Программа курса по выбору «Основы метода ЯМР»
(весенний семестр, 48 часов, 3-5 курс)
Программу составил проф. Волков В.И.
(версия для печати - zip/doc)
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.