۲۱ مرداد ۱۴۰۳

طیف سنجی NMR چیست؟ اصول رزونانس مغناطیسی هسته ای و اجزای دستگاه

طیف سنجی NMR چیست و چگونه کار می کند؟ با اسپین هسته، فرکانس لارمور، جابه جایی شیمیایی، جفت شدگی اسپین، اجزای طیف سنج NMR شامل مگنت، پروب و کرایوپروب و کاربردها آشنا شوید.

طیف سنجی رزونانس مغناطیسی هسته ای یا NMR (Nuclear Magnetic Resonance) یکی از قدرتمندترین روش های تحلیلی برای بررسی ساختار مولکول ها و خواص فیزیکی و شیمیایی مواد است. این روش بر پایه پدیده رزونانس مغناطیسی هسته ای کار می کند؛ پدیده ای که در آن هسته های برخی اتم ها در یک میدان مغناطیسی قوی، انرژی امواج رادیویی را با فرکانس مشخصی جذب و دوباره گسیل می کنند.

با اندازه گیری فرکانس و شدت این سیگنال ها، می توان اطلاعات دقیقی درباره ساختار مولکولی، نوع اتم ها و پیوندهای اطراف هر هسته و برهمکنش بین مولکول ها به دست آورد. طیف سنجی NMR در شیمی، بیوشیمی، داروسازی، علم مواد و پزشکی کاربرد گسترده ای دارد؛ از شناسایی ترکیبات آلی و تعیین ساختار پروتئین ها گرفته تا بررسی کیفیت مواد غذایی. روش تصویربرداری MRI در پزشکی نیز بر پایه همین پدیده است.

در این مقاله با اصول رزونانس مغناطیسی هسته ای، اطلاعاتی که از طیف NMR به دست می آید و اجزای مختلف یک طیف سنج NMR آشنا می شوید.

تاریخچه NMR

سال ۱۹۳۸: ایزیدور رابی رزونانس مغناطیسی هسته ای را در پرتوهای مولکولی مشاهده کرد و در سال ۱۹۴۴ جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.
سال ۱۹۴۶: فلیکس بلوخ و ادوارد پرسل به طور مستقل NMR را در مایعات و جامدات مشاهده کردند و در سال ۱۹۵۲ جایزه نوبل فیزیک را به طور مشترک دریافت کردند.
دهه های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰: ریچارد ارنست روش NMR پالسی با تبدیل فوریه و NMR دوبعدی را توسعه داد و در سال ۱۹۹۱ جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد.
سال ۲۰۰۲: کورت ووتریش به خاطر توسعه روش NMR برای تعیین ساختار سه بعدی پروتئین ها، جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد.

اسپین هسته

اسپین هسته ای یک ویژگی کوانتومی هسته های اتمی است و به تکانه زاویه ای ذاتی هسته اشاره دارد. برای درک ساده، می توان هسته را مانند فرفره کوچکی تصور کرد که به دور خود می چرخد. هسته ای که اسپین دارد، مانند یک آهنربای بسیار کوچک رفتار می کند و یک گشتاور مغناطیسی دارد.

مقدار اسپین هسته کوانتیده است و به تعداد پروتون ها و نوترون های هسته بستگی دارد:

هسته هایی که تعداد پروتون ها و نوترون ها هر دو زوج باشد، اسپین صفر دارند و در NMR دیده نمی شوند؛ مانند کربن ۱۲ و اکسیژن ۱۶.
هسته هایی با تعداد فرد پروتون یا نوترون، اسپین غیرصفر دارند و در NMR قابل مشاهده اند.

رایج ترین هسته ها در طیف سنجی NMR عبارت اند از هیدروژن ۱ (پروتون)، کربن ۱۳، نیتروژن ۱۵، فلوئور ۱۹ و فسفر ۳۱. هیدروژن به دلیل فراوانی طبیعی تقریبا صد درصدی و حساسیت بالا، پرکاربردترین هسته در NMR است. کربن ۱۳ فقط حدود ۱.۱ درصد کربن طبیعی را تشکیل می دهد و به همین دلیل سیگنال ضعیف تری دارد.

رزونانس مغناطیسی هسته ای چگونه رخ می دهد؟

۱. قرار گرفتن در میدان مغناطیسی

در غیاب میدان مغناطیسی، جهت گیری اسپین های هسته ای تصادفی است و همه حالت ها انرژی یکسانی دارند. وقتی نمونه در یک میدان مغناطیسی قوی قرار می گیرد، هسته هایی با اسپین یک دوم، مانند پروتون، در یکی از دو حالت قرار می گیرند:

موازی با میدان: حالت با انرژی کمتر
پادموازی با میدان: حالت با انرژی بیشتر

به این جدا شدن ترازهای انرژی در میدان مغناطیسی، شکافت زیمان گفته می شود. تعداد هسته ها در حالت کم انرژی کمی بیشتر است و همین اختلاف کوچک، منشأ سیگنال NMR است.

۲. حرکت تقدیمی و فرکانس لارمور

هسته ها در میدان مغناطیسی، مانند فرفره ای که کج شده، حول محور میدان حرکت تقدیمی انجام می دهند. فرکانس این حرکت، فرکانس لارمور نام دارد و با شدت میدان مغناطیسی متناسب است:

ω = γ × B0

که در آن γ نسبت ژیرومغناطیسی ویژه هر هسته و B0 شدت میدان مغناطیسی است. برای هسته هیدروژن، فرکانس لارمور حدود ۴۲.۵۸ مگاهرتز به ازای هر تسلا است. به همین دلیل طیف سنج های NMR معمولا با فرکانس هیدروژن نام گذاری می شوند؛ برای مثال، طیف سنج ۴۰۰ مگاهرتزی میدانی حدود ۹.۴ تسلا دارد.

۳. تحریک با پالس رادیویی

سپس یک پالس فرکانس رادیویی با فرکانس برابر با فرکانس لارمور به نمونه تابانده می شود. هسته ها این انرژی را جذب می کنند و برخی از آنها به تراز انرژی بالاتر می روند. به این جذب انرژی در فرکانس مشخص، رزونانس یا تشدید گفته می شود. این فرکانس ها در ناحیه امواج رادیویی قرار دارند.

۴. واهلش و ثبت سیگنال

پس از قطع پالس، هسته ها به تدریج به حالت تعادل برمی گردند و یک سیگنال رادیویی ضعیف گسیل می کنند. به این سیگنال، میرایی القای آزاد (FID) گفته می شود. بازگشت هسته ها به تعادل، واهلش نام دارد و دو زمان مشخصه دارد:

T1 (واهلش طولی): بازگشت انرژی هسته ها به محیط اطراف
T2 (واهلش عرضی): از بین رفتن هماهنگی فاز اسپین ها

سیگنال FID که بر حسب زمان ثبت شده، با تبدیل فوریه به طیف NMR بر حسب فرکانس تبدیل می شود.

اطلاعات به دست آمده از طیف NMR

جابه جایی شیمیایی

الکترون های اطراف هر هسته، آن را از میدان مغناطیسی خارجی پوشش می دهند. چون محیط الکترونی هسته ها در مولکول متفاوت است، هسته های یکسان در موقعیت های مختلف مولکول، فرکانس رزونانس کمی متفاوتی دارند. به این تفاوت، جابه جایی شیمیایی گفته می شود که بر حسب ppm (قسمت در میلیون) و نسبت به یک ترکیب مرجع، معمولا تترامتیل سیلان (TMS) با جابه جایی صفر، بیان می شود.

جابه جایی شیمیایی نشان می دهد هر هسته در چه نوع گروه شیمیایی قرار دارد؛ برای مثال، هیدروژن های گروه متیل، هیدروژن های حلقه آروماتیک و هیدروژن گروه آلدهید در نواحی متفاوتی از طیف ظاهر می شوند.

جفت شدگی اسپین اسپین

اسپین هسته های مجاور روی یکدیگر اثر می گذارند و باعث شکافته شدن سیگنال ها به چند پیک می شوند. الگوی این شکافتگی (تک تایی، دوتایی، سه تایی و غیره) نشان می دهد هر گروه از هسته ها چند هسته همسایه دارد و اطلاعات مهمی درباره اتصال اتم ها در مولکول ارائه می دهد.

انتگرال سیگنال ها

سطح زیر هر سیگنال با تعداد هسته هایی که آن سیگنال را ایجاد می کنند متناسب است. به این ترتیب، در طیف هیدروژن می توان نسبت تعداد هیدروژن ها در گروه های مختلف را تعیین کرد.

NMR دوبعدی

در روش های NMR دوبعدی، ارتباط بین هسته های مختلف به صورت یک نقشه دوبعدی نمایش داده می شود. این روش ها برای تعیین ساختار مولکول های پیچیده، به ویژه پروتئین ها و محصولات طبیعی، ضروری هستند.

اجزای طیف سنج NMR

یک طیف سنج NMR از این اجزای اصلی تشکیل شده است:

مگنت (آهنربای قوی)
سیم پیچ های شیم
پروب
الکترونیک فرکانس رادیویی
سیستم آشکارسازی و پردازش داده
سیستم قفل میدان
لوازم جانبی

مگنت

مگنت قلب طیف سنج NMR است و یک میدان مغناطیسی قوی، پایدار و بسیار یکنواخت ایجاد می کند. در طیف سنج های پیشرفته، مگنت از سیم پیچ های ابررسانا ساخته می شود که در هلیوم مایع و در دمای حدود ۴ کلوین قرار دارند. در این دما، سیم ها هیچ مقاومتی ندارند و جریان الکتریکی بدون اتلاف در آنها برقرار می ماند. دور مخزن هلیوم، یک مخزن نیتروژن مایع قرار دارد تا تبخیر هلیوم کاهش یابد.

شدت میدان مگنت با یکای تسلا اندازه گیری می شود:

طیف سنج های رومیزی: با آهنربای دائمی و میدان حدود ۱ تا ۲ تسلا (فرکانس هیدروژن حدود ۴۰ تا ۹۰ مگاهرتز)، برای آموزش و کنترل کیفیت
طیف سنج های رایج آزمایشگاهی: حدود ۷ تا ۱۴ تسلا (۳۰۰ تا ۶۰۰ مگاهرتز)
طیف سنج های پیشرفته پژوهشی: بیش از ۲۰ تسلا (بیش از ۹۰۰ مگاهرتز)

هرچه میدان قوی تر باشد، حساسیت و تفکیک طیف بیشتر است.

سیم پیچ های شیم

یکنواختی میدان مغناطیسی بسیار مهم است، چون هر ناهمگنی در میدان باعث پهن شدن پیک ها و کاهش تفکیک طیف می شود. سیم پیچ های شیم میدان های مغناطیسی کوچک اضافه ای تولید می کنند که ناهمگنی های میدان اصلی را جبران می کنند. این سیم پیچ ها درون مگنت قرار دارند و پیش از هر اندازه گیری، برای رسیدن به بهترین یکنواختی، تنظیم می شوند.

پروب

پروب بخشی است که درون مگنت قرار می گیرد و لوله نمونه را نگه می دارد. پروب شامل سیم پیچ های فرکانس رادیویی است که هم پالس رادیویی را به نمونه می تابانند و هم سیگنال ضعیف گسیل شده از نمونه را دریافت می کنند. پروب ها برای هسته های مختلف و کاربردهای مختلف طراحی می شوند.

الکترونیک فرکانس رادیویی

الکترونیک فرکانس رادیویی وظیفه تولید و کنترل پالس های رادیویی و دریافت سیگنال NMR را بر عهده دارد و شامل دو بخش اصلی است:

فرستنده: پالس های رادیویی با فرکانس، فاز، دامنه و مدت زمان دقیق تولید و تقویت می کند.
گیرنده: سیگنال بسیار ضعیف نمونه را تقویت و پردازش می کند.

کنترل دقیق زمان بندی و ویژگی های پالس ها برای کیفیت طیف بسیار مهم است. در NMR مدرن، توالی های پالسی پیچیده ای طراحی می شوند تا اطلاعات مختلفی از نمونه به دست آید.

سیستم آشکارسازی و پردازش داده

سیگنال دریافتی از نمونه پس از تقویت، معمولا با روش آشکارسازی تربیعی پردازش و با مبدل آنالوگ به دیجیتال دیجیتال می شود. سپس نرم افزار با تبدیل فوریه و پردازش های دیگر، طیف نهایی را ایجاد می کند. پردازش دیجیتال سیگنال، تفکیک و حساسیت بهتری نسبت به روش های آنالوگ قدیمی فراهم می کند.

سیستم قفل میدان

میدان مغناطیسی ممکن است در طول زمان کمی تغییر کند. برای جبران این تغییرات، نمونه ها معمولا در حلال های دوتره، مانند کلروفرم دوتره (CDCl3) یا آب سنگین (D2O)، حل می شوند. دستگاه به طور مداوم سیگنال دوتریوم حلال را پایش می کند و میدان را روی آن قفل می کند. حلال های دوتره همچنین از ظاهر شدن سیگنال بزرگ هیدروژن حلال در طیف جلوگیری می کنند.

لوازم جانبی

تعویض کننده خودکار نمونه: برای اندازه گیری خودکار تعداد زیادی نمونه
واحد کنترل دما: برای انجام اندازه گیری ها در دماهای مختلف، که معمولا با جریان گاز نیتروژن گرم یا سرد انجام می شود
کرایوپروب: پروبی که در آن سیم پیچ های رادیویی و پیش تقویت کننده با گاز هلیوم تا دمای بسیار پایین سرد می شوند. این کار نویز الکترونیکی را به شدت کاهش می دهد و حساسیت دستگاه را چند برابر می کند، در حالی که خود نمونه در دمای معمولی باقی می ماند.

کاربردهای طیف سنجی NMR

شیمی آلی: تعیین ساختار ترکیبات جدید و تایید محصولات سنتز شده
داروسازی: شناسایی و تعیین خلوص داروها و بررسی برهمکنش دارو با پروتئین ها
بیوشیمی و زیست شناسی ساختاری: تعیین ساختار سه بعدی و دینامیک پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک
علم مواد و پلیمرها: بررسی ساختار پلیمرها، کاتالیزگرها و مواد جامد
صنایع غذایی: کنترل کیفیت، تشخیص تقلب و بررسی ترکیب مواد غذایی
صنعت نفت: تحلیل ترکیب سوخت ها و بررسی خواص سنگ های مخزن
متابولومیکس و پزشکی: بررسی متابولیت ها در نمونه های زیستی؛ همچنین MRI که تصویربرداری پزشکی بر پایه NMR هسته های هیدروژن در بدن است

برای آشنایی با سایر روش های طیف سنجی، مقاله های [طیف سنجی مولکولی] و [طیف سنجی الکترونی] را بخوانید.

سوالات متداول درباره طیف سنجی NMR

طیف سنجی NMR چیست؟

روشی تحلیلی که با قرار دادن نمونه در میدان مغناطیسی قوی و تابش امواج رادیویی، ساختار مولکول ها را بر اساس رفتار هسته های اتمی تعیین می کند.

چرا هیدروژن پرکاربردترین هسته در NMR است؟

چون فراوانی طبیعی تقریبا صد درصدی و حساسیت بسیار بالایی دارد و در بیشتر ترکیبات آلی وجود دارد.

جابه جایی شیمیایی چیست؟

تفاوت کوچک فرکانس رزونانس هسته های یکسان در محیط های شیمیایی مختلف که بر حسب ppm بیان می شود و نوع گروه شیمیایی را نشان می دهد.

چرا در NMR از حلال دوتره استفاده می شود؟

برای قفل کردن میدان مغناطیسی روی سیگنال دوتریوم و جلوگیری از ظاهر شدن سیگنال بزرگ هیدروژن حلال در طیف.

تفاوت NMR و MRI چیست؟

هر دو بر پایه رزونانس مغناطیسی هسته ای هستند، اما NMR برای تعیین ساختار مولکول ها و MRI برای تصویربرداری از بافت های بدن استفاده می شود.

جمع بندی

طیف سنجی NMR یکی از قدرتمندترین روش های تعیین ساختار مولکولی است که بر پایه رفتار هسته های دارای اسپین در میدان مغناطیسی و جذب امواج رادیویی کار می کند. جابه جایی شیمیایی، جفت شدگی اسپین و انتگرال سیگنال ها، اطلاعات دقیقی درباره ساختار مولکول ارائه می دهند. یک طیف سنج NMR از مگنت ابررسانا، سیم پیچ های شیم، پروب، الکترونیک فرکانس رادیویی، سیستم آشکارسازی و قفل میدان تشکیل شده است و در شیمی، داروسازی، زیست شناسی ساختاری، علم مواد و پزشکی کاربرد گسترده ای دارد.

برای آشنایی با محصولات طیف سنجی بلورآزما، به صفحه محصولات مراجعه کنید.