رزونانس مغناطيسي هسته(NMR)

به تحقیق معصومه یوسف زاده – دانشجوی شیمی کاربردی

هسته های اتم بسياری ازعناصر مغناطيسی اند، زيرا بار دارند؛ و چنان رفتار می کنند که گويی درحال چرخش می باشند. اين ويژگی مغناطيسی را می توان با مطالعه نحوه بر هم کنش اين هسته ها با ميدان مغناطيسی اعمال شده، B0، بررسی کرد. هسته های هيدروژن(H1) ،کربن(فقط ايزوتوپC13)، نيتروژن (N15 وN14 )،فسفر (P 31) نمونه های از هسته های مغناطيسی هستند.
ساده ترين مورد پديده مغناطيسی شدن هسته ها را در هسته هيدروژن(پروتون) و همچنين هسته کربن-13 (13C) می توان ديد.اين هسته ها همچون مغناطيسهای ميله ای در يک ميدان اعمال شده رفتار می کنند و نظير سوزن قطب نما به همسو شدن با جهت ميدان گرايش دارند اما بر خلاف مغناطيسهای ميله ای و سوزن های قطب نما؛ که همواره به حالت پايدار همسويی با ميدان میرسند، هسته های مغناطيسی، نظير13C و H1 محدوديتهای کوانتومی دارند که به دو جهتگيری مختلف مجاز- همسو با ميدان يا نا همسو با ميدان- منجر می شود. روشن است که اين دو جهتگيری از انرژيهای متفاوتی برخوردارند، انرژی موقعيت همسو نسبت به موقعيت نا همسو کمتر است.
در صورتی که نمونه ای حاوی هسته هایH1، در ميدان مغناطيسی خارجی واقع شود، و سپس با فرکانس راديويی مناسب تابش داده شود، خواهيم ديد که هسته ها، با فرکانس راديويی بر هم کنش خواهند داشت.
برخی از هسته های دارای انرژی کمتر، تابش را جذب و به تراز بالاتر حرکت می کنند: يعنی از حالت همسوی با ميدان به حالت ناهمسوی با ميدان تغيير وضعيت می دهند.در همان زمان، برخی از هسته های دارای انرژی بالاتر، برانگيخته می شوند و انرژی منتشر می کنند، وبنابراين، جهت گيری ناهمسو را تغيير می دهند و با ميدان همسو می شوند(شکل 1).

طيف سنجي رزونانس مغناطيس هسته شامل اندازه گيري ميزان انرژي لازم براي تغييرهسته ها ياسپيندار ازيك جهتگيری پايداربه جهت گيري ناپايدارتردريك ميدان مغناطيسي است. از آنجا كه هسته هاي اسپيندار در ميدان مغناطيسي درفركانسهاي مختلف تغييرجهت مي دهند،فركانس متفاوتي ازتابش جذبی براي عوض كردن جهت گيری هسته هاي اسپيندار نياز مي باشد .فركانسي كه درآن جذب صورت مي گيرد براي تجزيه و طيف سنجي به كار برده مي شود.


شکل(1)

رزونانس مغناطيسي هستهاي براي اولين بار در سال 1946 به طور مستقل توسط فليكسبلوخاز دانشگاه استانفورد وادواردپارسلاز دانشگاه ها رواردكشف شد. آنها توانستند جذب تابش الكترومغناطيسي را كه درنتيجه انتقال تراز انرژي هسته در يك ميدان مغناطيسي قوي صورت مي گيرد را نشان دهند. اين دو فيزيكدان در سال 1952به خاطر كار شان موفق به دريافت جايزة نوبل شدند .

در پنج ساله اول پس از كشف روش رزونانس مغناطيس هسته شيميدان ها دريافتند كه محيط مولكولي اجسام برجذب تابش توسط هسته ها در حضوريك ميدان مغناطيسی اثر مي گذارد و اين اثر می تواند به ساختمان مولكول ارتباط داده شود. از آن پس رشد روش طيف سنجی تشديد مغناطيسي هسته انفجار آميز بوده است و اين روش اثر قابل توجهي در توسعه شيمي آلی، شيمي معدني و بيوشيمي داشته است.
اجزاء تشكيل دهنده دستگاه

اجزاء مهم يك طيف سنجNMR درشكل(2)به طور شماتيك نشان داده شده است توضيح مختصری از هر يك ازاجزاءتشكيل دهنده در ذيل بيان مي شود.

1-آهن ربا:

خاصيت مغناطيسی که تعيين کننده فرکانس حرکت تقدمی هسته ها در طيف سنج NMR می باشد در دستگاه واحدهای SI به صورت ميدان القاي مغناطيسی يا چگالی شار مغناطيسی با نماد B، بر حسب تسلا (T) سنجيده می شود.تمامی سازندگان طيف سنجهای NMR، دستگاه های خود را در رابطه با فرکانس پروتون حاصل از دستگاه توصيف می کنند، بنابراين يک طيف سنج NMR،MHz 400، دارای مغناطيس T4/9 می باشد.

درطيف سنج هاي تجاريNMR هم آهنربا هاي دائمی و هم آهنرباهاي الكترو مغناطيسي با ابعاد بزرگ مورد استفاده قرارمي گيرند .
مشخصات كاركرد يآهنربا به خصوص براي كارهاي با تفكيك بالا، حساس و پر اهميت است. ميدان ايجاد شده بايد در محوطه حضور نمونه، تا يك قسمت در 108 همگن باشد و بايد تا درجه مشابهي در زمان هاي كوتاه پايدار بماند. براي داشتن چنين خصوصياتی، به ابزار سازي تكامل يافته اي كه مجهز به ابزار پسخور جهت تصحيح در افت و خيز است، نياز مي باشد.

2-منبع فركانس راديويي:
علامت حاصل از يك نوسانگر فركانس راديويي(فرستنده) به داخل يك زوج سيم پيچيكه عمود بر مسير ميدان نصب شده اند، خورانده مي شود و در نتيجه يك پرتو تابش قطبيده مسطح به دست    مي آيد. فركانس براي كار با تفكيك بالا، بايد تاحدود يك قسمت در 108 ثابت باشد. توان خروجي اين منبع كمتر از وات است و بايد تا شايد به مقدار يك درصد در يك فاصله زماني چندين دقيقه ثابت باشد.

3-آشكارساز و سيستم ثبات :

علامت فركانس راديويی ايجاد شده توسط هسته هاي درحال رزونانس، به وسيله سيم پيچيكه ظرف نمونه را احاطه كرده است و به صورت عمود برسيم پيچ منبع قرار دارد، آشكارمی شود. علامت الكتريكي توليد شده درسيم پيچ ها كوچك است و بايدبه ضريبی برابر 105 يا بيشتر تقويت گردد  تا بتواند ثبت شود.

4- ظرف نگهدارنده نمونه :

سلول متداول براي نمونه درNMR مركب ازيك لوله شيشه اي به قطر5 ميليمتر است كه حدود4/0 ميليمتر از مايع درآن قرارمي گيرد.لوله هاي كوچكتر براي نمونه هايي باحجم كمتر نيز دردسترس است.



كاربردها
1-مطالعه ساختارشيميايي مواد با استفاده از NMR يك بعدي
2-مطالعه ساختار مولكولهاي بسيار پيچيده با استفاده از NMR دوبعدی
3-تعيين ساختار مولكول هاي مواد جامد با استفاده از NMR حالت جامد
4-مطالعه فيزيولوژي سلولها و غلظت درونی اخته های سلولی
5- مطالعه دینامیک و تعیین مکانیسم واکنش ها
6- مطالعه مغناطیسی جهت ترکیبات پارا مغناطیس
7-آنالیز کمی ترکیبات