طیف سنجی NMR

طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای، طیف سنجی NMR- یک روش طیف سنجی برای مطالعه اشیاء شیمیایی با استفاده از پدیده تشدید مغناطیسی هسته ای. مهمترین آنها برای شیمی و کاربردهای عملی، طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی پروتون (طیف‌سنجی PMR)، و همچنین طیف‌سنجی NMR روی کربن-13 (طیف‌سنجی 13 C NMR)، فلوئور-19 (طیف‌سنجی فروسرخ، NMR اطلاعاتی در مورد ساختار مولکولی مواد شیمیایی را نشان می‌دهد. با این حال، اطلاعات کامل‌تری نسبت به IS ارائه می‌کند و به فرد اجازه می‌دهد تا فرآیندهای دینامیکی را در یک نمونه بررسی کند - برای تعیین ثابت‌های سرعت واکنش‌های شیمیایی و بزرگی موانع انرژی برای چرخش درون مولکولی شیمی و تجزیه و تحلیل اشیاء بیولوژیکی.

تکنیک NMR پایه

نمونه ای از یک ماده برای NMR در یک لوله شیشه ای با دیواره نازک (آمپول) قرار می گیرد. وقتی در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، هسته های فعال NMR (مانند 1 H یا 13 C) انرژی الکترومغناطیسی را جذب می کنند. فرکانس تشدید، انرژی جذب و شدت سیگنال ساطع شده متناسب با قدرت میدان مغناطیسی است. بنابراین در میدان 21 تسلا، یک پروتون در فرکانس 900 مگاهرتز طنین انداز می شود.

شیفت شیمیایی

بسته به محیط الکترونیکی محلی، پروتون های مختلف در یک مولکول با فرکانس های کمی متفاوت طنین انداز می شوند. از آنجایی که هم این تغییر فرکانس و هم فرکانس تشدید اساسی با شدت میدان مغناطیسی نسبت مستقیم دارند، این جابجایی به یک کمیت بدون بعد مستقل از میدان مغناطیسی تبدیل می‌شود که به عنوان تغییر شیمیایی شناخته می‌شود. تغییر شیمیایی به عنوان یک تغییر نسبی نسبت به برخی از نمونه های مرجع تعریف می شود. تغییر فرکانس در مقایسه با فرکانس اصلی NMR بسیار کوچک است. تغییر فرکانس معمولی 100 هرتز است، در حالی که فرکانس پایه NMR حدود 100 مگاهرتز است. بنابراین، شیفت شیمیایی اغلب بر حسب قسمت در میلیون (ppm) بیان می شود. برای تشخیص چنین اختلاف فرکانسی کوچک، میدان مغناطیسی اعمال شده باید در داخل حجم نمونه ثابت باشد.

از آنجایی که یک تغییر شیمیایی به ساختار شیمیایی یک ماده بستگی دارد، برای به دست آوردن اطلاعات ساختاری در مورد مولکول های یک نمونه استفاده می شود. به عنوان مثال، طیف اتانول (CH 3 CH 2 OH) 3 سیگنال متمایز می دهد، یعنی 3 شیفت شیمیایی: یکی برای گروه CH 3، دوم برای گروه CH 2 و آخرین برای OH. جابجایی معمول برای یک گروه CH 3 تقریباً 1 ppm است، برای یک گروه CH 2 متصل به OH-4 ppm و OH تقریباً 2-3 ppm است.

به دلیل حرکت مولکولی در دمای اتاق، سیگنال‌های 3 پروتون متیل در طول فرآیند NMR که تنها چند میلی‌ثانیه طول می‌کشد، به طور متوسط ​​محاسبه می‌شوند. این پروتون ها در همان جابجایی شیمیایی تخریب می شوند و قله هایی را تشکیل می دهند. این نرم افزار به شما امکان می دهد اندازه پیک ها را تجزیه و تحلیل کنید تا بفهمید چه تعداد پروتون در این پیک ها نقش دارند.

تعامل اسپین-اسپین

مفیدترین اطلاعات برای تعیین ساختار در یک طیف NMR یک بعدی توسط به اصطلاح برهمکنش اسپین اسپین بین هسته های فعال NMR ارائه می شود. این برهمکنش از انتقال بین حالت‌های اسپین مختلف هسته‌ها در مولکول‌های شیمیایی حاصل می‌شود که منجر به شکافتن سیگنال‌های NMR می‌شود. این تقسیم می‌تواند ساده یا پیچیده باشد و در نتیجه می‌تواند به راحتی تفسیر شود یا برای آزمایش‌کننده گیج‌کننده باشد.

این اتصال اطلاعات دقیقی در مورد پیوندهای اتم در مولکول ارائه می دهد.

تعامل مرتبه دوم (قوی)

کوپلینگ اسپین-اسپین ساده فرض می کند که ثابت جفت در مقایسه با تفاوت در شیفت های شیمیایی بین سیگنال ها کوچک است. اگر اختلاف شیفت کاهش یابد (یا ثابت برهمکنش افزایش یابد)، شدت چندگانه های نمونه مخدوش می شود و تجزیه و تحلیل آن دشوارتر می شود (مخصوصاً اگر سیستم دارای بیش از 2 اسپین باشد). با این حال، در طیف‌سنج‌های NMR پرقدرت، اعوجاج معمولاً متوسط ​​است و این اجازه می‌دهد تا پیک‌های مرتبط به راحتی تفسیر شوند.

اثرات مرتبه دوم با افزایش اختلاف فرکانس بین چندگانه کاهش می‌یابد، بنابراین یک طیف NMR با فرکانس بالا اعوجاج کمتری نسبت به طیف فرکانس پایین نشان می‌دهد.

کاربرد طیف‌سنجی NMR در تحقیقات پروتئینی

بسیاری از نوآوری های اخیر در طیف سنجی NMR در طیف سنجی پروتئین ها به اصطلاح NMR انجام شده است که در حال تبدیل شدن به یک تکنیک بسیار مهم در زیست شناسی و پزشکی مدرن است. هدف کلی به دست آوردن ساختار 3 بعدی یک پروتئین با وضوح بالا، مشابه تصاویر به دست آمده در کریستالوگرافی اشعه ایکس است. به دلیل وجود اتم های بیشتر در یک مولکول پروتئین در مقایسه با یک ترکیب آلی ساده، طیف 1 بعدی اولیه مملو از سیگنال های همپوشانی است که تجزیه و تحلیل مستقیم طیف را غیرممکن می کند. بنابراین، تکنیک های چند بعدی برای حل این مشکل توسعه یافته است.

برای بهبود نتایج این آزمایش‌ها، از روش برچسب‌گذاری شده اتم با استفاده از 13 C یا 15 N استفاده می‌شود. به این ترتیب می‌توان یک طیف سه‌بعدی از یک نمونه پروتئین به دست آورد که به یک پیشرفت در داروسازی مدرن تبدیل شده است. اخیراً تکنیک‌هایی (که هم مزایا و هم معایب دارند) برای به دست آوردن طیف‌های 4 بعدی و طیف‌های با ابعاد بالاتر، بر اساس روش‌های نمونه‌برداری غیرخطی و متعاقباً بازیابی سیگنال واپاشی القایی آزاد با استفاده از تکنیک‌های خاص ریاضی، گسترده شده‌اند.

ادبیات

• گونتر ایکس.مقدمه ای بر دوره طیف سنجی NMR. - مطابق. از انگلیسی - م.، 1984.

بنیاد ویکی مدیا 2010.

ببینید «طیف‌سنجی NMR» در فرهنگ‌های دیگر چیست:

طیف‌سنجی رزونانس مغناطیسی هسته‌ای بر روی هسته‌های کربن 13، 13C طیف‌سنجی NMR یکی از روش‌های طیف‌سنجی NMR با استفاده از هسته‌های ایزوتوپ کربن 13C است. هسته 13C دارای چرخش 1/2 در حالت پایه است، محتوای آن در طبیعت... ... ویکی پدیا

تصویر مغز انسان روی توموگرافی NMR پزشکی جذب تشدید رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) انرژی الکترومغناطیسی توسط ماده ای حاوی هسته هایی با اسپین غیر صفر در میدان مغناطیسی خارجی، ناشی از جهت گیری مجدد ... ... ویکی پدیا

طیف سنجی NMR

طیف سنجی NMR

طیف سنجی تشدید مغناطیسی- Magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių re. atitikmenys: انگلیسی. NMR...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. طیف سنجی NMR؛ طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie، f rus. طیف سنجی هسته ای… Fizikos terminų žodynas

Magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir Metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių re. atitikmenys: انگلیسی. NMR...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

طیف سنجی رزونانس هسته ای- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. طیف سنجی NMR؛ طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; NMR Spektroskopie، f rus. طیف سنجی هسته ای… Fizikos terminų žodynas

مجموعه ای از روش های تحقیق. در VA با توجه به طیف جذب اتم ها، یون ها و مولکول های آنها. ماگ امواج رادیویی. تابش شامل روش های پارامغناطیس الکترونی است. رزونانس (EPR)، مغناطیسی هسته ای. رزونانس (NMR)، رزونانس سیکلوترون و غیره... علوم طبیعی. فرهنگ لغت دایره المعارفی

تصویر مغز انسان بر روی توموگرافی NMR پزشکی جذب تشدید رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) یا انتشار انرژی الکترومغناطیسی توسط ماده ای حاوی هسته هایی با اسپین غیر صفر در میدان مغناطیسی خارجی، در فرکانس ν ... ... ویکی پدیا

1. ماهیت پدیده

   اول از همه، باید توجه داشت که اگرچه نام این پدیده حاوی کلمه "هسته ای" است، NMR هیچ ارتباطی با فیزیک هسته ای ندارد و به هیچ وجه با رادیواکتیویته ارتباط ندارد. اگر در مورد یک توصیف دقیق صحبت کنیم، هیچ راهی برای انجام بدون قوانین مکانیک کوانتومی وجود ندارد. طبق این قوانین، انرژی برهمکنش هسته مغناطیسی با یک میدان مغناطیسی خارجی تنها می تواند چند مقدار گسسته را بگیرد. اگر هسته های مغناطیسی با یک میدان مغناطیسی متناوب تحت تابش قرار گیرند، فرکانس آن مطابق با اختلاف بین این سطوح انرژی گسسته است که در واحدهای فرکانس بیان می شود، هسته های مغناطیسی شروع به حرکت از یک سطح به سطح دیگر می کنند، در حالی که انرژی متناوب را جذب می کنند. رشته. این پدیده رزونانس مغناطیسی است. این توضیح از نظر رسمی درست است، اما خیلی واضح نیست. توضیح دیگری وجود دارد، بدون مکانیک کوانتومی. هسته مغناطیسی را می توان به عنوان یک توپ باردار الکتریکی تصور کرد که حول محور خود می چرخد ​​(اگرچه، به طور دقیق، اینطور نیست). طبق قوانین الکترودینامیک، چرخش بار منجر به ظهور میدان مغناطیسی می شود، یعنی گشتاور مغناطیسی هسته که در امتداد محور چرخش هدایت می شود. اگر این گشتاور مغناطیسی در یک میدان خارجی ثابت قرار گیرد، بردار این گشتاور شروع به پیشروی می کند، یعنی به دور جهت میدان خارجی می چرخد. به همین ترتیب، محور قسمت بالایی در صورتی که کاملاً به صورت عمودی باز نشده باشد، اما در یک زاویه خاص، به دور عمودی می چرخد. در این حالت، نقش میدان مغناطیسی توسط نیروی گرانش ایفا می شود.

   فرکانس تقدم هم توسط خواص هسته و هم قدرت میدان مغناطیسی تعیین می شود: هر چه میدان قوی تر باشد، فرکانس بالاتر است. سپس، اگر علاوه بر یک میدان مغناطیسی خارجی ثابت، هسته تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی متناوب قرار گیرد، آنگاه هسته شروع به تعامل با این میدان می کند - به نظر می رسد که هسته را با شدت بیشتری می چرخاند، دامنه تقدم افزایش می یابد و هسته انرژی میدان متناوب را جذب می کند. با این حال، این فقط در شرایط تشدید اتفاق می افتد، یعنی همزمانی فرکانس تقدم و فرکانس میدان متناوب خارجی. این شبیه به مثال کلاسیک فیزیک مدرسه است - سربازانی که از روی یک پل رژه می روند. اگر فرکانس پله با فرکانس طبیعی پل منطبق باشد، پل بیشتر و بیشتر نوسان می کند. از نظر تجربی، این پدیده خود را در وابستگی جذب یک میدان متناوب به فرکانس آن نشان می دهد. در لحظه تشدید، جذب به شدت افزایش می یابد و ساده ترین طیف تشدید مغناطیسی به این صورت است:

   

2. طیف سنجی تبدیل فوریه

   اولین طیف سنج های NMR دقیقاً همانطور که در بالا توضیح داده شد کار کردند - نمونه در یک میدان مغناطیسی ثابت قرار گرفت و تابش فرکانس رادیویی به طور مداوم به آن اعمال شد. سپس فرکانس میدان متناوب یا شدت میدان مغناطیسی ثابت به آرامی تغییر می کرد. جذب انرژی میدان متناوب توسط یک پل فرکانس رادیویی ثبت شد که سیگنال از آن به یک ضبط کننده یا اسیلوسکوپ خروجی می شد. اما مدت زیادی است که از این روش ضبط سیگنال استفاده نمی شود. در طیف سنج های NMR مدرن، طیف با استفاده از پالس ها ثبت می شود. گشتاورهای مغناطیسی هسته ها توسط یک پالس قدرتمند کوتاه تحریک می شوند و پس از آن سیگنال القا شده در سیم پیچ RF توسط ممان های مغناطیسی آزادانه ثبت می شود. با بازگشت ممان های مغناطیسی به حالت تعادل، این سیگنال به تدریج به صفر می رسد (به این فرآیند آرامش مغناطیسی می گویند). طیف NMR از این سیگنال با استفاده از تبدیل فوریه به دست می آید. این یک روش ریاضی استاندارد است که به شما امکان می دهد هر سیگنالی را به هارمونیک های فرکانس تجزیه کنید و در نتیجه طیف فرکانسی این سیگنال را بدست آورید. این روش ضبط طیف به شما امکان می دهد سطح نویز را به میزان قابل توجهی کاهش دهید و آزمایشات را بسیار سریعتر انجام دهید.

   

   یک پالس هیجان انگیز برای ثبت یک طیف، ساده ترین آزمایش NMR است. با این حال، بسته به نوع دستکاری هایی که محقق باید با سیستم گشتاورهای مغناطیسی هسته ای انجام دهد، می تواند تعداد زیادی از این پالس ها با مدت زمان، دامنه، با تأخیرهای متفاوت بین آنها و غیره در یک آزمایش وجود داشته باشد. با این حال، تقریباً همه این توالی‌های پالس به یک چیز ختم می‌شوند - ضبط یک سیگنال تقدم آزاد و به دنبال آن تبدیل فوریه.

3. فعل و انفعالات مغناطیسی در ماده

   اگر برهمکنش های مغناطیسی هسته ها با یکدیگر و با پوسته الکترونی مولکول نبود، رزونانس مغناطیسی خود چیزی بیش از یک پدیده فیزیکی جالب باقی نمی ماند. این فعل و انفعالات بر پارامترهای رزونانس تأثیر می گذارد و با کمک آنها، روش NMR می تواند اطلاعات مختلفی را در مورد خواص مولکول ها - جهت گیری، ساختار فضایی (ترکیب)، برهمکنش های بین مولکولی، تبادل شیمیایی، دینامیک چرخشی و انتقالی ارائه دهد. به لطف این، NMR به ابزار بسیار قدرتمندی برای مطالعه مواد در سطح مولکولی تبدیل شده است که به طور گسترده نه تنها در فیزیک، بلکه عمدتاً در شیمی و زیست شناسی مولکولی استفاده می شود. نمونه ای از چنین برهمکنشی، به اصطلاح شیفت شیمیایی است. ماهیت آن به شرح زیر است: پوسته الکترونی یک مولکول به یک میدان مغناطیسی خارجی پاسخ می دهد و سعی می کند آن را غربال کند - غربالگری جزئی میدان مغناطیسی در همه مواد دیا مغناطیسی رخ می دهد. این بدان معناست که میدان مغناطیسی موجود در مولکول با میدان مغناطیسی خارجی مقدار بسیار کمی متفاوت خواهد بود که به آن شیفت شیمیایی می گویند. با این حال، خواص لایه الکترونی در بخش‌های مختلف مولکول متفاوت است و تغییر شیمیایی نیز متفاوت است. بر این اساس، شرایط رزونانس برای هسته ها در قسمت های مختلف مولکول نیز متفاوت خواهد بود. این امر تشخیص هسته های شیمیایی غیر هم ارز در طیف را ممکن می سازد. به عنوان مثال، اگر طیف هسته های هیدروژن (پروتون) آب خالص را در نظر بگیریم، تنها یک خط وجود خواهد داشت، زیرا هر دو پروتون در مولکول H 2 O دقیقاً یکسان هستند. اما برای الکل متیل CH 3 OH در حال حاضر دو خط در طیف وجود خواهد داشت (اگر از سایر برهم کنش های مغناطیسی غفلت کنیم)، زیرا دو نوع پروتون وجود دارد - پروتون های گروه متیل CH 3 و پروتون مرتبط با اتم اکسیژن. با پیچیده‌تر شدن مولکول‌ها، تعداد خطوط افزایش می‌یابد، و اگر چنین مولکول بزرگ و پیچیده‌ای را به عنوان پروتئین در نظر بگیریم، در این حالت طیف چیزی شبیه به این خواهد بود:

   

4. هسته های مغناطیسی

   NMR را می توان بر روی هسته های مختلف مشاهده کرد، اما باید گفت که همه هسته ها دارای گشتاور مغناطیسی نیستند. اغلب اتفاق می افتد که برخی از ایزوتوپ ها دارای گشتاور مغناطیسی هستند، اما ایزوتوپ های دیگر همان هسته ندارند. در مجموع، بیش از صد ایزوتوپ از عناصر شیمیایی مختلف وجود دارد که دارای هسته مغناطیسی هستند، اما در تحقیقات معمولاً بیش از 1520 هسته مغناطیسی استفاده نمی شود، هر چیز دیگری عجیب و غریب است. هر هسته نسبت مشخصه میدان مغناطیسی و فرکانس تقدم خود را دارد که به آن نسبت ژیرو مغناطیسی می گویند. برای همه هسته ها این روابط شناخته شده است. با استفاده از آنها می توانید فرکانسی را انتخاب کنید که در یک میدان مغناطیسی معین، سیگنالی از هسته های مورد نیاز محقق مشاهده می شود.

   مهمترین هسته برای NMR پروتون ها هستند. آنها در طبیعت فراوان هستند و حساسیت بسیار بالایی دارند. هسته های کربن، نیتروژن و اکسیژن برای شیمی و زیست شناسی بسیار مهم هستند، اما دانشمندان شانس زیادی با آنها نداشته اند: رایج ترین ایزوتوپ های کربن و اکسیژن، 12 C و 16 O، گشتاور مغناطیسی ندارند، طبیعی است. ایزوتوپ نیتروژن 14 N دارای گشتاور است، اما به دلایلی برای آزمایش بسیار ناخوشایند است. ایزوتوپ های 13 C، 15 N و 17 O وجود دارند که برای آزمایش های NMR مناسب هستند، اما فراوانی طبیعی آنها بسیار کم و حساسیت آنها در مقایسه با پروتون ها بسیار کم است. بنابراین، نمونه های ویژه غنی شده با ایزوتوپ اغلب برای مطالعات NMR تهیه می شود که در آن ایزوتوپ طبیعی یک هسته خاص با ایزوتوپ مورد نیاز برای آزمایش ها جایگزین می شود. در بیشتر موارد، این روش بسیار دشوار و پرهزینه است، اما گاهی اوقات تنها فرصت برای به دست آوردن اطلاعات لازم است.

5. رزونانس پارامغناطیس و چهار قطبی الکترون

   در مورد NMR، نمی توان به دو پدیده فیزیکی مرتبط دیگر اشاره نکرد - تشدید پارامغناطیس الکترون (EPR) و رزونانس چهار قطبی هسته ای (NQR). EPR اساساً شبیه NMR است، تفاوت این است که رزونانس در لحظات مغناطیسی نه هسته‌های اتمی، بلکه در پوسته الکترونی اتم مشاهده می‌شود. EPR را فقط می توان در آن دسته از مولکول ها یا گروه های شیمیایی مشاهده کرد که پوسته الکترونی آنها حاوی یک الکترون به اصطلاح جفت نشده است، سپس پوسته دارای گشتاور مغناطیسی غیر صفر است. به چنین موادی پارامغناطیس می گویند. EPR، مانند NMR، همچنین برای مطالعه خواص ساختاری و دینامیکی مختلف مواد در سطح مولکولی استفاده می شود، اما دامنه استفاده از آن به طور قابل توجهی محدودتر است. این عمدتا به دلیل این واقعیت است که بیشتر مولکول ها، به ویژه در طبیعت زنده، حاوی الکترون های جفت نشده نیستند. در برخی موارد، می توانید از یک پروب به اصطلاح پارامغناطیس استفاده کنید، یعنی یک گروه شیمیایی با یک الکترون جفت نشده که به مولکول مورد مطالعه متصل می شود. اما این رویکرد دارای معایب آشکاری است که قابلیت های این روش را محدود می کند. علاوه بر این، EPR دارای وضوح طیفی بالایی (یعنی توانایی تشخیص یک خط از خط دیگر در طیف) مانند NMR نیست.

   توضیح ماهیت NQR "روی انگشتان" بسیار دشوار است. برخی از هسته ها دارای ممان چهار قطبی الکتریکی هستند. این لحظه انحراف توزیع بار الکتریکی هسته از تقارن کروی را مشخص می کند. برهمکنش این لحظه با گرادیان میدان الکتریکی ایجاد شده توسط ساختار کریستالی ماده منجر به شکافتن سطوح انرژی هسته می شود. در این مورد، می توان یک رزونانس را در فرکانس مربوط به انتقال بین این سطوح مشاهده کرد. برخلاف NMR و EPR، NQR نیازی به میدان مغناطیسی خارجی ندارد، زیرا تقسیم سطح بدون آن اتفاق می‌افتد. NQR همچنین برای مطالعه مواد استفاده می شود، اما دامنه کاربرد آن حتی از EPR محدودتر است.

6. مزایا و معایب NMR

   

   NMR قوی ترین و آموزنده ترین روش برای مطالعه مولکول ها است. به طور دقیق، این یک روش نیست، تعداد زیادی از انواع مختلف آزمایش است، به عنوان مثال، توالی پالس. اگرچه همه آنها بر اساس پدیده NMR هستند، اما هر یک از این آزمایش ها برای به دست آوردن برخی اطلاعات خاص طراحی شده اند. تعداد این آزمایش‌ها در ده‌ها، اگر نه صدها، اندازه‌گیری می‌شود. از نظر تئوری، NMR می تواند، اگر نه همه چیز، پس تقریباً همه چیزهایی را که تمام روش های تجربی دیگر برای مطالعه ساختار و دینامیک مولکول ها می توانند انجام دهند، اگرچه در عمل این امکان پذیر است، البته نه همیشه. یکی از مزایای اصلی NMR این است که از یک سو، کاوشگرهای طبیعی آن، یعنی هسته های مغناطیسی، در سراسر مولکول توزیع شده اند و از سوی دیگر، به فرد اجازه می دهد تا این هسته ها را از یکدیگر متمایز کند و داده های انتخابی مکانی را به دست آورد. در مورد خواص مولکول تقریباً همه روش‌های دیگر اطلاعاتی را به صورت میانگین در کل مولکول یا فقط در مورد یک قسمت از آن ارائه می‌کنند.

   NMR دو عیب اصلی دارد. اولاً، در مقایسه با اکثر روش‌های تجربی دیگر (طیف‌سنجی نوری، فلورسانس، EPR و غیره) حساسیت پایینی دارد. این منجر به این واقعیت می شود که برای میانگین نویز، سیگنال باید برای مدت طولانی انباشته شود. در برخی موارد، آزمایش NMR را می توان حتی برای چند هفته انجام داد. دوم اینکه گران است. طیف‌سنج‌های NMR از گران‌ترین ابزارهای علمی هستند که حداقل صدها هزار دلار قیمت دارند و گران‌ترین طیف‌سنج‌ها چندین میلیون قیمت دارند. همه آزمایشگاه ها، به ویژه در روسیه، توانایی پرداخت چنین تجهیزات علمی را ندارند.

7. آهنربا برای طیف سنج های NMR

   یکی از قطعات مهم و گران قیمت طیف سنج آهنربا است که میدان مغناطیسی ثابتی ایجاد می کند. هر چه میدان قوی‌تر باشد، حساسیت و وضوح طیفی بالاتر است، بنابراین دانشمندان و مهندسان دائماً در تلاش هستند تا میدان‌ها را به بالاترین حد ممکن برسانند. میدان مغناطیسی توسط جریان الکتریکی در شیر برقی ایجاد می شود - هر چه جریان قوی تر باشد، میدان بزرگتر است. با این حال، افزایش جریان به طور نامحدود در جریان بسیار بالا غیرممکن است، سیم برقی به سادگی شروع به ذوب شدن می کند. بنابراین، برای مدت بسیار طولانی، طیف‌سنج‌های NMR با میدان بالا از آهن‌رباهای ابررسانا استفاده می‌کردند، یعنی آهن‌رباهایی که در آنها سیم برقی در حالت ابررسانا قرار دارد. در این حالت مقاومت الکتریکی سیم صفر است و در هیچ مقدار فعلی انرژی آزاد نمی شود. حالت ابررسانا فقط در دماهای بسیار پایین، فقط چند درجه کلوین، دمای هلیوم مایع، قابل دستیابی است. (ابررسانایی در دمای بالا هنوز حوزه تحقیقات کاملاً بنیادی است.) با حفظ چنین دمای پایینی است که تمام مشکلات فنی در طراحی و تولید آهنرباها همراه است که آنها را گران می کند. یک آهنربای ابررسانا بر اساس اصل ترموس-ماتریوشکا ساخته شده است. شیر برقی در مرکز، در محفظه خلاء قرار دارد. اطراف آن را یک پوسته حاوی هلیوم مایع احاطه کرده است. این پوسته توسط یک پوسته از نیتروژن مایع از طریق یک لایه خلاء احاطه شده است. دمای نیتروژن مایع منهای 196 درجه سانتیگراد است تا اطمینان حاصل شود که هلیوم تا حد ممکن به آرامی تبخیر می شود. در نهایت، پوسته نیتروژن از دمای اتاق توسط یک لایه خلاء خارجی جدا می شود. چنین سیستمی قادر است دمای مورد نظر یک آهنربای ابررسانا را برای مدت بسیار طولانی حفظ کند، اگرچه این امر مستلزم افزودن منظم نیتروژن مایع و هلیوم به آهنربا است. مزیت چنین آهنرباهایی، علاوه بر توانایی به دست آوردن میدان های مغناطیسی بالا، مصرف نکردن انرژی نیز می باشد: پس از راه اندازی آهنربا، جریان از طریق سیم های ابررسانا بدون تلفات برای سال ها عبور می کند.

8. توموگرافی

   در طیف سنج های NMR معمولی، آنها سعی می کنند میدان مغناطیسی را تا حد ممکن یکنواخت کنند، این برای بهبود وضوح طیفی ضروری است. اما اگر میدان مغناطیسی داخل نمونه، برعکس، بسیار ناهمگن ساخته شود، این امر اساساً امکانات جدیدی را برای استفاده از NMR باز می کند. ناهمگنی میدان توسط سیم پیچ های به اصطلاح گرادیان ایجاد می شود که در پشت سر هم با آهنربای اصلی کار می کنند. در این حالت، بزرگی میدان مغناطیسی در قسمت‌های مختلف نمونه متفاوت خواهد بود، به این معنی که سیگنال NMR را می‌توان نه از کل نمونه، مانند یک طیف‌سنج معمولی، بلکه فقط از لایه باریک آن مشاهده کرد. شرایط تشدید برآورده می شود، یعنی رابطه مطلوب بین میدان مغناطیسی و فرکانس. با تغییر اندازه میدان مغناطیسی (یا، که اساساً یکسان است، فرکانس مشاهده سیگنال)، می توانید لایه ای را که سیگنال تولید می کند تغییر دهید. به این ترتیب می توان نمونه را در تمام حجم آن «اسکن» کرد و ساختار سه بعدی داخلی آن را بدون تخریب مکانیکی نمونه «دید» کرد. تا به امروز، تعداد زیادی تکنیک توسعه داده شده است که اندازه گیری پارامترهای مختلف NMR (ویژگی های طیفی، زمان آرامش مغناطیسی، سرعت خود انتشار و برخی دیگر) را با وضوح فضایی در داخل نمونه ممکن می سازد. جالب‌ترین و مهم‌ترین کاربرد توموگرافی NMR از نقطه نظر عملی در پزشکی یافت شد. در این مورد، "نمونه" مورد مطالعه بدن انسان است. تصویربرداری NMR یکی از موثرترین و ایمن‌ترین ابزارهای تشخیصی (اما گران‌قیمت) در زمینه‌های مختلف پزشکی، از انکولوژی گرفته تا زنان و زایمان است. جالب است بدانید که پزشکان در نام این روش از کلمه هسته ای استفاده نمی کنند، زیرا برخی از بیماران آن را با واکنش های هسته ای و بمب اتمی مرتبط می دانند.

9. تاریخچه کشف

   

   سال کشف NMR را سال 1945 در نظر می گیرند، زمانی که آمریکایی ها فلیکس بلوخ از استنفورد و مستقل از او، ادوارد پرسل و رابرت پاوند از هاروارد برای اولین بار سیگنال NMR را روی پروتون ها مشاهده کردند. در آن زمان، چیزهای زیادی در مورد ماهیت مغناطیس هسته ای شناخته شده بود، خود اثر NMR به صورت تئوری پیش بینی شده بود، و چندین تلاش برای مشاهده تجربی آن انجام شده بود. ذکر این نکته ضروری است که یک سال قبل در اتحاد جماهیر شوروی، در کازان، پدیده EPR توسط Evgeniy Zavoisky کشف شد. اکنون به خوبی شناخته شده است که Zavoisky سیگنال NMR را نیز مشاهده کرد، این قبل از جنگ، در سال 1941 بود. با این حال، او یک آهنربا با کیفیت پایین با یکنواختی میدان ضعیف در اختیار داشت. اگر منصف باشیم، باید توجه داشت که Zavoisky تنها کسی نبود که NMR را قبل از کشف "رسمی" مشاهده کرد. به ویژه، ایسیدور رابی، فیزیکدان آمریکایی (برنده جایزه نوبل در سال 1944 برای مطالعه خود در مورد خواص مغناطیسی هسته ها در پرتوهای اتمی و مولکولی) نیز NMR را در اواخر دهه 30 مشاهده کرد، اما آن را یک مصنوع ابزاری در نظر گرفت. به هر حال، کشور ما در تشخیص آزمایشی تشدید مغناطیسی اولویت را حفظ می کند. اگرچه خود زاوویسکی بلافاصله پس از جنگ با مشکلات دیگری دست و پنجه نرم کرد، اما کشف او نقش بزرگی در توسعه علم در کازان داشت. کازان همچنان یکی از مراکز علمی پیشرو در جهان برای طیف سنجی EPR است.

10. جوایز نوبل در تشدید مغناطیسی

    در نیمه اول قرن بیستم، چندین جایزه نوبل به دانشمندانی اعطا شد که بدون کارشان کشف NMR ممکن نبود. از جمله پیتر زیمن، اتو استرن، ایزیدور رابی، ولفگانگ پائولی. اما چهار جایزه نوبل به طور مستقیم با NMR مرتبط بود. در سال 1952 این جایزه به فلیکس بلوخ و ادوارد پرسل برای کشف تشدید مغناطیسی هسته ای اهدا شد. این تنها جایزه نوبل "NMR" در فیزیک است. در سال 1991، ریچارد ارنست سوئیسی، که در ETH معروف زوریخ کار می کرد، جایزه شیمی را دریافت کرد. او به دلیل توسعه روش‌های طیف‌سنجی NMR چند بعدی، که امکان افزایش اساسی محتوای اطلاعات آزمایش‌های NMR را فراهم کرد، این جایزه را دریافت کرد. در سال 2002، برنده این جایزه، همچنین در رشته شیمی، کورت وتریچ بود که با ارنست در ساختمان های همسایه در همان دانشکده فنی کار می کرد. او این جایزه را برای توسعه روش هایی برای تعیین ساختار سه بعدی پروتئین ها در محلول دریافت کرد. پیش از این، تنها روش برای تعیین ترکیب فضایی بیوماکرومولکول‌های بزرگ، آنالیز پراش اشعه ایکس بود. سرانجام در سال 2003 پل لاتربر آمریکایی و پیتر منسفیلد انگلیسی برای اختراع توموگرافی NMR جایزه پزشکی را دریافت کردند. افسوس که کاشف شوروی EPR، E.K.، جایزه نوبل را دریافت نکرد.

روش طیف سنجی NMR بر اساس خواص مغناطیسی هسته ها است. هسته اتم ها حامل بار مثبت هستند و حول محور خود می چرخند. چرخش بار منجر به ظهور یک دوقطبی مغناطیسی می شود.

تکانه زاویه ای چرخش که با عدد کوانتومی اسپین (I) قابل توصیف است. مقدار عددی عدد کوانتومی اسپین برابر است با مجموع اعداد کوانتومی اسپینی پروتون‌ها و نوترون‌های موجود در هسته.

عدد کوانتومی اسپین می تواند مقدار را بگیرد

اگر تعداد نوکلئون ها زوج باشد، مقدار I = 0 یا یک عدد صحیح است. اینها هسته‌های C 12، H 2، N 14 هستند.

I = 1 / 2 H 1 , P 31 , F 19 ± - جذب تابش فرکانس رادیویی و تولید سیگنال طیف NMR.

I = ± 1 1/2 CL 35, Br 79 - توزیع بار غیر متقارن بر روی سطح هسته. که منجر به ظهور یک لحظه چهار قطبی می شود. چنین هسته هایی با طیف سنجی NMR مورد مطالعه قرار نمی گیرند.

PMR - طیف سنجی

مقدار عددی I (I = ± 1/2) تعداد جهت گیری های ممکن هسته را در یک میدان مغناطیسی خارجی مطابق با فرمول تعیین می کند:

از این فرمول مشخص می شود که تعداد جهت گیری ها 2 است.

برای انتقال یک پروتون واقع در سطح پایین تر به سطح بالاتر، باید انرژی برابر با اختلاف انرژی این سطوح به آن داده شود، یعنی با تابش با خلوص کاملاً مشخص تابش شود. تفاوت در سطوح انرژی (ΔΕ) به بزرگی میدان مغناطیسی تحمیلی (H 0) و ماهیت مغناطیسی هسته ها بستگی دارد که توسط گشتاور مغناطیسی (μ) توصیف می شود. این مقدار با چرخش تعیین می شود:

، جایی که

h - ثابت پلانک

بزرگی میدان مغناطیسی خارجی

γ – ضریب تناسب که نسبت ژیرو مغناطیسی نامیده می شود، رابطه بین عدد کوانتومی اسپین I و گشتاور مغناطیسی μ را تعیین می کند.

– معادله اصلی NMR، بزرگی میدان مغناطیسی خارجی، ماهیت مغناطیسی هسته ها و خلوص تابش را به هم متصل می کند که در آن انرژی تابش جذب می شود و هسته ها بین سطوح حرکت می کنند.

از رکورد بالا مشخص است که برای همان هسته‌ها، پروتون‌ها، یک رابطه سخت بین مقدار H 0 و μ وجود دارد.

بنابراین، به عنوان مثال، برای اینکه هسته های پروتون در یک میدان مغناطیسی خارجی 14000 گاوس به سطح مغناطیسی بالاتری حرکت کنند، باید با فرکانس 60 مگاهرتز، اگر تا 23000 گاوس باشد، تابش شود 100 مگاهرتز مورد نیاز خواهد بود.

بنابراین، از موارد فوق چنین استنباط می شود که بخش های اصلی یک طیف سنج NMR باید یک آهنربای قدرتمند و منبع تابش فرکانس رادیویی باشد.

ماده آنالیز در یک آمپول ساخته شده از انواع خاصی از شیشه به ضخامت 5 میلی متر قرار می گیرد. آمپول را در شکاف آهنربا قرار می دهیم، برای توزیع یکنواخت تر میدان مغناطیسی در داخل آمپول، حول محور خود می چرخد، با کمک یک سیم پیچ تابش به طور مداوم توسط تابش فرکانس رادیویی ایجاد می شود. فرکانس این تابش در محدوده کوچکی متفاوت است. در نقطه‌ای از زمان، زمانی که فرکانس دقیقاً با معادله طیف‌سنجی NMR مطابقت دارد، جذب انرژی تابش مشاهده می‌شود و پروتون‌ها چرخش خود را تغییر جهت می‌دهند - این جذب انرژی توسط سیم پیچ دریافتی به شکل یک قله باریک ثبت می‌شود.

در برخی از مدل های طیف سنج μ=const و در راهروهای کوچک مقدار H 0 تغییر می کند. برای ثبت طیف، 0.4 میلی لیتر از یک ماده مورد نیاز است، اگر یک ماده جامد در محلول مناسب حل شود، لازم است 10-50 میلی لیتر در گرم از ماده استفاده شود.

برای به دست آوردن یک طیف با کیفیت بالا، لازم است از محلول هایی با غلظت 10-20٪ استفاده شود. حد حساسیت NMR مربوط به 5٪ است.

برای افزایش حساسیت با استفاده از کامپیوتر، ساعت های زیادی از انباشت سیگنال استفاده می شود، در حالی که سیگنال مفید در شدت افزایش می یابد.

در بهبود بیشتر تکنیک توزیع طیفی NMR، استفاده از تبدیل فوریه - سیگنال آغاز شد. در این حالت، نمونه با تابش با فرکانس آهسته متغیر تابش نمی‌شود، بلکه با پرتوهایی که همه فرکانس‌ها را در یک بسته به هم متصل می‌کند، تابیده می‌شود. در این حالت تابش یک فرکانس جذب می‌شود و پروتون‌ها به سمت سطح انرژی بالایی حرکت می‌کنند، سپس پالس کوتاه خاموش می‌شود و پس از آن پروتون‌های برانگیخته شروع به از دست دادن انرژی جذب‌شده و حرکت به سطح پایین‌تر می‌کنند. این پدیده انرژی توسط سیستم به عنوان یک سری پالس های میلی ثانیه ای ثبت می شود که در طول زمان تحلیل می روند.

حلال ایده آل ماده ای است که پروتون نداشته باشد، یعنی تتراکلرید کربن و گوگرد کربن، اما برخی از مواد در این محلول ها حل نمی شوند، بنابراین هر حلال در مولکول های آن اتم های ایزوتوپ نور H1 با اتم ها جایگزین می شود. از ایزوتوپ های سنگین دوتریوم استفاده می شود. فرکانس ایزوتوپ باید با 99٪ مطابقت داشته باشد.

СDCl 3 - دوتریوم

دوتریوم در طیف های NMR سیگنال تولید نمی کند. توسعه بیشتر روش استفاده از یک کامپیوتر پرسرعت و تبدیل سیگنال بیشتر بود. در این حالت به جای آخرین اسکن فرکانس تابش، تابش آنی حاوی تمام فرکانس های ممکن بر روی نمونه سوار می شود. در این حالت، تمام هسته‌ها فوراً برانگیخته می‌شوند و چرخش‌های آنها تغییر جهت می‌دهند. پس از خاموش شدن تابش، هسته ها شروع به آزاد شدن انرژی می کنند و به سطح انرژی پایین تری می روند. این انفجار انرژی چند ثانیه طول می کشد و از یک سری پالس های میکروثانیه تشکیل شده است که توسط سیستم ضبط به صورت چنگال ثبت می شود.

1. جوهر پدیده

اول از همه، باید توجه داشت که اگرچه نام این پدیده حاوی کلمه "هسته ای" است، NMR هیچ ارتباطی با فیزیک هسته ای ندارد و به هیچ وجه با رادیواکتیویته ارتباط ندارد. اگر در مورد یک توصیف دقیق صحبت کنیم، هیچ راهی برای انجام بدون قوانین مکانیک کوانتومی وجود ندارد. طبق این قوانین، انرژی برهمکنش هسته مغناطیسی با یک میدان مغناطیسی خارجی تنها می تواند چند مقدار گسسته را بگیرد. اگر هسته های مغناطیسی با یک میدان مغناطیسی متناوب تحت تابش قرار گیرند، فرکانس آن مطابق با اختلاف بین این سطوح انرژی گسسته است که در واحدهای فرکانس بیان می شود، هسته های مغناطیسی شروع به حرکت از یک سطح به سطح دیگر می کنند، در حالی که انرژی متناوب را جذب می کنند. رشته. این پدیده رزونانس مغناطیسی است. این توضیح از نظر رسمی درست است، اما خیلی واضح نیست. توضیح دیگری وجود دارد، بدون مکانیک کوانتومی. هسته مغناطیسی را می توان به عنوان یک توپ باردار الکتریکی تصور کرد که حول محور خود می چرخد ​​(اگرچه، به طور دقیق، اینطور نیست). طبق قوانین الکترودینامیک، چرخش بار منجر به ظهور میدان مغناطیسی می شود، یعنی گشتاور مغناطیسی هسته که در امتداد محور چرخش هدایت می شود. اگر این گشتاور مغناطیسی در یک میدان خارجی ثابت قرار گیرد، بردار این گشتاور شروع به پیشروی می کند، یعنی به دور جهت میدان خارجی می چرخد. به همین ترتیب، محور قسمت بالایی در صورتی که کاملاً به صورت عمودی باز نشده باشد، اما در یک زاویه خاص، به دور عمودی می چرخد. در این حالت، نقش میدان مغناطیسی توسط نیروی گرانش ایفا می شود.

­

فرکانس تقدم هم توسط خواص هسته و هم قدرت میدان مغناطیسی تعیین می شود: هر چه میدان قوی تر باشد، فرکانس بالاتر است. سپس، اگر علاوه بر یک میدان مغناطیسی خارجی ثابت، هسته تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی متناوب قرار گیرد، آنگاه هسته شروع به تعامل با این میدان می کند - به نظر می رسد که هسته را با شدت بیشتری می چرخاند، دامنه تقدم افزایش می یابد و هسته انرژی میدان متناوب را جذب می کند. با این حال، این فقط در شرایط تشدید اتفاق می افتد، یعنی همزمانی فرکانس تقدم و فرکانس میدان متناوب خارجی. این شبیه به مثال کلاسیک فیزیک مدرسه است - سربازانی که از روی یک پل رژه می روند. اگر فرکانس پله با فرکانس طبیعی پل منطبق باشد، پل بیشتر و بیشتر نوسان می کند. از نظر تجربی، این پدیده خود را در وابستگی جذب یک میدان متناوب به فرکانس آن نشان می دهد. در لحظه تشدید، جذب به شدت افزایش می یابد و ساده ترین طیف تشدید مغناطیسی به این صورت است:

­

2. طیف سنجی فوریه

اولین طیف سنج های NMR دقیقاً همانطور که در بالا توضیح داده شد کار کردند - نمونه در یک میدان مغناطیسی ثابت قرار گرفت و تابش فرکانس رادیویی به طور مداوم به آن اعمال شد. سپس فرکانس میدان متناوب یا شدت میدان مغناطیسی ثابت به آرامی تغییر می کرد. جذب انرژی میدان متناوب توسط یک پل فرکانس رادیویی ثبت شد که سیگنال از آن به یک ضبط کننده یا اسیلوسکوپ خروجی می شد. اما مدت زیادی است که از این روش ضبط سیگنال استفاده نمی شود. در طیف سنج های NMR مدرن، طیف با استفاده از پالس ها ثبت می شود. گشتاورهای مغناطیسی هسته ها توسط یک پالس قدرتمند کوتاه تحریک می شوند و پس از آن سیگنال القا شده در سیم پیچ RF توسط ممان های مغناطیسی آزادانه ثبت می شود. با بازگشت ممان های مغناطیسی به حالت تعادل، این سیگنال به تدریج به صفر می رسد (به این فرآیند آرامش مغناطیسی می گویند). طیف NMR از این سیگنال با استفاده از تبدیل فوریه به دست می آید. این یک روش ریاضی استاندارد است که به شما امکان می دهد هر سیگنالی را به هارمونیک های فرکانس تجزیه کنید و در نتیجه طیف فرکانسی این سیگنال را بدست آورید. این روش ضبط طیف به شما امکان می دهد سطح نویز را به میزان قابل توجهی کاهش دهید و آزمایشات را بسیار سریعتر انجام دهید.

­

یک پالس تحریک برای ثبت یک طیف ساده ترین آزمایش NMR است. با این حال، بسته به نوع دستکاری هایی که محقق باید با سیستم گشتاورهای مغناطیسی هسته ای انجام دهد، می تواند تعداد زیادی از این پالس ها با مدت زمان، دامنه، با تأخیرهای متفاوت بین آنها و غیره در یک آزمایش وجود داشته باشد. با این حال، تقریباً همه این توالی‌های پالس به یک چیز ختم می‌شوند - ضبط یک سیگنال تقدم آزاد و به دنبال آن تبدیل فوریه.

3. فعل و انفعالات مغناطیسی در ماده

اگر برهمکنش های مغناطیسی هسته ها با یکدیگر و با پوسته الکترونی مولکول نبود، رزونانس مغناطیسی خود چیزی بیش از یک پدیده فیزیکی جالب باقی نمی ماند. این فعل و انفعالات بر پارامترهای رزونانس تأثیر می گذارد و با کمک آنها، روش NMR می تواند اطلاعات مختلفی را در مورد خواص مولکول ها - جهت گیری، ساختار فضایی (ترکیب)، برهمکنش های بین مولکولی، تبادل شیمیایی، دینامیک چرخشی و انتقالی ارائه دهد. به لطف این، NMR به ابزار بسیار قدرتمندی برای مطالعه مواد در سطح مولکولی تبدیل شده است که به طور گسترده نه تنها در فیزیک، بلکه عمدتاً در شیمی و زیست شناسی مولکولی استفاده می شود. نمونه ای از چنین برهمکنشی، به اصطلاح شیفت شیمیایی است. ماهیت آن به شرح زیر است: پوسته الکترونی یک مولکول به یک میدان مغناطیسی خارجی پاسخ می دهد و سعی می کند آن را غربال کند - غربالگری جزئی میدان مغناطیسی در همه مواد دیا مغناطیسی رخ می دهد. این بدان معناست که میدان مغناطیسی موجود در مولکول با میدان مغناطیسی خارجی مقدار بسیار کمی متفاوت خواهد بود که به آن شیفت شیمیایی می گویند. با این حال، خواص لایه الکترونی در بخش‌های مختلف مولکول متفاوت است و تغییر شیمیایی نیز متفاوت است. بر این اساس، شرایط رزونانس برای هسته ها در قسمت های مختلف مولکول نیز متفاوت خواهد بود. این امر تشخیص هسته های شیمیایی غیر هم ارز در طیف را ممکن می سازد. به عنوان مثال، اگر طیف هسته های هیدروژن (پروتون) آب خالص را در نظر بگیریم، تنها یک خط وجود خواهد داشت، زیرا هر دو پروتون در مولکول H 2 O دقیقاً یکسان هستند. اما برای الکل متیل CH 3 OH در حال حاضر دو خط در طیف وجود خواهد داشت (اگر از سایر برهم کنش های مغناطیسی غفلت کنیم)، زیرا دو نوع پروتون وجود دارد - پروتون های گروه متیل CH 3 و پروتون مرتبط با اتم اکسیژن. با پیچیده‌تر شدن مولکول‌ها، تعداد خطوط افزایش می‌یابد، و اگر چنین مولکول بزرگ و پیچیده‌ای را به عنوان پروتئین در نظر بگیریم، در این حالت طیف چیزی شبیه به این خواهد بود:

­

4. هسته های مغناطیسی

NMR را می توان بر روی هسته های مختلف مشاهده کرد، اما باید گفت که همه هسته ها دارای گشتاور مغناطیسی نیستند. اغلب اتفاق می افتد که برخی از ایزوتوپ ها دارای گشتاور مغناطیسی هستند، اما ایزوتوپ های دیگر همان هسته ندارند. در مجموع، بیش از صد ایزوتوپ از عناصر شیمیایی مختلف وجود دارد که دارای هسته مغناطیسی هستند، اما در تحقیقات معمولاً بیش از 1520 هسته مغناطیسی استفاده نمی شود، هر چیز دیگری عجیب و غریب است. هر هسته نسبت مشخصه میدان مغناطیسی و فرکانس تقدم خود را دارد که به آن نسبت ژیرو مغناطیسی می گویند. برای همه هسته ها این روابط شناخته شده است. با استفاده از آنها می توانید فرکانسی را انتخاب کنید که در یک میدان مغناطیسی معین، سیگنالی از هسته های مورد نیاز محقق مشاهده می شود.

مهمترین هسته برای NMR پروتون ها هستند. آنها در طبیعت فراوان هستند و حساسیت بسیار بالایی دارند. هسته های کربن، نیتروژن و اکسیژن برای شیمی و زیست شناسی بسیار مهم هستند، اما دانشمندان شانس زیادی با آنها نداشته اند: رایج ترین ایزوتوپ های کربن و اکسیژن، 12 C و 16 O، گشتاور مغناطیسی ندارند، طبیعی است. ایزوتوپ نیتروژن 14N دارای گشتاور است، اما به دلایلی برای آزمایش بسیار ناخوشایند است. ایزوتوپ های 13 C، 15 N و 17 O وجود دارند که برای آزمایش های NMR مناسب هستند، اما فراوانی طبیعی آنها بسیار کم و حساسیت آنها در مقایسه با پروتون ها بسیار کم است. بنابراین، نمونه های ویژه غنی شده با ایزوتوپ اغلب برای مطالعات NMR تهیه می شود که در آن ایزوتوپ طبیعی یک هسته خاص با ایزوتوپ مورد نیاز برای آزمایش ها جایگزین می شود. در بیشتر موارد، این روش بسیار دشوار و پرهزینه است، اما گاهی اوقات تنها فرصت برای به دست آوردن اطلاعات لازم است.

5. رزونانس پارامغناطیس و چهار قطبی الکترون

در مورد NMR، نمی توان به دو پدیده فیزیکی مرتبط دیگر اشاره نکرد - تشدید پارامغناطیس الکترون (EPR) و رزونانس چهار قطبی هسته ای (NQR). EPR اساساً شبیه NMR است، تفاوت این است که رزونانس در لحظات مغناطیسی نه هسته‌های اتمی، بلکه در پوسته الکترونی اتم مشاهده می‌شود. EPR را فقط می توان در آن دسته از مولکول ها یا گروه های شیمیایی مشاهده کرد که پوسته الکترونی آنها حاوی یک الکترون به اصطلاح جفت نشده است، سپس پوسته دارای گشتاور مغناطیسی غیر صفر است. به چنین موادی پارامغناطیس می گویند. EPR، مانند NMR، همچنین برای مطالعه خواص ساختاری و دینامیکی مختلف مواد در سطح مولکولی استفاده می شود، اما دامنه استفاده از آن به طور قابل توجهی محدودتر است. این عمدتا به دلیل این واقعیت است که بیشتر مولکول ها، به ویژه در طبیعت زنده، حاوی الکترون های جفت نشده نیستند. در برخی موارد، می توانید از یک پروب به اصطلاح پارامغناطیس استفاده کنید، یعنی یک گروه شیمیایی با یک الکترون جفت نشده که به مولکول مورد مطالعه متصل می شود. اما این رویکرد دارای معایب آشکاری است که قابلیت های این روش را محدود می کند. علاوه بر این، EPR دارای وضوح طیفی بالایی (یعنی توانایی تشخیص یک خط از خط دیگر در طیف) مانند NMR نیست.

توضیح ماهیت NQR "روی انگشتان" بسیار دشوار است. برخی از هسته ها دارای ممان چهار قطبی الکتریکی هستند. این لحظه انحراف توزیع بار الکتریکی هسته از تقارن کروی را مشخص می کند. برهمکنش این لحظه با گرادیان میدان الکتریکی ایجاد شده توسط ساختار کریستالی ماده منجر به شکافتن سطوح انرژی هسته می شود. در این مورد، می توان یک رزونانس را در فرکانس مربوط به انتقال بین این سطوح مشاهده کرد. برخلاف NMR و EPR، NQR نیازی به میدان مغناطیسی خارجی ندارد، زیرا تقسیم سطح بدون آن اتفاق می‌افتد. NQR همچنین برای مطالعه مواد استفاده می شود، اما دامنه کاربرد آن حتی از EPR محدودتر است.

6. مزایا و معایب NMR

NMR قوی ترین و آموزنده ترین روش برای مطالعه مولکول ها است. به طور دقیق، این یک روش نیست، تعداد زیادی از انواع مختلف آزمایش است، به عنوان مثال، توالی پالس. اگرچه همه آنها بر اساس پدیده NMR هستند، اما هر یک از این آزمایش ها برای به دست آوردن برخی اطلاعات خاص طراحی شده اند. تعداد این آزمایش‌ها در ده‌ها، اگر نه صدها، اندازه‌گیری می‌شود. از نظر تئوری، NMR می تواند، اگر نه همه چیز، پس تقریباً همه چیزهایی را که تمام روش های تجربی دیگر برای مطالعه ساختار و دینامیک مولکول ها می توانند انجام دهند، اگرچه در عمل این امکان پذیر است، البته نه همیشه. یکی از مزایای اصلی NMR این است که از یک سو، کاوشگرهای طبیعی آن، یعنی هسته های مغناطیسی، در سراسر مولکول توزیع شده اند و از سوی دیگر، به فرد اجازه می دهد تا این هسته ها را از یکدیگر متمایز کند و داده های انتخابی مکانی را به دست آورد. در مورد خواص مولکول تقریباً همه روش‌های دیگر اطلاعاتی را به صورت میانگین در کل مولکول یا فقط در مورد یک قسمت از آن ارائه می‌کنند.

NMR دو عیب اصلی دارد. اولاً، در مقایسه با اکثر روش‌های تجربی دیگر (طیف‌سنجی نوری، فلورسانس، EPR و غیره) حساسیت پایینی دارد. این منجر به این واقعیت می شود که برای میانگین نویز، سیگنال باید برای مدت طولانی انباشته شود. در برخی موارد، آزمایش NMR را می توان حتی برای چند هفته انجام داد. دوم اینکه گران است. طیف‌سنج‌های NMR یکی از گران‌ترین ابزارهای علمی هستند که حداقل صدها هزار دلار قیمت دارند و گران‌ترین طیف‌سنج‌ها چند میلیون قیمت دارند. همه آزمایشگاه ها، به ویژه در روسیه، توانایی پرداخت چنین تجهیزات علمی را ندارند.

7. آهنربا برای طیف سنج های NMR

یکی از قطعات مهم و گران قیمت طیف سنج آهنربا است که میدان مغناطیسی ثابتی ایجاد می کند. هر چه میدان قوی‌تر باشد، حساسیت و وضوح طیفی بالاتر است، بنابراین دانشمندان و مهندسان دائماً در تلاش هستند تا میدان‌ها را به بالاترین حد ممکن برسانند. میدان مغناطیسی توسط جریان الکتریکی در شیر برقی ایجاد می شود - هر چه جریان قوی تر باشد، میدان بزرگتر است. با این حال، افزایش جریان به طور نامحدود در جریان بسیار بالا غیرممکن است، سیم برقی به سادگی شروع به ذوب شدن می کند. بنابراین، برای مدت بسیار طولانی، طیف‌سنج‌های NMR با میدان بالا از آهن‌رباهای ابررسانا استفاده می‌کردند، یعنی آهن‌رباهایی که در آنها سیم برقی در حالت ابررسانا قرار دارد. در این حالت مقاومت الکتریکی سیم صفر است و در هیچ مقدار فعلی انرژی آزاد نمی شود. حالت ابررسانا فقط در دماهای بسیار پایین، فقط چند درجه کلوین، دمای هلیوم مایع، قابل دستیابی است. (ابررسانایی در دمای بالا هنوز حوزه تحقیقات کاملاً بنیادی است.) دقیقاً با حفظ چنین دمای پایینی است که تمام مشکلات فنی در طراحی و تولید آهنرباها با هم همراه است که آنها را گران می کند. یک آهنربای ابررسانا بر اساس اصل ترموس-ماتریوشکا ساخته شده است. شیر برقی در مرکز، در محفظه خلاء قرار دارد. اطراف آن را یک پوسته حاوی هلیوم مایع احاطه کرده است. این پوسته توسط یک پوسته از نیتروژن مایع از طریق یک لایه خلاء احاطه شده است. دمای نیتروژن مایع منهای 196 درجه سانتیگراد است تا اطمینان حاصل شود که هلیوم تا حد ممکن به آرامی تبخیر می شود. در نهایت، پوسته نیتروژن از دمای اتاق توسط یک لایه خلاء خارجی جدا می شود. چنین سیستمی قادر است دمای مورد نظر یک آهنربای ابررسانا را برای مدت بسیار طولانی حفظ کند، اگرچه این امر مستلزم افزودن منظم نیتروژن مایع و هلیوم به آهنربا است. مزیت چنین آهنرباهایی، علاوه بر توانایی به دست آوردن میدان های مغناطیسی بالا، مصرف نکردن انرژی نیز می باشد: پس از راه اندازی آهنربا، جریان از طریق سیم های ابررسانا بدون تلفات برای سال ها عبور می کند.

­

8. توموگرافی

در طیف سنج های NMR معمولی، آنها سعی می کنند میدان مغناطیسی را تا حد ممکن یکنواخت کنند، این برای بهبود وضوح طیفی ضروری است. اما اگر میدان مغناطیسی داخل نمونه، برعکس، بسیار ناهمگن ساخته شود، این امر اساساً امکانات جدیدی را برای استفاده از NMR باز می کند. ناهمگنی میدان توسط سیم پیچ های به اصطلاح گرادیان ایجاد می شود که در پشت سر هم با آهنربای اصلی کار می کنند. در این حالت، بزرگی میدان مغناطیسی در قسمت‌های مختلف نمونه متفاوت خواهد بود، به این معنی که سیگنال NMR را می‌توان نه از کل نمونه، مانند یک طیف‌سنج معمولی، بلکه فقط از لایه باریک آن مشاهده کرد. شرایط تشدید برآورده می شود، یعنی رابطه مطلوب بین میدان مغناطیسی و فرکانس. با تغییر اندازه میدان مغناطیسی (یا، که اساساً یکسان است، فرکانس مشاهده سیگنال)، می توانید لایه ای را که سیگنال تولید می کند تغییر دهید. به این ترتیب می توان نمونه را در تمام حجم آن «اسکن» کرد و ساختار سه بعدی داخلی آن را بدون تخریب مکانیکی نمونه «دید» کرد. تا به امروز، تعداد زیادی تکنیک توسعه داده شده است که اندازه گیری پارامترهای مختلف NMR (ویژگی های طیفی، زمان آرامش مغناطیسی، سرعت خود انتشار و برخی دیگر) را با وضوح فضایی در داخل نمونه ممکن می سازد. جالب‌ترین و مهم‌ترین کاربرد توموگرافی NMR از نقطه نظر عملی در پزشکی یافت شد. در این مورد، "نمونه" مورد مطالعه بدن انسان است. تصویربرداری NMR یکی از موثرترین و ایمن‌ترین ابزارهای تشخیصی (اما گران‌قیمت) در زمینه‌های مختلف پزشکی، از انکولوژی گرفته تا زنان و زایمان است. جالب است بدانید که پزشکان در نام این روش از کلمه هسته ای استفاده نمی کنند، زیرا برخی از بیماران آن را با واکنش های هسته ای و بمب اتمی مرتبط می دانند.

9. تاریخچه کشف

سال کشف NMR را سال 1945 در نظر می گیرند، زمانی که آمریکایی ها فلیکس بلوخ از استنفورد و مستقل از او، ادوارد پرسل و رابرت پاوند از هاروارد برای اولین بار سیگنال NMR را روی پروتون ها مشاهده کردند. در آن زمان، چیزهای زیادی در مورد ماهیت مغناطیس هسته ای شناخته شده بود، خود اثر NMR به صورت تئوری پیش بینی شده بود، و چندین تلاش برای مشاهده تجربی آن انجام شده بود. ذکر این نکته ضروری است که یک سال قبل در اتحاد جماهیر شوروی، در کازان، پدیده EPR توسط Evgeniy Zavoisky کشف شد. اکنون به خوبی شناخته شده است که Zavoisky سیگنال NMR را نیز مشاهده کرد، این قبل از جنگ، در سال 1941 بود. با این حال، او یک آهنربا با کیفیت پایین با یکنواختی میدان ضعیف در اختیار داشت. اگر منصف باشیم، باید توجه داشت که Zavoisky تنها کسی نبود که NMR را قبل از کشف "رسمی" مشاهده کرد. به ویژه، ایسیدور رابی، فیزیکدان آمریکایی (برنده جایزه نوبل در سال 1944 برای مطالعه خود در مورد خواص مغناطیسی هسته ها در پرتوهای اتمی و مولکولی) نیز NMR را در اواخر دهه 30 مشاهده کرد، اما آن را یک مصنوع ابزاری در نظر گرفت. به هر حال، کشور ما در تشخیص آزمایشی تشدید مغناطیسی اولویت را حفظ می کند. اگرچه خود زاوویسکی بلافاصله پس از جنگ با مشکلات دیگری دست و پنجه نرم کرد، اما کشف او نقش بزرگی در توسعه علم در کازان داشت. کازان همچنان یکی از مراکز علمی پیشرو در جهان برای طیف سنجی EPR است.

10. جوایز نوبل در تشدید مغناطیسی

در نیمه اول قرن بیستم، چندین جایزه نوبل به دانشمندانی اعطا شد که بدون کارشان کشف NMR ممکن نبود. از جمله پیتر زیمن، اتو استرن، ایزیدور رابی، ولفگانگ پائولی. اما چهار جایزه نوبل به طور مستقیم با NMR مرتبط بود. در سال 1952 این جایزه به فلیکس بلوخ و ادوارد پرسل برای کشف تشدید مغناطیسی هسته ای اهدا شد. این تنها جایزه نوبل "NMR" در فیزیک است. در سال 1991، ریچارد ارنست سوئیسی، که در ETH معروف زوریخ کار می کرد، جایزه شیمی را دریافت کرد. او به دلیل توسعه روش‌های طیف‌سنجی NMR چند بعدی، که امکان افزایش اساسی محتوای اطلاعات آزمایش‌های NMR را فراهم کرد، این جایزه را دریافت کرد. در سال 2002، برنده این جایزه، همچنین در رشته شیمی، کورت وتریچ بود که با ارنست در ساختمان های همسایه در همان دانشکده فنی کار می کرد. او این جایزه را برای توسعه روش هایی برای تعیین ساختار سه بعدی پروتئین ها در محلول دریافت کرد. پیش از این، تنها روش برای تعیین ترکیب فضایی بیوماکرومولکول‌های بزرگ، آنالیز پراش اشعه ایکس بود. سرانجام در سال 2003 پل لاتربر آمریکایی و پیتر منسفیلد انگلیسی برای اختراع توموگرافی NMR جایزه پزشکی را دریافت کردند. افسوس که کاشف شوروی EPR، E.K.، جایزه نوبل را دریافت نکرد.

طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) قوی‌ترین ابزار برای روشن کردن ساختار مواد آلی است. در این نوع طیف سنجی، نمونه مورد مطالعه در میدان مغناطیسی قرار می گیرد و با تابش الکترومغناطیسی فرکانس رادیویی تابش می شود.

(برای مشاهده اسکن کلیک کنید)

برنج. 11-13. پروتون در میدان مغناطیسی: الف - در صورت عدم وجود میدان مغناطیسی. ب - در یک میدان مغناطیسی خارجی؛ ج - در یک میدان مغناطیسی خارجی پس از جذب تابش فرکانس رادیویی (اسپین سطح انرژی بالاتری را اشغال می کند)

تابش - تشعشع. اتم های هیدروژن در قسمت های مختلف مولکول، تابش طول موج های مختلف (فرکانس) را جذب می کنند. تحت شرایط خاص، اتم های دیگر نیز می توانند تابش فرکانس رادیویی را جذب کنند، اما ما خود را به در نظر گرفتن طیف سنجی روی اتم های هیدروژن به عنوان مهم ترین و رایج ترین نوع طیف سنجی NMR محدود می کنیم.

هسته اتم هیدروژن از یک پروتون تشکیل شده است. این پروتون حول محور خود می چرخد ​​و مانند هر جسم باردار در حال چرخش، یک آهنربا است. در غیاب میدان مغناطیسی خارجی، اسپین های پروتون به طور تصادفی جهت گیری می شوند، اما در یک میدان مغناطیسی تنها دو جهت اسپین امکان پذیر است (شکل 11-13)، که به آنها حالت های اسپین می گویند. حالت‌های اسپینی که در آن‌ها گشتاور مغناطیسی (نشان داده شده با فلش) در امتداد میدان جهت‌گیری می‌شود، انرژی کمی کمتر از حالت‌های اسپینی دارند که در آن گشتاور مغناطیسی در جهت میدان است. تفاوت انرژی بین دو حالت اسپین مربوط به انرژی یک فوتون تابش فرکانس رادیویی است. هنگامی که این تابش بر نمونه مورد مطالعه تأثیر می گذارد، پروتون ها از سطح انرژی پایین تر به سطح بالاتر حرکت می کنند و انرژی جذب می شود.

اتم های هیدروژن در یک مولکول در محیط های شیمیایی مختلف قرار دارند. برخی بخشی از گروه های متیل هستند، برخی دیگر به اتم های اکسیژن یا حلقه بنزن متصل هستند، برخی دیگر در کنار پیوندهای دوگانه قرار دارند و غیره. همین تفاوت کوچک در محیط الکترونیکی کافی است تا اختلاف انرژی بین حالت های اسپین را تغییر دهد و بنابراین، فرکانس تابش جذب شده

طیف NMR در نتیجه جذب تابش فرکانس رادیویی توسط یک ماده واقع در یک میدان مغناطیسی ایجاد می شود. طیف‌سنجی NMR به فرد اجازه می‌دهد بین اتم‌های هیدروژن در یک مولکول که در محیط‌های شیمیایی مختلف هستند، تمایز قائل شود.

طیف NMR

هنگام اسکن فرکانس تابش در مقادیر فرکانس مشخص، جذب تابش توسط اتم های هیدروژن در مولکول مشاهده می شود، مقدار خاص فرکانس جذب به محیط اتم ها بستگی دارد

برنج. 11-14. طیف NMR معمولی: a - طیف; ب - منحنی انتگرالی که مساحت قله را می دهد

هیدروژن با دانستن اینکه پیک های جذب انواع خاصی از اتم های هیدروژن در کدام ناحیه از طیف قرار دارند، می توان نتایج خاصی در مورد ساختار مولکول گرفت. در شکل شکل 11-14 یک طیف NMR معمولی از یک ماده را نشان می دهد که در آن سه نوع اتم هیدروژن وجود دارد. موقعیت سیگنال ها در مقیاس شیفت شیمیایی 5 بر حسب قسمت در میلیون (ppm) فرکانس رادیویی اندازه گیری می شود. معمولاً همه سیگنال ها در ناحیه شکل 1 قرار دارند. 11-14، شیفت های شیمیایی سیگنال ها 1.0، 3.5 است و قسمت سمت راست طیف را ناحیه میدان بالا و سمت چپ را منطقه میدان پایین می نامند. در طیف های NMR، قله ها به طور سنتی به سمت بالا نشان داده می شوند تا پایین، مانند طیف IR.

برای تفسیر طیف و به دست آوردن اطلاعات ساختاری از آن، سه نوع پارامتر طیفی مهم است:

1) موقعیت سیگنال در مقیاس (نوع اتم هیدروژن را مشخص می کند).

2) ناحیه سیگنال (تعداد اتم های هیدروژن از یک نوع مشخص را مشخص می کند).

3) تعدد (شکل) سیگنال (تعداد اتم های هیدروژن نزدیک به انواع دیگر را مشخص می کند).

بیایید با استفاده از مثال طیف کلرواتان به این پارامترها نگاه دقیق تری بیندازیم (شکل 11-15). اول از همه، بیایید به موقعیت سیگنال ها در طیف، یا به عبارت دیگر، به مقادیر شیفت های شیمیایی توجه کنیم. سیگنال a (پروتون های گروه 1.0 ppm است که

برنج. 11-15. طیف NMR کلرواتان

(به اسکن مراجعه کنید)

نشان می دهد که این اتم های هیدروژن در کنار یک اتم الکترونگاتیو قرار ندارند، در حالی که جابجایی سیگنال b (پروتون های گروه) است. نوارهای جذب در طیف IR مهمترین تغییرات شیمیایی در جدول آورده شده است. 11-2.

سپس مساحت قله ها را که متناسب با تعداد اتم های هیدروژن یک نوع معین است، تجزیه و تحلیل می کنیم. در شکل 11-15 ناحیه نسبی با اعداد داخل پرانتز نشان داده شده است. آنها با استفاده از منحنی انتگرال واقع در بالای طیف تعریف می شوند. مساحت سیگنال متناسب با ارتفاع "پله" منحنی انتگرال است. در طیف مورد بحث، نسبت مناطق سیگنال 2:3 است که مربوط به نسبت تعداد پروتون های متیلن به تعداد پروتون های متیل است.

در نهایت، شکل یا ساختار سیگنال ها را در نظر بگیرید که معمولاً به آن تعدد می گویند. سیگنال گروه متیل یک سه قله (سه قله) است، در حالی که سیگنال گروه متیلن چهار قله (کوارتت) است. Multiplicity اطلاعاتی در مورد تعداد اتم های هیدروژن به یک اتم کربن مجاور پیوند می دهد. تعداد پیک ها در یک مولتی همیشه یک بیشتر از تعداد اتم های هیدروژن اتم کربن همسایه است (جدول 11-3).

بنابراین، اگر یک سیگنال منفرد در طیف وجود داشته باشد، به این معنی است که مولکول ماده شامل گروهی از اتم های هیدروژن است که در مجاورت آنها هیچ اتم هیدروژن دیگری وجود ندارد. در طیف در شکل. 11-15 سیگنال گروه مگیل سه گانه است. این بدان معناست که دو اتم هیدروژن در مجاورت اتم کربن وجود دارد.

به همین ترتیب، سیگنال گروه متیلن یک کوارتت است زیرا سه اتم هیدروژن در همسایگی آن وجود دارد.

یادگیری چگونگی پیش بینی طیف NMR مورد انتظار بر اساس فرمول ساختاری یک ماده مفید است. با تسلط بر این روش، می توان به راحتی به حل مسئله معکوس رفت - ایجاد ساختار یک ماده از طیف NMR آن. در زیر نمونه هایی از پیش بینی طیف ها بر اساس ساختار را مشاهده می کنید. سپس از شما خواسته می شود که طیف ها را برای تعیین ساختار ماده ناشناخته تفسیر کنید.

پیش بینی طیف NMR بر اساس فرمول ساختاری

برای پیش بینی طیف NMR، این روش ها را دنبال کنید.

1. فرمول ساختاری کامل ماده را رسم کنید.

2. دور اتم های هیدروژن معادل بنویسید. تعداد اتم های هیدروژن هر نوع را تعیین کنید.

3. استفاده از جدول. 11-2 (یا حافظه شما)، مقادیر تقریبی تغییرات شیمیایی سیگنال های هر نوع اتم هیدروژن را تعیین کنید.

(برای مشاهده اسکن کلیک کنید)