Вопрос 88. Общие подходы к интерпретации спектров ядерного магнитного резонанса.

В зависимости от своего химического окружения ядра поглощают определенную резонансную частоту, переходя в возбужденное по ядерному спину состояние и приобретая поперечную намагниченность. После отключения радиочастотного поля спины ядер постепенно возвращаются (релаксируют) в основное состояние. Именно изменение поперечной намагниченности и регистрирует спектрометр ЯМР. Величина поперечной намагниченности изменяется со временем в связи с осцилляцией ядерного спина одновременно вокруг осей постоянного и переменного магнитного полей (гармоническая функция) и с релаксацией спина (уменьшение амплитуды). В результате FID представляет собой набор затухающих гармонических функций, частота которых зависит от резонансных частот ядер.

Рис. 2. Спад свободной индукции (FID).

Так же стоит отметить особую шкалу, применяемую в спектроскопии ЯМР. Резонансная частота ядра меняется в зависимости от того, какое поле создает магнит ЯМР. Поэтому, если использовать частотное (Гц) представление шкалы, очень сложно сравнивать спектры, полученные на спектрометрах с разной рабочей частотой. В связи с этим в спектроскопии ЯМР используется собственная безразмерная шкала, положение сигнала в которой (химический сдвиг) измеряется в миллионных долях (м.д. или ppm). Рассчитывается она по формуле: δ = (ν – ν₀)/H, где ν – резонансная частота сигнала, ν₀ – резонансная частота стандарта, H – рабочая частота спектрометра.Теперь рассмотрим общий подход к обработке полученного FID. На первой стадии обработки спектра идет редактирование спада свободной индукции. Эта процедура не является обязательной, но зачастую она позволяет получить более качественный спектр: уменьшить шумы, уменьшить ширину линий, сгладить линии и т.п. В данном случае использует ряд математических операций, производимых с набором затухающих гармонических функций, из которых состоит FID. Примером здесь могут служить трапецеидальное умножение, экспоненциальное умножение, гауссово преобразование, увеличение числа точек в спектре, линейное предсказание спада и т.п.Далее следует процедура разложения спада свободной индукции на составляющие его гармоники. Для этого используется преобразование Фурье. После этого мы получаем спектр уже не во временной, а в частотной шкале.Следующим шагом обработки является правка фазы спектра. В предельном случае, когда спад свободной индукции длится бесконечно долго, мы получаем бесконечно узкую линию (δ-функцию). В реальной ситуации за счет релаксации спинов спад длится какое-то определенное время, а линия в частотном представлении имеет симметричную лоренцову форму. Соответственно, нашей задачей является правка формы линии так, чтобы она имела симметричную форму (рис. 3.).

Рис. 3. Правильная форма линии сигнала

После процедуры правки фазы следует выставление базовой (нулевой) линии. Это необходимо для последующего корректного интегрирования сигналов.

Затем следует калибровка спектра: выставление величины химического сдвига, относительно которого измеряются химические сдвиги других сигналов. Общепринято в качестве нуля для спектров ¹H и ¹³С использовать ТМС (тетраметилсилан), ГМС (гексаметилдисилан) или ГМДС (гексаметилдисилоксан) (рис 4.).

Рис. 4. Стандарты для ЯМР. 1 – ТМС, 2 – ГМС, 3 – ГМДС.

Однако часто в качестве внутреннего стандарта используются химические сдвиги растворителей (приложение 2, в конце пособия). При описании спектров всегда указывается, относительно какого сигнала производилась калибровка. Например: в качестве внутреннего стандарта использовался сигнал остаточных протонов CDCl₃ δ_H = 7.27.После того, как базовая линия выправлена, следует интегрирование сигналов. Площадь пика представляет собой произведение высоты сигнала на полуширину (ширина сигнала на половине высоты). В зависимости от условий проведения эксперимента, по соотношению интегральных величин сигналов можно сделать вывод о соотношении количества ядер того или иного типа. Например, в молекуле этилового спирта CH₃CH₂OH мы имеем три группы протонов: метильную, метиленовую и гидрокси-группу с разным количеством протонов в каждой. Соответственно, в спектре ¹H-ЯМР мы будем видеть три сигнала с соотношением площадей 3: 2: 1. Как правило, такая зависимость всегда выполняется в протонных спектрах, хотя исключения встречаются и в этом случае (например, при использовании подавления спин-спинового взаимодействия, при выставлении слишком короткой задержки между импульсами радиочастотного поля).Последней стадией обработки спектра является отбор и подпись положения сигналов.