняють в непротонному (часто дейтерованому) розчиннику, ампулу вміщують в ЯМР спектрометр, після нетривалого (для простих сполук порядку 30 сек) накопичення сигналу отримують спектр, де по положенню піків (частоті поля збудження) окремих протонів (для ПМР — протонного магнітного резонансу) характеризують сполуку. Широкому використанню заважає тільки висока ціна пристроїв (від 1 мільйона гривень та вище). Для методу доступні всі ядра, що мають нецілий спін, зокрема 1H, 13С, 15N 19F, 31P.
Зміст |
[ред.] Хімзсуви
Залежать від екранування сусідніми групами (особливо кратними зв’язками) та від електронної густини на атомі. Лінійно залежать від частоти пристрою, тому вимірюються в мільйонних частках (м. д. від рос. миллионная доля), що дорівнює різниці частоти поглинання ядра і стандарту (в Гц), поділеній на частоту ЯМР-спектрометра в МГц і домноженій на 106.
| ядро | Природний вміст, % | Чутливість, % | Діапазон, м. д.(стандартні сполуки) | Стандарт | Помітки | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1H (Водень) | 100 | 100 | −0,5…16 | ТМС | Рутинні аналізи | |
| 2D (Дейтерій) | <1 | 1 | Спеціальні застосування | |||
| 13C (Вуглець) | 1 | — 200+ | ТМС | Рутинні аналізи | ||
| 31P (Фосфор) | 100 | −250…300 | H3PO4 | ДНК, ліпіди | ||
| 19F (Фтор) | 100 |
[ред.] Протонний ЯМР
Стандарт — ТМС. Діапазон −0,5…+16 для більшості сполук
- Ароматика (слабке поле)
- Аліфатика
- O-CH3
- O-H
[ред.] 13C
Таблиця хімзсувів (коротка версія)
[ред.] 19F
Дуже чутливий, але діапазон частот лежить близько до протонного. Використовують для аналізу фторорганічних сполук.
[ред.] 31Р
−250…300
[ред.] Інші
Рідко використовуютться самостійно через низький природний вміст/чутливість.
[ред.] Спін-спінова взаємодія
Взаємодія магнітних моментів сусідніх ядер, що призводить до розщеплення спектральних ліній на мультиплети. Не залежить від частоти спектрометра Типові значення для протонів
| Ядра | Система | Діапазон | Приклад | Гц |
|---|---|---|---|---|
| HH | HCCH (аліфатичні) | 0..10 | CH3CH2OH | 6 |
| H-H | HCCH (ароматичні) | 0..10 | CH3CH2OH | 6 |
| C-H | CH (аліфатичні) | CH3CH2OH | ||
| C-H | CH (ароматичні) | C6H6 | ||
| F-H | FCCH (аліфатичні) | CF3CH2OH | ||
| P-H | PH (ароматичні) | HPO(OH)2 | 700
|
[ред.] Розчинники для ЯМР
Найчастіше застосовують DMSO-d6, CDCl3, D2O.
[ред.] Чутливість до різних ядер
| Ізотоп | Природний вміст (%) |
Спін | Магнітний момент μ (-{A·m}-²) |
Застосування для аналізу структури |
Частота на 7 T (MHz) |
Відносна чутливість |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1H | 99,984 | 1/2 | 2,79628 | найширше | 300,13 | 1 |
| 2H | 0,016 | 1 | 0,85739 | рідко | 46,07 | 0,0964 |
| 10B | 18,8 | 3 | 1,8005 | рідко | 32,25 | 0,0199 |
| 11B | 81,2 | 3/2 | 2,6880 | рідко | 96,29 | 0,165 |
| 12C | 98,9 | 0 | неможливе | |||
| 13C | 1,1 | 1/2 | 0,70220 | часто | 75,47 | 0,0159 |
| 14N | 99,64 | 1 | 0,40358 | дуже рідко | 21,68 | 0,00101 |
| 15N | 0,37 | 1/2 | −0,28304 | аналіз білків | 30,41 | 0,00104 |
| 16O | 99,76 | 0 | неможливе | |||
| 17O | 0,0317 | 5/2 | −1,8930 | надзв. рідко | 40,69 | 0,0291 |
| 19F | 100 | 1/2 | 2,6273 | спецзадачі, аналіз | 282,40 | 0,834 |
| 28Si | 92,28 | 0 | неможливе | |||
| 29Si | 4,70 | 1/2 | −0,55548 | утруднене(скло!) | 59,63 | 0,0785 |
| 31P | 100 | 1/2 | 1,1205 | рідко | 121,49 | 0,0664 |
[ред.] Техніки
[ред.] Перетворення Фур'є
Дискретне перетворення Фур'є Застосовується в більшості сучасних спектрометрів. Дозволяє записувати доночасно сигнали всіх ядер потрібного елемента. Практичного застосування набуло лиш в 1980-х після удосконалення комп'ютерної техніки.
[ред.] Теоретична основа
Збуджують всі ядра одночасно широким сигналом, а потім записуюють криву спаду. ПФ дозволяє отримати спектр в частотному вимірі. Зробивши набір математичних операцій над кривою спаду інтенсивності (FID). В той же час перші моделі ЯМР-спектрометрів збуджували ядра «по-черзі» перебираючи частоти з певним кроком.
[ред.] 2-х мірний ЯМР
COSY
[ред.] Твердофазний ЯМР
Застосовують для аналізу нерозчинних речовин та структури в твердому стані. Внаслідок відсутності усереднення сигналу завдяки обертанню молекули в розчині дає набагато складніші для аналізу дані. Важчий для запису. Для зменшення ширини ліній зразок доводиться швидко обертати (тисячі об/с). Використання сигналу протонів сильно утруднене. В останній час набув широкого застосування для аналізу трьохвимірної структури мембранних протеїнів, що не адекватно представляються розчинними моделями (в цьому виподку потрібне повне мічення 13С та 15N).
[ред.] Складніші техніки
[ред.] ЯМР протеїнів
ЯМР-спектроскопія білків потребує особливого підходу оскільки їх молекули містять за-звичай тисячі атомів і «рознесення сигналів» є непростою задачею. Для протеїнів розміром порядку 200 амінокислот застосовують:
- ізотопно збагачені зразки (N15, C13)
- кількаденні експерименти для накопичення сигналів
- хороші спектрометри (500МГц та вище)
- багатовимірні техніки, що дозволяють розрізнити пари взаємодіючих(просторово близьких) ядер. Найкращі результати дає 3D-NMR CHN (використовують перенос збудження з протонів на вуглець та азот)
[ред.] Практичні аспекти
[ред.] Програмне забезпечення
[ред.] Приготування зразаків
[ред.] Література
[ред.] Веб-підручники
[1]- російською
[ред.] Книги російською
[ред.] Книги англійською
[ред.] Посилання
- Protein NMR- A Practical Guide Practical guide to NMR, in particular protein NMR assignment
- James Keeler. «Understanding NMR Spectroscopy» (reprinted at University of Cambridge). University of California, Irvine. http://www-keeler.ch.cam.ac.uk/lectures/Irvine/. Процитовано 2007-05-11.
- The Basics of NMR — A non-technical overview of NMR theory, equipment, and techniques by Dr. Joseph Hornak, Professor of Chemistry at RIT
- NMRWiki.ORG project, a Wiki dedicated to NMR, MRI, and EPR.
- NMR spectroscopy for organic chemistry
- The Spectral Game NMR spectroscopy game.
