eng
Выпуск #5/2016
А.Кессених
Как у нас в СССР покоряли ЯМР. Развитие аналитических методов ямр в СССР и РОССИИ. Часть 3.
Как у нас в СССР покоряли ЯМР. Развитие аналитических методов ямр в СССР и РОССИИ. Часть 3.
Просмотры: 2525
Третья часть исторического обзора по развитию аналитических методов ЯМР в СССР и России во второй половине 20 века посвящена проблемам, связанным с повышением чувствительности и разрешающей способности ЯМР-спектрометров. Отечественными учеными были созданы отдельные экземпляры и небольшие серии ЯМР-спектрометров, достаточно успешно использовавшиеся в течение длительного времени. Автор анализирует причины неудач, пути развития отечественного ЯМР-приборостроения и внедрение в СССР импортных спектрометров.
Перейдем к следующему этапу освоения ЯМР в интересах химии. Имея достаточно стабильное и однородное поле, исследователь сталкивался с принципиальной преградой – невысокой напряженностью поляризующего поля. Следствие этого – небольшая чувствительность и низкая естественная разрешающая способность в протонном резонансе для сложных органических соединений. Причина низкого разрешения уже обсуждалась во второй части (Аналитика. 2016. № 3. С. 90–102), см. соотношения (4). Поправки второго и третьего порядков теории возмущений, как отмечалось, обратно пропорциональны рабочей частоте и ее квадрату соответственно. Расщепления между линиями второго порядка, то есть значения поправок (1/2π)δ(2) достигают при типичных для алифатических и ароматических углеводородных фрагментов значениях J ≈ 6–8 Гц даже на частоте ν0 = 40 МГц величины 4 Гц, то есть 10–7 от рабочей частоты. Недаром на семинаре по ЯМР в НИФХИ им. Л.Я.Карпова в 1964 году один из ведущих в СССР практических спектроскопистов химического ЯМР Ю.Ю.Самитов высказал мнение, что при доступных тогда значениях напряженности поля разрешение, лучшее 10–7, практически бесполезно. Взаимно перекрываясь, линии высших порядков создают независимое от наладки аппаратуры уширение спектра. А это значит, что, не повышая ν0, мы бессильны анализировать с помощью ПМР структуры многих ароматических и алифатических соединений, богатых атомами водорода (подразумевая, что в таких соединениях, вообще говоря, более двух неэквивалентных, но близких по химическому сдвигу положений водорода).
Итак, следующий этап развития методов химической радиоспектроскопии ЯМР состоял в достижении достаточно высоких значений поляризующего поля, что позволило бы применить метод к широкому классу неорганических и органических соединений. На Всесоюзных Совещаниях по парамагнитному резонансу 1959–1964-х годов демонстрировались спектры ПМР, снятые на частотах около 20 МГц. Пристрастие к механическому подсчету числа наблюдаемых линий приводило к переоценке достижений наших разработчиков аппаратуры. Роль "ложного друга" играло большое число наблюдаемых в спектре ПМР линий второго и третьего порядка на низких частотах. При устранении КССВ с протоном ОН-группы за счет быстрого межмолекулярного обмена, стимулированного подкислением спирта, в группе СН3СН2 теоретически на низких рабочих частотах можно наблюдать в соответствующей области до 34 линий спектра. При этом 20 и более линий – на частотах 15–20 МГц даже при относительной разрешающей силе порядка 2 × 107 (т.е. при относительном разрешении 5 × 10–8 или абсолютном в 1 Гц). Некорректно выглядит (нередкое тогда) сопоставление 15–20 полученных на частотах порядка 20 МГц линий с 12–15 линиями, полученными на 40 МГц – частоте, уже применявшейся тогда в английских, американских и японских спектрометрах.
Некоторое представление о состоянии нашего приборостроения в 1959–1964 годах дает рис.1, где сопоставлены два симулированных спектра: один с худшим разрешением и на низкой частоте, другой, соответственно, на более высокой частоте и с лучшим разрешением. Число линий, как ясно из рисунка, само по себе не является показателем лучшего разрешения. Нижний спектр на рисунке содержит практически столько же линий, сколько и верхний, снятый на частоте почти в три раза более высокой и при относительном разрешении в восемь раз лучшем! На рис.2 показан аналогичный правой части спектра рис.1 экспериментальный тестовый спектр группы CH3 этилбензола на 60 МГц (по типу аналогичный спектру CH3 группы этанола), снятый А.Н.Любимовым в 1965 году в присутствии автора. Наблюдаемые большие расщепления объясняются КССВ. Сравнительно небольшие – возмущениями 2-го порядка: триплеты в крайних группах линий, дублет в центральной группе, причем уширение наиболее интенсивной группы дублета отчасти связано с неразрешенным расщеплением третьего порядка.
Что касается чувствительности, пропорциональной по приближенной оценке величине form01_1.ai[1], то к стандартизованному отношению сигнала к шуму (о.с.ш.) наши разработчики в конце 50-х только-только подходили. В 60-х годах стандартным образцом для измерения о.с.ш. служил 1%-ный раствор этилбензола в четыреххлористом углероде. Более наглядным является, очевидно, пример с "сателлитами 13С". Отметим, что лишь при ν0 = 60 МГц удавалось в то время наблюдать в ПМР сателлиты 13С (0,55% интенсивности основного пика, см. рис.3) уверенно за один проход (без накопления) при естественном содержании последнего изотопа даже в чистых соединениях. Сателлиты 13С возникают в спектре ПМР благодаря наличию в естественных (природных или синтетических) углеродсодержащих соединениях примеси минорного изотопомера (для хлороформа, например, это 1,1% 13СНСl3 на фоне 98,9% 12СНСl3, см. рис.3).
Обладающий спином ½ и магнитным моментом всего лишь в четыре раза меньшим, чем у протона, нуклид изотопа 13С имеет КССВ порядка 100–200 Гц с ядром непосредственно связанного с углеродом водорода. Таким образом и возникают две симметрично расположенные в слабом и сильном поле относительно основной линии СН побочные линии (так называемые сателлиты, отвечающие ориентациям спина 13С, равным ± ½).
Из сказанного ясно, что если в некоторой аппаратуре о.с.ш. для линии, скажем 1Н хлороформа, S/N > 200 (при рабочей частоте 60 МГц), то при 40 МГц для той же одиночной линии на технически аналогичной аппаратуре о.с.ш. едва превысит S/N ~ 100. В соответствии с уровнем применяемой тогда элементной базы и схемных решений ламповой радиотехники рубеж приемлемой чувствительности пролегал как раз вблизи 60 МГц, что соответствовало для протонов полю около 1,4 Тл.
Для повышения магнитной индукции приходилось увеличивать силу тока электромагнита, а это влекло за собой целый комплекс проблем. Прежде всего возрастала мощность рассеяния, откуда возникали затруднения с отводом тепла и термической неоднородностью ярма в рабочем режиме. В дальнейшем электромагниты с железным сердечником с магнитной индукцией поля свыше 2,5 Тл практически никогда не использовались в ЯМР.
Новый этап развития метода связан с переходом к наблюдению линий ЯМР самого ядра 13С и других редких изотопов К.Холмом [2] и П.Лотербуром [3] в 1957 году, а затем (1965) в Эстонии Э.Липпмаа [4]. А необходимость получения именно спектров изотопов важнейших органогенных элементов 13C, 15N, 17O ощущалась химиками все настоятельней. Прямой путь к повышению чувствительности лежал прежде всего через повышение индукции магнитного поля. Но этот путь заканчивался для спектрометров с постоянными магнитами около 1,25 Тл (частота ПМР около 90 МГц). Электромагниты требовали для значительного повышения поля уже неподъемных для массового применения расходов электроэнергии. Магнит на 2,3 Тл (ПМР 100 МГц) требовал для питания мощности в десятки киловатт. А мощность растет даже не пропорционально требуемой индукции, а быстрее из-за эффектов магнитного насыщения. ЯМР-приборостроение перешло на сверхпроводящие соленоиды. Между тем по свидетельству Э.И.Федина [5] имелись безумные проекты достижения магнитного поля порядка 23,5 Тл (что соответствовало частоте ПМР 103 Мгц) с помощью гигантского резистивного соленоида без сердечника, замкнув на соленоид одну из турбин Енисейской (Красноярской) ГЭС, а охлаждения этого соленоида – с помощью воды того же Енисея! Открытие ряда сверхпроводников второго рода с высокими значениями критического поля избавило спектроскопию от таких проектов. Впрочем, на совещании Совета РАН по магнетизму в 1998 году автору стало известно, что в Физическом Институте АН СССР в 60-х годах была создана мощная магнитная система на 15–20 Тл с питанием от мотор-генератора и охлаждением от артезианской скважины. Правда, по однородности поля и, по-видимому, также по стабильности эта система не выдерживала требований ЯМР.
Рубеж в 1,4 Тл нашим разработчикам удалось достичь только в середине 60-х годов. Э.И.Федин вспоминал [5]: "Я поговорил с А.Н.Несмеяновым. Он помог превести А.Н.Любимова из ЦЛА в СКБ ИОХ*, где для него был создан отдел ЯМР-спектроскопии. Расхваленный мной <в [6] прибор Любимова> ЦЛА-5535 удалось передать для серийного производства на Сумской завод Минприбора, а А.Н.Любимов в своем новом отделе взялся за разработку РС-60. Я был уверен, что мы и на этот раз посрамим СКБ АП".
Планы эти были, как говорится, дорогой в никуда. Даже, если бы они реализовались, мы получили бы спектрометры на 60 МГц. Но ведь уже активно продавались вариановские "сотки"**, Varian объявил о своих сверхпроводящих ЯМР-спектрометрах на 200 и 220 МГц. В 1965 году конструкция А.Н.Любимова (притом опытная) достигала всего лишь уровня массовой продукции зарубежных фирм 1958–1960-х годов. Разработчики из СКБ АП во главе с Ю.Л.Клейманом догнали и в какой-то мере перегнали к 1967 году А.Н.Любимова в своей пятой по счету модели РЯ-2305.
После выпуска на Сумском заводе малой серии спектрометров РС-60 и нескольких более усовершенствованных лабораторных моделей РС-60М и РС-56/19 (на фтор и бор) для ИОХ АН СССР А.Н.Любимов вынужден был прекратить свою деятельность в области приборостроения ЯМР. У него осталась обида на конкретных руководителей, но беда была не в них, а в системе. Память об А.Н.Любимове (1915–1980), глубоко интеллигентном, профессионально грамотном в области техники и математики инженере, прошедшем фронт, немецкий плен и советскую "шарашку", заслуживает особого разговора.
Достигла успехов и группа Ю.Л.Клеймана в СКБ АП. Компактная магнитная система СКБ АП для прибора РЯ-2305 в конце 1960-х годов была даже признана конкурентно способной на зарубежном рынке по мнению специалистов британской приборостроительной фирмы Perkin Elmer [5]. Фирма предлагала объединить усилия. Этим, однако, наши руководители воспользоваться не могли: не положено! Вскоре в СКБ АП сконструировали спектрометры на 90 МГц (РЯ-2309), и, наконец, по инициативе В.В.Воеводского в Черноголовском Отделении ИХФ (впоследствии Институт проблем химической физики – ИПХФ) был создан в 1971 году В.А.Забродиным, И.С.Краинским и др. уникальный для СССР спектрометр [7] сперва на 200, а затем почти на 300 (294) МГц для 1Н (поле сверхпроводящего соленоида с индукцией 4,7–7 Тл). СКБ АП с подобной разработкой не справилось, а передать проект ИПХФ в промышленность по всем советским стандартам было невозможно.
Этот спектрометр, изображенный на рис.4 в окружении создавшей его команды, работал по нашим сведениям до 2000 года [8]. Практически после этих сравнительно удачных разработок А.Н.Любимова, Ю.Л.Клеймана и ИПХФ в развитии собственно аналитического ЯМР в Советском Союзе отечественное приборостроение уже не играло практически никакой роли. И не удивительно! Происходила очередная революция в мировом приборостроении (и не только ЯМР). Даже спектрометр со сверхпроводящим магнитом в ИПХФ имел категорический недостаток. Требовался управляющий (и накапливающий сигналы) компьютер, и это был единственный путь к ограниченому практически только временем росту чувствительности. То есть, как указывала разработка Р.Эрнста – В.Андерсона [9], надо было перейти от последовательного возбуждения резонанса (развертки частоты) к возбуждению резонанса импульсом с широким частотным спектром и дальнейшим Фурье-преобразованием отклика спиновой системы на такое одновременное возбуждение. Генеральным направлением в борьбе за повышение чувствительности стало накопление сигналов при многократном импульсном возбуждении резонанса в тождественных условиях. При накоплении сигналов, то есть при суммировании K откликов, полезный сигнал S возрастает в K раз, но и случайный тепловой шум N возрастает, хотя и в меньшей степени, как K1/2 (подобно тому, как длина пути, пройденного частицей при броуновском движении, возрастает пропорционально корню квадратному из числа скачков). Получается, что для увеличения отношения сигнал / шум (S / N) в 10 раз требуется 100 накоплений и т.д. Во главу угла ставится вопрос о сокращении времени на каждое отдельное возбуждение и регистрацию сигнала. Но между каждыми двумя съемками сигнала должно пройти время в несколько раз (3–5) больше времени тепловой (спин-решеточной) релаксации ядерной намагниченности Т1, а это несколько секунд (для многих ядер и того больше – несколько десятков секунд). Допустим, что в рабочем диапазоне частот ∆Ω (десятки кГц) имеется не определенное до эксперимента число узких линий с шириной в частотном выражении порядка δω (Гц). Тогда на запись каждой линии потребуется скажем 3Т1 (десятки секунд), а на запись всех линий (или даже на проверку того, что в каких-то частях диапазона никаких линий нет) уйдет никак не менее 3(∆Ω /δω)Т1 секунд. Например, однократная запись спектра углерода неизвестного образца заняла бы около десяти часов, причем основная часть времени была бы затрачена как бы впустую.
"А нельзя ли сделать так, чтобы почти все время работы спектрометра не уходило на регистрацию шумов?" – спросил у меня Рассел Вариан. И он был прав..." – Примерно в таких словах (автор цитирует их по памяти) выразил идею перехода к одновременному возбуждению резонанса во всем рабочем диапазоне один из ведущих специалистов фирмы Varian Джим Шулери, выступая на встрече с советскими специалистами в 1967 году на первой выставке вариановской аппаратуры в Москве. Ф.И.Скрипов, исследовавший ЯМР в магнитном поле Земли, ранее, чем Varian, применил (правда в полукустарном почти "ручном" варианте) [5, 10] метод импульсного возбуждения и преобразования Фурье. Это было опубликовано и сделало возможным обход патента Varian для конкурентов.
Заметим, что участники первых отечественных разработок все же были интегрированы в развитие химической спектроскопии ЯМР и внесли свой вклад в ее достижения. Почти два года на отечественной аппаратуре "выезжал" в 1965–1967-х годах крупнейший академический институт ИОХ им. Н.Д.Зелинского АН СССР (благодаря шефству со стороны А.Н.Любимова и его соратников). А в МИТХТ (В.В.Ястребов) и Пермском ГУ (В.И.Прошутинский) спектрометры конструкции А.Н.Любимова эксплуатировали до 1980-х годов [11]. Но вернемся в середину и вторую половину 1960-х, когда ЯМР начал широко входить в научный быт отечественных химических институтов, а поставки зарубежной аппаратуры все расширялись.
СПЕКТРОМЕТРЫ ЯМР В НАШИХ ИНСТИТУТАХ
По подвалам за приборами
Наша молодость погублена
(Мемуары в стихах // ВИЕТ [12. С. 207])
Вспоминаю свое вхождение в аналитический ЯМР: сначала мимолетное знакомство в подвальной лаборатории Д.Н.Шигорина (Корпус 2 НИФХИ им. Л.Я.Карпова). Здесь мы столкнулись с самодельным спектрометром конструкции Н.М.Померанцева, не подходящим для аналитических целей из-за низкого разрешения. Затем произошло знакомство с сомнительным по качеству спектров швейцарским прибором компании Trüb Täuber. Мы потребовали у фирмы снабдить устройство дополнительной катушкой, корректирующей неоднородность поля магнита. И, наконец, нас (а особенно коллегу Н.М.Сергеева) "осчастливили" разработанной Л.Л.Декабруном моделью СЯМР-63, точнее ее опытным образцом, изготовленным в СКБ Эстонской АН СССР (разрешение порядка 107)***. Но подлинный живой контакт с химиками-органиками автор ощутил в стенах Института органической химии им. Н.Д.Зелинского, куда был рекомендован Э.И.Фединым для поддержки разработок А.Н.Любимова. После первой зарплаты в ИОХе были куплены книги по химии: новое издание А.Е.Чичибабина, "толстый" К.Д.Неницеску и еще маленькая переводная книжка, где умелый популяризатор (американец, не помню фамилию) излагал химию живого. Постепенно мы вдвоем с моим первым сотрудником Евгением Павловичем Прокофьевым, также выпускником кафедры радиотехники физфака МГУ, которого я переманил из почтового ящика обещанием скорого получения им кандидатской степени, стали соображать, что такое спирты, кетоны и альдегиды и даже как они переходят друг в друга. В эти годы пошел вал переводной литературы по химическим приложениям ЯМР высокого разрешения. В 1962 году перевели Дж.Попла, затем вышел перевод А.Леше, впрочем, книга малополезная для начинающего (а теперь небезынтересная для истории магнитного резонанса), а в 1966 и в 1968 годах вышел двухтомник Эмсли, Финни и Сатклиффа. Статьи в J. of Chem. Phys и тому подобных умных изданиях я читал регулярно еще до перехода в ИОХ, тогда их было не так уж и много. Благодаря приобретенным знаниям я быстро начал находить общий язык с химиками ИОХа.
Мы готовились принять из рук замечательного нового коллеги Александра Николаевича Любимова и его верного оруженосца Анатолия Федосеевича Вареника свежеизготовленный спектрометр на 60 МГц – РС-60. Нам достался первый экземпляр, а всего налаживали три прибора: нам, химфаку МГУ – Ю.А.Устынюку и Э.И.Федину в ИНЭОС. Помимо бесед с химиками и практической работы на приборе JNM-4H-100 (японской фирмы JEOL) в соседнем Институте у В.Ф.Быстрова (это было лишь раз в неделю), я посещал своих прежних коллег в НИФХИ, где под вдохновенным творческим влиянием Н.М.Сергеева мы прорабатывали теорию ЯМР высокого разрешения. К середине 1965 года А.Н.Любимов с А.Ф.Вареником предоставили в наше распоряжение прибор РС-60. Мы каким-то чудом "выбили" для спектрометра комнату в подвале. Группа постепенно обустраивалась, осваивала прибор и принимала своих клиентов – химиков, которые налетали на ЯМР как пчелы (или осы) на сахар. Некоторые бывали и за границей или по крайней мере сотрудничали с прибористами в соседних институтах (ИХФ, ИХП, ИНЭОС).
Тематика исследований была очень разнообразна. Меня в первую очередь увлекала аппаратурная и физическая экзотика, хотя и химики постепенно заражали своими интересами. Более любопытным был ЯМР других ядер (не протонов). Интересовало и прямое его наблюдение (соединения фтора, бора были в ИОХе хорошо представлены) и двойные гетероядерные резонансы – протоны показывали через них свою связь не только с упомянутыми фтором и бором, но и фосфором, азотом 14N и 15N (в изотопно обогащенных образцах). Тут мне помог дипломник с нашей родной кафедры радиотехники физфака МГУ В.В.Негребецкий (старший), направленный к нам Ю.С.Константиновым. Потом Виталий Негребецкий стал моим аспирантом, правда не в ИОХ, а во Всесоюзном НИИ химических средств защиты растений (ВНИИХСЗР), но был прикомандирован к ИОХу.
Между тем наступил год перелома в развитии отечественного ЯМР – 1967-й. В мае прямо в ИОХе состоялось заседание Отделения общей и технической химии АН СССР. Выступали Э.Липпмаа, В.Ф.Быстров, Э.И.Федин, Ю.Ю.Самитов и тогда еще номинальный начальник В.Ф.Быстрова Александр Наумович Шейнкер (вскоре он ушел во Всесоюзный химико-фармацевтический НИИ). Большая Академия требовала развития ЯМР в СССР. По преимуществу это был официальный посыл к расширению закупок импортной аппаратуры, потому что кроме Э.Липпмаа никто из наших не мог гарантировать спектроскопию "на мировом уровне". И вот летом состоялась первая в СССР выставка спектрометров ЯМР фирмы Varian. Тут сошлись коммерческие интересы этой компании и нужды нашей развивавшейся химии (природных соединений, ракетных топлив и т.д.), а надежды на отечественные приборы практически рухнули. Сверхпроводниковые соленоиды, а главное компьютеры не поддавались пока быстрому освоению нашей промышленностью, а ведь она еще не вышла и на 100 МГц по ПМР! И нам для начала "сплавили" вариановские "шестидесятки" и "сотки" на электромагнитах, которые и были представлены на выставке в Институте вирусологии летом 1967 года. Деньги (валюта) были уже выделены, приборы предварительно распределены, но необходимо было все обставить коммерчески и технически грамотно. Видимо и наша встреча со специалистами Varian в ресторане гостиницы "Россия" уже предусматривалась принимающей стороной ("Техснабэкспортом" и АН СССР) и приветствовалась гостями. В начале осени в ИОХ привезли первый для института импортный прибор Varian DA-60 (Double Appliance 60 MHz). Это был не слишком удачный выбор (высокое разрешение + широкие линии)****, но лучшие экземпляры ("сотки") достались Новосибирску и Институту химии природных соединений, а простая американская "шестидесятка" ломалась раз в пять реже, чем РС-60, но ведь под боком у нас был А.Н.Любимов! Как раз перед этим в ИОХ пришел новый директор и неуклонно назревала смена руководителя группы ЯМР: мне с трудом удалось дотянуть до 1972 года (назначение состоялось в 1965 году), об этом подробно в [13]. Не помог и взятый в аренду в каком-то медицинском институте японский спектрометр на 100 МГц. Он работал как многие приборы этой фирмы нестабильно, имел чувствительность ниже номинальной, а директор Николай Константинович Кочетков еще пугал меня вопросом: "Есть ли у Вас 100 тыс. долларов?", когда мы все же спектрометр чинили и эксплуатировали. Даже для директорской лаборатории одну работу по некоему дисахариду "через не могу" (с применением двойных резонансов) сделали, получив затем неофициальную благодарность.
Небольшими эпизодами в истории освоения "покупленных" (как выразился Э.Липпмаа) подустаревших импортных спектрометров были удачные попытки отдельных лабораторий (например, в Казанском ГУ, и у нас в ИОХ АН СССР) внести усовершенствования в аппаратуру, образцы которой поступали в СССР не ранее чем через 5–10 лет после выпуска первой серии на фирме. Преимущественно это были приспособления для гетеро- (реже гомо-) ядерных двойных резонансов (А.Хаяров, Р.Садыков, А.В.Аганов и др. (КГУ); В.В.Негребецкий (старш.), А.З.Янкелевич и др. (ИОХ)). Эти методы принесли свои плоды в химических исследованиях. Так (из нашего опыта) изучение методами двойного резонанса 1H – {31P} полученных в лаборатории Н.Н.Мельникова (ВНИИХСЗР) фосфадиазолов [14] привело к окончательному подтверждению структуры этого нового класса соединений, что было отмечено свидетельством на открытие СССР. Где находились мы со своим ЯМР к началу 1970-х, можно качественно оценить из анализа ссылок первого обзора в Analytical Chemistry [15] по ЯМР***** за 1969–1970 годы. Причем, если судить по цитированию работ самого автора и ближайших коллег, то можно понять, что реально охвачено практически все, что публиковалось в важнейших международных и переводных отечественных журналах. Результаты выборки таковы: из 2 088 цитирований в [15] только 128 принадлежат авторам из СССР (15 из них эстонским авторам). Лишь 17 работ (15 из них экспериментальных) опубликованы в международных и зарубежных журналах, в том числе семь – Э.Липпмаа, две – В.Ф.Быстровым и две – Н.М.Сергеевым и Ю.А.Устынюком.
Подавляющее большинство наших экспериментальных работ выполнялись на импортной аппаратуре. Можно лишь указать на пару статей ленинградских химиков с соавторством Ю.Л.Клеймана и В.Н.Морковина (выполненных на спектрометрах СКБ АП), одну из ИОХа с использованием любимовской разработки РС 56/19, на некоторые публикации из Казани, и опять-таки на 12 статей эстонских спектроскопистов, то есть всего не более 20 работ, выполненных на оригинальной аппаратуре.
И вот к нам "поехали" импортные приборы. При установке и наладке случалось немало курьезов. Так в НИФХИ при запуске KIS-25 мы первое время дежурили по ночам (фирма гарантировала круглосуточную работу прибора), за что получили от нашего запускающего инженера Гейнца Чагеллара прозвище "wilde Leute" – "дикие люди". В ИОХе, несмотря на академизм начальников, дежурили по двое каждую ночь и выходные дни напролет больше, чем полмесяца. Наконец, новый заместитель директора В.Б.Казанский разрешил круглосуточное включение прибора, на что тот и был рассчитан по фирменному регламенту. Надо отдать должное зарубежным фирмам: приборы отлично переносили круглосуточную работу. Но еще было вспомогательное оборудование советского производства, которое могло подвести. Поэтому автор, как любой счастливый хозяин импортного прибора, с этих пор и долгие годы своего занятия ЯМР не спал спокойно (хотя приборы и институты менялись), а особенно в воскресные дни (по субботам часто кто-нибудь работал, потом стали работать и в воскресенье). Охрана обычно принципиально снимала с себя ответственность за любые возможные происшествия (так было и в ИОХе). А ведь могло быть всякое, в том числе и очень глупое. Так, в Новосибирском ИОХе вариановский прибор HA-100 сгорел однажды "не по своей вине", уже тогда, когда был одним из самых старых в лаборатории.
ФИРМЫ И МЫ
Отметим, что для наших специалистов, не связанных с оборонной промышленностью, оказались неожиданными появление алгоритма быстрого фурье-преобразования для ЭВМ и затем фантастический рост вычислительных возможностей ЭВМ. Не были значительными наши успехи и в конструировании сверхпроводящих соленоидов, но проблемы с ЭВМ оказались решающими. На пути внедрения накопления сигналов и быстрого фурье-преобразования вопреки продолжавшимся усилиям разработчиков из СКБ АП во главе с Ю.Л.Клейманом глухой стеной встала наша отсталость в развитии электронной вычислительной техники.
В 1971 году состоялась вторая выставка Varian. И тут-то пошли к нам уже и импульсные приборы, начиная со знаменитого XL-100 (рис.5). Читатель, возможно, рассмеется, узнав, что управляющий компьютер у первых образцов имел память 24 килобайт. Но для нас это был первый в жизни рабочий компьютер.
Недаром Varian спешил "сплавить" нам теперь и импульсные "сотки". За его спиной появился, например, на выставке в Казани со своим импульсным спектрометром WH-90 на 90 МГц возникший в Карлсруе (ФРГ) с добавкой обломка Trüb Täuber в Цюрихе новый производитель спектрометров ЯМР – фирма Bruker [16]. Создали компанию профессор Гюнтер Лаукин и предприниматель Эмиль Брукер в 1960 году.
С 1970-х годов советское ЯМР-сообщество стало подразделяться на "вариановских" и "брукеровских". Из первых пользователей спектрометров фирмы Bruker выдвинулся Э.И.Федин, который [5] стал энтузиастом сотрудничества с этой фирмой и снова привлек для поддержки А.Н.Несмеянова (рис.6). Но, как считал сам Э.И.Федин, из-за "его причудливой биографии" (репрессированный сын репрессированных родителей), пришлось отдать пальму первенства в сотрудничестве с Bruker сначала Институту химической физики (ныне им. Н.Н.Семенова), а затем ИОХ им. Зелинского РАН. Представительство Bruker по злой иронии судьбы находилось долгое время в том самом корпусе СКБ ИОХ, где раньше работал А.Н.Любимов.
Довольно быстро всем химикам стало ясно, что "без ЯМР не жизнь, а каторга". В группе или лаборатории ЯМР каждого "приличного" химического института работало к концу 1970-х не менее двух-трех спектрометров. Некоторые продвинутые химические лаборатории заводили собственные спектрометры. "На подхвате" у основного спектрометра (Varian или / и Bruker), а с 1980-х преимущественно со сверхпроводниковыми магнитами на 200–500 МГц могли быть доживающие свой век отечественные (СКБ АП или А.Н.Любимова), фирмы JEOL (пусть и староватые, но работоспособные). Могли быть и спектрометры чехословацкой фирмы Tesla [17]. Эта фирма изрядно выручала химиков "соцлагеря". Основанная в Брно на базе группы сотрудников, прошедших обучение под руководством известного ЯМР-спектроскописта Й.Дадока, по благословению совещания спектроскопистов стран СЭВ 1971 года (Владимир Быстров, Артур Леше (ГДР) и др.) фирма совершила успешный технологический прорыв и выпустила 500 спектрометров ЯМР, которые работали во многих местах от Владивостока до Йены и от Ленинграда до Софии. Э.И.Федин с горечью описывает в [5] крушение попыток наладить хотя бы совместное производство с Tesla, которая в 1970–80-е годы обеспечила многие советские лаборатории своими спектрометрами ЯМР с рабочими частотами для протонов 60; 80 и 100 МГц. Более того, Tesla сумела-таки освоить спектрометры ЯМР с импульсным возбуждением и фурье-преобразованием, хотя ей из-за эмбарго НАТО на стратегическую аппаратуру и комплектующие изделия смешанного назначения приходилось применять в качестве управляющей спектрометром ЭВМ громоздкий аналог паккардовской ЭВМ конца 60-х годов. Конечно, из-за неадекватной комплектации устаревшими ЭВМ и нередких других недочетов приборы Tesla были менее удобны. Но они работали у того, кому были нужны.
Varian продал уже к 1990-м свою последнюю великолепную серию Gemini, но в 21 веке генеральным поставщиком спектрального оборудования ЯМР в Россию стал Bruker. Он победил бывшего Varian (братья, увы, скончались) и фактически поглотил ЯМР-производство Tesla. Большие заслуги в сотрудничестве фирмы Bruker с советскими и российскими специалистами принадлежат Уве и Барбаре Айхофф. О них написал в своих мемуарах известный казанский ЯМР-спектроскопист А.В.Аганов. [18].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Заметки о первых (и может быть вторых, но не более) шагах ЯМР в СССР пришлось при всей их неполноте разделить на три части. В первой части мы вспомнили о том, что такое ЯМР вообще и рассказали о первых экспериментах по ЯМР в СССР как до, так и после уверенного открытия этого замечательного явления. Вторая и третья части посвящены краткому описанию принципов и истории освоения в СССР именно химико-аналитической спектроскопии ЯМР, разработкам отечественной и первым шагам в освоении импортной аппаратуры, которая в конечном счете и стала базой нашего химического ЯМР. Исследования истории ЯМР еще не завершены и возможны лакуны в освещении нашей темы.
ЛИТЕРАТУРА
Абрагам А. Ядерный магнетизм / пер. с англ. М.: Издательство иностранной литературы. 1963. С.88. См. оригинал: Abragam A. Principles of nuclear magnetism. Oxford: Clarendon press. 1961.
Holm C.H. Observation of chemical shielding and spin coupling of 13C nuclei in various chemical compounds by nuclear magnetic resonance // J. Chem. Phys. 1957. Vol. 26. № 3. P. 707–708.
Lauterbur P.C. 13C nuclear magnetic resonance spectra // J. Chem. Phys. 1957. Vol. 26. № 1. P. 217–218.
Липпмаа Э., Оливсон А., Паст Я. Ядерный магнитный резонанс углерода-13. Ч. 1. // Eesti NSV Teaduste Akad. Toimetised Fuus.-Matem. 1965. Vol. 14. № 3. P. 473–485 (Известия АН ЭССР, сер. Физика и математика); Липпмаа Э., Паст Я., Оливсон А., Салувере Т. Ядерный магнитный резонанс углерода-13. Ч. 2 // Eesti NSV Teaduste Akad. Toimetised Fuus.-Matem. 1966. Vol. 15. № 1. P. 58–63 (Известия АН ЭССР, сер. Физика и математика).
Федин Э.И. Золотое клеймо неудачи (воспоминания о советском приборостроении ЯМР) // Научное сообщество физиков СССР. 1950–1960-е и др. годы. Вып. 2. СПб: РХГА. 2007. С. 366–393.
Несмеянов А.Н., Федин Э.И. Ждут не дождутся //
Литературная газета. 1963.
Забродин В.А. Спектрометр ядерного магнитного резонанса высокого разрешения на сверхпроводящем магните // Дис. канд. дис. Черноголовка, 1972.
Кессених А.В. Институт Химической физики АН СССР и химическая радиоспектроскопия в нем – "зоны обмена" между физикой и химией. 1950–1960-е гг. // К исследованию феномена советской физики 1950–1960-х и др годы. Социокультурные и междисциплинарные аспекты / Сост. и ред. Визгин В.П., Кессених А.В. и Томилин К.А. СПб: РХГА, 2014. С. 408–440.
http://intelbook.org/wp-content/uploads/2015/03/Fiziki_web_.pdf.
Anderson W., Ernst R. US-A 3475680 (Impulse Resonance Spectrometer Including a Time Averaging Computer and a Fourier Analyser). 1969. (submitted May 26 1965). Патент США.
Щербаков В.А. Осуществление существительного с прилагательным или ЯМР как часть речи // Новости ЯМР в письмах. 1998. № 3/4. С. 653–669.
Кессених А.В. Из истории химической радиоспектроскопии ЯМР в Советском Союзе (воспоминания, документы, материалы) // ВИЕТ. 2014. № 1. С. 119–141.
Кессених А.В. Мемуары в стихах // ВИЕТ. 2007. № 2. С. 205–216.
Кессених А.В. Физик на службе у химиков. Воспоминания о работе в ИОХ АН СССР (1965–1972) // Исследования по истории физики и механики 2009–2010. М.: Физматлит, 2010. С. 300–348.
Кессених А.В., Негребецкий В.В., Игнатова Н.П., Швецов-Шиловский Н.И., Мельников Н.Н. Изучение спектров ПМР и двойного протон-фосфорного резонанса некоторых фосфадиазолов // ЖСХ. 1970. Т. 11. С. 633–638.
Corio P.L., Smith S.L., Wasson J.R. Nuclear Magnetic Resonance // Analytical Chemistry. 1972. V. 44. № 4(2). P. 407–438.
https://de.wikipedia.org/wiki/Bruker
Zeman V. Vzpomínky na NMR v Brněnské Tesle /
Editor S.Sykora / Stelar CS, Brno, Czech Republic Stan’s Library. Vol. 2. First release April 15, 2008, in Czech. Permalink via DOI: 10.3247/SL2Nmr08.003
http://www.ebyte.it/library/hist/NMR_Tesla_cs.html.
Аганов А.В. Жизнь в науке и наука жизни. Казань: Казанский университет. 2013. С. 259.
* Конструкторское бюро соседнего с ИНЭОС Института органической химии АН СССР.
** Спектрометры на 100 МГц.
*** Обращаю внимание, что разрешение прибора может записываться как 10–n или 10n , что в первом случае отвечает относительной аппаратурной ширине линии в спектре, а во втором – разрешающей силе, то есть отношению рабочей частоты к аппаратурной ширине линии.
**** Тогда я не имел еще опыта, который гласит: приборы нужно как можно реже перестраивать с режима на режим – целее будут, да и объять необъятное никто еще не мог. И вообще, прежде всего надо обеспечить лабораторию директора. Новый директор Н.К.Кочетков вместо того, чтобы добиться для нас "сотки" сперва решил сменить руководителя, который мог бы поработать для начала и на приборах соседних институтов.
***** В дальнейшем генеральные обзоры по ЯМР (по крайней мере до 1990-х) появлялись в апреле каждого четного года.
* Название поэмы конструктора спектрометров ЯМР А.Н.Любимова из самиздата 1980 года.
Итак, следующий этап развития методов химической радиоспектроскопии ЯМР состоял в достижении достаточно высоких значений поляризующего поля, что позволило бы применить метод к широкому классу неорганических и органических соединений. На Всесоюзных Совещаниях по парамагнитному резонансу 1959–1964-х годов демонстрировались спектры ПМР, снятые на частотах около 20 МГц. Пристрастие к механическому подсчету числа наблюдаемых линий приводило к переоценке достижений наших разработчиков аппаратуры. Роль "ложного друга" играло большое число наблюдаемых в спектре ПМР линий второго и третьего порядка на низких частотах. При устранении КССВ с протоном ОН-группы за счет быстрого межмолекулярного обмена, стимулированного подкислением спирта, в группе СН3СН2 теоретически на низких рабочих частотах можно наблюдать в соответствующей области до 34 линий спектра. При этом 20 и более линий – на частотах 15–20 МГц даже при относительной разрешающей силе порядка 2 × 107 (т.е. при относительном разрешении 5 × 10–8 или абсолютном в 1 Гц). Некорректно выглядит (нередкое тогда) сопоставление 15–20 полученных на частотах порядка 20 МГц линий с 12–15 линиями, полученными на 40 МГц – частоте, уже применявшейся тогда в английских, американских и японских спектрометрах.
Некоторое представление о состоянии нашего приборостроения в 1959–1964 годах дает рис.1, где сопоставлены два симулированных спектра: один с худшим разрешением и на низкой частоте, другой, соответственно, на более высокой частоте и с лучшим разрешением. Число линий, как ясно из рисунка, само по себе не является показателем лучшего разрешения. Нижний спектр на рисунке содержит практически столько же линий, сколько и верхний, снятый на частоте почти в три раза более высокой и при относительном разрешении в восемь раз лучшем! На рис.2 показан аналогичный правой части спектра рис.1 экспериментальный тестовый спектр группы CH3 этилбензола на 60 МГц (по типу аналогичный спектру CH3 группы этанола), снятый А.Н.Любимовым в 1965 году в присутствии автора. Наблюдаемые большие расщепления объясняются КССВ. Сравнительно небольшие – возмущениями 2-го порядка: триплеты в крайних группах линий, дублет в центральной группе, причем уширение наиболее интенсивной группы дублета отчасти связано с неразрешенным расщеплением третьего порядка.
Что касается чувствительности, пропорциональной по приближенной оценке величине form01_1.ai[1], то к стандартизованному отношению сигнала к шуму (о.с.ш.) наши разработчики в конце 50-х только-только подходили. В 60-х годах стандартным образцом для измерения о.с.ш. служил 1%-ный раствор этилбензола в четыреххлористом углероде. Более наглядным является, очевидно, пример с "сателлитами 13С". Отметим, что лишь при ν0 = 60 МГц удавалось в то время наблюдать в ПМР сателлиты 13С (0,55% интенсивности основного пика, см. рис.3) уверенно за один проход (без накопления) при естественном содержании последнего изотопа даже в чистых соединениях. Сателлиты 13С возникают в спектре ПМР благодаря наличию в естественных (природных или синтетических) углеродсодержащих соединениях примеси минорного изотопомера (для хлороформа, например, это 1,1% 13СНСl3 на фоне 98,9% 12СНСl3, см. рис.3).
Обладающий спином ½ и магнитным моментом всего лишь в четыре раза меньшим, чем у протона, нуклид изотопа 13С имеет КССВ порядка 100–200 Гц с ядром непосредственно связанного с углеродом водорода. Таким образом и возникают две симметрично расположенные в слабом и сильном поле относительно основной линии СН побочные линии (так называемые сателлиты, отвечающие ориентациям спина 13С, равным ± ½).
Из сказанного ясно, что если в некоторой аппаратуре о.с.ш. для линии, скажем 1Н хлороформа, S/N > 200 (при рабочей частоте 60 МГц), то при 40 МГц для той же одиночной линии на технически аналогичной аппаратуре о.с.ш. едва превысит S/N ~ 100. В соответствии с уровнем применяемой тогда элементной базы и схемных решений ламповой радиотехники рубеж приемлемой чувствительности пролегал как раз вблизи 60 МГц, что соответствовало для протонов полю около 1,4 Тл.
Для повышения магнитной индукции приходилось увеличивать силу тока электромагнита, а это влекло за собой целый комплекс проблем. Прежде всего возрастала мощность рассеяния, откуда возникали затруднения с отводом тепла и термической неоднородностью ярма в рабочем режиме. В дальнейшем электромагниты с железным сердечником с магнитной индукцией поля свыше 2,5 Тл практически никогда не использовались в ЯМР.
Новый этап развития метода связан с переходом к наблюдению линий ЯМР самого ядра 13С и других редких изотопов К.Холмом [2] и П.Лотербуром [3] в 1957 году, а затем (1965) в Эстонии Э.Липпмаа [4]. А необходимость получения именно спектров изотопов важнейших органогенных элементов 13C, 15N, 17O ощущалась химиками все настоятельней. Прямой путь к повышению чувствительности лежал прежде всего через повышение индукции магнитного поля. Но этот путь заканчивался для спектрометров с постоянными магнитами около 1,25 Тл (частота ПМР около 90 МГц). Электромагниты требовали для значительного повышения поля уже неподъемных для массового применения расходов электроэнергии. Магнит на 2,3 Тл (ПМР 100 МГц) требовал для питания мощности в десятки киловатт. А мощность растет даже не пропорционально требуемой индукции, а быстрее из-за эффектов магнитного насыщения. ЯМР-приборостроение перешло на сверхпроводящие соленоиды. Между тем по свидетельству Э.И.Федина [5] имелись безумные проекты достижения магнитного поля порядка 23,5 Тл (что соответствовало частоте ПМР 103 Мгц) с помощью гигантского резистивного соленоида без сердечника, замкнув на соленоид одну из турбин Енисейской (Красноярской) ГЭС, а охлаждения этого соленоида – с помощью воды того же Енисея! Открытие ряда сверхпроводников второго рода с высокими значениями критического поля избавило спектроскопию от таких проектов. Впрочем, на совещании Совета РАН по магнетизму в 1998 году автору стало известно, что в Физическом Институте АН СССР в 60-х годах была создана мощная магнитная система на 15–20 Тл с питанием от мотор-генератора и охлаждением от артезианской скважины. Правда, по однородности поля и, по-видимому, также по стабильности эта система не выдерживала требований ЯМР.
Рубеж в 1,4 Тл нашим разработчикам удалось достичь только в середине 60-х годов. Э.И.Федин вспоминал [5]: "Я поговорил с А.Н.Несмеяновым. Он помог превести А.Н.Любимова из ЦЛА в СКБ ИОХ*, где для него был создан отдел ЯМР-спектроскопии. Расхваленный мной <в [6] прибор Любимова> ЦЛА-5535 удалось передать для серийного производства на Сумской завод Минприбора, а А.Н.Любимов в своем новом отделе взялся за разработку РС-60. Я был уверен, что мы и на этот раз посрамим СКБ АП".
Планы эти были, как говорится, дорогой в никуда. Даже, если бы они реализовались, мы получили бы спектрометры на 60 МГц. Но ведь уже активно продавались вариановские "сотки"**, Varian объявил о своих сверхпроводящих ЯМР-спектрометрах на 200 и 220 МГц. В 1965 году конструкция А.Н.Любимова (притом опытная) достигала всего лишь уровня массовой продукции зарубежных фирм 1958–1960-х годов. Разработчики из СКБ АП во главе с Ю.Л.Клейманом догнали и в какой-то мере перегнали к 1967 году А.Н.Любимова в своей пятой по счету модели РЯ-2305.
После выпуска на Сумском заводе малой серии спектрометров РС-60 и нескольких более усовершенствованных лабораторных моделей РС-60М и РС-56/19 (на фтор и бор) для ИОХ АН СССР А.Н.Любимов вынужден был прекратить свою деятельность в области приборостроения ЯМР. У него осталась обида на конкретных руководителей, но беда была не в них, а в системе. Память об А.Н.Любимове (1915–1980), глубоко интеллигентном, профессионально грамотном в области техники и математики инженере, прошедшем фронт, немецкий плен и советскую "шарашку", заслуживает особого разговора.
Достигла успехов и группа Ю.Л.Клеймана в СКБ АП. Компактная магнитная система СКБ АП для прибора РЯ-2305 в конце 1960-х годов была даже признана конкурентно способной на зарубежном рынке по мнению специалистов британской приборостроительной фирмы Perkin Elmer [5]. Фирма предлагала объединить усилия. Этим, однако, наши руководители воспользоваться не могли: не положено! Вскоре в СКБ АП сконструировали спектрометры на 90 МГц (РЯ-2309), и, наконец, по инициативе В.В.Воеводского в Черноголовском Отделении ИХФ (впоследствии Институт проблем химической физики – ИПХФ) был создан в 1971 году В.А.Забродиным, И.С.Краинским и др. уникальный для СССР спектрометр [7] сперва на 200, а затем почти на 300 (294) МГц для 1Н (поле сверхпроводящего соленоида с индукцией 4,7–7 Тл). СКБ АП с подобной разработкой не справилось, а передать проект ИПХФ в промышленность по всем советским стандартам было невозможно.
Этот спектрометр, изображенный на рис.4 в окружении создавшей его команды, работал по нашим сведениям до 2000 года [8]. Практически после этих сравнительно удачных разработок А.Н.Любимова, Ю.Л.Клеймана и ИПХФ в развитии собственно аналитического ЯМР в Советском Союзе отечественное приборостроение уже не играло практически никакой роли. И не удивительно! Происходила очередная революция в мировом приборостроении (и не только ЯМР). Даже спектрометр со сверхпроводящим магнитом в ИПХФ имел категорический недостаток. Требовался управляющий (и накапливающий сигналы) компьютер, и это был единственный путь к ограниченому практически только временем росту чувствительности. То есть, как указывала разработка Р.Эрнста – В.Андерсона [9], надо было перейти от последовательного возбуждения резонанса (развертки частоты) к возбуждению резонанса импульсом с широким частотным спектром и дальнейшим Фурье-преобразованием отклика спиновой системы на такое одновременное возбуждение. Генеральным направлением в борьбе за повышение чувствительности стало накопление сигналов при многократном импульсном возбуждении резонанса в тождественных условиях. При накоплении сигналов, то есть при суммировании K откликов, полезный сигнал S возрастает в K раз, но и случайный тепловой шум N возрастает, хотя и в меньшей степени, как K1/2 (подобно тому, как длина пути, пройденного частицей при броуновском движении, возрастает пропорционально корню квадратному из числа скачков). Получается, что для увеличения отношения сигнал / шум (S / N) в 10 раз требуется 100 накоплений и т.д. Во главу угла ставится вопрос о сокращении времени на каждое отдельное возбуждение и регистрацию сигнала. Но между каждыми двумя съемками сигнала должно пройти время в несколько раз (3–5) больше времени тепловой (спин-решеточной) релаксации ядерной намагниченности Т1, а это несколько секунд (для многих ядер и того больше – несколько десятков секунд). Допустим, что в рабочем диапазоне частот ∆Ω (десятки кГц) имеется не определенное до эксперимента число узких линий с шириной в частотном выражении порядка δω (Гц). Тогда на запись каждой линии потребуется скажем 3Т1 (десятки секунд), а на запись всех линий (или даже на проверку того, что в каких-то частях диапазона никаких линий нет) уйдет никак не менее 3(∆Ω /δω)Т1 секунд. Например, однократная запись спектра углерода неизвестного образца заняла бы около десяти часов, причем основная часть времени была бы затрачена как бы впустую.
"А нельзя ли сделать так, чтобы почти все время работы спектрометра не уходило на регистрацию шумов?" – спросил у меня Рассел Вариан. И он был прав..." – Примерно в таких словах (автор цитирует их по памяти) выразил идею перехода к одновременному возбуждению резонанса во всем рабочем диапазоне один из ведущих специалистов фирмы Varian Джим Шулери, выступая на встрече с советскими специалистами в 1967 году на первой выставке вариановской аппаратуры в Москве. Ф.И.Скрипов, исследовавший ЯМР в магнитном поле Земли, ранее, чем Varian, применил (правда в полукустарном почти "ручном" варианте) [5, 10] метод импульсного возбуждения и преобразования Фурье. Это было опубликовано и сделало возможным обход патента Varian для конкурентов.
Заметим, что участники первых отечественных разработок все же были интегрированы в развитие химической спектроскопии ЯМР и внесли свой вклад в ее достижения. Почти два года на отечественной аппаратуре "выезжал" в 1965–1967-х годах крупнейший академический институт ИОХ им. Н.Д.Зелинского АН СССР (благодаря шефству со стороны А.Н.Любимова и его соратников). А в МИТХТ (В.В.Ястребов) и Пермском ГУ (В.И.Прошутинский) спектрометры конструкции А.Н.Любимова эксплуатировали до 1980-х годов [11]. Но вернемся в середину и вторую половину 1960-х, когда ЯМР начал широко входить в научный быт отечественных химических институтов, а поставки зарубежной аппаратуры все расширялись.
СПЕКТРОМЕТРЫ ЯМР В НАШИХ ИНСТИТУТАХ
По подвалам за приборами
Наша молодость погублена
(Мемуары в стихах // ВИЕТ [12. С. 207])
Вспоминаю свое вхождение в аналитический ЯМР: сначала мимолетное знакомство в подвальной лаборатории Д.Н.Шигорина (Корпус 2 НИФХИ им. Л.Я.Карпова). Здесь мы столкнулись с самодельным спектрометром конструкции Н.М.Померанцева, не подходящим для аналитических целей из-за низкого разрешения. Затем произошло знакомство с сомнительным по качеству спектров швейцарским прибором компании Trüb Täuber. Мы потребовали у фирмы снабдить устройство дополнительной катушкой, корректирующей неоднородность поля магнита. И, наконец, нас (а особенно коллегу Н.М.Сергеева) "осчастливили" разработанной Л.Л.Декабруном моделью СЯМР-63, точнее ее опытным образцом, изготовленным в СКБ Эстонской АН СССР (разрешение порядка 107)***. Но подлинный живой контакт с химиками-органиками автор ощутил в стенах Института органической химии им. Н.Д.Зелинского, куда был рекомендован Э.И.Фединым для поддержки разработок А.Н.Любимова. После первой зарплаты в ИОХе были куплены книги по химии: новое издание А.Е.Чичибабина, "толстый" К.Д.Неницеску и еще маленькая переводная книжка, где умелый популяризатор (американец, не помню фамилию) излагал химию живого. Постепенно мы вдвоем с моим первым сотрудником Евгением Павловичем Прокофьевым, также выпускником кафедры радиотехники физфака МГУ, которого я переманил из почтового ящика обещанием скорого получения им кандидатской степени, стали соображать, что такое спирты, кетоны и альдегиды и даже как они переходят друг в друга. В эти годы пошел вал переводной литературы по химическим приложениям ЯМР высокого разрешения. В 1962 году перевели Дж.Попла, затем вышел перевод А.Леше, впрочем, книга малополезная для начинающего (а теперь небезынтересная для истории магнитного резонанса), а в 1966 и в 1968 годах вышел двухтомник Эмсли, Финни и Сатклиффа. Статьи в J. of Chem. Phys и тому подобных умных изданиях я читал регулярно еще до перехода в ИОХ, тогда их было не так уж и много. Благодаря приобретенным знаниям я быстро начал находить общий язык с химиками ИОХа.
Мы готовились принять из рук замечательного нового коллеги Александра Николаевича Любимова и его верного оруженосца Анатолия Федосеевича Вареника свежеизготовленный спектрометр на 60 МГц – РС-60. Нам достался первый экземпляр, а всего налаживали три прибора: нам, химфаку МГУ – Ю.А.Устынюку и Э.И.Федину в ИНЭОС. Помимо бесед с химиками и практической работы на приборе JNM-4H-100 (японской фирмы JEOL) в соседнем Институте у В.Ф.Быстрова (это было лишь раз в неделю), я посещал своих прежних коллег в НИФХИ, где под вдохновенным творческим влиянием Н.М.Сергеева мы прорабатывали теорию ЯМР высокого разрешения. К середине 1965 года А.Н.Любимов с А.Ф.Вареником предоставили в наше распоряжение прибор РС-60. Мы каким-то чудом "выбили" для спектрометра комнату в подвале. Группа постепенно обустраивалась, осваивала прибор и принимала своих клиентов – химиков, которые налетали на ЯМР как пчелы (или осы) на сахар. Некоторые бывали и за границей или по крайней мере сотрудничали с прибористами в соседних институтах (ИХФ, ИХП, ИНЭОС).
Тематика исследований была очень разнообразна. Меня в первую очередь увлекала аппаратурная и физическая экзотика, хотя и химики постепенно заражали своими интересами. Более любопытным был ЯМР других ядер (не протонов). Интересовало и прямое его наблюдение (соединения фтора, бора были в ИОХе хорошо представлены) и двойные гетероядерные резонансы – протоны показывали через них свою связь не только с упомянутыми фтором и бором, но и фосфором, азотом 14N и 15N (в изотопно обогащенных образцах). Тут мне помог дипломник с нашей родной кафедры радиотехники физфака МГУ В.В.Негребецкий (старший), направленный к нам Ю.С.Константиновым. Потом Виталий Негребецкий стал моим аспирантом, правда не в ИОХ, а во Всесоюзном НИИ химических средств защиты растений (ВНИИХСЗР), но был прикомандирован к ИОХу.
Между тем наступил год перелома в развитии отечественного ЯМР – 1967-й. В мае прямо в ИОХе состоялось заседание Отделения общей и технической химии АН СССР. Выступали Э.Липпмаа, В.Ф.Быстров, Э.И.Федин, Ю.Ю.Самитов и тогда еще номинальный начальник В.Ф.Быстрова Александр Наумович Шейнкер (вскоре он ушел во Всесоюзный химико-фармацевтический НИИ). Большая Академия требовала развития ЯМР в СССР. По преимуществу это был официальный посыл к расширению закупок импортной аппаратуры, потому что кроме Э.Липпмаа никто из наших не мог гарантировать спектроскопию "на мировом уровне". И вот летом состоялась первая в СССР выставка спектрометров ЯМР фирмы Varian. Тут сошлись коммерческие интересы этой компании и нужды нашей развивавшейся химии (природных соединений, ракетных топлив и т.д.), а надежды на отечественные приборы практически рухнули. Сверхпроводниковые соленоиды, а главное компьютеры не поддавались пока быстрому освоению нашей промышленностью, а ведь она еще не вышла и на 100 МГц по ПМР! И нам для начала "сплавили" вариановские "шестидесятки" и "сотки" на электромагнитах, которые и были представлены на выставке в Институте вирусологии летом 1967 года. Деньги (валюта) были уже выделены, приборы предварительно распределены, но необходимо было все обставить коммерчески и технически грамотно. Видимо и наша встреча со специалистами Varian в ресторане гостиницы "Россия" уже предусматривалась принимающей стороной ("Техснабэкспортом" и АН СССР) и приветствовалась гостями. В начале осени в ИОХ привезли первый для института импортный прибор Varian DA-60 (Double Appliance 60 MHz). Это был не слишком удачный выбор (высокое разрешение + широкие линии)****, но лучшие экземпляры ("сотки") достались Новосибирску и Институту химии природных соединений, а простая американская "шестидесятка" ломалась раз в пять реже, чем РС-60, но ведь под боком у нас был А.Н.Любимов! Как раз перед этим в ИОХ пришел новый директор и неуклонно назревала смена руководителя группы ЯМР: мне с трудом удалось дотянуть до 1972 года (назначение состоялось в 1965 году), об этом подробно в [13]. Не помог и взятый в аренду в каком-то медицинском институте японский спектрометр на 100 МГц. Он работал как многие приборы этой фирмы нестабильно, имел чувствительность ниже номинальной, а директор Николай Константинович Кочетков еще пугал меня вопросом: "Есть ли у Вас 100 тыс. долларов?", когда мы все же спектрометр чинили и эксплуатировали. Даже для директорской лаборатории одну работу по некоему дисахариду "через не могу" (с применением двойных резонансов) сделали, получив затем неофициальную благодарность.
Небольшими эпизодами в истории освоения "покупленных" (как выразился Э.Липпмаа) подустаревших импортных спектрометров были удачные попытки отдельных лабораторий (например, в Казанском ГУ, и у нас в ИОХ АН СССР) внести усовершенствования в аппаратуру, образцы которой поступали в СССР не ранее чем через 5–10 лет после выпуска первой серии на фирме. Преимущественно это были приспособления для гетеро- (реже гомо-) ядерных двойных резонансов (А.Хаяров, Р.Садыков, А.В.Аганов и др. (КГУ); В.В.Негребецкий (старш.), А.З.Янкелевич и др. (ИОХ)). Эти методы принесли свои плоды в химических исследованиях. Так (из нашего опыта) изучение методами двойного резонанса 1H – {31P} полученных в лаборатории Н.Н.Мельникова (ВНИИХСЗР) фосфадиазолов [14] привело к окончательному подтверждению структуры этого нового класса соединений, что было отмечено свидетельством на открытие СССР. Где находились мы со своим ЯМР к началу 1970-х, можно качественно оценить из анализа ссылок первого обзора в Analytical Chemistry [15] по ЯМР***** за 1969–1970 годы. Причем, если судить по цитированию работ самого автора и ближайших коллег, то можно понять, что реально охвачено практически все, что публиковалось в важнейших международных и переводных отечественных журналах. Результаты выборки таковы: из 2 088 цитирований в [15] только 128 принадлежат авторам из СССР (15 из них эстонским авторам). Лишь 17 работ (15 из них экспериментальных) опубликованы в международных и зарубежных журналах, в том числе семь – Э.Липпмаа, две – В.Ф.Быстровым и две – Н.М.Сергеевым и Ю.А.Устынюком.
Подавляющее большинство наших экспериментальных работ выполнялись на импортной аппаратуре. Можно лишь указать на пару статей ленинградских химиков с соавторством Ю.Л.Клеймана и В.Н.Морковина (выполненных на спектрометрах СКБ АП), одну из ИОХа с использованием любимовской разработки РС 56/19, на некоторые публикации из Казани, и опять-таки на 12 статей эстонских спектроскопистов, то есть всего не более 20 работ, выполненных на оригинальной аппаратуре.
И вот к нам "поехали" импортные приборы. При установке и наладке случалось немало курьезов. Так в НИФХИ при запуске KIS-25 мы первое время дежурили по ночам (фирма гарантировала круглосуточную работу прибора), за что получили от нашего запускающего инженера Гейнца Чагеллара прозвище "wilde Leute" – "дикие люди". В ИОХе, несмотря на академизм начальников, дежурили по двое каждую ночь и выходные дни напролет больше, чем полмесяца. Наконец, новый заместитель директора В.Б.Казанский разрешил круглосуточное включение прибора, на что тот и был рассчитан по фирменному регламенту. Надо отдать должное зарубежным фирмам: приборы отлично переносили круглосуточную работу. Но еще было вспомогательное оборудование советского производства, которое могло подвести. Поэтому автор, как любой счастливый хозяин импортного прибора, с этих пор и долгие годы своего занятия ЯМР не спал спокойно (хотя приборы и институты менялись), а особенно в воскресные дни (по субботам часто кто-нибудь работал, потом стали работать и в воскресенье). Охрана обычно принципиально снимала с себя ответственность за любые возможные происшествия (так было и в ИОХе). А ведь могло быть всякое, в том числе и очень глупое. Так, в Новосибирском ИОХе вариановский прибор HA-100 сгорел однажды "не по своей вине", уже тогда, когда был одним из самых старых в лаборатории.
ФИРМЫ И МЫ
Отметим, что для наших специалистов, не связанных с оборонной промышленностью, оказались неожиданными появление алгоритма быстрого фурье-преобразования для ЭВМ и затем фантастический рост вычислительных возможностей ЭВМ. Не были значительными наши успехи и в конструировании сверхпроводящих соленоидов, но проблемы с ЭВМ оказались решающими. На пути внедрения накопления сигналов и быстрого фурье-преобразования вопреки продолжавшимся усилиям разработчиков из СКБ АП во главе с Ю.Л.Клейманом глухой стеной встала наша отсталость в развитии электронной вычислительной техники.
В 1971 году состоялась вторая выставка Varian. И тут-то пошли к нам уже и импульсные приборы, начиная со знаменитого XL-100 (рис.5). Читатель, возможно, рассмеется, узнав, что управляющий компьютер у первых образцов имел память 24 килобайт. Но для нас это был первый в жизни рабочий компьютер.
Недаром Varian спешил "сплавить" нам теперь и импульсные "сотки". За его спиной появился, например, на выставке в Казани со своим импульсным спектрометром WH-90 на 90 МГц возникший в Карлсруе (ФРГ) с добавкой обломка Trüb Täuber в Цюрихе новый производитель спектрометров ЯМР – фирма Bruker [16]. Создали компанию профессор Гюнтер Лаукин и предприниматель Эмиль Брукер в 1960 году.
С 1970-х годов советское ЯМР-сообщество стало подразделяться на "вариановских" и "брукеровских". Из первых пользователей спектрометров фирмы Bruker выдвинулся Э.И.Федин, который [5] стал энтузиастом сотрудничества с этой фирмой и снова привлек для поддержки А.Н.Несмеянова (рис.6). Но, как считал сам Э.И.Федин, из-за "его причудливой биографии" (репрессированный сын репрессированных родителей), пришлось отдать пальму первенства в сотрудничестве с Bruker сначала Институту химической физики (ныне им. Н.Н.Семенова), а затем ИОХ им. Зелинского РАН. Представительство Bruker по злой иронии судьбы находилось долгое время в том самом корпусе СКБ ИОХ, где раньше работал А.Н.Любимов.
Довольно быстро всем химикам стало ясно, что "без ЯМР не жизнь, а каторга". В группе или лаборатории ЯМР каждого "приличного" химического института работало к концу 1970-х не менее двух-трех спектрометров. Некоторые продвинутые химические лаборатории заводили собственные спектрометры. "На подхвате" у основного спектрометра (Varian или / и Bruker), а с 1980-х преимущественно со сверхпроводниковыми магнитами на 200–500 МГц могли быть доживающие свой век отечественные (СКБ АП или А.Н.Любимова), фирмы JEOL (пусть и староватые, но работоспособные). Могли быть и спектрометры чехословацкой фирмы Tesla [17]. Эта фирма изрядно выручала химиков "соцлагеря". Основанная в Брно на базе группы сотрудников, прошедших обучение под руководством известного ЯМР-спектроскописта Й.Дадока, по благословению совещания спектроскопистов стран СЭВ 1971 года (Владимир Быстров, Артур Леше (ГДР) и др.) фирма совершила успешный технологический прорыв и выпустила 500 спектрометров ЯМР, которые работали во многих местах от Владивостока до Йены и от Ленинграда до Софии. Э.И.Федин с горечью описывает в [5] крушение попыток наладить хотя бы совместное производство с Tesla, которая в 1970–80-е годы обеспечила многие советские лаборатории своими спектрометрами ЯМР с рабочими частотами для протонов 60; 80 и 100 МГц. Более того, Tesla сумела-таки освоить спектрометры ЯМР с импульсным возбуждением и фурье-преобразованием, хотя ей из-за эмбарго НАТО на стратегическую аппаратуру и комплектующие изделия смешанного назначения приходилось применять в качестве управляющей спектрометром ЭВМ громоздкий аналог паккардовской ЭВМ конца 60-х годов. Конечно, из-за неадекватной комплектации устаревшими ЭВМ и нередких других недочетов приборы Tesla были менее удобны. Но они работали у того, кому были нужны.
Varian продал уже к 1990-м свою последнюю великолепную серию Gemini, но в 21 веке генеральным поставщиком спектрального оборудования ЯМР в Россию стал Bruker. Он победил бывшего Varian (братья, увы, скончались) и фактически поглотил ЯМР-производство Tesla. Большие заслуги в сотрудничестве фирмы Bruker с советскими и российскими специалистами принадлежат Уве и Барбаре Айхофф. О них написал в своих мемуарах известный казанский ЯМР-спектроскопист А.В.Аганов. [18].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Заметки о первых (и может быть вторых, но не более) шагах ЯМР в СССР пришлось при всей их неполноте разделить на три части. В первой части мы вспомнили о том, что такое ЯМР вообще и рассказали о первых экспериментах по ЯМР в СССР как до, так и после уверенного открытия этого замечательного явления. Вторая и третья части посвящены краткому описанию принципов и истории освоения в СССР именно химико-аналитической спектроскопии ЯМР, разработкам отечественной и первым шагам в освоении импортной аппаратуры, которая в конечном счете и стала базой нашего химического ЯМР. Исследования истории ЯМР еще не завершены и возможны лакуны в освещении нашей темы.
ЛИТЕРАТУРА
Абрагам А. Ядерный магнетизм / пер. с англ. М.: Издательство иностранной литературы. 1963. С.88. См. оригинал: Abragam A. Principles of nuclear magnetism. Oxford: Clarendon press. 1961.
Holm C.H. Observation of chemical shielding and spin coupling of 13C nuclei in various chemical compounds by nuclear magnetic resonance // J. Chem. Phys. 1957. Vol. 26. № 3. P. 707–708.
Lauterbur P.C. 13C nuclear magnetic resonance spectra // J. Chem. Phys. 1957. Vol. 26. № 1. P. 217–218.
Липпмаа Э., Оливсон А., Паст Я. Ядерный магнитный резонанс углерода-13. Ч. 1. // Eesti NSV Teaduste Akad. Toimetised Fuus.-Matem. 1965. Vol. 14. № 3. P. 473–485 (Известия АН ЭССР, сер. Физика и математика); Липпмаа Э., Паст Я., Оливсон А., Салувере Т. Ядерный магнитный резонанс углерода-13. Ч. 2 // Eesti NSV Teaduste Akad. Toimetised Fuus.-Matem. 1966. Vol. 15. № 1. P. 58–63 (Известия АН ЭССР, сер. Физика и математика).
Федин Э.И. Золотое клеймо неудачи (воспоминания о советском приборостроении ЯМР) // Научное сообщество физиков СССР. 1950–1960-е и др. годы. Вып. 2. СПб: РХГА. 2007. С. 366–393.
Несмеянов А.Н., Федин Э.И. Ждут не дождутся //
Литературная газета. 1963.
Забродин В.А. Спектрометр ядерного магнитного резонанса высокого разрешения на сверхпроводящем магните // Дис. канд. дис. Черноголовка, 1972.
Кессених А.В. Институт Химической физики АН СССР и химическая радиоспектроскопия в нем – "зоны обмена" между физикой и химией. 1950–1960-е гг. // К исследованию феномена советской физики 1950–1960-х и др годы. Социокультурные и междисциплинарные аспекты / Сост. и ред. Визгин В.П., Кессених А.В. и Томилин К.А. СПб: РХГА, 2014. С. 408–440.
http://intelbook.org/wp-content/uploads/2015/03/Fiziki_web_.pdf.
Anderson W., Ernst R. US-A 3475680 (Impulse Resonance Spectrometer Including a Time Averaging Computer and a Fourier Analyser). 1969. (submitted May 26 1965). Патент США.
Щербаков В.А. Осуществление существительного с прилагательным или ЯМР как часть речи // Новости ЯМР в письмах. 1998. № 3/4. С. 653–669.
Кессених А.В. Из истории химической радиоспектроскопии ЯМР в Советском Союзе (воспоминания, документы, материалы) // ВИЕТ. 2014. № 1. С. 119–141.
Кессених А.В. Мемуары в стихах // ВИЕТ. 2007. № 2. С. 205–216.
Кессених А.В. Физик на службе у химиков. Воспоминания о работе в ИОХ АН СССР (1965–1972) // Исследования по истории физики и механики 2009–2010. М.: Физматлит, 2010. С. 300–348.
Кессених А.В., Негребецкий В.В., Игнатова Н.П., Швецов-Шиловский Н.И., Мельников Н.Н. Изучение спектров ПМР и двойного протон-фосфорного резонанса некоторых фосфадиазолов // ЖСХ. 1970. Т. 11. С. 633–638.
Corio P.L., Smith S.L., Wasson J.R. Nuclear Magnetic Resonance // Analytical Chemistry. 1972. V. 44. № 4(2). P. 407–438.
https://de.wikipedia.org/wiki/Bruker
Zeman V. Vzpomínky na NMR v Brněnské Tesle /
Editor S.Sykora / Stelar CS, Brno, Czech Republic Stan’s Library. Vol. 2. First release April 15, 2008, in Czech. Permalink via DOI: 10.3247/SL2Nmr08.003
http://www.ebyte.it/library/hist/NMR_Tesla_cs.html.
Аганов А.В. Жизнь в науке и наука жизни. Казань: Казанский университет. 2013. С. 259.
* Конструкторское бюро соседнего с ИНЭОС Института органической химии АН СССР.
** Спектрометры на 100 МГц.
*** Обращаю внимание, что разрешение прибора может записываться как 10–n или 10n , что в первом случае отвечает относительной аппаратурной ширине линии в спектре, а во втором – разрешающей силе, то есть отношению рабочей частоты к аппаратурной ширине линии.
**** Тогда я не имел еще опыта, который гласит: приборы нужно как можно реже перестраивать с режима на режим – целее будут, да и объять необъятное никто еще не мог. И вообще, прежде всего надо обеспечить лабораторию директора. Новый директор Н.К.Кочетков вместо того, чтобы добиться для нас "сотки" сперва решил сменить руководителя, который мог бы поработать для начала и на приборах соседних институтов.
***** В дальнейшем генеральные обзоры по ЯМР (по крайней мере до 1990-х) появлялись в апреле каждого четного года.
* Название поэмы конструктора спектрометров ЯМР А.Н.Любимова из самиздата 1980 года.
Отзывы читателей
