Техносфера - Основы ЯМР. Для ученых и инженеров

Содержание

Cодержание

Введение.............................................................................................. 7

Основные принципы.......................................................................21

Спектроскопия ...............................................................................63

ЯМР-изображение и перенос масс...........................................129

ЯМР в слабом поле и односторонний ЯМР .........................209

Алфавитный указатель......................................................................245

Предисловие редактора русского перевода

Содержание книги точно передает ее название — это основы спектроскопии ядерного магнитного резонанса для научно-исследовательских и инженерных приложений. Уникальна форма изложения материала:
в сжатой форме тщательно проработанных рисунков и лаконичных текстовых определений раскрывается не только суть метода ЯМР, но и многообразие практических решений для создания по-настоящему инновационных продуктов и технологий. В силу краткости изложения книга не заменяет классических описаний рассматриваемого предмета, однако важность ее в том, что она позволяет с другой стороны взглянуть на возможности современного оборудования, выходя за пределы традиционных учебников по спектроскопии ЯМР.
В настоящее время ЯМР занимает лидирующие позиции как практически единственный недеструктивный метод анализа очень широкого круга разнообразных объектов — от химических молекул до живых организмов и человека. Спектрометры ЯМР являются неотъемлемой частью любого исследовательского центра, академического института и естественно-научного факультета, деятельность которых направлена
на получение фундаментальных знаний и разработку конкурентоспособных рыночных решений. Интеграция ЯМР-оборудования в учебный процесс дает прекрасную возможность понимания физико-химических основ окружающего нас мира для студентов и аспирантов, которым настоящая книга тоже будет весьма полезна.
Содержание книги точно передает ее название — это основы спектроскопии ядерного магнитного резонанса для научно-исследовательских и инженерных приложений. Уникальна форма изложения материала: в сжатой форме тщательно проработанных рисунков и лаконичных текстовых определений раскрывается
не только суть метода ЯМР, но и многообразие практических решений для создания по-настоящему инновационных продуктов и технологий. В силу краткости изложения книга не заменяет классических описаний рассматриваемого предмета, однако важность ее в том, что она позволяет с другой стороны взглянуть на возможности современного оборудования, выходя за пределы традиционных учебников по спектроскопии ЯМР.
В настоящее время ЯМР занимает лидирующие позиции как практически единственный недеструктивный метод анализа очень широкого круга разнообразных объектов — от химических молекул до живых организмов и человека. Спектрометры ЯМР являются неотъемлемой частью любого исследовательского
центра, академического института и естественно-научного факультета, деятельность которых направлена
на получение фундаментальных знаний и разработку конкурентоспособных рыночных решений. Интеграция
ЯМР-оборудования в учебный процесс дает прекрасную возможность понимания физико-химичес-
ких основ окружающего нас мира для студентов и аспирантов, которым настоящая книга тоже будет весь-
ма полезна.

Москва, ИОХ РАН, апрель 2011 г. В. П. Анаников

Предисловие

ЯМР означает ядерный магнитный резонанс. Это физическое явление, которое используется более 50 лет
во множестве различных видов в ряду приложений химического анализа, медицинской диагностики, био-
медицинских исследований, а также при изучении свойств материалов, в химической технологии и геофи-
зике. Несмотря на сравнительную простоту этого явления, число различных воплощений ЯМР как метода
получения информации о молекулах постоянно растет вслед за развитием в электронике и обработке дан-
ных.
Исследователь или инженер, желающий впервые ознакомиться с принципами ЯМР и областями его
применения, испытывает трудности при поиске обстоятельного и достаточно краткого изложения основ
ЯМР. Эта книга задумана как такое изложение. Рекомендуется пользоваться ею при проведении курсов или
для освежения в памяти пройденного материала. Текст и иллюстрации объединены в пары, которые прове-
дут читателя по различным аспектам ЯМР. Во второй главе, идущей после введения, изложены принципы
явления ЯМР. Глава 3, посвященная спектроскопии, направляет исследовательский поиск на изучение
структуры, расположения и динамики молекул. Главы 4 и 5 относятся к томографии и ЯМР в слабом поле.
Эти главы более интересны инженерам, занимающимся изучением ЯМР-изображений, явлениями перено-
са и контролем качества. Хотелось бы надеяться, что это обстоятельное изложение основ ЯМР будет полез-
ным источником информации для студентов и профессионалов в области прикладных наук и технологии.

Аахен, май 2004 г. Бернард Блюмих

Рекомендации читателю

Для разных исследований рекомендуется прочитать следующие главы:
Область интересов Главы Читатели
Основы физики ЯМР
ЯМР-спектроскопия
ЯМР-изображения
Контроль качества с помощью ЯМР
1, 2
1, 2, 3
1, 2, 4
1, 2, 5
Все
Химики, физики, биологи
Материаловеды, инженеры
Материаловеды, инженеры
1. Введение
Определение ЯМР
Использование ЯМР
Оборудование ЯМР
История ЯМР
Стоимость ЯМР
Литература
ЯМР: ядерный магнитный резонанс
ЯМР — это физическое явление,
используемое для изучения свойств молекул материи
с помощью облучения радиоволнами ядер атомов
в магнитном поле.
1. Введение 9
Использование ЯМР
•• Химический анализ: структура и динамика молекул.
•• Материаловедение: характеристики физических свойств материалов.
•• ЯМР-изображения в медицине: магнитно-резонансная томография (самая большая область применения).
•• Химическая технология: измерение диффузии, сечений потока и распределения скоростей.
•• Каротаж в геофизике и разведка нефти: получение характеристик углеводородов в горных породах.
•• Контроль процесса производства и качества продукции с помощью ЯМР в слабом поле и односторонних
ЯМР-сенсоров.
10 1. Оборудование для ЯМР
•• Спектроскопия: ЯМР-спектрометр, состоящий из магнита, радиочастотного передатчика, приемника
и компьютера.
•• ЯМР-изображения: ЯМР-томограф, состоящий из магнита, радиочастотного передатчика, приемника,
источника магнитных градиентных полей и компьютера.
•• Измерение параметров потоков: ЯМР-томограф.
•• Каротаж: ударопрочный ЯМР-спектрометр (с магнитом) в трубе, выдерживающий температуру
до 170 °С.1
•• Контроль процесса производства и качества: ПК-спектрометр или мобильный ЯМР-спектрометр
с соответствующими ЯМР-сенсорами.
1 каротажный зонд. — Прим. пер.
1. Введение
Определение ЯМР
Использование ЯМР
Оборудование ЯМР
История ЯМР
Стоимость ЯМР
ЯМР: ядерный магнитный резонанс
ЯМР — это физическое явление,
используемое для изучения свойств молекул материи
с помощью облучения радиоволнами ядер атомов
в магнитном поле.

Использование ЯМР
•• Химический анализ: структура и динамика молекул.
•• Материаловедение: характеристики физических свойств материалов.
•• ЯМР-изображения в медицине: магнитно-резонансная томография (самая большая область применения).
•• Химическая технология: измерение диффузии, сечений потока и распределения скоростей.
•• Каротаж в геофизике и разведка нефти: получение характеристик углеводородов в горных породах.
•• Контроль процесса производства и качества продукции с помощью ЯМР в слабом поле и односторонних
ЯМР-сенсоров.
10 1. Введение
Оборудование для ЯМР
•• Спектроскопия: ЯМР-спектрометр, состоящий из магнита, радиочастотного передатчика, приемника
и компьютера.
•• ЯМР-изображения: ЯМР-томограф, состоящий из магнита, радиочастотного передатчика, приемника,
источника магнитных градиентных полей и компьютера.
•• Измерение параметров потоков: ЯМР-томограф.
•• Каротаж: ударопрочный ЯМР-спектрометр (с магнитом) в трубе, выдерживающий температуру
до 170 °С.1
•• Контроль процесса производства и качества: ПК-спектрометр или мобильный ЯМР-спектрометр
с соответствующими ЯМР-сенсорами.
1 каротажный зонд. — Прим. пер.

История ЯМР
1945: первое успешное наблюдение сигнала ЯМР Феликсом Блохом (Felix Bloch) (Стэнфорд) и Эдвардом
Перселлом (Edward Purcell) (Гарвард): Нобелевская премия по физике в 1952 г.
1949: открытие ЯМР-эха Эрвином Ханом (Erwin Hahn).
1951: открытие химического сдвига Дж. Т. Арнольдом (J. T. Arnold).
1951: открытие спин-спинового взаимодействия посредством химических связей У. Дж. Проктором (W. G. Proctor)
и Ф. С. Ю (F. C. Yu).
1953: ЯМР в магнитном поле Земли для каротажа Шлюмбергера-Долла (Schlumberger-Doll).
1966: первое использование Фурье-ЯМР Ричардом Эрнстом (Richard Ernst), Нобелевская премия по хи-
мии в 1991 г.
1971: двумерный ЯМР Жана Жене (Jean Jeener), позже — многомерный ЯМР Ричарда Эрнста.
1972: ЯМР-изображения Пола Лотербура (Paul Lauterbur) и Питера Мэнсфилда (Peter Mansfield),
Нобелевская премия по медицине в 2003 г.
1975: многоквантовый ЯМР и спектроскопия Т. Хэши (T. Hachi), позднее — Алекса Пайнса (Alex Pines) и
Ричарда Эрнста (Richard Erhst).
1977: ЯМР-спектроскопия высокого разрешения для твердых тел Джона Во (John Waugh), Эда Стеджскела
(Ed Stejskal) и Джекоба Шефера (Jacob Schaefer).
1979: двумерный обменный ЯМР Жана Жене. Применение для анализа белков в молекулярной биологии
Куртом Вютрихом (Kurt Wüthrich), Нобелевская премия по химии в 2002 г.
1980: односторонний ЯМР для контроля процесса производства и для медицинских целей Джеспера
Джэксона (Jasper Jackson).
1984: гиперполяризация ксенона Вильямом Хэппером (William Happer).
1995: использование ЯМР-каротажа в коммерческих приборах корпорации NUMAR.
1. Введение 13
Некоторые Нобелевские премии за открытия в области ЯМР
Ричард Р. Эрнст, 1933.
Нобелевская премия
по химии в 1991 г.
Эдвард Миллс Перселл,
1912 – 1997. Нобелевская
премия по физике 1952 г.
Национальный информационный центр
им. Эйзенхауэра. Бостон, 1995
Курт Вютрих, 1938.
Нобелевская премия
по химии в 2002 г.
Феликс Блох,
1905 – 1983.
Нобелевская премия
по физике в 1952 г.
Пол Лотербур,
1929 – 2007.
Нобелевская премия
Стоимость ЯМР
Оборудование:
•• спектроскопия: 250 000 — 4 000 000 €,
•• получение изображений: 250 000 — 2 000 000 €,
•• измерения параметров переноса: 250 000 — 1 000 000 €,
•• каротаж: 250 000 €,
•• ЯМР для контроля процесса производства и качества: 25 000 — 100 000 €.
Измерения:
•• ЯМР-спектр: 100 — 500 €,
•• ЯМР-изображение, ЯМР потоков: 500 €,
•• приборный день: 1 500 €,
•• дипломная работа: 20 000 €,
•• кандидатская диссертация, включая стоимость оборудования: 200 000 €.
Литература: общие сведения
•• R. Freeman, Magnetic Resonance in Chemistry and Medicine, Oxford University Press, Oxford, 2003.
•• D. M. Grant, R. K. Harris, Eds., Encyclopedia of Nuclear Magnetic Resonance, Wiley-Liss, New York, 1996.
•• C. P. Slichter, Principles of Magnetic Resonance, 3. edition, Springer, Berlin, 1990.
•• R. R. Ernst, G. Bodenhausen, A. Wokaun, Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two
Dimensions, Clarendon Press, Oxford, 1987.
•• F. A. Bovey, Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, Academic Press, New York, 1987.
•• E. Fukushima, S. B. W. Roeder, Experimental Pulse NMR: A Nuts and Bolts Approach, Addison Wesley,
New York, 1986.
•• A. Abragam, The Principles of Nuclear Magnetism, Clarendon Press, Oxford, 1961.
Литература: спектроскопия жидкостей
•• E. T. Becker, High Resolution NMR: Theory and Chemical Applications, 3rd edition, Academic Press,
New York, 1999.
•• S. Braun, H.-O. Kalinowski, S. Berger, 150 And More Basic NMR Experiments: A Practical Course,
VCH-Wiley, Weinheim, 1998.
•• H. Friebolin, Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy, Wiley, New York, 1998.
•• R. S. Macomber, A Complete Introduction to Modern NMR Spectroscopy, Wiley-Interscience,
New York, 1998.
•• W. R. Croasmun, R. M. K. Carlson, Two-Dimensional NMR Spectroscopy, VCH, Weinheim, 1994.
•• A. E. Tonelli, NMR Spectroscopy and Polymer Microstructure, VCH Publishers, New York, 1989.
Литература: спектроскопия твердых тел
•• M. H. Levitt, Spin Dynamics, Wiley, Chichester, 2001.
•• E. O. Stejskal, J. D. Memory, High Resolution NMR in the Solid State: Fundamentals of CP/MAS, Oxford
University Press, New York, 1994.
•• K. Schmidt-Rohr and H. W. Spiess, Multidimensional Solid-State NMR and Polymers, Academic Press,
London, 1994.
•• V. J. McBrierty and K. J. Packer, Nuclear Magnetic Resonance in Solid Polymers, Cambridge University Press,
Cambridge, 1993.
•• W. Engelhardt, D. Michel, High-Resolution Solid-State NMR of Silicates and Zeolites, Wiley, New York, 1987.
•• В. С. Gerstein, С. Dybowski, Transient Techniques in NMR of Solids, Academic Press, New York, 1985.
•• M. Mehring, Principles of High-Resolution NMR in Solids, 2nd edition, Springer-Verlag, Heidelberg, 1980.
•• U. Haeberlen, High-Resolution NMR in Solids: Selective Averaging, Adv. Magn. Reson. Suppl. 1, Academic
Press, New York, 1976.
18 1. Введение
Литература: ЯМР-изображения
•• В. Blümich, NMR Imaging of Materials, Clarendon Press, Oxford, 2000.
•• E. M. Haacke, R. W. Brown, M. R. Thompson, R. Venkatesan, Magnetic Resonance Imaging, Physical Principles
and Sequence Design, Wiley-Liss, New York, 1999.
•• W. S. Price, NMR Imaging, Annual Reports on NMR Spectroscopy 35, (1998) 139-216.
•• J. B. Miller, NMR Imaging of Materials, Progr. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 33 (1998) 273-308.
•• P. Blümler, B. Blümich, R. Botto, E. Fukushima, Eds., Spatially Resolved Magnetic Resonance, Wiley-VCH,
Weinheim, 1998.
•• R. Kimmich, NMR Tomography, Diffusometry, Relaxometry, Springer, Berlin, 1997.
•• M. T. Vlaardingerbroek, J. A. den Boer, Magnetic Resonance Imaging, Springer, Berlin, 1996.
•• B. Blümich, W. Kuhn, Eds., Magnetic Resonance Microscopy, VCH, Weinheim, 1992.
•• P. T. Callaghan, Principles of Nuclear Magnetic Resonance Microscopy, Clarendon Press, Oxford, 1991.
Литература: потоки
•• P. T. Callaghan, Rheo-NMR: Nuclear Magnetic Resonance and the Rheology of Complex Fluids, Rep. Prog.
Phys. 62 (1999) 599-668.
•• D. Traficante, Ed., Well Logging, Concepts of Magnetic Resonance, vol. 13, Wiley, New York, 2001.
•• G. R. Coates, L. Xiao, M. G. Prammer, NMR Logging: Principles and Applications, Halliburton Energy
Services, Houston, 1999.
•• E. Fukushima, Nuclear Magnetic Resonance as a Tool to Study Flow, Annu. Rev. Fluid Mech.
31 (1999) 95-123.
•• A. Caprihan, E. Fukushima, Flow Measurements by NMR, Physics Reports 4 (1990) 195-235.