ЯМР для «чайників», або десять основних фактів про ядерне магнітному резонансі - Троїцький варіант -
Перш за все треба зауважити, що хоча в назві цього явища присутнє слово «ядерний», до ядерної фізики ЯМР ніякого відношення не має і з радіоактивністю ніяк не пов'язаний. Якщо говорити про суворе описі, то без законів квантової механіки ніяк не обійтися. Згідно з цими законами, енергія взаємодії магнітного ядра із зовнішнім магнітним полем може приймати тільки кілька дискретних значень. Якщо опромінювати магнітні ядра змінним магнітним полем, частота якого відповідає різниці між цими дискретними енергетичними рівнями, вираженої в частотних одиницях, то магнітні ядра починають переходити з одного рівня на інший, при цьому поглинаючи енергію змінного поля. В цьому і полягає явище магнітного резонансу. Це пояснення формально правильне, але не дуже наочне. Є інше пояснення, без квантової механіки. Магнітне ядро можна уявити як електрично заряджений кульку, що обертається навколо своєї осі (хоча, строго кажучи, це не так). Відповідно до законів електродинаміки, обертання заряду призводить до появи магнітного поля, тобто магнітного моменту ядра, який спрямований уздовж осі обертання. Якщо цей магнітний момент помістити в постійне зовнішнє поле, то вектор цього моменту починає прецессировать, тобто обертатися навколо напрямку зовнішнього поля. Таким же чином прецессирует (обертається) навколо вертикалі вісь дзиги, якщо її розкрутити не строго вертикально, а під деяким кутом. У цьому випадку роль магнітного поля грає сила гравітації.
Частота прецесії визначається як властивостями ядра, так і силою магнітного поля: чим сильніше поле, тим вище частота. Потім, якщо крім постійного зовнішнього магнітного поля на ядро буде впливати змінне магнітне поле, то ядро починає взаємодіяти з цим полем - воно ніби сильніше розгойдує ядро, амплітуда прецесії збільшується, і ядро поглинає енергію змінного поля. Однак це буде відбуватися тільки за умови резонансу, тобто збіги частоти прецесії і частоти зовнішнього змінного поля. Це схоже на класичний приклад зі шкільної фізики - марширують по мосту солдати. Якщо частота кроку збігається з частотою власних коливань мосту, то міст розгойдується все сильніше і сильніше. Експериментально це явище проявляється в залежності поглинання змінного поля від його частоти. У момент резонансу поглинання різко зростає, а найпростіший спектр магнітного резонансу виглядає ось так:
Перші ЯМР-спектрометри працювали саме так, як описано вище-зразок містився в постійне магнітне поле, і на нього безперервно подавалося радіосигнали. Потім плавно змінювалася або частота змінного поля, або напруженість постійного магнітного поля. Поглинання енергії змінного поля реєструвалося радіочастотним мостом, сигнал від якого виводився на самописець або осцилограф. Але цей спосіб реєстрації сигналу вже давно не застосовується. В сучасних ЯМР-спектрометрах спектр записується за допомогою імпульсів. Магнітні моменти ядер порушуються коротким потужним імпульсом, після якого реєструється сигнал, що наводиться в РЧ-котушці вільно прецессирует магнітними моментами. Цей сигнал поступово спадає до нуля в міру повернення магнітних моментів в стан рівноваги (цей процес називається магнітною релаксацією). Спектр ЯМР виходить з цього сигналу за допомогою Фур'є-перетворення. Це стандартна математична процедура, що дозволяє розкладати будь-який сигнал на частотні гармоніки і таким чином отримувати частотний спектр цього сигналу. Цей спосіб запису спектра дозволяє значно знизити рівень шумів і проводити експерименти набагато швидше.
Один збудливий імпульс для запису спектра - це найпростіший ЯМР-експеримент. Однак таких імпульсів, різної тривалості, амплітуди, з різними затримками між ними і т.п. в експерименті може бути багато, в залежності від того, які саме маніпуляції досліднику треба провести з системою ядерних магнітних моментів. Проте, практично всі ці імпульсні послідовності закінчуються одним і тим же - записом сигналу вільної прецесії з подальшим Фур'є-перетворенням.
3. Магнітні взаємодії в речовині
Сам по собі магнітний резонанс залишився б не більше ніж цікавим фізичним явищем, якби не магнітні взаємодії ядер один з одним і з електронною оболонкою молекули. Ці взаємодії впливають на параметри резонансу, і з їх допомогою методом ЯМР можна отримувати різноманітну інформацію про властивості молекул - їх орієнтації, просторову структуру (конформації), міжмолекулярних взаємодіях, хімічному обміні, обертальної і трансляційної динаміці. Завдяки цьому ЯМР перетворився в дуже потужний інструмент дослідження речовин на молекулярному рівні, який широко застосовується не тільки у фізиці, але головним чином в хімії і молекулярної біології. Як приклад одного з таких взаємодій можна привести так званий хімічний зсув. Суть його в наступному: електронна оболонка молекули відгукується на зовнішнє магнітне поле і намагається його екранувати - часткове екранування магнітного поля відбувається у всіх діамагнітних речовинах. Це означає, що магнітне поле в молекулі буде відрізнятися від зовнішнього магнітного поля на дуже невелику величину, яка і називається хімічним зрушенням. Однак властивості електронної оболонки в різних частинах молекули різні, і хімічний зсув теж різний. Відповідно, умови резонансу для ядер в різних частинах молекули теж будуть відрізнятися. Це дозволяє розрізняти в спектрі хімічно нееквівалентні ядра. Наприклад, якщо ми візьмемо спектр ядер водню (протонів) чистої води, то в ньому буде тільки одна лінія, оскільки обидва протона в молекулі H2 O абсолютно однакові. Але для метилового спирту СН3 ОН в спектрі буде вже дві лінії (якщо знехтувати іншими магнітними взаємодіями), оскільки тут є два типи протонів - протони метильної групи СН3 і протон, пов'язаний з атомом кисню. В міру ускладнення молекул число ліній буде збільшуватися, і якщо ми візьмемо таку велику і складну молекулу, як білок, то в цьому випадку спектр буде виглядати приблизно так:
ЯМР можна спостерігати на різних ядрах, але треба сказати, що далеко не всі ядра мають магнітний момент. Часто буває так, що деякі ізотопи мають магнітний момент, а інші ізотопи того ж самого ядра - немає. Всього існує більше сотні ізотопів різних хімічних елементів, що мають магнітні ядра, однак в дослідженнях зазвичай використовується не більше 1520 магнітних ядер, все інше -екзотіка. Для кожного ядра є своє характерне співвідношення магнітного поля і частоти прецесії, зване гіромагнітного відношення. Для всіх ядер ці відносини відомі. За ним можна підібрати частоту, на якій при даному магнітному полі буде спостерігатися сигнал від потрібних досліднику ядер.
5. Електронний парамагнітний і квадрупольний резонанс
Говорячи про ЯМР, не можна не згадати про двох інших споріднених фізичних явищах - електронному парамагнітному резонансі (ЕПР) і ядерний квадрупольному резонансі (ЯКР). ЕПР за своєю суттю подібний ЯМР, різниця полягає в тому, що резонанс спостерігається на магнітних моментах не атомних ядер, а електронної оболонки атома. ЕПР може спостерігатися тільки в тих молекулах або хімічних групах, електронна оболонка яких містить так званий неспарених електронів, тоді оболонка має ненульовий магнітний момент. Такі речовини називаються парамагнетиками. ЕПР, як і ЯМР, також застосовується для досліджень різних структурно-динамічних властивостей речовин на молекулярному рівні, але його область використання істотно вже. Це пов'язано в основному з тим, що більшість молекул, особливо в живій природі, не містить неспарених електронів. У деяких випадках можна використовувати так званий парамагнетичний зонд, тобто хімічну групу з неспареним електроном, яка зв'язується з досліджуваної молекулою. Але такий підхід має очевидні недоліки, які обмежують можливості цього методу. Крім того, в ЕПР немає такого високого спектрального дозволу (тобто можливості відрізнити в спектрі одну лінію від іншої), як в ЯМР.
Пояснити «на пальцях» природу ЯКР найважче. Деякі ядра володіють так званим електричним квадрупольним моментом. Цей момент характеризує відхилення розподілу електричного заряду ядра від сферичної симетрії. Взаємодія цього моменту з градієнтом електричного поля, створюваного кристалічною структурою речовини, призводить до розщеплення енергетичних рівнів ядра. В цьому випадку можна спостерігати резонанс на частоті, що відповідає переходам між цими рівнями. На відміну від ЯМР і ЕПР, для ЯКР не потрібно зовнішнього магнітного поля, оскільки розщеплення рівнів відбувається без нього. ЯКР також використовується для дослідження речовин, але область його застосування ще вужче, ніж у ЕПР.
6. Переваги та недоліки ЯМР
ЯМР - найпотужніший і інформативний метод дослідження молекул. Строго кажучи, це не один метод, це велике число різноманітних типів експериментів, тобто імпульсних послідовностей. Хоча всі вони засновані на явищі ЯМР, але кожен з цих експериментів призначений для отримання якоїсь конкретної специфічної інформації. Число цих експериментів вимірюється багатьма десятками, якщо не сотнями. Теоретично ЯМР може якщо не все, то майже все, що можуть всі інші експериментальні методи дослідження структури і динаміки молекул, хоча практично це здійснимо, звичайно, далеко не завжди. Одна з основних переваг ЯМР в тому, що, з одного боку, його природні зонди, тобто магнітні ядра, розподілені по всій молекулі, а з іншого боку, він дозволяє відрізнити ці ядра один від одного і отримувати просторово-селективні дані про властивості молекули. Майже всі інші методи дають інформацію або усереднену по всій молекулі, або тільки про якоїсь однієї її частини.
Основних недоліків у ЯМР два. По-перше, це низька чутливість в порівнянні з більшістю інших експериментальних методів (оптична спектроскопія, флюоресценція, ЕПР і т.п.). Це призводить до того, що для усереднення шумів сигнал потрібно накопичувати довгий час. У деяких випадках ЯМР-експеримент може проводитися протягом навіть декількох тижнів. По-друге, це його дорожнеча. ЯМР-спектрометри - одні з найдорожчих наукових приладів, їх вартість вимірюється як мінімум сотнями тисяч доларів, а найдорожчі спектрометри стоять кілька мільйонів. Далеко не всі лабораторії, особливо вУкаіни, можуть дозволити собі мати таке наукове обладнання.
Надпровідний магніт в розрізі
7. Магніти для ЯМР-спектрометрів
Одна з найважливіших і дорогих частин спектрометра - магніт, який створює постійне магнітне поле. Чим сильніше поле, тим вище чутливість і спектральний дозвіл, тому вчені та інженери постійно намагаються отримати якомога вищі поля. Магнітне поле створюється електричним струмом в соленоїді - чим сильніше струм, тим більше поле. Однак нескінченно збільшувати силу струму не можна, при дуже великому струмі провід соленоїда просто почне плавитися. Тому вже дуже давно для високопольних ЯМР-спектрометрів використовуються надпровідні магніти, тобто магніти, в яких провід соленоїда знаходиться в надпровідного стану. У цьому випадку електричний опір проводу дорівнює нулю, і виділення енергії не відбувається при будь-якій величині струму. Надпровідний стан можна отримати тільки при дуже низьких температурах, всього декількох градусів Кельвіна, - це температура рідкого гелію. (Високотемпературна надпровідність - до сих пір доля тільки чисто фундаментальних досліджень.) Саме з підтриманням такою низькою температури і пов'язані всі технічні складності конструювання і виробництва магнітів, які обумовлюють їх дорожнечу. Надпровідний магніт побудований за принципом термоса-матрьошки. Соленоїд знаходиться в центрі, у вакуумній камері. Його оточує оболонка, в якій знаходиться рідкий гелій. Ця оболонка через вакуумну прошарок оточена оболонкою з рідкого азоту. Температура рідкого азоту - мінус 196 градусів за Цельсієм, азот потрібен для того, щоб гелій випаровувався якомога повільніше. Нарешті, азотна оболонка ізолюється від кімнатної температури зовнішнього вакуумної прошарком. Така система здатна зберігати потрібну температуру надпровідного магніту дуже довго, хоча для цього потрібно регулярно підливати в магніт рідкі азот і гелій. Перевага таких магнітів крім можливості отримувати високі магнітні поля також і в тому, що вони не споживають енергії: після запуску магніту струм бігає по надпровідним проводах практично без будь-яких втрат протягом багатьох років.
У звичайних ЯМР-спектрометрах магнітне поле намагаються зробити якомога більш однорідним, це потрібно для поліпшення спектрального дозволу. Але якщо магнітне поле всередині зразка, навпаки, зробити дуже неоднорідним, це відкриває принципово нові можливості для використання ЯМР. Неоднорідність поля створюється так званими градієнтними котушками, які працюють в парі з основним магнітом. У цьому випадку величина магнітного поля в різних частинах зразка буде різна, а це значить, що сигнал ЯМР можна спостерігати не від всього зразка, як у звичайному спектрометрі, а тільки від його вузького шару, для якого дотримуються резонансні умови, тобто потрібне співвідношення магнітного поля і частоти. Змінюючи величину магнітного поля (або, що по суті те ж саме, частоту спостереження сигналу), можна змінювати шар, який буде давати сигнал. Таким чином можна «просканувати» зразок по всьому об'єму і «побачити» його внутрішню тривимірну структуру, не руйнуючи зразок будь-яким механічним способом. До теперішнього часу розроблено велику кількість методик, що дозволяють вимірювати різні параметри ЯМР (спектральні характеристики, часи магнітної релаксації, швидкість самодиффузии і деякі інші) з просторовим дозволом всередині зразка. Найцікавіше і найважливіше, з практичної точки зору, застосування ЯМР-томографії знайшлося в медицині. В цьому випадку досліджуваним «зразком» є людське тіло. ЯМР-томографія є одним з найбільш ефективних і безпечних (але також і дорогих) діагностичних засобів в різних областях медицини, від онкології до акушерства. Цікаво зауважити, що в назві цього методу медики не вживають слово «ядерний», тому що деякі пацієнти пов'язують його з ядерними реакціями і атомною бомбою.
10. Нобелівські премії в області магнітного резонансу