6.6.1. Релаксационные методы ядерного магнитного резонанса

Методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР) применяют для технологического контроля в пищевой промышленности. Релаксационными методами ЯМР называются методы, в которых в качестве аналитических параметров используются интенсивность сигналов и время ядерной магнитной релаксации.

В основе данных методов лежит поглощение энергии электромагнитных волн ядрами, обладающими магнитным моментом, в радиочастотном диапазоне.

Как известно, атомы состоят из ядер и электронных оболочек. Каждое ядро несет положительный заряд, кратный заряду ядра водорода (протона). Помимо этого некоторые ядра ведут себя как слабые постоянные магниты. Для объяснения этого свойства, используемого для анализа, представим себе ядро в виде шарика, в котором более или менее равномерно распределен положительный заряд. Шарик вращается, за счет чего его заряд движется по круговой орбите вокруг оси вращения. Таким образом, возникает круговой электрический ток. Известно, что электрический ток создает магнитное поле. Следовательно, вращающееся ядро представляет собой миниатюрный постоянный магнитик, имеющий два полюса, разделенные некоторым расстоянием l. Такая система называется диполем. Если магнит поместить в магнитное поле напряженностью Н, диполь будет стремиться повернуться так, чтоб расположиться вдоль силовых линий внешнего магнитного поля. На северный и южный полюсы магнита будут действовать силы, равные по значению, но противоположно направленные. Они образуют пару сил, вращающий момент которых равен произведению силы на плечо: М = тНL = –Н. Величина L = ml называется магнитным моментом.

Собственными магнитными моментами обладают электронные оболочки и большинство ядер, но ядерный эффект проявляется лишь в сильных магнитных полях, в которых ядра стремятся ориентироваться определенным образом. Эта ориентация во внешнем магнитном поле выражается лишь в изменении положения оси вращения, или так называемой прецессии орбиты; формы же орбиты электрона, ее наклон по отношению к силовым линиям магнитного поля и движение электрона по орбите не изменяются во времени. Таким образом, влияние магнитного поля аналогично тому эффекту, который можно наблюдать, если при вращении волчка отклонить его ось от первоначального положения.

Магнитные моменты электрона и ядра определяют их собственные моменты количества движения. Последние называются спином. Для их описания в квантовой физике введено спиновое квантовое число. Ядра, имеющие нечетное число нейтронов (¹³С, ¹²⁷I) либо протонов (¹Н, ¹⁵N, ¹⁹F, ³¹Р, ¹¹В, ⁷⁹Вг), но не одновременно, обладают нечетным спином. Движение заряда, связанного с этими ядрами, приводит к возникновению магнитного поля. Поэтому ядро обладает собственным магнитным моментом L, вектор которого направлен в ту же сторону, что и вектор собственного момента количества движения (спина) ядра. Ядра, у которых четное число как протонов, так и нейтронов (¹²С, ¹⁶О, ²⁸Si, ³²S), не имеют собственного момента количества движения (I = 0) и не обладают магнитными свойствами.

Под действием внешнего магнитного поля магнитные ядра принимают определенную дискретную ориентацию с соответствующими энергетическими уровнями. Для данного ядра возможно 2I + 1 уровней ориентации. В частном случае, когда I = 1/2 (¹Н, ¹⁵N, ¹⁹Р, ³¹Р), существует лишь две возможные ориентации. Спин ядра может располагаться вдоль силовых линий приложенного магнитного поля или в противоположном направлении. При этом энергии будут соответственно равны, но противоположны по знаку: Е = μН. Таким образом, изменение энергии при переориентации составит ΔE = 2μH, где H – напряженность внешнего магнитного поля.

Согласно атомной модели Бора, электроны вращаются вокруг ядра только по определенным орбитам. В соответствии с этим они могут иметь лишь определенные значения энергии. Энергия, освобождающаяся при переходе электрона с одной орбиты на другую, излучается в виде электромагнитного колебания с частотой ν, зависящей от разности энергий обоих уровней: –E = hν, где h – постоянная Планка.

Квантование энергии проявляется и в поведении ядерного магнита в магнитном поле: разрешенными являются только определенные направления между магнитным моментом ядра и силовыми линиями внешнего магнитного поля, что и характеризуется спиновым квантовым числом. Исходя из этого условие перехода ядра с одного уровня на другой описывается выражением ΔE = (hγH₀) / 2π, где γ –гиромагнитное отношение, которое является характеристикой свойств конкретных ядер. Из этого выражения следует, что под воздействием переменного поля с частотой ν, приложенного под прямым углом к однородному магнитному полю напряженностью Н₀, ядра с гиромагнитным отношением γ приобретают энергию, необходимую для перехода из ориентации с низкой энергией в состояние с высокой энергией. Такой переход называется магнитным резонансом. Следовательно, если на ядра действует поле с резонансной частотой, происходит резонансный переход ядер между двумя уровнями с заданной энергией. Поглощение энергии ядрами приводит к падению интенсивности колебаний переменного поля, которое можно измерить и использовать для изучения этого явления.

Гиромагнитное отношение определяет соотношение частоты переменного поля и напряженности магнитного поля, необходимое для достижения резонансных условий. Большинство исследований на протонах проводят обычно с использованием частоты 60  или 100 МГц. Гиромагнитное отношение для протона равно 2,674 · 10⁴ Э · с^–1. Поэтому напряженность магнитного поля, необходимая для возникновения протонного резонанса, соответственно равна 14094 или 23490 Э (рис. 6.14).

Поглощенная образцом вещества энергия радиочастотного поля зависит от количества в нем ядер, обладающих данной резонансной частотой, а потому по поглощенной общей энергии можно оценивать содержание данного вещества в образце. Это дает возможность анализировать многокомпонентные системы путем постепенного подбора соответствующих частот колебаний или мощности магнитного поля. Получающиеся при этом пиковые зависимости энергетических выходов от частоты называются масс-спектрами и масс-спектро-граммами.

2

Рис. 6.14. Анализатор ядерного магнитного резонанса:

1 – регистрирующее устройство; 2 – усилительное устройство; 3 – радиочастотный приемник; 4 – радиочастотный генератор; 5 – капсула с образцом; 6 – магнит; 7 – генератор развертки; 8 – набор спиралей Гельмгольца

Возможно и узкоспециальное применение метода, когда система постоянно настроена на резонансную частоту только одного конкретного вещества. В этом случае устройство значительно упрощается. Например, магнетические свойства протона воды позволяют использовать этот метод для измерения влажности твердых и жидких сред.

Основными частями ЯМР-спектрометра (см. рис. 6.14) являются: электромагнит, или постоянный магнит, 6, создающий сильное, стабильное и однородное поле Н₀, которое представляет собой основную часть поля, воздействующего на образец; набор спиралей Гельмгольца 8, которые питаются постоянным током от генератора развертки 7 и накладывают на постоянное поле дополнительное так, что полная напряженность магнитного поля принимает резонансное значение; радиочастотный генератор 4, связанный со спиралью, которая передает энергию образцу в направлении, перпендикулярном к постоянному магнитному полю; радиочастотный приемник 3 излучения, связанный со спиралью, окружающей образец. Эта спираль закреплена перпендикулярно как к передающей спирали, так и к приложенному полю; зонд, служащий главным образом для закрепления образца между наконечниками магнита. Образец помещают в контейнер (кварцевую трубку длиной 5 мм), вращаемый турбинкой (для усреднения магнитного поля по трем измерениям образца). Усилительное 2 и регистрирующее 1 устройства связаны с радиочастотным детектором; блок интегратора предназначен для записи относительной площади пиков в спектре, являющейся мерой содержания в образце анализируемого компонента.

Для регистрации ЯМР-спектра образец закрепляют на зонде и помещают его в точно зафиксированное положение, соответствующее максимальной однородности поля. Затем включают переменное поле, частота которого фиксирована, и изменяют напряженность дополнительного магнитного поля (с помощью спиралей, соединенных с генератором развертки) до тех пор, пока не будут достигнуты резонансные условия. Этот момент регистрируется детектором в виде пика.

Рассмотрим работу ЯМР-влагомера. Анализируемое вещество, помещенное в измерительный преобразовательно-резонансный контур, находится в поле постоянного магнита, создающего в образце магнитное поле определенной напряженности. Преобразователь с ве-ществом находится во внутренней полости катушки, входящей в параллельный резонансный контур, который питается током высокочастотного генератора. Радиочастотный сигнал поступает в приемник, где детектируется и усиливается. При подводе энергии с частотой, соответствующей резонансной частоте ядер водорода, наступает поглощение энергии, резко изменяющее эквивалентные параметры резонансного измерительного контура. Приемник преобразует это изменение в выходное напряжение, которое и подается на измерительное устройство.

Методы ЯМР-влагометрии разделяются на стационарный и импульсный. При стационарном методе образец анализируемого вещества должен находиться во взаимно перпендикулярных магнитных полях – постоянном и вращающемся. Равновесие, приводящее к установлению стационарного состояния, наступает при взаимной компенсации этих двух противоположных тенденций. Наиболее приемлемыми для измерения влажности параметрами ЯМР-сигналов являются: при стационарном методе – интегральная интенсивность сигнала абсорбции, а при импульсном – начальное значение сигнала свободной индукции или четные эхо-сигналы, получаемые при наложении на анализируемый образец импульсной последовательности Мейбаума–Гилла.

Проведенные исследования показали, что для таких продуктов, как крахмал, мармелад, конфеты, леденцы, жевательная резинка, при измерении массовой доли воды от 5 до 16 % абсолютная погрешность не превышает 0,5 %.

Среда, в которой находится образец, влияет на значение резонансной частоты, поэтому ЯМР-спектр образца имеет несколько пиков, разделенных на группы, каждая из которых соответствует особому типу окружения ядра. Интенсивность сигналов прямо пропор-циональна числу ядер, находящихся в окружении данного типа.

Регистрируемый спектр содержит информацию трех видов. Расположение и высота пиков свидетельствуют о молекулярном окружении отдельных ядер, о числе ядер в данном окружении, которые также могут участвовать в резонансе, и о природе ближайшего окружения. Спектр содержит информацию, позволяющую судить о структуре как простых, так и сложных молекул и является мощным инструментом многопланового изучения многообразных систем.

Достоинства этого метода:

– универсальность с точки зрения получения аналитической информации обо всех элементах Периодической системы. На одном спектрометре можно получить сигналы от всех магнитных ядер, лишь изменяя частоту облучения образца радиомагнитным полем;

– независимо от химического строения и физического состо-яния вещества сигналы ЯМР для всех элементов не перекрываются и идентифицируются однозначно;

– наличие прямо пропорциональной зависимости поглощенной мощности от числа определяемых ядер в образце и независимость коэффициента пропорциональности от их химического состояния;

– может быть реализован на достаточно простой аппаратуре;

– точный, быстрый и бесконтактный.

Развитие этого метода связано прежде всего с появлением импульсной техники ЯМР, основанной на импульсном возбуждении высокочастотного поля. В его основе лежит избирательное поглощение веществом энергии электромагнитного поля на фиксированной частоте в результате переориентации ядерных спинов при определенных условиях. Резонансная частота, при которой наступает поглощение, зависит от свойств ядер и внешнего магнитного поля, воздействующего на это вещество. Количество поглощаемой энергии пропорционально числу ядер, содержащихся в образце, т. е. пропорционально числу протонов, входящих в состав молекулы воды.

Таким образом, по интенсивности поглощения энергии опре-деляют влажность веществ, так как первое место по величине создаваемого сигнала занимают ядра водорода. Искажение результатов измерения происходит лишь за счет ядер водорода – протонов, входящих в состав других элементов, кроме воды.

Импульсный ЯМР-метод может применяться не только для из-мерения влажности, но и для одновременного измерения содержания масла в семенах подсолнечника и сои. Для этого анализируемую пробу помещают в постоянное магнитное поле, при этом магнитные моменты ядер атомов водорода – протоны, ориентируясь определенным образом, образуют суммарный вектор ядерной намагниченности вещества. На вектор воздействуют серией радиочастотных импульсов, сначала частотой 0,5 π; потом π. Длительность импульсов выбирают из условия поворота вектора на угол 90º импульсом 0,5 π и на 180º импульсом π. В интервалах между радиочастотными импульсами от протонов вещества анализируемой пробы регистрируют сигнал свободной прецессии после импульса 0,5 π и спинового эха после импульса π. Огибающая сигналов спинового эха затухает экспоненциально с постоянной времени Т₂, которая характеризует процессы энергетического обмена между протонами исследуемого вещества. При наличии в анализируемой пробе различных протонсодержащих компонентов огибающая сигналов спинового эха представляет собой сумму сигналов ЯМР-протонов этих составляющих. На основании сказанного разработан метод совместного измерения влажности и масличности масличных семян и продуктов их переработки.

При другом варианте совместного измерения содержания жира и влаги в продуктах пищевой промышленности (колбасный фарш, мясо, растительное масло, кукурузная мука и др.) изменение соотношения времени релаксации достигается путем добавления к образцу хлорида марганца. Однако этот способ, позволяющий ускорить получение результатов анализа, не всегда удобен с точки зрения подготовки проб и неприемлем в случае, если добавка парамагнитных ионов воздействует как на анализируемый, так и на мешающие компоненты вещества.

Для разделения сигналов при отношении времени релаксаций меньше 10 предложена модификация рассмотренного выше способа, основанная на том, что время релаксации и, соответственно, поло-жение связанного с фактором насыщения максимума сигнала не за-висят от концентрации масла. При этом производятся два отсчета суммарного сигнала при двух значениях напряжения на контуре, выбранных таким образом, чтобы составляющие амплитуды сигнала одного из компонентов (в данном случае масла) были равны и сос-тавляли, например, 0,7–0,8 от его максимального значения, достига-емого пpи условии Д = 1. Содержание второго компонента опреде-ляется по разности между вторым и первым измерениями. Расчет показал, что второй компонент (вода) может быть измерен таким способом при отношениях времени релаксаций от 1,5 до 10.

Другой способ измерения масличности материалов, содержа-щих воду, основан на зависимости высокочастотных потерь в ка-тушке рабочего контура от концентрации воды. Экспериментальная проверка показала, что во всем диапазоне измерения масличности жмыхов и шротов добротность контура на частоте 10 МГц не из-меняется. В диапазоне значений массовой доли влаги от 0 до 6 % добротность контура также постоянна; от 6 до 20 % она уменьшается примерно на 14 % при начальном значении 215. В связи с этим в ЯМР-анализатор вводят корректирующие усилители, управляющие током в катушке контура и обеспечивающие тем самым постоянство напряженности высокочастотного поля. Выходное напряжение корректирующего усилителя пропорционально потерям в контуре и может использоваться для внесения поправки на влажность материала.

Общим недостатком двух последних методик разделения сигналов является увеличение дополнительной погрешности, обусловленной изменением времени релаксации, например, при переменном содержании в образцах парамагнитных примесей, колебаниях температуры и др.

Для измерения масличности и влажности сред перспективно сочетание двух методов – ядерного магнитного резонанса и диэлькометрического. Подобный двухпараметрический контроль имеет ряд преимуществ: возможность измерения содержания независимо от соотношения времени релаксаций компонентов; возможность выбора оптимальных режимов и методик контроля каждого из компонентов; обеспечение практически одновременного отсчета по обоим параметрам, что особенно важно при контроле сред в потоке.

Таким образом, метод ЯМР позволяет решить важные вопросы аналитической химии:

– идентификацию органических соединений. Определение или подтверждение структуры (структурный анализ). Качественный ана-лиз сложных смесей;

– количественный анализ органических соединений в сложных смесях, как правило, с использованием внутренних стандартов. Метод не деструктивный, позволяет проводить измерения с использованием одного спектра, не требует предварительной градуировки;

– изучение динамического равновесия конфирмационных превращений, таутомерии, меж- и внутримолекулярных превращений и т. д.;

– исследование комплексных образований. Разрабатываются методы получения реального двухмерного изображения объекта с по-мощью метода ЯМР (ЯМР-интроскопия). Это является результатом съемки спектра ЯМР при наложении на образец градиента поля. Для улучшения соотношения сигнал–шум в приборах ЯМР используется импульсная спектроскопия Фурье.

Ограничением ЯМР-спектроскопии как аналитического метода является его низкая чувствительность, поэтому трудно измерять малые значения концентрации веществ.