Метод мультиплетно-селективного возбуждения спиновых систем в ЯМР для изучения молекулярной структуры и молекулярного движения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, доктор химических наук Черныш, Юрий Ефимович

• Черныш, Юрий Ефимович
• доктор химических наук
• 2003

Оглавление диссертации доктор химических наук Черныш, Юрий Ефимович

Введение

I. Виды селективных экспериментов и средства их реализации

1.1. Селективное возбуждение

1.2. Селективное подавление

1.2.1. Объемная дисперсия намагниченности.

Стационарный метод

1.2.2. Предварительное насыщение

1.2.3. Облучение сигналов во время сбора данных

1.2.4. WEFT-методика

1.2.5. Методы с использованием импульсов большой длительности

1.2.6. Импульсная последовательность Редфилд 2-1

1.2.7. Импульсная последовательность Редфилд 2-1с разделением по времени

1.2.8. Биноминальные импульсные последовательности 20 И. Селективные эксперименты ЯМР в химических исследованиях 22 IL 1. Селективные одномерные эксперименты

11.2. Селективные двумерные эксперименты

11.3. Двумерные эксперименты как новый этап развития одномерных методик ЯМР

III. Методы ЯМР, использующие селективные РЧ импульсы совместно с импульсными полевыми градиентами

III. 1. Импульсные полевые градиенты

111.2. Селек гивные импульсы

111.3. Гомоядерные методики

111.3.1. Селективный COSY-эксперимент

111.3.2. Селективный TOCSY-эксперимент

111.3.3. Эхо-спектроскопия двойного импульсного полевого градиента

111.3.4. С-С эксперименты 107 III. 4. Гетероядерные методи ки

IV. Основные принципы селективного двумерного эксперимента ЯМР 127 IV. 1. Классическое описание мультиплетно-селективного возбуждения спиновой системы

IV. 1.1. Селективный двухимпульсный эксперимент

IV. 1.2. Селективный трехимпульсный эксперимент

IV.2. Квантово-механическая трактовка метода

1V.2.1. MUSEX COSY-эксперимент

IV.2.2. MUSEX EXSY-эксперимент

IV.3. Практические аспект^ i MUSEX метода

IV.4. Решение структурных задач

IV.5. Решение обменных задач

V. Векторный Операторный Формализм (ВОФ) для описания импульсных экспериментов ЯМР

VI. Селективная двумерная обменная спектроскопия ЯМР и ее применение к изучению молекулярных динамических процессов

VI. 1. MUSEX EXSY-эксперимент

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод мультиплетно-селективного возбуждения спиновых систем в ЯМР для изучения молекулярной структуры и молекулярного движения»

Проблему решения задач структуры молекул и молекулярного движения методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) условно можно разделить на три основных этапа:

1. Отнесение химических сдвигов всех резонансных сигналов исследуемых образцов в спектрах ЯМР. Следует особо отметить, что частичное отнесение химсдвигов не обеспечивает полного решения конкретной динамической задачи. Здесь требуется полнота, подобно тому, как в математика решить уравнение - значит, найти множество его корней, то есть найти все решения данного уравнения. Отнесение химических сдвигов резонансных сигналов до сих пор остается сложном задачей.

2. Установление структуры, требующее для своего решения определения многих спектральных параметров, например: констант скоростей ядерной магнитной релаксации (всех резонансных пиков), межъядерных расстояний и других параметров в зависимости от сложности структуры конкретной молекулы.

3. Обменные задачи, однозначное решение которых является результатом успешного выполнения двух предыдущих этапов.

В наши дни большинство спектромегров ЯМР высокого разрешения работают в режиме Фурье-преобразования, при котором возбуждение создается мощными неселективными радиочастотными (РЧ) импульсами. Наиболее часто встречающейся проблемой при работе на таких спектрометрах является подавление резонансных сигналов растворителя. Поэтому возникает необходимость возбуждения одного ядра или одной спектральной линии спинового мультиплета без возмущения остальной части молекулы. После перехода импульсной Фурье-спектроскопии к своему новому этапу развития (двумерный эксперимент) роль и популярность селективных ме "одов стала быстро возрастать.

Альтернативой селективному возбуждению может служить селективное подавление, которое наиболее часто используется как метод удаления нежелательных сигналов, например, интенсивных пиков растворителя. Селективное подавление может применяться и для наблюдения одного протонированного сигнала 13С в сложных молекулах посредством разностной спектроскопии.

Используя методы частотного селективного облучения, проблему подавления интенсивных пиков растворителя можно решить, либо подавляя резонанс растворителя, либо не возбуждая его. Ограничением для решения этой задачи являются случаи перекрывания спиновых мультиплетов в спектрах больших молекул. С появлением сверхпроводящих магнитов, обеспечивающих высокие магнит ые поля и позволяющих создавать промышленные спектрометры 51МР повы ценного разрешения, эта проблема была решена. Иллюстрацией могут служить протонно-связанные спектры ядер 13С, так как даже в спектрах относительно простых молекул возможно существование довольно сильного перекрывания мультиплетных сигналов, что ограничивает исследование больших и сложных молекул. Когда гстероядерные спиновые связи ответственны за перекрывание мультиплетных структур, то методы селективного возбуждения позволяют успешно решать эту проблему. Широкополосное облучение приводит к устранению мультиплетной структуры сигнала наблюдаемого ядра, то есть к одиночному сигналу, положение которого в спектре тем самым однозначно определяется. При этом растет чувствительность за счет потери информации о связности ядер спиновой системы.

Знание химических сдвигов дает возможность расшифровывать сложные спектры больших молекул, что достигается путем простой комбинации селективного возбуждения и стробирующей развязки. При таком подходе каждый резонансный сигнал возбуждается селективно, затем устройство развязки выключается, что создает условия свободной прецессии резонансных линий мультиплетных сигналов, и Фурье-преобразование генерирует мультиплетные подспектры, соответствующие выбранному положению резонансного сигнала. Серия таких подспектров воссоздает обычный полный спектр со всей картиной связи. Дополнительную информацию относительно связности мультиплетных сигналов можно получить, используя методику селективного двойного резонанса, такую как селективный перенос населенности. Эти методы позволяют определить знаки констант спиновых связей, применяя "мягкие" селективные импульсы для облучения ядер, связанных с наблюдаемым ядром.

Другой областью применения селективного возбуждения является изучение механизмов магнитной релаксации. Кросс-релаксационные эффекты спин-решеточной релаксации протонов могут быть исследованы путем сравнения времени восстановления намагниченности после приложения селективного импульса, инвертирующего населенность, и неселективного импульса. Такие эксперименты дают информацию о структуре и динамике молекул. Определение времени поперечной релаксации при наличии гомоядерной спин-спиновой связи методом спинового эха значительно затрудняется из-за .1-модуляции эхо-сигналов. Этой модуляции молено избежать, если группы сигналов с различными химическими сдвигами исследовать индивидуально, то есть возбуждение и перефокусирование осуществлять с помощью селективных импульсов. Еще одним альтернативным методом, позволяющим избежать модуляционных эффектов при изучении спин-спиновой релаксации в жидкостях, является метод принудительной нестационарной прецессии. Однако при этом происходит перегрев исследуемого образца, поскольку время его облучения радиочастотным полем сравнимо со временем спин-спиновой релаксации Г2, а напряженность этого поля определяется диапазоном химических сдвигов резонансных сигналов. Этот нежелательный эффект можно исключить, если возбуждать каждый мультиплет селективно.

Наконец, существует несколько важных экспериментов, требующих селективного возбуждения или насыщения радиочастотным полем ограниченных областей образца. Одной из таких методик является определение распределения плотности ядер внутри объекта путем изучения поведения сигналов ЯМР при наличии градиента постоянного поля. Изменяя частоту облучения или создавая градиент магнитного поля, получают карту спиновой плотности внутри образца. Применяя селективное возбуждение как градиентов естественных полей, так и приложенных сильных градиентов, можно ограничить эффективный объем образца. Ответ ядерных спинов может управляться перемещаемыми прикладываемыми градиентами. Если прикладываемые градиенты выбираются так, чтобы согласовать доминирующие естественные градиенты, то возбуждаемый район образца соответствовал бы высокооднородиому полю, а сигнал от этой области преобразовывался бы в спектр, в котором ширина линии значительно уже, чем естественная приборная ширина. Эквивалентное физическое уменьшение действительного размера образца невозможно, так как форма л положение района высокой однородности неизвестны. Эти эксперименты связаны с локальным насыщением, которое использовалось для прецизионного измерения радиочастотного разделения в двойном резонансе высокого разрешения, а также для точных измерений естественной ширины линий.

Методы частотно-селекти зного возбуждения спиновой системы становятся неоценимым инструментов в решении задач молекулярной динамики. Большинство селективных методик имеет соответствующие 1М и 2М аналоги, которые обеспечивают доступ к конкретным районам полной 2М матрицы. Как отношение сигнал/шум, так и разрешение можно улучшить в результате ограничения частотных диапазонов в одном или • двух измерениях. Аналогичный способ сбора лишь ограниченного числа данных, вероятно, станет правилом в ЗМ-спектроскопии ЯМР, где регистрация полного спектра требует нескольких часов.

I. Виды селективных экспериментов и средства их реализации

Все селективные эксперименты условно можно разделить на два больших класса по способу облучения спиновых систем: селективное возбуждение и селекгивное подавление.