Кіріспе
Екі өлшемді ядролық магниттік резонанс спектроскопиясы (ЯМР) – екі жиілік осьтерімен анықталатын кеңістікте деректерді көрнеулендіретін ЯМР әдістерінің жиынтығы. 2D ЯМР түрлеріне корреляциялық спектроскопия (COSY), J-спектроскопиясы, алмасу спектроскопиясы (EXSY) және ядролық Оверхаузер эффекті спектроскопиясы (NOESY) жатады. Екі өлшемді ЯМР спектрлері бір өлшемді ЯМР спектрлеріне қарағанда молекула туралы көбірек ақпарат береді және әсіресе бір өлшемді ЯМР арқылы жұмыс істеу қиын молекулалардың құрылымын анықтау үшін өте пайдалы. Бірінші екі өлшемді эксперимент, COSY, 1971 жылы Брюссельдің еркін университетінің профессоры Жан Женер ұсынған. Бұл тәжірибе кейіннен Уолтер П. Ау, Энрико Бартольди және Ричард Р. Эрнст тарапынан жүзеге асырылды, олар 1976 жылы өз жұмыстарын жариялады.
Two dimensional nuclear magnetic resonance spectroscopy (2D NMR) is a set of nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) methods which give data plotted in a space defined by two frequency axes rather than one. Types of 2D NMR include correlation spectroscopy (COSY), J spectroscopy, exchange spectroscopy (EXSY), and nuclear Overhauser effect spectroscopy (NOESY). Two dimensional NMR spectra provide more information about a molecule than one dimensional NMR spectra and are especially useful in determining the structure of a molecule, particularly for molecules that are too complicated to work with using one dimensional NMR. The first two dimensional experiment, COSY, was proposed by Jean Jeener, a professor at the Université Libre de Bruxelles, in 1971. This experiment was later implemented by Walter P. Aue, Enrico Bartholdi and Richard R. Ernst, who published their work in 1976.
Негізгі түсініктер
Әр тәжірибе радиожиіліктік (РЖ) импульстер тізбегінен тұрады, олардың арасында кешігу кезеңдері болады. Осы импульстердің уақыты, жиілігі және қарқындылығы әртүрлі ЯМР эксперименттерін бір-бірінен ажыратады. Екі өлшемді эксперименттердің көбісі төрт кезеңнен тұрады: дайындық кезеңі, онда магниттелу когеренциясы РЖ импульстер жиынтығы арқылы жасалады; эволюция кезеңі, импульстер жіберілмейтін және ядролық спиндерге еркін прецессиялауға (айналуға) мүмкіндік берілетін белгілі бір уақыт аралығы; араластыру кезеңі, онда когеренция басқа импульстер тізбегі арқылы байқалатын сигнал беретін күйге өзгертіледі; және анықтау кезеңі, онда үлгіден еркін индукциялық ыдырау сигналы уақыттың функциясы ретінде, бір өлшемді FT ЯМР-ге ұқсас түрде байқалады. Екі өлшемді ЯМР экспериментінің екі өлшемі – химиялық ығысуды көрсететін екі жиілік осьтері. Әр жиілік осьі екі уақыт айнымалысының бірімен байланысты, олар эволюция кезеңінің ұзақтығы (эволюциялық уақыт) және анықтау кезеңінде өткен уақыт (анықтау уақыты). Олардың әрқайсысы екі өлшемді Фурье түрлендіруі арқылы уақыт қатарынан жиілік қатарына айналады. Бір екі өлшемді эксперимент бір өлшемді эксперименттер тізбегі ретінде жасалады, әр түрлі эксперименттерде әртүрлі нақты эволюциялық уақытпен, әрбір экспериментте анықтау кезеңінің толық ұзақтығы тіркеледі. COSY экспериментінен алынған екі өлшемді спектр екі ось бойымен бір изотоптың, көбінесе сутегінің (¹H) жиіліктерін көрсетеді. (Техникалар сондай-ақ екі осьтері ¹³C және ¹H сияқты әртүрлі изотоптарға сәйкес келетін гетероядролық корреляциялық спектрлерді жасау үшін дамытылған.) Диагональдық шыңдар 1D ЯМР экспериментіндегі шыңдарға сәйкес келеді, ал қиылысқан шыңдар ядролар жұптары арасындағы байланыстарды көрсетеді (көптік бөліну 1D ЯМР-дегі байланыстарды көрсетеді). Жалпы алғанда, COSY 45 тазарақ спектр ұсынады, ал COSY 90 сезімталдығы жоғары. Тағы бір байланысты COSY техникасы – қос квант сүзгіленген (DQF) COSY. DQF COSY фазалық цикл немесе импульстік градиенттер сияқты когеренцияны таңдау әдісін қолданады, бұл тек қос кванттық когеренциялардан келетін сигналдарды байқалатын сигнал беруге мәжбүр етеді. Бұл диагональдық шыңдардың қарқындылығын азайтады және олардың сызық пішінін кең "дисперсиялық" сызық пішінінен өткір "абсорбциялық" сызық пішініне өзгертеді. Сондай-ақ, ол байланыспаған ядролардың диагональдық шыңдарын жояды. Бұлардың барлығы диагональдық шыңдардың қиылысқан шыңдарды жасыруына жол бермейтін, тазарақ спектр беретін артықшылықтары бар, олар тұрақты COSY спектрінде әлсіз болады.
Толық корреляциялық спектроскопия (TOCSY)
TOCSY эксперименті COSY экспериментіне ұқсас, онда жұптасқан протондардың қиылысқан шыңдары байқалады. Дегенмен, қиылысқан шыңдар тікелей байланысты ядролар үшін ғана емес, сонымен қатар байланыстыру тізбегі арқылы қосылған ядролар арасында да көрінеді. Бұл үлкен өзара байланысты спиндік байланыс желілерін анықтауға көмектеседі. Бұл мүмкіндік, араластыру кезеңінде изотроптық араласуды тудыратын импульстардың қайталанатын тізбегін қосу арқылы іске асырылады. Ұзақ изотроптық араласу уақыты поляризацияның байланыстар санының артуымен таралуына себеп болады. Олигосахаридтерде әрбір қант қалдығы оқшауланған спиндік жүйе болып табылады, сондықтан нақты бір қант қалдығының барлық протондарын ажыратуға болады. TOCSY-нің 1D нұсқасы да бар, және бір протонды сәулелендіру арқылы спиндік жүйенің қалған бөлігін анықтауға болады. Бұл техникадағы соңғы жетістіктердің бірі – 1D CSSF (химиялық ығысуды таңдамалы сүзу) TOCSY эксперименті, ол жоғары сапалы спектрлерді тудырады және байланыс тұрақтыларын сенімді түрде алуға, сондай-ақ стереохимияны анықтауға көмектеседі. TOCSY кейде "гомонуклеарлық Хартманн-Хан спектроскопиясы" (HOHAHA) деп те аталады.
Табиғаттың керемет қос квантты көшіру эксперименті (ЖОҚСЫЛЫҚ)
INADEQUATE – жақын орналасқан көміртек атомдары арасындағы 13C байланыстарын анықтау үшін жиі қолданылатын әдіс. 13C-ның табиғи мөлшері шамамен 1% ғана болғандықтан, зерттеліп отырған молекулалардың тек 0,01%-ы ғана осы экспериментте сигнал беруге қажетті екі жақын 13C атомын қамтиды. Дегенмен, жеке 13C атомдарынан сигналдарды болдырмау үшін корреляциялық іріктеу әдістері қолданылады (DQF COSY сияқты), бұл қос 13C сигналдарын оңай анықтауға мүмкіндік береді. Біріктірілген ядролардың әрбір жұбы INADEQUATE спектрінде екі шыңы бар, олардың екеуінің де вертикальді координатасы бірдей – ядролардың химиялық ығысуларының қосындысы; әрбір шыңның горизонтальді координатасы әрбір ядроның жеке химиялық ығысуын көрсетеді.
Гетероядролық байланыс арқылы корреляциялық әдістер
Гетероядролық корреляциялық спектроскопия екі түрлі типтегі ядролардың байланысы арқасында сигнал береді. Көбінесе бұл екі ядро – протон және тағы бір ядро ("гетероннуклеус" деп аталады). Тарихи себептерге байланысты, детекция кезеңінде гетероннуклеус спектрінің орнына протонды тіркететін эксперименттер "кері" эксперименттер деп аталады. Бұл себебі, көптеген гетероннуклеустердің табиғи мөлшерінің аздығы протон спектрінің белсенді гетероннуклеустері жоқ молекулалардан келетін сигналдармен толып кетуіне алып келеді, осылайша қажетті байланысқан сигналдарды байқау мүмкін болмайды. Бұл жағымсыз сигналдарды жою техникаларының пайда болуымен HSQC, HMQC және HMBC сияқты кері корреляциялық эксперименттер қазіргі кезде көп қолданылады. Гетероннуклеус спектрін тіркететін "қалыпты" гетероядролық корреляциялық спектроскопия HETCOR деп аталады.
Гетероядролық бір кванттық корреляциялық спектроскопия (HSQC)
HSQC бір байланыспен бөлінетін екі түрлі ядро арасындағы корреляцияны анықтайды. Бұл әдіс біріккен екі ядроға бір нүкте береді, оның екі координатасы екі біріккен атомның химиялық ығысулары болып табылады. HSQC INEPT импульстік тізбегін пайдаланып, I ядродан (әдетте протон) S ядросына (әдетте гетероатом) магниттелуді беру арқылы жұмыс істейді; бұл алғашқы қадам протонның тепе-теңдіктегі магниттелуі жоғары болғандықтан, күшті сигнал жасайды. Содан кейін магниттелу дамиды және бақылау үшін I ядроға қайта жіберіледі. Сигналды ажырату үшін қосымша спиндік эхо қадамы қолданылуы мүмкін, бұл спектрді көптіктерді бір нүктеге дейін азайту арқылы жеңілдетеді. Қажетсіз жұпталмаған сигналдар экспериментті екі рет бір нақты импульстің фазасын кері ауыстыру арқылы жойылады; бұл қалатын сигналдардың таңбаларын кері ауыстырады, бірақ қаламайтын сигналдардың таңбаларын өзгертеді, сондықтан екі спектрді шегеру қалатын сигналдарды ғана береді. HMBC-де бұл қиындық HMQC тізбегінен бір кідірісті жою арқылы шешіледі. Бұл анықталатын байланыс тұрақтыларының диапазонын арттырады және сонымен қатар серпілуден сигнал жоғалтуды азайтады. Алайда, бұл спектрді ажырату мүмкіндігін жояды және сигналға фазалық бұрмалауды енгізеді. HMBC әдісінің модификациясы бар, ол бір байланыстың сигналдарын жояды, тек көп байланыстың сигналдарын қалдырады. NOESY-дің бір қолданылуы – үлкен биомолекулаларды зерттеу, мысалы, протеин NMR-де, онда қатынастарды жиі реттік жүріс арқылы анықтауға болады. NOESY эксперименті жеке резонанстарды алдын ала таңдап, бір өлшемді режимде де жүргізілуі мүмкін. Спектрлер алдын ала таңдалған ядролар үлкен теріс сигнал беретін кезде оқылады, ал көрші ядролар әлсіз оң сигналдармен анықталады. Бұл қызығушылық тудыратын резонансқа өлшенетін NOE-сі бар шыңдарды ғана көрсетеді, бірақ толық 2D экспериментке қарағанда әлдеқайда аз уақыт алады. Сонымен қатар, егер алдын ала таңдалған ядро эксперимент уақыт шегінде ортаны өзгертсе, бірнеше теріс сигналдар байқалуы мүмкін. Бұл EXSY (алмасу спектроскопиясы) NMR әдісіне ұқсас ақпарат алмасуды ұсынады. NOESY эксперименттері еріткіштегі молекуланың стереохимиясын анықтау үшін маңызды құрал, ал жалғыз кристалдық XRD молекуланың қатты күйдегі стереохимиясын анықтау үшін қолданылады.
Гетероядролық Оверхаузер эффектілік спектроскопия (HOESY)
HOESY, NOESY сияқты ядролық спиндер арасындағы қиылысқан релаксацияны пайдаланады. Дегенмен, HOESY кеңістіктік жағынан маңызды басқа NMR белсенді ядролар туралы ақпарат бере алады. Мысалдарға кез келген X{Y} немесе X→Y ядролары жатады, мысалы 1H→13C, 19F→13C, 31P→13C немесе 77Se→13C. Әдетте, эксперименттер X, X{1H} протоннан NOE-ні байқайды, бірақ протонды міндетті түрде қосудың қажеті жоқ.
Айналатын кадрлы ядролық Оверхаузер эффектінің спектроскопиясы (ROESY)
ROESY, NOESY-ге ұқсас, бірақ бастапқы күйі ерекшеленеді. Z магниттеуінен бастап қиылыс релаксациясын бақылаудың орнына, тепе-теңдік магниттеуі x осіне бұрылады, содан кейін сыртқы магнит өрісімен тұрақтандырылады, осылайша оның прецессиялауы тоқтатылады. Бұл әдіс, әсіресе ядролық Оверхаузер эффектінің анықталуы қиын, яғни айналу корреляциялық уақыты 1000 дальтонға жуық молекулалық салмағы бар молекулалар үшін тиімді, себебі ROESY-де корреляциялық уақыт пен қиылыс релаксациясының жылдамдық тұрақтысы арасындағы байланыс өзгеше. NOESY-де қиылыс релаксациясының жылдамдық тұрақтысы корреляциялық уақыт артуымен оңнан теріске өтеді, нәтижесінде нөлге жақын мәндердің диапазоны пайда болады, ал ROESY-де қиылыс релаксациясының жылдамдық тұрақтысы әрқашан оң болады.
Шешілген спектр әдістері
Сәйкестіктегі спектрлерден айырмашылығы, шешілген спектрлер 1D ЯМР экспериментіндегі шыңдарды қосымша шыңдарды қоспай екі өлшемге жаяды. Бұл әдістер әдетте J-резолюциялы спектроскопия деп аталады, бірақ кейде химиялық ығысумен шешілген спектроскопия немесе δ-резолюциялы спектроскопия деп те аталады. Олар 1D ЯМР спектрлері бір-бірімен үстіртіндесетін мультиплеттерді қамтитын молекулаларды талдау үшін пайдалы, себебі J-шешілген спектр әр ядродан шыққан мультиплетті әртүрлі мөлшерде тік бағытта жылжытады. 2D спектріндегі әрбір шыңның 1D спектріндегідей бірдей көлденең координатасы болады, бірақ оның тік координатасы ядроның ажыратылмаған 1D спектріндегі химиялық ығысуына сәйкес келеді. Гетероядролық нұсқада қолданылатын ең қарапайым импульстік тізбек Мюллер-Кумар-Эрнст (MKE) эксперименті деп аталады, ол дайындық кезеңінде гетероядро үшін бір 90° импульске ие, араластыру кезеңі жоқ және детекциялау кезеңінде протонға ажырату сигналын қолданады. Бұл импульстік тізбектің бірнеше нұсқалары бар, олар жоғары сезімталдыққа және дәлдікке ие, және қақпалы ажырату әдістері мен спин-флип әдістері санаттарына жатады. Гомоядролық J-резолюциялы спектроскопия спиндік эхо импульстік тізбегін пайдаланады.
Жоғары өлшемді әдістер
3D және 4D эксперименттерді де жүргізуге болады, кейде екі немесе үш 2D эксперименттерінің импульстік тізбектерін тізбектей орындау арқылы. Дегенмен, көптеген қолданылатын 3D эксперименттер үш резонансты эксперименттер болып табылады; мысалдарға ақуыздық ЯМР-де (Ядерлік Магниттік Резонанс) жиі қолданылатын HNCA және HNCOCA эксперименттері жатады.