Nukleární magnetická rezonanční spektroskopie, NMR spektroskopie je spektroskopická metoda pro studium chemických objektů využívající fenomén nukleární magnetické rezonance . Jev NMR objevili v roce 1946 američtí fyzikové F. Bloch a E. Purcell . Nejdůležitější pro chemii a praktické aplikace jsou protonová magnetická rezonanční spektroskopie (PMR spektroskopie), dále uhlík-13 NMR spektroskopie ( 13 C NMR spektroskopie ), fluor-19 ( 19 F NMR spektroskopie ), fosfor-31 ( 31 P NMR spektroskopie ). Pokud má prvek liché atomové číslo nebo izotop některého (sudého) prvku má liché hmotnostní číslo, má jádro tohoto prvku jiný spin než nula. Z excitovaného stavu do normálního stavu se jádra mohou vrátit a přenést excitační energii do prostředí - „mřížky“, což v tomto případě znamená elektrony nebo atomy jiného druhu, než jsou studované. Tento mechanismus přenosu energie se nazývá spin-mřížková relaxace a jeho účinnost může být charakterizována konstantou T1, nazývanou spin-mřížková relaxace.
Podobně jako infračervená spektroskopie , NMR odhaluje informace o molekulární struktuře chemikálií. Poskytuje však úplnější informace než IS, což umožňuje studovat dynamické procesy ve vzorku, tj. určit rychlostní konstanty chemických reakcí a velikost energetických bariér intramolekulární rotace. NMR také umožňuje zaznamenat spektra intermediárních částic chemických reakcí [1] .
Tyto vlastnosti činí NMR spektroskopii vhodným nástrojem jak v teoretické organické chemii, tak v analýze biologických objektů [1] .
Vzorek látky pro NMR se umístí do tenkostěnné skleněné zkumavky (ampule). Když jsou umístěny v magnetickém poli, aktivní jádra NMR (jako je 1 H nebo 13 C) absorbují elektromagnetickou energii. Rezonanční frekvence , absorpční energie a intenzita vyzařovaného signálu jsou úměrné síle magnetického pole . Takže v poli 21 Tesla rezonuje proton na frekvenci 900 MHz.
Ideální rozpouštědlo by nemělo obsahovat protony. Kromě toho je žádoucí, aby rozpouštědlo bylo inertní, s nízkou teplotou varu a levné. Moderní zařízení vyžadují deuterovaná rozpouštědla, protože stabilizace magnetického pole se provádí pomocí signálu deuteria rozpouštědla. Zařízení má deuteriový "kanál", který se neustále mění a přizpůsobuje pole frekvenci deuterovaného rozpouštědla.
Signál deuteria se používá pro pole shimming. Shimming je postup pro zlepšení rovnoměrnosti magnetického pole, který se provádí pomocí speciálních malých elektromagnetických cívek zabudovaných v zařízení (tzv. shims), které korigují hlavní magnetické pole tak, aby jeho rovnoměrnost byla nejvyšší přesně ve středu vzorku. .
Stopy feromagnetických nečistot vedou ke katastrofálnímu rozšíření absorpčních signálů v důsledku silného zkrácení doby relaxace. Běžnými zdroji zhoršení stejnoměrnosti jsou kontaminující částice z vodovodní vody, ocelová vlákna, Raneyův nikl a částice z kovových špachtle a výplní kolon. Tyto nečistoty lze odstranit filtrací [2] .
V závislosti na místním elektronickém prostředí různé protony v molekule rezonují na různých frekvencích. Protože jak tento frekvenční posun, tak i základní rezonanční frekvence jsou přímo úměrné velikosti indukce magnetického pole, je tento posun převeden na bezrozměrnou veličinu nezávislou na magnetickém poli, známou jako chemický posun. Chemický posun je definován jako změna vzhledem k některým referenčním vzorkům. Posun frekvence je extrémně malý ve srovnání se základní frekvencí NMR spektrometru. Typický frekvenční posun je 100 Hz, zatímco základní NMR frekvence je řádově 100 MHz. S přihlédnutím k rozdílům v základních frekvencích spektrometru se tedy chemický posun často vyjadřuje v bezrozměrných jednotkách dílů na milion (ppm nebo anglicky - ppm).
Protože velikost chemického posunu závisí na složení látky, používá se k získání předběžné informace o chemické struktuře molekul ve vzorku. Například spektrum ethanolu ( CH3CH2OH) poskytuje 3 rozlišené signály a má 3 odlišné hodnoty chemického posunu: jednu pro skupinu CH3 , jednu pro skupinu CH2 a poslední pro OH. Typický posun pro skupinu CH3 je v oblasti 1 ppm, pro skupinu CH2 připojenou k OH - 4 ppm a OH asi 2-3 ppm. Při znalosti hodnot chemických posunů je tedy možné určit, které skupiny atomů jsou zahrnuty ve složení molekul vzorku.
V důsledku intramolekulárního pohybu při pokojové teplotě se NMR 3 methylové protonové signály průměrují během procesu získávání signálu, který trvá pouze několik milisekund. Všechny protony methylové skupiny degenerují a tvoří signály s ekvivalentním chemickým posunem. Software NMR spektrometrů umožňuje vyhodnotit integrovanou intenzitu NMR signálů za účelem pochopení počtu protonů přispívajících k pozorovanému signálu.
Nejužitečnější informaci pro stanovení struktury v jednorozměrném NMR spektru poskytuje tzv. spin-spin interakce mezi aktivními NMR jádry. Tato interakce vyplývá z přechodů mezi různými jadernými spinovými stavy v chemických molekulách , což má za následek štěpení NMR signálů. Toto rozdělení může být jednoduché nebo složité a v důsledku toho se buď snadno interpretuje, nebo může experimentátora zmást.
Tato vazba poskytuje podrobné informace o vazbách atomů v molekule.
Interakce druhého řádu (silná)Jednoduchá spin-spinová interakce předpokládá, že vazebná konstanta je malá ve srovnání s rozdílem v chemických posunech mezi signály. Pokud se posunový rozdíl sníží (nebo se zvýší vazebná konstanta), intenzita multipletů vzorků se zkreslí a bude obtížnější analyzovat (zejména pokud systém obsahuje více než 2 rotace). U vysokovýkonných NMR spektrometrů je však zkreslení obvykle mírné, což usnadňuje interpretaci souvisejících vrcholů.
Účinky druhého řádu se snižují s rostoucím frekvenčním rozdílem mezi multiplety, takže vysokofrekvenční NMR spektrum vykazuje menší zkreslení než nízkofrekvenční spektrum.
Většina nedávných inovací v NMR spektroskopii se provádí v tzv. proteinové NMR spektroskopii, která se stává velmi důležitou technikou v moderní biologii a medicíně. Společným cílem je získat 3-rozměrnou strukturu proteinu s vysokým rozlišením, podobnou snímkům získaným v rentgenové krystalografii. Vzhledem k přítomnosti více atomů v molekule proteinu ve srovnání s jednoduchou organickou sloučeninou je základní 1H spektrum plné překrývajících se signálů, což znemožňuje přímou analýzu spektra. Proto byly vyvinuty vícerozměrné techniky k vyřešení tohoto problému.
Pro zlepšení výsledků těchto experimentů je aplikována metoda značených atomů pomocí 13 C nebo 15 N. Je tak možné získat 3D spektrum proteinového vzorku, což se stalo průlomem v moderních farmaceutických výrobcích. V poslední době se rozšířily metody (mající výhody i nevýhody) pro získávání 4D spekter a spekter vyšších rozměrů, založené na metodách nelineárního vzorkování s následnou obnovou volného indukčního rozpadového signálu pomocí speciálních matematických technik.
Při kvantitativní analýze roztoků lze plochu píku použít jako míru koncentrace v metodě kalibrační křivky nebo adiční metodě. Známé jsou také metody, ve kterých gradovaný graf odráží koncentrační závislost chemického posunu. Použití metody NMR v anorganické analýze je založeno na skutečnosti, že v přítomnosti paramagnetických látek se urychluje doba relaxace jádra. Měření rychlosti relaxace lze provádět několika metodami, spolehlivá a všestranná je například impulzní verze metody NMR, nebo, jak se běžně říká, metoda spinového echa . Při měření touto metodou jsou na zkoumaný vzorek v určitých časových intervalech v rezonanční absorpční oblasti aplikovány krátkodobé radiofrekvenční impulsy v magnetickém poli, v přijímací cívce se objeví spinový echo signál, jehož maximální amplituda je související s časem relaxace jednoduchým vztahem. K provádění obvyklých analytických stanovení není nutné zjišťovat absolutní hodnoty relaxačních rychlostí . V těchto případech se lze omezit na měření nějaké veličiny jim úměrné, například amplitudy rezonančního absorpčního signálu . Měření amplitudy lze provádět jednoduchým, cenově dostupnějším zařízením. Významnou výhodou metody NMR je široký rozsah hodnot měřených parametrů. Pomocí nastavení spin echo můžete určit dobu relaxace od 0,00001 do 100 s. s chybou 3...5 %. To umožňuje stanovit koncentraci roztoku ve velmi širokém rozmezí od 1 ... 2 do 0,000001 ... 0000001 mol / l. Nejčastěji používanou analytickou technikou je metoda kalibrační křivky.