Спектроскопия ядерного магнитного резонанса
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса , наиболее известная как спектроскопия ЯМР или спектроскопия магнитного резонанса ( МРС ), представляет собой спектроскопический метод, основанный на переориентации атомных ядер с ненулевыми ядерными спинами во внешнем магнитном поле. Эта переориентация происходит при поглощении электромагнитного излучения в радиочастотной области примерно от 4 до 900 МГц, которая зависит от изотопной природы ядра и увеличивается пропорционально силе внешнего магнитного поля. [1] Примечательно, что резонансная частота каждого ЯМР-активного ядра зависит от его химического окружения. В результате спектры ЯМР предоставляют информацию об отдельных функциональных группах, присутствующих в образце, а также о связях между близлежащими ядрами в одной и той же молекуле. Поскольку спектры ЯМР уникальны или очень характерны для отдельных соединений и функциональных групп , ЯМР-спектроскопия является одним из наиболее важных методов идентификации молекулярных структур, особенно органических соединений .
Принцип ЯМР обычно включает три последовательных этапа:
- Выравнивание (поляризация) магнитных ядерных спинов в приложенном постоянном магнитном поле B 0 .
- Возмущение этого выравнивания ядерных спинов слабым колеблющимся магнитным полем, обычно называемым радиочастотным (РЧ) импульсом.
- Обнаружение и анализ электромагнитных волн, излучаемых ядрами образца в результате этого возмущения.
Точно так же биохимики используют ЯМР для идентификации белков и других сложных молекул. Помимо идентификации, ЯМР-спектроскопия предоставляет подробную информацию о структуре, динамике, состоянии реакции и химическом окружении молекул. Наиболее распространенными типами ЯМР являются спектроскопия ЯМР протонов и углерода-13 , но она применима к любому типу образца, который содержит ядра, обладающие спином .
Спектры ЯМР уникальны, хорошо разрешены, аналитически доступны и часто легко предсказуемы для небольших молекул . Очевидно, что разные функциональные группы различимы, и идентичные функциональные группы с разными соседними заместителями по-прежнему дают различимые сигналы. ЯМР в значительной степени заменил традиционные влажные химические тесты, такие как цветные реагенты или типичная хроматография для идентификации.
Наиболее существенным недостатком ЯМР-спектроскопии является ее низкая чувствительность (по сравнению с другими аналитическими методами, например масс-спектрометрией ). Обычно для записи спектра ЯМР приличного качества требуется 2–50 мг вещества. Метод ЯМР неразрушающий, поэтому вещество можно восстановить. Для получения спектров ЯМР высокого разрешения твердые вещества обычно растворяют с получением жидких растворов, хотя твердотельная ЯМР- возможна также спектроскопия.
Временной масштаб ЯМР относительно велик, поэтому он не подходит для наблюдения быстрых явлений, поскольку дает только усредненный спектр. Хотя в спектре ЯМР обнаруживаются большие количества примесей, существуют более эффективные методы обнаружения примесей, поскольку ЯМР по своей природе не очень чувствителен, хотя на более высоких частотах чувствительность выше.
Корреляционная спектроскопия является развитием обычного ЯМР. В двумерном ЯМР излучение сосредоточено вокруг одной частоты, и наблюдаются коррелированные резонансы. Это позволяет идентифицировать соседние заместители наблюдаемой функциональной группы, позволяя однозначно идентифицировать резонансы. Существуют также более сложные 3D и 4D методы, а также множество методов, предназначенных для подавления или усиления определенных типов резонансов. В спектроскопии ядерного эффекта Оверхаузера (ЯЭО) наблюдается релаксация резонансов. Поскольку NOE зависит от близости ядер, количественная оценка NOE для каждого ядра позволяет построить трехмерную модель молекулы.
ЯМР-спектрометры относительно дороги; Обычно они есть в университетах, но в частных компаниях они встречаются реже. В период с 2000 по 2015 год ЯМР-спектрометр стоил около 500 000–5 миллионов долларов США . [3] [4] Современные ЯМР-спектрометры имеют очень сильный, большой и дорогой жидким гелием магнит , охлаждаемый сверхпроводящий , поскольку разрешение напрямую зависит от напряженности магнитного поля. Более сильное магнитное поле также улучшает чувствительность ЯМР-спектроскопии, которая зависит от разницы заселенности между двумя ядерными уровнями, которая экспоненциально увеличивается с силой магнитного поля.
Также доступны менее дорогие машины, использующие постоянные магниты и более низкое разрешение, которые по-прежнему обеспечивают достаточную производительность для определенных приложений, таких как мониторинг реакций и быстрая проверка образцов. Существуют даже настольные спектрометры ядерного магнитного резонанса . Спектры ЯМР протонов ( 1 Ядра H) можно наблюдать даже в магнитном поле Земли . ЯМР низкого разрешения дает более широкие пики, которые могут легко перекрываться друг с другом, что приводит к проблемам при разрешении сложных структур. Использование более сильных магнитных полей приводит к лучшей чувствительности и более высокому разрешению пиков, и это предпочтительно для исследовательских целей. [5]
История [ править ]
Заслуга открытия ЯМР принадлежит Исидору Исааку Раби , получившему Нобелевскую премию по физике в 1944 году. [6] Группа Перселла из Гарвардского университета и группа Блоха из Стэнфордского университета независимо друг от друга разработали ЯМР-спектроскопию в конце 1940-х — начале 1950-х годов. Эдвард Миллс Перселл и Феликс Блох получили Нобелевскую премию по физике 1952 года за свои изобретения. [7]
ЯМР-активные критерии [ править ]
Ключевым фактором, определяющим активность ЯМР в атомных ядрах, является квантовое число ядерного спина ( I ). » атома Это внутреннее квантовое свойство, подобное « спину , характеризует угловой момент ядра. Чтобы быть ЯМР-активным, ядро должно иметь ненулевой ядерный спин ( I ≠ 0). [8] Именно этот ненулевой спин позволяет ядрам взаимодействовать с внешними магнитными полями и показывать сигналы в ЯМР. Атомы как с нечетным числом протонов, так и с нечетным числом нейтронов или с нечетной суммой протонов и нейтронов имеют полуцелые значения квантового числа ядерного спина ( I = 1/2, 3/2, 5/2, и так далее). Эти атомы ЯМР-активны, поскольку обладают ненулевым ядерным спином. И наоборот, атомы с четным числом протонов и нейтронов или четной суммой протонов и нейтронов имеют квантовое число ядерного спина, равное нулю ( I = 0). Эти ядра не обладают активным спином и поэтому не являются ЯМР-активными. [9] ЯМР-активные ядра, особенно со спиновым квантовым числом 1/2, имеют большое значение в ЯМР-спектроскопии. Примеры включают в себя 1 ЧАС, 13 С, 15 Н и 31 П. [10]
аспекты ЯМР Основные методов
Резонансная частота [ править ]
При помещении в магнитное поле активные ядра ЯМР (например, 1 Ч или 13 в) поглощают электромагнитное излучение на частоте, характерной для изотопа . [11] Резонансная частота, энергия поглощенного излучения и интенсивность сигнала пропорциональны силе магнитного поля. Например, в 21 Тесла магнитном поле напряженностью ядра водорода (обычно называемые протонами) резонируют на частоте 900 МГц. Магнит с силой 21 Тл принято называть магнитом с частотой 900 МГц , поскольку водород является наиболее распространенным обнаруживаемым ядром. Однако разные ядра будут резонировать на разных частотах при этой напряженности поля пропорционально своим ядерным магнитным моментам . [ нужна цитата ]
Обработка образца [ править ]
Спектрометр ЯМР обычно состоит из вращающегося держателя образца внутри очень сильного магнита, радиочастотного излучателя и приемника с зондом (антенным узлом), который входит в магнит и окружает образец, а также, опционально, градиентные катушки для измерений диффузии. и электроника для управления системой. Вращение образца обычно необходимо для усреднения диффузионного движения, однако в некоторых экспериментах требуется стационарный образец, когда движение раствора является важной переменной. Например, измерения констант диффузии ( диффузионно-упорядоченная спектроскопия или DOSY). [12] [13] выполняются с использованием стационарного образца с центрифугированием, а проточные ячейки можно использовать для онлайн-анализа технологических потоков.
Дейтерированные растворители [ править ]
Подавляющее большинство молекул в растворе представляют собой молекулы растворителя, а большинство обычных растворителей представляют собой углеводороды и поэтому содержат ЯМР-активные ядра водорода-1. Чтобы сигналы атомов водорода растворителя не мешали эксперименту и не мешали анализу растворенного аналита, используются дейтерированные растворители , в которых 99+% протонов заменены дейтерием (водородом-2). [14] Наиболее широко используемым дейтерированным растворителем является дейтерохлороформ (CDCl 3 ), хотя по разным причинам, например, из-за растворимости образца, желания контролировать водородные связи или температуры плавления или кипения, можно использовать и другие растворители. Химические сдвиги молекулы будут незначительно меняться в зависимости от растворителя, и поэтому используемый растворитель почти всегда будет иметь химические сдвиги. [ нужна цитата ] Спектры ЯМР протонов часто калибруются по известному пику остаточных протонов растворителя. [15] в качестве внутреннего стандарта вместо добавления тетраметилсилана (ТМС), который традиционно определяется как имеющий нулевой химический сдвиг. [16]
Прокладка и замок [ править ]
Чтобы обнаружить очень небольшие сдвиги частоты из-за ядерного магнитного резонанса, приложенное магнитное поле должно быть чрезвычайно однородным по всему объему образца. Спектрометры ЯМР высокого разрешения используют прокладки для регулировки однородности магнитного поля до частей на миллиард ( ppb ) в объеме в несколько кубических сантиметров. Для обнаружения и компенсации неоднородностей и дрейфа магнитного поля в спектрометре поддерживается «привязка» частоты растворителя дейтерия с помощью отдельного блока синхронизации, который по сути представляет собой дополнительный передатчик и ВЧ-процессор, настроенный на ядро блокировки (дейтерий). а не ядра интересующего образца. [17] В современных ЯМР-спектрометрах шиммирование регулируется автоматически, хотя в некоторых случаях оператору приходится оптимизировать параметры шиммирования вручную, чтобы получить максимально возможное разрешение. [18] [19]
Получение спектров [ править ]
При возбуждении образца радиочастотным (60–1000 МГц) импульсом отклик ядерного магнитного резонанса – затухание свободной индукции получается (ССИ). Это очень слабый сигнал, и для его приема требуются чувствительные радиоприемники. Преобразование Фурье выполняется для извлечения спектра частотной области из необработанного FID во временной области. Спектр одного ПИД имеет низкое отношение сигнал/шум , но оно легко улучшается при усреднении повторных измерений. Хороший 1 Спектры ЯМР Н можно получить с помощью 16 повторов, что занимает всего несколько минут. Однако для элементов тяжелее водорода время релаксации довольно велико, например, около 8 секунд для 13 C. Таким образом, получение количественных спектров тяжелых элементов может занять много времени, занимая от десятков минут до часов. [ нужна цитата ]
После импульса ядра в среднем возбуждаются под определенным углом к магнитному полю спектрометра. Степень возбуждения можно контролировать с помощью ширины импульса, обычно ок. 3–8 мкс для оптимального импульса 90°. Длительность импульса можно определить, построив график зависимости интенсивности (со знаком) от ширины импульса. Он следует синусоидальной кривой и, соответственно, меняет знак при ширине импульса, соответствующей импульсам 180° и 360°. [ нужна цитата ]
Времена затухания возбуждения, обычно измеряемые в секундах, зависят от эффективности релаксации, которая происходит быстрее для более легких ядер и в твердых телах и медленнее для более тяжелых ядер и в растворах, а в газах они могут быть очень длительными. Если второй импульс возбуждения посылается преждевременно до завершения релаксации, средний вектор намагниченности не перешел в основное состояние, что непредсказуемым образом влияет на силу сигнала. На практике площади пиков не пропорциональны стехиометрии; можно различить только наличие, но не количество функциональных групп. Можно провести эксперимент по восстановлению инверсии, чтобы определить время релаксации и, следовательно, необходимую задержку между импульсами. Передается импульс 180°, регулируемая задержка и импульс 90°. Когда импульс 90° точно нейтрализует сигнал, задержка соответствует времени, необходимому для релаксации на 90°. [20] Восстановление инверсии целесообразно для количественного анализа. 13 С, 2 D и другие трудоемкие эксперименты.
Спектральная интерпретация
Сигналы ЯМР обычно характеризуются тремя переменными: химическим сдвигом, спин-спиновым взаимодействием и временем релаксации.
Химический сдвиг [ править ]
Разница в энергии ΔE между состояниями ядерного спина пропорциональна магнитному полю ( эффект Зеемана ). ΔE также чувствителен к электронному окружению ядра, что приводит к так называемому химическому сдвигу δ. Простейшие типы графиков ЯМР представляют собой графики различных химических сдвигов изучаемых ядер в молекуле. Величину δ часто выражают через «экранировку»: экранированные ядра имеют более высокую ΔE. Диапазон значений δ называется дисперсией. Для 1 H-сигналов дисперсия довольно мала, но для других ядер дисперсия гораздо больше. Сигналы ЯМР сообщаются относительно эталонного сигнала, обычно сигнала ТМС ( тетраметилсилана ). Кроме того, поскольку распределение сигналов ЯМР зависит от поля, эти частоты делятся на частоту спектрометра. Однако, поскольку мы делим Гц на МГц, полученное число будет слишком маленьким, поэтому его умножают на миллион. Таким образом, эта операция дает локаторный номер, называемый «химическим сдвигом», в единицах частей на миллион. [21] Химический сдвиг предоставляет структурную информацию.
Преобразование химических сдвигов (и J, см. ниже) называется присвоением спектра. Для диамагнитных органических соединений отнесение спектров ЯМР 1H и 13C чрезвычайно сложно из-за больших баз данных и простых вычислительных инструментов. В целом химические сдвиги протонов весьма предсказуемы, поскольку эти сдвиги в первую очередь определяются эффектами экранирования (электронной плотностью). На химические сдвиги многих более тяжелых ядер более сильно влияют другие факторы, включая возбужденные состояния («парамагнитный» вклад в тензор экранирования). Этот парамагнитный вклад, не связанный с парамагнетизмом , не только нарушает тенденции химических сдвигов, что усложняет выводы, но также приводит к очень большим диапазонам химических сдвигов. Например, большинство 1 Сигналы H ЯМР для большинства органических соединений находятся в пределах 15 м.д. Для 31 P ЯМР, диапазон - сотни м.д. [22]
В парамагнитной ЯМР-спектроскопии образцы являются парамагнитными, т. е. содержат неспаренные электроны. Парамагнетизм вызывает весьма разнообразные химические сдвиги. В 1 Спектроскопия H-ЯМР, диапазон химического сдвига может достигать тысяч частей на миллион. [23]
J-муфта [ править ]
| Множественность | Коэффициент интенсивности |
|---|---|
| Синглет (ы) | 1 |
| Дублет (д) | 1:1 |
| Триплет (т) | 1:2:1 |
| Квартет | 1:3:3:1 |
| Квинтет | 1:4:6:4:1 |
| Секстет | 1:5:10:10:5:1 |
| Семь | 1:6:15:20:15:6:1 |
Часть наиболее полезной информации для определения структуры в одномерном спектре ЯМР поступает из J-связи или скалярной связи (частный случай спин-спиновой связи ) между активными ядрами ЯМР. Эта связь возникает в результате взаимодействия различных спиновых состояний через химические связи молекулы и приводит к расщеплению сигналов ЯМР. Для протона локальное магнитное поле немного отличается в зависимости от того, направлено ли соседнее ядро в сторону или против магнитного поля спектрометра, что приводит к появлению двух сигналов на протон вместо одного. Эти модели расщепления могут быть сложными или простыми, а также могут быть легко интерпретируемыми или обманчивыми. Эта связь дает детальное представление о связности атомов в молекуле. [ нужна цитата ]
Кратность расщепления зависит от спинов связанных ядер и числа таких ядер, участвующих в взаимодействии. Соединение с n эквивалентными ядрами (спин ½) разделяет сигнал на мультиплет n +1 с отношениями интенсивностей, соответствующими треугольнику Паскаля, как описано справа. Соединение с дополнительными спинами приведет к дальнейшему расщеплению каждого компонента мультиплета, например, соединение с двумя разными ядрами со спином ½ со значительно разными константами взаимодействия приведет к дублету дублетов (аббревиатура: dd). Обратите внимание, что связь между ядрами, которые химически эквивалентны (то есть имеют одинаковый химический сдвиг), не влияет на спектры ЯМР, а связи между ядрами, которые находятся на расстоянии (обычно на расстоянии более 3 связей для протонов в гибких молекулах), обычно слишком малы. вызвать наблюдаемые расщепления. соединениях часто можно наблюдать дальнодействующие связи по более чем трем связям В циклических и ароматических , что приводит к более сложным схемам расщепления. [ нужна цитата ]
Например, в описанном выше протонном спектре этанола группа CH 3 расщеплена на триплет с соотношением интенсивностей 1:2:1 двумя соседними протонами CH 2 . Аналогично, CH 2 расщепляется на квартет с соотношением интенсивностей 1:3:3:1 тремя соседними CH 3 протонами . В принципе, два протона CH 2 также снова расщепляются на дублет с образованием дублета квартетов гидроксильным протоном, но межмолекулярный обмен кислым гидроксильным протоном часто приводит к потере информации о взаимодействии.
Соединение с любыми ядрами со спином 1/2, такими как фосфор-31 или фтор-19, происходит таким же образом (хотя величины констант связи могут сильно различаться). Но закономерности расщепления отличаются от описанных выше для ядер со спином больше ½, поскольку спиновое квантовое число имеет более двух возможных значений. Например, взаимодействие с дейтерием (ядро со спином 1) разделяет сигнал на триплет 1:1:1, поскольку спин 1 имеет три спиновых состояния. Точно так же ядро со спином 3/2, такое как 35 Cl разбивает сигнал на квартет 1:1:1:1 и так далее.
Связь в сочетании с химическим сдвигом (и интегрированием для протонов) говорит нам не только о химическом окружении ядер, но и о количестве соседних ЯМР-активных ядер внутри молекулы. В более сложных спектрах с несколькими пиками при одинаковых химических сдвигах или в спектрах ядер, отличных от водорода, взаимодействие часто является единственным способом различить разные ядра.
Величина связи (константа связи J ) зависит от того, насколько сильно ядра связаны друг с другом. В простых случаях это влияние расстояния связи между ядрами, магнитного момента ядер и двугранного угла между ними.
второго порядка (или Связь сильная )
Приведенное выше описание предполагает, что константа связи мала по сравнению с разницей частот ЯМР между неэквивалентными спинами. Если расстояние между сдвигами уменьшается (или увеличивается сила связи), картина интенсивности мультиплета сначала искажается, а затем становится более сложной и труднее анализируемой (особенно если задействовано более двух спинов). Усиление некоторых пиков в мультиплете достигается за счет остальных, которые иногда почти исчезают в фоновом шуме, хотя интегральная площадь под пиками остается постоянной. Однако в большинстве случаев ЯМР в сильном поле искажения обычно незначительны, а характерные искажения ( тоулинг ) фактически могут помочь идентифицировать соответствующие пики.
Некоторые из этих закономерностей можно проанализировать с помощью метода , опубликованного Джоном Поплом . [24] хотя он имеет ограниченную сферу применения.
Эффекты второго порядка уменьшаются по мере увеличения разницы частот между мультиплетами, так что спектры ЯМР в сильном поле (т.е. высокочастотные) демонстрируют меньше искажений, чем спектры с более низкими частотами. Ранние спектры на частоте 60 МГц были более склонны к искажениям, чем спектры более поздних машин, обычно работающих на частотах 200 МГц или выше.
Кроме того, как на рисунке справа, J-связь можно использовать для идентификации орто-мета-пара-замещения кольца. Орто-связь является самой сильной на частоте 15 Гц, за ней следует Мета со средней частотой 2 Гц, и, наконец, пара-связь обычно незначительна для исследований.
Магнитная неэквивалентность
Более тонкие эффекты могут возникнуть, если химически эквивалентные спины (т.е. ядра, связанные симметрией и, следовательно, имеющие одинаковую частоту ЯМР) имеют разные отношения связи с внешними спинами. Спины, которые химически эквивалентны, но не являются неотличимыми (на основании их связей взаимодействия), называются магнитно-неэквивалентными. Например, 4 H-центры 1,2-дихлорбензола делятся на две химически эквивалентные пары по симметрии, но отдельный член одной из пар имеет разные связи со спинами, составляющими другую пару. Магнитная неэквивалентность может привести к очень сложным спектрам, которые можно проанализировать только с помощью компьютерного моделирования. Такие эффекты более распространены в спектрах ЯМР ароматических и других негибких систем, в то время как конформационное усреднение связей C-C в гибких молекулах имеет тенденцию выравнивать связи между протонами на соседних атомах углерода, уменьшая проблемы, связанные с магнитной неэквивалентностью.
спектроскопия Корреляционная
Корреляционная спектроскопия — это один из нескольких типов двумерной спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или 2D-ЯМР . Этот тип эксперимента ЯМР наиболее известен аббревиатурой под COSY . Другие типы двумерного ЯМР включают J-спектроскопию, обменную спектроскопию (EXSY), спектроскопию ядерного эффекта Оверхаузера (NOESY), полную корреляционную спектроскопию (TOCSY) и гетероядерные корреляционные эксперименты, такие как HSQC , HMQC и HMBC . В корреляционной спектроскопии излучение сосредоточено на пике отдельного ядра; если его магнитное поле коррелирует с другим ядром посредством сквозной связи (COSY, HSQC и т. д.) или сквозного пространства (NOE), отклик также можно обнаружить на частоте коррелированного ядра. Двумерные спектры ЯМР дают больше информации о молекуле, чем одномерные спектры ЯМР, и особенно полезны при определении структуры молекулы , особенно для молекул, которые слишком сложны для работы с использованием одномерного ЯМР. Первый двумерный эксперимент COSY был предложен Жаном Джинером, профессором Свободного университета Брюсселя, в 1971 году. [25] [26] Этот эксперимент позже был реализован Уолтером П. Ауэ, Энрико Бартольди и Ричардом Р. Эрнстом , опубликовавшими свою работу в 1976 году. [27]
Твердотельный резонанс ядерный магнитный
Разнообразие физических обстоятельств не позволяет изучать молекулы в растворе, а вместе с тем и другими спектроскопическими методами на атомном уровне. В твердофазных средах, таких как кристаллы, микрокристаллические порошки, гели, анизотропные растворы и т. д., именно диполярное взаимодействие и анизотропия химического сдвига становятся доминирующими в поведении ядерных спиновых систем. В традиционной ЯМР-спектроскопии в растворе эти дополнительные взаимодействия привели бы к значительному уширению спектральных линий. Разнообразие методов позволяет создавать условия с высоким разрешением, что позволяет, по крайней мере, для 13 Спектры C сравнимы со спектрами ЯМР в растворе.
Двумя важными концепциями ЯМР-спектроскопии твердого тела высокого разрешения являются ограничение возможной ориентации молекул за счет ориентации образца и уменьшение анизотропных ядерных магнитных взаимодействий за счет вращения образца. Из последнего подхода очень популярным методом является быстрое вращение вокруг магического угла , когда система содержит ядра со спином 1/2. Скорость вращения ок. Используется частота 20 кГц, что требует специального оборудования. В настоящее время в ЯМР-спектроскопии используется ряд промежуточных методов с образцами частичного выравнивания или пониженной подвижности.
Приложения, в которых возникают эффекты ЯМР твердого тела, часто связаны с исследованием структуры мембранных белков, белковых фибрилл или всех видов полимеров, а также химическим анализом в неорганической химии, но также включают «экзотические» приложения, такие как листья растений и топливные элементы. Например, Рахмани и др. исследовали влияние давления и температуры на самосборку бицеллярных структур методом ЯМР-спектроскопии дейтерия. [29]
Биомолекулярная ЯМР спектроскопия -
Белки [ править ]
Большая часть инноваций в ЯМР-спектроскопии пришлась на область ЯМР-спектроскопии белков , важного метода структурной биологии . Общая цель этих исследований — получить трехмерные структуры белка с высоким разрешением, аналогичные тем, которые могут быть достигнуты с помощью рентгеновской кристаллографии . В отличие от рентгеновской кристаллографии, ЯМР-спектроскопия обычно ограничивается белками размером менее 35 кДа , хотя удалось расшифровать и более крупные структуры. ЯМР-спектроскопия часто является единственным способом получить информацию с высоким разрешением о частично или полностью неструктурированных белках . В настоящее время это распространенный инструмент для определения взаимосвязей конформационной активности , при котором структура до и после взаимодействия, например, с лекарственным средством-кандидатом сравнивается с его известной биохимической активностью. Белки на несколько порядков больше, чем небольшие органические молекулы, обсуждавшиеся ранее в этой статье, но основные методы ЯМР и некоторые теории ЯМР также применимы. Из-за гораздо большего числа атомов, присутствующих в молекуле белка по сравнению с небольшим органическим соединением, основные 1D-спектры переполняются перекрывающимися сигналами до такой степени, что прямой спектральный анализ становится невозможным. Поэтому для решения этой проблемы были разработаны многомерные (2, 3 или 4D) эксперименты. Для облегчения этих экспериментов желательно изотопно пометить белок 13 С и 15 N, поскольку преобладающий природный изотоп 12 C не является ЯМР-активным, и ядерный квадрупольный момент преобладающего природного 14 Изотоп N не позволяет получить информацию с высоким разрешением из этого изотопа азота. Самый важный метод, используемый для определения структуры белков, использует эксперименты NOE для измерения расстояний между атомами внутри молекулы. Впоследствии полученные расстояния используются для создания трехмерной структуры молекулы путем решения задачи геометрии расстояния . ЯМР также можно использовать для получения информации о динамике и конформационной гибкости различных областей белка.
Нуклеиновые кислоты [ править ]
ЯМР нуклеиновых кислот — это использование ЯМР-спектроскопии для получения информации о структуре и динамике полинуклеиновых кислот , таких как ДНК или РНК . По состоянию на 2003 год [update]Почти половина всех известных структур РНК была определена с помощью ЯМР-спектроскопии. [30]
ЯМР-спектроскопия нуклеиновых кислот и белков схожа, но существуют различия. Нуклеиновые кислоты содержат меньший процент атомов водорода, которые обычно наблюдаются в ЯМР-спектроскопии, и поскольку двойные спирали нуклеиновых кислот жесткие и примерно линейные, они не сворачиваются сами по себе, образуя «дальние» корреляции. [31] Типы ЯМР, обычно выполняемые с нуклеиновыми кислотами: 1 H или протонный ЯМР , 13 С ЯМР , 15 N ЯМР и 31 П ЯМР . Почти всегда используются двумерные методы ЯМР, такие как корреляционная спектроскопия (COSY) и спектроскопия переноса полной когерентности (TOCSY) для обнаружения сквозных ядерных связей, а также спектроскопия ядерного эффекта Оверхаузера (NOESY) для обнаружения связей между ядрами, близкими к друг друга в космосе. [32]
Параметры, взятые из спектра, в основном кросс-пики NOESY и константы связи , могут использоваться для определения локальных структурных особенностей, таких как углы гликозидных связей , двугранные углы (с использованием уравнения Карплюса ) и конформации сахарных складок. Для крупномасштабной структуры эти локальные параметры должны быть дополнены другими структурными предположениями или моделями, поскольку ошибки накапливаются по мере прохождения двойной спирали, и в отличие от белков, двойная спираль не имеет компактной внутренней части и не сгибается обратно. сам. ЯМР также полезен для исследования нестандартной геометрии, такой как изогнутые спирали , спаривание оснований не по принципу Ватсона-Крика и коаксиальная укладка . Это было особенно полезно при исследовании структуры природных олигонуклеотидов РНК, которые имеют тенденцию принимать сложные конформации, такие как стеблевые петли и псевдоузлы . ЯМР также полезен для исследования связывания молекул нуклеиновой кислоты с другими молекулами, такими как белки или лекарства, путем наблюдения за тем, какие резонансы смещаются при связывании другой молекулы. [32]
Углеводы [ править ]
ЯМР-спектроскопия углеводов решает вопросы структуры и конформации углеводов . Анализ углеводов методом ЯМР 1Н затруднен из-за ограниченного разнообразия функциональных групп, что приводит к концентрации резонансов 1Н в узких полосах спектра ЯМР. Другими словами, наблюдается плохая спектральная дисперсия. Резонансы аномерных протонов отделены от остальных благодаря тому, что аномерные атомы углерода содержат два атома кислорода. Для более мелких углеводов дисперсия аномерных протонных резонансов облегчает использование экспериментов 1D TOCSY для исследования всей спиновой системы отдельных углеводных остатков.
Открытие лекарств [ править ]
Знания об энергетических минимумах и вращательных энергетических барьерах малых молекул в растворе можно получить с помощью ЯМР, например, изучая конформационные предпочтения свободных лигандов и конформационную динамику соответственно. Это можно использовать для выдвижения гипотез о разработке лекарств, поскольку экспериментальные и расчетные значения сопоставимы. Например, AstraZeneca использует ЯМР для своих исследований и разработок в области онкологии. [33]
высокого ЯМР Спектроскопия давления
Одной из первых научных работ, посвященных использованию давления в качестве переменного параметра в экспериментах ЯМР, стала работа Дж. Джонаса, опубликованная в журнале Annual Review of Biophysical в 1994 г. [34] Использование высоких давлений в ЯМР-спектроскопии было обусловлено, прежде всего, желанием исследовать биохимические системы, где использование высокого давления позволяет контролировать изменения межмолекулярных взаимодействий без существенных возмущений.
Конечно, предпринимались попытки решить научные задачи с помощью ЯМР-спектроскопии высокого давления. Однако большинство из них было трудно воспроизвести из-за проблемы с оборудованием для создания и поддержания высокого давления. В [35] [36] [37] Приведены наиболее распространенные типы ЯМР-ячейок для проведения экспериментов ЯМР высокого давления.
На сегодняшний день спектроскопия ЯМР высокого давления широко используется для различных приложений, в основном связанных с характеристикой структуры белковых молекул. [38] [39] Однако в последние годы были предложены программные и конструкторские решения для характеристики химической и пространственной структуры малых молекул в сверхкритической жидкой среде. [40] использование параметров состояния в качестве движущей силы таких изменений. [41]
См. также [ править ]
- ЯМР поля Земли
- Магнитно-резонансная спектроскопия in vivo
- Функциональная магнитно-резонансная спектроскопия головного мозга
- ЯМР в низком поле
- Магнитно-резонансная томография
- ЯМР-кристаллография
- База данных спектров ЯМР
- ЯМР-спектроскопия стереоизомеров
- Ядерный квадрупольный резонанс
- Магнит импульсного поля
- Протонно-стимулированная ядерно-индукционная спектроскопия
- Тройная резонансная спектроскопия ядерного магнитного резонанса
- ЯМР нулевого поля
- Развязка ядерного магнитного резонанса
Родственные методы ядерной спектроскопии :
Ссылки [ править ]
- ^ Чарльз П. Слихтер (1963). Принципы магнитного резонанса: на примерах из физики твердого тела . Харпер и Роу. ISBN 9783540084761 .
- ^ Структурная биология: практическое применение ЯМР (PDF) (2-е изд.). Спрингер. 6 сентября 2012 г. с. 67. ИСБН 978-1-4614-3964-6 . Проверено 7 декабря 2018 г.
- ^ Марк С. Райш (29 июня 2015 г.). «Повышение цен на приборы ЯМР отпугивает пользователей» . ЦЕН.
- ^ «Поднимаясь выше» . Ученый. 30 октября 2000 г.
- ^ Паудлер, Уильям (1974). Ядерный магнитный резонанс . Бостон: Серия химии Аллина и Бэкона. стр. 9–11.
- ^ «Открытие ЯМР» .
- ^ «Страница предыстории и теории установки ядерного магнитного резонанса» . Аналитический центр Марка Уэйнрайта - Университет Южного Уэльса в Сиднее. 9 декабря 2011 года. Архивировано из оригинала 27 января 2014 года . Проверено 9 февраля 2014 г.
- ^ «4.7: ЯМР-спектроскопия» . Химия LibreTexts . 14 июля 2016 г. Проверено 25 ноября 2023 г.
- ^ Балчи, Метин (2005), «Динамическая ЯМР-спектроскопия» , Основная 1H- и 13C-ЯМР-спектроскопия , Elsevier, стр. 213–231, doi : 10.1016/b978-044451811-8.50008-5 , ISBN 9780444518118 , получено 25 ноября 2023 г.
- ^ «ЯМР-активные ядра для биологических и биомедицинских применений» . Открытая медицина . Проверено 25 ноября 2023 г.
- ^ Шах, Н; Саттар, А; Бенанти, М; Холландер, С; Чеук, Л. (январь 2006 г.). «Магнитно-резонансная спектроскопия как инструмент визуализации рака: обзор литературы» . Журнал Американской остеопатической ассоциации . 106 (1): 23–27. ПМИД 16428685 . Архивировано из оригинала 7 апреля 2013 г.
- ^ Джонсон-младший, CS (1999). «Диффузионно-упорядоченная спектроскопия ядерного магнитного резонанса: принципы и приложения». Прогресс в спектроскопии ядерного магнитного резонанса . 34 (3–4): 203–256. дои : 10.1016/S0079-6565(99)00003-5 .
- ^ Нойфельд, Р.; Сталке, Д. (2015). «Точное определение молекулярной массы малых молекул с помощью DOSY-ЯМР с использованием внешних калибровочных кривых с нормализованными коэффициентами диффузии» . хим. наук. 6 (6): 3354–3364. дои : 10.1039/C5SC00670H . ПМК 5656982 . ПМИД 29142693 .
- ^ Хэнсон, Джон Э. (2013). «5. ЯМР-спектроскопия в недейтерированных растворителях (ЯМР No-D): применение в студенческой органической лаборатории». ЯМР-спектроскопия в учебной программе бакалавриата . Серия симпозиумов ACS. Том. 1128. Американское химическое общество. стр. 69–81. дои : 10.1021/bk-2013-1128.ch005 . ISBN 9780841227941 .
- ^ Готлиб, Хьюго Э.; Котляр, Вадим; Нудельман, Авраам (1 октября 1997 г.). «Химические сдвиги ЯМР обычных лабораторных растворителей в виде следовых примесей» . Журнал органической химии . 62 (21): 7512–7515. дои : 10.1021/jo971176v . ISSN 0022-3263 .
- ^ Тайерс, Джордж Ван Дайк (сентябрь 1958 г.). «Надежные значения защиты от протонного ядерного резонанса путем «внутренней ссылки» с тетраметилсиланом» . Журнал физической химии . 62 (9): 1151–1152. дои : 10.1021/j150567a041 . ISSN 0022-3654 .
- ^ «Центр спектроскопии ядерного магнитного резонанса | Университет штата Вашингтон» .
- ^ «Центр ЯМР-спектроскопии: Замок» . nMR.chem.wsu.edu .
- ^ «Артефакты ЯМР» . www2.chemistry.msu.edu .
- ^ Парелла, Теодор. «ЭКСПЕРИМЕНТ ИНВЕРСИИ-ВОССТАНОВЛЕНИЯ» . triton.iqfr.csic.es .
- ^ Джеймс Килер. «Глава 2: ЯМР и энергетические уровни» (перепечатано в Кембриджском университете ) . Понимание ЯМР-спектроскопии . Калифорнийский университет в Ирвайне . Проверено 11 мая 2007 г.
- ^ Питер Аткинс (1994) [1990]. Физическая химия (5-е изд.). Фримен.
- ^ Отт, Дж. К.; Вадепол, Х.; Эндерс, М.; Гейд, Л.Х. (2018). «Доведение протонного ЯМР раствора до крайности: прогнозирование и обнаружение гидридного резонанса в комплексе железа со средним спином». Варенье. хим. Соц . 140 (50): 17413–17417. дои : 10.1021/jacs.8b11330 . ПМИД 30486649 . S2CID 207195859 .
- ^ Попл, Дж.А.; Бернштейн, HJ; Шнайдер, WG (1957). «Анализ спектров ядерного магнитного резонанса». Может. Дж. Чем . 35 : 65–81. дои : 10.1139/v57-143 .
- ^ Ауэ, WP (1976). «Двумерная спектроскопия. Приложение к ядерному магнитному резонансу». Журнал химической физики . 64 (5): 2229. Бибкод : 1976ЖЧФ..64.2229А . дои : 10.1063/1.432450 .
- ^ Джинер, Джин (2007). «Джинер, Джин: Воспоминания о первых днях 2D ЯМР». Энциклопедия магнитного резонанса . дои : 10.1002/9780470034590.emrhp0087 . ISBN 978-0470034590 .
- ^ Мартин, GE; Зектер А.С., Методы двумерного ЯМР для установления молекулярной связности ; VCH Publishers, Inc: Нью-Йорк, 1988 (стр. 59).
- ^ «Национальная установка сверхсильного ЯМР твердых тел» . Проверено 22 сентября 2014 г.
- ^ А. Рахмани, К. Найт и М. Р. Морроу. Реакция на гидростатическое давление бицеллярных дисперсий, содержащих анионные липиды: взаимопереплетение, вызванное давлением. 2013, 29 (44), стр. 13481–13490, два : 10.1021/la4035694
- ^ Фюртиг, Борис; Рихтер, Кристиан; Вёнерт, Йенс; Швальбе, Харальд (2003). «ЯМР-спектроскопия РНК». ХимБиоХим . 4 (10): 936–62. дои : 10.1002/cbic.200300700 . ПМИД 14523911 . S2CID 33523981 .
- ^ Аддесс, Кеннет Дж.; Фейгон, Джули (1996). "Введение в 1 H ЯМР-спектроскопия ДНК». Ин Хехт, Сидни М. (ред.). Биоорганическая химия: нуклеиновые кислоты . Нью-Йорк: Oxford University Press. ISBN . 978-0-19-508467-2 .
- ^ Перейти обратно: а б Веммер, Дэвид (2000). «Глава 5: Структура и динамика по данным ЯМР». В Блумфилде, Виктор А.; Кротерс, Дональд М.; Тиноко, Игнасио (ред.). Нуклеиновые кислоты: структура, свойства и функции . Саусалито, Калифорния: Университетские научные книги. ISBN 978-0-935702-49-1 .
- ^ Балаж, Янтарь; Дэвис, Никола; Лонгмайр, Дэвид; Пакер, Мартин; Кьярпарен, Элизабетта (2021). «ЯМР-конформации свободных лигандов и динамика атомного разрешения» . Обсуждения магнитного резонанса : 1–16. дои : 10.5194/мр-2021-27 . S2CID 233441183 .
- ^ Джонас, Дж; Йонас, А. (июнь 1994 г.). «ЯМР-спектроскопия белков и мембран высокого давления» . Ежегодный обзор биофизики и биомолекулярной структуры . 23 (1): 287–318. дои : 10.1146/annurev.bb.23.060194.001443 . ISSN 1056-8700 .
- ^ Бенедек, Великобритания; Перселл, Э.М. (1 декабря 1954 г.). «Ядерный магнитный резонанс в жидкостях под высоким давлением» . Журнал химической физики . 22 (12): 2003–2012. дои : 10.1063/1.1739982 . ISSN 0021-9606 .
- ^ Каматари, Ю. (сентябрь 2004 г.). «ЯМР-спектроскопия высокого давления для характеристики промежуточных продуктов сворачивания и денатурированных состояний белков» . Методы . 34 (1): 133–143. дои : 10.1016/j.ymeth.2004.03.010 .
- ^ Петерсон, Рональд В.; Ванд, А. Джошуа (1 сентября 2005 г.). «Автономная ячейка высокого давления, аппарат и процедура приготовления инкапсулированных белков, растворенных в жидкостях низкой вязкости, для спектроскопии ядерного магнитного резонанса» . Обзор научных инструментов . 76 (9): 1–7. дои : 10.1063/1.2038087 . ISSN 0034-6748 . ПМЦ 1343520 . ПМИД 16508692 .
- ^ Дюбуа, Сесиль; Эррада, Исалин; Барт, Филипп; Руместанд, Кристиан (26 ноября 2020 г.). «Сочетание возмущений высокого давления с ЯМР-спектроскопией для структурной и динамической характеристики путей сворачивания белков» . Молекулы . 25 (23): 5551. doi : 10,3390/molecules25235551 . ISSN 1420-3049 . ПМЦ 7731413 . ПМИД 33256081 .
- ^ Ганье, Дональд; Азад, Роксана; Арамини, Джеймс М.; Сюй, Синцзянь; Исиорхо, Эта А.; Эдупуганти, Утама Р.; Уильямс, Джастин; Марселино, Леандро Пиментель; Акасака, Казуюки (26 августа 2020 г.). Использование ЯМР-спектроскопии высокого давления для быстрой идентификации белков с внутренними пустотами, связывающими лиганды (отчет). Биофизика. дои : 10.1101/2020.08.25.267195 .
- ^ Ходов И.А.; Белов, К.В.; Крестьянинов М.А.; Соборнова В.В.; Дышин А.А.; Киселев М.Г. (август 2023 г.). «Влияет ли ДМСО на конформационные изменения молекул лекарств в сверхкритической среде CO2?» . Журнал молекулярных жидкостей . 384 : 122230. doi : 10.1016/j.molliq.2023.122230 .
- ^ Ходов И.А.; Белов, К.В.; Дышин А.А.; Крестьянинов М.А.; Киселев М.Г. (декабрь 2022 г.). «Влияние давления на конформационное равновесие лидокаина в scCO2: исследование 2D NOESY» . Журнал молекулярных жидкостей . 367 : 120525. doi : 10.1016/j.molliq.2022.120525 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Джон Д. Робертс (1959). Ядерный магнитный резонанс: приложения к органической химии . Книжная компания МакГроу-Хилл. ISBN 9781258811662 .
- JAPople ; В.Г.Шнайдер ; Х.Дж.Бернштейн (1959). Ядерный магнитный резонанс высокого разрешения . Книжная компания МакГроу-Хилл.
- А. Абрагам (1961). Принципы ядерного магнетизма . Кларендон Пресс. ISBN 9780198520146 .
- Чарльз П. Слихтер (1963). Принципы магнитного резонанса: на примерах из физики твердого тела . Харпер и Роу. ISBN 9783540084761 .
- Джон Эмсли ; Джеймс Фини; Лесли Ховард Сатклифф (1965). Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения . Пергамон. ISBN 9781483184081 .
Внешние ссылки [ править ]
- Джеймс Килер. «Понимание ЯМР-спектроскопии» (перепечатано в Кембриджском университете ) . Калифорнийский университет в Ирвайне . Проверено 11 мая 2007 г.
- Основы ЯМР — нетехнический обзор теории, оборудования и методов ЯМР, сделанный доктором Джозефом Хорнаком, профессором химии в RIT.
- Библиотеки GAMMA и PyGAMMA. GAMMA — это библиотека C++ с открытым исходным кодом, написанная для моделирования экспериментов по спектроскопии ядерного магнитного резонанса. PyGAMMA — это оболочка Python для GAMMA.
- Relax Программное обеспечение для анализа динамики ЯМР
- Vespa — VeSPA (универсальное моделирование, импульсы и анализ) — это бесплатный пакет программного обеспечения, состоящий из трех приложений Python. Эти инструменты на основе графического пользовательского интерфейса предназначены для спектрального моделирования магнитного резонанса (МР), проектирования радиочастотных импульсов, а также спектральной обработки и анализа данных МР.
Отрасли химии |
|---|
