yamr - Саратовский государственный университет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г.Чернышевского
Институт химии
УТВЕРЖДАЮ
Проректор
по учебно-методической работе
профессор
Елина Е.Г.
« » -------------2011 г.
Рабочая программа дисциплины
ЯМР-спектроскопия в анализе пищевых продуктов
Направление подготовки
020100 Химия
Профиль подготовки
Химия окружающей среды, химическая экспертиза и экологическая безопасность
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов
2011 год
1. Цели освоения дисциплины «ЯМР-спектроскопия в анализе пищевых
продуктов»
Преподавание данного курса имеет целью сформировать у студентов понимание
принципиальных основ, практических возможностей и ограничений ЯМР
спектроскопии как важнейшего физико-химического метода анализа и, в частности,
как метода экспертизы пищевых продуктов. В соответствии с поставленной целью
задачами курса являются изучение теоретических основ метода ЯМР, освоение
практических навыков, связанных с аппаратурным оснащением и условиями
проведения эксперимента. Кроме того, задачами курса является освоение
современных математических методов анализа ЯМР спектров, а также расчетов
ЯМР сигналов различными методами.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «ЯМР-спектроскопия в анализе пищевых продуктов» является
вариативным курсом профессионального цикла дисциплин Федерального
государственного образовательного стандарта высшего профессионального
образования (ФГОС ВПО) по направлению «Химия» (профиль «Химия
окружающей среды, химическая экспертиза и экологическая безопасность»
(бакалавриат).
Для освоения программы по дисциплине «ЯМР-спектроскопия в анализе
пищевых продуктов» студенты должны иметь базовое среднее (полное) общее
образование или среднее техническое. Требования к «входным» знаниям студентов
предполагают освоение предшествующих дисциплин («Органическая химия»
(строение и свойства органических соединений), «Аналитическая химия» (методы
количественного анализа), «Молекулярная спектроскопия в химической
экспертизе» (спектроскопические методы анализа)), необходимых для успешного
освоении данной дисциплины
Освоение данной дисциплины необходимо для выполнения квалификационных
работ бакалаврами химии профиля «Химия окружающей среды, химическая
экспертиза и экологическая безопасность».
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины
В совокупности с другими дисциплинами ФГОС ВПО дисциплина «ЯМР в
экспертизе пищевых продуктов»» обеспечивает формирование следующих
профессиональных компетенций бакалавра направления «Химия»:
- использует основные законы естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применяет методы математического анализа и
моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-6);
- владеет основами теории фундаментальных разделов химии (прежде всего
неорганической,
аналитической,
органической,
физической,
химии
высокомолекулярных соединений, химии биологических объектов, химической
технологии) (ПК-2);
- способен применять основные законы химии при обсуждении полученных
результатов, в том числе с привлечением информационных баз данных (ПК-3);
- владеет навыками работы на современной учебно-научной аппаратуре при
проведении химических экспериментов (ПК-6);
- владеет методами регистрации и обработки результатов химических
экспериментов (ПК 8);
Данный курс направлен на формирование у студентов следующих знаний и умений:
- знать основы метода ЯМР спектроскопии, понимать природу и особенности
происхождения сигналов;
- уметь интерпретировать сигналы в ЯМР спектрах и использовать полученные
знания для оценки строения молекул, качественного и количественного анализа
различных соединений в пищевых продуктах;
- владеть современными методами расчета ЯМР спектров молекул на основе
программных средств с помощью компьютеров.
4. Структура и содержание дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 8 зачетных единиц, 288 часа.
№
п/п
Раздел дисциплины
Се
ме
ст
р
1
Введение
11 1
2+2
4
6
12
Работа у доски
2
Электронный и
11 2
ядерный
магнитные
моменты. Ядра в
магнитном поле.
Снятие
11 3
вырождения
спиновых
состояний
в
постоянном
магнитном поле.
Условия ядерного 11 4
магнитного
резонанса.
2+2
4
6
14
Устный опрос
2+2
4
6
12
Устный опрос
2+2
4
6
14
Устный опрос
3
4
Не
де
ля
се
ме
ст
ра
Виды учебной работы,
включая самостоятельную
работу студентов и
трудоемкость (в часах)
лек
лаб
сам
всего
Формы текущего
контроля
успеваемости (по
неделям семестра)
Формы
промежуточной
аттестации (по
семестрам)
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Интенсивность
сигнала ЯМР.
Химический сдвиг
и спин-спиновое
расщепление
в
спектрах
ЯМР.
Константа
экранирования
ядра.
Относительный
химический сдвиг,
его определение и
использование в
химии.
Спин-спиновое
взаимодействие
ядер, его природа,
число компонент
мультиплетов,
распределение
интенсивности,
правило сумм.
Сверхтонкое
взаимодействие.
Блок-схема
спектрометра
ЯМР,
типы
спектрометров.
Техника
и
методика
эксперимента.
Требования
к
растворителям,
объектам,
условиям.
Расчет
спектров
ЯМР.
Квантовохимический
подход
Аддитивные
схемы в расчете
ЯМР спектров.
11 5
2+2
4
6
12
Устный опрос
11 6
2+2
4
6
14
Устный опрос
11 7
2
6
6
14
Устный опрос
11 8
2
6
6
16
Отчет о
выполнении
лабораторной
работы
11 9
2
6
6
14
Устный опрос
11 10 2
6
6
16
Устный опрос
11 11 2
6
6
14
Отчет о
выполнении
лабораторной
работы
11 12 2
6
6
16
Устный опрос
11 13 2
6
6
14
Отчет о
выполнении
лабораторной
работы
14
Качественный
11 14 2
органических
и
неорганических
веществ.
6
6
14
Отчет о
выполнении
лабораторной
работы
15
Количественный
анализ.
Метрологические
характеристики
метода.
Исследование
равновесий.
11 15 2
6
6
14
Устный опрос
11 16 2
6
6
14
Отчет о
выполнении
лабораторной
работы
6
6
14
Устный опрос
6
6
14
Устный опрос
96
108
+36
252
экзамен
16
17
18
Ит
ого
Подавление
11 17 2
сигналов главных
составляющих
смеси
в
ЯМР
спектрах.
Двумерная ЯМР 11 18 2
спектроскопия.
48
Содержание дисциплины
История спектроскопии ЯМР. Физические основы явления ядерного
магнитного резонанса. Электронный и ядерный магнитные моменты. Ядра
в магнитном поле. Снятие вырождения спиновых состояний в постоянном
магнитном поле.
Виды
магнетизма.
Уравнение
Ван-Флека.
Магнитная
восприимчивость. Внутримолекулярные эффекты.
Условие ядерного магнитного резонанса. Интенсивность сигнала
ЯМР. Ширина линии ЯМР. Двойной резонанс.
Спектрометры ЯМР. Сканирующие спектрометры ЯМР. ЯМР
высокого разрешения. ЯМР с Фурье-преобразованием. Частотная
стабилизация.
Некоторые особенности эксперимента ЯМР при изучении жидкостей.
Примеры использования в экспертизе пищевых продуктов.
Химический сдвиг и спин-спиновое расщепление в спектрах ЯМР.
Константа экранирования ядра. Относительный химический сдвиг, его
определение и использование в химии. Спин-спиновое взаимодействие
ядер, его природа, число компонент мультиплетов, распределение
интенсивности, правило сумм. Сверхтонкое взаимодействие.
Техника и методика эксперимента. Требования к растворителям,
объектам, условиям Структурный анализ. Химическая поляризация ядер.
Блок-схема спектрометра ЯМР, типы спектрометров.
Виды ЯМР спекроскопии. ЯМР 13С и 1Н. Особенности и области
применения. ЯМР других элементов. 19F и 31P ЯМР.
Принципы идентификации по ЯМР спектрам. Методы и способы
идентификации. Применение статистических подходов в качественном
анализе по ЯМР спектрам. Надежность и ошибки идентификации.
Идентификация в пробах неизвестного состава. Сдвигающие реагенты в
ЯИР.
Количественный
анализ
методом
ЯМР.
Метрологические
характеристики. Примеры использования в пищевой химии.
Отношение сигнал/шум в ЯМР спектроскопии. Влияние на
качественный и количественный анализ. Приемы повышения.
Применение спектров ЯМР в химии. Качественный и количественный
анализ органических и неорганических веществ. Исследование равновесий.
Ядерный магнитный резонанс в растворах неорганических веществ.
Магнитный резонанс непереходных элементов. Исследование соединений
переходных элементов методом ЯМР.
Подавление сигналов главных составляющих смеси в ЯМР спектрах.
Пример алкогольных напитков. Двумерная ЯМР спектроскопия.
ЯМР в твердых веществах. Особенности аппаратурного оформления
эксперимента. Области применения в экспертизе пищевых продуктов.
Расчет спектров ЯМР. Квантово-химический подход и аддитивные
схемы.
ЯМР в физико-химических исследованиях и технологиях. Изучение
образования и структуры диамагнитных и парамагнитных комплексов.
Кинетические измерения методом ЯМР. Технологические приложения
метода ЯМР.
Лабораторные работы
Название
Часы Форма контроля
Качественное и количественное определение
12 Письменный отчет
лактозы в молоке и его заменителях (соевое,
рисовое, и т.д.).
Фталаты в денатурированном спирте
12 Письменный отчет
ЯМР спектры кедровых орехов различного
12 Письменный отчет
происхождения. Отнесение полос
органической фракции
ЯМР спектры легальной и нелегальной
12 Письменный отчет
алкогольной продукции. Отнесение полос
Расчет ЯМР спектров органических
соединений. Сравнение различных подходов.
Экспертиза масел и косметической продукции:
ЯМР анализ альдегидов
Количественный анализ макрокомпонентов в
алкогольных напитках (метанол, сивушные
масла, ароматические соединения).
Метрологические характеристики метода ЯМР
(расчет предела обнаружения, правильности,
воспроизводимости и т.д.)
12
Письменный отчет
12
Письменный отчет
12
Письменный отчет
12
Письменный отчет
5. Образовательные технологии
Методы преподавания дисциплины:
- лекции (с мультимедийными презентациями);
- лабораторные работы, исследовательского характера
- самостоятельная работа студентов по поиску информации в базах данных ЯМР
спектров
- самостоятельная работа студентов (освоение теоретического материала,
подготовка к лабораторным работам, оформление лабораторных работ, подготовка
к текущему и итоговому контролю).
Лекции составляют основу теоретического обучения и должны давать
систематизированные основы научных знаний по дисциплине, концентрировать
внимание студентов на наиболее сложных вопросах, стимулировать активную
познавательную деятельность студентов и способствовать формированию
творческого мышления.
Ведущим методом в лекции является устное изложение учебного материала,
сопровождающееся мультимедийными презентациями. На вводной лекции
студентам сообщается план и особенности изучения дисциплины, а также
рекомендуемая литература.
Лабораторные работы имеют целью практическое освоение теоретического
материала, овладение навыками экспериментальных работ и анализа полученных
результатов, выполнение правил техники безопасности при работе с
электрическими приборами (компьютерами).
В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по направлению «Химия»
реализация компетентного подхода предусматривает широкое использование в
учебном процессе активных и интерактивных форм проведения занятий.
Все лабораторные работы носят характер индивидуальных химических заданий,
которые каждый студент решает самостоятельно, получая задачу выполнения
конкретной экспертизы продукта (молоко, масло, алкоголь и др.). Всего
интерактивное обучение составляет 96 часов.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины.
Самостоятельная работа:
- Освоение теоретического материала.
- Выполнение письменных домашних заданий.
- Оформление лабораторной работы.
- Подготовка к контрольной работе.
При освоении теоретического материала и выполнении письменных домашних
заданий студентам рекомендуется использовать основную и дополнительную
литературу
Формы контроля:
- Отчет о выполнении лабораторной работы
- Устный отчет по вопросы для самоподготовки к отчетам (Приложение 1).
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «ЯМРспектроскопия в анализе пищевых продуктов»
а) основная литература:
1. Мильман Б.Л.
Введение в химическую идентификацию. СПб.: ВВМ, 2008. – 180 с.
ISBN 978-59651-0268-6
б) дополнительная литература:
М. А. Ельяшевич. Атомная и молекулярная спектроскопия. Молекулярная
спектроскопия. Издательство: Либроком, 2009 г.- 528 стр.
в) программное обеспечение и Интернет ресурсы: поисковые системы, электронные
библиотеки, информационные сети, базы данных и другие информационные
ресурсы.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Лекционный зал
Компьютерный класс с необходимым программным обеспечением
Набор спектров ЯМР различных продуктов
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению «Химия» по профилю
подготовки «Химия окружающей среды, химическая экспертиза и экологическая
безопасность».
Автор
Монахова Ю.Б.
Программа одобрена на заседании кафедры общей и неорганической химии от
05 мая 2011 года, протокол № 12
Подписи:
Зав.кафедрой
проф. д.х.н.
Директор Института химии
проф. д.х.н.
С.П. Муштакова
О.В. Федотова
Приложение 1 Вопросы для самоподготовки к лабораторным работам
Электронный и ядерный магнитные моменты.
Ядра в магнитном поле.
Интенсивность сигнала ЯМР.
Что такое g-фактор, что такое химический сдвиг?
Спин-спиновое взаимодействие.
Детектирование и регистрация ЯМР сигналов.
Что такое двумерная ЯМР спектроскопия?
Основные принципы эксперимента ЯМР. Накопление ЯМР сигнала
Экспериментальные аспекты спектроскопии ядерного магнитного резонанса.
Внутренние и внешние стандарты. Влияние растворителя. Настройка
спектрометра
10.Двухразмерные (2 D) эксперименты ЯМР. Применение в экспертизе.
11.Спектры ЯМР и их интерпретация. Мультиплетная структура фрагментов
спектра.
12.Правила интерпретации сверхтонкой структуры в спектрах
13.Специальные экспериментальные методы в спектроскопии ядерного
магнитного резонанса. Подавление сигнала главных компонентов в ЯМР
спектроскопии.
14.Применение ЯМР спектроскопии. Качественный и количественный анализ
пищевых продуктов.
15.Различные теоретические методы расчета спектров ЯМР.
16.ЯМР в твердых веществах и жидкостях. Особенности и области применения.
17.Принципы идентификации по ЯМР спектрам.
18.Ядерный магнитный резонанс в растворах неорганических веществ.
19.Виды ЯМР спекроскопии: ЯМР 13С, 1Н,19Fи 31P ЯМР.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ
1. Качественное и количественное определение лактозы в молоке и его
заменителях (соевое, рисовое, и т.д.).
Для количественной оценки лактозы, к 20 мл молока или его заменителя (соевое,
рисовое, из зерна) добавляют 1 мл уксусной кислоты (100%) и полученную сме
лабораторных работсь помещают в центрифугу. Через 10 мин, смесь
центрифугируют в течение 10 мин (20.000 об / мин, 4 ° С). 1 мл прозрачной
(водной) фазы отделяют (жировую фракцию отбрасывают) и 100 мкл раствора
тетраметилсилил пропионата, а также 100 мкл раствора никотинамида (500 мг в 50
мл D2O) добавляют. 0,6 мл смеси выливают в ЯМР трубку и непосредственно
измеряют.
Для построения калибровочной зависимости, готовят растворы лактозы (0,05, 0,1,
0,4, 0,6, 0,8, 1,0, 2,0, 3,0, 4,0 и 5,0 г/л) аналогично образцам за исключением
центрифугирования, который является необходимым для калибровочных растворов.
Строят график зависимости площади пика лактозы (4.44 м.д.) относительно
никотинамида (9.17 м.д.) от содержания лактозы в образцах стандартного состава.
Количественное определение лактозы в молочных продуктах проводят методом
градуировочного графика.
2. Фталаты в денатурированном спирте
Для количественного определения диэтилфталата (ДЭФ), 300 мкл алкогольного
напитка смешивается с 60 мкл буфера для ЯМР (pH 7.4), содержащего
тетраметилсилил пропионат, доводят объем до 600 мкл этанолом (70%). Затем
смесь заливают в трубку для измерения ЯМР сигнала и непосредственно измеряют
сигнал. Для количественной оценки ДЭФ, два мультиплета в области 7.76-7.65 м.д.
интегрируют и суммируют.
Определение ДЭФ в алкогольной продукции проводят методом градуировочного
графика. Стандартные растворы готовят в диапазоне 50-1500 мг/л аналогично
образцам.
3. ЯМР спектры кедровых орехов различного происхождения. Отнесение полос
органической фракции
Для проведения анализа кедровые орехи размельчают и гомогенизируют с Na2SO4.
Жировая фракция экстрагируется петролейным эфиром (температура кипения 30-50
°C) в течение ночи. После этого органическую фазу фильтруют и выпаривают
растворитель. Образец оставляют стоять на ночь в вытяжном шкафу. Для измерения
ЯМР сигнала, 200 мг доля жира была смешивают с 0,8 мл CDCl3, содержащего
0,1% от TMS. 0,6 мл смеси выливают в ЯМР трубки и непосредственно измеряют
С13 и Н1 ЯМР сигналы.
В процессе выполнения лабораторной работы необходимо провести
идентификацию карбонильных групп, двойных связей, метильных групп различных
соединений (триглицеридов, жирных кислот). Сравнить информацию, полученную
из С13 и 1Н ЯМР спектров. Сравнить качественный состав кедровых орехов из
разных стран (разных видов).
4. ЯМР спектры легальной и нелегальной алкогольной продукции. Отнесение
полос
Для проведения измерения 300 мкл полученного у преподавателя алкогольного
напитка смешивается 50 мкл этанола, 190 мкл дистиллированной воды, и 60 мкл
буфера для ЯМР (pH 7.4), содержащего тетраметилсилил пропионат (0.1%).
Рассмотреть 1Н ЯМР спектр образца, выявить характеристичные полосы. Выявить
сигналы этанола, метилового спирта, диэтилфталата, высших спиртов, этилацетата,
метилацетата, 2-фенилэтанола, бензальдегида, ацетальдегида и других веществ.
Объяснить какие группы имеют сигналы в каждой ЯМР области.
5. Расчет ЯМР спектров органических соединений. Сравнение различных
подходов.
Для проведения работы получают у преподавателя молекулу органического
соединения. Рассчитывают химические сдвиги с помощью различных программ,
основных на аддитивных схемах расчета (ChemBioDraw, nmrbd.org) и квантовохимических расчетов (HyperChem professional).
Сравнить полученные данные с экспериментальными данными, сделать вывод о
пригодности того или иного метода для расчета данного класса соединений.
6. Экспертиза масел и косметической продукции: ЯМР анализ альдегидов
200 мг жидкого образца (растительного масла) растворяют в 0,8 мл CDCl3 и 600 мкл
переносят в ЯМР трубку и непосредственно измеряют. Твердые образцы (губная
помада) растворяют в CDCl3, нагревают в течение 15 минут при 50 0С и
экстрагируют гидровильные вещества водой. Затем раствор центрифугируют,
добавляют 0.3 мг тетраметилсилана и непосредственно измеряют.
Для построения градуировочного графика находят отношение полосы суммарного
сигнала альдегидов (9.76 м.д., поглощение нонаналя) к интегралу внутреннего
стандарта.
В процессе выполнения лабораторной работы необходимо провести определение
предела обнаружения, воспроизводимости метода ЯМР, а также определить
содержание альдегидов в образцах губной помады и масел.
7. Количественный анализ макрокомпонентов в алкогольных
(метанол, сивушные масла, ароматические соединения).
напитках
Получить у преподавателя задание – органическое соединение, для которого
необходимо провести все последующие действия.
1. Снять спектр стандартного раствора. Провести идентификацию полос. Выявить
сигналы, наиболее удобные для проведения количественного анализа.
2. Построить градуировочную кривую. По ней определить предел обнаружения,
НГОС.
3. Определить воспроизводимость методики – для этого необходимо повторить
измерения стандартного раствора 5 раз и определить содержание аналита по
градуировочной кривой, оценить погрешность измерения.
4. Проанализировать выданный образец алкогольной продукции на содержание
искомого вещества. Оценить токсичные свойства вещества, сравнить содержание с
российскими и международными нормами.
8. Метрологические характеристики метода ЯМР (расчет предела обнаружения,
правильности, воспроизводимости и т.д.)
Получить у преподавателя задание – органическое соединение, для которого
необходимо провести все последующие действия.
1. Снять спектр стандартного раствора. Провести идентификацию полос. Выявить
сигналы, наиболее удобные для проведения количественного анализа.
2. Построить градуировочную кривую (подобрав диапазон измеряемых
концентраций). По ней определить предел обнаружения, НГОС.
3. Определить воспроизводимость методики – для этого необходимо повторить
измерения стандартного раствора 5 раз и определить содержание аналита по
градуировочной кривой, оценить погрешность измерения.
4. Провести сравнение метрологических характеристик методики вещества с
другими методами. Сделать вывод о целесообразности применения ЯМР для
анализа данного соединения.
5. Проанализировать выданный образец алкогольной продукции на содержание
искомого вещества. Сравнить полученное значение с другим аналитическим
методом.