Nukleární magnetický resonance
Nukleární magnetický resonance (NMR) je fyzikální jev popsal nezávisle Felix Bloch a Edward Mills Purcell v roce 1946 oba koho rozdělil Nobelovu cenu ve fyzice v roce 1952 pro jejich objev. To zahrnuje vzájemné ovlivňování atomových jádr se umístil v externí magnetické pole s aplikoval elektromagnetické pole oscilovat u zvláštní frekvence. Magnetické podmínky uvnitř materiálu jsou změřeny sledováním radiace absorbovala a vydávala atomovými jádry.
NMR je používán jako spectroscopy technika dostat lékařskou prohlídku, chemikálii a elektronické vlastnosti molekul. To je také základní princip Magnetický Resonance Imaging. NMR je jeden z technik stavěl kvantové počítače.
V NMR, vzorek být testován je umístěn ve statické elektřině externí magnetické pole. anténa (obvykle role-formoval induktor s vnitřkem vzorku) je používán ozářit vzorek s rozhlasovými vlnami. U jistých frekvencí, atomová jádra uvnitř vzorku budou pohlcovat záření a vstupovat do vybuzeného stavu. Po čase, jádra budou re-vydávat záření, který může být zachycen anténou. Konečně, měření je vzato jak hodně radiace je re-vydával, a když.
Jediná jádra s nulou non magnetický moment může zakusit NMR. Taková jádra musí mít liché číslo protonů nebo neutrony (ex. 1 H, 2 H, 13 C, 15 N, 31 P, 19 F).
Druh vzájemného ovlivňování atomových jádr s magnetickým polem zahrnuje oba quantum a klasické efekty, a toto dá svah dvěma různým výkladům některých částí procesu. Oba výklady jsou diskutovány v sekcích, které následují.
Atomové jádro může být myšlenka jak předení účtovalo tělo, které akty jak malý magnet. Vnější magnetické pole do kterého vzorkový materiál je umístěn užije točivý moment na jádru, které jedná zarovnat nukleární magnetické pole s vnějším polem; nicméně, protože jádro se točí, to bude precess o magnetickém poli místo toho, aby se ztotožnil s tím. Úhel jádrového magnetického pole je quantized (náležitý k quantization momentu hybnosti). V případě 1H jádro vodíku, který má rotaci 1/2, magnetické pole může jeden být orientovaný s polem nebo proti tomu. Energetický rozdíl mezi dvěma různými orientacemi je 2 a mu; H kde a mu; je magnetický moment jádra. Když žádná radiace je aplikována na vzorek, jádra jsou rozdělená mezi dvě orientace s malou přemírou ve směru magnetického pole.
Ačkoli každé jádro může jen být magnetizováno v fixovaném množství nasměrování, magnetizace úhrnu všech jádr ve vzorku funguje jako magnet předení s libovolnou magnetizací. Jinými slovy, individuální jádra fungují jako quantum mechanické objekty, ale kombinace všech jádr funguje jako klasický objekt. Klasická magnetizace se ztotožní s vnějším magnetickým polem, a má velikost úměrnou poli.
Když rozhlasová síla je poslána k anténě, to tvoří kmitavé magnetické pole H1 (nebýt zmaten vnějším magnetickým polem). Quantum mechanicky, toto magnetické pole je složeno se rovnat směsici pravoruký a levoruký fotony, s energií úměrnou jejich frekvenci. Jestliže energie fotonů je přesně stejná jako energetický rozdíl mezi dvěma orientacemi jádra a foton má pořádné handedness pak jádro mohou proletět jeho orientaci tím, že absorbuje foton.
Klasicky, H1 moci být rozložen do superpozice dvou magnetických polí, jeden pravotočivý o vnějším poli, jiné točivé counterclockwise. Jestliže frekvence točivého magnetického pole je stejná s frekvencí u kterého jádra precess, pak magnetické pole to točí ve stejném směru, zatímco nukleární magnetizace užije točivý moment na nukleární magnetizaci, měnící se jeho úhel s ohledem na vnější pole H.
Vzorek je opuštěn v vzrušeném stavu poté, co radiace je aplikována. Jádra budou vydávat záření jak oni se vrátí k jejich rovnovážnému stavu, proces volal relaxaci. Mechanismus emise je přesně zpáteční rychlost absorbce popsala nahoře. Radiace je stejné frekvence jako budicí kmitočet, a moci být zvednut anténou a uměřený.
Klasický a kvantové popisy jsou rovnocenné v nejvíce respektuje: klasická rotační frekvence je kvantový foton frekvence, a v obou případech výsledek je že magnetizace vzorku se vzdálila od rovnováhy. V praxi, některé efekty (např. rychlejší relaxace v kapalinách než v pevných látkách) být lépe vysvětlen klasickou mechanikou, zatímco jiné efekty (např. točit výměnou mezi jádry a elektrony) být jen vysvětlen quantum mechanicky.
Jádra jsou obklopená elektrony obíhání, který také točí nosiči proudu [tj. magnety] a tak chtít částečně chránit jádra. Množství krytí závisí na přesném místním prostředí. Například, vodík spojený k kyslíku bude stíněný rozdílně než vodík spojený k atomu uhlíku. Navíc, dvě vodíková jádra mohou ovlivňovat se přes proces známý jako rotační rotační propojení jestliže oni jsou na stejné molekule, který rozdělí řady spektr v rozeznatelné cestě. Tím, že studuje vrcholky NMR spektra zručné lékárny mohou určovat strukturu mnoha separací. To může být velmi selektivní technika, rozlišovat mezi mnoha atomy uvnitř molekuly nebo sbírky molekul stejného typu, ale který se lišit jediný v podmínkách jejich místního chemického prostředí.
Relativně nedávný příklad NMR být použit v určení struktury je to Buckminsterfullerene. Tato nyní slavná forma uhlíku má 60 tváření atomů uhlíku fotbal formoval molekulu. (to je fotbalový míč, k Američanům.) atomy uhlíku jsou všechny v totožných prostředích a tak should vidět stejný interní H pole. Bohužel Buckminster Fullerene obsahuje žádný vodík a tak 13C NMR musí být používán [těžší forma NMR dělat. Nicméně v [datum tady těšit] škály byly získány a jistý dost to přece obsahovalo právě jeden jediný bodec, potvrzovat neobvyklou strukturu C60.
Vývoj NMR jak technika analytické chemie a biochemie se vyrovná vývoji elektromagnetické technologie a jeho uvedení do civilního použití. Purcell pracoval na vývoji a použití Radaru během Světová válka II u MIT' s Laboratoř radiace. Jeho práce během toho projektu na výrobě a detekci energie radiofrequency, a na absorpci takové energie záležitostí, předcházel jeho objev NMR a pravděpodobně přispěl k jeho chápání toho a příbuzným phenonmena.
Během příští několik dekád, NMR praxe využila techniku známý jak spojitý-mávat, nebo CW, spectroscopy, ve kterém jeden magnetické pole bylo drženo konstanta a vibrační pole byli zameteni ve frekvenci ke grafu na-resonance části spektra, nebo více často, vibrační pole bylo drženo u fixované frekvence a magnetické pole bylo zameteno přes přechody. Tato technika je omezená v tom to sonduje každou frekvenci individuálně, postupně, který má nešťastné následky přímo k necitlivosti NMR -- to má říkat, NMR trpí chabým signálem-k-poměr hluku.
Naštěstí pro NMR obecně, signalizovat-k-poměr hluku (S/N) moci být zlepšen signálem dávat průměrně. Signalizovat dávat průměrně zvýšení S/N čtvercem-kořen množství signálů zaujatý. Technika známý jak Fourier převádí NMR spectroscopy (FT-NMR) může rychlost čas to oblíbí si získat prohlédnutí tím, že dovolí rozsah frekvencí být sondován najednou. Tato technika byla dělal více praktické zkoušky s vývojem počítačů schopných předvádění computationally-intenzivní matematická transformace dat z časové oblasti k doméně frekvence, produkovat spektrum.
Propagoval Richard R. Ernst, FT-NMR pracuje tím, že ozáří vzorek (ještě zadržel statické, vnější magnetické pole) s krátkým pulsem energie radiofrequency (RF). Shodovat se k Fourier teorii, kratší puls, širší rozsah frekvencí to obsahuje. Puls rozruší energii rovnováhy stavy jádr v zkoumání (1H například). U konce pulsu, jádra se uvolní zpět k jejich rovnovážnému stavu, vydávat energii pohlcovanou systémem znovu v radiofrequency dosahu. Detektory zaznamenají rozpad této excitace jak čas-závislý vzor, známý jako volné přerušení se rozkládat (FID). Tentokrát-závislý vzor, když zpracovaný přes Fourier převádět, odhalí frekvenci-závislý vzor nukleární resonances, NMR spektrum.
Použití pulsů různých tvarů, frekvencí a durations, v specificky-navrhl vzory, dodá spectroscopist velkou pružnost v určovat jaké části molekuly nebo jakého intra - a intermolecular dynamické procesy, studovat. Podobná technika používala pro optický poněkud než NMR spectroscopy je prostě nazvaný Fourier přemění spectroscopy.
Dva rozměrný nukleární magnetický resonance spectroscopy je druh FT-NMR ve kterém tam být přinejmenším dva pulsy, a jak experiment je opakován, čas mezi párem pulsů je rozmanitý. První rozměr je frekvence excitace a druhý rozměr je založený na diferencovanosti času mezi párem pulsů (protože vlastnosti Fourier převádějí, tento druhý rozměr je nakonec vyjádřen jako frekvence také). V vícerozměrný nukleární magnetický resonance, tam bude sled pulsů, a přinejmenším jedna proměnná časová perioda (v 3D, dva časové seqences budou rozmanité. V 4D, tři bude být měněn).
Tyto časové intervaly počítají s, kromě jiného, převod magnetizace mezi jádry a proto detekce druhů nukleární-nukleární vzájemná ovlivňování, která počítala s převodem magnetizace. Druhy vzájemných ovlivňování, která mohou být odhalena jsou zatříděné do dvou druhů, obvykle. Tam být přes-svazek vzájemná ovlivňování a přes-prostor vzájemná ovlivňování, latter obvykle být důsledek nukleárního Overhauser účinku. Poznámka také že experimenty nukleární Overhauser rozmanitosti dovolí vám založit vzdálenosti mezi atomy.
Kurt Wüthrich, inzerát Bax, Vladimir Sklenar a mnoho jiní, rozvinutý 2D a vícerozměrný FT-NMR do silné techniky pro studovat biochemii, zvláště pro určení struktury biopolymers takový jako bílkoviny nebo ještě malý nucleic kyseliny. Wüthrich rozdělil část 2002 Nobelova cena v chemii pro tuto práci. Toto doplňky techniky biopolymer Crystallography rentgenu v tom to je nejvíce často použitelné pro biomolecules v kapalině nebo kapalné krystalové fázi, zatímco crystallography (jak jméno obsahuje) je vykonáván na molekulách v pevné fázi. Ačkoli NMR je zvyklý na pevné látky studia, rozsáhlý atomový-rovný biomolecular strukturální detail jde obzvláště nesnadno trvat v pevném skupenství.
Protože intenzita NMR signalizuje, a od této doby citlivost techniky, záviset na síle magnetického pole, technika také postupovala přes dekády se vývojem silnějších magnetů.
Citlivost NMR signálů je také závislá, jak známý nahoře, na přítomnosti magneticky-citlivý izotop, a proto jeden na přirozeném množství takových izotopů, nebo na schopnosti experimentalist uměle obohatit molekuly pod studiem s takovými izotopy. Nejhojnější přirozeně nastávající izotopy vodíku a fosfor, například, jsou oba magneticky susceptible a rychle užitečný pro NMR spectroscopy. V kontrastu, uhlíku a dusíku mají užitečná jádra, ale který nastat jediný ve velmi nízkém výskytu v přírodě. Odkazy
Wuthrich, Kurt NMR bílkovin a Nucleic kyseliny Wiley-Interscience, New York, NY USA 1986.