طیف بینی مولکولی – NMR
Analium.com
فهرست
1 طیف بینی مولکولی 3
1-1 اصول طیف بینی مولکولی 3
2-1 انواع طیف مولکولی 5
3-1 دستگاهوری کلی طیف سنجی مولکولی 7
4-1 تفاوت طیف سنجی و طیف بینی 7
5-1 روش های طیف سنجی مولکولی 8
2 طیف بینی رزونانس مغناطیسی هسته ای 9
1-2 اصول طیف بینی رزونانس مغناطیسی هسته ای 9
2-2 آنالیز کمی و کیفی در روش NMR 11
3-2 دستگاهوری طیف بینی NMR 13
4-2 طیف بینی رزونانس مغناطیسی هسته ای – تبدیل فوریه (FT-NMR) 16
5-2 آنالیز کمی در طیف بینی NMR 17
6-2 تصویر برداری تشدید مغناطیسی 18
7-2 نکات آنالیزی روش NMR 19
8-2 کاربردهای روش NMR 19
3 منابع 20
1-3 کتاب های تخصصی 20
2-3 وب سایت های تخصصی انواع روش های طیف بینی مولکولی 21
3-3 مجلات تخصصی انواع روش های طیف بینی مولکولی 21
لیست شکل ها
شکل 1-1- ترازهای الکترونی، ارتعاشی و چرخشی و انتقالات انرژی بین آنها 4
شکل 2-1 فرکانس ارتعاشی هسته های مختلف و جابجایی شیمیایی پروتون برای گروه های عاملی مختلف برای مطالعات NMR 12
شکل2-2 شمای کلی یک دستگاه NMR 14
لیست جدول
جدول 1-1 انواع انتقالات مولکولی به همراه محدوده فرکانسی و طول موجی و شرط انجام هر کدام 6
جدول 2-1 اتم های متداول با عدد کوانتومی اسپین با ضریب 1/2 برای آنالیز NMR، درصد فراوانی و حساسیت نسبی آنها 10
1 طیف بینی مولکولی
به طور کلی روش های طیف بینی مولکولی (Molecular Spectroscopy) با روش های متنوع آزمایشگاهی در نواحی ویژه طیف امواج الکترومغناطیس اطلاعات ساختاری بسیار مفیدی از قبیل: طول و پیوندها، ترازهای انرژی الکترونی، آرایش هسته، چرخش مولکول ها و .. را فراهم می کنند. هم چنین طیف های مولکولی برای تعیین انواع خواص مولکولی مانند ممان دوقطبی و درجه آزادی کوانتومی مولکول نیز استفاده می شود. ضمن این که طیف بینی مولکولی در علوم مختلف مانند اخترفیزیک، مطالعات زیست محیطی، بررسی شیمیایی واکنش ها، زیست شناسی، پزشکی و تمامی گرایش های علم و فناوری که نیاز به بررسی دقیق ساختار میکروسکوپی مولکول دارد، کاربرد وسیعی دارد.
1-1 اصول طیف بینی مولکولی
اساس کلیه روش های طیف بینی و طیف سنجی برهم کنش نور با ماده است. این برهم کنش ها شامل جذب، نشر و پراکندگی است. در طیف بینی اتمی کلیه این برهم کنش ها به انتقالات انرژی بین ترازهای الکترونی مرتبط است. در طیف بینی مولکولی علاوه بر انتقالات بین ترازهای الکترونی، انتقالات بین ترازهای ارتعاشی و چرخشی نیز صورت می گیرد. در نتیجه طیف های مولکولی پیچیده تر از طیف های اتمی بوده و شامل اطلاعات مربوط به ساختار مولکولی و استحکام پیوندهای بین اتمی نیز هستند. شکل 1-1- شکل 1-1 ترازهای الکترونی، ارتعاشی و چرخشی و انتقالات انرژی بین آنها را نشان می دهد.
شکل 1-1- ترازهای الکترونی، ارتعاشی و چرخشی و انتقالات انرژی بین آنها
انرژی هر فوتون به فرکانس یا طول موج آن فوتون وابسته است و از رابطه زیر بدست می آید:
E_photon=hν=hc⁄(λ ) (1-1)
که در آن h ثابت پلانک، c ثابت سرعت نور، ν فرکانس و λ طول موج فوتونی هستند. بنابر این انرژی لازم برای انتقال بین دو تراز انرژی i و f از رابطه زیر بدست می آید:
∆E_photon=E_i-E_f (1-2)
در معادله 1-2 Ei انرژی سطح i و Ef انرژی سطح f را نشان می دهند. علامت اختلاف انرژی (∆) نشان می دهد که این انتقال به صورت نشر فوتونی صورت گرفته یا جذب فوتونی. نکته کلیدی در این انتقالات این است که هر مولکولی فقط طول موج هایی جذب می کند که مطابق اختلاف انرژی بین ترازهای انرژی آن مولکول باشد. بنابراین طیف مولکولی هر ماده ای ویژه بوده و می توان اطلاعات دقیق ساختاری در مورد ماده مورد نظر را از آن استخراج کرد.
2-1 انواع طیف مولکولی
طبق تقریب بورن-اوپنهایمر انرژی کل یک مولکول از مجموع انرژی الکترونی، ارتعاشی و چرخشی آن بدست می آید:
E=Eel+Evib+Erot (1-3)
که در آن Eel انرژی الکترونی، Evib انرژی ارتعاشی و Erot انرژی چرخشی ست. اختلاف انرژی برای تهییج الکترونی،∆E_el=h ν_el، طبق این تقریب بسیار بزرگتر از اختلاف انرژی برای ارتعاش مولکولی، ∆E_vib=h ν_vib، است که آن هم بزرگتر از اختلاف انرژی برای چرخش مولکولی ،∆E_rot=h ν_rot، است:
1 h ν_el≫h ν_vib≫h ν_(rot ) (1-4)
طیف های مولکولی با توجه به اندازه و مقیاس انرژی انتقالات به سه دسته کلی تقسیم می شوند:
* طیف چرخشی
در نتیجه انتقالاتی هستند که بین ترازهای چرخشی در یک تراز ارتعاشی دریک تراز الکترونی ثابت روی می دهند. یعنی انتقالات صرفا مربوط به دو تراز چرخشی هستند و حین این انتقالات فقط عدد کوانتومی چرخشی تغییر می کند. معمولا انتقالات ترازهای انرژی چرخشی در ناحیه طیفی مادون قرمز دور و مایکروویو قرار می گیرند.
* طیف ارتعاشی
به طیف های ارتعاشی، طیف چرخشی-ارتعاشی نیز می گویند چون این طیف از انتقالات بین یک تراز چرخشی از یک تراز ارتعاشی به تراز چرخشی یک تراز ارتعاشی دیگر در همان تراز الکترونی مربوط می شود. یعنی دو تراز چرخشی و ارتعاشی تغییر می کنند در صورتی که تراز الکترونی تغییری نمی کند به عبارتی، اعداد کوانتومی ارتعاشی و چرخشی تغییر می کند و عدد کوانتومی تراز الکترونی ثابت می ماند. این انتقالات در ناحیه طیفی مادون قرمز قرار می گیرند و از خطوط طیفی زیادی که بسیار به هم نزدیک هستند، تشکیل می شوند و به همین دلیل بیشتر به صورت باند دیده می شوند.
جدول 1-1 انواع انتقالات مولکولی به همراه محدوده فرکانسی و طول موجی و شرط انجام هر کدام
نوع
انتقالات
طول موج
(cm-1)
فرکانس
(هرتز)
شرط
الکترونی
بین ترازهای الکترونی
فرابنفش
40000
فرابنفش
1.2×1015
وجود یک کروموفور در مولکول
الکترونی
بین ترازهای الکترونی
مرئی
20000
مرئی
6×1014
وجود یک کروموفور در مولکول
ارتعاشی و
ارتعاشی-چرخشی
بین ترازهای ارتعاشی
مادون قرمز
1000
مادون قرمز
3×1013
ممان دوقطبی مولکول طی ارتعاش باید تغییر کند
طیف چرخشی
بین ترازهای چرخشی
مایکروویو
10
مایکروویو
3×1011
مولکول باید ممان دوقطبی دایمی داشته باشد.
رزونانس اسپین
الکترون (ESR)
بین ترازهای انرژی مغناطیسی هسته
1
3×1010
تعداد الکترون فرد در مولکول
رزونانس مغناطیس هسته ای (NMR)
بین ترازهای انرژی مغناطیسی هسته
0.017
5×108
هسته اسپین صفر نداشته باشد
* طیف الکترونی
طیف الکترونی در نتیجه انتقالاتی هستند که بین ترازهای چرخشی تراز های متفاوت ارتعاشی بین دو تراز الکترونی مختلف روی می دهند. حین این انتقالات کلیه اعداد کوانتومی چرخشی، ارتعاشی و الکترونی تغییر می کند. انتقالات ترازهای الکترونی به ناحیه طیفی UV-Vis مرتبط هستند. جدول 1-1 نوع انتقالات، محدوده طول موجی، فرکانس و شرط انجام این انتقالات را نشان می دهد.
3-1 دستگاهوری کلی طیف سنجی مولکولی
دستگاهوری کلی برای تمام این روش ها طیف سنجی مولکولی به ترتیب شامل: منبع تابش، وسایل نوری برای تفکیک و جداسازی فرکانس ها، آشکار ساز، تقویت کننده پالس و ثبات است. از آن جایی که هر روش در طیف بینی مولکولی دستگاهوری خاص خود را دارد، دستگاهوری هر روشی در قسمت مربوطه بحث خواهد شد. در تمامی این روش ها شدت پیک های در یک طیف به سه عامل عمده بستگی دارد که عبارتند از: احتمال گذارهای کوانتومی، جمعیت ترازها ( براساس توزیع آماری بولتزمن) و مقدار ماده ( آنالیت) که در مسیر طیف سنج قرار دارد.
4-1 تفاوت طیف سنجی و طیف بینی
طیف سنجی یا اسپکترومتری (Spectrometry) و طیف بینی یا اسپکتروسکوپی (Spectroscopy) در بسیاری از مواقع معادل هم به کار می روند. در بیشتر منابع فارسی هم واژه طیف سنجی برای هر دو واژه به کار رفته است. اما دقت شود که اگرچه در برخی موارد جایگزینی آنها اهمیت چندانی ندارد اما این دو واژه معنای متفاوتی دارند. طبق تعریف آیوپاک (http://goldbook.iupac.org/S05848.html) طیف سنجی یا اسپکترومتری اندازه گیری تابش الکترومغناطیس به منظور به دست آوردن اطلاعات در مورد سیستم مورد مطالعه است. در واقع طیف سنجی روشی برای بدست آوردن اطلاعات کمی از طیف الکترومغناطیسی ست. در صورتی که طیف بینی یا اسپکتروسکوپی علم مطالعه برهم کنش بین ماده و انرژی تابشی ست.
برای روش های مولکولی معمولا از واژه طیف بینی یا اسپکتروسکوپی استفاده می شود. برای روش های جرمی هیچ گاه از واژه طیف بینی استفاده نشده و فقط از واژه طیف سنجی استفاده می شود. برای روش های اتمی از هر دو واژه استفاده می شود.
5-1 روش های طیف سنجی مولکولی
* طیف بینی جذبی فرابنفش-مرئی یا اسپکتروسکوپیUV-Vis (Ultraviolet and Visible Spectroscopy )
* طیف بینی زیر قرمز یا IR (Infra-Red absorption spectroscopy)
* طیف بینی رامان (Raman spectroscopy)
* طیف بینی رزونانس مغناطیسی هسته ای ( Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy, NMR)
* طیف بینی رزونانس اسپین الکترون (Electron Spin Resonance, ESR)
2 طیف بینی رزونانس مغناطیسی هسته ای
یکی از مهم ترین روش های شناسایی ساختار ترکیبات آلی تکنیک طیف بینی رزونانس مغناطیسی هسته ای (Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy) یا NMR است. به طور کلی، مطالعه جذب تابش فرکانس رادیویی توسط هسته را رزونانس مغناطیسی هسته گویند. این روش برای شناسایی ساختار ترکیبات و یا مطالعات سنتزی ابزار بسیار قوی تر و بهتری از دیگر روش های طیف بینی مولکولی ست. اما به دلیل گران تر بودن دستگاه و هزینه های آنالیزی مانند روش طیف بینی IR متداول و در دسترس نیست. این روش بر مبنای اندازه گیری تابش الکترومغناطیس در محدوده فرکانس رادیویی 4-600 مگاهرتز می باشد. در این روش برخلاف دیگر روش های طیف بینی مانند IR و UV/Vis، که در آنها الکترون ها در فرایند جذب و انتقالات انرژی درگیر هستند، هسته اتم ها درگیر فرایند جذب هستند.
1-2 اصول طیف بینی رزونانس مغناطیسی هسته ای
برخی هسته های اتم های خاص، مانند الکترون به دور محور خود می چرخند و بنابراین خاصیت اسپینی دارند. در حالت عادی اختلاف انرژی بین ترازهای اسپین هسته صفر است و حرکت های چرخشی نامنظمی دارند. اما زمانی که اتم ها در حضور میدان مغناطیسی قوی (یک آهن ربای خارجی) قرار می گیرند، انرژی هسته های این عناصر به علت خواص اسپین و گشتاور مغناطیسی آنها به دو یا چند تراز کوانتیده شکافته می شوند و حالت اسپین آنها در راستا یا مخالف میدان مغناطیسی اعمال شده، تغییر می کند.
اندازه حرکت زاویه ای اسپین در هسته ها توسط عدد کوانتومی اسپین هسته (I) مشخص می شود. اندازه حرکت زاویه ای همراه با اسپین ذره مضرب صحیح یا نصف مضرب صحیح از ثابت پلانک (h) است. هسته هایی که دارای عدد جرمی فرد، عدد اتمی فرد و یا هر دو (هم عدد جرمی و هم عدد اتمی فرد) باشند، دارای گشتاور زاویه ای اسپین کوانتایی و گشتاور مغناطیسی هستند و در NMR فعال می باشند. اتم های با عدد جرمی فرد دارای عدد کوانتومی اسپین با ضریب 1/2 دارند. جدول 2-1 اتم های متداول با عدد کوانتومی اسپین با ضریب 1/2، درصد فراوانی و حساسیت نسبی آنها را نشان می دهد. با توجه به حساسیت نسبی و درصد فراوانی (جدول 2-1) ، معمولا حساسیت و سیگنال به نویز دستگاه های NMR برای هسته های غیر پروتونی مانند 13C و 19F در مقایسه با HNMR کمتر است.
جدول 2-1 اتم های متداول با عدد کوانتومی اسپین با ضریب 1/2 برای آنالیز NMR، درصد فراوانی و حساسیت نسبی آنها
ایزوتوپ
درصد فراوانی (%)
حساسیت نسبی
1H
98/99
1
13C
11/1
4-10×76/1
15N
37/0
–
19F
100
83/0
31P
100
2-10×63/6
29Si
7/4
3-10×8/7
یک هسته اسپین دار با جذب کافی تابش الکترومغناطیسی، در حضور یک میدان مغناطیسی از یک جهت گیری با انرژی پایین تر به یک جهت گیری با انرژی بالاتر برانگیخته می شود. طیف بینی رزونانس مغناطیس هسته (NMR) شامل اندازه گیری میزان انرژی لازم برای تغییر هسته های اسپین دار از یک جهت گیری پایدار به جهت گیری ناپایدارتر در یک میدان مغناطیسی است. از آنجا که هسته های اسپین دار در میدان مغناطیسی در فرکانس های مختلف تغییر جهت می دهند، فرکانس متفاوتی از تابش جذبی برای عوض کردن جهت گیری هسته های اسپین دار نیاز می باشد. فرکانسی که در آن جذب صورت می گیرد برای تجزیه و طیف سنجی به کار برده می شود.
برای آن که یک هسته در میدان مغناطیسی جذب مناسبی از تابش الکترومغناطیس داشته باشد باید در نمونه از فراوانی بالایی برخودار باشد و گشتاور مغناطیسی نسبتاً بزرگ داشته باشد. هسته هایی که هر دو خاصیت مورد بحث را دارند شامل 1H،19F ،31P می باشند.
به طور معمول بیشتر اندازه گیری های NMR برای هسته پروتون 1H انجام می شود. اندازه گیری سایر هسته ها اغلب با استفاده از روش های افزایش علامت به منظور مشاهده طیف، انجام می شود. معمولاً از میان هسته هایی با فراوانی نسبی پایین که رزونانس مغناطیس هسته را نشان می دهند،12C ، 15N ، 16O بیشتر مورد توجه شیمیدان ها قرار دارد. محدوده فرکانس رادیویی برای هسته هیدروژن بین 60 تا 800 مگاهرتز می باشد. نامگذاری دستگاه های تجاری نیز بر اساس قدرت میدان مغناطیسی و در نتیجه فرکانس رزونانسی پروتون صورت می گیرد به عنوان مثال یک دستگاه NMR 60MHz یعنی قدرت میدان مغناطیسی آن (1.4 تسلا) سبب رزونانس پروتون ها در حدود 60 مگاهرتز خواهد شد.
2-2 آنالیز کمی و کیفی در روش NMR
حساسیت روش NMR برای اندازه گیری کمی از روش های طیف سنجی جذبی دیگر کمتر است. طبق رابطه توزیع بولتزمن نسبت جمعیت هسته ها در تراز پایه به تراز برانگیخته به صورت زیر بیان می شود:
N_j⁄N_o =(g_j⁄g_o )e^(〖-E〗_j⁄(KT )) 2-1
که در آن N_j و N_o تعداد هسته ها در حالت برانگیخته (ترازj ) و تراز پایه، g_j و g_o وزن های آماری این ترازها، E_j اختلاف انرژی تراز برانگیخته و پایه، K ثابت بولتزمن و T دما ( برحسب کلوین) هستند. برای یک دستگاه MHz 60 مگاهرتز تعداد هسته های مازاد 9 و در دستگاه MHz 600 این تعداد به 96 افزایش می یابد.
فرکانس پرتو رادیویی، که توسط یک هسته جذب می شود، تحت تاثیر محیط شیمیایی هسته یعنی الکترون ها و هسته های همسایه اش قرار دارد. تفاوت محیط شیمیایی هسته ها منجر به تفاوت در فرکانس جذبی آنها می شود. در واقع میدانی که توسط هسته احساس می شود از میدان اعمالی کمی متفاوت تر خواهد بود. این اثر را جابجایی شیمیایی (chemical shift) گویند. جابجایی شیمیایی به صورت مستقیم متناسب با قدرت میدان مغناطیسی دستگاه است. هر چه قدر قدرت میدان بیشتر باشد اثر جابحایی شیمیایی مشهودتر خواهد بود. شکل 2-1 فرکانس ارتعاشی هسته های مختلف برای مطالعات NMR و جابجایی شیمیایی پروتون برای گروه های عاملی مختلف را نشان می دهد. واحد جابجایی شیمیایی قسمت در میلیون (ppm) است.
شکل 2-1 فرکانس ارتعاشی هسته های مختلف و جابجایی شیمیایی پروتون برای گروه های عاملی مختلف برای مطالعات NMR
با توجه به نوع هسته و سیستم حلالی، وجود یک استاندارد شاهد برای تعیین جابجایی شیمایی یک ترکیب ضروری ست. برای HNMR از تترامتیل سیلان ((CH3)4Si, TMS) استفاده می شود که همه پروتون های آن یکسان هستند و پیک تیز و بلندی در بالاترین میدان اعمالی ایجاد می کند. این ترکیب خنثی است، به راحتی در بسیاری از حلال های آلی حل می شود و با تقطیر هم به راحتی از نمونه زدوده می شود. ولی متاسفانه در آب محلول نیست و در مواقعی که حلال آب است از ترکیبات نمکی مشابه TMS استفاده می شود.
3-2 دستگاهوری طیف بینی NMR
با توجه به اصول اولیه این طیف سنجی اجزای مهم NMR عبارت است از: مگنت یا آهن ربا، منبع مولد فرکانس رادیویی، جای نمونه، آشکارساز و ثبات. شمای کلی یک دستگاه NMR در شکل2-2 نشان داده است.
مگنت یا آهن ربا
مگنت قلب یک دستگاه NMR است زیرا هم حساسیت و هم قدرت تفکیک طیف سنج به شدت به قدرت و کیفیت مگنت (آهن ربا) آنها مرتبط است. هم حساسیت و هم قدرت تفکیک با افزایش قدرت میدان افزایش می یابند. بنابراین کار کردن با بالاترین قدرت میدان یک مزیت است ضمن این که همگنی و تکرارپذیری میدان نیز بسیار با اهمیت است.
خصوصیات و ویژگی های مگنت در تفکیک بالا، دقت، حساسیت و تکرار پذیری آنالیزها بسیار تاثیرگذار است. میدان مغناطیسی القایی ایجاد شده باید محیطی برای نمونه فراهم کند که تا یک قسمت در 108 همگن باشد و باید تا درجه مشابهی در زمان های کوتاه پایدار بماند. بنابراین گران ترین قسمت دستگاه مگنت آن است.
شکل2-2 شمای کلی یک دستگاه NMR
هم آهن رباهای دائمی و هم آهنرباهای الکترومغناطیسی با ابعاد بزرگ در طیف سنج های بکار می روند. بزرگ ترین قسمت دستگاه مربوط به تانکی ست که نقش یک خنک کننده بزرگ برای سیم پیچ ابررسانا را که میدان مغناطیسی ایجاد می کند، دارد. این خنک کننده با دو مایع بسیار سرد، یعنی هلیوم مایع و نیتروژن مایع پر شده است تا دمای 269- درجه سانتی گراد را سیم پیچ فراهم کند. خاصیت مغناطیسی به صورت میدان القای مغناطیسی یا چگالی شار مغناطیسی با نماد B و با واحد تسلا (T) در دستگاه واحدهای SI معرفی شده اند.
طیف سنج های NMR معمولا با رابطه با فرکانس پروتون حاصل از دستگاه نامگذاری می شوند مثلا NMR،60MHz, 100MHz یا 400MHz با عبور یک جریان مستقیم از یک جفت سیم پیچ که به طور موازی با میدان مغناطیسی قرار دارند، امکان تغییر میدان موثر را بدون از دست رفتگی همگنی میدان فراهم می شود. بنابراین پیمایش میدان مغناطیسی در روش NMR امکان پذیر می گردد.
منبع رادیویی
منبع در NMR یک مولد فرکانس رادیویی است، که انرژی مورد نیاز برای تغییر جهت اسپین پروتون ها یا هسته های غیر پروتونی دیگر را فراهم می کند. علامت حاصل از منبع به داخل یک جفت سیم پیچ که عمود بر مسیر میدان قرار گرفته اعمال می شود، که سبب می شود پرتو تابش قطبیده مسطح شود. منبع باید فرکانس ثابتی نشر کند و برای آنالیزهای با تفکیک بالا باید تا حدودیک قسمت در 108 ثابت باشد.
نمونه
برای آنالیزهای HNMR نمونه باید در حلالی فاقد پروتون حل شود. معمولا از CCl4 (تتراکلرید کربن) استفاده می شود. برای استفاده از حلال های دیگر،حلال به کار برده شده یا بخشی از آن باید دوتریوم دار باشد، یعنی به جای هیدروژن مولکول حلال، اتم های دوتریوم قرار گرفته باشد.
سل نمونه شامل یک لوله شیشه ای استوانه ای ست به قطر 5 میلی متر که معمولا حدود 4 میلی متر از نمونه در آن قرار داده می شود. سل نمونه سپس در فضای دو قطب آهن ربا قرار می گیرد. وقتی نمونه وارد دستگاه می شود، یک جریان سریع هوا محفظه نمونه را می چرخاند تا نمونه یکنواخت تری برای بررسی آماده شود. ضمن این که با چرخش نمونه حول محور خود تمام قسمت های محلول میدان مغناطیسی نسبتا یک نواختی را احساس می کنند.
آشکارساز و ثبات
هنگامی که نمونه انرژی جذب نماید، جهت گیری مجدد اسپین ها تولید یک سیگنال فرکانس رادیویی می کند. سیگنال حاصل از هسته های در حال رزونانس به وسیله سیم پیچی که ظرف نمونه را احاطه کرده و عمود بر سیم پیچ منبع قرار دارد آشکار می شود. علامت الکتریکی تولید شده کوچک است و برای ثبت شدن باید تقویت گردد (با ضریبی برابر با 105 یا بیشتر ).
4-2 طیف بینی رزونانس مغناطیسی هسته ای – تبدیل فوریه (FT-NMR)
عموما دو نوع طیف سنج برای NMR بکار می رود: موج پیوسته (Continuous wave, CW) و تبدیل فوریه یا پالسی (pulsed or Fourier transform). طیف سنج های موج پیوسته جزو اولین دستگاه های مورد استفاده بوده اند که در این نوع دستگاه ها میدان مغناطیسی را به شیوه ای پیوسته تغییر می دهند.
در هر دو روش نمونه در یک میدان مغناطیسی با قدرت چندین تسلا قرار داده می شود. نوع موج پیوسته مشابه روش های جذبی عمل می کند یعنی سیگنال جذب نمونه از یک منبع، که در محدوده فرکانس رادیویی اسکن می شود، ثبت می شود. در بعضی دستگاه ها ممکن است فرکانس منبع ثابت نگه داشته شود ولی قدرت میدان تغییر یاید. با تغییر یا پیمایش میدان مغناطیسی ابتدا به اولین نوع از هیدروژن به رزونانس در می آید و آنقدر پیمایش ادامه می یابد تا تمامی انواع هیدروژن ها به رزونانس در آیند. طیف های ثبت شده با این نوع طیف سنج از نوع طیف قلمرو فرکانس (frequency domain) هستند. چون تغییر مکان پیک ها از اختلاف فرکانسی با استاندارد شاهد TMS محاسبه می گردد.
اکثر دستگاه های امروزی با طیف سنج های تبدیل فوریه تپشی که مجهز به مگنت های ابر رسانا هستند، جایگزین شده اند. در این روش از یک انرژی قدرتمند ولی کوتاه به نام تپ (پالس) استفاده می شود. قدرت پالس اعمالی به گونه ای ست که کلیه هسته های مغناطیسی در مولکول را بطور هم زمان تهییج می کند. برای ایجاد پالس منبع مولد انرژی بسیار سریع روشن و خاموش می شود و تپی را تولید می کند که در بردارنده محدوده ای از فرکانس هاست که مرکز آن، حدود فرکانس اصلی است.
وقتی تپ متوقف شد، هسته های تهییج شده شروع به از دست دادن انرژی تهییجی خود می کنند و به حالت اسپینی اولیه خود باز می گردند. هسته های برانگیخته شده ضمن آسایش شروع به تابش اشعه الکترومغناطیس می نماید. چون مولکول حاوی هسته های مختلف بسیار است لذا، فرکانس های گوناگون بسیاری نیز از اشعه الکترومغناطیسی بطور هم زمان تابش خواهند نمود. این تابش را زوال القای آزاد (Free induction decay, FID) می نامند. طیف های ثبت شده با این نوع طیف سنج از نوع طیف قلمرو زمان (time domain) هستند. همان گونه که در نهایت تمامی هسته ها انرژی تهییجی خود را از دست می دهند، شدت FID نیز با گذشت زمان کم می شود. در واقع FID ترکیبی انطباق یافته از تمامی فرکانس های تابش شده است، و می تواند بسیار پیچیده باشد. برای تبدیل سیگنال پیچیده FID و به دست آوردن فرکانس های منفرد مربوط به هسته های گوناگون معمولا روش ریاضی آنالیز تبدیل فوریه (FT) استفاده می شود.
5-2 آنالیز کمی در طیف بینی NMR
طیف بینی NMR به دلیل میزان و کیفیت اطلاعاتی که فراهم می آورد، روشی ست که اساسا برای آنالیز ساختاری به کار می رود. اما در مواردی نیز برای اندازه گیری کمی مخلوط ها از آن استفاده می شود.
آنالیز کمی فقط زمانی امکان پذیر است که سطح زیر پیک سیگنال های مربوط به هر گونه کاملا جدا شده باشد. سطح زیر پیک رابطه مستقیم با تعداد گونه مورد نظر در نمونه دارد. حساسیت و دقت اندازه گیری نیز به نوع هسته مورد نظر دارد. آنالیز می تواند بدون آماده سازی نمونه، بدون تخریب نمونه، بدون خطر آلودگی دستگاه و بدون مراحل استاندارد سازی انجام شود. استفاده از استاندارد داخلی (Internal standard) امکان اندازه گیری غلظت را در نمونه فراهم می کند. در صورت استفاده از استاندارد داخلی برای شناسایی یک گونه در محلول نیازی به دانستن تمام گونه های موجود در طیف NMR نیست.
روش افزایش استاندارد (Standard addition) نیز می تواند استفاده شود، اما یکی از مشکلات این روش حفظ ثبات پایداری و حساسیت دستگاه طی آنالیز تمامی استانداردها و نمونه ها ست. در هر صورت دقت آنالیزهای کمی با این روش بالا نیست و با به کار بردن روش های و امکانات ویژه از 1% پایین تر نمی رود.
در سنتزهای آلی HNMR برای محاسبه بازده واکنش بکار می رود. در صنعت نیز HNMR برای آنالیز کمی آب و سایر ترکیبات هیدروزن دار استفاده می شود.
6-2 تصویر برداری تشدید مغناطیسی
تکنیک شناخته شده تصویر برداری تشدید مغناطیسی یا MRI (Magnetic resonance imaging) نام تغییر یافته NMR در حوزه پزشکی ست که به دلیل ترس عامه مردم، از کلمه هسته ای صرف نظر شده است.
در MRI نیز از امواج رادیویی برای بدست آوردن اطلاعات استفاده می شود. بدن انسان درون یک حفره بین دو قطب مغاطیسی یک مگنت بسیار قوی (شدتی معادل 60000 برابر میدان مغناطیسی زمین) و منبع امواج رادیویی قرار می گیرد. از آن جایی که در تمام بافت های بدن آب به میزان معینی وجود دارد، بنابراین هیدروژن های مولکول های آب در میدان مغناطیسی تولید سیگنال خواهند کرد. سپس این سیگنال تقویت شده و با کمک رایانه به تصویر تبدیل می شوند. اگرچه مضرات و آسیب های زیانبار تشعشعات مغناطیسی و الکتریکی بالا در MRI مورد بحث است، اما مزایای این روش مانند: غیرتهاجمی بودن، تشخیص بافت های آسیب دیده، اطلاعات مفید و اساسی از ریخت شناسی اندام های بدن و بدون درد بودن را نمی توان نادیده گرفت.
7-2 نکات آنالیزی روش NMR
* تکنیک بسیار قوی در آنالیز کیفی مواد
* کم بودن حساسیت، برای غلظت های کم گونه مورد مطالعه کارایی ندارد.
* تکنیک بسیار گران ست و کار با آن نیاز به مهارت ویژه دارد.
* نگهداری و تعمیر آن هرینه بر بوده و نیار به زیرساخت های ویژه دارد.
8-2 کاربردهای روش NMR
* آنالیز های کیفی و شناسایی ساختار ترکیبات آلی و مواد شیمیایی
* مطالعات سینتیکی واکنش ها و تعادل های ساختاری و شیمیایی
* مطالعه ساختار مولکول های بسیار پیچیده مانند پروتئین ها، آنزیم ها، DNA ، کمپلکس های لیگاند-پروتئین و …
* تعیین ساختار مولکولی ترکیبات جامد با استفاده از تکنیک NMR حالت جامد
* مطالعه مغناطیسی جهت ترکیبات پارا مغناطیس
* تصویربرداری های پزشکی
3 منابع
1-3 کتاب های تخصصی
Atomic and Molecular Spectroscopy, RitaKakkar, Cambridge University Press, 2015.
Fundamentals of Molecular Spectroscopy, Colin N. Banwell, Elaine M. McCash, 4th Edition, Mcgraw-Hill College, 1994.
Optical Spectroscopy: Methods and Instrumentations, Nikolai V. Tkachenko,1th Edition , 2006, Elsevier Science.
Principles of Instrumental Analysis, Douglas A. Skoog , F. James Holler, Stanley R. Crouch 6th Edition, 2006, Cengage Learning.
Basic Atomic and Molecular Spectroscopy,J. M. Holl, Royal society of chemistry, 2002.
Comprehensive Analytical Chemistry, S. Ahuja, N. Jespersen, vol 47, 2005, Elsevier publisher.
Nuclear Magnetic Resonance, G.A.M. Webb (ed.), Royal Society of Chemistry, United Kingdom, 2008.
NMR Spectroscopy Explained: Simplified Theory, Applications and Examples for Organic Chemistry and Structural Biology, N. E. Jacobsen- Wiley press- USA 2007.
Basic One- and Two-dimensional NMR Spectroscopy, second editionby H. Friebolin, VCH, 1993.
Infrared Spectroscopy: Fundamentals and Applications, B. Stuart, 2004 John Wiley & Sons, Ltd.
Practical Raman Spectroscopy: An Introduction, P. Vandenabeele, John Wiley & Sons, 2013.
Modern Raman spectroscopy: A practical approach, E. Smith, G. Dent, John Wiley & Sons, 2013.
2-3 وب سایت های تخصصی انواع روش های طیف بینی مولکولی
http://www.analyticalspectroscopy.net/
http://www.spectroscopynow.com/
http://www.spectroscopyonline.com/
http://www.s-a-s.org/
https://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi
3-3 مجلات تخصصی انواع روش های طیف بینی مولکولی
Website
Journal's Title
http://www.journals.elsevier.com/journal-of-molecular-spectroscopy
Journal of Molecular Spectroscopy
http://www.journals.elsevier.com/spectrochimica-acta-part-a-molecular-and-biomolecular-spectroscopy
SpectrochimicaActa Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy
http://www.tandfonline.com/toc/laps20/current
Applied Spectroscopy Review
http://www.tandfonline.com/toc/lstl20/current
Spectroscopy Letters
http://www.springer.com/physics/atomic,+molecular,+optical+%26+plasma+physics/journal/10812
Journal of Applied Spectroscopy
http://www.springer.com/physics/optics+%26+lasers/journal/11449
Optics and Spectroscop
http://www.iospress.nl/journal/biomedical-spectroscopy-and-imaging/
Biomedical Spectroscopy and Imaging
http://www.speciation.net/Database/Journals/Canadian-Journal-of-Analytical-Sciences-and-Spectroscopy-;i751
Canadian Journal of Analytical Sciences and Spectroscopy
http://www.hindawi.com/journals/jspec/
Journal of Spectroscopy
http://www.ingentaconnect.com/content/ssa/ssa
Spectroscopy and Spectral Analysis
http://www.sciencedirect.com/science/journal/00796565
Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
http://www.sciencedirect.com/science/bookseries/00664103/87
Annual Reports on NMR Spectroscopy
http://www.journals.elsevier.com/journal-of-magnetic-resonance/
Journal of Magnetic Resonance
http://www.sciencedirect.com/science/journal/09262040
Solid State Nuclear Magnetic Resonance
http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/(ISSN)1097-458Xa
Magnetic Resonance in Chemistry
http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/(ISSN)1522-2594
Magnetic Resonance in Medicine
http://www.springer.com/medicine/radiology/journal/10334
Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine
https://www.jstage.jst.go.jp/browse/mrms
Magnetic Resonance in Medical Sciences
http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/(ISSN)1097-4555
Journal of Raman Spectroscopy
http://www.journals.elsevier.com/vibrational-spectroscopy/
Vibrational Spectroscopy
http://www.impublications.com/content/journal-near-infrared-spectroscopy
Journal of Near Infrared Spectroscopy
http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/(ISSN)1522-7243
Luminescence
http://www.journals.elsevier.com/journal-of-luminescence
Journal of Luminescence
Analium.com
15