У зв’язку  з підвищеними вимогами до  якості лікарських речовин ІЧ-спектроскопія,  як один із найбільш надійних  методів ідентифікації, набуває  все більшого значення. Спектрофотометричне визначення проводять спектрофотометром як забарвлених, так і безбарвних сполук по вибірковому поглинання світла у видимій, ультрафіолетовій чи інфрачервоній областях спектра. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

в) Ядерний магнітний резонанс  
 

 

Зображення мозку людини на медицинському ЯМР-томографі 

   Я́дерний магниітний резона́нс (ЯМР) — резонансне поглинання електромагнітної енергії речовиною, що містить ядра з ненульовим спіном у зовнішньому магнітному полеі, зумовлене переорієнтацією магнітних моментів ядер.

Явище магнітного резонанса було відкрито в 1945—1946 рр. двома незалежними групами вчених. Ініціаторами цього э були Ф. Блох та Э. Пьорселл ^{[1] [2]}.

Одні і ті ж ядра атомів в різноманітних оточеннях в молекулі показують різноманітні сигнали ЯМР. Відміна такого сигналу ЯМР овід сигналу стандартної речовини дозволяє визначити так званий хімічний зсув, який зумовлений хімічною будовою досліджуваної речовини . В методиках ЯМР є багато можливостей визначати хімічну будову речовин, конформації молекул, ефекти взаємного впливу, внутрішньомолекулярні перетворення. 
 
 
 

Фізика ЯМР

 

Розщеплення енергетичних рівней ядра з I = 1/2 в магнітному полі 

  В основі явища ядерного магнітного резонансу лежать магнітні властивості атомних ядер, що складаються з нуклонів з напівцілим спіном 1/2, 3/2, 5/2.... Ядра з парним масовим і зарядовим числами (парно-парні ядра) не володіють магнітним моментом, в той часа як для всіх інших ядер магнітний момент відмінний від нул я.

Таким чином, ядра володіють кутовим моментом , пов’язаним з магнітним моментом співвідношенням: 

,  

де   — постійна Планка,  — спінове квантове число,  — гіромагнітне відношення.

Кутовий  момент та магниітний момент ядра квантовані і власні  значення проекції і кутового і магнітного моментів на вісь z довільно вибраної системи координат визначаються  співвідношенням 

 і  ,

 

де   — магнітне квантове число власного стану ядра, його значення визначаються спіновим квантовим числом ядра 

 

тобто ядро може перебувати в     станах .

Так, у протона (чи іншого ядра з I = 1/2 — ¹³C, ¹⁹F, ³¹P і т. п.) може знаходитися лише в двух станах 

,

 

таое ядро можна уявити як магнітний диполь, z-компонента якого може бути орієнтована паралельно або антипаралельно додатному напрямку осі z довільної системи координат.

  Слідуе відмітити, що за відсутності зовнішнього магнітного поля всі стани з різними   мають однакову енергію, тобто є вирожденими. Виродження знімається у зовнішньому магнітному полі, при цьому розщеплення відносно виродженого стану пропорційно величині зовнішнього магнітного поля і магнітного момента стану та для ядра із спіновим квантовим числом I у зовнішньому магнітному полі виникає система з 2I+1 енергетичних рівнів 

  ,  

тобто ядерний магнітний резонанс має ту ж природу, що й ефект Зеемана розщеплення електроних рівнів у  магнітному полі.

В найпростійшому випадку для ядра із спіном з I = 1/2 — наприклад, для протона, розщеплення 

 

і різнниця енергії  спінових станів. 

  Прилади

 Серцем спектрометра ЯМР є потужний магніт. В експерименті, вперше здійсненому на практиці Пьорселлом, зразок, поміщений в скляну ампулу діаметром близько 5 мм, заключається між полюсами сильного электромагніта. Потім ампула починає обертатися, а магнітне поле, діюче на неї, поступово посилюють. В якості джерела випроміннювання використовується радіочастотний генератор високої добротностиі. Під дією посилюючого магнітного поля починають резонуровати ядра, на які налаштован спектрометр. При цьому екрановані ядра резонують на частоті трохи меньшій, ніж номінальна частота резонанса (чи приладу).

Поглинання енергії фіксується радіочастотним мостом і потім записувається самописцем. Частоту збільшують до тех пір, поки вона не досяген певної границі, вище якої резонанс неможливий.

Так як прямуючі від моста струми досить малі, зніманням одного спектру не обмежуються, а роблять декілька десятків  проходів. Всі отримані сигнали сумуються на вихідному графіці, якість якого залежить від відношення сигнал/шум приладу.

В даному методі зразок піддається радіочастотному опроміненню незмінної частоти, в той час як сила магнітного поля змінюється, тому його ще називають методом постійного поля (CW).

Традиційний метод ЯМР-спектроскопії має багато недоліків. По-перше, він потребує багато часу для побудови кажного спектру. По-друге, він дуже вимогливий до відсутності зовнішніх перешкод, і як правило, отримані спектри мають значні шуми. По-третє, він непридатний для побудови спектрометрів високих частот (300, 400, 500 і більше МГц).Тому в сучасних приладах ЯМР використовують метод так званої імпульсної спектроскопії (PW), заснованій на фур’є-перетвореннях отриманого сигналу. В наш час всі ЯМР-спектрометри будуються на основі потужних надпровідних магнітів з постійною величиною магнтного поля.

На відміну від CW-методу, в імпульсному варіанті збудження ядер здійснюється не «постояною хвилею», а з допомогою короткого імпульсу, тривалістю декілька мікросекунд. Амплітуди частотних компонент імпульса зменьшуються з ростом відстані від ν₀. Але так як бажано, щоб всі ядра опромінювались однаково, необхідно використати «жорсткі імпульси», то є короткі імпульси великої потужності. Тривалість імпульсу вибирають так, щоб ширина частотной смужки була боїільше ширини спектру на один-два порядка. Потужність досягає декілька ватт.

  В результаті імпульсной спектроскопії отримують не звичайний спектр з видимими піками резонанса, а зображення затухаючих резонансних коливань, в якому змішані всі сигнали від всіх резонуючих ядер — так наз званий «спад вільної індукциії» (FID, free induction decay). Для перетворення даного спектру використовують математичні методи, так звані фур’є-перетворення, єа якими кожна функція може бути представлена у вигляді суми множини гармонічних коливань. 

.

  Спектри ЯМР

 Спектр ¹H 4-этоксибензальдегида. В слабом поле (синглет ~9,25 м.д) сигнал протона альдегидной группы, в сильном (триплет ~1,85-2 м.д.) — протонов метила этоксильной группы.

  Для якісного аналізу з допомогою ЯМР використовують аналіз спектрів, озаснованих на таких чудових властивостях даного методу:

-сигнали ядер атомів, входящих в певну функціональну групу, лежить в строго визначених ділянках спектру;

-інтегральна площа, обмежена піком, строго пропорціональна кількості                резонуючих атомів;

-ядра, що лежате через 1-4 зв’язки, здатні давати мультиплетні сигнали внаслідок т. н. розщеплення один на одному.

   Положення сигналу в спектрах ЯМР характеризується хімічним зсувом їх відносно еталоного сигналу. В якості останнього в ЯМР ¹Н і ¹³С застосовують тетраметилсилан Si(CH₃)₄. Одиницею хімічного зсуву є мілліонна доля (м.д.) частоти приладу. Якщо приняти сигнал ТМС за 0, а зміщення сигналу в слабке поле приймати додатнім хімічним зсувом, то ми отримаемо так звану  шкалу δ . Якщо резонанс тетраметилсилану прирівняти 10 м.д. и перетворити знаки на протилежні, то результуюча шкала буде шкалою τ, практично не використовуючою в наш час. Якщо спектр речовини занадто складний для інтерпретації, можно викиристати квантовохімічні методи розрахунку констант екранування і на їх основі порівняти сигнали.

  ЯМР - інтроскопія

  Явище ядерного магнітного резонансу можна використовувати не лише в фізикці та хімиії, а й в медицинеі: організм людини — це сукупність всіх тих же органічних і неорганічених молекул.

  Щоб спостерігати це явише, об’єкт розміщують в постійне магнітне поле і піддабть дії радіочастотних і градієнтних магнітних полей. В катушці індуктивності, оточуючій досліджуваний об’єкт, виникае змінна електрорушійна сила (ЕРС), амплітудно-частотний спектр якої і перехідні в часі характеристики несуть інформацію про просторову густину резонуючих атомних ядер, а також про інші параметри,що специфічні тільки для ядерного магнитного резонансу. Після опрацювання на ЕОМ эця інформація переходить в ЯМР-зображення, яке характеризуе густину хімічно еквівалентних ядер, часи релаксациі ядерного магнітного резонансу, розподілення швидкостей потоку рідини, дифузію молекул і біохімічні процеси обміну речовин в живих тканинах.

       Суть ЯМР-інтроскопії (або магнітно-резонансної томографиії) полягає, по суті, в реалізації особливого роду кількісного анализу по амплітуді сигналу ядерного магнітного резонансу. В звичайній ЯМР-спектроскопії прагнуть реалізувати, по можливості, найкраще розширені спектральні лінії. Для цього магнітні системи регулюються таким чином, щоб в межах зразку створити  якомога кращу однорідність поля. В методах ЯМР -інтроскопії, напакив, магнітне поле створюється завідомо неоднорідним. Тоді є основа вважати , що частота ядерного магнітного резонансу у кожній точці зразка має своє власне значення, відмінне від значень в інших частинах. Задав який-небудь код для градації амплітуди ЯМР-сигналів (яркість чи колір на екрані монитору), можно отримати умовне зображення (томограмму) зрізів внутрішньої  структури об’єкту. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РИС. Спектр ЯМР на ¹⁹F рибонуклеазы S, связанной с ТФА, в отсутствие (вверху) и в присутствии различных ингибиторов. 

 Нижче, приведені спектри фенілаланінової дріжджової тРНК при 35°С. Ці спектри узяті з роботи Д. Кирнса, Б. Рейда і Р. Шульмана — дослідників, вельми інтенсивно вивчаючих тРНК за допомогою ЯМР. Приведені спектри, зняті як в Н20, так і в D20. У Н20 сигнали в області — 11,5 н- — 15 м.д. (стандарт — ДСС) породжуються атомами водню, що беруть участь в утворенні уотсон-кріковських зв'язків між основами. У спектрах, знятих в D2O, ці сигнали відсутні, що свідчить про заміщення вказаних атомів дейтерієм. Систематичні дослідження слабопольной області дозволили встановити багато особливостей структури тРНК в розчині. 

 
 
 
 
 
 

  г)Електронний парамагнітний резонанс

  Електронний Парамагнітний Резонанс (ЕПР) — спектроскопічний метод вивчення речовини, відкритий Завойським Евгеном Константиновичом (E.K. Zavoisky) в Казанському державному університетеі в 1944 р.

Суть явища електронного парамагнітного резонансу полягає в наступному. Якщо помістити вільний радикал с результуючим моментом кількості руху J в магнітне поле з напругою B₀, то для J, відмінного від  нуля, в магнітному полі знімається виродження, і в результаті взаємодії з магнитним полем виникає 2J+1 рівень, положення якого описуаеїється виразом:

 W = gβB₀M, (где М = +J, +J-1, …-J)

і визначаеться Зеємановською взаємодією магнітного поля с магнітним моментом J. 
 

 Розщеплення енергетичних рівней электрона зображено на рисунке.

Енергетичні рівні і дозволені переходи для атома з ядерним спіном 1 в постійному (А) і перехідному (В) полі.

<