Принципы ЯМР-спектроскопии

Картина, которую мы используем для понимания большинства видов спектроскопии, заключается в том, что молекулы имеют набор энергетических уровней и что линии, которые мы видим в спектрах – это переход между этими самыми уровнями. Такой переход может быть вызван фотоном света, частота которого, ν, связана с энергетической щелью, ∆E, между двумя уровнями в соответствии с уравнением:
∆E = hν
где h - универсальная постоянная, известная как постоянная Планка (рис. 1) [1].
Рисунок 1- Линия в спектре связана с переходом между двумя уровнями энергии [1].
Каждое ядро атомов, помимо двух основных характеристик (массового числа M и заряда Z) обладают еще одной – магнитным моментом µ. Обычно ядерные магнитные моменты ориентированы случайно (В). Однако при помещении во внешнее магнитное поле (Во), ядерный магнитный момент может быть выравнен или противоположно ориентирован внешнему магнитному полю (рис.2).
Если в системе существует несколько дискретных состояний с различными энергиями, то между ними возможны переходы. В ЯМР разрешены переходы, при которых магнитное квантовое число mI , которое может принимать значения от –I до +I, изменяется на ±1. Если воздействовать на такую систему радиочастотным полем В1 с энергией кванта hν0 = ΔЕ, то произойдет поглощение этого кванта

. В результате система перейдет из нижнего состояния на более высокое, и это поглощение может быть зарегистрировано [2].
Рисунок 2 – а) случайное положение ядерных магнитных моментов, b)их выравнивание при помещение в манитное поле [3].
Регистрация таких переходов и составляет основу спектроскопии ЯМР. Чтобы быть эффективным, приложенное магнитное поле B1 должно колебаться с той же частотой, с которой ядра колеблются в B1. Условие, что поле возбуждения должно быть с такой же частотой, на которой колеблется образец, называется условие резонанса, отсюда и название ядерного магнитного резонанс. Чаще всего сигнал возбуждения и катушка детектора являются одной и той же физической катушкой, которая состоит из массива провода, предназначенные для генерации B1 и однородного обнаружения сигнала в интересующей области в образце. В самом образце возникает очень малая равновесная макроскопическая намагниченность M0, которая направлена вдоль поля В0. Если используется поле В1 с малой амплитудой, то поглощение энергии прекратится сразу же после того, как заселенности уровней выровняются (ΔN = 0). Поэтому очень важное значение имеют процессы «релаксации», которые позволяют магнитным ядрам вернуться на нижний уровень [2].
Полное описание релаксации требует два значения релаксации, T1 и T2, которые описывают разные механизмы потери энергии