طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته

طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته، یا NMR، مشابه تکنیک پزشکی MRI (یا تصویربرداری تشدید مغناطیسی) است، که احتمالاً نام آن را شنیده اید. نام روش برای استفاده در حوزه ی پزشکی تغییر داده شده است، زیرا کلمه ی «هسته‌ای» ممکن است باعث نگرانی برخی از مردم شود. هیچ کس دوست ندارد هسته ای شود! اما دلیلی برای نگرانی وجود ندارد، زیرا در NMR و MRI از امواج رادیویی بی ضرر برای به دست آوردن اطلاعات استفاده می شود، نه از اشعه ی گاما که هسته ای می کند. در حقیقت در طیف الکترومغناطیسی ، امواج رادیویی در یک سر طیف و اشعه ی گاما در انتهای دیگر طیف قرار دارند. نگاهی به این طیف بیاندازید:

NMR  نیز یک روش شناسایی می باشد که در آن نمونه در یک میدان مغناطیسی گذاشته شده و مورد اصابت امواج رادیویی قرار می گیرد. این امواج رادیویی باعث ترغیب هسته ی مولکول به خواندن آوازی می شود که تنها می تواند توسط گیرنده رادیویی خاصی دریافت شود. ولی درست مثل اُپرا، هسته به زبانی آواز می خواند که ما نمی فهمیم، بنابراین نیاز به یک رمزگشا داریم. این رمزگشا، «الگوریتم تبدیل فوریه» نام دارد. این الگوریتم، معادله ای پیچیده است که زبان هسته را به زبانی قابل فهم برای ما، ترجمه می کند. اگر در اینباره کنجکاو هستید، الگوریتم به این شکل می باشد:

سپس آواز هسته، تجزیه و تحلیل می‌شود تا چیزهای بسیار مختلفی درباره‌ی مولکول و اطراف آن، از قبیل ساختار مولکول، مشخص شوند. این موضوع شاید در ابتدا کمی گیج کننده به نظر برسد، ولی این صفحه حداقل اصول پایه‌ای این تکنیک را به شما خواهد آموخت.

برای درک کامل طیف سنجی NMR، باید ابتدا در اندازه ی زیراتمی کوچک شویم و نگاهی به هسته بیاندازیم. در این صورت، هسته ای را خواهید دید که می چرخد؛ اگر چه دانشمندان آن را چرخیدن نمی نامند، بلکه آن را رزونانس نامیده اند. هنگامی که هسته ی دارای بار مثبت می چرخد، این بار متحرک یک ممان مغناطیسی ایجاد می نماید. شما می توانید آن را مثل یک آهن ربای میله ای چرخنده در ابعاد زیر اتمی تصور کنید. وقتی هیچ میدان مغناطیسی حضور ندارد، این آهن رباهای کوچک به صورت تصادفی قرار گرفته اند؛ اما وقتی در یک میدان یکنواخت مغناطیسی قرار گرفتند، ممان های مغناطیسی با میدان مغناطیسی هم سو می شوند. گرچه ممان های مغناطیسی توسط میدان مغناطیسی هم سو شده اند، چرخش هسته به سادگی و یکنواختی چرخش چرخ و فلک نیست. حرکت حرارتی مولکول، گشتاوری ایجاد می کند که ممان مغناطیسی را دچار لرزشی ناپایدار به این سو و آن سو می کند. وقتی امواج رادیویی، به هسته ی در حال چرخش برخورد می کنند، لرزش آن ها بیشتر هم می شود، و حتی گاهی به هم برخورد می کنند. وقتی این ممان مغناطیسی از میدان مغناطیسی اِعمال شده، منحرف می شود، بخشی از ممان مغناطیسی به صورت عمود بر میدان اعمال شده قابل ردیابی می باشد.

هسته‌های مختلف در بسامد‌های مختلف، رزونانس می‌کنند، و این مطلب، یعنی یک اتم کربن را باید با موج رادیویی دارای بسامد متفاوت از بسامد مورد نیاز برای اتم هیدروژن، هدف قرار دهیم تا نوسان کند. همچنین این معنا را می‌رساند که اتم‌های یکسان در محیط‌های متفاوت (مثلاً یک اتم هیدروژن متصل به یک اتم اکسیژن در مقایسه با یک اتم هیدروژن متصل به یک کربن)، نیاز به بسامد‌های متفاوتی برای نوسان دارند. با مشاهده‌ی اینکه هسته‌های مختلف در چه بسامدی نوسان می‌کنند، می توان تعیین کرد که یک مولکول چگونه شکل گرفته و همچنین بسیاری دیگر از ویژگی‌های جالب مولکول را تعیین کرد.
فهمیدیم که دو اتم متفاوت مثل کربن و هیدروژن، در بسامد‌های متفاوت رزونانس می‌کنند، زیرا آن‌ها متفاوت هستند، ولی چرا دو اتم یکسان در محیط‌های مختلف در بسامد های متفاوت رزونانس می‌کنند؟

سؤال بسیار خوبی است. جواب پوشیدگی است، اما پوشیدگی چیست؟ الکترون‌هایی که در اطراف هسته ی در حال چرخش هستند، خود نیز  باردار و در حال چرخش هستند، و اگر توجه کرده باشید، می دانید که یک بارِ در حال چرخش، میدانی مغناطیسی ایجاد می‌کند که مخالف میدان مغناطیسی اعمال شده، می باشد. این امر، شدت میدان مغناطیسی را که به هسته می‌رسد، کم می‌کند. به عبارت دیگر، الکترون‌ها، هسته را از میدان مغناطیسی کامل، «می پوشانند». از آنجاییکه بسامد رزونانسی هسته، به شدت میدان مغناطیسی وابسته است که هسته احساس می‌کند، بنابراین مشخص می‌شود که چرا اتم‌های یکسان در محیط‌های مختلف در بسامدهای متفاوتی رزونانس می‌کنند.
فهمیدیم که طیف سنج NMR چه کاری انجام می دهد، ولی این دستگاه، چگونه کار می کند؟

شیء بزرگ شبیه سفینه فضایی که در تصویر دیده می شود، طیف سنج  است. بزرگ ترین بخش دستگاه، فقط یک خنک کننده ی بزرگ است که با دو مایع بسیار سرد، یعنی هلیوم مایع و نیتروژن مایع پر شده است،. چقدر سرد؟ نیتروژن مایع دمای  دارد و دمای هلیوم مایع  است! هلیوم مایع داخلی ترین بخش خنک کننده است تا سیم پیچ اَبَررسانا را که میدان مغناطیسی ایجاد می کند تا  سرد کند، و نیتروژن مایع اطراف آن را می پوشاند تا مانع تبخیر سریع هلیوم شود.

حفره ای که در بالا قرار دارد (که کاربر دستگاه آن را نشان می دهد) جایی است که نمونه در داخل طیف سنج گذاشته می شود. وقتی نمونه وارد دستگاه می شود، یک جریان سریع هوا محفظه نمونه را می چرخاند تا نمونه یکنواخت تری برای بررسی آماده کند.

وقتی نمونه ای برای طیف سنجی NMR محلولی تهیه می شود، حلال به کار برده شده یا بخشی از آن، باید دوتریوم دار باشد، یعنی به جای هیدروژن مولکول حلال، اتم های دوتریوم قرار گرفته باشند. هیدروژن دارای یک پروتون به عنوان هسته است، در حالی که دوتریوم یک پروتون و یک نوترون در هسته خود دارد. به منظور جلوگیری از انحراف طیف در زمان بررسی نمونه ، «قفل» کردن NMR روی یک بسامد ویژه لازم است.

حال که نمونه ی ما در یک میدان مغناطیسی، قفل شده و در حال چرخش است، می توانیم یک طیف بدست آوریم. ابتدا یک تولیدکننده بسامد رادیویی (RF)، توسط رگبارهای کوتاهی از امواج رادیویی، نمونه را هدف قرار می دهد.

این امواج پس از عبور از نمونه، جذب می شوند، و به ردیابی که پیام های نمونه را ردیابی می کند، منتقل می گردند. سپس این اطلاعات به کامپیوتری منتقل می شود که بعد از

NMR قرار دارد، و ترجمه و تجزیه و تحلیل را بر عهده دارد. برای اطلاعات و مطالب بیشتر اینجا کلیک کنید.

عناوین این بخش

انتقال های شیمیایی NMR

طیف سنجی NMR می تواند هسته های مختلفی را مشاهده کند:  (پروتون)،  (کربن ۱۳)،  (نیتروژن ۱۵)،  (فلوئور ۱۹) و بسیاری دیگر. اغلب  و  استفاده می شوند....