طيف سنجی رزونانس مغناطيس هسته‌ (  NMR )

طيف سنجي رزونانس مغناطيس هسته‌ شامل انداز‌گيري ميزان انرژي لازم براي تغيير هسته‌هاي اسپين دار از يک جهت‌گيري پايدار به جهت‌گيري ناپايدارتر در يک ميدان مغناطيسي است. از آنجا که هسته‌هاي اسپين‌دار در ميدان مغناطيسي در فرکانس‌هاي مختلف تغيير جهت مي‌دهند، فرکانس متفاوتي از تابش جذبي براي عوض کردن جهت‌گيري هسته‌هاي اسپين‌دار نياز مي‌باشد. فرکانسي که در آن جذب صورت مي‌گيرد براي تجزيه و طيف‌سنجي به کار برده مي‌شود. به طور معمول بيشتر اندازه‌گيري‌هاي ‌NMR براي H انجام مي‌شود. اندازه‌گيري ساير هسته‌ها اغلب با استفاده از روش‌هاي افزايش علامت به منظور مشاهده طيف، انجام مي شود.

برخي هسته‌ها، مانند الکترون به دور محور خود حرکت چرخشی دارند. در حضور يک ميدان آهنربايي خارجي، يک هسته در حال چرخش تنها تعداد معدودي جهت‌گيري پايدار دارد. رزونانس مغناطيس هسته( NMR )  هنگامی ایجاد می شود که یک هسته اسپین دار با جذب تابش الکترومغناطیسی به مقدار کافي، در حضور يک ميدان آهنربايي از يک جهت‌گيري با انرژي پايين‌تر به يک جهت‌گيري با انرژي بالاتر برانگيخته شود. طيف سنجي رزونانس مغناطيس هسته‌ شامل اندازه‌گیري ميزان انرژي لازم براي تغيير هسته‌هاي اسپين دار از يک جهت‌گيري پايدار به جهت‌گيري ناپايدارتر در يک ميدان مغناطيسي است. از آنجا که هسته‌هاي اسپين‌دار در ميدان مغناطيسي در فرکانس‌هاي مختلف تغيير جهت مي‌دهند، فرکانس متفاوتي از تابش جذبي براي عوض کردن جهت‌گيري هسته‌هاي اسپين‌دار نياز مي‌باشد. فرکانسي که در آن جذب صورت مي‌گيرد براي تجزيه و طيف‌سنجي به کار برده مي‌شود.

رزونانس مغناطيسي هسته‌اي براي اولين بار در سال 1946 به طور مستقل توسط فليکس بلوخ از دانشگاه استانفورد و ادوارد پارسل از دانشگاه‌ هاروارد کشف شد. آنها توانستند جذب تابش الکترومغناطيسي را که در نتيجه انتقال تراز انرژي هسته در يک ميدان مغناطيسي قوي صورت مي‌گيرد را نشان دهند. اين دو فيزيکدان در سال 1952 به خاطر کارشان موفق به دريافت جايزة نوبل شدند. در پنج ساله اول پس از کشف روش رزونانس مغناطيس هسته شيميدان‌ها دريافتند که محيط مولکولي اجسام بر جذب تابش توسط هسته‌ها در حضور يک ميدان مغناطيسي اثر مي‌گذارد و اين اثر مي‌تواند به ساختمان مولکول ارتباط داده شود. از آن پس رشد روش طيف‌سنجي تشديد مغناطيسي هسته انفجارآمیز بوده است و اين روش اثر قابل توجهي در توسعة‌ شيمي آلي، شيمي معدني و بيوشيمي داشته است . در سال 1999 یک تیم فیزیکدان کانادایی موفق به توسعه یک روش جدید با استفاده از روش رزونانس مغناطیس هسته‌ای Beta شدند که این روش قادر به نشان دادن خصوصیات مغناطیسی و الکتریکی لایه ها و سطوح بسیار نازک می باشد از روش های BetaNMR  در علوم نانویی استفاده می شود.
اندازه حرکت زاويه‌اي اسپين در هسته‌ها توسط عدد کوانتومي اسپين هسته مشخص مي‌شود. عددکوانتومي اسپين هسته ‌هر عدد صحيح يا نيمه صحيحي مي‌تواند باشد. در هسته‌هايي ماند16O و 12C که فاقد اسپين هستند، عدد کوانتومي اسپين هسته صفر است. هسته‌هایي که بدون اسپين‌اند و بنابراين اندازه حرکت زاويه‌اي اسپين ندارند، نمي‌توانند توسط طيف‌سنجي NMR آشکار شوند. هسته‌هاي اسپين‌داري که توزيع بار کروي دارند،‌ داراي عدد کوانتومي اسپين 1/2 هستند. نمونه‌هايي از اين هسته‌ها شامل 13C،19F، 3H، 15N، 31P و 1H مي‌باشد که داراي عدد کوانتومي 1/2 و گشتاور مغناطيسي هستند. براي آن که يک هسته در ميدان آهنربايي تابش الکترومغناطيس را به مقدار زياد جذب کند بايد در نمونه از فراواني بالايي برخودار باشد و همچنين بايد گشتاور مغناطيسي (µ) نسبتاً بزرگ داشته باشد. هسته‌هایي که هر دو خاصيت مورد بحث را دارند شامل1H،19 F ،21 P مي‌باشد. به طور معمول بيشتر اندازه‌گيري‌هاي ‌NMR براي 1H انجام مي‌شود. اندازه‌گيري ساير هسته‌ها اغلب با استفاده از روش‌هاي افزايش علامت به منظور مشاهده طيف، انجام می شود. معمولاً از ميان هسته‌هايي با فراواني نسبي پايين که رزونانس مغناطيس هسته‌ را نشان مي‌دهند،12C ، 15N ، 16O بيشتر مورد توجه شيميدان‌ها قرار دارد. روش رزونانس مغناطيسي هسته‌اي هيدورژن (1H) که بيشتر از ديگر هسته‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد داراي گشتاور مغناطيسي در حدود 2/7927= µ است براي اسپين‌هاي هسته‌اي 1/2 ، اختلاف انرژي بين دو سطح اسپين در يک ميدان مغناطيسي داده شده متناسب با گشتاور مغناطيسي آن خواهد بود. براي ديگر هسته‌ها که براي طيف‌سنجي تشديد مغناطيسي هسته‌اي مورد استفاده قرار مي‌گيرند گشتاور مغناطيسي به ترتيب براي 21P، 19F 12C برابر2/6873 ,1/1305 و 0/7022 مي‌باشد . در اکثر موارد حساسيت دستگاه‌هاي تشديد مغناطيسي هسته‌اي غيرپروتوني مثل 12C و غيره در مقايسه با HNMR کمتر است. همچنين در بيشتر ترکيبات، فراواني طبيعي هسته‌هاي مغناطيسي غيرپروتوني به ميزان قابل ملاحظه‌اي کمتر از پروتوني است. اين عامل سبب مي‌شود که طيف‌هاي NMR هسته‌هاي غيرپروتوني، سیگنال به نویز نسبتاً پاييني داشته باشند. پيک‌هاي اين طيف‌ها کوچک هستند و اغلب اگر از دستگاه يکساني که براي NMR هسته های پروتونی ( PMR ) به کار رفته، استفاده شود، طيف آنها را نمي‌توان مشخص کرد. با توجه به پايين بودن سیگنال به نویز در اين موارد، بيشتر دستگاه‌هاي طراحي شده براي ثبت طيف‌هاي NMR هسته‌هاي غيرپروتوني از چند پيمايش همراه با تکنيک ميانگين گيري از علامت استفاده مي‌کنند. متداول‌ترين دستگاه‌ها براي استخراج پيک‌هاي طيفي از تبديل فوريه استفاده مي‌کنند. دستگاه‌هاي تبديل فوريه براي تهيه طيف‌هاي PMR محلول‌هاي رقيق و مولکول‌هاي پيچيده، مانند پروتئين‌ها، که در آنها مقدار يک پروتون ويژه در مولکول اندک است، نيز به کار مي‌روند، تفاوت طيف‌هاي PMR و ساير طيف‌هاي NMR در محدوده جابجايي شيميايي است. محدوده جابه‌جايي شيميايي براي PMR در اکثر موارد 10PPM است. در حالي که براي هسته 12C جابه‌جايي شيميايي تا حدود 200 PPM است اين مقدار براي طيف‌هاي 19F و 21P به ترتيب برابر 300 و 400 PPM است.
در روش‌هاي NMR معمولاً واحدهاي مورد استفاده به صورت زمان (ثانيه)، زاويه (درجه يا راديان)، درجه حرارت (کلوين)، قدرت ميدان مغناطيسي (تسلا)، انرژي (ژول)، ارتعاش (دور بر ثانيه) و قدرت (وات) مي‌باشد.


 دستگاه NMR

در ساخت دستگاه NMR به دو طريق مي توان عمل كرد.

1- تغيير ميدان مغناطيسي

2- تغيير فركانس رادیویی

دستگاهي كه در آن فركانس ثابت است و ميدان را به ميزان مختصر تغيير مي دهيم ساده تر است.

دستگاههاي NMR   ميدان آنها در محدوده كوچكي تغيير مي كند و فركانس ثابتي به همه پروتون ها مي تابد.

بنابراين اين نوع دستگاه يك ميدان اوليه ثابت و يك ميدان ثانويه متغير دارد كه sweep generator اين كار را انجام مي دهد. به این دستگاهها دستگاه continuous wave (c.w) میگویند.


 


 FT-NMR يا pulse-NMR دستگاههاي جديد

به اين دستگاهها pulse NMR system گویند. هر پالس شامل تمام فركانس هايي است كه براي رزونانس رسيدن تمام پروتونها لازم است كه در 0.01 ثانيه فراهم مي شود.  ميدان در آنها ثابت است و فركانس تغيير مي كند Magnet بايد همواره روشن باشد تا يكنواختي ميدان به هم نخورد در زمان كوتاه پالسي به نمونه فرستاده مي شود كه حاوي تمام فركانس هايي است كه براي به رزونانس رسيدن همه پروتون ها لازم است.

-           با اين روش مي توان تعداد زيادي طيف را در فواصل زماني كوتاه گرفت.

-           همچنین از هسته هايي با فراواني كم هم مي توان طيف گرفت. ( افزايش حساسيت )

-        می توان از نمونه، با مقدار كم هم ،  طيف گرفت ، زيرا با اين دستگاهها مي توان در زمان كوتاه تعداد Scanها را زياد كرد كه با جمع كردن پيك ها noise به اندازه پيك اصلي افزايش نمي يابد. افزايش شدت پيك ها با راديكال تعداد اسكن متناسب است. اما از حدي بيشتر با افزايش تعداد اسكن هم طيف خوبي نخواهیم گرفت و فقط بايد مقدار نمونه را زياد كرد.

براي يكنواخت ( ثابت ) بودن ميدان لازم است مگنت دائما روشن باشد. روشن بودن دائمي مگنت گرماايجاد مي كند با استفاده از chiller آن را خنك مي كنيم. مگنت دستگاه ما الكترومگنت فركانس 80HTZ و ميدان حدود 2Tesla است. البته از80HTZ  به بالا دیگر از الکترو مگنت استفاده نمی شو دو به جای آن  از مواد ابر رسانا superconductive  براي ایجاد میدان استفاده مي شود اما این مواد  در دماي زير صفر اين خاصيت را دارند كه براي تامين اين دما از ازت يا هليم مايع استفاده مي شود. (عيب آن)

هر چه ميدان را قويتر كنيم R (Resolution  ) بيشتر مي شود.

 

دستگاه قديمC.W-NMR 

ميدان در محدوده کوچکی تغيير می کند و فرکانس ثابتی به همه پروتون ها می تابد.

 محل جذب پروتون ها در NMR را محل شيفت شيميايي پروتون ها مي گويند. محل شيفت اطلاعات زيادي درمورد ساختمان جسم و محل قرار گرفتن پروتون ها به ما مي دهد.

محل شيفت شيميايي را بر مبناي استانداردي به نام TMS تترامتيل سيلان بيان مي كنيم جذب TMS در صفر  PPM است مهمترين عامل موثر بر شيفت شيميايی الکترونهای هاي اطراف پروتون است هر چه eها بيشتر روي پروتون ها اثر شيلدينگ بگذارند اثر ميدان مغناطيسي كم شده و بايد بر شدت ميدان مغناطيسي افزوده شود.

TMS محافظت شده ترين پروتونها ها را دارد بنابراين به شدت از ميدان مغناطيسي كم مي كند و بايد بر شدت ميدان افزوده شود. بنابراين صفر بالاترين ميدان مغناطيسی را دارد.

يك قطره TMS به همه نمونه ها اضافه مي شود براي اينكه پيك صفر داشته باشيم- چون TMS 12 پروتون دارد كه از لحاظ شيميايي یکسان هستند با يك قطره جواب مي دهد. در 27°C به جوش مي آيد و از نمونه ها به راحتی جدا مي شود.تنها مشكل TMS اينست که با حلال هاي ابي قابل اختلاط نيست.

براي طيف از حلال ابی : TMS را در لوله مويين ریخته می شود  و آن را در لوله NMR گذاشته می شود  ( استاندارد خارجي ) و يا از DSS سديم 2,2 دي متيل، سيلاپنتا سولفونات استفاده می شود. ( اين ماده هم با يك قطره يك پيك شارپ مي دهد.)

استفاده از استاندارد خارجي بعلت عدم يكنواختي اثر ميدان  بر نمونه و استاندارد ، دقت زيادي ندارد.

 

 
اجزاء تشکيل دهنده دستگاه NMR 
اجزاء مهم يک طيف‌سنج NMR در شکل زیر به طور شماتيک نشان داده شده است.


آهنربا
در طيف‌سنج‌هاي تجاري NMR هم آهنرباهاي دائم و هم آهنرباهاي الکترومغناطيسي با ابعاد بزرگ مورد استفاده قرار مي‌گيرند. نوعاً ميداني در حدود 14000 گوس بين قطعات قطب‌هاي مغناطيسي که قطري برابر 12 اينچ يا بيشتر دارند، برقرار مي‌شود. مشخصات کارکردي آهنربا به خصوص براي کارهاي با تفکيک بالا، حساس و پراهميت است. ميدان ايجاد شده بايد در محوطة حضور نمونه، تا يک قسمت در108 همگن باشد و بايد تا درجة مشابهي در زمان‌هاي کوتاه پايدار بماند. براي داشتن چنين خصوصياتي، به ابزارسازي تکامل يافته‌اي که مجهز به ابزار پس خور جهت تصحيح در افت و خيز است، نياز مي‌باشد.

پيمايش گر ميدان مغناطيسي
استقرار يک جفت سيم‌پيچ به صورت موازي با سطوح مغناطيسی، تناوب ميدان اعمال شده در يک گسترة کوچک را امکان‌پذير مي‌سازد. با تغيير يک جريان مستقيم از ميان اين سيم‌پيچ‌ها، ميدان مؤثر را مي‌توان بدون از دست دادن همگني ميدان، تا چند صدميلي گوس تغيير داد.
معمولاً قدرت ميدان به طور خودکار و به طور خطي با زمان تغيير مي‌کند و اين تغيير با حرکت کاغذ ثبات همزمان است. براي يک دستگاه 60 مگاهرتزي، گسترة پيمايش ميدان برابر 1000 هرتز (235 ميلي‌گوس) يا چيزي حدود آن است.

منبع فرکانس راديويي
علامت حاصل از يک نوسانگر فرکانس راديويي (فرستنده) به داخل يک زوج سيم‌پيچي که عمود بر مسير ميدان نصب شده‌اند. خورانده مي‌شود و در نتيجه يک پرتو تابش قطبيدة مسطح به دست مي‌آيد. معمولاً از يک نوسانگر ثابت دقيقاً 60 مگاهرتزي استفاده مي‌شود. فرکانس براي کار با تفکيک بالا، بايد تا حدود يک قسمت در °10 ثابت باشد. توان خروجي اين منبع کمتر از وات است و بايد تا شايد به مقدار يک درصد در يک فاصله زماني چندين دقيقه ثابت باشد.

آشکارساز و سيستم ثبات
علامت فرکانس راديويي ايجاد شده توسط هسته‌هاي در حال رزونانس، به وسيله سيم‌پيچي که ظرف نمونه را احاطه کرده است و به صورت عمود بر سيم‌پيچ منبع قرار دارد، آشکار مي‌شود. علامت الکتريکي توليد شده در سيم‌پيچ‌ها کوچک است و بايد به ضريبي برابر °10 يا بيشتر تقويت گردد تا بتواند ثبت شود.

ظرف نگهدارنده نمونه
سلول متداول براي نمونه در NMR مرکب از يک لوله شيشه‌اي به قطر 5 ميلي‌متر است که حدود 0/4 ميلي‌متر از مايع در آن قرار مي‌گيرد. لوله‌هاي کوچکتر براي نمونه‌هايي با حجم کمتر نيز در دسترس است.

______________________________________
طيف سنجی رزونانس مغناطيس هسته‌ (  NMR ) ، طيف سنجي رزونانس مغناطيس هسته‌ ، طيف سنج رزونانس مغناطيس هسته‌ ، دستگاه NMR ، دستگاه FT-NMR