Основы постановки научного эксперимента. ЯМР-спектроскопия. (Лекция 8)

Ядерный магнитный резонанс
Ядра атомов, для которых числа протонов и нейтронов не являются одновременно чётными, обладают собственным магнитным моментом.
Ядерный магнитный резонанс – поглощение электромагнитного излучения ядрами, обладающими магнитным моментом, помещенными во внешнее магнитное поле и обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.
Частота поглощаемого излучения находится в радиочастотном диапазоне (60–1000 МГц), определяется свойствами ядра (изотопа), напряженностью внешнего магнитного поля (прямая пропорциональность) и окружением ядра – конфигурацией его электронной оболочки.
Зависимость резонансной частоты от конфигурации электронной оболочки иона открывает возможность исследования структуры молекул посредством регистрации изменения частоты поглощения (резонансной частоты), обусловленного строением изучаемого вещества.

ЯМР среди других физических методов исследования:
В отличие от масс-спектрометрии, ЯМР исследует саму молекулу, а не продукты её распада.
В отличие от оптической спектроскопии (УФ, ИК), частицы, исследуемые методом ЯМР, находятся всегда в основном электронном состоянии и практически на нулевом колебательном уровне.
В отличие от РСА (рентгеноструктурного анализа), исследующего кристаллические образцы, в ЯМР имеют дело с молекулами в растворе. Оба метода (если абстрагироваться от деталей) воздействуют электромагнитным излучением на ядра атомов, однако, в ЯМР рассматриваются не отклики ядер сами по себе, а влияние на них электронного окружения.
ЯМР может применяться не только для изучения структуры молекул, но и для изучения химических реакций в динамике, причём воздействия в датчике ЯМР спектрометра никак не возмущают исследуемую систему.
Спектрометры ЯМР – самые дорогие, а чувствительность – низкая по сравнению с другими физическими методами.

Важнейшие области применения спектроскопии ЯМР
Изучение строения и свойств органических соединений
Определение структуры биомакромолекул
Изучение динамических свойств биомолекул
Изучение белок-лигандных взаимодействий (ЯМР-скрининг биологически активных соединений)
Визуализация объектов живой и неживой природы (ЯМР-томография)
Мониторинг процессов, происходящих в живом организме (in-vivo спектроскопия)
Исследование функциональной активности мозга (f-MRI)

Протоны (и многие другие ядра) имеют спин
Spin up Spin down
Спиновое квантовое число ядра I может принимать полуцелые и целые значения от 1/2 до 9/2.
Спин определяет число возможных (разрешённых) ориентаций магнитного момента во внешнем магнитном поле: N = 2I +1
При исследовании строения молекул удобнее всего использовать ядра с I = ½
1H, 15N, 31P , 13C, 29Si, 19F, 119Sn, 195Pt, 199Hg…

Частицы с магнитным моментом в магнитном поле имеют две ориентации – по полю и против него (для ядер с I =1/2)
При поглощении фотона с определённой энергией, соответствующей ΔE, частица может переходить на более высокий энергетический уровень.
Разница между двумя состояниями: ΔE = γ h Bo / 2π
где: Bo – внешнее магнитное поле
h – постоянная Планка
γ – гиромагнитное отношение
Ориентации спина в магнитном поле (Энергетические уровни)
m=1/2
m=-1/2
m=-1/2
m=1/2

Свойства некоторых важных ядер в ЯМР-спектроскопии

Фурье-
преобразование
Наблюдение сигнала магнитного резонанса
(Фурье-преобразование)
Резонансная частота (Ламорова частота) ω = -γB
ЯМР-сигнал показывает зависимость
интенсивности поглощения от времени
После преобразования показывает зависимость поглощения от резонансной частоты

Схема спектрометра ЯМР

С чего всё началось?
Сканирующая ЯМР-спектроскопия
Одни из первых спектрометров ЯМР фирмы Bruker
Современный спектрометр ЯМР на электромагните

ЯМР в 1960-х
Спектр записывали долго (до 12 часов), ночью, для уменьшения помех.

Влияние величины магнитного поля на вид спектра ЯМР

Фрагмент спектра эстрадиолдиацетата при разной величине магнитного поля

Современные приборы. Топ-модели.
Магнит спектрометра ЯМР на 1000 МГц
Bruker
Германия
Магнит спектрометра ЯМР на 900 МГц
Varian (Agilent)
США
Магнит спектрометра ЯМР на 1020 МГц
Jeol
Япония

Производятся компанией Bruker.
28,2 тесла - почти в 600 000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли.
Весит восемь тонн.
В настоящее время (начало 2021 г.) таких высокотехнологичных инструментов всего три. В Университете Флоренции, Высшей технической школе Цюриха, в Институте биофизической химии им. Макса Планка.
Стоимость прибора составляет 12,5 миллиона евро.
В активном объеме магнитов, в зоне всего около 1 см3, поддерживается чрезвычайно однородное магнитное поле на 99,99999999%.
Вместо низкотемпературных суперпроводников (типа Nb3Sn) применяется гибрид с добавлением высокотемпературных сверхпроводников (керамика на основе иттрия и гадолиния).
Самые мощные ЯМР спектрометры = 1.2 ГГц

Фурье–ЯМР-спектрометр Bruker DPX 250 после upgrade 'a
Современные приборы. Средний класс.

Фурье–ЯМР-спектрометр Bruker Avance III 500
Современные приборы. Средний класс.

Устройство ЯМР-спектрометра
Магнит

Устройство спектрометра
Магнит

Краевое магнитное поле
К неэкранированному ЯМР-спектрометру нельзя подносить что-то электронное или магнитящееся ближе, чем на расстояние двойной гауссовой линии (величина магнитного поля 2 гаусса).
Чем мощнее прибор, тем больше расстояние – мощные приборы располагают в отдельных помещениях.

Для достижения сверхпроводимости в магните его помещают в сосуд Дьюара с сжиженными газами.
Жидкий азот — прозрачная жидкость. Т.кип = −196 °C. Литр жидкого азота, испаряясь и нагреваясь до 20 °C, образует примерно 700 литров газа. Жидкий азот хранят и перевозят в сосудах Дьюара.
Жидкий гелий — бесцветная прозрачная жидкость, кипящая при температуре 4.2 К.
NMR Oxford Superconducting magnet quench (Кипение жидкого гелия)

Устройство спектрометра
Консоль
- Коммуникационные платы
- Платы установки и поддержания однородности поля (lock)
- Температурная приставка
- Генератор импульсов
- Прочие опциональные блоки (MAS, LC, GC etc.)

Аксессуары к спектрометру
Ампулы
Набор для пробоподготовки для твердотельного датчика:
- воронка
- ампула
- крышка
-экстрактор
Набор для пробоподготовки для жидкостного датчика:
- дозаторы
- пипетка
- склянка с дейтерорастворителем
- ампулы 5 мм
- ампула 10 мм
- колпачки

Пробоподготовка
Чистая ЯМР-ампула - Однородный раствор
- Объем раствора (15-17 мм) - Плотно надетый колпачок

Пробоподготовка

Стоимость ЯМР спектрометров
«Золотое правило»: 1 Mhz = 1000 $
Действует для спектрометров до 600 Мгц
Большую часть цены составляет магнит
The Avance 1000 стоит € 11.7 млн (EUR), или $16 млн (USD)

Что снимаем?
Одномерный 1Н спектр
от секунд до минут
Двумерные 1Н-1Н (гомоядерные) спектры
от 30 минут до 12 часов
Двумерные 1Н-13С (гетероядерные) спектры
от 30 минут до 12 часов
Одномерный 13С спектр
от 10 минут до 12 часов
+ Другие спектры на ядрах 15N, 31P, 19F и пр.
Имея 1-10 мг вещества с молекулярной массой 100-1000:

Когда НЕ снимаем?
Когда не растворяется ни в одном из растворителей, используемом в ЯМР.
Когда мало вещества:
Для 1H спектров: до 0.1 мг
Для 13С спектров: до 5-10 мг («видно глазом»)
Для 15N спектров (только 15N-HMBC): до 20 мг
Когда много примесей. В образце должно быть 1-2 основных компонента + растворитель, остальное – в концентрации в 5-10 раз меньше.

Растворители для ЯМР
* Цены 2010 года, сейчас всё намного дороже

Проблема ЯМР твёрдых тел
Порошок
Жидкость

Регистрация ЯМР твёрдых тел
(MAS NMR)
Препятствие для ЯМР твердых тел - прямое диполь-дипольное взаимодействие ядерных спинов. Оно усредняется в жидкостях и газах до нуля броуновским движением.
Решение: «магический угол» θ = 54,7°. Это и используют для сужения резонансных линий в спектрах ЯМР твердых тел. Вещество в виде порошка помещают в специальный цилиндрический полый пенал диаметром 4 мм или 7 мм, сделанный из особо прочного материала. Обычно в качестве такого используют циркон (оксид ZrO2) или нитрид бора. В специальном датчике он помещается под магическим углом по отношению к полю В0 и вращается с помощью воздушной турбинки с очень высокой скоростью (до 35 тысяч оборотов в секунду и выше).

Вращение под магическим углом

Спектры 13С-{1H}-ЯМР холестерилацетата: Вверху – спектр твёрдого вещества,
записанный с вращением под магическим углом с частотой 15 кГц. Ширина линий –
15 Гц. Внизу – спектр того же вещества в растворе CDCl3.

Вращение под магическим углом

Соотношение сигнал/шум
S/N ~ N×γex×γdet3/2×B03/2×NS1/2×T21/2
S/N – соотношение сигнал/шум
N – количество ядер (концентрация)
γex – гиромагнитное отношение возбуждённых спинов
γdet – гиромагнитное отношение детектируемых спинов
B0 – напряжённость постоянного магнитного поля
NS – количество сканов
T2 – время поперечной релаксации
Для улучшения соотношения обычно проводят несколько сканирований

1 скан
200 сканов

Измеряемые параметры ЯМР
Наблюдаемые параметры
1) Количество сигналов
2) Положение сигналов (химический сдвиг)
3) Форма (мультиплетность) сигналов
4) Константы спин-спинового взаимодействия (через химическую связь)
5) Площадь сигналов
6) Ядерные эффекты Оверхаузера (взаимодействия через пространство)
Получаемая из них информация
Количество неэквивалентных ядер данного типа
Распределение электронной плотности в молекуле
Тип и количество соседних ядер, обмен
Характеристика хим. связей (1J и 2J), диэдральные углы (3J), водородные связи (2hJ и 3hJ)
Количество эквивалентных ядер, давших сигнал
Расстояния между ядрами (1H – 1H < 5A), динамические характеристики (1H – 15N и т.п.)

Химический сдвиг
Это смещение сигнала ЯМР в зависимости от химического состава вещества относительно сигнала эталона.

Электронные облака соседних атомов в молекуле (кристалле) изменяют резонансную частоту ядер. Это изменение называется химическим сдвигом.
Химический сдвиг измеряется в миллионных долях (parts per million, ppm) – частных от деления сдвига на базовую частоту, умноженных на миллион.
Химический сдвиг используется для получения структурной информации о веществе.
Основными факторами, определяющими химический сдвиг, являются электроотрицательность соседних функциональных групп и анизотропия магнитного поля, наведенного электронными оболочками атома.
Химический сдвиг

Химический сдвиг
Электроны, прецессируя вокруг вектора внешнего магнитного поля, создают дополнительный магнитный момент:
H'=s*H0
H' – дополнительный магнитный момент,
H0 – вектор внешнего магнитного поля,
s - константа экранирования
Hэфф = H0 - H' = H0 – σH0 = H0(1-σ)
Химический сдвиг измеряется в относительных единицах, называемых «миллионными долями» (“ppm”) и вычисляется как:
δ = Δν/ν0 *106 = ΔH/H0 *106
CH3CH2Cl
δ
δ

Характеристики:
Химическая инертность
Магнитно нейтральный
Дает одиночный узкий пик
Смешивается с большинством растворителей
Летучесть – способность удалить из ценных образцов
Стандарт для сравнения
химических сдвигов

TМС (Тетраметилсилан):
Самый распространённый стандарт для 1H,13C, 29Si в ЯМР
TMS обычно используется в концентрации 0.5%
TMS имеет 12 протонов которые равномерно экранированы благодаря электронно-положительной природе кремния в центре
12 протонов дают один узкий пик при 0 (нуле) δ, который требует максимального магнитного поля, по сравнению с большинством органических веществ
Химически инертен и смешивается с большинством растворителей
Т кип. = 26.5 ºС - летуч

δ - шкала хим. сдвигов
В ЯМР-спектроскопии распространена так называемая δ - шкала химических сдвигов, по которой химические сдвиги измеряются в миллионных долях (м.д.) относительно эталонной линии ТМС. По этой шкале химический сдвиг ТМС принят равным нулю, а сдвигам ЯМР-сигналов приписывается положительный знак.

Способы описания химических сдвигов в ЯМР-спектрах

Химические сдвиги 1Н
Метилы C−CH3 0÷1.5 м.д.
Метилы N,O−CH3 3−4 м.д.
Метилены С−СН1,2 1−3 м.д.
Метилены N,O−СН1,2 3−6 м.д.
Ароматика СH 6−7 м.д.
Амиды NH,NH2 6−11 м.д.

Эффекты экранирования в ЯМР
H
H
H
H – альдегидный протон. Очень сильно дезэкранирован.
H – протон, связанный с кислородом, являющимся электроноакцептором, дезэкранирующим протон.
H – протон, связанный с углеродом, который связан с другим углеродом одинарной связью. Дезэкранирование практически отсутствует.

Спектры 1Н ЯМР с КССВ
Константы спин-спинового взаимодействия (КССВ)
В спектрах 1Н ЯМР сигналы протонов часто представляют набор компонентов (линий). Это вызвано спин-спиновым взаимодействием ядер магнитно-неэквивалентных протонов.

Спектры 1Н ЯМР с КССВ
Константы спин-спинового взаимодействия (КССВ)
На магнитное экранирование каждого протона оказывает влияние спин соседнего протона, который может быть различен и поэтому даёт два различающихся поля: одно увеличенное, другое – уменьшенное. С удалением ядер друг от друга эффект резко падает.
расщепление энергетического уровня протона H в поле ядра Н
Влияние на магнитное экранирование протона Н спина другого неэквивалентного протона H, расположенного при соседнем атоме углерода, называется спин-спиновым взаимодействием.

Спектры 1Н ЯМР с КССВ
Константы спин-спинового взаимодействия (КССВ)
Расщепление сигнала протона Н в присутствии
двух неэквивалентных соседей Н и Н

Спектры 1Н ЯМР с КССВ
Константы спин-спинового взаимодействия (КССВ)
J
J
J
Расстояние между пиками мультиплетов, измеренное в герцах, называют константой спин-спинового взаимодействия (КССВ) и обозначают буквой J. Например: 3JА,B = 8.0 Hz.
В мультиплете каждая линия отстоит от соседней на одинаковое количество Гц.

Спектры 1Н ЯМР с КССВ
Вид простых мультиплетов в спектрах 1Н ЯМР
Возникают по причине спин-спинового взаимодействия протонов, находящихся через две, три
(реже, четыре, пять) связи друг от друга.
Дублет (один сосед) Триплет (два соседа) Квартет (три соседа)
Y2СH-CHX2 Y2СH-CH2X Y2СH-CH3
СНCl2CHPh2 CHBr2CH2CH3 CH3CH(OH)CO2H
Пентет, квинтет (четыре соседа) Септет (шесть соседей) Секстет (пять соседей)
-CH2-СH-CH2- CH3-СH(X)-CH3 X-CH2-СH-CH3
ICH(CH2NO2)2 NH2-СH(CH3)2 редкий случай
Нонет (восемь соседей) –
не встречается.
Децет наблюдается лишь в трет-бутане.
Как узнать форму сигнала протона в ЯМР спектре? Для взаимодействия спина A с N эквивалентными спинами X количество линий, на которые расщепляется сигнал спина A, равно N + 1.

Спектры 1Н ЯМР с КССВ
Вид простых мультиплетов в спектрах 1Н ЯМР
Если соседние протоны магнитно неэквивалентны, то мультиплеты усложняются.
Дублет-дублетов Дублет-триплетов Дублет-квартетов
-ХCH-CH2-CHY- -ХCH-CH2-CH2Y- -ХCH-CH2-CH3
-ХCH-CH(Z)-CHY-
Триплет-триплетов Дублет-дублетов-дублетов Дублет-дублетов-триплетов
ХCH2-CH2-CH2Y -ХCH-CH(CHZ-)-CHY- -ХCH-CH(CH2Z)-CHY-

Спектры 1Н ЯМР с КССВ
Интенсивность компонентов мультиплета подчиняется соотношению треугольника Паскаля

Пример мультиплетности сигналов в 1Н ЯМР спектре
Изопропил пропионат (d = дублет, sep = септет, q = квартет, t = триплет)

Спектры 1Н ЯМР с КССВ
Наиболее характеристичные КССВ
Алкены: 3Jцис ~ 7-10 Hz; 3Jтранс ~ 13-16 Hz; 2Jгем ~ 1-2 Hz
Арены: 3Jорто ~ 7-9 Hz; 4Jмета ~ 1-3 Hz; 5Jпара ~ 0-1 Hz

13C ЯМР спектроскопия
Устанавливает количество магнитно неэквивалентных атомов углерода в соединении.
13C резонанс наблюдается от 0 до 220 м.д. по отношению к ТМС (эталон).
Химический сдвиг зависит от электроотрицательности рядом расположенных атомов.
O, N, галогены уменьшают электронную плотность и экранирование, смещая сигнал в слабое поле.
sp3 C сигнал при δ 0 до 9; sp2 C: δ 110 до 220.
C(=O) слабое поле, δ 160 до 220.

Спектры 13С ЯМР
Основные представления
1. Интенсивность сигнала и чувствительность метода
Относительная магнитная чувствительность ядра углерода 13С по сравнению с 1Н составляет 1.6%
Природное содержание изотопа 13С составляет 1.1 %
Следовательно, относительная чувствительность ЯМР 1Н/13C ~ 5700/1.
Требуются в 10 раз больше количества вещества, чем в случае 1Н ЯМР (20 мг).
2. КССВ 1Н-13С и мультиплетность
Наблюдаются прямые КССВ 1Н-13С =120-250 Гц, а КССВ 13С-13С и 13С-12С – не наблюдаются (почему?)
3. Рабочая частота прибора
Гиромагнитные отношения ядер 1H/13С различаются в четыре раза (γ1H/γ13C = 1/0.672 = 0.251), следовательно, на приборе с рабочей частотой 600 МГц для протонов можно зарегистрировать углеродный спектр на частоте 600×0.251 = 150.6 МГц.
4. Диапазон химических сдвигов 13С (0 − 220 м.д.) в 10 раз больше, чем для 1Н (-2 – 15 м.д.)
Вероятность перекрывания сигналов в углеродном спектре гораздо меньше, нежели в протонном. Облегчается интерпретация спектра.
5. Использование широкополосной развязки от протонов
Удаляются прямые КССВ 1J1Н,13С и КССВ 2J1Н,13С усложняющие вид спектра. Углеродный спектр приводится к “палочному” виду. При этом в разы возрастает интенсивность сигналов.
6. Отсутствие интегральных кривых в спектре. Трудности для количественного определения (проблематично установить число магнитно-эквивалентных ядер углерода, дающих резонансный сигнал).

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса ядер 13С
Изотоп Естественное
содержание, %
1Н 99.98
13С 1.1
- Сигналы ЯМР 13С наблюдают в виде одиночных пиков, для этого подавляют спин-спиновое расщепление с протонами.
Для проведения эксперимента ЯМР 13С
используются дейтерированные
растворители
- Химические сдвиги измеряют в м.д., по отношению к сигналу ТМС. При обычных условиях съемки спектров ЯМР 13С площади сигналов не обязательно пропорциональны числу идентичных ядер 13С.
- Сигналы четвертичных атомов углерода менее интенсивны, чем сигналы атомов, связанных с атомами водорода.

Спектр этил фенилацетата с развязкой и без развязки от протонов
В некоторых случаях
пики перекрываются
Такой спектр проще
интерпретировать

Химические сдвиги 13С
Метилы C−CH3 5-15 м.д.
Метилены С−СН1,2 20−60 м.д.
Метилены O−СН1,2 60−90 м.д.
Ароматика, С,CH 100-150 м.д.
Олефины
Карбоксилы С=O 160-220 м.д.
Наиболее важные факторы, влияющие на величину сдвига:
а) Электроотрицательность группы, соединённой с C;
б) Гибридизация C.
Интенсивность каждого пика НЕ точно соответствует числу атомов углерода, дающих сигнал. Пики от атомов углерода, связанных с атомами водорода больше пиков атомов С, не связанных с водородом.

Химические сдвиги 13С

13С ЯМР спектр этанола
13С ЯМР спектр молочной кислоты

Двумерная спектроскопия ЯМР
Фурье-преобразование по t2
Фурье-преобразование по t1

Основы 2D ЯМР
• Все 2D эксперименты представляют собою серию 1D экспериментов, записываемых с различным таймингом.
• 2D подразделяется на гомоядерные и гетероядерные эксперименты.
• Каждый тип может быть обусловлен взаимодействиями через связи (COSY-тип) или через пространство (NOESY-тип).
• 2D изображение частотных корреляций строится после Фурье трансформации в обоих измерениях (t1 и t2).

Одномерный спектр ЯМР – зависимость интенсивности поглощения от одной частоты (v1-1H).
Двумерный спектр ЯМР – зависимость интенсивности поглощения от двух частот (v1-1H и, например, v2-13C).
Основной 2D ЯМР-эксперимент можно схематически представить во временной области, разделив его на следующие 4 фазы: подготовки, эволюции, смешивания и детектирования. На фазе детектирования сигналы, как и в одномерном случае, регистрируются через равные промежутки времени t2, затем они подвергаются оцифровке и накапливаются. Фаза подготовки, как правило, состоит из 90°-ного импульса, формирующего поперечную намагниченность. На протяжении фазы эволюции, длительность которой равна t, поперечная компонента намагниченности изменяется. Затем следует период смешивания, который в некоторых экспериментах может отсутствовать. Компоненты поперечной намагниченности связаны между собой разнообразными взаимодействиями. На протяжении интервала длительностью ti они подлежат детектированию и преобразованию.

Виды 2D ЯМР спектров,
используемые для определения строения молекул
Гомоядерная спектроскопия (1H­-1H):
2D COSY
2D TOCSY
2D NOESY
Гетероядерная спектроскопия
(1H-­13C или 1H­-15N):
2D HSQC
2D HMBC

Назначение ЯМР экспериментов

COSY – COrrelated SpectroscopY
Спектры COSY представляют собой трехмерную поверхность с координатами (ν1, ν2, I), где ν1 и ν2 – шкалы химических сдвигов (в м.д. или Гц), а I – интенсивность сигналов, являющаяся дополнительным параметром и не влияющая на размерность спектра. Для работы спектры приводятся как набор сечений поверхности вдоль оси I.

В спектре COSY можно выделить два типа сигналов: диагональные сигналы и т.н. кросс-пики, Последние располагаются вне диагонали и указывают на взаимодействующие группы ядер: если провести через сигнал горизонтальную и вертикальную линию, то на одномерных проекциях мы увидим сигналы, соответствующие кросс-пику.
Существуют методики COSY, показывающие взаимодействие протонов через 2-3 связи (вицинальное и геминальное), а есть методики, демонстрирующие взаимодействие и через большее количество связей (4-5). Их лучше всего использовать в паре, чтобы было проще отделять ближние и дальние взаимодействия.

2D спектр COSY белка ~ 20 кДа

NOESY – Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY
Интенсивность сигнала ~ ЯЭО между протонами i и j ~ 1/rij6
NOESY - корреляционная спектроскопия, основанная на ядерном эффекте Оверхаузера. Данная методика позволяет находить группы ядер, взаимодействующие друг с другом через пространство. Причем по интенсивности сигнала мы можем судить об удаленности ядер друг от друга. Т.е. с помощью методики NOESY мы можем устанавливать пространственное строение макромолекул.
Ядерным эффектом Оверхаузера (ЯЭО) называется явление резкого изменения интенсивности сигнала ЯМР при взаимодействии спинов разных ядер, например X и Y. Увеличение интенсивности сигнала ядер X при резонансном облучении ядер Y тем сильнее, чем больше вклад магнитного диполь-дипольного взаимодействия ядер X и Y в релаксацию ядер X.

Ядерный эффект Оверхаузера (NOE)
ЯЭО - изменение интенсивности одного резонанса, когда спиновые переходы другого некоторым образом выведены из равновесного состояния.
I0 – равновесная интенсивность
I – интенсивность в присутствии ЯЭО
Теоретические максимальные усиления гетероядерного ЯЭО

NOESY – Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY
1 mM h-DHFR (Дигидрофолат-редуктаза) в D2O, 800 MHz
Спектр NOESY можно разделить на три «подспектра»:
• сигналы, принадлежащие спектру COSY (поэтому результаты лучше анализировать, сравнивая два этих эксперимента);
• сигналы, демонстрирующие наличие химического обмена между различными группами атомов (например, если в молекуле есть группы –NH и –COOH);
• и, наконец, сигналы, соответствующие именно взаимодействию через пространство.

NOESY (Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY)
Корреляции через пространство до 5 Å

Стоимость ЯМР анализов

Примеры ЯМР-спектров
Этанол

4-метилбензальдегид
deshielded
protons
Примеры ЯМР-спектров

Этилбензол
Примеры ЯМР-спектров

метилизопропилкетон
Примеры ЯМР-спектров

1,1-дихлорэтан
A
B
B
B
JAB = 7 Hz
JAB = 7 Hz
Примеры ЯМР-спектров

Chapter 13
1,1,2-трибромэтан
Примеры ЯМР-спектров

МРТ – магнитно-резонансная томография
ЯМР – томография головного мозга
МРТ: информативный метод исследования и диагностики заболеваний центральной нервной системы, костно-мышечной и суставной систем человека.

МРТ
Является одним из современных методов диагностики, позволяющим неинвазивно получать изображения внутренних структур тела человека.
Важнейшим преимуществом МРТ по сравнению с другими методами лучевой диагностики является отсутствие ионизирующего излучения и, как следствие, эффектов канцеро- и мутагенеза, с риском возникновения которых сопряжено воздействие рентгеновского излучения.
Устаревшее название метода «ядерно-магнитно резонансная томография» (ЯМРТ) в настоящее время не используется, чтобы избежать неправильных ассоциаций с ионизирующим излучением.
Развитие МРТ является основой развития «молекулярной визуализации» и позволяет проводить гистохимические исследовании in vivo.

Томографическое изображение
Строится изображение человеческого тела по тонким слоям.
Каждый слой состоит из вокселей (аналог пикселей для трехмерного пространства)
Объём одного вокселя 3 мм3.
Интенсивность каждого пикселя пропорциональна интенсивности ЯМР сигнала.

Феномен магнитного резонанса
Состояние покоя
Основными компонентами человеческого тела являются вода и жир.
Вода и жир имеют много атомов водорода (протонов).
Совпадение частоты РЧ импульса и частоты вращения протонов обеспечивает передачу дополнительной энергии ядрам.
При возврате на нижний энергетический уровень ядро отдаёт энергию - МР-сигнал, который можно зарегистрировать с помощью принимающей катушки.

Принцип МРТ
Помещение пациента в статическое магнитное поле
- протоны ориентируются вдоль магнитного поля
Добавление переменного поля для выбора среза в теле пациента
Передача радиочастотного импульса
- энергия импульса передается протонам
Протоны отдают полученную энергию
- в приемных катушках индуцируется электрический ток
МР сигнал преобразуется компьютером и используется для построения изображений

“Мы начали заниматься темой магнито-резонансной томографии в 1972 году.”
Питер Мэнсфилд, Нобелевская Лекция, 2003
Магнито-резонансный Томограф разрез
Пациент
Стол для пациента
Радио-частотная
катушка
Градиентные катушки
Магнит
Сканер