روش طیف بینی NMR(رزونانس مغناطیسی هسته )
رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR)یک روش طیف سنجی است که برای شیمیدانان آلی از اهمیتی والا نسبت به طیف سنجی مادون قرمز برخوردار است . بسیاری از هسته ها را می توان با فنون NMR مطالعه کرد ، ولی هیدروژن و کربن بطور معمول مورد استفاده قرار می گیرند .
رزونانس مغناطیسی هسته ای ما را از تعداد هر نوع هیدروژن مطلع می سازد . به علاوه این روش ، اطلاعاتی راجع به طبیعت محیط اطراف این گونه اتمهای هیدروژن به دست می دهد .
طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای
بخش اول : مفهوم اولیه
شاید مهم ترین طیف سنجی در شناسایی ساختار گسترده ا ی ترکیبات آلی، طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR) باشد. تکنیک طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای بر اساس اندازه گیری تابش الکترومغناطیسی در ناحیه فرکانس رادیویی تقریبا 4 تا 600 مگاهرتز می باشد. بر خلاف جذب های فرابنفش مرئی و زیر قرمز که الکترون ها در فرایند جذب درگیرند، در این تکنیک هسته اتم ها در فرایند جذب درگیر می باشند. اساس نظری این تکنیک نخستین بار در سال 1924 توسط دبلیو پائولی ارایه شد.
مقدمه
و پیشنهاد کرد هسته های اتمی خاص، خواص گشتاور مغناطیسی دارند که در نتیجه قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی شکافتگی انرژی آن ها منجر می شود. به هرحال تا سال 1946 طول کشید که بلاخ در دانشگاه استانفورد و پرسل در هاروارد به طور مستقل نشان دادند که هسته در یک میدان مغناطیسی قوی که به شکافتگی سطوح انرژی منجر می شود، تابش الکترومغناطیسی را جذب می کند.
اجزای مهم یک طیف سنج NMR عبارت است از:
مغناطیس
پیمایش میدان مغناطیسی : یک جفت سیم پیچ به صورت موازی با سطوح مغناطیسی، که تناوب میدان اعمال شده در یک گسترهٔ کوچک را امکان پذیر می سازد.
منبع موج رادیویی
آشکارساز
در فیزیک ذرات بنیادی، فیزیک هسته ای و مهندسی هسته ای آزمایشگاهی و کاربردی آشکارساز ذرات (در انگلیسی: Particle detector) یا آشکارساز پرتو به ابزاری گویند که با آن بتوان ذرات پرانرژی را آشکار، ردیابی یا شناسایی کرد، مانند موارد حاصل از واپاشی هسته ای، پرتوهای کیهانی یا واکنشهای شتاب دهنده های ذرات بنیادی.موارد جدید تر به عنوان گرماسنج انرزی ناشی از پتوزایی را اندازه گیری می کنند.که برای اندازه گیری گشتاور، اسپین، بار و … ذرات هم کاربرد دارد.
در این روش می توان از طریق میزان احساس میدان به وسیله ی هسته یک اتم ، شکافتگی های حاصل از اتم های مجاور در طیف را در یافت. این شکافتگی ها نشان دهنده ی الگوی ساختاری پیچیده ای هستند که می توان از طریق آنها به چینش اتم ها در یک مولکول پی برد.
کاربردها
تشدید مغناطیسی هسته بر اساس فیزیک کوانتومی شرح داده می شود. تاثیر این دستگاه به دلیل اطلاعات گسترده و تنوع نمونه های مورد استفاده شامل محلول ها و جامدات اهمیت ویژه ای دارد.
در این دستگاه از یک میدان مغناطیسی قوی برای تشدید هسته های مولکولی استفاده می شود. این میدان توسط دو پیچه مغناطیسی که به طور موازی بسته شده اند، تولید می شود. یکای بین المللی میدان مغناطیسی تسلا است. مثلا میدان مغناطیسی زمین تقریبا 4-10 تسلا است.
در دستگاه های NMR پیشرفته این میدان حدود 20-1 تسلا است. همان طور که می دانیم هسته از پروتون و نوترون تشکیل شده است که هر کدام از این ذرات دارای اسپین هستند یعنی به دور خود می چرخند.
نحوه عملکرد دستگاه
شکل زیر یک طرح ساده از عملکرد درونی یک دستگاه H-NMR را نشان می دهد.
در یک میدان مغناطیسی ، حالات اسپین انرژی یکسانی را نخواهند داشت ، زیرا یک هسته ذره ای باردار بوده و هر ذره باردار متحرک خود تولید میدان مغناطیسی می کند . بنابراین ، یک هسته دارای گشتاور مغناطیسی ( ) است که به وسیله بار و اسپین آن تولید می شود . یک هسته هیدروژن می تواند اسپینی موافق جهت عقربه های ساعت (2/1+)یا مخالف جهت عقربه های ساعت (2/1-)داشته باشد و در این دو حالت ̦گشتاورهای مغناطیسی خود را یا در جهت میدان و یا در خلاف جهت آن قرار می دهند(شکل 1) .
گشتاور مغناطیسی هسته
طیف سنج رزونانس مغناطیسی هسته ای
دو نوع طیف سنج برای این منظور موجود است :
1 – دستگاه موج پیوسته (CW) :که نمونه از آن در زیر دیده می شود .
2- دستگاه تبدیل فوریه تپشی : این روش استفاده از یک انفجار انرژی قدرتمند ولی کوتاه به نام تپ است که کلیه هسته های مغناطیسی در مولکول را بطور همزمان تهییج می کند . وقتی تپ متوقف شد ، در آن صورت هسته های تهییج شده شروع به از دست دادن انرژی تهییج خود می کنند و به حالت اسپینی اولیه خود باز می گردند . آنگاه که هسته برانگیخته شده آسایش می کند ، شروع به تابش اشعه الکترومغناطیس می نماید . چون مولکول حاوی هسته های مختلف بسیار است لذا ، فرکانسهای گوناگون بسیاری از اشعه الکترومغناطیسی بطور همزمان تابش خواهند نمود . این تابش را زوال القای آزاد (FID) می نامند .
منابع
NMR Spectroscopy Explained: Simplified Theory, Applications and Examples for Organic Chemistry and Structural Biology by Neil E. Jacobsen- Wiley press- U.S.A.- ۲۰۰۷
G.A.M. Webb (ed.), Nuclear Magnetic Resonance, Royal Society Of Chemistry, United Kingdom, 2008. ISBN 978-0-85404-115-2
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
پایان