Spektrometrie NMR a EPRAnalytické aspekty NMR a EPR spektrometrie 
Nukleární magnetická rezonance (NMR)
Teoretické základy NMR 
  Metoda je založena na interakci elektromagnetického vlnění v oblasti krátkých 
  radiových vln s jádry měřené látky umístěnými ve vnějším magnetickém poli 
  Absorbovaná energie způsobuje přechody nenulových magnetických momentů na 
  vyšší energetické stavy 
  Metoda může být použita pro kvalitativní i kvantitativní popis měřené látky 
  NMR dnes patří mezi nejdůležitější spektrometrické metody používané při řešení 
  strukturních a kinetických problémů v organické i anorganické chemii 
  Typickou analytickou úlohou řešenou pomocí NMR je nalezení sloučeniny ve směsi 
  nebo vyloučení její přítomnosti 
  Základním předpokladem NMR spektrometrie je existence nenulového jaderného 
  magnetického momentu 
  Pro jaderný magnetický moment µ platí vztah:
 
µ = g.h.I/2p
g … gyromagnetický poměr
h … Planckova konstanta
I … spinový vektor
 
  Konstanta g - gyromagnetický poměr vyjadřuje úměrnost mezi momentem hybnosti a 
  magnetickým momentem a platí pro ni vztah:
 
g = g.e/2m
 g … faktor spin-orbitální interakce
e … náboj jádra
m … hmotnost jádra
 
  Hodnota magnetického momentu se často vyjadřuje pomocí jaderného magnetonu µN:
 
µN = ep.h/4p.mp = 5,0505.10-27 Am2
 mp … hmotnost protonu
ep … náboj protonu
 
  NMR spektrum lze naměřit pouze pro látky s atomy obsahujícími lichý počet 
  protonů nebo neutronů 
  Jádra, která mají sudý počet protonů i neutronů, mají nulové spinové kvantové 
  číslo, nemají jaderný magnetický moment m a nejsou v NMR spektru pozorovatelná 

  Jádra se spinovým kvantovým číslem I = 1/2 mají jaderný magnetický moment a 
  jsou snadno měřitelná (1H, 13C) 
  Jádra se spinovým kvantovým číslem I > 1/2 mají jaderný magnetický moment, 
  avšak často bývají v NMR spektrometrii obtížně měřitelná 
  Pokud je jádro s nenulovým spinovým číslem mimo magnetické pole, jaderný spin 
  se nijak neprojevuje 
  Po umístění jádra s nenulovým spinovým číslem do vnějšího magnetického pole 
  dojde ke vzniku nových energetických hladin 
  Pro jádra se spinovým číslem I = 1/2 je pozorován v magnetickém poli vznik 
  dvou hladin energie, mezi nimiž je energetický rozdíl:
 
DE = g.h.B0/2p
g … gyromagnetický poměr (konstanta charakteristická pro jádro každého izotopu)
h … Planckova konstanta
B0 … indukce magnetického pole
 
  Uvedený energetický rozdíl odpovídá frekvenci přechodu:
 
n = g. B0/2p (rezonanční podmínka)
 
  Frekvence přechodu leží obvykle v oblasti desítek až stovek MHz 
  Populace jader na obou energetických hladinách je vzhledem k malému 
  energetickému rozdílu téměř shodná 
 
Instrumentace v NMR spektrometrii
  Vzorek obsahující magneticky aktivní jádra se umístí do magnetického pole 
  Střídavý vysokofrekvenční proud se přivádí cívkou, která je umístěna v 
  blízkosti vzorku 
  Je možné spojitě měnit intenzitu magnetického pole nebo frekvenci proudu v 
  cívce 
  Při splnění rezonanční podmínky dojde k absorpci radiofrekvenčního záření, 
  která se elektronicky zaznamená 
  Magnetické pole je obvykle vytvářeno supravodivými cívkami ze speciálních 
  slitin 
  Cívka je umístěna v kapalném heliu a protéká jí proud asi 100 A 
  Indukce magnetického pole bývá 4 - 18 T 
  Magnetické pole musí být vysoce stabilní, nehomogenita pole se upravuje 
  pomocnými cívkami a rotací kyvety se vzorkem 
  Zdrojem energetických kvant je vysokofrekvenční elektromagnetické pole 
  realizované cívkami napájenými z vysokofrekvenčního generátoru 
  Vzorek se rozpouští v deuterovaném rozpouštědle 
  Obvykle se vzorek umisťuje do skleněné kyvety (trubičky) o průměru 2 až 5 mm s 
  rovně zabroušeným dnem 
  U současných FTNMR spektrometrů je obvykle používána stejná cívka pro vyslání 
  pulsu i pro snímání odezvy systému 
  Moderní spektrometry jsou výhradně řízeny výkonným počítačem
 
 FTNMR spektrometrie
  Současné moderní NMR spektrometry pracují v režimu Fourierovy transformace 
  Všechna jádra jednoho izotopu jsou excitována velmi krátkým (mikrosekundovým) 
  radiofrekvenčním pulsem 
  Krátký radiofrekvenční puls vykazuje jistou neurčitost frekvence a obvykle 
  pokrývá oblast všech jader studovaného izotopu 
  Návrat jader do rovnovážného stavu se sleduje jako volné doznívání indukce 
  Volné doznívání indukce má tvar exponenciálně tlumené periodické funkce 
  představující součet sinusoid s frekvencemi příslušejícími jednotlivým 
  signálům 
  Signál získaný jako volné doznívání indukce je podroben Fourierově 
  transformaci vedoucí k obvyklému tvaru spektra NMR 
  Výhodou FTNMR je především možnost opakovat rychle po sobě stejná měření a 
  sčítat výsledné záznamy, což významně zvyšuje citlivost měření 
  Metoda FTNMR umožňuje měřit značně zředěné vzorky 
 
Určování struktury sloučenin z NMR spekter
Chemický posun
  Významná strukturní informace obsažená v NMR spektrech 
  Teoreticky by měla všechna jádra jednoho izotopu vložená do téhož magnetického 
  pole rezonovat při stejné frekvenci (poskytovat jediný signál) 
  Pozorování NMR spekter je umožněno stíněním jader (zejména elektrony) 
  Jádra stejného izotopu, která nemají stejné chemické okolí, se liší intenzitou 
  stínění (rozložením elektronů ve svém okolí) 
  Intenzita stínění je charakterizována stínící konstantou s 
  Magnetické pole působící na jádro je potom dáno vztahem: B = B0.(1-s) 
  Pro vyjadřování chemického posunu se používá stupnice d s jednotkou ppm 
  odpovídající miliontině vnějšího pole 
  Jako počátek stupnice d slouží pro 1H NMR spektra signál tetramethylsilanu 
  (TMS) 
  Nejvíce stíněné protony se vyskytují při nízkých nebo dokonce záporných 
  hodnotách ppm (iontové hydridy, organokovové sloučeniny) 
  Nejméně stíněna jsou jádra vodíku v H+, který nemá v sousedství žádný elektron
 
Multiplicita signálů
  Další významná strukturní informace obsažená ve spektrech NMR 
  Je způsobena interakcí jádra s jádry sousedních atomů aktivních v NMR 
  zprostředkovanou valenčními elektrony 
  Ve spektru je pozorováno štěpení linií studovaných jader 
  Vzdálenost rozštěpených linií (v Hz) udává interakční konstanta 
  Interakční konstanty jsou nezávislé na indukci vnějšího magnetického pole 
  Interakce jader 1H-1H dosahují maximálních hodnot okolo 25 Hz 
  V případě 1H NMR lze snadno pozorovat interakce přes dvě a přes tři vazby 
  V případě 1H NMR se nejčastěji pozoruje štěpení signálu způsobené atomy vodíku 
  vázanými na sousední atom 
  V případě 13C NMR spektra se pozorují interakce s vodíky vázanými přímo na 
  daný uhlíkový atom 
  Je-li jádro obklopeno více magnetickými jádry, každá linie, která vznikne 
  interakcí s jedním ze sousedních jader, bude dále štěpena interakcí s dalším 
  sousedním jádrem 
  U jader s I = 1/2 dochází při běžné interakci ke vzniku dvou linií z jedné 
  původní 
  Výsledný signál se skládá z řady linií, jeho celkový vzhled se nazývá 
  multiplicita signálu 
  Příkladem je triplet o poměru intenzit 1:2:1 získaný pro jádra štěpená 
  interakcí se dvěma jádry se stejnými interakčními konstantami 
  Pro štěpení třemi interagujícími jádry lze nejčastěji získat (za předpokladu 
  štěpení se stejnými interakčními konstantami) kvadruplet s liniemi v poměru 
  intenzit 1:3:3:1
 
Intenzita signálů
  Plocha každého signálu je úměrná počtu chemicky ekvivalentních jader v 
  molekule 
  Počet signálů v NMR spektru a jejich intenzita poskytují informaci o počtu 
  skupin chemicky ekvivalentních jader a o počtu jader v každé skupině
 
Aplikace NMR spektrometrie
  Nejvíce propracovanou a nejdůležitější oblastí využití NMR spektrometrie je 
  strukturní analýza organických i anorganických sloučenin 
  Skupinová analýza sloučenin využívá skutečnosti, že jádra atomů v podobných 
  sloučeninách mají podobné chemické posuny (důkaz aldehydu či aromátu ve směsi) 

  NMR se často využívá pro důkaz látky ve směsi nebo pro vyloučení její 
  přítomnosti na základě srovnání se spektrem čisté studované složky 
  Vedle nejčastěji měřených 1H a 13C NMR spekter se mnohdy provádí rovněž měření 
  spekter 15N, 19F a 31P 
  Pro strukturní analýzu bývá vhodné kombinovat závěry získané metodou NMR s 
  výsledky jiných metod (MS, IR, Ramanova spektrometrie) 
  Metoda NMR může být použita pro studium rovnovážných poměrů chemických reakcí 
  Metoda NMR může být rovněž využita pro kvantitativní analýzu 
  Pomocí NMR se nejčastěji měří kapalné vzorky, metodu lze použít též k analýze 
  a studiu pevných vzorků 
  Moderní aplikací NMR je zobrazování malých prostorových elementů různých 
  objektů využívané v lékařství a biologii 
  Metoda NMR je vzhledem k vysoké ceně stanovení vhodná tam, kde jiné analytické 
  metody selhávají nebo tam, kde jsou vysoké nároky na správnost analýzy
 
Analýza pevných vzorků 
  Pevné vzorky lze prostřednictvím metody NMR analyzovat, avšak jejich měření je 
  technicky mnohem náročnější než analýza kapalin 
  Je-li možné pevný vzorek převést do roztoku, upřednostňuje se měření v kapalné 
  fázi 
  Při analýze pevných vzorků metodou NMR je nutné překonat obtíže související s 
  anizotropií chemického posunu 
  V pevných látkách má stejné jádro v různě orientovaných molekulách (vzhledem k 
  magnetickému poli) různé chemické posuny v rozpětí až několika set ppm 
  Ve spektru by se takto získaly široké pásy neumožňující poskytnout informace o 
  skutečných chemických posunech 
  Zprůměrování je dosaženo velmi rychlou rotací vzorku pod úhlem 54,73° vzhledem 
  k magnetickému poli 
  Dalším problémem analýzy pevných vzorků pomocí NMR jsou dlouhé relaxační časy 
  Zdrojem obtíží mohou být rovněž dipolární interakce vedoucí k nežádoucímu 
  štěpení pozorovaných signálů
 
NMR zobrazování
  NMR zobrazování (tomografie) představuje metodu umožňující získat informace o 
  malých prostorových elementech sledovaného objektu 
  Zobrazovací metoda je založena na použití gradientů magnetického pole 
  Magnetické pole se lineárně mění ve směru některé z os 
  V základním provedení metoda poskytuje informaci o množství protonů v 
  objemovém elementu o rozměrech několika milimetrů 
  Význam NMR zobrazování pro biologii a lékařství je obrovský 
  Výsledky měření se zpracovávají na různě orientované řezy, kde různé barvy 
  odpovídají různě silným odezvám 
  Barvy jsou voleny tak, aby zdůraznily kontrast mezi odezvou z normální 
  (zdravé) a nějak postižené (nezdravé) tkáně studovaného objektu
 
Elektronová paramagnetická rezonance (EPR)
  Metoda založená na stejném principu jako nukleární magnetická rezonance 
  Při absorpci energie dochází k přechodu mezi energetickými hladinami 
  odpovídajícími různým orientacím spinu nepárových elektronů atomů či molekul 
  ve vnějším magnetickém poli 
  Každý elektron má vnitřní moment hybnosti - spin, se kterým je spojen vznik 
  spinového magnetického momentu µS:
 
µS = ge.h.S/2p
ge … gyromagnetický poměr elektronu
h … Planckova konstanta
S … spin elektronu
 
  Vedle spinového magnetického momentu se u elektronů projevuje ještě magnetický 
  moment, jenž vzniká v důsledku orbitálního pohybu elektronů:
 
µL = ge.h.L/2p
ge … gyromagnetický poměr elektronu
h … Planckova konstanta
L … vektor orbitálního momentu
 
  Uvedené magnetické momenty (spinový a orbitální) se vektorově sčítají a 
  výsledný magnetický moment lze charakterizovat celkovým momentem hybnosti 
  elektronu J 
  Celkový magnetický moment elektronu je potom popsán vztahem:
 
µe = ge.h.J/2p = ge.e.h.J/4p.me = ge.µB.J
J … celkový moment hybnosti elektronu
ge … faktor spin-orbitální interakce pro elektron (Landeho faktor)
e … elementární náboj
me … klidová hmotnost elektronu
µB … Bohrův magneton
µB = e.h/4p.me = 9,273.10-24 Am2
 
  Metoda EPR je použitelná pouze pro systémy s nenulovým spinem, tedy pro 
  systémy obsahující alespoň jeden nepárový elektron 
  Nenulový spin vykazují paramagnetické ionty některých přechodných kovů nebo 
  kovů vzácných zemin a organické volné radikály 
  Působíme-li na systém s nenulovým spinem magnetickým polem, dojde k rozštěpení 
  původního energetického stavu na hladiny odpovídající jednotlivým orientacím 
  celkového momentu hybnosti 
  Energie jednotlivých hladin je dána vztahem:
 
E = -µe.B0 = -ge.µB.J.B0
 
  Pro rozdíl energie sousedních hladin platí rezonanční podmínka:
 
DE = h.n = ge.µB.B0
 ge … faktor spin-orbitální interakce elektronu
µB … jednotka magnetického momentu elektronu - Bohrův magneton
B0 … indukce magnetického pole
h … Planckova konstanta
n ... frekvence elektromagnetického záření
 
  Všechny hladiny v daném systému jsou od sebe stejně vzdálené 
  Rozdíly energie mezi hladinami jsou větší než v NMR, systémy studované v EPR 
  absorbují mikrovlnné záření s vlnovou délkou několika cm 
  Metoda EPR je mnohem citlivější než metoda NMR
 
Základní parametry spektra EPR
Spin-orbitální interakce v EPR
  Volný elektron bez jakékoliv interakce s okolím má hodnotu faktoru 
  spin-orbitální interakce ge = 2,00000 (po započtení relativistických efektů ge 
  = 2,00232) 
  V atomech a v molekulách je hodnota faktoru spin-orbitální interakce vlivem 
  okolí změněna 
  Faktor ge má v EPR spektroskopii podobný význam jako chemický posun v NMR 
  V organických radikálech se neprojevuje efekt stínění ostatními elektrony a 
  nalezený signál v EPR spektrech má hodnotu ge pouze málo odlišnou od 2,00232 
  V komplexech přechodných kovů může ge faktor dosahovat hodnot výrazně větších 
  nebo menších než je teoretická hodnota (mění se od 1 do 8)
 
Spin-spinové interakce v EPR
  Dochází-li k interakci nepárového elektronu s magneticky aktivními jádry 
  okolních atomů nebo s jinými nepárovými elektrony, je signál ve spektru štěpen 
  na multiplety 
  U organických radikálů dochází nejčastěji ke spinovým interakcím mezi 
  nepárovým elektronem a vodíkovými jádry v jeho okolí (analogie NMR) 
  Intenzita interakce je charakterizována konstantou hyperjemného štěpení 
  Struktura multipletů může být obecně dosti složitá
 
Experimentální uspořádání v EPR
  Měření EPR spekter se provádí při konstantní frekvenci mikrovlnného záření a 
  plynule proměnné indukci magnetického pole 
  Homogenní magnetické pole poskytuje elektromagnet, na jehož stabilitu jsou 
  kladeny velké nároky 
  Zdrojem mikrovlnného záření je klystronový oscilátor 
  Energie záření prošlého vzorkem se měří pomocí krystalového polovodičového 
  detektoru 
  Vzorek je obvykle umístěn v křemenné kapiláře 
  Jako standard k určování ge faktoru slouží N,N´-difenyl-N´-dipikrylhydrazinový 
  radikál stabilní v krystalickém stavu (ge = 2,0036)
 
Analytické aplikace EPR
  Metoda EPR slouží k důkazu radikálů ve vzorcích 
  Pomocí EPR byl potvrzen radikálový mechanismus polymerizačních reakcí 
  Metodu lze použít pro sledování procesů spojených s přenosem náboje (oxidace, 
  redukce) 
  Běžně lze studovat radikály o koncentraci 10-5 mol.l-1 s dobou života kolem 1 
  µs 
  Měření lze provádět v kapalném, plynném i pevném skupenství 
  Velký praktický význam má studium iontů přechodných kovů a organokovových 
  sloučenin (heterogenní katalýza, biochemické a biologické aplikace) 
  Data získaná ze spekter EPR poskytují informace o rozložení pravděpodobnosti 
  výskytu nepárového elektronu v molekule (určování elektronové struktury látek) 

  Intenzity signálů je možné využít ke kvantitativnímu stanovení látek
 
 Literatura
Spasov S., Kamenov L.: Jaderná magnetická rezonance v organické chemii, SNTL, 
Praha 1981.
Derome A.E.: Modern NMR Techniques for Chemistry Research, Pergamon Press, 
Oxford 1987.
Ernst R.R., Bodenhausen G., Wokaun A.: Principles of Nuclear Magnetic Resonance 
in One and Two Dimensions, Oxford University Press, Oxford 1987.
Gunther H.: NMR Spectroscopy. Basic Principles, Concepts and Application in 
Chemistry, Wiley, New York 1992.
Hecht H.G.: Magnetic Resonance Spectroscopy, J. Wiley, New York 1967.
Sanders J.K.M., Hunter B.K.: Modern NMR Spectroscopy, Oxford University Press, 
Oxford 1993.
Wertz J.E., Bolton J.R.: Electron Spin Resonance, Elementary Theory and 
Practical Applications, Chapman and Hall, 1986.
Mabbs F.E., Collison D.: Electron Paramagnetic Resonance of d Transition Metal 
Compounds, Elsevier, Amsterdam 1992.