X. Princip dvou-dimenzionální spektrometrie v pevné fázi
část 1.
Měření dvou a více-dimenzionálních spekter není jen módní záležitost, ale je to nezbytná nutnost, neboť více-dimenzionální spektra podstatně zvyšují spektrální rozlišení. Princip 2D spektrometrie si přiblížíme na velmi jednoduchém příkladu heteronukleární korelace, která vychází z nám již dobře známé pulsní sekvence určené pro měření spekter s cross-polarizací. V prvním přiblížení budeme uvažovat systém, ve kterém je homonukleární 1H-1H dipolární interakce velmi slabá. Při měření klasických jedno-dimenzionálních spekter detekujeme odezvu vzorku na excitační puls. Tato odezva je v podstatě oscilující napětí, které se indukuje v detekční cívce a po Fourierově transformaci (FT) těchto oscilací dostaneme klasické 1D frekvenční spektrum. Pro získání 2D spektra je zřejmé, že musíme detekovat dvě odezvy vzorku na minimálně dva pulsy. Jak již víme při měření klasického cross-polarizačního spektra okamžitě po prvním 90° 1H pulsu zapneme spin-lockovací pole a zahájíme přenos polarizace do uhlíkového spinového systému. Jinými slovy veškerá protonová magnetizace je uložena podél osy x a získaný uhlíkový signál má tedy maximální intenzitu. Jestliže však za první 90° 1H puls vložíme jistou prodlevu, tak se protonová magnetizace začne vyvíjet pod vlivem chemického posunu. To znamená, že nastane precese magnetizace a její vektor již není uložen ve směru osy x, ale má nějaký obecný směr. Zapneme-li spin-lockovací pole po této určité prodlevě, tak procesu cross-polarizace se účastní pouze průmět protonové magnetizace do osy x. Nejprve se tedy tento průmět sníží, což vede i k nižší intenzitě uhlíkového signálu po cross-polarizaci. Obecně však tento průmět osciluje s frekvencí odpovídající protonovému chemickému posunu. Stejně tak i intenzita uhlíkového signálu po cross-polarizaci osciluje s touto charakteristickou frekvencí. A tak pokud provedeme druhou FT oscilací intenzit těchto uhlíkových signálů dostaneme 2D spektrum, kde každý signál je charakterizovaný dvěmi frekvencemi a to 1H a 13C frekvencí. Tak je získáno klasické heteronukleární korelační spektrum.
Princip dvou-dimenzionální spektrometrie v pevné fázi
část 2.
Jestliže jsme v předchozím případě uvažovali pouze vliv chemického posunu na vývoj protonové magnetizace a vliv homonukleárních 1H-1H dipolárních interakcí byl zcela zanedbán, tak v tomto případě tomu bude naopak. Homonukleární 1H-1H dipolární interakce budou dominovat, zatímco vliv chemického posunu bude marginální. Aplikujme tedy stejnou pulsní sekvenci jako v předchozím případě na systém se silnou homonukleární 1H-1H dipolární interakcí. Během prodlevy, která následuje po prvním 90° 1H pulsu se protonová magnetizace nevyvíjí podle chemického posunu, ale spíše dochází k velmi rychlému dipolárnímu rozfázování. Jednotlivé spiny se díky silné dipolární interakci rychle rozjíždějí od sebe, čímž se samozřejmě zmenšuje i průmět celkové protonové magnetizace do osy x. Tím tedy i uhlíkové signály po cross-polarizaci velmi rychle ztrácejí intenzitu s prodlužující se prodlevou. Nedochází tedy k oscilaci průmětu magnetizace v osu x, ale pouze k velmi rychlému poklesu. Tento pokles (útlum magnetizace) je řádově rychlejší než případný vývoj podle chemického posunu a tak je tedy tento vliv nedetekovatelný. Fourierovou transformací tohoto poklesu potom dostaneme více či méně široký signál v 1H dimenzi. Co nám tedy takovýto experiment přináší? Jaká informace je tedy obsažena v tomto 2D spektru? Je to informace o intenzitě dipolárních interakcí v okolí každé strukturní jednotky (např. CH3, CH2, CO, CH atd.), kterou lze rozlišit a identifikovat v 13C CP/MAS NMR spektru. Významné na tom totiž je, že intenzita dipolárních interakcí klesá s rostoucím molekulárním nebo segmentálním pohybem. A tak tedy rigidní, imobilizované strukturní jednotky jsou charakterizované velmi širokými signály, zatímco velmi pohyblivé mobilní jednotky jsou reflektovány velmi úzkými pásy. Z toho tedy plyne, že toto 2D spektrum přináší velmi elegantně informace o segmentální pohyblivosti studovaných systémů.