✖


Jump to content

Ядерная магнитно -резонансная спектроскопия

(Перенаправлено из ЯМР -спектра )
Прибор ЯМР 900 МГц с магнитом 21,1 т в HWB-Ямр , Бирмингем, Великобритания

Ядерная магнитно-резонансная спектроскопия , чаще всего известная как ЯМР-спектроскопия или магнитно-резонансная спектроскопия ( MRS ), представляет собой спектроскопическую метод, основанный на переориентации атомных ядер с ненулевыми ядерными спинами во внешнем магнитном поле. Эта переориентация происходит с поглощением электромагнитного излучения в радиочастотной области от примерно от 4 до 900 МГц, что зависит от изотопной природы ядра и увеличивается пропорционально силе внешнего магнитного поля. [ 1 ] Примечательно, что резонансная частота каждого ЯМР-активного ядра зависит от его химической среды. В результате ЯМР -спектры предоставляют информацию об отдельных функциональных группах, присутствующих в выборке, а также о связях между соседними ядрами в той же молекуле. Поскольку спектры ЯМР являются уникальными или высокими характеристиками для отдельных соединений и функциональных групп , ЯМР -спектроскопия является одним из наиболее важных методов идентификации молекулярных структур, особенно органических соединений .

Принцип ЯМР обычно включает в себя три последовательных шага:

  1. Выравнивание (поляризация) магнитных ядерных спинов в приложенном постоянном магнитном поле B 0 .
  2. Возмущение этого выравнивания ядерных спинов слабым колебательным магнитным полем, обычно называемым радиочастотным (РФ) импульсом.
  3. Обнаружение и анализ электромагнитных волн, испускаемых 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 химической среде молекул. Наиболее распространенными типами ЯМР являются спектроскопия ЯМР Proton и Carbon-13 , но она применима к любому виду образца, который содержит ядра, обладающие вращением .

Спектры ЯМР являются уникальными, хорошо разрешенными, аналитически применяемыми и часто очень предсказуемыми для мелких молекул . Различные функциональные группы , очевидно, различимы, и идентичные функциональные группы с различными соседними заместителями по -прежнему дают различимые сигналы. ЯМР в значительной степени заменил традиционные тесты влажной химии , такие как цветовые реагенты или типичная хроматография для идентификации.

Наиболее значительным недостатком спектроскопии ЯМР является ее плохая чувствительность (по сравнению с другими аналитическими методами, такими как масс -спектрометрия ). Обычно для записи приличного качественного спектра ЯМР требуется 2–50 мг. Метод ЯМР неразрушающий, поэтому вещество может быть восстановлено. Для получения ЯМР с высоким разрешением твердые вещества обычно растворяются для изготовления жидких растворов, хотя ЯМР твердого состояния также возможна спектроскопия .

Временная шкала ЯМР является относительно длинной, и, следовательно, он не подходит для наблюдения за быстрыми явлениями, создавая только усредненный спектр. Хотя большие количества примесей показывают в спектре ЯМР, существуют лучшие методы для обнаружения примесей, поскольку ЯМР по своей природе не очень чувствителен - хотя на более высоких частотах чувствительность выше.

Спектроскопия корреляции является развитием обычного ЯМР. В двумерном ЯМР излучение сосредоточено вокруг одной частоты, и наблюдаются коррелированные резонансы. Это позволяет определить соседние заместители наблюдаемой функциональной группы, позволяя однозначно идентифицировать резонансы. Существует также более сложные методы 3D и 4D и различные методы, предназначенные для подавления или усиления определенных типов резонансов. В эффекта ядерного ремонта спектроскопии (NOE) наблюдается релаксация резонансов. Поскольку NOE зависит от близости ядер, количественная оценка NOE для каждого ядра позволяет создавать трехмерную модель молекулы.

Выреж магнита ЯМР, который показывает его структуру: радиационный щит, вакуумная камера, жидкий азотный сосуд, жидкий гелиевый сосуд и криогенные прокладки . [ 2 ]

Спектрометры ЯМР относительно дороги; Университеты обычно имеют их, но они реже в частных компаниях. В период с 2000 по 2015 год спектрометр ЯМР стоил около 500 000 - 5 миллионов долларов США . [ 3 ] [ 4 ] Современные спектрометры ЯМР имеют очень сильный, большой и дорогой гелиевый сверхпроводящий магнит , потому что разрешение напрямую зависит от силы магнитного поля. Более высокое магнитное поле также улучшает чувствительность спектроскопии ЯМР, которая зависит от разности популяции между двумя уровнями ядер, что в геометрической прогрессии увеличивается с силой магнитного поля.

Также доступны менее дорогие машины с использованием постоянных магнитов и более низкого разрешения, которые по -прежнему дают достаточную производительность для определенных приложений, таких как мониторинг реакции и быстрая проверка образцов. Есть даже настольные ядерные магнитно -резонансные спектрометры . ЯМР спектры протонов ( 1 H ядра) можно наблюдать даже в земной магнитном поле . ЯМР с низким разрешением производит более широкие пики, которые могут легко перекрывать друг друга, вызывая проблемы в разрешении сложных структур. Использование магнитных полей с более высокой прочностью приводит к лучшей чувствительности и более высокого разрешения пиков, и это предпочтительнее исследовательских целей. [ 5 ]

История

[ редактировать ]

Кредит на открытие ЯМР доходит до Исидора Исаака Раби , который получил Нобелевскую премию по физике в 1944 году. [ 6 ] Группа Purcell в Гарвардском университете и Bloch Group в Стэнфордском университете независимо разработала спектроскопию ЯМР в конце 1940 -х и начале 1950 -х годов. Эдвард Миллс Перселл и Феликс Блох разделили Нобелевскую премию 1952 года по физике за изобретения. [ 7 ]

ЯМР-активные критерии

[ редактировать ]

Ключевым детерминантом активности ЯМР в атомных ядрах является квантовое число ядерного спина ( i ). » атома Это внутреннее квантовое свойство, похожее на « спин , характеризует угловой импульс ядра. Чтобы быть ЯМР-активным, ядро ​​должно иметь ненулевое ядерное спин ( i ♠ 0). [ 8 ] Именно этот ненулевой спин позволяет ядрам взаимодействовать с внешними магнитными полями и показывать сигналы в ЯМР. Атомы с нечетным числом протонов и нечетным числом нейтронов, либо нечетной суммой протонов и нейтронов, демонстрируют полуочевые значения для квантового числа ядерного спина ( i = 1/2, 3/2, 5/2, и так далее). Эти атомы активны ЯМР, потому что они обладают ненулевым ядерным спином. И наоборот, атомы с равномерным количеством протонов и нейтронов имеют квантовое число ядерного спина ( i = 0). Эти ядра не имеют активного вращения и поэтому не являются ЯМР-активными. [ 9 ] Ядерные ядра ЯМР, особенно с квантовым числом спинового уровня 1/2, имеют большое значение в спектроскопии ЯМР. Примеры включают 1 ЧАС, 13 В, 15 N и 31 П. [ 10 ]

Основные аспекты методов ЯМР

[ редактировать ]
Образец ЯМР готовится в тонкостенной стеклянной трубке - трубка ЯМР .

Резонансная частота

[ редактировать ]

При помещении в магнитное поле ЯМР активные ядра (такие как 1 H или 13 C) Поглощать электромагнитное излучение при частотной характеристике изотопа . [ 11 ] Резонансная частота, энергия излучения поглощается и интенсивность сигнала пропорциональны силе магнитного поля. Например, в 21 Tesla магнитном поле ядра водорода (обычно называемые протонами) резонируют при 900 МГц. Обычно можно ссылаться на магнит 21 Т как магнит 900 МГц , поскольку водород является наиболее распространенным ядром. Тем не менее, различные ядра будут резонировать на разных частотах на этом поле, пропорционально их ядерным магнитным моментам . [ Цитация необходима ]

Обработка обработки

[ редактировать ]

Спектрометр ЯМР обычно состоит из вращающегося образца-держателя внутри очень сильного магнита, радиочастотного излучающего средства и приемника с зондом (антенной сборкой), который входит внутри магнита, чтобы окружить образец, опциозные градиентные катушки для диффузионных измерений и электроника для управления системой. Спиннинг образца обычно необходимо для среднего диффузионного движения, однако некоторые эксперименты требуют стационарного образца, когда движение решения является важной переменной. Например, измерения констант диффузии ( упорядоченная спектроскопия диффузия или дозирование) [ 12 ] [ 13 ] выполняются с использованием стационарного образца с вращением, и для онлайн -анализа потоков процесса можно использовать потоки.

Второгенные растворители

[ редактировать ]

Подавляющее большинство молекул в растворе представляют собой молекулы растворителя, и большинство обычных растворителей являются углеводородами и, таким образом, содержат ЯМР-активные ядра водорода-1. Чтобы избежать наличия сигналов из атомов водорода растворителя, ошеломлять эксперимент и мешать анализу растворенного аналита, дейтерированные растворители используются, где 99+% протонов заменяются дейтерием ( Hydrogen-2). [ 14 ] Наиболее широко используемым дейтерированным растворителем является дейтериирохлороформ (CDCL 3 ), хотя другие растворители могут использоваться по различным причинам, таким как растворимость образца, желание контролировать водородную связь или точки плавления или кипения. Химические сдвиги молекулы будут слегка изменяться между растворителями, и поэтому используемый растворитель почти всегда сообщается с химическими сменами. [ Цитация необходима ] Спектры ЯМР Proton часто откалибруются против известного пика остаточного растворителя протона [ 15 ] В качестве внутреннего стандарта вместо добавления тетраметилсилана (TMS), который условно определяется как химический сдвиг нулю. [ 16 ]

Шим и блокировка

[ редактировать ]

Чтобы обнаружить очень небольшие частотные сдвиги из -за ядерного магнитного резонанса, приложенное магнитное поле должно быть чрезвычайно однородным по всему объему образца. Спектрометры ЯМР с высоким разрешением используют SLIM для регулировки однородности магнитного поля до частей на миллиард ( PPB ) в объеме нескольких кубических сантиметров. Чтобы обнаружить и компенсировать неоднородность и дрейф в магнитном поле, спектрометр поддерживает «блокировку» на частоте дейтерия растворителя с отдельной блокировкой, которая по сути является дополнительным передатчиком и RF -процессором, настроенным на ядро ​​блокировки (Deuterium) а не ядра представляющей интересы. [ 17 ] В современных спектрометрах ЯМР -спектрометров регулируется автоматически, хотя в некоторых случаях оператор должен оптимизировать параметры SHIM вручную, чтобы получить наилучшее возможное разрешение. [ 18 ] [ 19 ]

Приобретение спектров

[ редактировать ]

После возбуждения образца радиочастотным импульсом (60–1000 МГц) получается ядерный магнитный резонанс - распад свободного индукции получается (FID). Это очень слабый сигнал, который требует чувствительных радиоприемников. осуществляется Преобразование Фурье для извлечения спектра частотной области из необработанного времени FID. Спектр из одного FID имеет низкое отношение сигнал / шум , но он легко улучшается с усреднением повторных приобретений. Хороший 1 Спектры ЯМР можно приобрести с 16 повторениями, которые занимают всего минуты. Однако для элементов, тяжелее водорода, время релаксации довольно длинное, например, около 8 секунд для 13 C. Таким образом, приобретение количественных спектров тяжелых элементов может быть трудоемким, занимая десятки минут до часов. [ Цитация необходима ]

Следуя импульсу, ядра в среднем возбуждаются до определенного угла и магнитного поля спектрометра. Степень возбуждения может контролироваться с шириной импульса, обычно ок. 3-8 мкс для оптимального пульса на 90 °. Ширина импульса может быть определена путем построения (подписанной) интенсивности как функции ширины импульса. Это следует за кривой синуса , и, соответственно, изменяет знак на ширине импульса, соответствующих импульсам 180 ° и 360 °. [ Цитация необходима ]

Время затухания возбуждения, обычно измеренное в секунды, зависит от эффективности расслабления, которая быстрее для более легких ядер и в твердых веществах и медленнее для более тяжелых ядер и в растворах, и они могут быть очень длинными в газах. Если второй импульс возбуждения отправляется преждевременно до завершения релаксации, средний вектор намагничивания не распадался до основного состояния, что непредсказуемо влияет на прочность сигнала. На практике участки пиков затем не пропорциональны стехиометрии; Только присутствие, но не количество функциональных групп, можно различить. Эксперимент по восстановлению инверсии может быть проведен для определения времени релаксации и, следовательно, необходимой задержки между импульсами. Пульс на 180 °, регулируемая задержка и импульс 90 °. Когда пульс 90 ° точно отменяет сигнал, задержка соответствует времени, необходимому для релаксации 90 °. [ 20 ] Восстановление инверсии стоит для количественного 13 В, 2 D и другие трудоемкие эксперименты.

Спектральная интерпретация

[ редактировать ]

Сигналы ЯМР обычно характеризуются тремя переменными: химическим сдвигом, спин-спином и временем релаксации.

Химический сдвиг

[ редактировать ]
Основная статья: химический сдвиг

Разница в энергии, ΔE, между ядерными спиновыми состояниями пропорциональна магнитному полю ( эффект Zeeman ). ΔE также чувствителен к электронной среде ядра, что приводит к тому, что химический сдвиг, Δ. Самые простые типы графиков ЯМР представляют собой участки различных химических сдвигов ядер, изучаемых в молекуле. Значение Δ часто выражается в терминах «экранирования»: экранированные ядра имеют более высокий ΔE. Диапазон значений Δ называется дисперсией. Для 1 H Signals, дисперсия довольно мала, но для других ядер дисперсия намного больше. Сигналы ЯМР сообщаются относительно эталонного сигнала, обычно сигнала TMS ( тетраметилсилан ). Кроме того, поскольку распределение сигналов ЯМР зависит от поля, эти частоты делятся на частоту спектрометра. Однако, поскольку мы делим HZ на MHZ, полученное число было бы слишком маленьким, и, таким образом, оно умножается на миллион. Таким образом, эта операция дает номер локатора, называемый «химический сдвиг» с единицами частей на миллион. [ 21 ] Химический сдвиг предоставляет структурную информацию.

Преобразование химических сдвигов (и j, см. Ниже) называется назначением спектра. Для диамагнитных органических соединений назначения спектра ЯМР 1H и 13C чрезвычайно сложны из -за больших баз данных и простых вычислительных инструментов. В целом, химические сдвиги для протонов очень предсказуемы, поскольку сдвиги в первую очередь определяются экранирующими эффектами (электронная плотность). На химические сдвиги для многих более тяжелых ядер более сильно влияют другие факторы, включая возбужденные состояния («парамагнитный» вклад в экранирование тензора). Этот парамагнитный вклад, который не связан с парамагнетизмом ) не только нарушает тенденции в химических сдвигах, что усложняет задание, но также дает очень большие диапазоны химического сдвига. Например, большинство 1 ГОДА H ЯМР для большинства органических соединений находятся в пределах 15 ч / млн. Для 31 P ЯМР, диапазон сотни сотни PPM. [ 22 ]

Пример химического сдвига: ЯМР -спектр гексаборана B 6 H 10 показывает, что пики смещаются по частоте, которые дают подсказки относительно молекулярной структуры. (Нажмите, чтобы прочитать детали интерпретации)

В спектроскопии парамагнитной ЯМР образцы являются парамагнитными, то есть они содержат непарные электроны. Парамагнетизм порождает очень разнообразные химические сдвиги. В 1 H ЯМР -спектроскопия, диапазон химического сдвига может охватывать до тысяч ppm. [ 23 ]

J-Coupling

[ редактировать ]
Основная статья: J-Coupling
Множественность Коэффициент интенсивности
Синглет (ы) 1
Doublet (D) 1:1
Трилет (т) 1:2:1
Квартет (Q) 1:3:3:1
Квинтет 1:4:6:4:1
Секстет 1:5:10:10:5:1
Септет 1:6:15:20:15:6:1
Пример 1 H Яментный спектр (1-мерный) этанола , построенный в виде интенсивности сигнала в зависимости от химического сдвига . В этаноле есть три различных типа атомов H в отношении ЯМР. Водород (h) в группе -Oh не сочетается с другими атомами H и не появляется в виде синглета, но CH 3 - и гидрогены -ч 2 - связаны друг с другом, что приводит к триплету и квартету соответственно.

Некоторая из наиболее полезной информации для определения структуры в одномерном спектре ЯМР поступает от J-связанного или скалярного соединения (особый случай сочетания спиновой точки ) между ЯМР активными ядрами. Эта связь возникает из -за 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, указывает ли соседний ядро ​​к или против или против спектрометра, что приводит к двум сигналам на протон вместо одного. Эти паттерны разделения могут быть сложными или простыми и, также, могут быть простыми интерпретируемыми или обманчивыми. Эта связь дает подробное понимание связности атомов в молекуле. [ Цитация необходима ]

Множественность расщепления является эффектом спинов ядер, которые связаны, и количества таких ядер, участвующих в связи. Соединение с n эквивалентными (спинами ½) ядрам расщепляет сигнал в мультилет N +1 с соотношениями интенсивности после треугольника Паскаля, как описано справа. Соединение с дополнительными спинами приведет к дальнейшему расщеплению каждого компонента мультиплета, например, связывания с двумя различными ядрами Spin ½ со значительно различными константами связи 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, и муфты между ядрами, которые являются отдаленными (обычно более 3 связей друг от друга для протонов в гибких молекулах), как правило, слишком малы. вызвать наблюдаемые расщепления. Большое расстояние более трех связей часто можно наблюдать в циклических и ароматических соединениях, что приводит к более сложным схемам разделения. [ Цитация необходима ]

Например, в протонном спектре для этанола, описанном выше, группа CH 3 разделена на триплет с соотношением интенсивности 1: 2: 1 на два соседних протонов CH 2 . Точно так же CH 2 разделен на квартет с соотношением интенсивности 1: 3: 3: 1 на три соседних протонах CH 3 . В принципе, два протона CH 2 также будут снова разделены на дублет , чтобы сформировать дублет квартетов гидроксильным протоном, но межмолекулярный обмен кислым гидроксильным протоном часто приводит к потере связи с связью.

Соединение с любыми ядрами Spin-1/2, такими как Phosphorus-31 или фторин-19, работает таким образом (хотя величины констант связи могут быть очень разными). Но паттерны расщепления отличаются от описанных выше для ядер со спином, превышающим ½, потому что спиновое квантовое число имеет более чем два возможных значения. Например, связь с дейтерием (ядро спина 1) расщепляет сигнал на триплет 1: 1: 1: 1, потому что спин 1 имеет три спиновых состояния. Точно так же ядро ​​спина 3/2, такое как 35 CL разбивает сигнал в квартет 1: 1: 1: 1 и т. Д.

Соединение в сочетании с химическим сдвигом (и интеграцией для протонов) рассказывает нам не только химическую среду ядер, но и количество соседних активных ЯМР в молекуле. В более сложных спектрах с множественными пиками при аналогичных химических сдвигах или в спектрах ядер, кроме водорода, связь часто является единственным способом различения различных ядер.

Величина связи (постоянная связи, J ) является эффектом того, насколько сильно ядра связаны друг с другом. Для простых случаев это является эффектом расстояния связывания между ядрами, магнитным моментом ядер и двугранным углом между ними.

1 H Яментный спектр ментола с химическим сдвигом в PPM на горизонтальной оси. Каждый магнитный неравенственный протон имеет характерный сдвиг, и связи с другими протонами появляются в виде расщепления пиков на мультиплеты: например, пик A , из -за трех магнитно -эквивалентных протонов в метильной группе A , от пары до одного соседнего протона ( E ) и, таким образом, появляются как дублет.

(Или сильная) связь второго порядка

[ редактировать ]

Приведенное выше описание предполагает, что константа связи невелика по сравнению с разницей в частотах ЯМР между неравенственными спинами. Если разделение сдвига уменьшается (или увеличивается прочность связи), схемы интенсивности мультилета сначала искажаются, а затем становятся более сложными и менее проанализированными (особенно если участвуют более двух спинов). Интенсификация некоторых пиков в мультиплете достигается за счет оставшейся части, что иногда почти исчезает в фоновом шуме, хотя интегрированная область под пиками остается постоянной. Однако в большинстве ЯМР высокого поля искажения обычно скромны, и характерные искажения ( кровя ) могут фактически помочь определить связанные пики.

Некоторые из этих моделей могут быть проанализированы с помощью метода, опубликованного Джоном Поплом , [ 24 ] хотя у него ограниченная масштаба.

Эффекты второго порядка уменьшаются по мере увеличения разности частот между мультистеклами, так что спектры ЯМР высокого уровня высокого поля (т.е. высокочастотный) демонстрируют меньше искажения, чем спектры более низкой частоты. Ранние спектры в 60 МГц были более подвержены искажениям, чем спектры от более поздних машин, обычно работающих на частотах при 200 МГц или выше.

Кроме того, как и на рисунке справа, J-связывание может использоваться для идентификации замены ортомета-пары кольца. Орто -связь является наиболее сильной при 15 Гц, Meta следует в среднем 2 Гц, и, наконец, сцепление пара, как правило, незначительно для исследований.

Магнитная неравенство

[ редактировать ]
Дополнительная информация: магнитная неравенство

Более тонкие эффекты могут возникнуть, если химически эквивалентные спины (то есть ядра, связанные с симметрией и, таким образом, имеют одинаковую частоту ЯМР), имеют разные отношения связи с внешними спинами. Спины, которые химически эквивалентны, но не являются неотличимыми (на основе их взаимосвязей связи) называются магнитно неравенентными. Например, 4-часовые участки 1,2-дихлорбензола разделяют на две химически эквивалентные пары по симметрии, но отдельный член одной из пар имеет различные связи с спинами, составляющими другую пару. Магнитная неравенство может привести к очень сложным спектрам, которые могут быть проанализированы только с помощью вычислительного моделирования. Такие эффекты чаще встречаются в ЯМР-спектрах ароматических и других негибких систем, в то время как конформационное усреднение в отношении связей C-C в гибких молекулах имеет тенденцию выравнивать муфты между протонами на соседних углеродах, что снижает проблемы с магнитной неравенством.

Корреляционная спектроскопия

[ редактировать ]
Дополнительная информация: 2D-Ямр

Корреляционная спектроскопия является одним из нескольких типов двухмерной спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или 2D-ЯМР . Этот тип эксперимента ЯМР наиболее известен по его аббревиатуре , уютно . Другие типы двумерного ЯМР включают J-спектроскопию, обменную спектроскопию (EXSY), спектроскопию эффекта ядерного пересечения (NOESY), спектроскопию общей корреляции (TOCSY) и эксперименты с гетероядерной корреляцией, такие как HSQC , HMQC и HMBC . В спектроскопии корреляции излучение центрируется на пике отдельного ядра; Если его магнитное поле коррелирует с другим ядром с помощью связи через связь (уютный, HSQC и т. Д.) или через космос (NOE), ответ также может быть обнаружен на частоте коррелированного ядра. Двумерные спектры ЯМР предоставляют больше информации о молекуле, чем одномерные спектры ЯМР, и особенно полезны для определения структуры молекулы , особенно для молекул, которые слишком сложны, чтобы работать с использованием одномерного ЯМР. Первый двухмерный эксперимент, Cosy, был предложен Джин Джином, профессором Université Libre de Bruxelles, в 1971 году. [ 25 ] [ 26 ] Этот эксперимент был позже реализован Уолтером П. Ауэ, Энрико Бартольди и Ричардом Р. Эрнстом , которые опубликовали свою работу в 1976 году. [ 27 ]

Твердотельный ядерный магнитный резонанс

[ редактировать ]
Твердотельный 900 МГц (21,1 т [ 28 ] ) ЯМР-спектрометр на Канадском национальном Ультрахимическом ЯМР ЯМР для твердых веществ
Дополнительная информация: твердотельный ЯМР

Разнообразные физические обстоятельства не позволяют изучать молекулы в растворе и в то же время не с помощью других спектроскопических методов на атомный уровень. В твердофазной среде, таких как кристаллы, микрокристаллические порошки, гели, анизотропные растворы и т. Д., В частности, это диполярная анизотропия сдвига и химического сдвига, которые становятся доминирующими для поведения систем ядерного спина. В традиционной спектроскопии ЯМР в растворе эти дополнительные взаимодействия приведут к значительному расширению спектральных линий. Различные методы позволяют устанавливать условия высокого разрешения, которые могут, по крайней мере, для 13 C Спектры, быть сопоставимыми с ЯМР-спектрами в растворе.

Два важными понятиями для твердотельной ЯМР-спектроскопии с высоким разрешением являются ограничение возможной молекулярной ориентации путем ориентации образца и восстановления анизотропных ядерных магнитных взаимодействий путем вращения образцов. Из последнего подхода быстрое вращение вокруг магического угла является очень заметным методом, когда система содержит спиновые ядра 1/2. Скорость вращения ок. Используется 20 кГц, что требует специального оборудования. Ряд промежуточных методов с образцами частичного выравнивания или сниженной подвижности в настоящее время используется в спектроскопии ЯМР.

Применение, в которых возникают твердотельные эффекты ЯМР, часто связаны со структурой исследований мембранных белков, белковых фибриллов или всех видов полимеров, а также химического анализа при неорганической химии, но также включают «экзотические» применения, такие как листья растений и топливные элементы. Например, Rahmani et al. изучал влияние давления и температуры на самосборку двухдушечных структур с использованием спектроскопии ЯМР дейтерий. [ 29 ]

Биомолекулярная ЯМР -спектроскопия

[ редактировать ]

Белки

[ редактировать ]
Основная статья: ядерная магнитно -резонансная спектроскопия белков

Большая часть инноваций в спектроскопии ЯМР была в области спектроскопии ЯМР белка , что является важным методом в структурной биологии . Общей целью этих исследований является получение 3-мерных структур белка с высоким разрешением, аналогичным тому, что может быть достигнуто с помощью рентгеновской кристаллографии . В отличие от рентгеновской кристаллографии, ЯМР-спектроскопия обычно ограничивается белками менее 35 кДа , хотя были решены более крупные структуры. ЯМР -спектроскопия часто является единственным способом получить информацию с высоким разрешением на частично или в целом, по сути неструктурированным белкам . В настоящее время это общий инструмент для определения взаимосвязи конформационной активности , где структура до и после взаимодействия, например, с кандидатом на лекарство сравнивается с его известной биохимической активностью. Белки на порядки больше, чем небольшие органические молекулы, обсуждаемые ранее в этой статье, но основные методы ЯМР и некоторые теорию ЯМР также применяются. Из -за гораздо более высокого количества атомов, присутствующих в молекуле белка по сравнению с небольшим органическим соединением, основные 1D -спектры становятся многолюдными с перекрывающимися сигналами до такой степени, что прямой спектральный анализ становится несостоятельным. Следовательно, многомерные (2, 3 или 4d) эксперименты были разработаны для решения этой проблемы. Чтобы облегчить эти эксперименты, желательно изотопически пометить белок 13 C и 15 N Потому что преобладающий природный изотоп 12 C не является ЯМР-активным, а ядерный квадрупольный момент преобладающего природного происхождения 14 N изотоп предотвращает получение информации высокого разрешения из этого изотопа азота. Наиболее важный метод, используемый для определения структуры белков, использует эксперименты NOE для измерения расстояний между атомами в молекуле. Впоследствии полученные расстояния используются для генерации трехмерной структуры молекулы путем решения проблемы геометрии расстояния . ЯМР также может быть использован для получения информации о динамике и конформационной гибкости различных областей белка.

Нуклеиновые кислоты

[ редактировать ]
Основная статья: ядерная магнитно -резонансная спектроскопия нуклеиновых кислот

ЯМР нуклеиновой кислоты - это использование ЯМР -спектроскопии для получения информации о структуре и динамике поли -нуклеиновых кислот , таких как ДНК или РНК . По состоянию на 2003 г. почти половина всех известных РНК -структур была определена с помощью ЯМР -спектроскопии. [ 30 ]

Спектроскопия ЯМР -нуклеиновой кислоты и белка ЯМР похожа, но существуют различия. Нуклеиновые кислоты имеют меньший процент атомов водорода, которые являются атомами, обычно наблюдаемыми при спектроскопии ЯМР, и поскольку двойные спирали нуклеиновых кислот являются жесткими и примерно линейными, они не складываются на себя, чтобы дать «дальние» корреляции. [ 31 ] Типы ЯМР обычно делаются с нуклеиновыми кислотами 1 H или Proton ЯМР , 13 C ЯМР , 15 N ЯМР , и 31 P Ямр . Двумерные методы ЯМР почти всегда используются, такие как корреляционная спектроскопия (уютная) и спектроскопия переноса общей когерентности (TOCSY) для обнаружения ядерных связей через связь и спектроскопия эффекта пересечения ядер (NOESY) для обнаружения муфт между ядрами, которые близки к друг друга в космосе. [ 32 ]

Параметры, взятые из спектра, в основном перекрестные пики NOESY и константы связи , могут использоваться для определения локальных структурных особенностей, таких как углы гликозидных связей , двугранные углы (с использованием уравнения Карплуса ) и конформы сахара. Для крупномасштабной структуры эти локальные параметры должны быть дополнены другими структурными допущениями или моделями, поскольку ошибки увеличиваются, когда двойная спираль проходит, и, в отличие от белков, двойная спираль не имеет компактной интерьера и не складывается назад сам ЯМР также полезен для изучения нестандартных геометрий, таких как согнутые спирали , не-ватсон-крик, базеиргирование и коаксиальное укладку . Это было особенно полезно для исследования структуры природных РНК-олигонуклеотидов, которые имеют тенденцию принимать сложные конформации, такие как петли ствола и псевдокноты . ЯМР также полезен для исследования связывания молекул нуклеиновой кислоты с другими молекулами, такими как белки или лекарства, видя, какие резонансы смещаются при связывании другой молекулы. [ 32 ]

Углеводы

[ редактировать ]
Основная статья: ядерная магнитно -резонансная спектроскопия углеводов

Углеводная ЯМР -спектроскопия рассматривает вопросы о структуре и конформации углеводов . Анализ углеводов с помощью 1H ЯМР является сложным из -за ограниченного изменения в функциональных группах, что приводит к 1H резонансам, сконцентрированным в узких полосах спектра ЯМР. Другими словами, существует плохая спектральная дисперсия. Аномерные протонные резонансы отделены от других из -за того, что аномерные углероды имеют два атома кислорода. Для небольших углеводов рассеяние аномерных протонных резонансов облегчает использование 1D экспериментов Tocsy для исследования всех спиновых систем отдельных остатков углеводов.

Открытие наркотиков

[ редактировать ]

Знание энергетических минимумов и ротационных энергетических барьеров малых молекул в растворе можно найти с помощью ЯМР, например, рассматривая свободные конформационные предпочтения и конформационную динамику, соответственно. Это может быть использовано для определения гипотез дизайна лекарств, поскольку экспериментальные и рассчитанные значения сопоставимы. Например, Astrazeneca использует ЯМР для его онкологических исследований и разработок. [ 33 ]

ЯМР-спектроскопия высокого давления

[ редактировать ]

Одним из первых научных работ, посвященных использованию давления в качестве переменного параметра в экспериментах ЯМР, была работа J. Jonas, опубликованную в журнале «Ежегодный обзор биофизики» в 1994 году. [ 34 ] Использование высоких давлений в ЯМР -спектроскопии было в первую очередь обусловлено желанием изучать биохимические системы, где использование высокого давления позволяет контролировать изменения в межмолекулярных взаимодействиях без значительных возмущений.

Конечно, были предприняты попытки решить научные проблемы с использованием ЯМР-спектроскопии высокого давления. Тем не менее, большинству из них было трудно воспроизвести из -за проблемы оборудования для создания и поддержания высокого давления. В [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] Приведены наиболее распространенные типы ЯМР клеток для реализации экспериментов ЯМР высокого давления.

Спектроскопия ЯМР высокого давления широко использовалась для различных применений, в основном связанных с характеристикой структуры молекул белка. [ 38 ] [ 39 ] Однако в последние годы были предложены программные решения и дизайнерские решения для характеристики химических и пространственных структур малых молекул в среде сверхкритической жидкости, [ 40 ] Использование параметров состояния в качестве движущей силы для таких изменений. [ 41 ]

Смотрите также

[ редактировать ]
  • Квантовая механика спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР)

    • Связанные методы ядерной спектроскопии :

    Ссылки

    [ редактировать ]
    1. ^ Чарльз П. Слихтер (1963). Принципы магнитно -резонанса: с примерами из физики твердого состояния . Harper & Row. ISBN  9783540084761 .
    2. ^ Структурная биология: практические приложения ЯМР (PDF) (2 -е изд.). Спрингер. 6 сентября 2012 г. с. 67. ISBN  978-1-4614-3964-6 Полем Получено 7 декабря 2018 года .
    3. ^ Марк С. Рейш (29 июня 2015 г.). «ЯМР приборной цены повышает пользователей» . Поединка
    4. ^ «Принимая его выше» . Ученый. 30 октября 2000 г.
    5. ^ Паудлер, Уильям (1974). Ядерный магнитный резонанс . Бостон: Серия химии Аллин и Бэкон. С. 9–11.
    6. ^ «Открытие ЯМР» .
    7. ^ «Фоновая и теория страница ядерного магнитного резонанса» . Аналитический центр Марка Уэйнрайта - Университет Южного Уэльса Сидней. 9 декабря 2011 года. Архивировано с оригинала 27 января 2014 года . Получено 9 февраля 2014 года .
    8. ^ «4.7: ЯМР -спектроскопия» . Химия Либретлекты . 2016-07-14 . Получено 2023-11-25 .
    9. ^ Balci, Metin (2005), «Динамическая ЯМР-спектроскопия» , базовая спектроскопия 1H- и 13C-ЯМР , Elsevier, стр. 213–231, doi : 10.1016/b978-044451811-8.50008-5 , ISBN  9780444518118 Получено 2023-11-25
    10. ^ «Ядро ядер ЯМР для биологических и биомедицинских применений» . Открытый Medscience . Получено 2023-11-25 .
    11. ^ Шах, н; Саттар, а; Бенанти, м; Голландер, S; Cheuck, L (январь 2006 г.). «Магнитно -резонансная спектроскопия как инструмент визуализации рака: обзор литературы» . Журнал Американской остеопатической ассоциации . 106 (1): 23–27. PMID   16428685 . Архивировано из оригинала 2013-04-07.
    12. ^ Johnson Jr., CS (1999). «Диффузия упорядоченная ядерная магнитно -резонансная спектроскопия: принципы и применения». Прогресс в ядерной магнитно -резонансной спектроскопии . 34 (3–4): 203–256. doi : 10.1016/s0079-6565 (99) 00003-5 .
    13. ^ Neufeld, R.; Стальке, Д. (2015). «Точное определение молекулярной массы малых молекул через дози-ЯМР с использованием внешних калибровочных кривых с нормализованными коэффициентами диффузии» . Химический Наука 6 (6): 3354–3364. doi : 10.1039/c5sc00670h . PMC   5656982 . PMID   29142693 . Значок открытого доступа
    14. ^ Хансон, Джон Э. (2013). «5. ЯМР-спектроскопия в невзвучанных растворителях (NO-D ЯМР): приложения в органической лаборатории бакалавриата». ЯМР -спектроскопия в учебной программе бакалавриата . Симпозиум ACS Series. Тол. 1128. Американское химическое общество. С. 69–81. doi : 10.1021/bk-2013-1128.ch005 . ISBN  9780841227941 .
    15. ^ Gottlieb, Hugo E.; Котлайр, Вадим; Nudelman, Abraham (1997-10-01). «ЯМР -химические сдвиги общих лабораторных растворителей как следы примесей» . Журнал органической химии . 62 (21): 7512–7515. doi : 10.1021/jo971176v . ISSN   0022-3263 .
    16. ^ Уставок, Джордж Ван Дайк (сентябрь 1958 г.). «Надежные значения экранирования ядерного резонанса протона путем« внутреннего ссылки »с тетраметилсиланом» . Журнал физической химии . 62 (9): 1151–1152. doi : 10.1021/j150567a041 . ISSN   0022-3654 .
    17. ^ «Центр ядерной магнитно -резонансной спектроскопии | Университет штата Вашингтон» .
    18. ^ «Центр ЯМР -спектроскопии: блокировка» . Ямр.чем.wsu.edu .
    19. ^ «ЯМР артефакты» . www2.chemistry.msu.edu .
    20. ^ Парелла, Теодор. «Эксперимент по инверсии-рекурсу» . triton.iqfr.csic.es .
    21. ^ Джеймс Килер. «Глава 2: ЯМР и уровни энергии» (перепечатано в Кембриджском университете ) . Понимание ЯМР -спектроскопии . Калифорнийский университет, Ирвин . Получено 2007-05-11 .
    22. ^ Питер Аткинс (1994) [1990]. Физическая химия (5 изд.). Фриман.
    23. ^ Ott, JC; Wadepohl, H.; Enders, M.; Gade, LH (2018). «Принимая раствор Proton ЯМР до ​​его крайности: прогнозирование и обнаружение гидридного резонанса в комплексе железа промежуточного спинка». J. Am. Химический Соц ​ 140 (50): 17413–17417. doi : 10.1021/jacs.8b11330 . PMID   30486649 . S2CID   207195859 .
    24. ^ Попл, JA; Бернштейн, HJ; Schneider, WG (1957). «Анализ ядерных магнитно -резонансных спектров». Может. J. Chem . 35 : 65–81. doi : 10.1139/v57-143 .
    25. ^ AUE, WP (1976). «Двумерная спектроскопия. Применение к ядерному магнитному резонансу». Журнал химической физики . 64 (5): 2229. Bibcode : 1976jchph..64.2229a . doi : 10.1063/1.432450 .
    26. ^ Джинер, Джин (2007). «Джинер, Жан: воспоминания о первых днях 2D ЯМР». Энциклопедия магнитного резонанса . doi : 10.1002/9780470034590.emrhp0087 . ISBN  978-0470034590 .
    27. ^ Мартин, GE; Zekter, AS, двухмерные методы ЯМР для установления молекулярной связности ; VCH Publishers, Inc: Нью -Йорк, 1988 (с.59)
    28. ^ «Национальный ультрагистральный ЯМР ЯМР для твердых веществ» . Получено 2014-09-22 .
    29. ^ А. Рахмани, К. Найт и мистер Морроу. Реакция на гидростатическое давление двухселлярных дисперсий, содержащих анионный липид: индуцированная давлением междигитация. 2013, 29 (44), стр. 13481–13490, два : 10.1021/la4035694
    30. ^ Фюртиг, Борис; Рихтер, Кристиан; Wöhnert, Jens; Schwalbe, Harald (2003). «ЯМР -спектроскопия РНК». Химбиохим . 4 (10): 936–62. doi : 10.1002/cbic.200300700 . PMID   14523911 . S2CID   33523981 .
    31. ^ Addess, Kenneth J.; Фейгон, Юли (1996). "Введение в 1 Спектроскопия яМР ДНК ». В Хехте, Сидни М. (ред.). Биоорганическая химия: нуклеиновые кислоты . Нью -Йорк: издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-508467-2 .
    32. ^ Подпрыгнуть до: а беременный Веммер, Дэвид (2000). «Глава 5: Структура и динамика от ЯМР». В Блумфилде, Виктор А.; Crothers, Donald M.; Тиноко, Игнасио (ред.). Нуклеиновые кислоты: структуры, свойства и функции . Sausalito, Калифорния: университетские научные книги. ISBN  978-0-935702-49-1 .
    33. ^ Балазс, Эмбер; Дэвис, Никола; Лонгмайр, Дэвид; Пэкер, Мартин; Chiarparin, Elisabetta (2021). «ЯМР свободных конформаций лиганда и динамика атомного разрешения» . Магнитно -резонансные дискуссии : 1–16. doi : 10.5194/MR-2021-27 . S2CID   233441183 .
    34. ^ Jonas, J; Джонас, А (июнь 1994 г.). «ЯМР-спектроскопия ЯМР высокого давления белков и мембран» . Ежегодный обзор биофизики и биомолекулярной структуры . 23 (1): 287–318. doi : 10.1146/annurev.bb.23.060194.001443 . ISSN   1056-8700 .
    35. ^ Бенедик, ГБ; Purcell, EM (1954-12-01). «Ядерный магнитный резонанс в жидкостях под высоким давлением» . Журнал химической физики . 22 (12): 2003–2012. doi : 10.1063/1,1739982 . ISSN   0021-9606 .
    36. ^ Каматари, Y (сентябрь 2004 г.). «ЯМР-спектроскопия высокого давления для характеристики складывающихся промежуточных соединений и денатурированных состояний белков» . Методы ​ 34 (1): 133–143. doi : 10.1016/j.ymeth.2004.03.010 .
    37. ^ Петерсон, Рональд В.; Wand, A. Joshua (2005-09-01). «Автономный аппарат, аппарат и процедура подготовки к клеткам высокого давления, растворенные в жидкостях с низкой вязкостью для спектроскопии ядерного магнитного резонанса» . Обзор научных инструментов . 76 (9): 1–7. doi : 10.1063/1.2038087 . ISSN   0034-6748 . PMC   1343520 . PMID   16508692 .
    38. ^ Дюбуа, Сециле; Эррада, Исалин; Барте, Филипп; Roumestand, Christian (2020-11-26). «Сочетание возмущения высокого давления с ЯМР-спектроскопией для структурной и динамической характеристики путей складывания белков» . Молекулы . 25 (23): 5551. DOI : 10.3390/Molecules25235551 . ISSN   1420-3049 . PMC   7731413 . PMID   33256081 .
    39. ^ Гангне, Дональд; Азад, Роксана; Арамини, Джеймс М.; Сюй, Синджян; Isiorho, Eta A.; Edupuganti, Uthama R.; Уильямс, Джастин; Марселино, Леандро Пиментел; Акасака, Казуюки (2020-08-26). Использование спектроскопии ЯМР высокого давления для быстрого идентификации белков с внутренними лиганд-связывающими пустотами (отчет). Биофизика. doi : 10.1101/2020.08.25.267195 .
    40. ^ Ходов, ИА; Белов, КВ; CrestyAnininov, MA; Соуборна, В.В.; Dyshin, AA; Kiselev, MG (август 2023 г.). «Выполняет ли DMSO конформационный шибанг молекул лекарственных средств в суперскритических средах CO2?» Полем Журнал молекулярных жидкостей 384 : 122230. DOI : 10.1016/ j.molliq.2023.1
    41. ^ Ходов, ИА; Белов, КВ; Dyshin, AA; Кристанинов, Массачусетс; Kiselev, MG (декабрь 2022 г.). «Воздействие давления на конформационные равновесия лидокаина в SCCO2: исследование 2d Noesy» . Журнал молекулярных жидкостей . 367 : 120525. DOI : 10.1016/j.molliq.2022.120525 .

    Дальнейшее чтение

    [ редактировать ]
    [ редактировать ]
    Wikimedia Commons имеет средства массовой информации, связанные с ядерной магнитной резонансной спектроскопией .
    • Джеймс Килер. «Понимание спектроскопии ЯМР» (перепечатано в Кембриджском университете ) . Калифорнийский университет, Ирвин . Получено 2007-05-11 .
    • Основы ЯМР - нетехнический обзор теории ЯМР, оборудования и методов доктора Джозефа Хорнака, профессора химии в RIT
    • Библиотеки гамма и пигаммы - Гамма - это библиотека C ++ с открытым исходным кодом, написанная для моделирования экспериментов по ядерной магнитно -резонансной спектроскопии. Pygamma - это обертка для питона вокруг гаммы.
    • Sleanbe Software для анализа динамики ЯМР
    • VESPA - VESPA (универсальное моделирование, импульсы и анализ) - это бесплатный набор программного обеспечения, состоящий из трех приложений Python. Эти инструменты на основе графического интерфейса предназначены для спектрального моделирования магнитно -резонанса (MR), проектирования радиочастотных импульсов, а также спектральной обработки и анализа MR -данных.
    Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nuclear_magnetic_resonance_spectroscopy&oldid=1236361261"
    Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
    Arc.Ask3.Ru
    Номер скриншота №: 72199760035fd3f9be36e65e348652bc__1721798340
    URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/72/bc/72199760035fd3f9be36e65e348652bc.html
    Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
    Nuclear magnetic resonance spectroscopy - Wikipedia
    Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)