آنالیز NMR چیست؟ در این مقاله با طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته و کاربرد های آن بیشتر آشنا می شویم. پس با ما همراه باشید:
اساس کار طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته
به اتم هایی نظیر پروتون ها (H) می توان عدد اسپین معینی ( نظیر +1/2 و -1/2) اختصاص داد. این اتم ها یا هسته ها را می توان مانند مغناطیس های کوچکی در نظر گرفت که در یک میدان مغناطیسی خارجی (H0) می توانند به صورت موازی یا مخالف با جهت میدان جهت گیری نمایند. فرایند انتقال هسته ها بین این دو حالت مستلزم جذب انرژی (دلتا E) از یک میدان فرکانس رادیویی (مگاهرتز) می باشد.
.
.
شکل 1-1
اساسا در طیف سنجی NMR فرکانس انرژی جذب شده به وسیله هسته های مغناطیسی واقع در یک میدان مغناطیسی خارجی اندازه گیری می شود.
در یک مولکول آلی، هر هسته به وسیله الکترون های اطراف خود از میدان مغناطیسی خارجی پوشانده می شود. بنابراین یک هسته معین در هر محیط مولکولی یک فرکانس مشخص را جذب می کند. در یک طرف NMR هسته ها به عنوان تابعی از فرکانس و شدت سیگنال های مربوط به تعداد هسته های موجود نشان داده می شوند. طیف ها اغلب بر حسب جابه جایی شیمیایی ( برحسب ppm) گزارش می شوند، که در معیاری از اختلاف در پوشش احساس شده به وسیله هسته در مولکول های آنالیت و ترکیب مرجع می باشد.
هسته هایی که در محیط های مولکولی مختلفی هستند بر هم کنش معینی با یکدیگر دارند. مغناطیس های کوچک هسته های همسایه، فرکانس انرژی جذبی را تحت تاثیر قرار می دهند. این بر هم کنش که جفت شدن اسپین-اسپین نامیده می شود موجب شکافته شدن سیگنال ها می شود. یک مثال از این پدیده در شکل1-2 نشان داده شده است که در آن دو پروتون همسایه در گاز خردل به یک سیگنال سه گانه شکافته شده اند. در شکل1-3 دستگاه یک طیف سنجی NMR نشان داده شده است.
شکل 1-3
نمونه ها در طیف سنجی NMR
نمونه ها در این نوع طیف سنیج باید محلول باشند. برای HNMR باید حلال های خاصی استفاده شود که دارای پروتون نیستند. کلروفرم دو تره ( کلروفرمی که به جای هیدروژن های آن دوتریم جایگزین شده است) متداول ترین حلالی است که برای ترکیبات غیر قطبی مورد استفاده قرار می گیرد. برای ترکیبات قطبی تر حلال های دوتره ی دیگری ( نظیر استون دی متیل سولفوکسید و آب ) به کار می روند. معمولا از تترا متیل سیلان (TMS) به عنوان ترکیب مرجع برای جابه جایی شیمیایی در HNMR استفاده می شود، که جابه جایی شیمیایی آن صفر در نظر گرفته می شود. محلول در یک لوله ی شیمیایی مخصوص در مرکز مغناطیس چرخانده می شود. نوع حلال یا pH در مورد آب معمولا بر جا به جایی شیمیایی تاثیر دارد.
مغناطیس:
به منظور تامین میدان مغناطیسی، هم از مغناطیس های دائمی و هم از الکترومغناطیس ها یا سیم پیچ های ابر رسانا می توان استفاده کرد. حدود کاربردی مربوط به قدرت های میدان مغناطیسی شامل 1/4، 2/4، 17.6 تسلا به ترتیب برای فرکانس رزونانس پروتون60،100و 750 مگاهرتز می باشند. در فرکانس های بالاتر حساسیت و انتخاب گری افزایش می یابد. در دستگاه های نوین بر اساس سیم پیچ های ابررسانا ساخته شده اند.
قسمت های الکترونیکی و سیستم داده ها:
یکی از مهم ترین قسمت های الکترونیکی یک طیف سنجی NMR به تولید و آشکارسازی فرکانس های رادیویی در سیم پیچ های اطراف نمونه مربوط می شود. مشابه طیف سنجی مادون قرمز، طیف های NMR را می توان در حوزه دیگری ( نظیر زمان بر حسب ثانیه) به دست آورده و سپس با استفاده از تبدیل فوریه در سیستم داده ها به یک طیف حقیقی ( یعنی در حوزه فرکانس بر حسب هرتز) تبدیل نمود. این سیستم داده ها پارامتر های دستگاهی یک طیف سنج نوین NMR را نیز کنترل می کند.
کاربرد ها
این طیف سنجی در مقایسه با طیف سنجی جرمی و مادون قرمز تا حدی متفاوت است. طیف های جرمی و IR را می توان به عنوان اثر انگشت در نظر گرفت، و شناسایی ترکیبات فهرست شده معمولا بر اساس مقایسه با طیف های مرجع در مخزن داده ها انجام می گیرد. طیف های NMR بستگی به قدرت میدان مغناطیسی خارجی اعمال شده دارند. این طیف ها غالبا با استفاده از روابط جا به جایی شیمیایی و الگوهای جفت شدن اسپین – اسپین تفسیر می شوند. مقادیر جابه جایی شیمایی و ثابت های جفت شدن مستق از قدرت میدان مغناطیسی می باشند.
علاوه بر NMR پروتون H که به طور گسترده ای به کار می رود، هسته های دیگری نظیر فسفر 13P ، فلوئور 19F و ایزوتوپ کربن 13 13C با فراوانی طبیعی 1.1 درصد را نیز می توان اندازه گیری کرد. فرکانس های رزونانس این هسته ها متفاوت است. برای یک میدان مغناطیسی با قدرت میدن 9.4 تسلا این مقادیر عبارتند از:
13C:100.6, 19F:367.3,31P:161.9,1H:400
ثبت طیف های CNMR نیاز به مقدار نسبتا بیشتری از نمونه (چند میلی گرم) دارد، که معمولا فقط در زمان آنالیز تایید تسلیحات شیمیایی قایل دسترسی است . HNMR خیلی حساس تر است و حدود تشخیص آن را می توان به مقادیر میکروگرم رساند.
یک عیب اصلی NMR نسبتا غیر محتمل بودن ترکیب آن با یک تکنیک کروماتوگرافی می باشد. این ویژگی مانع از کاربرد NMR در آنالیز های تایید، مخصوصا برای مخلوط ها می شود.
کاربرد های پزشکی
MRI (تصویر برداری با رزونانس مغناطیسی ) به اصلی ترین فرایند تشخیص پزشکی تبدیل شده است. این ابزار تشخیصی غیر تهاجمی و غیر مخرب بوده و در تصویربرداری از بافتهای نرم مانند مغز ، قلب ، ماهیچه ها و تومورها در بسیاری از اندام ها مورد استفاده قرار می گیرد. MRI یکی از کاربرد های NMR به حساب می آید.
پزشکان برای اهداف تشخیصی از تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) ، از یک تکنیک تصویربرداری چند بعدی NMR استفاده می کنند.
منبع:
کتاب اصول و فناوری های آشکارسازی و سنجش عوامل شیمیایی
تالیف: عزیز دهپور آتش بک- علی محمود خانی
خرید و فروش مواد شیمیایی را به ما در مبتکران شیمی بسپارید.