Общие принципы

В самом начале становления ЯМР-спектроскопии (1945-1970) для получения спектров использовался так называемый постоянный режим, когда образец непрерывно облучался слабым радиочастотным полем с фиксированной амплитудой (Рис. K2.1a). При этом использовалась либо фиксированная частота радиочастотного поля, когда медленно менялась сила прикладываемого внешнего магнитного поля, либо в обратной последовательности, с тем чтобы последовательно привести в резонанс спины с различными химическими сдвигами.

Рис. К2.1. Два основных метода получения ЯМР-спектра: (а) постоянное возбуждение с различной энергией, (б) импульсное возбуждение с последующим фурье-преобразованием

1970-е годы ознаменовались революционным изменением – получила развитие импульсная фурье-спектроскопия, которая открыла путь для современного ЯМР и его разносторонних приложений (Рис. K2.1(б)). Исходным толчком послужило изобретение многоканальных спектрометров, которые позволили проводить одновременное измерение многих точек частотного спектра; однако скоро выяснилось, что с увеличением числа каналов сложности построения таких приборов очень быстро растут.

В настоящее время импульсные спектрометры с фурье-преобразованием полностью вытеснили традиционные приборы, работающие в режиме постоянного измерения. Высокая чувствительность, высокое разрешение и отсутствие искажений формы линий способствовало популярности фурье-спектроскопии и в конце концов сделало ее главенствующей техникой в ЯМР.

В импульсных фурье-спектрометрах получаемая информация является функцией времени. Спектроскопистов, однако, интересует частотная зависимость сигналов спиновой системы, так как при определенных частотах величина разности энергий между спиновыми состояниями обладает характерными резонансными линиями. На самом деле, как мы уже знаем, временная и частотная области взасвязаны и можно переходить из одной области в другую через фурье-преобразование. Оно соотносит данные, полученные во временной области f(t), с данными в частотной области f(ν) через следующее уравнение:

(K2.1)

ЯМР-спектрометры с фурье-преобразованием

Схема типичного ЯМР-спектрометра для исследования образцов в жидком состоянии представленана рис. K2.6.

Рис. K2.6 Схематическое изображение основных элементов ЯМР-спектрометра

Чувствительность и разрешение спектрометра зависят, прежде всего, от силы и качества магнита, который является его ключевым компонентом. Для получения наилучшего разрешения необходимо использовать магниты с максимально возможной напряженностью поля и с максимальной однородностью. Кроме того, поле должно быть воспроизводимым. Такими свойствами обладают только сверхпроводящие соленоиды.

Радиочастотная катушка служит одновременно передатчиком и детектором резонансной частоты. Измеренный и обработанный компьютером сигнал представляет собой низкочастотный сигнал, который является разностью между переданной и детектируемой частотами.

Чтобы все ядра испытывали действия одного и того же поля, образец помещают в центр цилиндрического магнита. Несмотря на то, что сверхпроводящий магнит работает при температуре жидкого гелия (4 К), сам образец находится при комнатной температуре.

Для возбуждения системы спинов радиочастотной энергией спектрометр снабжен программатором импульсов и устройствами, которые позволяют подавать на образец сложные последовательности импульсов. Радиочастотный источник – стабильный кристаллический осциллятор, работающий в непрерывном режиме. Амплитуда и фаза непрерывного сигнала контролируются на выходе. Современные программаторы импульса обеспечивают контроль фазы с точность до 1^o.

Последовательность импульсов, состоящая из сложного сигнала импульс-накопление–затухание, повторяется N раз до тех пор, пока не будет достигнуто приемлемое соотношение сигнал-шум. В настоящее время детектирование таких слабых сигналов, как сигнал естественного изотопа ¹³C (его содержание в образце ~1%) является рутинной процедурой.