آنالیز NMR (طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته)

آنالیز NMR چیست؟

طيف سنجی رزونانس مغناطيسی هسته‌ یا به اختصار NMR روشی است که برای تعیین خواص مغناطیسی بعضی از عناصر به کار می رود. به زبان ساده با این روش طیف سنجی می ‌توان خواص فیزیکی و شیمیایی اتم ‌ها یا مولکو‌ل ‌ها را مشخص کرد.

آزمون NMR بر خاصیت تشدید مغناطیسی هسته متکی است و می ‌تواند اطلاعات مفیدی دربارۀ ساختار، دینامیک و حالت واکنش های شیمیایی مولکول‌ ها ارائه دهد. همان طور که ذکر شد، کاربرد متداول طيف سنجی‌ NMR در شناسایی ساختار ترکیبات آلی یا ویژگی ‌های مولکول‌های آلی است.

در طیف سنجی NMR چه چیزی اندازه گیری می شود؟

در آنالیز NMR بسامد انرژی جذب شده توسط هسته های مغناطیسی واقع در یک میدان مغناطیسی خارجی اندازه گیری می شود. در یک مولکول آلی، هر هسته توسط الکترون های اطراف خود از میدان مغناطیسی خارجی به نوعی محافظت می شود. بنابراین یک هسته معین در هر محیط مولکولی فقط می تواند یک بسامد مشخصی را جذب کند.

در آزمون NMR هسته اتم ها به صورت تابعی از فرکانس و شدت سیگنال ها با توجه به تعداد هسته های موجود ارزیابی می شوند. طیف های حاصل از این طیف سنجی اغلب بر حسب جابه جایی شیمیایی برحسب ppm گزارش می شوند. این پارامتر معیاری از اختلاف در پوشش (یا محافظت) احساس شده توسط هسته در مولکول هاست.

اساس کار آنالیز NMR

در فرایند طیف سنجی آزمون NMR یک میدان مغناطیسی قوی اعمال می شود. انرژی هسته عناصر مشخص به علت خواص مغناطیسی که دارند، به دو یا چند تراز کوانتیده شکافته می شود. الکترون ‌ها نیز مانند هسته عمل می ‌کنند. یعنی بین ترازهای انرژی القا شده مغناطیسیِ حاصل، انتقالاتی اتفاق می افتد.

درست مانند انتقالات الکترونی که در نتیجه جذب تابش فرابنفش یا مرئی اتفاق می افتد. اختلاف انرژی که بین ترازهای کوانتومی مغناطیسی در هسته‌های اتمی وجود دارد، با بسامد تابشی در محدوده ۰٫۱ تا  ۱۰۰  مگاهرتز مطابقت دارد.

در حالت عادی اختلاف انرژی بین ترازهای اسپین هسته صفر است. ولی در صورتی که اتم‌ ها در معرض میدان مغناطیسی قرار بگیرند، حالت تبهگن سیستم کم می شود (منظور از حالت تبهگن، حالتی است که ماده در چند حالت، انرژی یکسانی داشته باشد). حال اگر میدان ناپدید شود، اتم تشدید کرده و تابش‌ هایی را از خود نشان می‌ دهد که به آن تشدید مغناطیس هسته می ‌گویند. آزمون NMR برای شناسایی کمی و کیفی مولکول ‌ها، این تشدید را ارزیابی می کند.

اجزای دستگاه طیف سنج رزونانس مغناطیسی

آهن ربا یا مگنت

مهم ترین بخش یک دستگاه NMR آهن ربا است. چرا که حساسیت و قدرت تفکیک طیف سنج به کیفیت آن وابسته است. حساسیت و قدرت تفکیک دستگاه آزمون NMR با افزایش قدرت میدان مغناطیسی افزایش می یابد.

میدان مغناطیسی القایی ایجاد شده باید محیطی همگن، پایدار و تکرار پذیر برای نمونه ایجاد کند. با توجه به این ملزومات، دور از انتظار نیست که مگنت دستگاه NMR گران ترین بخش آن باشد. هم آهنرباهای دائمی و هم آهنرباهای الکترومغناطیسی قابل استفاده در این طیف سنجی با ابعادی بزرگ به کار می روند. این مگنت ها در اکثر مواقع به شکل سیم پیچ هستند.

تانک خنک کننده

بزرگ ترین قسمت دستگاه NMR مربوط به تانکی ست که وظیفه خنک کنندگی سیم پیچ ابررسانا را دارد. این خنک کننده با دو مایع بسیار سرد، یعنی هلیوم مایع و نیتروژن مایع پر شده است تا دمای ۲۶۹- درجه سلسیوس را برای سیم پیچ ایجاد کند.

پیمایش گر میدان مغناطیسی

استقرار یک جفت سیم ‌پیچ به صورت موازی با سطوح جریان، باعث می شود میدان اعمال شده در یک محدوده کوچک خاصیت تناوبی پیدا کند. با ایجاد تغییر در جریان مستقیم میان این سیم ‌پیچ ‌ها، قابلیت تغییر میدان مؤثر (بدون از دست دادن همگنی) به دست می آید. گستره این تغییرات تا چند صد میلی گوس نیز می رسد. معمولا برای یک دستگاه 60 مگاهرتزی، محدوده پیمایش میدان حدودا 1000 هرتز (235 میلی‌گوس) است.

منبع رادیویی

تامین انرژی مورد نیاز برای تغییر جهت اسپین پروتون ها یا هسته های غیر پروتونی، توسط منبع فرکانس رادیویی فراهم می شود. این فرکانس حاصل از منبع و انتقال آن به داخل جفت سیم پیچ عمود بر مسیر میدان است که باعث قطبیدگی می شود. منبع لازم است همواره فرکانس ثابتی منتشر کند و برای آنالیزهای با تفکیک بالا نیز قابل استفاده باشد.

ظرف نگهدارنده نمونه

سلول متداول برای نمونه در آزمون NMR از یک لوله با جنس شیشه با قطر 5 میلی ‌متر است که مایع در آن قرار می‌ گیرد. البته می توان از لوله ‌های کوچکتر نیز برای نمونه‌ هایی با حجم کمتر استفاده کرد. وقتی نمونه وارد دستگاه می شود، یک جریان سریع هوا محفظه نمونه را می چرخاند تا نمونه یکنواخت تری برای بررسی آماده شود.

آشکارساز و ثبات

زمانی که نمونه انرژی جذب می کند، جهت گیری دوباره اسپین ها، یک سیگنال با فرکانس رادیویی تولید می کند. سیگنال هایی که در نتیجه رزونانس هسته ها توسط سیم پیچی که ظرف نمونه را احاطه کرده و عمود بر سیم پیچ منبع قرار دارد آشکار می شود. علائم الکتریکی تولید شده کوچک هستند و برای ثبت شدن با ضریبی برابر با ۱۰۵ یا بیشتر باید تقویت گردند.

نمونه سازی برای آزمون NMR

برای اجرای طیف سنجی NMR لازم است نمونه ها محلول باشند. بهتر است حلال های خاصی استفاده شوند که دارای پروتون نیستند. رایج ترین حلال «کلروفرم دوتره» است. در این کلروفرم به جای هیدروژن، «دوتریم» وجود دارد. این حلال معمولا برای ترکیبات غیر قطبی به کار می رود.

برای آنالیز ترکیبات قطبی تر، حلال های دوتره دیگری مثل استون دی متیل سولفوکسید و آب استفاده می شوند. برای جابه‌جایی شیمیایی به نحو مناسب، معمولا از تترا متیل سیلان (TMS) به عنوان ترکیب مرجع استفاده می شود.

محلول نمونه در یک لوله شیمیایی خاص در مرکز مغناطیسی تحت چرخش قرار می گیرد. با چرخش نمونه حول محور خود، تمام قسمت های محلول تحت میدان مغناطیسی نسبتا یک نواختی قرار می گیرند.

انواع طیف سنج های آنالیز NMR

موج پیوسته (Continuous Wave (CW))

این طیف سنج ها قدیمی تر هستند. طیف سنج های موج پیوسته، مشابه روش های جذبی عمل می کنند. یعنی سیگنال جذب نمونه از یک منبع که در گسترۀ فرکانس رادیویی آنالیز می شود، ثبت می شود. در بعضی دستگاه های CW ممکن است فرکانس منبع ثبات داشته باشد ولی قدرت میدان متغیر باشد. طیف های ثبت شده با این نوع طیف سنج آنالیز NMR از نوع طیف قلمرو فرکانس (frequency domain) هستند. چون تغییر جایگاه پیک ها از تفاوت فرکانسی با استاندارد شاهد TMS محاسبه می شود.

 تبدیل فوریه یا پالسی (Pulsed or Fourier Transform)

اکثر دستگاه های امروزی با طیف سنج های تبدیل فوریه پالسی یا تپشی کار می کنند. این دستگاه های اسپکتروسکوپی مجهز به مگنت های ابررسانا هستند. در این روش از یک انرژی قدرتمند ولی کوتاه به نام تَپ (پالس) استفاده می شود.  

قدرت پالس اعمالی به صورتی است که کلیه هسته های مغناطیسی در مولکول را به شکل هم زمان تهییج می کند. برای ایجاد پالس، منبع مولد آنالیز NMR با انرژی بالا، به شکل سریع روشن و خاموش می شود و پالسی را تولید می کند که در بردارنده محدوده فرکانس هاست که مرکز آن، حدود فرکانس اصلی است.

از آنجا که مولکول، حاوی هسته های مختلف بسیار است، بنابراین فرکانس های گوناگونی از اشعه الکترومغناطیسی به طور هم زمان تابش می شود. این تابش زوال القای آزاد (free induction decay (FID)) نامیده می شود. طیف های ثبت شده با این نوع طیف سنج از نوع طیف قلمرو زمان (time domain) هستند.

 همان طور که در نهایت تمامی هسته ها انرژی تهییجی خود را از دست می دهند، شدت FID هم با گذشت زمان کم می شود. در واقع FID ترکیبی انطباق یافته از همه فرکانس های تابشی است و می تواند بسیار پیچیده باشد. برای تبدیل سیگنال پیچیده FID ، به دست آوردن فرکانس های منفرد مربوط به هسته های گوناگون و در نهایت ارائه طیف، معمولا روش ریاضی آنالیز تبدیل فوریه (FT)  استفاده می شود.

6

دقیــقه مطالعه

آنالیز FTIR (طیف سنجی مادون قرمز)

حتما با مطالعه مقالات پیشینِ منتشر شده در این سایت، به اهمیت روش های آنالیز مواد...

مزایای آزمون NMR

• تکنیکی بسیار قوی در آنالیز کیفی مواد است.
• این روش آنالیز تابش های مضر ندارد.
• انعطاف پذیری بالایی برای مطالعۀ طیف وسیعی از مواد بیولوژیکی دارد.

معایب آزمون NMR

• برای نمونه هایی با غلظت های کم کارایی ندارد.
• تکنیک بسیار گرانی است و کار با آن نیاز به مهارت ویژه دارد.
• نگهداری و تعمیر دستگاه آن هرینه بر است و نیاز به زیرساخت های ویژه دارد.

آزمون NMR در تعیین خواص فیزیکی و شیمیایی مواد می تواند کاربرد زیادی داشته باشد، از جمله:

• 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 همچون پروتئین ها، آنزیم ها، DNA، کمپلکس های لیگاند-پروتئین و …
• شناسایی ساختار مولکولی ترکیبات جامد با استفاده از تکنیک NMR حالت جامد
• ارزیابی مغناطیسی ترکیبات پارا مغناطیس
• تصویربرداری های پزشکی
• شناسایی ساختار ترکیبات آلی، معدنی، بیولوژیک و دارویی
• تعيين گروه های عاملی در يک مولکول
• آناليز نمونه های نفتی
• آناليز نمونه های غذايی
• مطالعه ترموديناميكی واكنش ‌های شیمیایی مختلف

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).

The application of nuelear magnetic resonance to the Study of cellular phjsioligg”, 1984, American Physiological Soeiety

academic.oup.com