Fosforová nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia

Fosforová nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia alebo 31P NMR spektroskopia (často len ako 31P NMR) je spektroskopická metóda analytickej chémie, ktorá využíva nukleárnu magnetickú rezonanciu na štúdium organických zlúčenín, ktoré obsahujú fosfor. Fosfor sa bežne nachádza v organických zlúčeninách a koordinačných komplexoch (v podobe fosfánov), vďaka čomu je užitočné merať 31P NMR spektrá. 31P NMR spektroskopia meraná v roztoku je jedna z bežnejších NMR techník, pretože fosfor je monoizotopický prvok (teda 100 % jadier fosforu v prírode je 31P) a jeho jadro má relatívne vysoký gyromagnetický pomer. Okrem toho má jadro 31P spin ½, takže je tieto spektrá relatívne jednoduché interpretovať. Jediné ďalšie jadrá, ktorú sú aktívne v NMR, majú spin ½, sú vysoko senzitívne a monoizotopické (alebo aspoň takmer) sú 1H a 19F.
Vlastnosti.
Gyromagnetický pomer je asi 40,5 % pomeru 1H, takže signály 31P NMR sú pozorované pri 202 MHz na 11,7 Tesla magnetoch (používaných pre 500 MHz 1H NMR merania). Štandardom pre chemický posun je 85% kyselina fosforečná (H3PO4), ktorej sa prisudzuje posun 0, pričom potom kladný posun predstavuje slabšie pole/vyššie frekvencie. Kvôli nekonzistentnmu nukleárnemu Overhauserovmu efektu nie je možné použiť integrály na určenie počtu jadier. Zvyčajne sa spektra zaznamenávajú bez interakcie s protónmi, tzv. protón-dekaplované fosforové NMR spektrá označované {1H}31P-NMR.
Dohody, ktoré platia pre 31P NMR (a iné jadrá), sa zmenili v roku 1975, odkedy sa zmenilo znamienko chemického posunu: „Bezrozmerné škály by mali byť definované s kladnými hodnotami v smere vyššej frekvencie (slabšieho poľa).“ Články spred tohto roku teda majú zvyčajne opačné znamienko.
Chemické posuny fosforu v zlúčeninách.
Pre každú zlúčeninu obsahujúcu v svojej štruktúre fosfor musí byť premerané fosforové NMR spektrum, pričom sa zvyčajne meria protón-dekaplované fosforové NMR spektrum. Chemické posuny zlúčenín fosforu majú rozsah až 700 ppm, čo umožňuje rozlíšiť chemické posuny aj veľmi príbuzných zlúčenín.Chemické posuny fosforu sú ovplyvňované elektrónovou hustotou v okolí jadra 31P: elektrónová hustota v okolí jadra fosforu je ovplyvňovaná oxidačným číslom fosforu, mierou iónového/kovalentného charakteru väzby P-X a rádom väzby (P-X vs. P=X). Chemické posuny fosforu sa referencujú voči 85 % vodnému roztoku kyseliny fosforečnej umiestnenej v zatavenej kapiláre ako externý štandard.
Interakčné konštanty fosforu v zlúčeninách.
Interakčné konštanty fosforu majú obrovský rozsah od 0 Hz až po 4000 Hz. Veľkosť interakčnej konštanty "J"(P,X)závisí od oxidačného čísla fosforu. Interakčné konštanty fosforu našli využitie pri štúdiu nukleotidov: geminálne interakcie 2"J"(P-O-P)dosahujú 20 Hz a objavujú sa v protón dekaplovaných fosforových spektrách.
Použitie.
31P NMR sa využíva na určovanie štruktúry novo pripravených látok obsahujúcich fosfor, umožňuje využitie 31P NMR parametrov na určenie konfigurácie látok pomocou NMR spektier meraných v roztoku aj v kvapalných kryštáloch. Meranie v kvapalných kryštáloch poskynuje navyše informáciu o dipolárnych interakciách, ktoré v roztoku nemožno pozorovať, pretože sú rýchlymi reorientáciami molekúl spriemerované k nule.
Biomolekulárne použitie.
31P NMR spektroskopia sa bežne používa na štúdium fosfolipidových dvojvrstiev v prirodzených podmienkach. Analýza 31P NMR spektier lipidov umožňuje zisk mnohých informácií o tvorbe a tvare dvojvrstiev, fázových premenách (gélový fáza, fyziologický tekutý kryštál, nedvojvrstvové fáze...), orientácií a dynamike lipidov a elastických vlastnostiach čistých lipidových dvojvrstiev a zmeny pri naviazaní bielkovín a iných biomolekúl.
Diagnostika.
31P NMR možno použiť na diagnosticku rôznych porúch a chorôb, napríklad McArdleovej choroby alebo nádorov mozgu.