Двовимірна ядерна магнітно-резонансна спектроскопія

Двомі́рна я́дерна магні́тно-резона́нсна спектроско́пія (2D NMR або 2D ЯМР) — один з видів ядерної магнітно-резонансної спектроскопії, в якому дані розподілені в просторі по двох осях.

COSY спектр прогестерону

Двомірна ЯМР надає більше відомостей про структуру молекули, ніж одномірні ЯМР спектри та особливо зручна для встановлення структур складних молекули, які складно визначити лише з одномірних спектрів ЯМР.

Перший двомірний експеримент, COSY, був запропонований Жаном Жеенером, професором франкомовного Брюссельського вільного університету в 1971 році. Цей експеримент був пізніше виконаний Волтером П. Ауе, Енріко Бартольді та Ріхардом Ернстом, які опублікували свою роботу в 1976 році.

Концепція двомірної ядерної магнітно-резонансної спектроскопії

Кожен експеримент складається з послідовності радіочастотних імпульсів з періодами затримки між ними. Значення часу, частоти та інтенсивності цих імпульсів відрізняють різні експерименти ЯМР один від одного. Майже всі двовимірні експерименти мають чотири етапи:

1. Період підготовки. Протягом цього періоду за допомогою радіочастотних імпульсів намагнічуються зв'язки;
2. Період еволюції (період розвитку). Визначений проміжок часу, протягом якого не подаються імпульси, і ядерні спіни можуть вільно обертатися;
3. Період змішування. На зв'язки діють іншою серією імпульсів такою мірою, що з'являються видимі сигнали;
4. Період виявлення. Сигнал спаду вільної індукції зі зразка спостерігається як функція часу, ідентично одновимірному FT-ЯМР.

Два виміри двовимірного експерименту ЯМР — це дві осі частот хімічних зсувів. Кожна вісь частот асоційована з однією або двома змінними часу, що представляють собою тривалість періоду еволюції (час еволюції) та час, що минув протягом періоду виявлення (час виявлення). Кожен з них перетворюється з часової серії в серію частот за допомогою двовимірного перетворення Фур'є. Кожен двовимірний експеримент формується у вигляді серії одновимірних експериментів, з різним специфічним часом еволюції у серії послідовних експериментах, з повною тривалістю періоду виявлення, записаним у кожному експерименті.

Кінцевим результатом є зображення, що демонструє значення інтенсивності для кожної пари змінних частот. Інтенсивності піків у спектрі можна представити за допомогою третього виміру. Частіше інтенсивність вказується за допомогою контурних ліній або різних кольорів.

Методи гомоядерної кореляції через зв'язками

В цих методах перенесення намагніченості^[en] відбувається через спін-спінову взаємодію між ядрами одного виду, що поєднані один з одним декількома зв'язками.

Кореляційна спектроскопія (COSY)

Спектри COSY (Correlation spectroscopy) є найпростішим видом двомірної спектроскопії ЯМР. Представлені у вигляді квадрату або прямокутнику, що обмежний шкалами хімічних зсувів. Таким чином, ці двомірні спектри мають дві частотні координати та дві перпендикулярні шкали протонних хімічних зсувів. Сигнали в спектрах COSY можуть розташовуватись по всій площині квадрату.

Спектри COSY дозволяють виявити спін-спіновий зв'язок між протонами, що надає можливість зробити віднесення мультиплетів до конкретних спінових систем молекули. Спектри COSY є симетричними відносно діагоналі та демонструють два види піків:

1. Діагональні піки, що розташовані уздовж діагональної лінії спектру, є повними аналогами сигналів у відповідному одномірному спектрі ЯМР.
2. Крос-піки, проєкція яких на вісі двомірного спектру відповідає сигналам ядер, між якими наявний спін-спіновий зв'язок. Такі піки також називають кореляційними.

Аналіз спектру COSY

Аналіз спектру полягає в визначенні координат крос-піків. Для цього потрібно від кожного крос-піку провести горизонтальну (або вертикальну) лінію до перетину з діагоналлю, де йому будуть відповідати сигнали мультиплетів. Розглянутий крос-пік свідчить про наявність спін-спінової взаємодії між протонами цих мультиплетів.

Див. також

• Магнітний резонанс
• ЯМР-спектроскопія

Примітки

1. Wrackmeyer, Bernd (28 лютого 2002). Book Review: J. W. Akitt, B. E. Mann. NMR and chemistry: An introduction to modern NMR spectroscopy. 4th edn, Stanley Thornes (Publishers), Cheltenham, UK, 2000. 400 pp., price £30. ISBN 0 7487 4344 8.. Magnetic Resonance in Chemistry (англійською) 40 (4). с. 316–316. ISSN 0749-1581. doi:10.1002/mrc.961. Процитовано 1 червня 2020. 
2. (2261) Keeler. Dictionary of Minor Planet Names. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. с. 184–184. ISBN 978-3-540-00238-3. 
3. Keeler, James. (2010). Understanding NMR spectroscopy (вид. 2nd ed). Chichester, U.K.: John Wiley and Sons. ISBN 978-0-470-74609-7. OCLC 500186687. 
4. Воловенко Ю.М., Карцев В.Г., Комаров И.В., Туров А.В., Хиля В.П. (2011). Спектроскопия ядерного магнитного резонанса для химиков (російська). Москва: Международный благотворительный фонд "Научное Партнерство". с. 704. ISBN 978-5-903078-34-9.