19.3: ЯМР-спектрометри

Last updated
Save as PDF

Page ID: 26894

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Раніше в цьому розділі ми відзначили, що існує дві основні експериментальні конструкції для запису спектру ЯМР. Одним з них є безперервно-хвильовий інструмент, в якому діапазон частот, над якими поглинає ядро інтересу, сканується лінійно, послідовно збуджуючи різні ядра. Більшість приладів, однак, використовують імпульси радіочастотного випромінювання для збудження всіх ядер одночасно, а потім використовують перетворення Фур'є для відновлення сигналів від окремих ядер. Наша увага в цьому розділі обмежена інструментами для FT-ЯМР.

Компоненти спектрометрів перетворення Фур'є

Малюнок\(\PageIndex{1}\) включає фотографію ЯМР 400 МГц та вирізану ілюстрацію приладу; разом вони показують ключові компоненти FT-ЯМР: магніт, який забезпечує застосоване магнітне поле\(B_0\), ядерно-залежний зонд, який забезпечує радіочастотний сигнал, який дає магнітний поля\(B_1\), і спосіб вставки зразка в прилад. ЯМР на фотографії також оснащений пристроєм для зміни зразків, який дозволяє користувачеві завантажувати 30 або більше зразків, які аналізуються послідовно.

Малюнок\(\PageIndex{1}\). Фотографія ЯМР 400 МГц та ілюстрація корпусу магніту та розташування зразка.

Магніти

ЯМР на малюнку\(\PageIndex{1}\) описується як має частоту 400 МГц.\(\nu\) Зв'язок між частотою і напруженістю поля магніту,\(B_0\), задається рівнянням

\[\nu = \frac{\gamma B_0}{2 \pi} \label{compent1} \]

де\(\gamma\) - магнітогирическое відношення для ядра. Частота ЯМР визначається з точки зору ядра ¹ H; таким чином, ЯМР 400 МГц має магніт з напруженістю поля

\[B_0 = \frac{(2 \pi) \times \nu}{\gamma} = \frac{(2 \pi) \times (400 \times 10^6 \text{ s}^{-1})}{2.86 \times 10^{8} \text{ rad T}^{-1} \text{ s}^{-1}} = 9.4 \text{ T} \nonumber \]

Ранні прилади використовували постійний магніт і були обмежені силою поля 0,7, 1,4 та 2.1 Т, або 30, 60 та 90 МГц. Оскільки більш високі частоти забезпечують більшу чутливість та роздільну здатність, сучасні прилади використовують щільно обгорнуту котушку дроту - як правило, ніобій/олов'яний сплав або дріт з ніобію/титану - який стає надпровідним при охолодженні до температури рідини He (4.2 K). Результатом є напруженість магнітного поля цілих 21 Т або 900 МГц для ¹ Н ЯМР. Магнітна котушка утримується всередині резервуара рідини He, яка сама по собі утримується в резервуарі рідини N ₂.

Щоб бути корисним, магнітне поле повинно залишатися стабільним - тобто воно не повинно дрейфувати - і воно повинно бути однорідним по всьому зразку. Вони досягаються за допомогою посилання для блокування магнітного поля на місці та за допомогою мерехтіння.

Блокування магнітного поля

Зразки для ЯМР готують з використанням розчинника, в якому протони замінюються дейтерієм. Наприклад, замість того, щоб використовувати хлороформ, ChCl ₃, як розчинник, ми використовуємо дейтрований хлороформ, CdCl ₃, де D еквівалентний ² H. Це має перевагу надання розчинника, який не сприятиме сигналам в спектрі ЯМР. Він також має перевагу, що ² H має спін\(I = 1\), і відповідну частоту Лармора. Контролюючи частоту, на якій ² H поглинає, прилад може використовувати контур зворотного зв'язку для підтримки його значення, регулюючи напруженість поля магніту.

мерехтливий

Магнітне поле, яке не є однорідним, схоже на стіл з чотирма ніжками, одна з яких трохи коротша за інші. Щоб врівноважити стіл, під укорочену ніжку поміщаємо невеликий клин, або прокладку. Коли магнітне поле неоднорідне, невеликі, локалізовані регулювання магнітного поля вносяться за допомогою набору прошивальних котушок, розташованих навколо зразка. Шиммінг може бути здійснений оператором, контролюючи якість сигналу для конкретного ядра, однак більшість приладів використовують алгоритм, який дозволяє приладу самостійно прокладати.

Вхідний отвір для зразків та зонд для зразків

Центр приладу, який проходить від входу зразка вгорі до зонда зразка внизу, відкритий для лабораторного середовища і знаходиться при кімнатній температурі. Зразок поміщається в циліндричну трубку (рис.\(\PageIndex{2}a\)), яка виготовлена з тонкостінного боросилікатного скла і має довжину 180 мм і діаметром 5 мм. Потім трубка вставляється в тефлонову втулку - звану блешнею - як показано на малюнку\(\PageIndex{2}b\), яка призначена як для розміщення зразка на належній глибині в межах зонда зразка, так і для обертання зразка навколо його довгої осі. Цей спінінг використовується для забезпечення того, щоб зразок усереднював будь-які неоднорідності в магнітному полі, не вирішеному мерехтінням.

Малюнок\(\PageIndex{2}\). Фотографії, на яких зображена трубка для зразка ЯМР (зліва) та вузол вертушки (праворуч).

Зонд зразка містить котушки, необхідні для збудження зразка та виявлення сигналу ЯМР, коли збуджені стани піддаються релаксації. \(\PageIndex{3}\)На малюнку показані дві конфігурації для цього; в обох конфігураціях одна і та ж котушка використовується як для збудження, так і для виявлення. У конструкції зліва, яка використовує постійний магніт, прикладене магнітне поле\(B_0\), орієнтована горизонтально по діаметру зразка, а радіочастотне електромагнітне випромінювання і його поле\(B_1\) орієнтується вертикально за допомогою спіральної котушки. У конструкції праворуч, яка використовується з надпровідним магнітом, прикладене магнітне поле\(B_0\), орієнтоване вертикально і імпульс радіочастотного електромагнітного випромінювання і його поле орієнтований горизонтально за допомогою сідлової котушки.\(B_1\)

Дві конфігурації для нанесення магнітних полів на зразок. — Малюнок\(\PageIndex{3}\). Дві конфігурації для застосування магнітних полів\(B_0\) і\(B_1\). Конфігурація зліва використовується з постійним, наприклад, безперервним хвильовим приладом або настільним FT-ЯМР. Конфігурація праворуч використовується з надпровідним магнітом, таким як прилад на рис\(\PageIndex{1}\).

Обробка даних

У розділі 19.1 ми використовували наступний малюнок для опису імпульсного експерименту ЯМР. Після імпульсу, який застосовується протягом 1-10 мкс, розпад вільної індукції, FID, реєструється протягом періоду часу, який може коливатися від лише 0,1 секунди до 10 секунд, залежно від ядра, що досліджується.

Малюнок\(\PageIndex{4}\). Приклад імпульсної послідовності для FT-ЯМР. Дивіться текст для опису термінів, показаних тут.

FID - це аналоговий сигнал у вигляді напруги, як правило, в діапазоні мкВ. Цей аналоговий сигнал повинен бути перетворений в цифровий сигнал для обробки даних, який називається аналого-цифровим перетворенням, АЦП. Тут потрібні два важливі міркування: як забезпечити, щоб сигнал - точніше, розташування піків у спектрі ЯМР - не спотворювався, і як виконати АЦП, коли частоти знаходяться на порядку сотень МГц.

Аналого-цифрове перетворення

Аналого-цифровий перетворювач відображає сигнал на обмежену кількість можливих значень, виражених у двійкових позначеннях - і характеризуються кількістю доступних бітів. Наприклад, 2-бітний АЦП перетворювач обмежений\(2^2 = 4\) можливими двійковими значеннями 00, 01, 10 та 11, які відповідають десятковим числам 1, 2, 3 та 4. Наявність лише чотирьох можливих значень, звичайно, спотворить малюнок FID на малюнку\(\PageIndex{4}\) з плавно мінливого коливального сигналу на серію кроків. Використання АЦП перетворювача з 16 бітами дозволяє отримати 65 536 унікальних цифрових значень, що є значним поліпшенням. Інша форма спотворення виникає, якщо ми не проводимо вибірку FID з достатньою частотою. Розглянемо, наприклад, просту синусоїду на малюнку\(\PageIndex{5}a\), яка показана у вигляді суцільної лінії. Якщо ми відбираємо цей сигнал лише п'ять разів протягом періоду менше чотирьох повних циклів, як показано п'ятьма однаково розташованими крапками на малюнку\(\PageIndex{5}a\), то очевидним сигналом є те, що показано пунктирною лінією.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Вплив частоти дискретизації при контролі періодичного сигналу. Окремі зразки показані червоними крапками (•). У (а) частота вибірки становить приблизно 1,5 проби за період. Пунктирна червона лінія показує видимий сигнал на основі п'яти зразків, а суцільна синя лінія показує справжній сигнал. У (b) частота дискретизації з шести зразків за період точно відтворює справжній сигнал.

Відповідно до теореми Найквіста, щоб точно визначити частоту періодичного сигналу, ми повинні вибірку сигналу принаймні двічі протягом кожного циклу або періоду. З огляду на частоту дискретизації\(\Delta\), наступне рівняння

\[\Delta = \frac{1}{2 \nu_\text{max}} \label{adc1} \]

визначає найвищу частоту\(\nu_\text{max}\), яку ми можемо точно контролювати. Частота дискретизації шести зразків за період більш ніж достатня для відтворення реального сигналу на малюнку\(\PageIndex{5}\).

Пік з частотою, яка більше, ніж не\(\nu_\text{max}\) відсутній у спектрі; замість цього він просто з'являється в іншому місці. Наприклад, припустимо, що ми можемо точно відстежувати будь-яку частоту у вікні, показаному на малюнку,\(\PageIndex{6}\) і що ми вимірюємо частоти лише в цьому вікні. Пік з частотою, яка більша за те, що ми можемо точно виміряти,\(\Delta \nu\) з'являється на видимій частоті, яка\(\Delta \nu\) перевищує нижню межу вікна частот. Це називається складним.

Ілюстрація, що показує походження згортання, в якому пік у спектрі ЯМР з'являється при значенні, відмінному від його фактичного значення. — Малюнок\(\PageIndex{6}\). Ілюстрація, що показує походження згортання, в якому пік у спектрі ЯМР з'являється при значенні\(\delta\), яке відрізняється від його фактичного значення.

Управління сигналами МГц

Приладом на малюнку\(\PageIndex{1}\) є ЯМР 400 МГц. Це діапазон частот, який занадто великий, щоб аналого-цифровий перетворювач міг обробляти з точністю. Вікно частоти, що цікавить нас, однак, зазвичай становить 10 проміле для ¹ H ЯМР (див. Розділ 19.2 для перегляду шкали ЯМР). Для ЯМР 400 МГц це відповідає лише 4000 Гц, корисний діапазон працює від 400.000 МГц до 400.004 МГц. Віднімання частоти приладу 400 МГц від частоти сигналу обмежує останній до діапазону 0-4000 Гц, діапазону, з яким легко впоратися АЦП.

Інтегратори сигналів

Інтеграція для визначення площі під піками дає можливість отримати деяку кількісну інформацію про вибірку. \(\PageIndex{7}\)На малюнку показано інтеграцію ЯМР пропану, вперше помічену в главі 19.2. Інтеграція піку для двох метильних груп дає результат 1766, а інтеграція піку для метиленової групи дає результат 710. Співвідношення двох дорівнює

\[\frac{1766}{710} = 2.5 \nonumber \]

що дещо менше, ніж очікуване співвідношення 3:1.

Малюнок\(\PageIndex{1}\). Ілюстрація інтеграції. Початкові дані, що використовуються для побудови цього спектру, знаходяться тут і були отримані на приладі 300 МГц.