Кіріспе

Динамикалық ядролық поляризация (ДНП) – электроннан ядроға спин поляризациясының ауысуы нәтижесінде туындайды, осы арқылы ядролық спиндер электрон спиндерінің бағытталғандығына сәйкес дәрежеде бағытталады. Белгілі бір магнит өрісі мен температурада электрон спиндерінің бағытталуы жылулық тепе-теңдікте Болцман таралымымен сипатталады. Сондай-ақ, электрон спинінің басқа да әдістері арқылы электрондар жоғары дәрежеде реттелуі мүмкін, мысалы: химиялық реакциялар (химиялық индукцияланған ДНП, CIDNP), оптикалық сорғылау және спин инъекциясы. ДНП гиперполяризацияның бірнеше техникаларының бірі болып саналады. ДНП қатты денедегі сәулеленудің салдарынан туындаған жұпсыз электрондарды пайдалану арқылы да шақырылуы мүмкін. Электрон спинінің поляризациясы жылулық тепе-теңдік мәнінен ауытқанда, электрондар мен ядролар арасында поляризацияның ауысуы электрон-ядролық қиылысқан релаксация немесе электрондар мен ядролар арасындағы спиндік күйлердің араласуы арқылы спонтанды түрде жүруі мүмкін. Мысалы, поляризацияның ауысуы гомолиздік химиялық реакциядан кейін спонтанды түрде болады. Екінші жағынан, электрон спині жүйесі жылулық тепе-теңдікте болғанда, поляризацияның ауысуы тиісті электронды парамагниттік резонанс (EPR) жиілігіне жақын жиілікте үздіксіз микротолқынды сәулелендіруді талап етеді. Атап айтқанда, микротолқынмен қоздырылатын ДНП процестерінің механизмдері Оверхаузер эффектісі (OE), қатты әсер (SE), қиылыс әсері (CE) және термиялық араласу (TM) болып жіктеледі. Алғашқы ДНП тәжірибелері 1950 жылдардың басында төмен магнит өрістерінде жүргізілді, бірақ соңғы уақытқа дейін бұл техника жоғары жиілікті, жоғары өрістік ЯМР спектроскопиясы үшін шектеулі қолданысқа ие болды, себебі тиісті жиілікте жұмыс істейтін микротолқындық (немесе терагерцтік) көздер жеткіліксіз болды. Бүгінде мұндай көздер «айналыс кілті» бойынша жұмыс істейтін құралдар ретінде қол жетімді, бұл ДНП-ні құнды және қажетті әдіс етеді, әсіресе жоғары ажыратымдылықтағы қатты күйдегі ЯМР спектроскопиясы арқылы құрылымды анықтау саласында.

Статикалық үлгі алу жағдайы

Электрон ядросының екі спиндік жүйесінің қарапайым суретінде, қатты әсер электрон ядросының өзара ауысуы (нөлдік квант немесе қос квант деп аталады) микротолқын сәулеленуімен қозған кезде, релаксация болған жағдайда пайда болады. Мұндай ауысу әдетте нашар рұқсат етіледі, яғни жоғарыда аталған микротолқындық қоздырудың ауысу моменті электрон-ядролық өзара әрекеттесудің екінші реттік әсерінен туындайды, сондықтан маңызды болуы үшін күштірек микротолқын қуаты қажет, ал қарқындылығы сыртқы магнит өрісі B0 өскенде төмендейді. Нәтижесінде, барлық релаксация параметрлері тұрақты сақталғанда қатты әсерден DNP күшеюі B0−2 пропорциясында өседі. Бұл ауысу қозғаннан және релаксация әрекет еткеннен кейін магниттеу ядролық диполь желісі арқылы "көпшілік" ядроларға (ЯМР экспериментінде анықталатын ядролардың басым бөлігі) таралады. Бұл поляризациялау механизмі егер қоздырғыш микротолқын жиілігі ядролық Лармор жиілігімен электрон Лармор жиілігінен жоғары немесе төмен қарай ығысса, екі спиндік жүйеде оңтайлы болады. Жиілік ығысуының бағыты DNP күшеюінің таңбасына сәйкес келеді. Қатты әсер көп жағдайда болады, бірақ қатысқан жұптаспаған электрондардың ЭПР спектрінің ені сәйкес ядролардың ядролық Лармор жиілігінен кіші болса, оны байқау оңайырақ.

Сиқырлы бұрышпен айналатын қалта

Сиқырлы бұрышпен айналдыру ДНП (MAS DNP) жағдайында механизм өзгеше, бірақ оны түсіну үшін екі спиндік жүйені пайдалануға болады. Микротолқынды сәулелендіру қос кванттық немесе нөлдік кванттық өтуді қозғанда ядроның поляризациялану процесі жалғасады, бірақ сынама айналып тұрғандықтан, бұл шарт әрбір ротор айналымында қысқа ғана уақытқа орындалады (соның нәтижесінде ол мерзімді болады). Осы жағдайда ДНП процесі үзіліс-үзіліс болып өтеді, статикалық жағдайдағыдай үздіксіз емес.

Статикалық корпус

Крос эффектісі жоғары поляризацияның көзі ретінде екі жұпталмаған электронды қажет етеді. Ерекше жағдайларсыз, мұндай үш спиндік жүйе тек қатты әсер түріндегі поляризацияны ғана тудыра алады. Бірақ, әрбір электронның резонанстық жиілігі ядролық Лармор жиілігінен айырылғанда және екі электрон диполярлы байланыста болғанда, тағы бір механизм пайда болады: крос эффектісі. Осы жағдайда DNP процесі рұқсат етілген ауысудың сәулелену нәтижесі болып табылады (бір квант деп аталады), сондықтан микротолқынды сәулелендірудің күші қатты әсерге қарағанда кем қажет болады. Іс жүзінде, дұрыс EPR жиіліктерінің айырмасы g анизотропиясы бар парамагниттік түрлерді кездейсоқ бағыттау арқылы қамтамасыз етіледі. Екі электрон арасындағы "жиілік" айырмасы нысаналық ядроның Лармор жиілігіне тең болу керек болғандықтан, крос эффектісі тек біртекті емес кеңейтілген EPR сызығының ені ядролық Лармор жиілігінен артық болғанда ғана мүмкін болады. Сондықтан, бұл сызық ені сыртқы магнит өрісі B0-ге пропорционалды болғандықтан, жалпы DNP тиімділігі (немесе ядролық поляризацияның күшеюі) B0−1 ретінде масштабталады. Бұл демалыс уақыттары өзгермейтінше дұрыс болады. Әдетте, жоғары өріске өту ядролық демалыс уақыттарының ұзаруына алып келеді, бұл сызық енінің азаюын ішінара өтеуі мүмкін. Іс жүзінде, шыны тәрізді үлгіде Лармор жиілігімен бөлінген екі диполярлы байланысқан электронның болу ықтималдығы өте төмен. Дегенмен, бұл механизм соншалықты тиімді, оны тәжірибе жүзінде жеке немесе қатты әсермен бірге байқауға болады.

Сиқырлы бұрышпен айналатын қалта

Статикалық жағдай сияқты, MAS DNP қиылысқан әсер механизмі уақытқа тәуелді энергия деңгейіне байланысты күрт өзгереді. Үш спинді қарапайым жүйе арқылы, статикалық және MAS жағдайларындағы қиылысқан әсер механизмінің әртүрлі екені көрсетілді. Крос эффект – бұл ЭПР бір кванттық ауысуы, электрондық диполярлық антиқиылысу және крос эффект дегенерациясы жағдайларын қамтитын өте жылдам көп қадамды процесс. Ең қарапайым жағдайда, MAS DNP механизмі бір кванттық ауысудан кейін крос эффект дегенерациясы жағдайының, немесе электрондық диполярлық антиқиылысудан кейін крос эффект дегенерациясы жағдайының комбинациясы арқылы түсіндірілуі мүмкін. Бұл өз кезегінде, статикалық магнит өрісіне байланысты CE тәуелділігін күрт өзгертеді, ол B0−1 сияқты масштабталмайды және қатты әсерге қарағанда әлдеқайда тиімді болады.

DNP-NMR

ДНП-ны ЯМР сигналдарын күшейту үшін, сондай-ақ өзіндік кеңістіктік тәуелділікті енгізу үшін жүргізуге болады: магниттелу күшеюі сәулеленген электрондардың жанында болады және үлгінің ішінде таралады. Кеңістіктік таңдаулылықты магниттік резонанстық бейнелеу (МРТ) техникаларын қолдану арқылы алуға болады, осылайша үлгідегі орналасуына қарай ұқсас бөліктерден алынған сигналдарды бөлуге болады. ДНП ЯМР қауымдастығында зор қызығушылық тудырды, себебі ол қатты күйдегі ЯМР-де сезімталдықты арттыра алады. ДНП-де үлкен электрондық спин поляризациясы микротолқын көзі арқылы қызығушылық тудыратын ядролық спиндерге беріледі. Қатты денелер үшін екі негізгі ДНП тәсілі бар. Егер материалда бос электрондар болмаса, экзогенді ДНП қолданылады: материал белгілі бір радикалдан тұратын ерітіндімен сіңіріледі. Мүмкіндігі шектес жағдайда, эндогенді ДНП өтпелі металл иондарындағы (металл иондарының динамикалық ядролық поляризациясы, MIDNP) немесе өткізгіш электрондардағы электрондарды пайдалану арқылы жүргізіледі. Эксперименттер әдетте сиқырлы бұрышпен айналдырумен бірге төмен температурада жүргізілуі керек. ДНП көбінесе электрондық релаксацияны төмендету үшін төмен температураны қажет ететіндіктен, тек ex situ жағдайында ғана жүргізілгенін атап өту маңызды.

Арнайы мәселелер

Динамикалық ядролық поляризация: Физика, химия, биология және медицинадағы жаңа эксперименталды және әдістемелік тәсілдер мен қолданбалар, Қолданбалы Магниттік Резонанс, 2008. 34(3–4)
Жоғары өрісті динамикалық ядролық поляризация – жаңа өркендеу, Физикалық химия және химиялық физика, 2010. 12(22)