 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
51
Предложенные физиками эффективные методы экспериментальных исследований макрообъектов
на молекулярном уровне – ядерный магнитный резонанс, оптическая спектроскопия, масс-
спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, нейтронография и т. п. – позволяют исследовать
состав и структуру необычайно сложных молекул, что способствует изучению, например,
химической природы жизненно важных биологических процессов.
Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на анализе взаимодействия магнитного
момента атомных ядер с внешним магнитным полем. Это один из важнейших методов в разных
отраслях естествознания, в особенности, в химии: химии синтеза, химии полимеров, биохимии,
медицинской химии и т. п. С помощью метода ЯМР можно определить, например, химическое
окружение атомов водорода даже в таких сложных молекулах, как сегменты ДНК. Прогресс в
развитии спектроскопии ЯМР зависит от возможности создания сильного магнитного поля,
которое можно получить с помощью компактных сверхпроводящих магнитов. Созданный в 1973
г. томограф, основанный на ЯМР, позволяет наблюдать картину распределения химических
отклонений и концентрации ядер таких крупных объектов, как тело человека, что весьма важно
при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.
Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр излучения вещества,
находящегося в различных агрегатных состояниях: твердом, .жидком, газообразном.
Спектральный анализ – физический метод качественного и количественного определения состава
вещества по его оптическому спектру излучения. В качественном спектральном анализе
полученный спектр интерпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и
индивидуальных соединений. Содержание исследуемого вещества при количественном
спектральном анализе определяют по относительной или абсолютной интенсивности линий или
полос спектра.
С применением лазерного источника излучения и персонального компьютера возможности
оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнаружить
отдельную молекулу или даже атом любого вещества.
С помощью метода индуцированной лазерной флуоресценции можно регистрировать
загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.
В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале превращается в газовую фазу, затем газ
конденсируется и ионы ускоряются до заданной кинетической энергии электрическим полем.
Масса частиц может быть определена двумя способами: измерением радиуса кривизны
траектории иона и измерением времени пролета им заданного расстояния.
Масс-спектрометры отличаются высокой чувствительностью и могут обнаружить, например,
три атома изотопа
14C
среди 10
16
атомов
12
С. Такое содержание изотопа
14
С соответствует,
согласно радиоизотопному методу, возрасту пород в 70 000 лет. Масс-спектрометрия широко
применяется для анализа элементов, определения изотопного состава и строения молекулы в
таких областях, как производство интегральных схем, металлургия, ядерная, нефтяная,
фармацевтическая и атомная промышленность.
Комбинированные приборы – хромато-масс-спектрометры – позволяют обнаружить в питьевой
воде галогеноуглеводороды и нитрозамины, а также определить небольшие концентрации одного
из самых ядовитых веществ – изомеров диоксина.
Сочетание газового хроматографа с масс-спектрометром – лучший аналитический прибор для
работы со сложными смесями, позволяющий решать разнообразные задачи химии, биологии,
геохимии, экологии, криминалистики и других наук. Однако вплоть до недавнего времени
применение такого прибора ограничивалось лишь легко испаряемыми веществами. С разработкой
способов десорбции ионов из твердых образцов путем бомбардировки их ионами, фотонами или
нейтральными частицами границы применения масс-спектроскопии значительно расширились.
Существенно увеличились определяемые предельные молекулярные массы соединений,
исследуемых методом масс-спектроскопии. Например, плазменная десорбция с применением
бомбардировки продуктами деления радиоактивного калифорния-252 позволила получить ионы с
молекулярной массой 23000 и произвести их масс-спектральный анализ. С помощью полевой и
лазерной десорбции можно получить масс-спектральные характеристики фрагментов ДНК. Для
идентификации неизвестного вещества методом масс-спектроскопии достаточно всего
10
-10
соединения.В плазме крови масс-спектрометр регистрирует активное вещество марихуаны в
концентрации 0,1 мг на килограмм массы тела.