نمونه ای از دستگاه NMR

دید کلی

رزونانس مغناطیسی هسته‌ای (MMR) ، یک روش طیف سنجی است که برای شیمیدانان آلی از اهمیتی والاتر نسبت به طیف سنجی مادون قرمز برخوردار است. بسیاری از هسته‌ها را می‌توان با فنون MMR مطالعه کرد، ولی هیدروژن و کربن بطور معمول مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این مقاله با دستگاههای مورد استفاده در این نوع طیف سنجی آشنا می‌شویم.

دستگاه موج پیوسته (CW)

ساختمان

در یک طیف سنج 60MHz NMR ، نمونه‌ای را در حلالی که فاقد پروتون باشد (معمولا CCl₂) حل کرده ، مقدار کمی TMS به عنوان شاهد داخلی به آن اضافه می‌نماییم. سلول نمونه ، یک لوله شیشه‌ای استوانه‌ای شکل است که در فضای مابین دو قطب مغناطیس قرار می‌گیرد. نشانه اطمینان از این که تمام قسمتهای محلول ، میدان مغناطیسی نسبتا یکنواختی را احساس می‌کنند، چرخش نمونه حول محور خود است.

در فضای میانی مغناطیس ، یک سیم پیچ قرار دارد که به مولد فرکانس رادیو (60MHz RF) متصل است. این سیم پیچ انرژی مورد لزوم برای تغییر جهت اسپین پروتونها را فراهم می‌سازد. سیم پیچ آشکار کننده ، عمود بر سیم پیچ RF است. اگر جذب انرژی صورت نگیرد، سیم پیچ آشکار کننده هیچگونه انرژی خروجی از سیم پیچ RF را دریافت نخواهد کرد. هنگامی که نمونه ، انرژی جذب نمایند، جهت گیری مجدد اسپینها ، تولید یک سیگنال فرکانس - رادیو در صفحه سیم پیچ آشکار کننده کرده ، دستگاه آن را به صورت یک سیگنال رزونانس یا قله نمایش می‌دهد.

چگونگی ایجاد رزونانس

در قدرت میدان ثابت ، انواع گوناگون پروتونها در یک مولکول ، با سرعتهای متفاوتی حرکت تقدیمی می‌کنند. برای به رزونانس در آوردن پروتونهای گوناگون یک مولکول ، طیف سنج NMR بجای فرکانس RF ، سیگنال آن را ثابت نگهداشته و قدرت میدان مغاطیسی را تغییر می‌دهد. با افزایش قدرت میدان مغناطیسی ، فرکانس حرکت تقدیمی تمامی پروتونها فزونی می‌یابد. هنگامی که فرکانس حرکت تقدیمی یک نوع پروتون به 60 MHz برسد، آن دارای رزونانس خواهد بود.

مغناطیس دستگاه در واقع یک وسیله دو قسمتی است. یک مغناطیس اصلی با قدرت 1.41 تسلا وجود دارد که بوسیله قطبین الکترومغناطیسی پوشانده شده است و با تغییر جریان از طریق قطبین می‌توان قدرت میدان اصلی را تا میزان 20 ppm افزایش داد. با تغییر میدان بدین طریق می‌توان پروتونهای گوناگون نمونه را به رزونانس در آورد.

چگونگی ترسیم طیف

در حالی‌که قلم بر روی کاغذ حرکت می کند، قدرت میدان نیز مرتبا افزایش می‌یابد. وقتی قلم از چپ به راست به حرکت در می‌آید، قدرت میدان افزایش می‌یابد. هر گاه پروتونی که محیط شیمیایی آن فرق می‌کند به رزونانس در آید، آن پروتون به صورت یک قله بر روی کاغذ ثبت می‌گردد. قله‌ای که در جابجایی مساوی صفر ظاهر می‌گردد، مربوط به آن ترکیب شاهد داخلی (TMS) است. چون پروتونهایی که شدیدا پوشیده شده‌اند، با سرعت کمتری نسبت به پرتونهای ناپوشیده می‌چرخند، بنابراین ضروری است که میدان را افزایش داده ، تا آنها را در 60 MHz به چرخش محوری واداشت.

پس پروتونهای شدیدا پوشیده (شدیدا محافظت شده از طرف الکترونها) در طرف راست کاغذ و پروتونهای کم‌پوشیده یا ناپوشیده در طرف چپ کاغذ ظاهر می‌شوند. ناحیه چپ کاغذ را گاهی میدان پایین (یا میدان ضعیف) و ناحیه راست آن را میدان بالا (یا میدان قوی) می‌نامند. تغییر میدان مغناطیسی در طیف سنج به مثابه تغییر فرکانسRF بوده ، افزایش میدان مغناطیسی به میزان 1ppm را در فرکانس RF برخواهد داشت.

بنابراین ، فقط مساله طرح دستگاه است که قدرت میدان به جای فرکانس RF تغییر کند. دستگاههایی که میدان مغناطیسی را به شیوه‌ای پیوسته تغییر می‌دهند، دستگاههای موج پیوسته (CW) خوانده می‌شوند. یعنی از انتهای میدان پایین تا انتهای بالا را پیمایش می‌کنند. چون تغییر مکانهای قلل در این طیف از اختلاف فرکانسی با TMS محاسبه می‌گردند، لذا از این نوع طیف ، طیف قلمرو فرکانس گفته می‌شود.

دستگاه تبدیل فوریه تپشی

مکانیزم عمل دستگاه

مکانیسم این نوع دستگاهها که دستگاههای جدیدتر و پیشرفته‌تر هستند، استفاده از یک انفجار انرژی قدرتمند ولی کوتاه به نام تپ است که کلیه هسته‌های مغناطیسی و مولکول را بطور همزمان تهییج می‌کند. برای نمونه در یک مولکول آلی ، تمام هسته‌های ¹H در یک زمان به رزونانس در می‌آیند. دستگاهی با میدان مغناطیسی 2.1 T از انفجار کوتاهی (μsec(1-10 از انرژی 90 MHz برای دستیابی به چنین عملی بهره می‌برد. منبع مولد انرژی بسیار سریع روشن و خاموش می‌شود و تپی را تولید می‌کند.

بر طبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ ، با اینکه فرکانس نوسان کننده مولد این تپ 90 MHz است، ولی اگر درازای زمان تپ ، بسیار کوتاه باشد، آنگاه محتوای فرکانسی تپ ، غیر قطعی خواهد بود. چرا که نوسان کننده به اندازه کافی روشن نیست تا یک فرکانس اصلی را بنا نهد. در نتیجه این تپ در بردارنده محدوده‌ای از فرکانسهاست که مرکز آن حدود فرکانس اصلی است. این محدوده از فرکانسها به اندازه کافی بزرگ خواهد بود تا تمامی انواع هیدروژنها در مولکول را با این تک انفجار انرژی یکجا برانگیخته کند.

نمونه ای از دستگاه NMR

FID

وقتی تپ متوقف گردید، در آن صورت هسته‌های ، تهییج شده ، شروع به از دست دادن انرژی تهییجی خود می‌کنند و به حالت اسپینی اولیه خود باز می‌گردند و به اصطلاح آسایش می‌کنند. آنگاه که هسته برانگیخته شده آسایش می‌کند، شروع به تابش اشعه الکترومغناطیس می‌نماید. چون مولکول ، حاوی هسته‌های مختلف بسیاری است، لذا فرکانسهای گوناگون بسیاری از اشعه الکترومغناطیسی بطور همزمان تابش خواهند نمود.

این تابش را سیگنال زوای القای آزاد (FID) می‌نامند. همانگونه که در نهایت تمامی هسته‌ها انرژی تهییجی خود را از دست می‌دهند، شدت FID نیز با گذشت زمان اضمحلال می‌یابد. FID ترکیبی انطباق یافته از تمامی فرکانسهای تابش شده است و می‌تواند بسیار پیچیده باشد. ما عموما فرکانسهای منفرد مربوط به هسته‌های گوناگون را با استفاده از یک رایانه و یک روش ریاضی به نام آنالیز تبدیل فوریه FT بدست می‌آوریم.

مباحث مرتبط با عنوان

• تشدید مغناطیسی هسته
• دستگاههای طیف سنج مادون قرومز
• طیف الکترومغناطیسی
• طیف نمایی
• طیف سنجی تشدید مغناطیسی هسته
• عکسبرداری MRI