Основы метода ЯМР

Программа курса по выбору «Основы метода ЯМР»

(весенний семестр, 48 часов, 3-5 курс)

Программу составил проф. Волков В.И.

Введение в магнитный резонанс

Орбитальный момент электрона. Спиновый угловой момент. Электронный и ядерный спиновые угловые моменты. Электроны и ядра во внешнем магнитном поле. Векторная модель магнитного резонанса. Ансамбль ядерных магнитных моментов в магнитном поле. Условия магнитного резонанса. Спиновая релаксация. Ширина линии ЯМР. Спектры ЯМР и химический сдвиг. Экспериментальные аспекты.

Классическое описание ЯМР

Ядерная прецессия. Уравнение Блоха. Ядерная намагниченность во вращающейся системе координат. Спектральный анализ и преобразование Фурье. Спад свободной индукции. Времена продольной и поперечной релаксации. Измерение времени спин-решеточной релаксации. Спиновое эхо. Измерение времен спин-спиновой релаксации.

Механизмы ядерной магнитной релаксации.

Распределение частот молекулярных движений. Спмн-решеточные взаимодействия. Диполь-дипольная релаксация. Квадрупольная релаксация. Релаксация связанная с анизотропией химического сдвига. Скалярная релаксация. Спин-вращательная релаксация.

Фурье спектроскопия ЯМР.

Применение метода Фурье спектроскопии к многоспиновым системам. Требование к аппаратуре. Требование к ЭВМ. Влияние Т₁ на увеличение отношения сигнал/шум. Многоимпульсные методы. Двумерная и многомерная Фурье спектроскопия.

Двойной и тройной резонансы.

Спектры магнитного резонанса в жидкостях

Специфика сигналов ЯМР в жидкостях. Интенсивность, ширина и форма линии, времена релаксации, динамический ЯМР. Расчет спектров ЯМР с учетом прямых магнитных диполь-дипольных взаимодействий. Учет экранирования ядер электронной оболочкой . Учет косвенных спин-спиновых взаимодействий (J). Влияние обменных и других временных процессов на спектр ЯМР. Обмен в системе двух ядер, находящихся в химически неэквавалентных положениях. Зависимость резонансных частот спектра ЯМР от электроотрицательности соседних атомов, анизотропия их магнитной восприимчивости, токов делокализованных электроннов и межмолекулярного взаимодействия (влияние растворителей). Спектры ЯМР в жидкостях в присутствии парамагнитных компонентов.

Интерпретация химических сдвигов и констант спин-спинового взаимодействия.

Природа химического сдвига. Химические сдвиги протона. Химические сдвиги других ядер. Природа ядерных спин-спиновых взаимодействий. Спин-спиновые взаимодействия протонов. Изучение молекулярной структуры методом ЯМР.

ЯМР в твердых телах.

Введение. Современное состояние и перспективы развития метода ЯМР в твердых телах. Структура, магнитные и электрические свойства твердых тел и их отражение в спектрах ЯМР. Форма линий ЯМР в кристаллах с жесткой решеткой и ее изменения при наличии подвижности отдельных ядер или групп ядер. Форма линии ЯМР в поликристаллах. Информативность спектров ЯМР поликристаллов. Квадрупольные взаимодействия и их влияние на спектры ЯМР поли и монокристаллов. Методики определения тензора градиентов электрического поля по спектрам ЯМР. Особенности ЯМР в металлах. ЯМР высокого разрешения в твердых телах. Метод среднего гамильтониана. Подавление диполь-дипольного и квадрупольного взаимодействий при врещении образца под магическим углом. Сужение линий ЯМР твердых тел под действием импульсной последовательности. Кросс-поляризация. Импульсное измерение моментов. Многоимпульсная развязка и вращение образца под магическим углом. Кросс-поляризация и вращение под магическим углом. "Магическое" эхо. Обращение времени в спиновых системах.

Исследование процессов самодиффузии методами импульсного ЯМР.

Физические основы измерения самодиффузии. Ямр со стационарным градиентом магнитного поля. Импульсный градиент магнитного поля. Последовательность Хана в ЯМР с ИГМП. Последовательность стимулированного спинового эхо в ЯМР с ИГМП. Физические основы самодиффузии. Диффузионное затухание и его форма при изотропном броуновском движении. Мультифазные системы. Парциальные коэффициенты самодиффузии и парциальные заселенности фаз. Молекулярный обмен между фазами. Двух компонентная модель обмена. Ограниченная диффузия. Скейлинковый подход. Расчет размеров ограничений, проницаемости и констант обмена.

ЯМР томография

Основные принципы. Томограммы по хим. сдвигам и временам релаксации. Изучение самодиффузии. Чувствительность и разрешение метода ЯМР томографии.

Литература

Абрагам А. Ядерный магнетизм. М.:ИЛ, 1963. Эмсли Дж., Финей Дж., Сатклиф Л. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения. Т. 1,2. М.: Мир, 1968. Байбл Р.. Интерпретация спектров ядерного магнитного резонанса. М.: Атомиздат, 1969. Фаррар Т., Беккер Э. Импульсная и Фурье спектроскопия ЯМР. М.: Мир, 1973. Бучаченко А.Л. Химическая поляризация ядер и электронов. М.: Наука, 1974. Маклочан К.А.. Магнитный резонанс. М.: Химия, 1976. Хеберлен У., Меринг М. ЯМР высокого разрешения в твердых телах, ‑ М.: Мир, 1980. Сликтер Ч. Основы теории магнитного резонанса. М.: Мир, 1981 (1967). Драго Р. Физические методы в химии, ‑ М.: Мир, 1981. Т.1,2. Лундин А.Г., Федин Э.И. ЯМР‑спектроскопия. – М.: Наука, 1986. Воронов В.К. Метод парамагнитных добавок в спектроскопии ЯМР. – Новосибирск, Наука, 1989. Эрнст Р., Боденхаузен Дж., Вокаун А. ЯМР в одном и двух измерениях. – М.: Мир, 1990. Дероум Э. Современные методы ЯМР для химических исследований. – М.:Мир, 1992. Воронов В.К., Сагдеев Р.З. Основы магнитного резонанса. – Иркутск: Вост.-Сиб. кн. изд., 1995. Пентин Ю.А., Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии,‑М.: Мир, 2003. С.417-468. Чижик В.И. Ядерная магнитная релаксация. –СПб.: Изд. С.‑Петербургского университета, 2004. Чижик В.И. Практикум по магнитному резонансу – СПб: Изд. С.‑Петербургского университета, 2003. Чижик В.И. Квантовая радиофизика – СПб: Изд. С.‑Петербургского университета, 2004 Маклаков А.И., Скирда В.Д., Фаткуллин Н.Ф. Самодиффузия в растворах и расплавах полимеров – Казань: Изд. Казанского госуниверситета , 1987 Вашман А.А., Пронин И.С. Ядерная магнитная релаксационная спектроскопия – М., 1986 Гольдман М. Спиновая температура и ЯМР в твердых телах – М., 1972. Керрингтон А., Мак-Лечлан Э. Магнитный резонанс и его применение в химии – М., 1970. Эмсли Дж., Финей Дж., Сатклиф Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения (в 2-х томах): Пер. с англ. Т. 1,2.
Л. 1969. Сергеев Н.М., Спектроскопия ЯМР, 1981 Александров И. В. " Теория ядерного магнитного резонанса" М., 1964 г.