Language
Country/Area
No result found
Градиент электрического поля и ядерный квадрупольный момент: как эти два фактора определяют свойства материи?
Спектроскопия ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) — это метод химического анализа, тесно связанный с ядерным магнитным резонансом (ЯМР). В отличие от ЯМР, ядерный резонанс ЯКР можно обнаружить без внешнего магнитного поля, поэтому спектроскопию ЯКР также называют «ЯМР в нулевом поле». Резонанс ЯКР обусловлен взаимодействием между градиентом электрического поля (ГЭП) и квадрупольным моментом распределения ядерного заряда. В отличие от ЯМР, ЯКР применим только к твердым телам, а не к жидкостям, поскольку в жидкостях градиент электрического поля вблизи ядер в среднем равен нулю, а тензор ГЭП имеет нулевой след. Поскольку ЭФГ местоположения конкретного ядра в веществе определяется в первую очередь валентными электронами, которые участвуют в специфических связях с другими близлежащими ядрами, частота ЯКР перехода является уникальной в этом веществе.
Частота ЯКР в конкретном соединении или кристалле пропорциональна произведению ядерного квадрупольного момента (свойство ядра) и ЭФГ вблизи ядра.
Похожим, но не идентичным, явлением в ЯМР является константа связи, также являющаяся результатом межъядерных взаимодействий в аналите. Любое ядро с более чем одной неспаренной ядерной частицей (протоном или нейтроном) будет иметь распределение заряда, которое приводит к появлению электрического квадрупольного момента. Допустимые уровни ядерной энергии смещаются неравномерно из-за взаимодействия заряда ядра с градиентом электрического поля, создаваемым неравномерным распределением электронной плотности.
Энергия, направленная к ядру посредством электромагнитного излучения, может привести к поглощению ядром некоторой энергии, что можно рассматривать как возмущение квадрупольных энергетических уровней. В отличие от ЯМР поглощение в ЯКР происходит в отсутствие внешнего магнитного поля. Приложение внешнего статического поля к квадрупольным ядрам приведет к расщеплению квадрупольных энергетических уровней в соответствии с взаимодействием Зеемана.
Технология ЯКР очень чувствительна к характеру и симметрии связей вокруг ядра и может характеризовать фазовые изменения в твердых телах при различных температурах.
В силу симметрии эти сдвиги в среднем равны нулю в жидкой фазе, поэтому спектры ЯКР можно измерить только в твердой фазе. В случае ЯМР ядра со спином ≥ 1/2 обладают магнитным дипольным моментом, так что их энергия может быть разделена магнитным полем, что приводит к резонансному поглощению энергии, связанной с частотой Лармора. В случае ЯКР ядра со спином ≥ 1, такие как 14N, 17O, 35Cl и 63Cu, также имеют электрические квадрупольные моменты. Ядерный квадрупольный момент связан с несферическим распределением ядерного заряда, который указывает на степень отклонения распределения ядерного заряда от сферической формы, то есть от формы эллипсоида или диска ядра.
ЯКР — это прямое наблюдение взаимодействия между квадрупольным моментом и локальным градиентом электрического поля (ГЭП) его окружения. Частота ЯКР-перехода пропорциональна электрическому квадрупольному моменту ядра и силе локального ГЭП. Однако в твердых телах напряженность ЭФГ достигает нескольких киловольт на квадратный метр, поэтому проводить эксперименты ЯКР с определенным ЭФГ, как в ЯМР, путем подбора внешнего магнитного поля, не представляется возможным.
Спектры ЯКР специфичны для конкретного вещества и поэтому называются «химическими отпечатками пальцев».
Благодаря сильной зависимости частоты ЯКР от температуры, ЯКР может использоваться как точный датчик температуры с разрешением до 10^−4 °C. Применение спектра ЯКР также имеет широкие перспективы и может сыграть большую роль в фармацевтической промышленности. В частности, применение 14N-ЯКР позволяет различать энантиомерные соединения в рацемических смесях, такие как D-серин и L-серин. Хотя эти два соединения имеют схожий состав, они обладают совершенно разными свойствами. D-серин может стать биомаркером болезни Альцгеймера и препаратом для лечения шизофрении, в то время как L-серин является препаратом, который проходит клинические испытания FDA как препарат для людей категории А. известен своим потенциалом в лечении бокового амиотрофического склероза.
ЯКР также позволяет различать кристаллические полиморфы. Например, соединения, содержащие сульфаниламидные препараты, показали чувствительность к полиморфизму. Разница в частоте ЯКР, а также различия в константах квадрупольной связи и параметрах асимметрии позволяют дифференцировать полиморфы, что делает ЯКР мощным инструментом для аутентификации лекарственных препаратов и борьбы с подделками.
Множество исследовательских групп по всему миру работают над разработкой технологии ЯКР для обнаружения взрывчатых веществ. Испытано оборудование, предназначенное для обнаружения мин и взрывчатых веществ, спрятанных в багаже. Такая система обнаружения состоит из источника питания радиочастотного (РЧ) диапазона, катушки, которая генерирует магнитное поле возбуждения, и схемы обнаружения, которая отслеживает ответ ЯКР РЧ взрывчатого вещества . . Даже поддельное устройство под названием ADE 651 утверждает, что использует ЯКР для обнаружения взрывчатых веществ, но на самом деле оно этого не может.
Тем не менее, устройство было успешно продано за миллионы долларов десяткам стран, включая правительство Ирака.
Главное ограничение ЯКР связано с обилием изотопов. ЯКР требует наличия ненулевого квадрупольного момента, который наблюдается только в ядрах со спином больше или равным единице и локальное распределение заряда которых отклоняется от сферической симметрии. Хотя существующие методы ЯКР имеют низкую интенсивность сигнала из-за низкого содержания изотопов в большинстве ЯКР-активных ядер, ЯКР-спектроскопия по-прежнему демонстрирует свою полезность во многих практических сценариях.
Столкнувшись с безграничными возможностями ЯКР, сможем ли мы в будущем преодолеть существующие технологические ограничения и позволить этой технологии играть более важную роль в большем количестве областей?
