Многомерные и многоядерные эксперименты

Термин «одномерный» ЯМР применяется к экспериментам, в которых преобразованный сигнал представлен функцией только одной частоты. По аналогии, в двумерном ЯМР-спектре координатные оси соответствуют двум частотам.

Общая схема 2D-ЯМР-спектроскопии представлена на рис. K2.25. Здесь присутствуют четыре последовательных временных периода: приготовление, эволюция, смешивание и детектирование. Период приготовления обычно это время, необходимоe для установления равновесия всех спинов. После этого система спинов готова к исходному неравновесному состоянию, которое стандартно достигается с помощью 90^o–ного радиочастотного импульса.

Рис. К2.25 Общая схема двумерной спектроскопии во временной области с использованием четырех различных интервалов для получения зависимости сигнала от времени (τ_подг, t₁, τ_смеш и t₂). В стандартных экспериментах значения τ_подг и τ_смеш фиксированы, а сигнал является функцией только двух параметров t₁ и t₂

В отличие от одномерного ЯМР, в двумерном ЯМР после периода развития присутствует важный дополнительный период − смешивание. Период развития определяется временем t₁. Сигналы периодов развития и детектирования t₁ и t₂ смешиваются за временной период τ_смеш. Регистрация ЯМР-сигнала проводится в течение временного периода t₂. Систематически варьируя время задержки t₁ и сохраняя остальные условия эксперимента неизменными, мы получаем набор данных s(t₁, t₂), имеющий вид матрицы, чье двойное фурье-преобразование дает двумерный частотный спектр S(ω₁, ω₂).

Общая схема 2D-ЯМР очень гибкая и может быть адаптирована для конкретного образца и различных параметров измерения. Существует несколько различных классификаций 2D-ЯМР-экспериментов.

Согласно классификации Эрнста, ЯМР-эксперименты могут быть разбиты на три группы. К первой группе относятся эксперименты, разработанные для корреляции переходов взаимодействующих спинов путем переноса поперечной намагниченности или множественной квантовой когерентности от одного спина к другому в течение специально подобранного процесса смешивания. Такой тип эксперимента называется корреляционной спектроскопией, известной под аббревиатурой COSY.

Ко второй группе относятся эксперименты, основанные на разделении различных взаимодействий (например, химические сдвиги и спин-спиновое взаимодействие) в ортогональном частотном измерении с целью разрешения одномерного спектра путем растягивания перекрывающихся резонансов во втором направлении. Для таких экспериментов необходимо, чтобы спектры в периоды эволюции и детектирования содержали различную информацию. Такой метод называется гомоядерной или гетероядерной двумерной J-разрешенной спектроскопией или спектроскопией спинового эха.

И наконец к третьей группе относится спектроскопия с усилением через ядерный эффект Оверхаузера (NOESY), которая используется для определения расстояния между спинами в пространстве.

Существует и другая классификация. Так, согласно Вютриху (Wuthrich) целесообразно разделить двумерные ЯМР-эксперименты на две группы: эксперименты для отображения скалярных спин-спиновых взаимодействий, такие как корреляционная ЯМР-спектроскопия (COSY) и эксперименты для определения расстояния между диполями, такие как спектроскопия с ядерным эффектом Оверхаузера (NOESY).

Корреляционная спектроскопия (COSY)

Корреляционная спектроскопия (COSY) – одна из наиболее простых и полезных техник для различных 2D-ЯМР-экспериментов. На самом деле, COSY был первым описанным 2D-ЯМР-экспериментом. Простейший COSY-эксперимент показан на рис. K2.26. Для получения данных используется последовательность импульсов типа 90^o – kt₁ – 90^o, где k = 0, 1, 2…2ⁿ. Эксперимент повторяется для каждого значения k.