Спектроскопия ядерного магнитного резонанса
Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) относится к радиоспектроскопии и основан на поглощении радиоволн веществом, помещенным в магнитное поле. Истории человечества известно четыре Нобелевских премии, присужденные за исследования связанные с ЯМР.
Прежде всего, надо заметить, что хотя в названии этого метода присутствует слово «ядерный», к ядерной физике ЯМР никакого отношения не имеет и с радиоактивностью никак не связан.
Если воздействовать на ядра атомов переменным магнитным полем (используют мощные магниты), то ядра начинают переходить с одного уровня на другой, при этом поглощая энергию переменного поля. В этом и состоит явление магнитного резонанса.
ЯМР можно наблюдать на разных ядрах, но надо сказать, что далеко не все ядра имеют магнитный момент. Часто бывает так, что некоторые изотопы имеют магнитный момент, а другие изотопы того же самого ядра — нет. Самые важные для ЯМР ядра — это протоны. Их больше всего в природе, и они имеют очень высокую чувствительность. Для химии и биологии очень важны ядра углерода, азота и кислорода. Наиболее распространенные изотопы углерода и кислорода, 12С и 16О, магнитного момента не имеют, у природного изотопа азота 14N момент есть, но он по ряду причин для экспериментов очень неудобен. Есть изотопы 13С,15N и 17О, которые подходят для ЯМР-экспериментов, но их природное содержание очень низкое, а чувствительность очень маленькая по сравнению с протонами. Поэтому часто для ЯМР-исследований готовят специальные изотопно-обогащенные образцы, в которых природный изотоп того или иного ядра замещен на тот, который нужен для экспериментов.
ЯМР — самый мощный и информативный метод неразрушающего анализа молекул. Можно проводить количественный анализ, но в большей степени ЯМР используют для определения органических веществ. На рис. 31-32 приведены ЯМР спектры, снятые на протоне (1Н) некоторых органических молекул.
Рисунок 31. 1Н-ЯМР спектр уксусной кислоты
|
Рисунок 32. 1Н-ЯМР спектр толуола
|
Явление ЯМР можно применять не только в физике и химии, но и в медицине: организм человека — это совокупность все тех же органических и неорганических молекул. Известная всем магнитно-резонансная томография – это тоже ЯМР, которая позволяет получить объемное изображение, либо наблюдать в реальном времени за внутренними органами и тканями.