ЯМР-спектроскопія

ЯМР-спектроскопі́я — 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.

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

Протонний ЯМР

Стандарт — ТМС. Діапазон −0,5…+16 для більшості сполук

• Ароматика (слабке поле)
• Аліфатика
• O-CH₃
• O-H

^13C

Таблиця хімзсувів (коротка версія)

¹⁹F

Дуже чутливий, але діапазон частот лежить близько до протонного. Використовують для аналізу фторорганічних сполук.

³¹Р

−250…300

Інші

Рідко використовуютться самостійно через низький природний вміст/чутливість.

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

Розчинники для ЯМР

Найчастіше застосовують DMSO-d6, CDCl₃, D₂O.

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

Техніки

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.

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.

2-х мірний ЯМР

COSY

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).

ЯМР протеїнів

ЯМР-спектроскопія білків потребує особливого підходу оскільки їх молекули містять зазвичай 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 (500 МГц 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)

Джерела

Веб-підручники

[1](рос.)

Див. також

• Інфрачервона спектроскопія
• Ультрафіолетова спектроскопія
• Раман-спектроскопія
• Рентгенівська спектроскопія

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. 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.