EN FA

در حال بارگذاری

NMR چیست؟ آشنایی با دانش پایه NMR و کاربردهای آن

1399/10/03

طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای (NMR)

     رزونانس مغناطیسی هسته (NMR) نامی برای مطالعه جذب تابش فرکانس رادیویی توسط هسته است. عبارت NMR ساده شده Nuclear Magnetic Resonance است. این روش برای مطالعه و تعیین ساختار ترکیب مواد و یا سنتز شیمیایی استفاده میشود. روش آنالیز NMR موثرتر از روش های دیگر طیف سنجی مولکولی است اما به دلیل بالا بودن هزینه های آنالیز مانند روش طیف سنجی مادون قرمز(FT-IR) متداول و در دسترس نیست. در مجموع نمی­توان از کاربرد  NMRدر پزشکی، دارویی، صنایع غذایی، شیمیایی و کشاورزی چشم پوشی کرد. اساس این روش بر مبنای اندازه گیری، تابش الکترومغناطیس، در محدوده فرکانس رادیویی 4 تا 1000 مگاهرتز(MHZ) است. برخلاف دیگر روش های طیف سنجی مانند (FT-IR) و UV/Visible، که در آنها الکترون در فرایند جذب و انتقال انرژی درگیر است، در NMR هسته اتم درگیر فرایند جذب است.

 

تاریخچه آنالیز NMR

     رزونانس مغناطیسی هسته ایNMR ، برای نخستین بار در اواخر دهه1930میلادی  در پرتوهای ملکولی توسط رابی اندازه گیری شد. یوگنی زاوویسکی  در فوریه۱۹۴۱ ،  قبل از فلیکس بلوچ و ادوارد میلز پورسل ، رزونانس مغناطیسی هسته ایNMR را مشاهده کرد ، اما نتایج  تحقیقات اوبه خاطر غیرقابل تکرار بودن از بین رفت. این متد توسط استرن- گرلاچ در سال ۱۹۴۴ توسعه  بیشتری یافت. سپس آقای پورسل در حین تحقیق بر روی چگونگی تولید و جذب امواج رادیویی توسط ماده ، پایه و اساس اولیه کشف NMR را بنیان نهاد. بعدها رابی ، بلوچ و پورسل مشاهده کردند که هسته های مغناطیسی مانند 1H و 31P می توانند انرژی RF (امواج رادیو فرکانس)را هنگام قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی خارجی جذب کند. هنگامی که این جذب رخ می دهد ، تشدید مغناطیسی هسته اتفاق می افتد ، با بررسی این جذب میتوان به درکی از ساختار واطلاعات شیمیایی یک ملکول رسید.  نهایتا آقای راسل اچ. واریان در  ۱۹۵۱میلادی روشی  برای برقراری ارتباط بین ویژگی های هسته­ی اتم های مختلف و میدان های مغناطیسی اعمال شده ثبت كرد و اولین دستگاه NMR را با نام NMR HR-30 در سال ۱۹۵۲ توسعه داد.

اصول طیف سنجی NMR 

     به طور کلی در روش آنالیز NMRنمونه در یک میدان مغناطیسی قوی خارجی قرار می گیرد. انرژی هسته عناصر مشخص به علت خواص مغناطیسی که دارند، به حداقل دو یا چند تراز کوانتیده شکافته می شود. الکترون ‌ها نیز همانند هسته عمل می ‌کنند. یعنی بین ترازهای الکترونی انتقالاتی صورت میگیرد. درست مانند انتقالات الکترونی که در نتیجه جذب تابش فرابنفش یا مرئی اتفاق می افتد. در حالت عادی اختلاف انرژی بین ترازهای اسپین هسته صفر است. ولی در صورتی که اتم‌ ها در معرض میدان مغناطیسی خارجی قوی قرار بگیرند، حالت تبهگن سیستم کم می شود. (در فیزیک اگر دو (یا چند) حالت فیزیکی وجود داشته باشند که سطح انرژی آنها یکسان باشد به آنها حالت­های چندگانه یا تبهگن می‌گویند.) حال اگر میدان ناپدید شود، اتم تشدید کرده و تابش‌ هایی را از خود نشر می‌ کند که به آن تشدید مغناطیس هسته می ‌گویند.این سیگنال ها در بخش آشکار ساز دستگاه  NMRشناسایی و اندازه گیری می­شوند. برای شناسایی کمی و کیفی ساختمان یک مولکول و گروه های عاملی منحصر به فرد آن، می توان این تشدید را ارزیابی کرد.

 

معرفی دستگاه NMR

 

1. بخش مغناطیسی(آهن ربا )

     حساسیت و قدرت تفکیک دستگاه طیف سنجی  NMR  به کیفیت آهن ربا وابسته است و  با افزایش قدرت میدان مغناطیسی حساسیت افزایش می یابد. میدان مغناطیسی القایی ایجاد شده باید محیطی همگن، پایدار و تکرار پذیر برای نمونه ایجاد کند. هم آهنرباهای دائمی و هم آهنرباهای الکترومغناطیسی قابل استفاده در این طیف سنجی با ابعادی بزرگ به کار می روند. این مگنت ها اکثرا به شکل سیم پیچ هستند.

 

2. پیمایش گر میدان مغناطیسی

     برای ایجاد یک میدان مغناطیسی که در یک محدوده کوچک خاصیت تناوبی داشته باشد از یک جفت سیم ‌پیچ به صورت موازی با سطوح جریان استفاده می شود. تغییر میدان مؤثر (بدون از دست دادن همگنی) ، با ایجاد تغییر در جریان مستقیم میان این سیم ‌پیچ ‌ها از قابلیت این سیستم می باشد. گستره این تغییرات تا چند صد میلی گوس نیز می رسد.

 

3. منبع تولید امواج رادیویی:

     منبع فرکانس رادیویی وظیفه تامین انرژی مورد نیاز برای تغییر جهت اسپین پروتون ها یا هسته های غیر پروتونی را بر عهده دارد. در نتیجه 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.

 

4. ظرف نگهدارنده نمونه:

      سل نمونه شامل یک لوله شیشه ای استوانه ایست به قطر 5 میلی متر که معمولا حدود 4 میلی متر از نمونه در آن قرار داده می شود. این لوله شیشه ای در میان کاربران NMR  با نام تیوب NMR  شناخته می شود.   سل نمونه سپس در فضای دو قطب آهن ربا قرار می گیرد. و توسط یک جریان سریع هوا چرخانده می­شود تا نمونه یکنواخت تری برای بررسی های بعدی حاصل شود.

 

 

5. تانک خنک کننده

     قسمتی از دستگاه NMR  که وظیفه خنک کنندگی سیم پیچ ابررسانا را دارد بزرگ ترین قسمت دستگاه یا همان تانک خنک کننده است. برای رسیدن به دمای ۲۶۹- درجه سلسیوس برای  خنک کردن سیم پیچ از دو مایع بسیار سرد، یعنی هلیوم مایع و نیتروژن مایع که درون تانک خنک کننده پر شده است استفاده می شود.در تصویر زیر شمای کلی از تانک خنک کننده را مشاهده می کنید:

6. آشکار ساز یا detector:

     سیگنالی که با فرکانس رادیوییRF تولید می شود به علت جهت گیری دوباره اسپین ها پس از جذب انرژی توسط نمونه است. این سیگنال ها که در نتیجه رزونانس هسته ها با تابش امواج رادیویی تولید شده اند توسط سیم پیچی که ظرف نمونه را احاطه کرده و عمود بر سیم پیچ منبع قرار دارد آشکار می شود. علائم الکتریکی تولید شده برای بررسی و اندازه گیری نیاز به تقویتی با ضریبی حدود 105برابر را دارند.

 

آماده سازی نمونه ها برای آنالیز NMR

     از الزامات انجام آنالیز NMR  آن است که نمونه ها باید محلول باشند. در  روش1H NMR حلال های خاصی استفاده می شوند که دارای پروتون نیستند و در آن ها به جای هیدروژن، «دوتریم» وجود دارد. از آنجاییکه این حلال ها فاقد اتم هیدروژن می باشند در طیف NMRنامرئی هستند به زبان ساده تر مزاحمت شیمیایی حلال حذف می گردد. محلول نمونه در یک لوله شیمیایی ویژه به نام تیوب NMR در مرکز مغناطیسی تحت چرخش قرار می گیرد،تا محلول یکنواخت تری برای آنالیز آماده شود معمولا از تترا متیل سیلان (TMS) به عنوان ماده مرجع برای جابه جایی شیمیایی در NMR استفاده می شود، به این صورت که جابه جایی شیمیایی آن صفر در نظر گرفته می شود. کلروفرم دو تره ( کلروفرمی که به جای هیدروژن های آن دوتریمD جایگزین شده است) بیشترین استفاده را درآنالیزNMR برای ترکیبات غیر قطبی دارد. برای ترکیبات قطبی تر حلال های دوتره ی دیگری ( نظیر استونACETON دی متیل سولفوکسیدDMSO و آب سنگین D2Oبه کار می رود.

مزایا و معایب آنالیز NMR ( رزونانس مغناطیس هسته ای)

     طیف های NMR مانند اثر انگشت منحصر به فرد بوده و برای هر ترکیبی طیف منحصر به فردی ثبت خواهد شد.آنالیز NMRدر حال حاضر تا حد زیادی جایگزین تست های شیمیایی سنتی مانند معرف های رنگی یا کروماتوگرافی معمولی شده است. با این حال تفسیر طیفNMRمستلزم داشتن مهارت و دانش کافی در این زمینه است.

      یکی از نقاط ضعف این روش مقدار نسبتاً زیاد نمونه مورد نیاز یعنی ۲-۵۰ میلی گرم است. بازه زمانی NMR  تقریبا طولانی است و بنابراین برای مشاهده پدیده هایی که با سرعت زیاد رخ می دهند مناسب نیست و فقط یک طیف متوسط ​​تولید می کند.روش NMR ذاتاً بسیار حساس نیست، با اینکه در فرکانس های بالاتر ، حساسیت بیشتری دارد. كم بودن حساسيت این روش  است که باعث می شود برای غلظت های کم، گونه مورد نظر کارایی نداشته باشد. کار با دستگاه NMRنیاز  به تخصص و مهارت ویژه  دارد همچین هزینه تعمیر و نگهداری دستگاه نسبتا زیاد است.

 

کاربرد  NMR

شناسایی ساختار ترکیبات آلي، معدني و زيستي

تعيين گروههای عاملی در يک مولکول

مطالعه رفتار ماکرومولکولهای زيستی نظير پروتئين ها

آناليز نمونه های نفتی

آناليز نمونه های غذايی، داروئی

مطالعه ترموديناميكي واكنش‌هاي مختلف

 


این صفحه را به اشتراک بگذارید: