Одноимпульсные эксперименты

Последовательность событий

 

В этом параграфе мы опишем ЯМР-эксперименты с использованием только одного импульса. На рис. K2.7 показана последовательность событий в таком эксперименте. После начальной задержки, которая необходима всегда, чтобы система пришла в равновесие, на образец подается импульс (обычно прямоугольной формы). После другой короткой задержки, определяемой «мертвым временем» электронного тракта, детектор измеряет ответ системы, который затем оцифровывается и заносится в память компьютера. Время измерения сигнала должно быть достаточно большим, чтобы сигнал от системы спинов упал до пренебрежимо малого уровня. На практикe этот временной отрезок должен быть в несколько раз больше продолжительности релаксации системы T₂. Дальнейшая задержка необходима, чтобы все спины пришли в равновесие (обычно определяется релаксационным временем T₁). Затем процесс повторяется много раз.

Рис. K2.7. Последовательность событий в одноимпульсном эксперименте

 

Как было отмечено ранее во вращающейся системе координат образец находится во внешнем поле B₀,которое направлено вдоль оси z. В отсутствие радиочастотного импульса при постоянном внешнем магнитном поле намагниченность образца мала и направлена вдоль B₀, отражая дисбаланс между спинами с высокими и низкими энергиями, описываемыми распределением Больцмана. Когда частота импульса ν₀ в точности соответствует ларморовой частоте, вектор ядерной намагниченности отклоняется от направления оси z. Импульс направлен вдоль оси x’, а конец вектора – к оси -y’.

 

 

 

Рис. K2.8. Действие короткого радиочастотного импульса вдоль оси x’ во вращающейся системе координат. Изначально вектор намагниченности параллелен внешнему полю и направлен вдоль оси z. (a) Импульс, создающий поле вдоль оси x’ действует на вектор намагниченности, отклоняя его к оси -y’. (б) После того, как поле B₁ выключается, вектор намагниченности сохраняет угол α с осью z. Этот рисунок помогает еще раз понять, почему ЯМР является резонансной техникой: небольшое возмущение B₁ вызывает большое изменение в ориентации вектора намагниченности образца М. Напоминаем, что в экспериментe B₁ на несколько порядков меньше B₀

 

 

Существует оптимальное соотношение угла α и времени между импульсами t_повт, которое дается уравнением Эрнста:

 

cos α = exp(-t_повт/ T₁)

 

Время типичного 90^o-го импульса примерно равно 10^-5 сек. При работе с протонами для этого требуется напряженность поля B₁ примерно 6 ×10^-4 T. Эта величина гораздо меньше внешнего поля B₀.

Угол отклонения вектора намагниченности α (в радианах) дается выражением:

α = γB₁t_p (К2.5)

где t_p – это время действия поля.

Радиочастотный импульс обычно обозначают в соответствии со значением угла α, который он производит, и оси, к которой он приложен. Обозначение 90^o_x или (π/2)_x относится к импульсу, направленному вдоль оси +x′. В конце 90^o_x-импульса вектор намагниченности направлен вдоль - y’. Если время действия поля B₁ увеличить в два раза, то это приведет к переворачиванию вектора M.Такой импульс называют 180^o-или π- импульсом. Одиночный импульс служит способом возмущения системы спинов и средством детектирования намагниченности.

Импульс дает набор частот, почти равных по амплитуде (одинаковая величина B₁), поэтому ядра во всем диапазоне химических сдвигов характеризуются одинаковым углом α в соответствии с уравнение K2.5. Что касается возбуждающего импульса, то каждое ядро с химическим сдвигом можно считать принадлежащим системе координат, вращающейся со своей ларморовой частотой. Однако для понимания того, что происходит после возбуждения, систему координат следует приписать одной частоте, которая выбирается равной частоте спектрометра ν₀.

В методе ЯМР различают неселективные и селективные импульсы. Неселективный импульс - это радиочастотный импульс с широким частотным спектром (короткий и мощный импульс), который возбуждает все ядра данного типа (например, все протоны образца). Селективный же импульс представляет собой радиочастотный импульс с узким частотным спектром (длинный и довольно слабый импульс), возбуждающий ядра в ограниченном диапазоне значений химических сдвигов. Главное свойство импульсного ЯМР заключается в возможности равномерного и одновременного возбуждении ядер с различными химическими сдвигами. Например, типичный диапазон ¹H-резонансных частот составляет 4 кГц (10 м.д.×400 МГц); таким образом, 90^o-ный импульс с напряженностью γB₁/2π>>4кГц будет поворачивать векторы намагниченности всех протонов вне зависимости от их резонансной частоты.

 

 

Многоимпульсные эксперименты

 

Возможности ЯМР-спектроскопии с фурье-преобразованием многократно возрастают, если использовать различные последовательности радиочастотных импульсов. В многоимпульсном эксперименте на образец подается специально подобранная последовательность радиочастотных импульсов. Такие эксперименты значительно расширяют область применения ЯМР, поскольку дают информацию, которую трудно или невозможно получить с помощью одноимпульсной техники. В последовательности импульсов важны амплитуды, ширина импульсов и временные задержки между ними.

 

Очень много информации, относящейся к ЯМР-спектроскопии белков и нуклеиновых кислот, можно получить в Банке Данных Биологического Магнитного Резонанса (BMRB, Biological Magnetic Resonance Data Bank). Его постоянный адрес:

http://www.bmrb.wisc.edu/

В этом банке собраны как практически все результаты по соотнесению сигналов ЯМР в спектрах биологических макромолекулах, так и много другой полезной информации (статистика по химическим сдвигам, номенклатура, описание экспериментов, рекомендации и т.д.) Есть там и "уголок спектроскописта", где на сегодняшний день находится около 70 программ импульсов, а так же ссылки на другие источники в интернете.

 

Измерения времени спин-решеточной релаксации T₁ методом инверсии-