Физическая биохимия - Фрайфелдер Д.
Скачать (прямая ссылка):
К пониманию явления резонанса можно также прийти, рассматривая теорию с точки зрения классической электродинамики. Если вращающееся ядро поместить в магнитное поле с напряженностью Но, то в соответствии с основными законами электромагнитной теории на магнитный момент ядра будет действовать вращающий момент. Так как ядро вращается и, следовательно, имеет угловой момент, согласно закону сохранения углового момента, необходимо, чтобы магнитное ядро прецессировало вокруг направления поля так же, как гироскоп прецессирует под действием гравитационного поля (рис. 17-1). Отметим, что 0 не изменяется. Угловая частота прецессии, юо (называется ларморовой частотой), равняется
co0=-^-//0 sin 0. (2)
Чтобы заставить ядро изменить ориентацию, необходимо, чтобы 0 изменился на 180—0. Этого нельзя сделать, увеличивая Яо, потому что такое увеличение оказывает влияние только на юо и приводит к увеличению скорости прецессии. Однако, если перпендикулярно к Я0 (рис. 17-2) приложить небольшое магнитное поле Ни на магнитный диполь будет действовать второй момент вращения, стремящийся индуцировать прецессию вокруг направления этого поля. Если Н\<СНо, этот момент вращения намного меньше, чем тот, который вызван Яо, и, поскольку магнитный момент прецессирует и, значит, постоянно меняет направление по отношению к Яь момент вращения, обусловленный Яь будет оказывать незначительное влияние на ориентацию ц. Чтобы быть эффективным, Н\ должно действовать непрерывно и,
следовательно, также вращаться в плоскости, указанной на рис. 17-2, и с той же частотой оо, что и вращающийся диполь. Если Hi будет вращаться с другой частотой, сила, действующая на диполь, будет непрерывно меняться по величине и направлению и прецессия, вызванная Но, будет испытывать только периодическое качание (называемое в случае гироскопа нутацией). Так как имеется ограниченное число ориентаций ц, по отношению к Н0 (т. е. поскольку система подчиняется законам квантовой механики), то передача энергии, необходимой для переориентации магнитного момента, может произойти только в том случае, если частота осцилляции Нх равна соо (так называемое условие резонанса). Отметим, что именно это выражается уравнением (1), если осциллирующее магнитное поле Н{ — просто магнитное поле электромагнитного излучения, используемого для того, чтобы перевести ядро с одного энергетического уровня на другой.
Химический сдвиг
Из предыдущего обсуждения следует, что данное ядро в определенном магнитном поле может совершить только один переход, так что спектр должен состоять только из одной резонансной линии. Однако это не так, потому что магнитное поле, действующее на ядро,— не просто приложенное поле Я0. Все ядра окружены (экранированы) электронами, и Я0 индуцирует также циркуляцию этих электронов. Так как двигающиеся электроны сами создают магнитное поле, на ядро действует эффективное поле #эфф=(1—&)Но> где а называется константой экранирования. Другие факторы (такие, как магнитное поле, создаваемое соседними ядрами) также оказывают влияние на величину ЯЭфф. Все это означает, что наблюдаемая резонансная частота зависит от окружения. Ценность спектроскопии ЯМР (как и других видов спектроскопии) обусловлена именно этим эффектом окружения, поскольку в молекуле резонансная частота каждого ядра одинакового типа будет зависеть от химической группы, которой принадлежит ядро. Например, резонансная частота протонов метальной группы будет отличаться от частоты протонов аминогруппы, и, кроме того, частота протонов метильной группы толуола будет отличаться от частоты протонов метильной группы уксусной кислоты. Смещение резонансной частоты, обусловленное химическим окружением, называется химическим сдвигом.
В оптической спектроскопии каждый переход имеет определенную частоту. Однако, поскольку частота ядерного резонанса зависит от Н0, в случае ЯМР единицы обычной основной шкалы не употребляются. Кроме того, Я0 трудно измерить точно. В связи с этим для выражения условия резонанса или химического
Н Н н н н
I I I I I
+H3N—С5—С4—С3—С2—Сг—
I I I I I
н н н и nh2
о
л
6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0
мЛ
РИС. 17-3.
Спектр ЯМР лизина, находящегося в форме цвиттер-иона в D20. Показана структура лизина; атомы углерода пронумерованы. Номера пиков указывают атомы углерода, у которых находятся протоны, дающие данную группу линий. [Из работы Bovey F. A.f High Resolution NMR of Macromolecules, Academic Press, 1972.]
сдвига используют следующий подход. К образцу прибавляют эталон, его резонансной линии приписывают произвольную величину #0 или v0 (вне зависимости от особенностей методики, использованной для получения спектра) и выражают химический сдвиг как смещение от этой величины. Еще лучше величину смещения от эталона выражать в виде безразмерных единиц, называемых миллионными долями (м. д.) Если меняется Н, a v постоянна,
