1
موضوع: طیف رزونانس مغناطیسی هسته (NMR)
2
مقدمه
تاریخچه
طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای
هدف ازانتخاب طیف رزونانس مغناطیسی هسته
حالات اسپین هسته
گشتاور مغناطیسی هسته
جذب انرژی
مکانیزم جذب
اجزاءتشکیل دهنده دستگاه NMR
نحوه عملکرد دستگاه
کاربرد NMRکربن 13 در مقایسه با NMR پروتون
هسته کربن 13
فهرست مطالب
3
کاربرد
مزایا
ملاحظات تجربی وعملی
تفسیر NMR
تبادل در آب و
بررسی دو مقاله
منابع
4
طیف رزونانس مغناطیسی هسته(NMR)
مقدمه
Nuclear magnetic resonance
5
طیف سنجی رزونانس مغناطیس هسته ای (NMR) بر اساس اندازه گیری تابش الکترومغناطیسی در ناحیه فرکانس رادیویی تقریبا 4 تا 600 مگاهرتز می باشد.
6
NMR
اساس نظری این تکنیک نخستین بار در سال 1924 توسط دبلیو پائولی ارایه شد.
7
تاریخچه
او پیشنهاد کرد هسته های اتمی خاص، خواص اسپین و گشتاور مغناطیسی دارند که در نتیجه قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی به 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. این دو فیزیکدان برای این کار در سال 1952 جایزه نوبل فیزیک را به طور مشترک در یافت کردند.
8
در سال 1953، اولین طیف سنج با تکنیک بالای NMR جهت مطالعات ساختار شیمیایی توسط شرکت واریان به بازار عرضه شد و آثار شگرفی بر پیشرفت شیمی آلی، شیمی معدنی و زیست شیمی به جا گذاشته است.
9
رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR)یک روش طیف سنجی است که برای شیمیدانان آلی از اهمیتی والا 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 .
اگر هیدروژن مورد مطالعه قرارگیرد HNMR
اگرکربن مورد مطالعه قرارگیرد CNMR
طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای
10
هدف عمده از به کار بردن طیف سنجی NMR برای شناسایی مواد ، تشخیص نوع مولکولها ، تعیین جرم مولکولی ، فرمول مولکولی و ساختار مولکول ها به کار می رود
اطلاعات مورد نیاز برای این کار از طریق اندازه گیری،تجزیه و تحلیل و تفسیر طیف NMR با قدرت تفکیک بالا به دست آمده از مایعات با ویسکوزیته ی پایین یا غیر ویسکوز حاصل می گردد.
هدف از انتخاب طیف رزونانس مغناطیس هسته
11
دانشمندان افزون بر حرکت اوربیتالی یعنی حرکت الکترون به دور هسته اتم، یک حرکت اسپینی (حرکت به دور خود) نیز به الکترون نسبت می دهند.
بسیاری از هسته های اتمها دارای خصلتی هستند که اسپین خوانده می شود : هسته ها به گونه ای رفتار می کنند که گویی در حال چرخش هستند . در حقیقت اتمهایی که عدد جرمی فرد ، عدد اتمی فرد یا هر دو را دارند . معمولیترین هسته هایی که دارای اسپین هستند ، عبارتند از
حالات اسپین هسته
12
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 .
گشتاور مغناطیسی هسته
13
در طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته،در غیاب میدان مغناطیسی خارجی تمام هسته های مغناطیسی دارای انرژی برابر هستند،هنگامی که میدان خارجی اعمال می شود،جهت گیری های همسو و نا همسو به انرژی های متفاوتی مربوط خواهند شد.تفاوت انرژی ΔE،دارای ابعاد hυ است.
14
جذب انرژی
پدیده رزونانس مغناطیسی هسته ای هنگامی رخ می دهد که هسته های هم جهت میدان اعمالی شده انرژی جذب کرده و جهت اسپین خود را نسبت به آن تغییر دهند.
جذب انرژی ̦ یک فرآیند کوانتایی بوده و انرژی جذب شده برابر اختلاف انرژی انرژی بین دو حالت موجود است
15
در عمل این اختلاف انرژی تابع قدرت میدان مغناطیسی اعمال شده ( ) است .
هر قدر میدان مغناطیسی اعمال شده شدت یابد ، اختلاف انرژی بین دو حالت اسپین افزایش می یابد :
هرچه β₀ ↑ ٫ فرکانس ↑ ٫ یعنی اختلاف بین دو سطح ↑وانرژی ↑
میزان اختلاف ترازهای انرژی بستگی به نوع هسته دارد . هر هسته دارای نسبت گشتاور مغناطیسی به گشتاور زاویه ای ویژه ای است ، زیرا هر هسته دارای جرم و بار متفاوتی است . این نسبت را نسبت گردش مغناطیسی ( ) گویند که برای هر هسته مقدار ثابتی است درواقع برای همه هسته ها یکسان نیست.
16
و تابعیت انرژی از میدان مغناطیسی را تعیین می کند :
چون گشتاور زاویه ای هسته بر حسب واحدهای کوانتایی شده پس معادله
به صورت زیر در می آید :
و مقدار فرکانس انرژی جذب شده :
فرکانس حرکت تقدیمی
17
در حالت عادی اختلاف انرژی بین ترازهای اسپین هسته صفر است، اما زمانی که اتم ها در حضور میدان مغناطیسی قرار میگیرند با تحریک الکترونها اختلاف انرژی ایجاد می شود.
با حذف میدان مغناصیسی، هسته تشدید )رزونانس( کرده و بازتابش هایی متناظر با نوع اتم را از خود ساطع میکند که به آن تشدید مغناطیس هسته می گویند.
18
مکانیسم جذب (رزونانس)
در یک میدان مغناطیسی اعمال شده ، پروتونها شروع به حرکت تقدیمی و جذب انرژی می کنند . این پدیده شبیه به آن چیزی است که در یک فرفره مشاهده می شود . بر اثر تاثیر میدان جاذبه زمین ، فرفره شروع به لرزش یا چرخش حول محور خود می کند .
19
اجزاء تشکیل دهنده دستگاه NMR
20
1-آهن ربا
در طیف سنج های تجاری NMR هم آهنرباهای دائم و هم آهنرباهای الکترومغناطیسی با ابعاد بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند. نوعاً میدانی در حدود 14000 گوس بین قطعات قطب های مغناطیسی که قطری برابر 12اینچ یا بیشتر دارند،برقرار می شود. مشخصات کارکردی آهنربا به خصوص برای کارهای با تفکیک بالا، حساس و پراهمیت است.
21
جزء بسیار مهم دستگاه NMRاست و باید یک میدان مغناطیسی قوی ثابت را در دستگاه ایجاد نماید.که خود به سه دسته تقسیم می شود:
مگنت دائم:از ترکیبات فرو مغناطیسی مثل Fe3O4که خاصیت مغناطیسی قوی دارند ساخته شده اند . مگنتهای دائم نمی توانند میدانهای خیلی قوی ایجاد کنند (حداکثر KG20) می باشد علاوه براین میدانهای مغناطیسی که ایجاد می کنند تابع درجه حرارت و برای ثابت شدت میدان در دستگاه در اطراف دستگاه ترموستات قرار می گیرد .قبل از استفاده از دستگاه باید 3 شبانه روز به برق متصل باشد تا میدان ثابت شود.
22
الکترومگنت:کویلهای هستند که در اثر عبور جریان زیاد برق از داخلشان میدان های خیلی قوی را ایجاد می کند.
23
مگنتهای ابر رسانا:در اینها جریان خیلی زیاد است. میدانهای خیلی قوی را با استفاده از این مگنتها ایجاد می کنیم مزیت مگنتها این است که برای ثابت شدن میدان به زمان طولانی نیاز نیست میدانهای خیلی قوی را می توان با استفاده از این مگنتها ایجاد کرد.عیب آن مصرف برق بالا است . چون مصرف برق زیاد است آنها را در هلیوم مایع باید نگهداری کرد تا خاصیت هادی زیاد شود ، از طرف دیگر هلیوم خیلی گران است.
24
2-پیمایش گر میدان مغناطیسی
یک جفت سیم پیچ به صورت موازی با سطوح مغناطیس، می تواند بدون از دست رفتن همگنی، میدان مغناطیسی ناشی از آهن ربا را تا چند صد میلی گوس تغییر دهد. معمولاً قدرت میدان اعمالی روی نمونه، به صورت خطی با زمان تغییر داده می شود.
3-منبع فرکانس رادیویی
یک زوج سیم پیچ که عمود بر مسیر میدان مغناطیسی نسب شده است، فرکانس رادیویی را تولید و به سمت نمونه می فرستد. معمولاً از فرکانس رادیویی ثابت دقیقاً 60مگا هرتز استفاده می شود.
25
4-آشکار ساز و سیستم ثبات
شامل یک کویل است که امواج RFکه از هسته در اثر جذب ایجاد می شود دریافت می کند و به کویل دریافت کننده معروف است . امواج RF که در هنگام جذب ایجاد شده توسط کویل دریافت و پس از تقویت به دتکور میرسد .سیگنال پس از پردازش به بخش قرائت فرستاده و طیف NMRترکیب توسط recorderثبت می شود
26
5-ظرف نمونه و نگهدارنده نمونه
سلول متداول برای نمونه در NMR مرکب از یک لوله شیشه ای به قطر 5 میلی متر است که حدود 0/4 میلی متر از مایع در آن قرار می گیرد. لوله ها کوچکتر برای نمونه هایی با حجم کمتر نیز در دسترس است.
27
28
نحوه عملکرد دستگاه
طیف های کربن را می توان برای تعیین تعداد کربنها و نیز تشخیص انواع کربن(متیل ، متیلن ، آروماتیک ، کربونیل و …) موجود در یک ترکیب بکار برد. بنابراین NMR کربن بطور مستقیم اطلاعاتی در مورد اسکلت کربنی یک مولکول فراهم می سازد. برخی از اصول NMR پروتون برای NMR کربن نیز قابل استفاده است. اما تعیین ساختمان با بهره گیری از NMR کربن 13 ، ساده تر از NMR پروتون است. بطور کلی هر دو تکنیک برای تعیین ساختار یک ترکیب مجهول استفاده می شوند.
کاربرد NMR کربن 13 در مقایسه با NMR پروتون
29
رزونانسهای هسته های کربن 13 به دو دلیل عمده 6000 بار ضعیف تر از رزونانسهای هسته های پروتون هستند: اول اینکه فراوانی طبیعی 13C بسیار پایین است. فقط 1.08 درصد از کلیه اتمهای کربن در طبیعت،اتمهای 13C هستند. دوم اینکه چون نسبت گردش مغناطیسی یک هسته 13C کوچکتر از نسبت گردش مغناطیسی هیدروژن است، هسته های 13C همیشه دارای رزونانسی در فرکانس پایینتر از پروتونها هستند. در فرکانسهای پایینتر ، جمعیت هسته های مازاد کاهش می یابد و این امر باعث کاهش حساسیت در آشکارسازی NMR است.
هسته کربن 13
30
شناسایی اتم های کربن،پروتون،فلوئور و فسفر در نمونه ی مورد آنالیز
تعیین ساختمان ترکیبات آلی با استفاده از HNMR وCNMR
بررسی تاثیر دما بر ساختمان مواد شیمیایی
اندازه گیری تغییرات انرژی درونی و آنتالپی کمپلکس های معدنی
تاثیر حلال بر ساختمان و جابجایی های یک ترکیب شیمیایی خاص
تعیین جرم مولکولی پلیمر
تعیین درصد پلیمر ها در ساختمان کوپلیمرهاو…
کاربرد
31
تصویربرداری تشدید مغناطیسی (ام آر) تکنیکی برای تصویربرداری پزشکی است که برای تولید تصاویر با کیفیت بالا از داخل بدن انسان بکار گرفته میشود. تصویربرداری ام آر بر پایه مبانی تشدید مغناطیسی هسته ای کار می کند.
تشدید مغناطیسی هسته یک تکنیک طیف سنجی است که توسط دانشمندان برای بدست آوردن اطلاعات میکروسکوپی فیزیکی و شیمیایی درباره مولکولها بکار گرفته می شود. تصویربرداری ام آر ابتدا به عنوان یک تکنیک پرتونگاری مقطعی بکار گرفته شد که در آن با استفاده از سیگنال ام آر دریافتی، تصویری از یک برش نازک از بدن انسان تولید می شد.
32
امروزه تکنیک تصویربرداری ام آر برای بدست آوردن تصاویرسه بعدی با کیفیت بالا از مغز و اعصاب، قلب و عروق، استخوانها، مفاصل وستون مهره ها، سینه و اندامهای داخلی بکارگرفته می شود.
33
بدن انسان بطور عمده از چربی و آب تشکیل شده است. آب و چربی هر دو در ساختارهای مولکولیشان دارای اتم هیدروژن هستند که این امر باعث می شود که63% ترکیب بدن انسان را اتم های هیدروژن تشکیل دهند.
هسته هیدروژن تمایل زیادی برای همسو شدن با میدانهای مغناطیسی دارد. به همین دلیل تصویربرداری ام آر اصولاً تشدید مغناطیسی هسته های هیدروژن را به تصویر می کشد. به بیان دیگر این تکنیک بر اساس جذب و نشر انرژی در بازه امواج رادیویی طیف الکترومغناطیسی توسط هسته های هیدروژن، تصویری سه بعدی از داخل بدن انسان را تولید می نماید
34
وجود غلظت مناسب از ATP، نقش اصلی را در حفظ سطح محصولات متابولیک، عملکرد پمپهای یونی و سایر فعالیتهای سلولی، به عهده دارد.
NMR یک روش کاملاً مناسب برای ارزیابی ذخیره انرژی فسفری، به روش غیرتهاجمی، در بازه های زمانی چند دقیقه ای است.
اندازه گیری انرژی متابولیکی
35
هر چه تراکم الکترونی در فضای بین هسته و میدان خارجی بیشتر باشد آن هسته درمقابل میدان خارجی بیشتر محافظت و کمتر تحت تاثیر آن قرار می گیرد.
علت جابجایی شیمیایی میدانهای مغناطیسی کوچکی است که به دلیل چرخش الکترونها اطراف هسته ایجاد می شوند. این میدانها معمولا مخالف با میدان اعمال شده است.درنتیجه هسته ها در معرض میدان موثری قرار می گیرند که مقداری کوچکتر از میدان خارجی است
جابجایی شیمیایی Chemical Shift
36
37
1ـ در NMR نمونه تخریب نمی شود
2ـ در مخلوطها امکان مطالعه روی اجزاء وجود دارد
3ـ ـ سریع و آسان است
4ـ حساسیت کم است
5ـ با قرار دادن یک استاندارد میزان و تعداد پروتونها قابل اندازه گیری است
مزایا
38
از تترامتیل سیلان Si(CH3)4بعنوان یک استاندارد داخلی در NMR هیدروژن و کربن استفاده میشود.
1-این ترکیب حلالیت بسیار خوبی در CDCl3 دارد.
2-دارای 12هیدروژن یکسان است پس میزان کمی ازاین ترکیب پیک شاخصی می دهد.
3-دارای نقطه جوش پایین است.
4-این ترکیب بی اثر میباشد.
مهمترین علت برای انتخاب تترامتیل سیلان میزان پوشیدگی هیدروژنهای آن است.
39
نمونه مخلوطی از آب و اتانول در حلال غیر پروتونی در درجه حرارت پائین دو پیک و در درجه حرارت بالا یک پیک برای OH دیده میشود.
40
تفسیر NMR
41
42
43
(1) اسید اسیتیک خالص (2) آب خالص (3) مخلوط 1:1 اسید اسیتیک و آب
تبادل در آب و
44
45
اثر عنصر الکترونگاتیو بر روی تغییر مکان شیمیایی با افزایش فاصله کاهش می یابد.
46
Case study
47
48
طیفHNMR کیتوسان با وزن مولکولی 3000 در مخلوط حلال دوتریم اکسید و دوتریم کلرید در دمای 80 درجه سانتی گراد
49
50
51
[Pooley 2005] R. A. Pooley, “AAPM/RSNA Physics for Residents: Fundamental physics of MR Imaging”, Radiographics, 25(4):1087-1099, 2005
Bogdal D. and Gorczyk J., Microwave Assisted Synthesis and
Determination of Chain Branching in Solid Epoxy Resins Using NMR Spectrometry, Polymer, 44, 7795–7800, 2003.
https://youtube.com
Grant D.M. and Paul E.G., Carbon-13 Magnetic Resonance II:
Chemical Shift Data for the Alkanes, J. Am. Chem. Soc.2984 2990, 1964.
منابع
52