Что такое “Техническое задание” и с чем его едят.
Вот Вы впервые задумались о покупке ЯМР спектрометра. Сразу, как стена, перед Вами вырастает целый лес очень важных и сложных вопросов, на которые придется получить ответ, прежде чем Вы станете обладателем заветного трофея. Этой заметкой я хотел бы снять хотя бы часть завесы, окружающей процесс выбора друга и партнера на многие годы, а именно другом и партнером в Ваших исследованиях и должен стать Ваш ЯМР спектрометр.

Для чего Вам прибор?


Как ни странно звучит данный вопрос, но именно с ответа на него и следует начинать свой выбор. Все мы реалисты и знаем, что ресурсы всегда ограничены и должны быть использованы с максимальной пользой. А что же есть польза? Наверное, эффективность при решении стоящих перед исследователем задач, и некоторый запас по мощности, который пока Вы не можете использовать, но со временем надеетесь освоить. Иными словами, покупая автомобиль для ежедневный поездок по переполненному городу из дома до работы и обратно, да еще и в полном одиночестве, Вы врядли будете склоняться в 10-ти местному автобусу. Бензина выпьет массу, разорит на дорожном налоге, да и запарковать его там откуда только что выехали “Жигули” удасться с трудом.
Так же и со спектрометром: если Вас интересует контроль чистоты и структуктуры соединений в лаборатории органического синтеза исследовательского института или университета, то врядли нужно останавливать свой выбор на спектрометре, укомплектованном большим числом каналов, массой датчиков, высокопольным магнитом. Все это никогда не пригодиться, но деньги будут потрачены.
Первым вопросом который Вы должны честно решить для себя: какие эксперименты Вам нужны, и какая минимальная комплектация спектрометра Вас устроит. Помните, что ЯМР спектрометр сродни конструктору LEGO - его всегда можно “дособрать”, купив то, чего не хватило ранее. В то же время, то, что уже куплено, вы никогда не сможете продать, если придете к выводу, что оно Вам не пригодилось.

Частота и с чем ее едят.

Начиная свою ЯМР карьеру часто среди таких же как и я студентов-химиков, слышал рассуждения: у нас только 200 МГц. Вот бы 400 - вот тогда бы ... Сейчас, спустя более 20 лет, можно услышать все те же разговоры, только 200 МГц заменены на 400-500МГц, а в роли 400-ки сейчас используют 700-800МГц. Так давайте посмотрим все “за” и “против” повышения частоты спектрометра.

Чувствительность.

Безусловный “плюс” повышения частоты - это повышение чувствительности спектрометра. Иными словами вы получаете спектр гораздо более высокого качества при том же количестве вещества за тот же промежуток времени. При возрастании частоты в два раза Вы получите почти 4-х кратный выигрыш по чувствительности! Наверное это стоит того, чтобы заплатить больше денег? Ответ не очевиден. Если вы итак работаете с веществами, предел растворимости в стандартный ЯМР-ных условиях составляет не менее 5-10 мг/0.5мл, а получение лишних 50-100мг образца для вас не будут обременительны, то смысла в такой переплате скорее свего нет. Вот если образца у Вас впритык для того, чтобы выкопить простой протонный одномерный спектр, а взять его негде, или же вещества-то много, но растворить его в нормальном количестве не представляется возможным, тогда такая трата для вас является абсолютно необходимой.

Повышение “разрешения”

Если Вы сравнивали спектры, полученные на спектрометрах с разной частотой, то наверное замечали, что то, что было “кашей” из сложных мультиплетов на 200МГц, на приборе с рабочей частотой в 400МГц зачастую выглядит как хорошо разрешенные отдельностоящие мультиплеты, из которых можно определить не только химический сдвиг, но и определить все константы спин-спинового взаимодействия. Секрет прост: каждый сигнал в спектре имеет свой уникальный химический сдвиг в спектре, но “размер” самого “химического сдвига” зависит от частоты спектрометра! Если расстояние между двумя сигналами равно 1 м.д., то на спектрометре на 90 МГц расстояние в герцах составит только 90Гц, в то время как на 400-ке - целых 400! При повышении частоты сигналы как бы “обузились” и “разъехались”. Дополнительным бонусом является переход от сильносвязанных спектров, из которых невозможно непосредственно без симуляции получить КССВ, к спектрам первого порядка, где для такой процедуры вам вполне достаточно вычесть частоту одной линии мультиплета из частоты другой, чтобы получить значение константы.
Здесь мы имеем почти чистый “плюс” от повышения частоты. О маленьком “минусе” речь пойдет ниже.

Расплата.

Бесплатный сыр бывает только в мышеловках, и эти выигрыши вы сполна оцените не только в спектрах, но по толщине своего кошелька.
Частота спектрометра не берется просто так из ниоткуда. Частота напрямую связана с напряженностью магнитного поля всерхпроводящего магнита, являющегося неотъемлемой частью спектрометра. А напряженность очень сильно связана с размерами самого магнита, с эксплуатационными расходами на жидкий гелий и жидкий азот, чувствительности магнита к магнитному окружению. Если маленький и экономичный магнит с годовым удержанием жидкого гелия на 400 МГц (9.4Тл) вполне может разместиться в комнате с потолком от 2.3 м и имеет массу порядка 600 кг, то магнит на 600МГц потребует уже не менее 3-х с лишним метров высоты до потолка, а его масса порядка полутора тонн может создать серьезные ограничения для его размещения на 4-м этаже университетского корпуса. Эксплуатационные расходы при педеходе от 400 к 600МГц возрастут примерно в 2.5-3 раза.
Цена самого спектрометра в сопоставимой конфигурации при такой замене вырастет примерно в два раза.

Теперь давайте же чуть более подробно остановимся на тех параметрах, которые можно встретить в техническом задании на конкурс или аукцион и попытаемся оценить важность того или иного параметра. Посмотрим, которые из них имеют смысл, а какие используются только для того, чтобы победил тот или иной участник торгов.

Магнит:

“Вертикальное и горизонтальное поле рассеивания магнита”. Обычно указано расстояние от центра магнита до отметки, в которой напряженность поля равна 5 Гс.

Почему 5Гс? И что же показывает данный параметр?

5 Гс - это та отметка, на которую можно приблизить массивные магнитные или металлические предметы не только без вреда для магнита, но и не вызывая возмущения однородности магнитного поля в области расположения катушки датчика и образца. На этом расстоянии могут работать практически все электронные приборы. Чем меньшие значения обеспечивает магнит, тем он менее чувствителен к окружнию: хождению вокруг него, проезду грузовиков за окнами помещения и т.д.
Так какой же магнит лучше? Тот у которого данный параметр равен 50 см или 40см? Ответ может Вас удивить: они абсолютно одинаковы! При диаметре 400 МГц магнита порядка 80 см и размером опоры магнита порядка 30 см, что 40, что 50 см будут практически вплотную примыкать к корпусу магнита и в любом случае находятся внутри foot-print area - области, очерченной на полу контуром магнита и его опорами. В эту область никогда не ставиться никакая электронная аппаратура, а массивные металлические предметы могут появиться внутри нее только по чьему-то злому умыслу.

Время удержания жидкого гелия.

Данный параметр очень тесно связан с размером криостата и эффективностью тепловой защиты магнита. Давайте рассмотрим два граничных случая. В первом случае мы имеем трехлетний период удержания гелия и очень большой размер криостата, который способен выдержать большой суточный расход жидкого гелия. Второй вариант - магнит, который необходимо заливать раз в месяц, но его расход составляет лишь 10-ю часть от суточного расхода первого магнита. Какой же из них является более выгодной покупкой? На первый взгляд им должен всегда быть только второй магнит. В большинстве случаев это, действительно так: в 10 раз снижаются расходы на жидкий гелий! Куда же лучше!? В реальности, чтобы произвести заливку жидкого гелия один раз в месяц вы должны пройти длинную подготовительную цепочку: отнести заявку на оплату в бухгалтерию, согласовать время привоза сосуда с гелием, оплатить его доставку, остановить на полдня любые эксперименты на спектрометре, потратить время на заливку, подождать пока магнит успокоится. Хорошо если магнит установлен в местности в которой доставка жидкого гелия не доставить больших проблем и составляет лишь малую часть от стоимости самого гелия. Совершенно другая ситуация там, где доставка гелия сопоставима по стоимости с самим гелием, а то и выше. В этом случае первый магнит может быть намного интереснее второго. Обычно современные промышленные магниты занимают пространство между этими двумя граничными вариантами, а предпочтительность выбора того или иного магнита можно достаточно легко подсчитать хоть в рублях, хоть в долларах.

Зона вертикальной однородности и количество резистивных шимм.

Эти два параметра, появивишиеся в техническом задании конкурса, сразу указывают на то, что в конкурсе уже определился победитель. Бесполезность и абсурдность обоих параметров можно показать легко на пальцах.
Если Вы хоть раз видели спектр ЯМР, то вы легко можете себе представить, простота его расшифровки зависит от разрешения: чем уже линия в спектре и чем глубже “прорезается” ложбинка между линиями, тем проще и точнее можно оценить интегральную интенсивность и химический сдвиг сигналов. А от чего зависит само разрешение? В первую очередь от формы линии сигнала.
Разумно было бы предположить, что получив при помощи различных технических ухищрений максимально узкий сигнал мы и добъемся оптимума?

Ширина линии в спектре зависит в первую очередь от однородности магнитного поля в области образца. Иными словами все магнитно активные ядра внутри образца должны резонировать при одном и том же значении напряженности магнитного поля, независимо от того в верхней части ампулы находится это ядро или в нижней; справва или слева. Для того, чтобы добиться этого у ЯМР спектрометра имеется две возможности: грубая настройка однородности при помощи криошимм (сверхпроводящих катушек сложной формы, ток в которые попадает в момент инсталляции магнита и компенсирует исходную неоднородность поля) и настройка при помощи резистивных шимм. Эти шиммы представляют собой все те же катушки сложной формы, размещенные на помещенном в зазор магнита цилиндрическом основании. Неоднородности магнитного поля устраняются за счет подачи тока определенного знака и значения в каждую из катушек.
Так что же лучше? Чем больше катушек, тем лучше мы можем настроить однородность? Боюсь, что не все так просто. Катушки требуют места. Катушки при прохождении через них тока выделяют тепло, которое необходимо отвести от магнита и от датчика. Чем больше катушек, тем больше времени необходимо затратить на их настройку и тем выше квалификация должна быть у специалиста, который это делает. А что мы имеем на выходе? Если точно такую же форму сигнала мы можем иметь на спектрометре, оборудованном вдвое меньшим количеством шиммных катушек, то для чего все это было сделано?
Если учитывать то, что неоднородность магнитного поля не единственный источник уширения сигнала: уширение может быть обусловлено такими физическими параметрами как времена релаксации T1 и T2 или конструкцией и качеством изготовления датчика или концентрацией вещества в образце, то “полезность” этих параметров становится практически равной нулю.
У меня зачастую создается впечатление, что исходно плохую однородность магнитного поля самого магнита, пытаются компенсировать увеличением числа резистивных шиммных катушек.

Блок электроники:

Теперь мы вступаем на минное поле, которое непосвященному человеку и человеку далекому от радиоэлектроники пройти ох как непросто! Производители оборудования, готовящие тексты технических заданий на этой территории соревнуются между собой в эрудированности, в жонглировании цифрами, в попытках объяснить необъяснимое.
Давайте попробуем приоткрыть завесу этой кухни. Посмотрим сколько из того, что написано в ТЗ реально может сказаться на результатах Ваших экспериментов и на диапазоне тех методов, которые Вы сможете применить для исследований своих систем.

Диапазон частот или диапазон ядер или эксперименты на ядрах X-Y.

Для примера проще всего взять спектрометр на 400МГц и перейти к частотной шкале. Принцип останется тот же при переходе к приборам с более высокой рабочей частотой.
Обычное для большого числа ТЗ требование имеет пункт не менее двух независимых радиочастотныйх каналов 6-430 МГц либо 6-640 МГц. Какая же выгода Вам, как пользователем спектрометра будет получена от такого, мягко говоря “странного” требования. Выгода будет получена не Вами, а конкретным производителем оборудования! Вы понесете только прямые убытки из-за отсутствия конкуренции и невозможности поставить оборудование с такими характеристиками никем кроме этого конкретного производителя!
Давайте чуть боле детально рассмотрим почему.
Предположим, что Вы - химик органик и для Вас основными ядрами являются 1H, 19F, 13C, 31P, 15N и может быть еще пара-тройка чуть более экзотичных ядер. Все эти ядра лежат в диапазоне от 40 до 400 МГц, да и большинство рутинных датчиков позволяют проводить эксперименты именно в этом частотном диапазоне. Для чего же нужны частоты вне этого рабочего диапазона и насколько они важны?
Они могут потребоваться только для весьма специфических экспериментов, проводимых с элементоорганическими, неорганическими образцами. Однако, учитывая квадратичную зависимость чувствительности от частоты и то, что большинство ядер в диапазоне ниже 40 МГц являются квадрупольными, т.е. со спином больше 1/2, а сигналы в спектре ЯМР на таких ядрах будут очень широкими, а чувствительность столь низкой, что об их использовании не может быть и речи. Стоит отметить, что все ядра в этом диапазоне имеют относительную чувствительность, не выше 5% от чувствительности 13С - не самого удобного для наблюдения ядра.

Вторым весьма сомнительным требованием является необходимость не менее двух независимых радиочастотных каналов с таким частотным диапазоном. С первого взгляда видно какие именно ограничения могут встретиться при попытке использования одновременно этих двух каналов: наличие как минимум двух широкополосных усилителей мощности, которые способны работать во всем этом частотном диапазоне. На коммерческих спектрометрах это огромная редкость. Это дополнительное удорожание системы, не приносящее никакой дополнительной гибкости при проведении экспериментов, на которое производители не идут. Обычно, двухканальные спектрометры имеют один высокочастотный усилитель мощности для возбуждения таких ядер, как 1H, 19F и низкочастотный усилитель, используемый для работы с ядрами от 31P и ниже. В чем смысл иметь два канала, использование во всем частотном диапазоне которых ограничены линейными усилителями мощности? Дополнительным ограничением для использования такого широкого диапазона является датчик: для получения оптимальных параметров по чувствительности для каждого канала датчика он оптимизирован в достаточно узком частотном диапазоне. В природе нет ни одного датчика, который способен перекрыть весь диапазон от 6 до 430 МГц.

Разрешение по частоте.

Этот параметр, который способен задурить мозги начинающему спектроскописту. Это классический пример подмены понятий и манипулирования терминами.
Требование ТЗ о разрешении 0.005 Гц и менее не является спектральным разрешением! Это не более, чем один из фокусов производителей!
Но, все-таки, давайте разберемся что к чему и что может дать данный параметр спектроскописту и откуда берется такое требование.
Давайте предположим, что мы все-таки способны получить такое высокое разрешение в спектре. 1/0.005=200с!!!! Чтобы получить такое разрешение время выборки FID должно составлять 200с!!! И это при идеальной однородности магнитного поля внутри образца! Но здесь мы упремся в ограничения физических законов: реальные времена релаксации сигналов протона в реальных условиях не превосходят и 10с да и то с использованием специально обезгаженных растворителей для удаления следов парамагнитного кислорода, способного значительно сократить наблюдаемые времена релаксации и дополнительно уширить сигналы.
Возможно, что такая точность необходима для селективного возбуждения очень узкого диапазона частот. Но и в этом случае она абсолютно бесполезна: ни в импульсном режиме, не при селективном облучении сигнала очень малой мощностью невозможно возбудить область менее нескольких герц. Учитывая тот факт, что даже небольшие изменения температуры образца могут привести к дрейфу сигнала порядка нескольких герц, данный параметр является не более чем жонглированием цифрами. Его происхождение легко объяснить разрядностью DDS (прямого цифрового синтезатора чатоты ) конкретного производителя обрудования.

Минимальная длительность события.

Параметр определяет длительность минимального импульса, минимальной задержки. Во многих ТЗ можно встретить этот параметр равный 25 нс.
Давайте посмотрим как же именно он может быть использован и где находиться та самая ложка дегтя.
Извесно, что существует только два параметра, определяющие угол поворота суммарной намагниченности после РЧ-импульса: длительность импульса и амплитуда или напряжение высокочастотного сигнала идущего на катушку датчика. Их произведение и определяет угол поворота намагниченности. И то насколько коротким может быть 90 градусный импульс определяется тем, насколько большую амплитуду импульса способен выдержать компонентная база датчика. Обычные значения для внутренней катушки жидкостного датчика составляют от 6 до 15 мкс. Для твердотельных датчиков эти значения обычно колеблются в диапазоне от 1 до нескольких микросекунд. Этого хватает для большинства современных экспериментов с использованием прямоугольных импульсов.
Чуть более высокие требования на быстродействие накладывает необходимость использования импульсов произвольной формы (shaped pulse), в которых импульс состоит из непрерывной последовательности коротких последовательных импульсов прямоугольной формы, из которых складывается окончательная огибающая shaped pulse. Однако, shaped pulses используются в основном для селективного возбуждения и имеют большую продолжительность и даже в том случае, когда окончательный импульс состоит из большого числа микроимпульсов, длительность минимального импульса остается достаточно длинной.
Давайте переведем длительность события в частоту: 1/25нс = 40 МГц. Таким образом при частоте равной 40МГц, за 25 нс пройдет только один полный оборот от 0 до 360 градусов. На 160 МГц (частота 31P для 400МГц спектрометра ) только 4 цикла. О какой прямоугольной форме сигнала может идти речь в таких условиях?
Ну и наконец вспомним, что 25 нс можно получить лишь на выходе цифровой части радиочастотного тракта. Аналоговые же каскады не способны работать с таким быстродействием. При характеристическом времени нарастания/спада сигнала на линейном усилителе в диапазоне порядка 50-100нс весь выигрыш от столь высокого временного разрешения цифровой части РЧ тракта полностью исчезает.

Мощность линейных усилителей.

Очень важный параметр при выборе спектрометра - мощность линейных усилителей и частотный диапазон.
Этот параметр во многом определяет диапазон тех экспериментов, которые Вы сможете провести на спектрометре и те ограничения, с которыми столкнетесь.
Как я уже отмечал выше, угол поворота суммарной намагниченности определяется амплитудой РЧ-поля, подаваемого на образец и длительностью его приложения. Первая характеристика зависит от мощности линейного усилителя, а вторая - целиком зависит от первой. Это действительно так, но с некоторыми оговорками и эти оговорки касаются устройства ЯМР датчика и того, насколько эффективно он передает мощность с линейного усилителя на образец. Здесь мы имеем своего рода КПД. Экстенсивный и интенсивный подход к решению одной и той же задачи.
Первый приходящий в голову путь - увеличить мощность усилителя. Мощность, которая “добереться” до образца вырастет, что приведет к большему повороту намагниченности. Минусом в данном случае будет значительное увеличение стоимости самого линейного усилителя, и то, что компоненты датчика неидеальны и при некоторой амплитуде РЧ-поля или напряжения на входе в колебательный контур из катушки и конденсатора, произойдет пробой и датчик выйдет из строя.
Второй путь не столь очевиден, но способен привести к тому же результату, но с гораздо меньшими затратами: усовершенствование самого датчика и увеличению его “КПД”.
Все производители идут по этому пути с той или иной скоростью, но для повышения своей конкурентноспособности зачастую вставляют где надо и где не надо 500Вт линейный усилитель, особенно если такого нет у конкурента.

Та же самая ситуация и с частотным диапазоном усилителя мощности. Чем он больше, тем выше цена самого усилителя. Но зачем Вам платить за те МГц-ы, которые Вы все равно никогда не сможете использовать?